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Die Erfindung bezieht sich auf ein Planetenfußgetriebe mit hoher Leistungsdichte.
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Getriebe mit zulässigen Abtriebsmomenten im Bereich von ca. 50 Nm bis ca. 1000 Nm werden weltweit in sehr hohen Stückzahlen produziert. Neben relativ einfachen Anwendungen, z. B. als Einzelantriebe in drehzahlkonstanten Maschinen, werden die Getriebe auch in vernetzten Strukturen mit erhöhten Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit, Belastbarkeit und Dynamik eingesetzt. Vereinfacht lassen sich die Einsatzbereiche der Getriebe einteilen in Anwendungen für „Getriebemotoren” und „Servoantriebe”, wobei Getriebemotoren für „einfache” (zum Beispiel Bandantrieb) und Servoantriebe für „anspruchsvolle” (zum Beispiel Positioniereinheit) Antriebsaufgaben genutzt werden. Für den Bereich der Getriebemotoren werden überwiegend folgende Getriebetypen verwendet: Stirnradgetriebe, Stirnrad-Flachgetriebe, Kegelrad- bzw. Hypoidgetriebe und Schneckengetriebe. Im Bereich der Servogetriebe werden hauptsächlich Planetengetriebe und Hypoid- bzw. Kegelradgetriebe eingesetzt. Der Einsatz der Getriebe erfolgt zusammen mit unterschiedlichen Elektromotortypen, wobei vorwiegend Drehstrom-Asynchronmaschinen im Bereich der Getriebemotoren und permanenterregte Synchronmaschinen im Bereich Servoantriebe eingesetzt werden. Aufgrund strengerer Effizienznormen findet jedoch bei vielen Firmen ein Umdenken statt, sodass im Bereich der Getriebemotoren zunehmend Elektromotortypen angeboten werden, die eine höhere Leistungsdichte und anspruchsvollere Leistungscharakteristika haben als herkömmliche Drehstrom-Asynchronmaschinen. So kann zum Beispiel ein permanenterregter Synchronmotor aufgrund seiner dynamischen Eigenschaften zur Überlastung des Standardgetriebes (z. B. Stirnradgetriebe) aus dem Bereich der Getriebemotoren führen.
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Innerhalb des Gebiets der sogenannten Getriebemotoren spielen Stirnradfußgetriebe aufgrund ihrer relativ hohen Stückzahlen und der relativ niedrigen Verkaufspreise eine übergeordnete Rolle. Im Wesentlichen werden diese Stirnradgetriebe mit 1–3 Getriebestufen und einer hohen Anzahl an Übersetzungen angeboten. In den vergangenen Jahrzehnten ist bezüglich der Anschluss-Abmessungen (z. B. Wellendurchmesser), vor allem aufgrund der Marktstärke einzelner Anbieter, eine Art Industriestandard entstanden.
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Durch die Vorgabe der wichtigsten Getriebeabmessungen und der Beibehaltung des Getriebeprinzips sind den typischen Konstruktionen jedoch enge Grenzen hinsichtlich Belastbarkeit und Lebensdauer gesetzt. Hinzu kommt, dass die oben erwähnte Kombinatorik mit anderen Elektromotoren zu erhöhten Getriebebelastungen führen kann. Herkömmliche Stirnradgetriebe im Bereich der Getriebemotoren besitzen aufgrund ihrer Konstruktion unter anderem die folgenden Eigenschaften:
- • Drehmomentübertragung durch einen Zahneingriff je Getriebestufe.
- • Innere Zahnkräfte in Abhängigkeit von Übersetzung und Drehrichtung
- • Richtungsabhängige zulässige externe Belastbarkeit durch Überlagerung der inneren und äußeren Kräfte
- • Begrenzte Überlastfähigkeit insbesondere durch erhöhte Drehmoment
- • Eingeschränkte Lebensdauer der Wälzlager, insbesondere bei hohen Grenzlasten
- • Eingeschränkte dynamische Fähigkeiten aufgrund des Zahnspiels und der relativ geringen Verdrehsteifigkeit
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Um das herkömmliche Stirnradfußgetriebe durch ein Planetenfußgetriebe zu ersetzen sind folgende Punkte besonders zu betrachten:
- • Effiziente Elektromotoren und verlustarme Getriebe ermöglichen die Reduzierung der Energiekosten.
- • Eine Erhöhung der Bauteillebensdauer bei gleicher Getriebebelastung führt zu weniger Ausfällen und damit zu geringeren Ersatzteil- und Servicekosten.
- • Eine Erhöhung der zulässigen Getriebebelastung kann aufgrund der besseren Leistungsdichte zu kleineren Antrieben führen.
- • Eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften verbreitert das Einsatzspektrum der Antriebe.
- • Aufgrund der zunehmenden Anwendung elektronischer Steuerungen und der zum Teil wesentlich besseren Wirkungsgrade im Teillastbereich sowie der günstigeren Drehmomentverläufe bestimmter Elektromotoren (zum Beispiel permanenterregter Synchronmotoren oder Synchron-Reluktanz-Motoren) kann, für entsprechende Einsatzbereiche, auf eine hohe Übersetzungsvielfalt der Getriebe verzichtet werden.
- • Hauptziel ist die Verringerung der Gesamtkosten!
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Eine wesentliche Bedingung für den Ersatz beziehungsweise für den Austausch eines Stirnradgetriebes ist, dass ein neues Getriebe die gleichen Anschlussmaße besitzt. Wird anstelle des Stirnradgetriebes ein Planetengetriebe eingesetzt, so müssen wesentliche Hauptabmessungen gleich bleiben (3).
