DE2621565C3

DE2621565C3 - Schrittgetriebe

Info

Publication number: DE2621565C3
Application number: DE2621565A
Authority: DE
Inventors: John Henry Birmingham Mich. Brems (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-15
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1979-08-30
Also published as: JPS6214444Y2; BR7601941A; AU1101176A; US4018090A; IT1053634B; DE2621565B2; FR2311235A1; SE7601467L; DE2621565A1; JPS51138266A; GB1549837A; JPS5867151U; FR2311235B1; CA1024780A

Description

Die Erfindung betrifft ein Schrittgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Schrittgetriebe ist in der US-PS 37 30 014 beschrieben. Bei ihm sind die Antriebswelle und die Abtriebswelle koaxial angeordnet; die gesamte Bewegungsumformung erfolgt in einem abgewandelten Planetengetriebe, bei welchem die Planetenräder auf ihren beiden Stirnseiten mit Exzentern versehen sind, über die sie angetrieben werden bzw. selbst ein anderes Getriebeteil antreiben. Durch die Wahl des Abstandes der Exzenter von der Planetenradachse und durch die Wahl des Phasenwinkels zwischen den beiden Exzentern kann die Übertragungscharakteristik dieses Schrittgetriebes beeinflußt werden.

Ein derartiges Schrittgetriebe kann zwar sehr variabel ausgelegt werden und auf die verschiedensten Geschwindigkeitsverläufe und die verschiedensten Verweileigenschaften getrimmt werden; es sind jedoch zur Überlagerung der verschiedenen Bewegungen zwei Radialführungen oder Hebelverbindungen für die Exzenter der Planetenräder erforderlich, damit auch entsprechend viele Lager.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schrittgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, dessen Übertragungscharakteristik gleichermaßen sehr unterschiedlich ausgelegt werden kann, das aber einen einfacheren Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Schrittgetriebe gemäß Anspruch 1. Dadurch, daß die Achsen der Antriebswelle und der Abtriebswelle zwar immer noch gleich ausgerichtet sind, jedoch in Abstand voneinander angeordnet sind, und daß das Planetenrad nur noch mit einem Exzenter versehen ist, wird auch nur noch eine der Abtriebswelle zugeordnete Radialführung benötigt. Der Umlauf des Exzenters um die Abtriebswelle erfolgt also bei dem erfindungsgemäßen Schrittgetriebe auf einer zur Achse der Abtriebswelle exzentrischen Bahn, und hierdurch wird eine weitere Möelichkeit zur Einstellung der Übertragungscharakteristik erhalten, die mit der vergleichbar ist, die bei dem bekannten Schrittgetriebe nach der US-PS 37 30 014 durch den zweiten Exzenter auf dem Planetenrad erhalten wird Diese Möglichkeit der Einstellung der Übertragungscharakteristik kostet aber praktisch nichts, da es für die Herstellung des Schrittgetriebes keinen nennenswerten Unterschied ausmacht, ob Antriebswelle und AbtriebsweUe koaxial oder unter Abstand parallel zueinander angeordnet sind.

In der US-PS 38 69 935 ist ferner ein Schrittgetriebe beschrieben, bei dem die Abtriebsgeschwindigkeit alle 180° von einem konstanten positiven Wert auf einen konstanten negativen Wert geändert wird. Diese Umschaltung erfolgt unter Verwendung einer Kupplung mit einem in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Antriebswelle axial verlagerbaren Kupplungskörper. Die Erzeugung der Schrittbewegung erfolgt dort einfach über das durch die Kupplung bewerkstelligte Zu- und Abschalten eines die Drehrichtung umkehrenden Zwischengeleges. Ein derartiges Schrittgetriebe hat keinerlei Verweilphase und beschleunigt abrupt.

