DE19943021C1 - Getriebemotore - Google Patents

Abstract

Ein einfach zu montierender und wegen besonders flacher Bauweise auch in schmalen Einbauräumen vielfältig einsetzbarer Getriebemotor weist auf einer Seite eines radförmigen Gehäusegrundkörpers einen Scheibenläufermotor und gegenüberliegend konzentrisch damit ein Untersetzungsgetriebe auf, bei dem es sich bevorzugt um ein Wellgetriebe mit seinem einzigen, unter radialer Verformung umlaufenden Übertragungselement zwischen Antrieb und Abtrieb handelt.

Description

Die Erfindung betrifft flachbauende Getriebemotore gemäß den Oberbegriffen der Ansprü­ che 1 bzw. 6.

Die gattungsbildenden Maßnahmen sind aus der DE 22 10 243 B2 bei elektrischen, insbe­ sondere zur Fensterverstellung in Kraftfahrzeugen bestimmten Antriebsvorrichtungen be­ kannt, die auf einer Seite einer Zwischenwand mit einem Elektromotor, dessen Scheiben­ anker in einem ebenen Luftspalt rotiert, und gegenüberliegend mit einem Umlaufräderge­ triebe in Form einer Planetenrad-Anordnung mit Seiltrommel ausgestattet sind. Die Lage­ rung des Ankers und des Getriebes erfolgt in der Zwischenwand sowie in als Lagerträger dienenden hutförmigen Außenwänden, deren Umfänge durch einen verstärkten Rand der Zwischenwand hindurch miteinander und mit einem tragenden Bauteil verschraubt sind. Nachteilig bei einer solchen Antriebsvorrichtung ist allerdings der hohe Fertigungs- und Montageaufwand sowie der vergleichsweise nur mäßige Wirkungsgrad des Umlaufräder­ getriebes, aber auch die komplizierte Formgebung der als Lagerträger zu dimensionieren­ den Gehäuseaußenwände.

Ferner ist aus der DE 296 22 874 U1 ein Getriebemotor mit Scheibenläufer und Umlauf­ rädergetriebe bekannt, der hier die Besonderheiten aufweist, daß auf der Platine für die Ansteuerelektronik auch Flachspulen für den Rotor ausgebildet sind und daß das Getriebe auch als Exzentergetriebe mit einem zentral gelagerten exzentrischen Zahnrad für umlau­ fenden Eingriff in die nebeneinander gelegenen Innenverzahnungen von Hohlrädern aus­ gestattet sein kann. Auch ein solches Getriebe bedingt noch erhebliche Anforderungen an Fertigungs- und Montagepräzision, und es weist wegen der umlaufenden Exzentrizität der Lastübertragung einen noch schlechteren getriebetechnischen Wirkungsgrad bei nur mäßi­ gem Untersetzungsverhältnis auf.

Als die klassische Lösung eines flachbauenden Getriebemotors ist es bekannt, die Ab­ triebswelle eines stangenförmigen, also dünnen und dementsprechend langen Elektromo­ tors mit einer Schnecke auszustatten, die mit einer Stirnverzahnung zu einem Abtriebsrad tangential in Eingriff steht. Weil dadurch zwei Drehachsen quer zueinander ausgerichtet sind, bedarf es aber eines vergleichbar großvolumigen Gehäuses für die Integration dieser beiden rotierenden Komponenten "Motor" und "Getriebe" zum einteilig handhabbaren Getriebemotor. Außerdem läßt der Wirkungsgrad eines solchen Schneckengetriebes mit großer Untersetzung sehr zu wünschen übrig; und vor allem ist der herstellungsseitige Aufwand beträchtlich, weil Abstand und Orientierung der quer zu einander gelegenen Wellenlager kritisch sind und die rotierenden Komponenten in unterschiedlichen Richtun­ gen in das gemeinsame Gehäuse eingebaut werden müssen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, flachbauende Getriebemotore der ein­ gangs gewürdigten Art, wie sie sich insbesondere zum Einbau in flache Umgebungen wie schmale Wandungs-Hohlräume im Leichtbau, aber auch in Funktionsteile wie Gehäu­ se-Hohlwände und insbesondere Sockelräume von vergleichsweise langsam drehverstell­ baren oder rotierenden Einrichtungen, etwa für Werbezwecke (Rotationsdisplays), für die Unterhaltungselektronik (Drehteller), für Sitz- und Liegemöbel (Neigungs- und Niveauver­ stellung) oder für den Laborbedarf (Probenkarussell, Rührwerk) eignen, dahingehend zu verbessern, daß sie sich durch einfacheren Aufbau und günstigere kinetische Verhältnisse auszeichnen.

