DE2533965A1

DE2533965A1 - Harmonisches getriebe

Info

Publication number: DE2533965A1
Application number: DE19752533965
Authority: DE
Inventors: Derek Keith Brighton
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1976-02-19
Also published as: FR2280836A1; US3996816A; GB1520875A

Description

PATBS STAIiWAtT

Dipl. ing. B. HOLZEB 89 AUGSBUKG

/-STRABSK IA

M. 567

Augsburg, den 28. Juli 1975

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty¹» Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, S,W.I, England,

Harmonisches Getriebe

Die Erfindung betrifft ein harmonisches Getriebe mit einer Innenverzahnung und einer damit zusammenwirkenden flexiblen Zahnwelle.

Bei einem harmonischen Getriebe dreht eine Antriebswelle einen Formkörper mit einem elliptischen Außenprofil.

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Dieser Formkörper biegt zyklisch eine flexible Zahnwelle innerhalb ihrer Elastizitätsgrenze aus, so daß die Zähne auf der Außenfläche der flexiblen Zahnwelle jeweils an zwei um l80° gegeneinander versetzten Umfangsbereichen mit einer feststehenden Innenverzahnung in Eingriff kornnen. Die flexible Zahnwelle, die mit einer Abtriebswelle verbunden ist, weist ein paar Zähne (zwei oder ein Vielfaches davon) weniger als die Innenverzahnung auf und wird dadurcb in zu demjenigen des Formkörpers entgegengesetztem Drehsinn pro Umdrehung des Formkörpers um den Teilungsabstand der genannten paar Zähne gedreht« Das übersetzungsverhältnis eines solchen Getriebes kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

G = N₁ : N₂ - N₁ X

wobei G 's übersetzungsverhältnis,

N₁ = Zähnezahl der flexiblen Zahnwelle,

Np s Zähnezahl der Innenverzahnung ist.

Mit Hilfe von harmonischen Getrieben lassen sich Übersetzungsverhältnisse von 60 : 1 bis 120 : 1 erreichen,

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wodurch harmonische Getriebe für die Verwendung bei Gasturbinentriebwerken attraktiv sind· Bisher verfügbare harmonische Getriebe weisen jedoch einen mechanischen Wirkungsgrad von weniger als 90 % auf und neigen zu Ermüdungsbrachen· Infolgedessen werden, obwohl harmonische Getriebe für gewisse industrielle und sogar Raumfahrtanwendungen Verwendung finden, mehrstufige Planetengetriebe am häufigsten zur Erzeugung großer Getriebeuntersetzungen bei hohen zu übertragenden Leistungen verwendet« Mehrstufige Planetengetriebe sind jedoch schwer, insbesondere, wenn das übersetzungsverhältnis etwa 100 : 1 oder sehr betragen soll· Schneckengetriebe, welche eine weitere bekannte Getriebebauart zur Erzeugung großer Untersetzungen sind, weisen einen Wirkungsgrad von weniger als 85 % auf·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein harmonisches Getriebe hinsichtlich seines Wirkungsgrades und zur Vermeidung von Ermüdungserscheinungen zu verbessern·

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens eines der Elemente flexible Zahnwelle und Innenverzahnung ein modifiziertes Evolventenprofil mit bei vollem Eingriff kleinem Eingriffswinkel und einem ausgeprägten Kopfprofil aufweist«

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Unter dem Eingriffswinkel ist derjenige Winkel zu verstehen, welchen der mit dem größten Be ruh rungs druck in Eingriff befindliche Teil der Zahnflanke mit der vertikalen Zahnachse bildet. Der Eingriffswinkel sollte gemäß der Erfindung bei vollem Eingriff kleiner als 20° sein und beträgt vorzugsweise 10° bis 15°.

Die Lösung der genannten Aufgabe beruht auf dem Ergebnis der Berücksichtigung der Eigenschaft des Formkörpers und der Lager und hauptsächlich der Form der Zähne.

Das Spitzenrelief kann so ausgebildet sein, daß das Profil von der Flanke zur Spitze eine kontinuierliche Kurve, beispielsweise mit gleichbleibendem Radius, darstellt, welche zwischen den einander entsprechenden Kanten desjenigen Teils jeder Flanke des Zahnes, bei welchem die größte Zahnkraft auftritt.