Das erfindungsgemäße Schrittgetriebe läßt sich dagegen sowohl im Hinblick auf lange Verweilphasen als auch im Hinblick auf ein sanftes Beschleunigen trimmen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schrittgetriebes ist der, daß die Schrittweite der Abtriebsbewegung noch am Einsatzort einjustiert werden kann. Eine derartige Einjustierung vor Ort ist insbesondere beim Zusammenarbeiten eines Schrittgetriebes mit einem Zahnstangentrieb von großer Bedeutung.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig.3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 1,

Fig.4 eine schematische kinematische Darstellung zur Definition der verschiedenen Parameter und Variablen,

Fig. 5 eine Kurvenschar zur Darstellung der Ausgangsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Eingabewinkel für einen bestimmten Satz von Parametern,

Fig. 6 eine Kurvenschar zur Darstellung der Ausgangsbeschleunigung in Abhängigkeit vom Eingabewinkel für die gleichen Parameter wie in F i g. 5,

F i g. 7 eine Kurvenschar zur Darstellung der Ausgangsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Eingabewinkel für einen weiteren Satz von Parametern,

Fig. 8 eine Kurvenschar zur Darstellung der Ausgangsbeschleunigung in Abhängigkeit vom Eingabewinkel für den gleichen Parametersatz wie in F i g. 7,

F i g. 9 eine schematische Darstellung, in der die Änderung des Ausgabewinkels bei einer Änderung der Exzentrizität der Ausgangsachse gezeigt ist,
Fig. 10 einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 11 einen Querschnitt längs der Linie 11-11 der Fig. 10,

Fig. 12 eine vergrößerte Teildarstellung der Befestigungsmittel für eine Deckplatte gemäß F i g. 11 und

b5 Fig. 13 einen Querschnitt längs der Linie 13-13 der Fig. 12.

Gemäß den Fig. 1, 2 und 3 trägt ein Gehäuse 2 eine stationäre Welle 4, an der ein stationäres Sonnenrad 6

26 2ί

befestigt ist Ein Planetenradträger, der aus einer Platte 8 und einem damit verschraubten Gehäuse 10 besteht ist über Lager 12 und 14 auf der stationären Welle 4 abgestützt und dreht sich um die Achse Ao- Am Außenumfang ist die Platte 8 mit Zähnen versehen, die mit einem Eingangs-Zahnrad 16 kämmen, das an einer Welle 18 befestigt ist welche über Lager 20,22 in einer mit dem Gehäuse 2 verschraubten Lagerschale 24 drehbar abgestützt ist

Die Welle 18 wird durch Fremdkraft angetrieben, beispielsweise durch einen drehrichtungsumkehrbaren Elektromotor einschließlich eines Untersetzungsgetriebes und einer Bremse (nicht gezeigt), die im Hubende eingerückt wird. Bei Drehung der Welle 18 dreht sich der Planetenradträger 8,10 um die feststehende Achse A₀.

Ein mit dem Sonnenrad 6 kämmendes Planetenrad 26 ist auf einer Planetenradwelle 28 befestigt die ihrerseits über Lager 30, 32 am Planetenradträger 8, 10 drehbar abgestützt ist Das Planetenrad 26 dreht sicn um die auf einer Kreisbahn umlaufende Achse A\, wenn der Planetenradträger 8,10 um die Achse Λ> rotiert

An der Planetenradwelle 28 ist eine Exzentertragplatte 34 befestigt von der eine Exzenterwelle 36 auf einer gegenüber der Achse A\ versetzten Achse Az vorsteht Auf der Exzenterwelle 36 ist ein Gleitstück 38 drehbar gelagert, das in einem Schlitz 40 eines Ausgangsanns 42 (F i g. 2) gleitend bewegbar ist Der Ausgangsarm 42 ist an einer Ausgangswelle 44 befestigt die über Lager 46 und 48 an einem mit dem Gehäuse 2 verschraubten Deckei 50 drehbar abgestützt ist Die Ausgangsweiic 44 und der Ausgangsarm 42 drehen sich um eine Achse A₃, die zur Hauptachse Ao versetzt argeordnet ist

