DE3033521A1 - Mechanische kraftuebertragung - Google Patents

Mechanische kraftuebertragung

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DE3033521A1
DE3033521A1 DE19803033521 DE3033521A DE3033521A1 DE 3033521 A1 DE3033521 A1 DE 3033521A1 DE 19803033521 DE19803033521 DE 19803033521 DE 3033521 A DE3033521 A DE 3033521A DE 3033521 A1 DE3033521 A1 DE 3033521A1
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DE
Germany
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power transmission
mechanical power
contact surface
axis
theta
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DE19803033521
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English (en)
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Robert Hadlow South Canterbury Davidson
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H1/00Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/32Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear
    • F16H1/321Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion in which the central axis of the gearing lies inside the periphery of an orbital gear the orbital gear being nutating

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Description

  • BESCHREIBUNG
  • Diese Erfindung findet ihre Anwendung bei einer mechanischen Übertragung der Art, bei welcher eine Bewegung durch ein Teil übertragen wird, welches veranlaßt wird, einer konischen Taumelbewegung unterzogen zu werden. Die Bedeutung des Ausdrucks konische Taumelbewegung" wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen erläutert.
  • Mechanische Übertragungen der bezeichneten Art wurden von anderen Erfindern in verschiedenen Patenten beschrieben, aber die praktische Ausführung dieser Konstruktionen legt verschiedene, zugehörige Probleme offen, welche die praktische Verwendung der Erfindungen verhindert haben: a) das Sicherstellen eines gewünschten Drehzahl-(und Drehmoment)Ubertragungsverhältnisses b) das Verhindern der Drehung des taumelnden Teiles, und c) das Sicherstellen der korrekten Taumelbewegung.
  • Im allgemeinen haben die Konstrukteure aus dem Stand der Technik Zahnradzähne oder andere, getrennte Antriebsflächen verwendet, um das Drehmoment zwischen dem taumelnden Teil und einem rotierenden Zahnrad zu übertragen, und sie haben die offensichtliche Tatsache betont, daß die Relativanzahl an Zähnen der antreibenden und angetriebenen Teile mit dem Drehzahl-Ubersetzungsverhältnis der Vorrichtung übereinstimmen muß; sie sind jedoch nicht zum Verständnis der Faktoren gelangt, welche das Drehzahl-Ubersetzungsverhältnis bestimmen. In der Extremform hat das Unvermögen zur Lösung dieses Problems zu Feststellungen geführt, daß für eine vorgegebene Geometrie einer mechanischen Kraftübertragung die relative Anzahl von Zähnen frei gewählt werden kann, um das Drehzahl-Übertragungsverhältnis zu ändern, das Verhältnis umzukehren, oder die Relativdrehung eines taumelnden Teiles sowie eines mit diesem in Eingriff stehenden Zahnringes zu verhindern - beispielsweise GB-PS 1 098 513 (A.B.Hagglund und Soner) sowie 1 168 381 (Schell) und US-PS 1 611 981 (Amberg) und 3 179 772 (Maroth).
  • Ein Aspekt dieser Erfindung befaßt sich mit Versuchen, das Problem b dadurch zu lösen, daß man den Eingriff zwischen einer gleichen Anzahl von Zähnen oder ihrer mechanischen Äquivalent am taumelnden Teil und einem Führungsteil hergestellt hat, bezüglich welchem sich das taumelnde Teil nicht drehen darf, mit Ausnahme der Rotationskomponente der normalen Lemniskate-Bewegung des taumelnden Teils. Lösungen dieses Typs wurden in GB-PS 1 096 779 (Baldanello), US-PS 2 699 690 (Kobler) und 3 139 771 (Maroth) sowie DE-PS 1 300 399 (Schell) und 2 106 459 (Schweigert) vorgeschlagen. GB-PS 1 098 513 (A.B. Hagglund und Soner) fällt, obwohl es die Verwendung von Zähnen als Hemmeinrichtung zeigt, in jene Klasse, in welcher die vorgeschlagene Lösung des Problemes b in der Verwendung radialer Zapfen oder anderer Teile an einem taumelnden Teil liegt, welche in Schlitzen in einem Führungsteil festgelegt sind.
  • In allen Druckschriften aus dem Stand der Technik ist vorgeschlagen, daß es ausreicht, eine gleiche Anzahl von Zähnen am taumelnden Teil und dem Führungsteil vorzusehen. Der Erfinder hat aber herausgefunden, daß es ebenso notwendig ist, die Position der Zähne und deren Eingriff der inherenten Geometrie einer Taumelantriebsübertragung zuzuordnen.