Vom Gesichtspunkt der Bearbeitung her kann es vorteilhaft sein, wenn die Zähne der flexiblen Zahnwelle und der Innenverzahnung gleiche Profile aufweisen. Alternativ dazu können die Zähne der flexiblen Zahnwelle kürzer als die Zähne der Innenverzahnung ausgebildet sein.

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Bei gegenwärtig bekannten harmonischen Getrieben weisen die Zähne der flexiblen Zahnwelle und der Innenverzahnung Evolventenform mit einem Eingriffswinkel von 30° auf und die Zähne stehen nur innerhalb eines Bereichs von nicht mehr als 12° einer Umdrehung pro Profilhügel des Formkörpers im Eingriff. Da die Kraftübertragung dadurch in jedem Zeitpunkt auf ein paar wenige Zähne konzentriert ist, ist die auf die flexible Zahnwelle einwirkende Laständerung, die ohnehin schon durch ihre zyklische Verformung herbeigeführt wird, größer als wenn der Eingriff über einen größeren Winkel stattfinden könnte. Bei gemäß der Erfindung ausgebildeten Zähnen läßt sich ein Eingriff bzw. eine Zahnberührung innerhalb eines Winkelbereiches von bis zu 120° pro Profilerhebung des Formkörpers erreichen.

Lager- und Verschleißprobleme können bei einem Getriebe auf ein Miniraum verringert werden, bei welchem der Formkörper nicht elliptisch ausgebildet ist, sondern eine exzentrische Scheibenanordnung aufweist, die auf einer gekröpften Antriebswelle montiert ist. Die Größe der Scheiben und die Exzentrizität sind so gewählt, daß der Formkörper die flexible Zahnwelle in der bestmöglichen Weise trägt. Es ist einzusehen, daß dies bei einem Formkörper erreicht wird, bei welchem die Scheiben nebeneinander auf einer gekröpften Welle angeordnet sind.

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Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist daher das harmonische Getriebe einen Formkörper auf, der aus drei nebeneinander auf einer Antriebswelle, die mit einer kleinen Exzentrizität gekröpft ist, angeordneten Scheiben besteht, wobei die Exzentrizität der mittleren Scheibe in Diametralrichtung entgegengesetzt zur Exzentrizität der beiden äußeren Scheiben angeordnet ist. Zur Auswuchtung weist die mittlere Scheibe die doppelte Masse einer äußeren Scheibe auf. Die Exzentrizität und folglich die Größe der Scheibe stellt vorzugsweise einen Kompromiß zwischen der Forderung nach bestmöglicher Unterstützung der flexiblen Zahnwelle und minimaler Beanspruchung dieser Zahnwelle und der Notwendigkeit dar, die Zähne während eines ausreichenden Teils einer Umdrehung außer Eingriff zu bringen. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung beträgt die optimale Exzentrizität:

. 1.1 JT D _γ

^e " 2G (χ -2) ^Y

wobei e = Exzentrizität

D s Teilkreisdurchmesser der unverformten flexiblen Zahnwelle

G = übersetzungsverhältnis sind.

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Die flexible Zahnwelle oder die Scheiben oder beide können so hergestellt sein, daß die äußeren Scheiben gleichmäßig belastet sind, d.h. die flexible Zahnwelle kann leicht nach innen konisch zulaufen bzw. die dem geschlossenen Zahnwellenende näher gelegene Scheibe kann einen geringfügig kleineren Durchmesser als die andere äußere Scheibe haben. Gleitlager mit Druckölschmierung werden gegenüber Wälzlager bevorzugt.

Es ist einzusehen, daß das optimale Zahnprofil das aufgrund des Eingriffsprofils erhaltene Profil ist, welches sich bei gegebenem Formkörper und gegebenem Verformungsprofil der flexiblen Zahnwelle ergibt.

