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"Stirnradgetriebe mit mehr als drei Leitungsweigen" Die Erfindung
dient der Verbesserung von Stirnradgetrieben. Sie betrifft Getriebe bzw. Planetenradgetriebe
(z.B. Fig. I), oder AA-Getriebe bzw. Parallel- ooer Mehrwellengetriebe (z.B. Fig.
2), bei aenen orn Getriebestufe einerseits jeweils ein Antriebs- und ein Abtriebs-oder
Stützrad vorhanden ist und andererseits vier oder mehr Leitungszweige zur Lestungsübertragung
vorliegen (Müller: "Die Umlaufgetriebe", Springer-Verlag 1971). Die Buchstaben "A"
bzw. "I" kennzeichnet dabei Außen- bzw. Innenverzahnungen. Eine Getriebestufe (z.B.:
Fig. 3j besteht jeweils aus einem Antriebsrad (31), einem oder mehreren Zwischenrädern
(32). einem Abtriebs- oder Stützrad (33j und den zur Lagerung erforderlichen Gliedern.
Reihenschaltungen oder Parallelschaltungcn lassen sich jeweils in einzelne Getriebestufen
unterteilen.
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Be den AI-Getrieben wurde schon früher erkannt, daB der optimale Lastausgleich
der Leitungszweige ein bedeutendes Kriterium für die Qualität der Leistungsdichte
der Getriebe darstellt.
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Bekannt sind unter anderem dafür - die Stoeckicht-Entwicklungen, (z.B.:
DT-PS 5j6.683, 669.889, 682.275, 737.856, 868.185, I.I57.059) - die Fritsch-Erfindungen
(z.B.: DT-PS I.208.586) - der Einbau von Elastizitäten, (z.B.: DT-PS 1.157.059,
1.038.362, 682.275, 1.173.305, 1.132.772) - Elastizitaten und die Forderung einer
hohen Fertigungsgenauigkeit (z.B.: DP-PS 1.173.305, 1.173.772, 1.227.749) - die
Wahl abgestimmter Toleranzfelder zur Erzielung eines besonderen Lastdruckausgleiches
der Zahnflanken.
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Viele Getriebe mit kinematischem Lastausgleich sind nur für drei Leitungszweige
verwendbar, da die nicht vorhandene Lagerung (des An- und/oder Abtriebsrades, der
Leitungszweige, des Abtriebsrades und der Leitungszweige oder des Antriebsrades
und der Leitungszweige) im Gestell durch die
drei Stützungsstellen
unmitterlbar ender mittelbar ersetzt wird. Es ist notwendig, die Wahl dieser Stützungsstellen
in bekannter gleise (beispielsweise nach Beyer: "Technische Kinematik", Verlag Johann
Ambrosius Barth 1931, Seite 13 - 20) verzunehmen, weil sonst unwirksame Hemmungen
auftreten (Dizioglu: "Getriebelehre, Sd. I" Verlag Vieweg, Braunschweig, 1956, Seite
14 s7). Mit Hilfe einer geeigneten Toleranzwahl dieser Stützungsstellen und eines
zusätzlich im Gestell angeordnoten Drehgelenkes, das die Funktion das husaleichvorganges
nicht beeinfluBt, sind die bekannt gewordenen KonstruktionsmöglichkeiSen teilweise
abwandelbar. Diese Eigenschaft resultiert aus der besonderen geometrischen Anordnung
der Stützungen. Alle nicht mittelbar oder unmittelbar im Gestell des Stirnradgetriebes
gelagerten Bauteile oder ßauteilgruppen lassen sich in ebenfalls bekannter Weise
in entsprechend nachgiebigen Bauteilen anordnen. Damit sind die Federkräfte zusätzlich
als Kräfte vorhanden und müssen als Belastung Beachtung finden.
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Federkräfte sind je nach Auslegung der Bauteile entsprechend stark
toleranzbehaftet. Sie lassen sich durch einen entsprechenden Sicherheitsfaktor bei
der Auslegung des Getriebes berücksichtigen.
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Dem stehen die Getriebebauarten mit vier oder mehr als vier Übertragungsleitungen
gegenüber. Hier ist die geeignete Wahl von Toleranzen allein nicht hinreichend.
Andererseits sind die Elastizitäten auch mit den bekannten Unsicherheiten behaftet.