Aus der nachfolgenden kinematischen Analyse ist ersichtlich, daß sich aus der Exzentrizität der Ausgangsachse A3 gegenüber der Hauptachse A₀ eine Reihe von kinematischen und mechanischen Vorteilen ergeben. Wenn der Planetenradträger 8, 10 um die Achse A₀ umläuft und die Planetenradwelle 28 um die kreisende Achse A\ angetrieben wird, ist die Bewegungsbahn der Exzenterwelle 36 und ihrer Achse A₂ je nach der Exzentrizität der Achse A₁ gegenüber der Achse A, eine Epitrochoide oder Epizykloide. Unter der Voraussetzung, daß die Achse A₃ innerhalb der Bewegungsbahn der Achse A₁ liegt, bewirken die Exzenterwelle 36 und der Gleitkörper 38 eine Rotation des Ausgütigsarms 42 und der Ausgangswelle 44 um die Achse Λ3.

Die in der kinematischen Schemazeichnung gemäß F i g. 4 dargestellten Größen sind wie folgt definiert:

θ = Eingabewinkel zwischen 0 und 360° pro Bewegungszyklus,

R = Teilkreisradius des Sonnenrades 6,
Φ — Ausgangswinkel des Ausgangsarms 42 je Bewegungszyklus; dieser Winkel durchläuft einen

Bereich von 0 bis "^

K = Abstand zwischen der Achse A\ und der Achse A₂.

Der Teilkreisradius des Planetenrads 26 ist durch die bo Einheitsgröße 1 definiert, und die Hauptradiallinie ist diejenige Radiallinie, die von der Mitte des Sonnenrads 6 (Achse Ao) zur Mitte des Planetenrads 20 (Achse Ai) verläuft, wobei das Planetenrad 26 derart angeordnet ist, daß der Mittelpunkt der Exzenterwelle 36 (A2) auf b5 der Hauptradiallinie liegt. Bei der in F i g. 3 gestrichelten Lage der Welle 36 liegt die Achse A₁ auf der HauDtradiallinie.

Der Gesamtabstand zwischen der Eingangsachse Ao und der Ausgangsachse A3 verläuft zur Hauptradiallinie unter deren Winkel δ. Der Gesamtabstand Eläßt sich in zwei Komponenten zerlegen, nämlich E\ parallel zur Hauptradiallinie und £2 senkrecht zur Hauptradiallinie.

Wenn sich das Planetenrad 26 gegenüber der Mittelpunktslinie A\, Ao um den Winkel θ gedreht hat, ist die in F i g. 4 in durchgehenden Linien gezeigte Lage des Planetenrads 26 erreicht Es gilt

K sin Θ

, / K sin Θ \

Z = ]/{K sin <9)² + (R + 1 - K cos Θ² (2)

Durch Winkelsummierung an A₀ ergibt sich:

β = 180° - Λ + -^- - ψ (3)

Die Cosinus-Beziehung ergibt:

W = \lE² + Z² - 2EZ cos β (4)

Man erhält wiederum durch den Cosinussatz:
/ W² + Z² - E² \

γ — COS

2WZ

Durch Summierung der Innenwinkel im Dreieck A₀, A₂, A₃:

Wenn θ = 0, wird t zu t₀, und zwar:

Und durch Winkelsummierung an A₃ erhält man:

Φ = F₀ - r (8)

Daraus ist ersichtlich, daß eine definierte Funktion zwischen dem Ausgabewinkel Φ und dem Eingabewinkel θ vorhanden ist, also für jeden Wert von θ ein definierter Wert von Φ existiert und somit

Diese Funktion explizit anzugeben, ist mühsam und kompliziert; eine derartige explizite Funktion anschließend nach klassischen Rechenmethoden zu differenzieren, um den Geschwindigkeitsverlauf zu erhalten, und anschließend erneut zu differenzieren, um den Beschleunigungsverlauf zu errechnen, ist übermäßig kompliziert

