DE2417834C3 - Getriebe zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine Linearbewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine Linearbewegung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein derartiges Getriebe ist aus der DE-PS 2 71 755 bekannt, wobei allerdings die Hingangsbewegung die lineare Bewegung und die Ausgangsbewegung die Drehbewegung ist. Im Vei gleich zur vorliegenden Erfindung ist somit der Ausdruck »Eingang« durch »Ausgang« und umgekehrt zu ersetzen. Auf einem Tragrahmen ist eine Ausgangswelle angeordnet, die um eine fest erste Achse umläuft. Parallel hiei/u erstreckt sich auf einer /weiten Achse eine exzentrische Welle, l.ei/tere ist so befestigt, daß sie bei ihrer Drehung um ihre eigene Achse gleichzeitig um die erste Achse umläuft. Auf ihr dreht sich dabei ein Teil, wobei Sorge dafür getragen ist, daß diese beiden Drehungen mit derselben Winkelgeschwindigkeit, jedoch mit entgegengesetztem Drehsinn erfolgen. Das auf der exzentrischen Welle gelagerte Teil steht dabei mit einem im Rahmen geführten, sich auf linearem Weg bewegenden Eingangsteil in Wirkverbindung.

Diese Wirkverbindung ist dergestalt, daß eine cszillatorische, im wesentlichen harmonische Bewegung des Eingangsteils in eine praktisch gleichförmige Drehbewegung der Ausgangswelle umgesetzt wird.

Auch bei funktionaler Umkehr dieses bekannten Getriebes entsteht keine Vorrichtung, bei der die Ausgangsbewegung zykloidförmig ist und eine eindeutige Beziehung zwischen dem Drehsinn des Eingangsteils und der Bewegungsrichtung des Ausgangsteils gegeben ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung der im Hauptanspruch bezeichneten Gattung so auszubilden, daß ein im wesentlichen zykloidförmiges Weg-Zeit-Diagramm der Ausgangsbewegung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste umlaufende Teil so ausgebildet ist, daß es das Ausgangsteil in tangentialer Richtung antreibt.

Dabei ist es an sich für Getriebe in anderem Zusammenhang bekannt (DE-OS 2150 410), die Umfangsbewegung eines sich drehenden Teils tangential auf das Ausgangsteil zu übertragen. Die erzielte Ausgangsbewegung und die hierbei verwendeten Mittel haben jedoch mit der vorliegenden Erfindung nichts gemeinsam.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Getriebe weist bezüglich der verwendeten Bauelemente einen verhältnismäßig unkomplizierten Aufbau auf. Aus einer einfachen, gleichförmigen Geschwindigkeit am Eingang wird eine eine zykloidenförmige Zeitabhängigkeit aufweisende Bewegung des Ausgangsteils, welche ein hohes Drehmoment aufweisende Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen und rasch ablaufende, dazwischenliegende Durchgangsphasen aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 1,

F i g. 4 eine Aufsicht auf das Getriebe,

F i g. 5 bis 9 eine Reihe von schematischen Darstellungen, welche die Teile während eines Betriebszyklus in aufeinanderfolgenden Stellungen zeigen,

Fig. 10 eine schematische, zur mathematischen Behandlung des Getriebes verwendete Darstellung der Lage der umlaufenden Teile und

Fig. 11 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes, in der ein unabhängiger, sekundärer Primärantrieb in Form eines mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden Antriebs gezeigt ist.