Ein optimaler Lastausgleich war aber bisher aus rein kinematischer Sicht --- alle
Getriebeglieder werden als starr idealisiert --- nur mit relativ vielen Ausgleichsgliedern
möglich, bei denen die realen Kräfte mit nachweisbaren Fehlereinflüssen kaum exakt
zu berechnen sind.
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Die Erfindung dient der Verbesserung des Lastausgleichs an den Zahnflanken
von Stirnradgetrieben. Sie benutzt dazu die stützende Funktion der Zahnflanken von
vier oder mehr Zwischenrädern. Infolge der Stützungen sind bei Voraussetzung der
minimalen Gliederzahl eine oder zwei Teilketten weder mittelbar noch unmittelbar
im Bezugsglied, dem Gestell, gelagert. Stützungsstellen der Zwischenräder werden
mit den Zahnflanken der beiden Zentralräder gebildet. Obwohl das Getriebe den rechnerischen
Freiheitsgrad F = I (bei einer ungelagerten Teilkette) bzw. F = 3 (bei zwei ungelagerten
Teilketten) besitzt, ergibt sich unter Vernach-4 (siehe: Cunliffe, Smith, Welbourn,
Dynamic Tooth Loads in Epicyclic Gears, Transactions of the ASME May I974)
sigung
der Toleranzen zwangläufig, daß das Getriebe zwische n- und Abtrieb den Freiheitsrr-d
F = I Aufweist. Einer Eingangsabswegung folgt also eine eindeutige Ausgangsbewegung.
Diese Betriebsstruktur läßt sich durch ein Glied mit @@der zusätzlichen Laperstelle
er mit zwei zusätzlichen Lagerstellen einem Getriebe mi t de heitsgrad F = 2 zwischen
dem An- und Abtriebsglied erweitern (vergl.
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Müller,"Umlauf-Kurbelgetriebe" in der Zeitschrift "Konstruktion",
Jg. 25, "t 3 3 vom März 1973). An- oder Abtriebsmomen-e sind dabei so in die ungelagerten
Teilketten einzuleiten, daß möglichst keine Kräfte übertragen oder nur die Gewichtskräfte
zu kompensieren sind, z.B. über ;u;upplungen. Zur Koppelung der Zwischenräder ist
nach einem Bildungsgesetzt eine spezielle Glieder- und zugehörige Elementenzahl
in Abhängigkeit von der Zahl der Zwischenräder erforderlich. Diese Glieder ergeben
unter Vornachlässigung der An- und Abtriebswellen oder -Elemente eine sternförmige
Teilkette (z.B.: Fig. 8). Sie verbinden alle Zwischenräder (z.B.: 77 oder 67) und
sich selbst untereinander. Der Gesamtaufbau einer solchen erfindungsgemäßen Teilkette
ist so zu wählen, daß die freien sternförmig in den äußeren Ecken angeordneten Elemente
gleich der Zahl der Zwischenräder sind und infolge der Stützungen nur einen Gelenkfrei
heitsgrad von f = I (eine Bewegungsmöglichkeit in dem betrachteten Elementenpaar)
zulassen. Für eine Getriebestufe mit dem Gesamtfreiheits--rad F 3 I (Zwanglauf)
zwischen dem An- und dem Abtriebsglied mit minimaler Gliederzahl ist je nach dem
gewünschten rechnerischen Freiheitsgrad F - I bzw. F = 3 eine unterschiedliche Zahl
der Gelenke {Lagerstellen) vorhanden.
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Solche Getriebe besitzen unabhängig von der Gliederzahl und der zugehörigen
Elementenzahl der sternförmigen Teilkette bzw. des Zwischenradträgers den optimalen
Zahndruckausgleich. Optimaler Zahndruckausgleich bedeutet gleiche Zahnbelastung
für bezüglich des Überdeckungsgrades equivalente im Eingriff stehende Zähne. Sämtliche
auftretenden Kräfte sind bekannt, z.B. notwendige Zahnkräfte und die aus den Toleranzen
resultierenden unerwünschten Zusatzkräfte. Damit ergibt sich aber gleichzeitig bei
optimaler Leistungsdichte eine große Sicherheit und Zuverlässigkeit. Für eine Vielzahl
dieser Getriebe sind die aus der Fertigungsungenauigkeit resultierenden Zusatzkrä.fte
praktisch vernachlässigbar.