Diese Aufgabe ist durch die in den Hauptansprüchen angegebenen wesentlichen Merkmale der Erfindung gelöst.

Danach wird auf der einen Seite eines etwa rad- oder flach H-förmigen Gehäu­ se-Grundkörpers z. B. einer der als solchen handelsüblichen elektrischen Motore mit schei­ benförmiger Läufergeometrie drehstarr befestigt. Aufgrund der nicht ring- oder walzen­ förmigen sondern scheibenförmigen Geometrie dreht deren Rotor zwar relativ langsam, aber er zeichnet sich durch ein großes Drehmoment in Zusammenwirken mit großer Schwungmasse aus.

Durch eine zentrale Öffnung in der Radscheibe des Gehäuse-Grundkörpers hindurch steht solch ein Motor mit einem ebenfalls axial flachbauenden Untersetzungs-Getriebe in Dreh­ verbindung. Teil dieses Getriebes ist ein längs der Innenperipherie der Radfelge koaxial dazu umlaufender Abtriebsring, der seinerseits Teil einer flachen Glockenschale mit einem zum Motor koaxialen Abtriebsstutzen etwa zur Aufnahme eines Abtriebsritzels sein kann. Der Abtriebsring kann aber auch, stattdessen oder zusätzlich zum Glocken-Zapfen, auf seiner Außenmantelfläche je nach dem anzuwendenden Übertragungsmittel als Riemen­ scheibe, als Kettenrad oder als Seiltrommel ausgestattet sein. Dann ist der Abtriebsring für das Übertragungsmittel, etwa für einen Riemen, von außen durch Gehäuseöffnungen in der das Getriebe umgebenden Hälfte der Felge hindurch zugänglich.

Der Abtriebsring kann schließlich auch im Bereich seiner Peripherie mit wenigstens einem ferromagnetischen Teil ausgestattet sein, vorzugsweise mit einem Permanentmagneten. Dessen Bewegung um die Getriebeachse nimmt dann aufgrund magnetischer Wechselwir­ kung ein komplementär ausgestattetes drehbares Element außerhalb des Getriebegehäuses mit. Eine solche berührungslose Kopplung zur Kraftübertragung ermöglicht den Einsatz eines gegen Umgebungseinflüsse hermetisch dicht gekapselten Gehäuses für die gesamte Einheit des scheibenförmigen Getriebemotors.

Im Zentrum des Getriebes trägt die in das Getriebe eingreifende Motorwelle ein Triebele­ ment, und in einem Ringraum zwischen diesem und dem Abtriebsring dreht sich wenig­ stens ein Übertragungselement. Zweckmäßiger da einfacher aufgebaut als ein Planetenrad­ getriebe ist ein Taumelradgetriebe. Mit noch einfacherem Aufbau eine wesentlich größere Untersetzung bei wesentlich günstigeren kinetischen Verhältnissen liefert ein hier bevor­ zugt eingesetztes Wellgetriebe mit seinem exzentrischen sogenannten Wavegenerator als dem seinerseits vom Motor angetrieben Triebelement, das in der elastisch Verformbaren Nabe des hier einzig vorhandenen, peripher radial verformbaren Übertragungselementes, dem sog. Stößelrad, gedreht wird; wie etwa in der DE 197 08 310 A1 näher erläutert.