In den F i g. 1, 2, 3 und 4 trägt eine Grundplatte 2 ein als Tragrahmen dienendes Gehäuse 4 und ein Untersetzungsgetriebe 6. Das Untersetzungsgetriebe 6 wird durch einen Motor 8 über Riemenscheiben 10 und 12 und einen Riemen 14 angetrieben. In dem Gehäuse 4 ist cm feststehendes, ringförmiges Zahnrad 16 mit innenliegendem Zahnkranz angebracht, dessen Achse konzentrisch zur Achse A 1 der Ausgangswelle 18 des

Untersetzungsgetriebes 6 verläuft. Die Ausgangswelle 18 des Untersetzungsgetriebes 6, die gleichzeitig Eingangswelle des Getriebes ist, treibt eine gekröpfte Wange und eine exzentrische Welle 20 mit einer Achse λ 2 an, welche an ihrem äußeren Ende durch eine mit ihr verblockte, gekröpfte Anschlußwelle 22 gehalten wird, deren äußeres Ende wieder konzentrisch zur Achse A 1 verläuft und im Lager 24 des Gehäuses 4 gelagert ist.

Die Achse A 2 der exzentrischen Welle 20 verläuft parallel zur Achse A 1 der Eingangswelle 18. Der Abstand der Achse A 2 von der Achse A 1 beträgt die Hälfte des Zahnkranzhalbmessers des Zahnrades 16.

Auf der exzentrischen Welle ist durch die Lager 28 und 30 ein Planetenzahnrad 26 befestigt Das Planetenzahnrad 26 weist einen Zahnkranzdurchmesser von der Hälfte des Zahnkranzdurchmessers des Zahnrades 16 auf; die Zähne der zwei Zahnräder 16 und 26 sind so geformt, daß sie ineinander eingreifen.

An das Planetenzahnrad 26 ist ein exzentrisches, rundes Nabenteil 32 angeformt, welches über dieses hinaussteht. Die Achse A3 des am linken Ende des Planetenzahnrades 26 angebrachten Nabenteils 32 verläuft parallel zur Achse A 2 des Planetenzahnrades 26 und ist von dessen Achse Al um eine Strecke entfernt, die dem Zahnkranzhalbmesser des Planetenzahnrades 26 entspricht. Zwischen dem Nabenteil J2 und dem Planetenzahnrad 26 ist ein kreisförmige-Abschnitt 27 angebracht, welcher zusammen mit einer von einem Ring 31 gehaltenen Platte 29 das Getriebe abdichtet.

Auf dem Nabenteil 32 ist ein außenverzahntes Zahnrad 34 konzentrisch zur Achse A 3 angebracht. Auf der Innenseite des Zahnrades 34 ist eine Aussparung 36 angebracht, in welche eine runde, in dem Nabenteil 32 untergebrachte und durch eine Feder 40 nach außen gedrückte Raste 38 eingreift. Normalerweise laufen das Zahnrad 34 und das Nabenteil 32 als eine Einheit um; durch die Raste 38 wird im Falle einer äußeren Überlastung das Zahnrad 34 von dem Nabenteil 32 getrennt, so daß eine Beschädigung der Zahnräder vermieden wird.

Durch Abstandsstücke 48 ist eine lange Zahnstange 44 an einer Ausgangsplatte 46 befestigt. Die Zahnstange 44 greift in das Zahnrad 34 ein. Die Ausgangsplatte 46 ist durch Rollen 50 gelagert, welche an einem am Kopf des Tragrahmens 4 befestigten Träger 52 befestigt sind, und wird durch diese geführt. Beim Antrieb der Zahnstange 44 durch das Zahnrad 34 werden die Ausgangsplatte 46 und die Zahnstange 44 geradlinig zwischen den Rolien 50 bewegt. Der gesamte in einem Zyklus in einer Richtung zurückgelegte Weg der Zahnstange 44 entspricht dem Umfang des Zahnkranzes des Zahnrades 34. An den Enden der in einem Betriebszyklus zurückgelegten Strecke fallen die Achsen A 1 und Λ3, wie in den Fig. 1, 5 und 9 gezeigt, zusammen.