Harmonische Getriebe nach der Erfindung sind für Hochleistungsanwendungen vorteilhaft, wobei guter Wirkungsgrad und geringes Gewicht wertvoll sind. Diese Getriebe sind daher besonders für die Verwendung bei gasturbinengetriebenen Hubschraubern oder anderen Plugzeugen geeignet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein

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harmonisches Getriebe nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II,

die Fig. 3a,

3b und 3c vergleichende Darstellungen von

Zahnprofilen,

Fig. 4 ein den Zahneingriff darstellendes

Diagramm, und

Fig. 5 eine Darstellung der Kräftever

teilung·

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, weist das Getriebe ein Gehäuse 10 mit einer Innenverzahnung 11, eine gekröpfte Antriebswelle 12 mit Lagerzapfen 12a, 12b und 12c, und eine auf einer Abtriebswelle 14 montierte flexible Zahnwelle 13 auf. Ein Formkörper besteht aus drei Scheiben 15a, 15b und 15c, welche mittels Gleitlagern drehbar auf den Lagerzapfen 12a, 12b und 12c gelagert sind. Ein Druckölsystem 17 dient der Schmierung unter anderem der Lager 16.

Die mittlere Scheibe 15b weist die doppelte Masse

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jeder der beiden äußeren Scheiben 15a und 15c auf und i3t in Diaraetralrichtung gegen diese versetzt angeordnet. Die Exzentrizität ist durch die oben angegebene Formel Y bestimmt. Die flexible Zahnwelle 13 wird daher verformt und an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen in größtmöglichen Eingriff mit der Innenverzahnung 11 gedrängt. Die flexible Zahnwelle 13 weist zwei Zähne weniger als die Innenverzahnung 11 auf.

Im Betrieb des Getriebes bewirkt die Drehung der Antriebswelle 12 eine gleiche Drehung der Verformung der flexiblen Zahnwelle 13 und ein fortschreitendes Ineingriffkommen und Außereingriffkommeη ihrer Zähne an jeweils zwei diametral gegenüberliegenden Stellen. Da die flexible Zahnwelle zwei Zähne weniger als die feststehende Innenverzahnung 11 aufweist, drehen sich die flexible Zahnwelle und folglich die Abtriebswelle 14 pro Antriebswellenumdrehung um einen zwei Zähnen entsprechenden Winkel in zum Drehsinn der Antriebswelle entgegengesetztem Drehsinn. Die Scheiben 15a, 15b und 15c wälzen sich auf der Innenfläche der flexiblen Zahnwelle 13 ab und drehen sich auf den Lagern 16 relativ zu den Zapfen 12a, 12b und 12c.

Das Zahnprofil der flexiblen Zahnwelle 13 und der

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Innenverzahnung 11 ist in Pig. 3b dargestellt. Dabei handelt es sich um ein modifiziertes Evolventenprofil, welches sich unter Berücksichtigung des Formkörperprofils und des Verformungsprofils der flexiblen Zahnwelle ergibt» Das Zahnprofil besteht für Zahnkopf, Zahnflanke und Zahnfuß aus drei ineinander übergehenden, im wesentlichen konstante Radien aufweisenden Kurven. Der Eingriff winkel oc an dem mit maximalem Zahndruck in Eingriff kommenden Teil der Planke beträgt beim größtmöglichen Eingriff (Θ = 0) etwa 10 . Diese Stelle liegt etwa am übergang zwischen dem Profilbogen des Zahnfußes und dem Profilbogen der Zahnflanke. Bei Vergleich mit dem in Fig. 3a dargestellten Zahnprofil herkömmlicher harmonischer Getriebe ist ersichtlich, daß die Eingriffsgrenzlinie 31 für das in Fig. 3b dargestellte Profil kontinuierlich gekrümmt ist, während die Eingriffsgrenzlinie 30 für das in Pig. 3a dargestellte Profil im wesentlichen gerade ist. Das Profil nach Fig. 3b ermöglicht es, eine Belastung durch alle im Eingriff befindlichen Zähne im vergrößerten Eingriffsbogen entsprechend der jeweiligen Materxalbeanspruchung und dem jeweiligen Eingriffsgrad des betreffenden Zahnes aufzunehmen.

Fig. 3c zeigt ein Alternativprofil gemäß der Erfindung. Das Profil eines Zahnes 32 der flexiblen Zahn-

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welle ist ähnlich demjenigen nach Pig. 3b mit der Ausnahme, daß der Zahnkopf abgeflacht ist, wodurch die Zahnhöhe im Vergleich zu derjenigen des Zahnes 33 der Innenverzahnung verringert ist. Außerdem ist das Planken/Kopf-Profil des Zahnes 32 zur Verhinderung einer Diskontinuität modifiziert. Die Eingriffsgrenzlinie ist mit J>k bezeichnet.