Dort steht mit der Innenverzahnung am Abtriebsring die Stirnverzah­ nung dieses unter Radialverformung rotierenden Übertragungselementes in Eingriff, und gleichzeitig auch axial neben dem Abtriebsring mit der Innenverzahnung etwas größerer Zähnezahl an einem von der Felge rippenförmig oder von der Radscheibe manschettenartig koaxial vorstehenden, gehäusefesten Stützring.

Ein ähnliches Wellgetriebe ist aus der Arbeit "The Harmonic Drive Electromechanical Actuator" von V. O'Gorman in Control Engineering (Dezember 1964, Seiten 69 bis 72) als zylindrischer Antrieb mit dem Verhalten eines hochdynamischen Synchronmotors ebenso wie eines leistungsfähigen Schrittmotors bekannt.

Die an der Peripherie der Radscheibe umlaufende Felge wirkt als ringförmige, also etwa annähernd hohlzylindrische, axial kurze Gehäusewand. Stirnseitig auf die Felge montierte Gehäusedeckel dienen zugleich als axiale Anschläge für die sich drehenden Teile und er­ forderlichenfalls auch, im Zentrum entsprechend verstärkt, als Lagerschild z. B. für den Abtriebszapfen; sie komplettieren damit also den Aufbau des im wesentlichen kreisschei­ benförmigen, im Verhältnis zum Durchmesser sehr flachen, erfindungsgemäßen Schei­ ben-Getriebemotors.

Zu näherer Erläuterung der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen bzw. Ab­ wandlungen wird auf die Einzelheiten der Zeichnung und ihre nachfolgende Beschreibung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Scheiben-Getriebemotor in bevorzugter Ausführung, unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht ganz maßstabsge­ recht im Axial-Längsschnitt skizziert, und

Fig. 2 den Getriebemotor mit einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Auskopplung der unter­ setzten Drehbewegung.

Zum Erstellen des erfindungsgemäßen Getriebemotors 10 ist ein radförmiger, nicht unbe­ dingt runder Gehäuse-Grundkörper 11 mit der einen Hälfte seiner im Vergleich zum Durchmesser axial sehr kurzen Felge 12 über einen gekapselten, vorzugsweise autark funktionstüchtig vormontierten Scheibenläufermotor 13 gestülpt, wie er beispielsweise unter der Typenbezeichnung GDM 12 Z/N von der Firma Baumüller in Nürnberg angebo­ ten wird. Eine verdrehsichere Festlegung in diesem Gehäuse kann sich schon daraus erge­ ben, daß der Umfang des Scheibenläufermotors 13 und dementsprechend auch die Innen­ peripherie der radial benachbarten Felgenhälfte unrund sind; andernfalls erfolgt eine ge­ sonderte Verdrehsicherung im Übergangsbereich zwischen Scheibenläufermotor 13 und Felge 12 etwa mittels achsparallel oder radial in entsprechende Aussparungen eingelegter Klemmstifte (nicht dargestellt).

Falls der Motor 13 nicht wie vereinfacht skizziert abtriebsseitig zur Radscheibe 14 hin flach scheibenförmig begrenzt ist, sondern etwa aufgrund seiner Lagerkonstruktion für die Antriebswelle 16 dort eine stumpfwinklig kegelstumpfförmige Gestalt aufweist, ist auch die benachbarte Radscheibe 14 nicht eben, sondern zum Zentrum hin entsprechend hohl­ kegelstumpfförmig oder sonstwie konvex (also etwa tellerförmig) ausgebuchtet, um innig an die benachbarte dreidimensionale Oberfläche des Motorgehäuses angeschmiegt sein zu können. Ferner muß die Radscheibe 14 nicht flächig geschlossen sein, es würde für die Funktion des Gehäuse-Grundkörpers 11 auch eine speichenförmige starre Halterung der Felge 12 an einer von der Motorwelle 16 durchragten Nabe ausreichen. Grundsätzlich muß der Grundkörper 11 auch kein von anderen Gehäusen getrennte Konstruktionsteil sein; zweckmäßigerweise werden sogar für die Massenfertigung insbesondere das Motorgehäuse und der Grundkörper einstückig im Kunststoff oder Metallspritzguß oder im Blechtief­ zieh- oder -preßverfahren hergestellt.