Die vom Ausgangsteil in einem Betriebszyklus durchlaufene Strecke erfordert eine Umdrehung der exzentrischen Welle 20 und kann am besten unter Bezugnahme auf die F i g. 5 bis 9 beschrieben werden, welche einen Satz von aufeinanderfolgenden schematischen Darstellungen der Lage der wichtigsten Bauteile während des Bewegungsablaufs darstellen. In F i g. sind alle Bauteile in den Lagen gezeigt, in denen sie sich befinden, wenn die Zahnstange 44 an einem Ende des bei einem Betriebszyklus zurückgelegten Weges verweilt. An diesem Punkt führt eine beträchtliche Drehung der exzentrischen Welle 20 nur zu einer sehr geringen Bewegung der Zahnstange 44. Die Achsen A 1 und A 3 fallen im wesentlichen zusammen, und die Achse A 2 liegt auf einer Linie, welche senkrecht zu dem mit Zähnen versehenen Abschnitt der Zahnstange 44 und durch den Berührungspunkt mit dem Zahnrad 34 verläuft. Dieser Berührungspunkt ist in den F i g. 5 bis 9 mit !"bezeichnet.

Nach Drehung der exzentrischen Welle 20 um 90° um

die Achse A I entgegen dem Uhrzeigersinne wird der in

ίο F i g. 6 gezeigte Zustand erreicht Das Planetenzahnrad

hat sich um 180" im Uhrzeigersinne gegenüber der Welle 20 gedreht oder im Uhrzeigersinne um 90°

bezogen auf den raumfesten Tragrahmen 4; deshalb bat

sich auch das Zahnrad 34 um 90° im Uhrzeigersinne bezüglich des Tragrahmens 4 gedreht, während sich

seine Achse Λ 3 um eine Strecke nach links bewegt hat, die seinem Zahnkranzhalbmesser entspricht, !n diesem Zeitraum hat sich die Zahnstange 44 leicht nach rechts bewegt, während sie sanft in dieser Richtung beschleunigt wird.

Nach einer weiteren Drehung der Welle 20 um 90° (insgesamt 180°) um die Achse A 1 entgegen dem Uhrzeigersinne wird die in Fig.7 gezeigte Lage erreicht. Das Planetenzahnrad 26 hat sich nun um insgesamt 360° entgegen dem Uhrzeigersinne bezüglich der Welle 20 gedreht oder um insgesamt 180° im Uhrzeigersinne bezüglich des raumfesten Tragrahmens 4; damit hat sich das Zahnrad 34 ebenfalls um 180° im Uhrzeigersinne bezüglich des Tragrahmens 4 gedreht, während seine Achse Λ 3 in eine Lage zurückgekehrt ist, die im wesentlichen mit der festen Achse A 1 zusammenfällt. Zu diesem Zeitpunkt hat die Zahnstange 44 insgesamt eine Strecke zurückgelegt, welche der Hälfte des Zahnkranzumfanges des Planetenzahnrads 26 entspricht, anders gesagt, es hat die Hälfte seiner bei einem Betriebszyklus insgesamt zurückgelegten Strecke durchlaufen. Gerade an diesem Punkt hat die Zahnstange 44 ihre größte Geschwindigkeit erreicht.

Hat sich die Welle 20 um weitere 90° oder insgesamt um 270° entgegen dem Uhrzeigersinne um die Achse A 1 gedreht, so wird die in F i g. 8 gezeigte Lage

erreicht. Das Planetenzahnrad 26 hat sich nun um insgesamt 540° im Uhrzeigersinne um die Welle 20 oder

um insgesamt 270° im Uhrzeigersinne bezüglich des

raumfesten Tragrahmens gedreht; deshalb hat sich auch das Zahnrad 34 um 270° im Uhrzeigersinne bezüglich des Tragrahmens 4 gedreht, während seine Achse A 3

sich um eine Strecke nach rechts bewegt hat, die seinem Zahnkranzhalbmesser entspricht. Die Zahnstange 44

so hat sich um eine weitere Strecke nach rechts bewegt, welche ihrer Bewegung zwischen den Fig.6 und 7 entspricht, und hat somit fast das Ende ihres Hubes erreicht.