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Zur kompensation der Gewichtskrüfte oder zur Verringerung der Laufgeräusche
lassen sich die vorher beschriebenen ungelagerten Teilketten die auch nur aus einem
ad bestehen können, elastisch an einem entsprechend gestützten oder gelagerten Glied
koppeln, Es besteht zur Verbesserung der Laufeigenschaften auch die Möglichkeit,
ein Grundgetriebe mit den bisher beschriebenen Eigenschaften zu wählen. Dieses kann
zur Erhöhunn der Leistungsdichte durch den Einbau zusätzlicher Zwisehenräder verbessert
werden Sie können an den bereits vorliegenden Gliedern elastisch gelagert sein,
oder der Lastausgleich erfolgt über elastische Stützungsstellen. Elastische Legerungen
und Stützungsstcllen können die Ausgleichsweise der "quasi-ungelagerten Gliedergruppe"
verringern.
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it it Hilfe der kinematischen Umkehr des Getriebes wird z.B. aus einem
Standgetriebe ein Umlaufrädergetriebe. Damit ändert sich die Kinematik der Getriebe
nichts tor das Gestellglied ist ausgetauscht. Verschiedene Bauteile lassen sich
dabei durch kinematisch gleichwertige Glieder gruppen ersetzen (z.B. ein Zweischlag
durch eine Feder) oder durch den Einbau von Assurgruppen erweitern. Also ergeben
sich aus einem Grundgetriebe eine Vielzahl kinematik gleichwertiger Ersatzgetriebe
Manche dieser Getriebe sind allerdings nur in der momentanen Stellung funktionsfähig
(z.b. Schaltwerkgetriebe).
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Voraussetzung für eine neue fortschrittliche Lösung der Aufgabe, hei
Stirnradgetrinben an den Zahnflanken einen Lastausgleich zu schaffen, ist es, gemäß
der Erfindung die Zentralräder auf die gewünschte Zahl der Zwischenräder (Fig.:
4) abzustimmen. Jedes Zwischenrad erhält einen Kreis als gedachtes Element. Alle
Zwischenräder sind durch einen ZwischenradtrEiger, also eine sternförmige Teilkette,
untereinander zu verbinden. Für Getriebe mit der minimalen Gliederzahl besteht der
Zwischenradträger aus "quasi-ternären" Gliedern (Gliedern mit drei Elementen). Dazu
sind, wenn man mit p die Anzahl der Zwischenräder bezeichnet, gerade (p-2) Glieder
mit drei Elementen erforderlich (Fig. 5: Grundgetriebe). Zwischenradträger, die
nicht die minimale Gliederzahl besitzen, sind durch folgende Dildungsaesetze gekennzeichnet:
n' - p + 2 (x - I) e' = 3n'
Jesei ist n die Gliederzahl, e' die
Elementenzahl aller Glieder, ein beliebiger ganzzahliger positiver Faktor unc a
die Zahl der Zwischenräder mit maximalem Lasaustgleich. Aus wirtschaftlichen Gründen
sollte der Faktor x so klein wie möglich cehalten werden. 9i Getrieben mit vier
Zwischenrädern soll demgemaD der Faktor x kleiner als vier sein. Für Getriebe mit
fünf und mehr Zwischenredern unterliegt x nicht notwendigerweise einer derartigen
Begrenzung. Der Zwischenradtfl:!ger ist so einzufügen, daß sämtliche Glieder untereinander
und alle Zwischenräder beweglich miteinander verbunden sind.
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Für den Gesamtgetriebsfreiheitsgrad F = I (wenn man einer EinganUsbewegung
unter Vernachlässigung der Toleranzen eine eindeutige Ausgangsbewenunr zuordnet)
ist eines der vorliegenden Glieder als Bezugs-Glied, d.h. als Gestell zu wählen.
Dient zur Erläuterung die Figur 5 als Grundlage, so sind mögliche Strukturen. in
den Figuren 6 und 7 dargestellt. Eine der beiden bisher nicht im Gestell gelagerten
Teilketten kann zur Gewichtskompensation noch im Gestell gelagert werden.