Das Ausmaß der Vergrößerung des Eingriffsbogens durch das Zahnprofil nach den Fig. 3b und 3c über die Eingriffsbogengröße bei der herkömmlichen Zahnform ist in Pig· 4 dargestellt. Die Kurve a zeigt, daß ein herkömmlicher Zahn innerhalb eines Drehwinkels von 5° bis 6° nach dem größtmöglichen Eingriff außer Zusammenwirkung mit dem Formkörper (Kurve f) kommt. Die Kurven b und c zeigen, daß die Zähne mit dem Profil nach den Fig. 3b und 3c mit dem Formkörper bis etwa 50° nach dem größtmöglichen Eingriff in Kontakt bleiben, wobei jedoch bei θ = 90° der Abstand des Zahnes mit dem Profil nach Fig. 3c von der Innenverzahnung größer als derjenige des Zahnes mit dem Profil nach Fig. 3b ist.

Die Wirkung des Eingriffsbogens der Zähne mit dem Profil nach Fig. 3b auf die Spannungen in der flexiblen Zahnwelle ist in Fig. 5 dargestellt, welche die radialen

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Kräfte auf den Formkörper bei herkömmlichem Zahnprofil (Kurven a) der Zahnwellenverzahnung und bei einem Zahnprofil nach Fig. 3b (Kurven b) der Zahnwellenverzahnung zeigt. Die Kurve al zeigt eine hohe Spitze der Zahnscherbeanspruchung über einen sehr begrenzten Bogen (Θ = 10°) und die Kurve a2 zeigt eine hohe Gesamtdrehkraft mit einer Spitze ähnlich derjenigen der Z ahn scherkraft gemäß Kurve al. Die Kurve bl zeigt eine Zahnkraft, die gleichmäßig über den vergrößerten Eingriffsbogen (Θ = 100°)verteilt ist und keine erkennbare Spitze aufweist und an keiner Stelle ein Drittel des Maximums der Kurve al übersteigt.

Die Kurve b2 zeigt, daß die Drehkraft bei dem Zahnprofil nach Fig. 3b ein Maximum von etwa drei Achteln der bei herkömmlichem Zahnprofil auftretenden Drehkraft aufweist und dieee Kurve überdeckt einen viel kleineren Bogen als diejenige für das herkömmliche Zahnprofil.

Ein typisches harmonisches Getriebe nach der Erfindung mit einem übersetzungsverhältnis von 80 : 1 weist eine flexible Zahnwelle mit 160 Zähnen und folglich eine feststehende Innenverzahnung mit 162 Zähnen auf. Der Teilkreisdurchmesser der flexiblen Zahnwelle beträgt 198 mm und die Zahnhöhe beträgt 5,0 mm. Die Formkörperscheibenexzentrizität

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beträgt 3>8 mm und der Scheibendurchmesser 195 mm. Der Gesamtdurchmesser des Getriebes beträgt etwa 250 mm und die Gesamtlänge etwa 500 mm.

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Claims

Patentansprüche

(J-

A Harmonisches Getriebe mit einer Innenverzahnung und einer damit zusammenwirkenden flexiblen Zahnwelle, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Elemente flexible Zahnwelle (13) und Innenverzahnung (11) ein modifiziertes Evolventenprofil mit bei vollem Eingriff kleinem Eingriffswinkel und einem ausgeprägten Kopfprofil aufweist.
2. Harmonisches Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der flexiblen Zahnwelle (13) zusammenwirkender Formkörper eine Exzenterscheibenanordnung (15a, 15b, 15c) aufweist, die auf einer gekröpften Antriebswelle (12) angeordnet ist, und daß die Exzentrizität gleich dem Ausdruck

2G (7T-2)

ist, wobei D der Teilkreisdurchmesser der unverformten flexiblen Zahnwelle und G das Übersetzungsverhältnis ist.

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λζ
3. Harmonisches Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch druckölgeschmierte Gleitlager (16).

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