Die stirnseitig von der Felge 12 umgebene Radscheibe 14 des Gehäuse-Grundkörpers 11 bildet die Trennwand zwischen dem Raum zur Aufnahme des Scheibenläufermotors 13 und einem innerhalb der anderen Hälfte der Felge 12 koaxial benachbarten Raum zur Auf­ nahme eines axial flachbauenden Untersetzungs-Getriebes 15. Das kann extern vormontiert sein, oder es wird im Zuge des Einsetzens seiner Teile in den Raum vor der Radscheibe 14 komplettiert. Das Getriebe 15 übergreift im Zentrum die Welle 16 des Scheibenläufermo­ tors 13, die durch eine zentrale Öffnung 17 der Radscheibe 14 in den Getriebe-Raum hin­ einragt und dort mit einem Triebelement 18 des Getriebes 15 drehfest in Eingriff steht. Dieses motorisch angetriebene Triebelement 18 bewegt über wenigstens ein Übertragungs­ element 19 einen zur Motorwelle 16 konzentrisch drehenden Abtriebsring 20, der als Hohl­ rad mit Innenverzahnung 28 radial innerhalb der Felge 12 geführt ist.

Der Abtriebsring 20 kann als Kronrad oder gemäß Fig. 1 als Stirnrand der äußere Teil einer axial flachen Glockenschale 30 sein, deren zentraler Abtriebsstutzen 31 koaxial zur Mo­ torwelle 16 in einem Gehäuseschild 32 gelagert ist und jenseits des Lagers z. B. mit einem Ritzel 33 zur Übermittlung der untersetzten Drehbewegung nach außen versehen ist. Die Auskopplung der gegenüber der Motordrehung untersetzten Drehbewegung kann aber auch von der Mantelfläche 21 des längs der Zylinderinnenwandung der Felge 12 umlau­ fend gelagerten Abtriebsringes 20 aus erfolgen, etwa wie symbolisch in Fig. 2 berücksichtigt mittels eines Seiles oder einer Riemenschlaufe über Durchlässe 22 durch die Felge 12 hindurch.

Das Getriebe 20 kann als Taumelgetriebe ausgelegt sein. Vorzugsweise ist es aber ein Wellgetriebe, das sich durch extrem hohe Untersetzung bei sehr geringer Anzahl an Ein­ zelteilen und günstigen Fertigungsmöglichkeiten in Kunststoff-Spritzgußtechniken aus­ zeichnet. Bei dieser Auslegung des Getriebes 15 dient ein sogenanntes Stößelrad als längs seines Umfanges radial elastisch verformbares Übertragungselement 19 mit stirnseitigem Zahnkranz 25, dem sog. Flexband. Das wird von einem in der ebenfalls elastisch verform­ baren Nabe 23 des Übertragungselementes 19 umlaufenden formstabil exzentrischen, vor­ zugsweise ellipsenförmigen Triebelement 18, dem sog. Welt- oder Wavegenerator gedreht. Die radial ausbeulbare Nabe 23 trägt den radial ausbeulbaren Zahnkranz 25 über in Längs­ richtung, also am Übertragungselement 19 radial, starre Stößel oder Speichen 24. Wegen der elliptischen Verformung stehen nur zwei einander diametral gegenüberliegende Teilbe­ reiche des Zahnkranzes 25 mit einer gehäusefesten Innenverzahnung 27 in Eingriff, und diese beiden Teilbereiche laufen mit dem Triebelement 18 um. Der Zahnkranz 25 steht dabei über einen Teil seiner axialen Breite in Eingriff mit der Kron- oder Innenverzahnung 26 eines von der Felge 12 rippenförmig (Fig. 1) oder von der Radscheibe 14 zwischen Fel­ ge 12 und Übertragungselement 19 manschettenförmig (Fig. 2) koaxial in den Getrie­ be-Raum hineinragenden, formstabil starren Stützrings 27. Gleichzeitig kämmt der axial benachbarte Bereich des radial leicht verformbaren Zahnkranzes 25 mit der ebenfalls da­ gegen formstabil starren Innenverzahnung 28 des Abtriebsringes 20. Die Drehzahlunterset­ zung resultiert daraus, daß z. B. die Zähnezahl des gehäusefesten Stützringes 27 geringfü­ gig größer als die Zähnezahl des darauf unter Radialverformung abwälzenden Zahnkranzes 25 ist, der seinerseits den Abtriebsring 20 mit gleicher oder abermals untersetzter Drehge­ schwindigkeit antreibt.