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Die übrig bleibende, nicht im Gestell gelagerte Teilkette, übernimmt
denn allein die Ausgleichsbewegung. alle nicht im Gestell gelagerten Teilketten
stützen sich auf den Zahnflanken. Damit sind jeweils drei Stützungspunkte, die sich
aus allen Zwischenrädern und einem Zentralrad sowie der sternförmigen Teilkette
ergeben, als Ersatzlagerstelle anzusehen. Diese ist ein geometrischer Ort zur Beschreibung
der jeweiligen Gliedlage.
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Für den Gesamtgetriebefreiheitsgrad F = 2 (also zwei Ein- bzw. Ausgangsbewegungen
sind eine Ausgangs- bzw. Eingangsbewegung zugeordnet) ist das Gestell als zusätzliches
Glied zu wählen. In diesem gewählten Bezugsglied ist ein Glied einer Teilkette gelenkig
anzuordnen. Es besteht auch die Möglichkeit, zwei Glieder zu lagern. Jedoch dürfen
diese nicht der gleichen Teil kette angehören und es ist auf eine relative Zuordnung
dieser Lagerungen zu achten.
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Um die bei der Konstruktion bekannter Stirnradgetriebe bisher regelmäßig
vernachlässigte Gewichtskraft der ungelagerten Teilkette wenigstens teilweise zu
kompensieren, kann diese elastisch mit Gliedern gleicher Relativwinkelgeschwindigkeiten
gekoppelt sein. L5 können nur gestützte oder auch gestützte und gelagerte Teilketten
federnd miteinander verbunde
werden. Darüber hinaus besteht zur
Verbesserung der Laufeigenschaften auch die Möglichkeit, eine Zwischenradgruppe
mit optimalem Lastausgleich einzubauen und weitere Zwischenräder elastisch anzuordnenO
Die Zentralachsen aller Zwischenräder sind so auszulegen, daR die mittlere Relativgeschwindigkeit
gegenüber dem Gestell während des Betriebszustandes erhalten bleibt. Konstruktiv
gleichwertig sind die
Getriebe, deren Lastausgleich über nachgiebige Stützgeflächen erzielt wird.
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Die Leistung ist zweckmäßigerweise an dem im Gestell gelagerten Glied
von außen zu- oder abzuführen. Dabei entstehende äußere Kräfte werden durch die
Gestellagerung kompensiert. Auf die ungelagerten Teilketten sind die Leistungen
von außen möglichst kraftfrei ab- oder zuzuleiten? zsB. durch Kupplungen. Darüberhinaus
läßt sich auch das "quasi-gestell-" feste Glied" als ausgleichende Teilkette gestalten.
Hierbei ist die Rotationsbewegung über mögliche Kupplungen eingeschränkt, während
Radialbewegungen ausgeführt werden können.
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Je nach Verzehnungsart und Betriebsanordnung des Getriebes ist eventuell
die ausgleichende Teilkette in axialer Richtung zu stützen (z.B.
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lurch Axiallager oder ähnlich wirkende Bauelemente).
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Um bei der Konstruktion der erfindungsgemäß ausgestatteten Stirnradgetriebe
die erwähnte Reduzierung der Gliederzahl zu erreichen und beispielsweise auf eine
minimale Gliederzahl zu führen, kann man ausgewählte Glieder und Elemente gemäß
den bekannten Gesetzmäßigkeiten der wissenschaftlichen Getriebesystematifc so hinweg
mindern, das fixe Elementenpaare mit mehr als einem Beweglichkeitsgrad besitzen.
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Man kann im Rahmen der vorstehend erläuterten Erfindung das Getriebe
im ganzen oder auch in Teilen im Sinne und Wesen einer kinematischen Umkehr aufbauen.
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Schließlich ist es bei Kenntnis dieser hier vorliegenden Erfindung
möglich, anstelle eines flachen Stirnradgetriebes mittels der bekannten Gesetzmäßigkeiten
der Getriebesystematik ein Kegelradgetriebe zu entwickeln und dabei die vorstehend
beschriebenen Maßnahmen zur Erzielung des Lastausgleichs anzuwenden.
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Die Erfindung ermöglicht die Schaffung zahlreicher Ausführungsformen,
In den Figuren ist eine Auswahl dargestellt: Fig. I zeit eine A1-Getriebsstufe,
auch "Umlaufräder"- oder "Planetangetriebe" genannt, mit dem rechnerischen Freiheitsgrad
F = 3.