Verhältnismäßig leicht läßt sich die Lösung jedoch durch numerische Rechenverfahren unter Verwendung eines programmierbaren Rechners finden. Für jeden Wert von θ läßt sich mit den Gleichungen 1 bis 8 ein Wert von Φ mit R, K, E\ und Ei als Parameter errechnen. Mit Hilfe herkömmlicher numerischer Rechenmethoden können die ersten und zweiten Ableitungen ermittelt werden.

Mit derartigen numerischen Rechenmethoden wurden die die kinematischen Kennlinien darstellenden Diagramme der F i g. 5, 6, 7 und 8 erhalten. Die F i g. 5 und 6 zeigen die kinematischen Eigenschaften eines Stellmechanismus, bei dem der Radius R des Sonnenrads 6 gleich 1 gesetzt wurde; daher haben das Sonnenrad 6 und das Planetenrad 26 die gleiche Größe und ein einzelner Stelizyklus besteht aus einer Eingangsdrehung des Planetenradträgers 8,10 von 360° und einer Ausgangsdrehung des Ausgangsarms 42 von ebenfalls 360°. Die Mittelachse A₂ der Exzenterwelle 36 liegt auf dem Teilkreis des Planetenrads 26, und daher ist

¹⁵

Die Ausgangsgeschwindigkeit im Verhältnis zur Eingabegeschwindigkeit, also -J^ ist in Fig.5 für drei verschiedene Werte von £1 bei £2 = 0 gezeigt. Da bei £2=0 ein symmetrischer Kennlinienverlauf vorliegt, sind die Kurven nur bis zu einem Eingabewinkel von 180° dargestellt Für alle drei Werte von E\ hat die Ausgangsgeschwindigkeit den Wert 0, wenn der Eingabewinkel Null ist, und erreicht bei einem Eingabewinkel von 180° einen Maximalwert Bei einer konstanten Winkelgeschwindigkeit am Eingang ergibt sich daher am Ausgang bei jedem Bewegungszyklus ein einmaliger Ruhe- oder Verweilpunkt.
Die Beschleunigung am Ausgang gegenüber dem

Eingang, also der Wert 'J,' ist in F i g. 6 gezeigt, wobei die Parameter von E\ die gleichen wie in F i g. 5 sind. Folglich erreicht die Beschleunigung den Wert Null bei einem Eingangswinkel von 0 um 180°. Die F i g. 5 und 6 machen deutlich, daß sich allein durch Änderung der Größe £1 und bei E₂ = O die Geschwindigkeits- und Beschleunigungskennlinien des Stellmechanismus erheblich abwandeln lassen.

Wenn £2 ungleich Null ist, ist keine Symmetrie mehr vorhanden, wie die F i g. 7 und 8 zeigen. In diesen Diagrammen ist bei sämtlichen Kurven, die dort für den gesamten Eingabe-Drehwinkel von 360° gezeigt sind, £1 gleich 0,5 und — ebenso wie gemäß den F i g. 5 und 6 — R= 1 und K=I. Die mit 0 gekennzeichneten Kurven (£2=0) sind identisch mit den Kurven £i=0,5 gemäß den F i g. 5 und 6. Für £2 = 0,5 ergibt sich eine merkliche Änderung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskennlinien.

Das kinematische Verhalten des Stellmechanismus ist anhand der Kurven der F i g. 5 bis 8 lediglich beispielsweise für einen bestimmten Satz von Parametern gezeigt Es handelt sich also nur um mögliche Kennlinien. Durch eine gezielte Wahl der Einflußgrößen R, K, E\ und £2 läßt sich daher aus einem weiten Bereich unterschiedlicher kinematischer Kennlinien je nach dem geforderten Anwendungsfall ein bestimmter Stellmechanismus auswählen.