Nach einer weiteren Drehung der Welle 20 entgegen dem Uhrzeigersinne um die Achse A 1 von 90° oder insgesamt 360° wird die in Fig.9 gezeigte Lage

erreicht. Das Planetenzahnrad 26 hat sich nun insgesamt um 720° im Uhrzeigersinne gegenüber der Welle 20 gedreht oder insgesamt um 360° im Uhrzeigersinne

bo bezüglich des raumfesten Tragrahmens 4; daher hat sich

auch das Zahnrad 34 um 360° im Uhrzeigersinne bezüglich des Tragrahmens 4 gedreht. Die Achse A 3

fällt wieder mit der Achse A 1 zusammen, und alle Bauteile mit Ausnahme der Zahnstange 44 befinden sich wieder in derselben Lage wie der in Fig. 5 gezeigten.

Die Zahnstange 44 befindet sich wieder in Ruhe, hat sich aber um eine Strecke nach vorne bewegt, die dem Zahnkranzumfang des Zahnrades 34 entspricht.

Während der oben beschriebenen Vorschubphasen wird die Zahnstange 44 ruckfrei von Geschwindigkeit 0 in F i g. 5 beschleunigt, erreicht an dem in F i g. 7 gezeigten Punkt eine maximale Geschwindigkeit und wird dann ruckfrei während der zweiten Hälfte ihrer Bewegung abgebremst, bis in F i g. 9 wieder ein Verweilen erreicht wird. Dies ist in den F i g. 5 bis 9 qualitativ gezeigt. Im folgenden wird die exakte Rewegungsgleichung abgeleitet.

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung der Auslenkung, in der die am Ausgangsteil erhaltene Auslenkung in Abhängigkeit von der am Eingang bewirkten Drehung der exzentrischen Welle gezeigt ist. Vor jeglicher Bewegung am Eingang fällt die Achse A 3 des Zahnrads 34 mit der Achse A 1 des Zahnrades 16 zusammen: die Achse A 2 des Planetenzahnrads 26 liegt auf der Linie Ai-O zwischen der Achse A 1 und dem festen Punkt O, welcher der Berührungspunkt zwischen dem Zahnrad 34 und der Zahnstange 44 ist. In dieser Anfangslage fällt der Punkt Q auf der Zahnstange 44 mit dem Punkt O zusammen. Schließlich liegt die Achse A 2 der Welle 20 auf der Linie Ai-O.

Nach Drehung der Welle 20 um einen Winkel θ und nachdem sich der Punkt Q um eine Strecke U von seinem Ausgangspunkt O entfernt hat, wird die in F i g. 10 gezeigte Geometrie erhalten.

Es läßt sich zeigen, daß der Winkel λ gleich 2 χ θ und daß der Winkel β gleich θ ist. Ferner ist die Strecke T- A 3 gleich der Strecke O- A 1, wobei der Punkt T der neue Berührpunkt zwischen dem Zahnrad 34 und der Zahnstange 44 ist; der Berührpunkt Twandert somit längs einer Geraden längs der Achse der Zahnstange 44, wodurch der Zahnkranz des Zahnrads 34 in Berührung mit der Zahnstange 44 gehalten wird.

Ferner ist die Strecke L gleich 2/? χ sin θ und die Strecke M= R6, wobei θ im Bogenmaß gemessen wird. Deshalb gilt

V = 2RK-) - sin (■)).

(D

Die Bewegung U der Zahnstange 44 ist somit — ausgedrückt in Abhängigkeit vom Drehwinkel θ der Welle 20 — eine echte zykloidenförmige Bewegung, da U und θ durch die klassische Zykloidengleichung miteinander verbunden sind. Durch Ableitung erhält man die Geschwindigkeit und Beschleunigung:

τ ■

A =

dl
άθ

Ci²L

= 2R(I - cos

= 2R sin H .