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Der Erfindung liegt nun eine Konstruktion zugrunde, die – unter Zugrundelegung der Gesamtkosten – den Einsatz eines Planetengetriebes anstelle eines Stirnradgetriebes rentabel macht. Zudem sollen durch den Einsatz von Planetengetrieben die positiven Getriebeeigenschaften aus dem Bereich der Servoanwendungen (zum Beispiel geringe Verdrehsteifigkeit und höhere Leistungsdichte) in den Bereich der Getriebemotoren übertragen werden.
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Die Erfindung wird mit nachfolgendem einem nachfolgenden Konstruktionsbeispiel näher erläutert. Folgende Zeichnungen werden verwendet:
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1: Die Zeichnung des zweistufigen Planetenfußgetriebes.
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2: Die Zeichnung des einstufigen Planetenfußgetriebes.
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3: Die Zeichnung des Planetenfußgetriebes mit Darstellung der Hauptabmessungen
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Die Darstellung in 1 zeigt die Konstruktion eines zweistufig aufgebauten Planetenfußgetriebes. Der Antrieb erfolgt über das Ritzel 8, welches mittels einer geeigneten Welle-Nabe-Verbindung mit der Motor- oder Kupplungswelle montiert wird. Die beiden Planetenradsätze 2 und 4 befinden sich im Zahneingriff mit dem innenverzahnten Hohlrad 3. Das Hohlrad 3 ist im Getriebegehäuse 1 montiert, wobei zum Beispiel eine Klebepress-Verbindung Anwendung findet. Über die Abtriebswelle 6 erfolgt die Leistungsübertragung hin zur Arbeitsmaschine, wobei die Abtriebswelle 6 hier in hochbelastbaren Kegelrollenlagern 7 gelagert ist.
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In der einstufigen Getriebeausführung nach 2 wird eine verlängerte Abtriebswelle 18 verwendet, wobei die Position des Ritzels 16 gegenüber der zweistufigen Ausführung konstant bleibt.
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Das Getriebegehäuse 1 sowie das innenverzahnte Hohlrad 3 der ein- und zweistufigen Getriebekonstruktionen nach 1 und 2 sind identisch.
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Heute übliche Planetengetriebe-Konstruktionen verwenden für den Aufbau eines mehrstufigen Getriebes unterschiedliche Gehäuse oder montieren (verschrauben) mehrere Getriebestufen zu einem Getriebe. Im Gegensatz hierzu benutzt die hier vorgestellte Getriebekonstruktion für die ein- und zweistufige Getriebeausführung dasselbe Gehäuse 1, wobei die antriebsseitigen Abmessungen hinsichtlich eines Motor- oder Kupplungsanschlusses gleich bleiben. Diese Konstruktion ermöglicht den Aufbau einer Gesamtfertigung, die sich zunächst auf eine einzelne Getriebebaugröße beschränken kann, und gleichzeitig eine hohe Teilevarianz vermeidet. Im Folgenden wird die konkrete Anwendung des Planetenfußgetriebes als Ersatz für zwei marktübliche Stirnradgetriebe unter Angabe der Hauptabmessungen nach 3 beschrieben:
L1 = 90 mm für ∅d = 30 mm und L1 = 100 mm für ∅d = 35 mm
L2 = 165 mm
L3 = 195 mm
∅ds = 13,5 mm
B1 = 135 mm
B2 = 170 mm
H1 = 24 mm
H2 = 115 mm
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Die beiden durch das Planetenfußgetriebe ersetzten Stirnradgetriebe unterscheiden sich lediglich in den Abmessungen Länge (indirekt angegeben durch die Länge L1) und ∅d der Abtriebswelle. Aufgrund der Lagerabmessungen des Planetenfußgetriebes kann hier die Abtriebswelle (6 bzw. 18 nach 1 bzw. 2) auch noch für den Durchmesser ∅d = 40 mm gefertigt werden, wodurch insbesondere für die Festigkeit von Welle und Welle-Nabe-Verbindungen Vorteile möglich sind.
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Um eine möglichst geringe Länge der des Hohlrades bzw. der Gesamtverzahnung zu ermöglichen sollte insbesondere die Verbindung des Ritzels 5 mit dem Planetenträger 11 in der zweistufigen Getriebevariante mit einem Formschluss (zum Beispiel Kerbverzahnung) ausgeführt werden.
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Die Planetenträger 6, 11 und 18 können bereits mit weiteren Bohrungen für zusätzliche Übersetzungen gefertigt werden, sodass die Anzahl der unterschiedlichen Bauteile im Baukasten reduziert werden kann. Die Anordnung der Planeten kann hierbei sowohl in gleichen Winkelschritten (zum Beispiel 3 × 120°) als auch in ungleichen Winkelschritten erfolgen.
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Für den Standard sind jeweils drei Planeten (2 und 4) je Getriebestufe vorgesehen. Um das zulässige Getriebedrehmoment für einzelne Übersetzungen zu erhöhen ist auch eine erhöhte Anzahl von Planeten (beispielsweise vier) möglich.
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Um günstige Fertigungsbedingungen auch bei geringen Stückzahlen zu erreichen, können sich wichtige Verzahnungsparameter (zum Beispiel Zähnezahl und Modul) der Zahnräder 2, 3, 4, 5, 8 und 16 an den Gegebenheiten bereits etablierter Getriebebaureihen (zum Beispiel aus dem Bereich der Servogetriebe) orientieren. Zusammen mit geeigneten Fertigungsverfahren für das Hohlrad 3 (zum Beispiel Räumen oder Wälzschälen) können so die Fertigungs- und Investitionskosten optimiert werden.