F i g. 9 zeigt einen weiteren wesentlichen Vorteil der nichtkoaxialen Anordnung der Ausgangsachse A3 gegenüber der Eingangsachse Ao, nämlich daß der Ausgangs-Stellwinkel durch eine geringfügige Änderung des Abstands zwischen der Eingangsachse Ao und ω der Ausgangsachse A3 in einem schmalen, aber nützlichen Bereich geändert werden kann.

Gemäß Fig.9 ist das Planetenrad 26 in zwei Stellungen gezeigt, nämlich einer in gestrichelten Linien dargestellten Startlage und einer in durchgehenden Linien gezeigten Haltelage, die erreicht wird, nachdem das Planetenrad 26 eine einzige Umdrehung im Uhrzeigersinn um seine zugehörige kreisende Achse durchgeführt hat, und zwar bei einer Bewegung um das Sonnenrad 6 im Uhrzeigersinn von etwas weniger als 360°. Um dies zu erreichen, muß natürlich der Radius des Sonnenrads 6 geringfügig größer als der Radius des Planetenrads 26 sein. Wie F i g. 9 zeigt, dreht sich bei einer derartigen Bewegung des Planetenrads 26 der Planetenradträger 8,10 im Uhrzeigersinn um die Achse Ao über einen Winkel Θ/.

Wenn die Ausgangsachse an der Stelle A3 liegt, entspricht die gesamte Ausgangs-Stellbewegung dem Winkel Φ'; wenn die Ausgangsachse nunmehr an die Stelle A3' verschoben wird, entspricht die gesamte Ausgangii-Stellbewegung dem Winkel Φ", wobei sich der Winkel Φ" vom Winkel Φ' unterscheidet.

Wenn daher der Teilkreisradius des Planetenrads 26 nicht ein ganzzahliges Vielfaches des Teilkreisradius des Sonnenrades 6 ist, läßt sich der Ausgangsstellwinkel durch Einstellung des Abstands zwischen der Eingangsachse Λο und der Ausgangsachse Aj verändern.

Eine derartige Einstellmöglichkeit läßt sich in einfacher Weise durch Übermaß- oder Schlitzlöcher in der Befestigung des Deckels 50 am Gehäuse 2 gemäß den F i g. 1 und 2 erreichen (siehe auch F i g. 12 und 13).

Dieses Merkmal ist von besonderer Bedeutung, wenn der Stellmechanismus zum Antrieb eines Zahnstangentriebs zwecks Erzeugung einer linearen hin- und hergehenden Stellbewegung verwendet wird und die Hublänge entsprechend den gegebenen Anforderungen oder zum Ausgleich von Verschleißerscheinungen genau eingestellt werden muß.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 10 und 11 sind sämtliche wesentlichen Merkmale des Stellmechanismus beibehalten, jedoch erfolgt der eingangsseitige Antrie:b auf unterschiedliche Weise; ferner ist eine von mehreren Möglichkeiten gezeigt, die Ausgangsachse gegenüber den übrigen Teilen des Stellmechanismus einstellbar anzuordnen.

Gemäß den F i g. 11 und 12 trägt das Gehäuse 60 eine stationäre Hohlwelle 62, an der wiederum das stationäre Sonnenrad 6 befestigt ist Ein Planetenradträger, der aus einer Platte 64 und dem damit verschraubten Gehäuse 10 besteht, ist auf der Hohlwelle 62 über Lager 12 und 66 um die Achse Ao drehbar abgestützt. Am Außenumfang der Platte 64 ist keinerlei Zahnkranz mehr vorhanden und auch die beim ersten Ausführungsbeispiel gezeigte, eingangsseitige Zahnradanordnung ist entfallen.

Am Planetenradträger 10,64 ist über Lager 30 und 32 wiederum die Planetenradwelle 28 gelagert, die das mit dem Sonnenrad 6 kämmende Planetenrad 26 trägt Dieses dreht sich um die kreisende Achse Ai, wenn der Pianetenradträger 10,64 um die Achse Ao umläuft.