(2)

(3)

In der Praxis kann das Verweilen der Zahnstange 44 dadurch verlängert werden, daß man etwas von den exakten oben beschriebenen geometrischen Bedingungen abweicht Wird der Zahnkranzhalbmesser des Zahnrads 34 leicht vergrößert, so daß er etwas größer ist als der ZahnkTanzdurchmesser des Planetenzahnrads 26, so wird an den Verweilpunkten eine sehr kleine Bewegungsumkehr erzeugt In den meisten Fällen ist diese leichte Bewegungsumkehr tragbar und kann dazu verwendet werden, die praktische Verweilzeit wesentlich zu erhöhen, während die Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte während des Vorschubs nur sehr wenig verändert werden.

Das wesentliche Merkmal der Vorrichtung besteht darin, daß ein exzentrisch umlaufendes Teil (Aniriebszahnrad 34) um eine sich bewegende Achse (A 2) umlauft, wobei diese Achse (A 2) eine im wesentlichen gleich exzentrische Lage aufweist wie das umlaufende Teil (Antriebszahnrad 34) und eine raumfeste Achse (A 1) in entgegengesetztem Umlaufsinn mit gleicher Winkelgeschwindigkeit umläuft.

Fig. 11 zeigt ein anderes Getriebe, mit der dieselben Ergebnisse auf etwas andere Weise erhalten werden. Fig. 11 ist ein Schnitt in transversaler Richtung. Ohne dies im einzelnen zu zeigen, ist die Zahnstange 60 wieder durch Rollen oder Verbindungsstücke geführt, so daß sie sich in einer zur Zeichenebene senkrechten Richtung bewegt. Ein erstes Getriebe 62 und ein zweites Getriebe 64 sind durch eine Welle 66 miteinander verbunden, so daß sie, wie unten beschrieben, synchron laufen. Die Ausgangswelle 68 des Untersetzungsgetriebes 62 dreht sich um eine Achse A 4; an ihm ist ein Kurbelarm 70 und ein Kurbelzapfen 72 angeformt, welcher um eine Achse A 5 umläuft. Diese ist um eine Strecke E gegenüber der Achse A 4 versetzt. Auf dem Kurbelzapfen 72 ist ein Zahnrad 74 durch Lager 76 und einen Halter 78 befestigt. Das Zahnrad 74 weist einen Zahnkranzradius auf, der im wesentlichen das Doppelte d;s Abstandes E der beiden Achsen ist. Der geometrische Mittelpunkt des Zahnrades 74 ist von seinem Drehpunkt (der Achse A 5) um eine Strecke versetzt, welche gleich Eist; ferner sind die Zähne auf dem Zahnrad 74 so ausgebildet, daß sie in die Zähne der Zahnstange 60 eingreifen.

Auf dem Zahnrad 74 ist konzentrisch zur Achse A 5 ein Antriebskragen 80 befestigt; der Antriebskragen 80 wird seinerseits über ein Kardangelenk 82, eine Antriebswelle 84 und ein zweites Kardangelenk 86 von der Ausgangswelle 88 des Untersetzungsgetriebes 64 angetrieben. Die Kardangelenke 82 und 86 können von jeder beliebigen bekannten Bauart sein.

Wird die Ausgangswelle 88 des Untersetzungsgetriebes 64 durch die Welle 66 so mit der Ausgangswelle 68 des Untersetzungsgetriebes 62 synchronisiert, daß es sich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit, jedoch in entgegengesetztem Drehsinne bewegt, so ist die resultierende Bewegung des Zahnrades 74 dieselbe wie die des Zahnrades 34 von Fig. 10. Daher wird die Bewegung der Zahnstange 60 wieder durch die Gleichungen (1), (2) und (3) beschrieben.

Die Vorrichtung nach F i g. 11 ist nur als ein mögliches Ausführungsbeispiel zu verstehen. Die durch die Kardangelenke 82 und 86 zusammen mit der Welle 84 erzielte Kupplung kann auch durch ein einzelnes »Oldham«-Gelenk erreicht werden. Die Welle 66 kann durch einen Satz von Kettenrädern und eine Kette oder durch geeignete Zahnriemen und Scheiben ersetzt werden.