Mit Drehen der Motorwelle 16 rotiert also das im Querschnitt beispielsweise ovale Trie­ belement 18 und bewirkt in der umgebenden Nabe 23 eine peripher umlaufende radiale Ausbuchtung, die nach Art einer Wellenbewegung die Folge der Speichen 24 nacheinander gegen das Innere des Zahnkranzes 25 stemmt. Dadurch wird der Zahnkranz 25 über die Speichen 24 an einander diametral gegenüberliegenden, peripher beschränkten Umfangs­ bereichen ausgebeult, also gemäß der Schnittdarstellung der Zeichnung momentan in die Innenverzahnungen 26/28 hineingedrückt, während dessen Zahnperipherie im übrigen radial von den Innenverzahnungen 26/28 abhebt, weil quer zur Großachse des ovalen Exzenters keine radiale Speichenverschiebung nach außen auftritt. Wegen der unterschied­ lichen Zähnezahl erfolgt das Abrollen des Zahnkranzes 25 an der gehäusefesten Innenver­ zahnung 26 langsamer, als die Rotation des Triebelementes 18 auf der Motorwelle 16, und der Abtriebsring 20 wird mit seiner Innenverzahnung 28 (bei z. B. gleicher Zähnezahl) ent­ sprechend verlangsamt vom Zahnkranz 25 mitgenommen.

Nachdem das, vorzugsweise für die Weltfunktion ausgelegte, Getriebe 15 in die Gehäuse­ schale des Grundkörpers 11 eingesetzt ist, wird der so komplettierte Scheiben-Getriebemo­ tor 10 mittels Gehäuse-Deckeln 29 stirnseitig verschlossen, die im in Fig. 1 dargestellten Beispielsfalle abtriebsseitig auch Lagerfunktionen, nach Fig. 2 aber nur axiale Begren­ zungsfunktionen ohne Lagerwirkung zu erfüllen haben.

Dieser flache und kompakte, elektrisch steuerbare Gleichstrom-Getriebemotor 10 mit z. B. einer von einer Seiltrommel auf dem Abtriebsring 20 getragenen Drahtschleife, wie inso­ weit beispielhaft aus Fig. 2 der Zeichnung ersichtlich, eignet sich besonders zum Einbau in flach begrenzte Umgebungen, etwa zur Betätigung von Schiebern, Weichen und Klappen in Förder- oder Lüftungssystemen oder eines Schiebedaches im Himmel eines KFZ-Fahr­ gastraumes, und bei einer rotierenden Bewegungsausgabe etwa gemäß Fig. 1 insbesondere zum Einbau in flache Sockel unter rotierenden Geräteteilen wie Rührwerken, Labor- oder Bestückungstischen bzw. in Sitz- oder Liegemöbel zum Realisieren etwa von Komfortein­ stellungen. Da eine Ausführung des erfindungsgemäßen Getriebemotors 10 typisch axial nur ca. 45 Millimeter mißt, bei einem Durchmesser, der dann etwa das Dreifache der ge­ samten Dicke beträgt, läßt er sich auch leicht nachträglich außen an Lüftungskanälen etwa zur Drosselklappenverstellung einsetzen, zumal die geringe axiale Dicke des Getriebemo­ tors 10 bei flach anliegender äußerer Kanalapplikation noch nicht über die Begrenzungs­ maße von Verbindungsflanschen hinaus und in den Verkehrsraum hinein ragt.