Koaxial zum Planetenrad 26 ist auf der Planetenradwelle 28 ein Stufenzahnrad 68 befestigt, das sich ebenfalls um die kreisende Achse Ai dreht Mit dem Stufenzahnrad 68 kämmt ein Eingangsrad 70, das auf der Eingangswelle 72 befestigt ist, wobei das Eingangsrad 70 und die Eingangswelle 72 in in der Hohlwelle 62 befestigten Lagern 74 und 76 um die Achse A₀ rotieren. Die Eingangswelle 72 wird durch eine bewegungsumkehrbare Fremdkraftquelle angetrieben. Wenn das Eingangsrad 70 um die Achse Ao rotiert, dreht es das Stufenzahnrad 68 um die Achse Ai, so daß sich das Planetenrad 26 um das stationäre Sonnenrad 6 bewegt Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 1, 2 und 3 handelt es sich insoweit lediglich um eine andere Ausführungsform des eingangsseitigen Antriebsteils.

Am Stufenzahnrad 68 ist die Exzenterwelle 36 befestigt, deren Achse Λ2 gegenüber der Achse Aj

verschoben ist. Der übrige ausgangsseitige Teil des Stellmechanismus ist im wesentlichen identisch wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1,2 und 3.

Der Gehäusedeckel 78 ist derart ausgebildet, daß er deutlich eine von zahlreichen Einstellmöglichkeiten der Achse Ai bezüglich der Achse Ao zeigt, und zwar in diesem Fall durch eine Verstellmöglichkeit zwischen dem Gehäuse 60 und dem Gehäusedeckel 78. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse 60 mit einem breiten Flansch 80 an der Anlagefläche mit dem Deckel 78 versehen, welcher am Gehäuse 60 durch mehrere Schrauben 82 befestigt ist, von denen eine in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist. Jede Schraube 82 verklemmt den Deckel 78

mit dem Gehäuseflansch 80 über eine dicke, übergroße Beilagscheibe 84. In dem Gehäusedeckel 78 sind entsprechende Durchgangsbohrungen 86 mit einem merklichen Übermaß gegenüber der Schraube 82 ausgebildet, so daß sich eine deutliche Verstellmöglichkeit des Deckels 78 gegenüber dem Gehäuse 60 ergibt. Zu Einstellzwecken werden sämtliche Schrauben 82 gelöst, der Deckel 78 in die erwünschte neue Lage gebracht und anschließend sämtliche Schrauben 82 wieder festgezogen.

Wie bereits erwähnt, ist der Stellmechanismus bewegungsumkehrbar und wird von einer umsteuerbaren Antriebsquelle betätigt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schrittgetriebe mit einer Eingangswelle und einem durch diese angetriebenen Planetenradträger, mit einem in diesem gelagerten, auf einem Sonnenrad laufenden Planetenrad, welches einen Exzenter trägt, der mit einer drehschlüssig mit der Abtriebswelle verbundenen Radialführung zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (A3) der Abtriebswelle (44) exzentrisch von der Achse (A₀) des Sonnenrades (6), jedoch parallel zu dieser angeordnet ist, daß der Teilkreisradius des Planetenrades (26) geringfügig größer oder kleiner ist als der Teilkreisradius des Sonnenrades und daß der Abstand zwischen der Achse der Abtriebswelle und der Achse des Sonnenrades einstellbar ist.

2. Schrittgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tragrahmen für das Schrittgetriebe ein erstes und ein zweites Rahmenteil (60,78) enthält, von denen das zweite Rahmenteil (78) für die Veränderung des Abstandes zwischen der Achse (A₃) der Abtriebswelle (44) und der Achse (Ao) des Sonnenrades (6) einstellbar am ersten Rahmenteil (60) befestigt ist.