Das gezeigte Getriebe und die entsprechende Beschreibung betreffen zunächst nur den bei einem Betriebszyklus zurückgelegten Weg mit einem gesamten Hub, der gleich dem Zahnkranzumfang des Antriebszahnrads ist; wird das Ausgangsteil jedoch genügend lang gemacht, so kann am Ausgang ein Weg erhalten werden, welcher ein Vielfaches des bei einem Betriebszyklus zurückgelegten Weges beträgt; jeder solcher Vorschubschritt weist einen Beschleunigungs-Verzögerungszyklus auf.

Die beschriebenen Getriebe können selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung laufen. Zum Beispiel wird die Richtung der Ausgangsbewegung durch

7 8

Umkehren der Drehrichtung der Lingangswelle eben- Helrügl der Halbmesser ties Zahnrads 34 weniger als

falls umgekehrt. Damit ist das Getriebe besonders das Zweifache der Exzentrizität, so kommt die

geeignet, große Massen hin und her zu bewegen, w ie Zahnstange 44 an den Enden eines Betriebszyklus nicht

dies bei Transferstraßen notwendig ist. vollständig zur Ruhe. Dagegen kehrt die Zahnstange 44

Es ist auch nicht erforderlich, daß der Halbmesser des > am Linde eines Betriebszyklus um bzw. wechselt die

Zahnrads 34 das Zweifache der durch den Abstand der Richtung, wenn der Halbmesser des Zahnrads 34 mehr

Achsen A\ und A 2 gegebenen Exzentrizität beträgt. als das Zweifache der Exzentrizität beträgt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Getriebe zum Umsetzen einer Drehbewegung

in eine Linearbewegung mit einem Tragrahmen, mit einer von einem Primärantrieb angetriebenen, in dem Tragrahmen angebrachten Eingangswelle, welche um eine feste Achse umläuft, mit einer exzentrischen Welle auf einer zur ersten Achse parallelen zweiten Achse, mit einer ersten Vorrichtung zur Befestigung der exzentrischen Welle, so daß sie bei Drehung der Eingangswelle um die erste Achse umläuft, während sie sich um die zweite Achse dreht, mit einem im Rahmen geführten Ausgangsteil, welches auf einem vorgeschriebenen Weg bewegt wird, mit einem ersten umlaufenden Teil, welches auf der exzentrischen Welle exzentrisch gelagert ist, mit einer zweiten Vorrichtung, die das erste umlaufende Teil mit einer Winkelgeschwindigkeit um die exzentrische Welle dreht, welche der Winkelgeschwindigkeit der exzentrischen Welle um die Eingabewelle entspricht, jedoch entgegengesetzten Drehsinn aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste umlaufende Teil (34; 74) so angeordnet und ausgebildet ist, daß es das Ausgangsteil (44; 60) in tangentialer Richtung antreibt.

2. Getriebe nach Anspruch 1, wobei die zweite Vorrichtung ein als Antriebsteil dienendes, ringförmiges Zahnrad im Gehäuse und ein Planetenzahnrad aufweist, welches drehbar auf der exzentrischen Welle befestigt ist, in welches ein ringförmiges Zahnrad eingreift, und das mit dem ersten umlaufenden Teil verbunden ist, wobei eine Drehung des Planetenzahnrads um die zweite Achse eine r> Drehung des ersten umlaufenden Teils um die zweite Achse hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß das erste umlaufende Teil (34) ein außenverzahntes Zahnrad ist, das mit einer Zahnstange (44) kämmt.

3. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung eine zweite, kraftübertragende Eingabewelle (84) aufweist, welche das erste umlaufende Teil (74) antreibt.

4. Getriebe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (34; 74) ringförmig 4 i ausgebildet ist und ein konzentrisch in ihm drehbar lagerndes Nabenteil (32) mit Sicherheitsvorrichtungen (38, 40, 42) aufweist, um eine einen bestimmten Schwellwert überschreitende Belastung zu vermeiden. )0