Ein einfach zu montierender und wegen besonders flacher Bauweise auch in schmalen Einbauräumen vielfältig einsetzbarer Getriebemotor 10 weist also erfindungsgemäß auf einer Seite eines radförmigen GehäuseGrundkörpers 11 einen Scheibenläufermotor 13 und gegenüberliegend konzentrisch dazu ein flachbauendes Untersetzungsgetriebe 15 auf, bei dem es sich bevorzugt um ein Wellgetriebe mit nur einem umlaufenden Übertragungsele­ ment 19 zwischen der antreibenden Motorwelle 16 und der abtriebsseitigen Innenverzah­ nung 28 handelt.

Claims (6)

1. Flachbauender Getriebemotor (10) als Baueinheit von Motor und Getriebe in einem Gehäuse mit einem axial kurzen Gehäuse-Grundkörper (11), der auf einer Seite einer Radscheibe (14) mit einem Motor (13) mit scheibenförmiger Läufergeometrie und ge­ genüberliegend mit einem Getriebe (15) bestückt ist, das durch die Radscheibe (14) hindurch vom Motor (13) angetrieben und mit einem koaxial umlaufenden Abtriebs­ ring (20) ausgestattet ist, wobei der Abtriebsring (20) mit einer Innenverzahnung (28) ausgestattet ist, die axial neben der Innenverzahnung (26) eines gehäusefesten Stütz­ ringes (27) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein rad- oder H-förmiger Gehäu­ se-Grundkörper (11) innerhalb seiner die speichenförmig durchbrochene oder flächig geschlossene Radscheibe (14) umgebenden Felge (12) mit einem Wellgetriebe ausge­ stattet ist, von dem der Abtriebsring (20) ein Teil ist, wobei beide Innenverzahnungen (28, 26) gleichzeitig je mit einem Teil des Zahnkranzes (25) eines radial flexiblen Übertragungselementes (19) kämmen, das eine von einem motorgetriebenen Exzenter umlaufend aufgeweitete Nabe (23) aufweist.

2. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Schei­ benläufermotors einstückig mit dem Gehäuse-Grundkörper (11) ausgebildet ist.

3. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverzahnung (28) Teil eines flach glockenförmigen Abtriebsringes (20) ist, der mit einem Abtriebs­ stutzen (31) koaxial zur Motorwelle (16) dieser axial gegenüber in einem Gehäuse­ schild (32) gelagert ist.

4. Getriebemotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtriebsring (20) mit wenigstens einem Magneten bestückt ist, der mit einem außerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten, wenigstens teilweise ferromagnetischen oder ferromagnetisch bestückten Abtriebselement berührungslos gekoppelt ist.

5. Getriebemotor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerte und mit wenigstens einem Magneten be­ stückte Abtriebsring (20) in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse umläuft.

6. Flachbauender Getriebemotor (10) als Baueinheit von Motor und Getriebe in einem Gehäuse mit einem axial kurzen Gehäuse-Grundkörper (11), der auf einer Seite einer Radscheibe (14) mit einem Motor (13) mit scheibenförmiger Läufergeometrie und ge­ genüberliegend mit einem Getriebe (15) bestückt ist, das durch die Radscheibe (14) hindurch vom Motor (13) angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein rad- oder H-förmiger Gehäuse-Grundkörper (11) innerhalb seiner die speichenförmig durchbro­ chene oder flächig geschlossene Radscheibe (14) umgebenden Felge (12) mit einem Taumelradgetriebe ausgestattet ist, von dem der Abtriebsring (20) ein Teil ist.