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Zwischen dem Sonnenrad II und dem Stützrad 12 sind sechs Planetenräder
13 angeordnet. Alle Planetenräder sind lurch eine Teilkette untereinander verbunden,
die aus vier ternären Gliedern I4, I5, 16 und I7 besteht. Der An- und der Abtrieb
ist hier nicht eingezeichnet.
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Fig. 2 zeigt eine AA-Getriebestufe in Draufsicht und im Schnitt, auch
"Parallelwellen-" oder "Mehrwellengetriebe" genannt, mit dem rechnerischen Freiheitsgrad
F = 3. Auf dem Umfang der beiden Zentralruder 21 und 22 sind sechs Zwischenredpaare
23 angeordnet, wobei ein Zwischenradpaar aus den beiden auf einer Drehachse angeordneten
Zwischenrädern besteht. Jeweils zwei dieser Zwischenradpaare sind in einem teer:
rein Glied 24, 25 und L6 und diese in einen ternären Glied, der Gestell 27 gelagert.
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Fig. 3 zeigt drei mögliche Getriebestufen für Stirnradgetrie-be. Für
jeea Getriebestufe sind zwei Zwischenradpaare 32 bzw. zwei Planetenräder 32 skizziert.
Zentralräder sind die Antriebsräder 21 und die Abtriebe- oder Stützräder 33. Die
Verbindungselemente z.B. Kupplungen der ausgleichenden Teilketten sind hier nicht
skizziert. Sie können beispielsweise analog den in den bekannten Stoeckicht-Entwicklungen
s.c. vorgesehenen Konstruktionen ausgeführt werden.
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Fig. 4 zeint die Basis einesAI-Getriebes mit fünf Zwischenrädern.
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Ausgehend von den beiden einander koaxial angeordneten Zentralrädern
41 und 42 ist die gewünschte Zahl von Zwischenrädern 43 eingefünt.
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In den Zwischenrädern sind zentral die Elemente 44 angedeutet, die
noch mit der sternförmigen Teilkette (nicht dargestellt) zu koppeln sind.
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Fig. 5 zeigt ein Grundgetriebe für ein AI-Getriebe mit fünf Zwischenrädern
51, die zwischen den Zentralrädern 52 und 53 angeordnet sind.
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Alle Zwischenräder sind durch eine sternförmige Teillcette untereinender
verbunden. Sie besteht aus drei ternären Gliedern 54, 55 und 56. 4us diese Grundgetriebe
lassen sich jeweils zwei AI-Getriebestrukturen mit dem rechnerischen Freiheitsgrad
F = I und F = 3 (Figuren 53 und 7) ableiten.
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Fig. 6 zeigt ein AI-Standgetriebe mit dem rechnerischen Freiheitsgrad
F = 3. Eines der drei in Fig. 5 angegebenen ternären Glieder wurde als Gestell 51
gewählt. In den beiden übrigen Gliedern 62 und 63 sind in der gewählten Anordnung
jeweils zwei ZwischenrLder 6a gelagert. Mit 65 ist das außenverzahnte und mit 66
das innenverzahnte Zentralrad bezeichnet. Die Elementenpaare, gebildet mit der sternförmigen
Teilkette und den Zwischenrädern, sind mit 67 bezeichnet.
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Fig. 7 zeigt ein AI-Planetenradgetriebe mit dem rechnerischen Freiheitsgrad
F = 3. Eines der beiden in Fig. 5 vorgesehenen Zentralräder wurde als Gestell 71
gewählt. Mit Hilfe der Planetenräder 72 wird die Lage des Sonnenrades 73 definiert.
Die sternförmige Teilkette, bestehend aus den ternären Gliedern 74, 75 und 76 ist
erhalten geblieben. Die Elementenpaare, die mit der sternförmigen Teilkette und
den Zwiscnenradern gebildet werden, tragen das Bezugszeichen 77.
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Fig. 3 zeigt mögliche Bauformen sternförmiger Teilketten, die in den
Sternpunkten Elemente zur Lagerung der Zwischenräder besitzen und einen optimalen
Lastausgleich gestatten. Die schraffierten Flächen stellen jeweils ein Glied dar.
Weitere Varianten sind im Rahmen der Erfindung möglich.