  • Ein anderer Gesichtspunkt der hier beschriebenen Erfindung ist es, den Zusammenhang zwischen dem Drehzahlübersetzungsverhältnis einer mechanischen Übersetzung der beschriebenen Art und der Geometrie der Einrichtung zu definieren und eine Lehre zu erstellen, wie man ein vorgegebenes Drehzahlübersetzungsverhältnis sicherstellt.
  • Beispiele einiger Taumeleinrichtungen sind in der US-PS 3 895 540 des Anmelders gezeigt.
  • Diese Erfindung liefert eine mechanische Kraftübertragung der beschriebenen Art, wobei sowohl das Maß der Taumelbewegung eines konisch taumelnden Teiles als auch die Lage der Antriebsfläche oder -flächen des taumelnden Teiles als Funktion des Drehzahlübersetzungsverhältnisses der Einrichtung in Relation stehen; die Erfindung liefert insbesondere eine derartige mechanische Kraftübertragung, bei welcher die genannten Antriebsflächen derart angeordnet sind, daß sie am Mittelpunkt der Taumelbewegung konisch konvergieren und das Verhältnis der Drehzahl (gemessen in Taumel zyklen pro Zeiteinheit) des taumelnden Teiles zur Drehzahl (gemessen in Umdrehungen pro Zeiteinheit) eines nichttaumelnden Teiles, das das taumelnde Teil antreibt oder von diesem angetrieben ist, lautet wie folgt: cos x - sin'x tån y cos x - sin x . tan y - 1 wobei x der Taumelwinkel des taumelnden Teiles und y der Kegel-bzw. Abschrägungswinkel seiner Zähne oder anderen Antriebsoberfläche oder -flächen ist, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird.
  • Die Erfindung liefert ferner bei einer mechanischen Kraftübertragung der beschriebenen Art eine Einrichtung zum Verhindern der Drehung des taumelnden Teils bezüglich einem Führungsteil, mit gegenseitigen Berührungsflächen am taumelnden Teil und am Führungsteil, welche konisch am Mittelpunkt der Taumelbewegung konvergieren, und es gilt y=-2x, wobei y der Kegel-Abschrägungswinkel der Oberfläche am taumelnden Teil und x der Taumelwinkel ist, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird.
  • Die Erfindung betrifft somit eine mechanische Kraftübertragung, welche eine Theta-Einrichtung aufweist, welche im Eingriff mit einem Stator taumelt und sich nicht relativ zum Stator dreht. Die Theta-Einrichtung ist derart angebracht, daß sie einer konischen Taumelbewegung um einen Mittelpunkt unterzogen wird, welcher auf der Achse des Stators angeordnet ist, und um eine Achse drehbar ist, welche einen Taumelwinkel x bezüglich der Statorachse bildet. Die Berührungsfläche der Theta-Einrichtung ist beim Taumeleingriff mit einer Berührungsfläche des Stators derart abgeschrägt, daß eine Linie zwischen dem Eingriff punkt und dem Mittelpunkt einen Winkel y bezüglich einer Ebene senkrecht zur Statorachse bildet, wobei der Winkel y gleich ist. Eine zweite Berührungsfläche ist an der Theta-Ein-2 richtung für den Taumeleingriff mit einer Berührungsfläche an einem Läufer vorgesehen, der um die Statorachse zentriert ist.
  • In den beigefügten Zeichnungen ist Fig. I eine schematische Darstellung einer typischen mechanischen Kraftübertragung der beschriebenen Art, Fig.II ein Diagramm, welches die Arbeitsgrundlagen der Kraftübertragung der Fig. I zeigt, Fig. III die Ansicht eines Schnittes durch ein taumelndes Teil für eine mechanische Kraftübertragung der beschriebenen Art, Fig. IV eine Tabelle von Werten für Abschrägungswinkel und Taumelwinkel für mechanische Kraftübertragungen der beschriebenen Art, und zwar für einen Bereich von Untersetzungswerten von einem taumelnden Teil auf einen Rotor, Fig. V eine Tabelle von Werten von Abschrägungswinkeln und Taumelwinkeln für einen Bereich von Ubersetzungswerten von einem taumelnden Teil zu einem Rotor, Fig. VI eine Tabelle von Drehzahlübersetzungsverhältnissen für Bereiche von Werten von Abschrägungswinkeln und Taumelwinkeln Fig. VII ein Schnitt durch eine erfindungsgemäß aufgebaute, mechanische Kraftübertragung, Fig. VIII ein Diagramm, das noch weiter die Betriebsgrundlagen der in Fig. I gezeigten mechanischen Kraftübertragung darstellt und Fig. IX ein Schnitt durch eine weitere, mechanische Kraftübertragung, welche die Erfindung verkörpert.
  • Fig. I der beigefügten Zeichnungen stellt schematisch eine typische mechanische Kraftübertragung für den Taumelantrieb dar. Ein Ritzel 1 ist zur Drehung um eine Achse 2 angebracht.
  • Ein Rad 3 ist derart angebracht, daß es eine konische Taumelbewegung um einen Mittelpunkt 4 durchführt, der auf der Achse 2 liegt. Typischerweise ist das Rad 3 an einer exentrischen Welle angebracht, welche längs einer Achse 5 angeordnet ist, wobei die Achse 5 um die Achse 2 derart gedreht wird, daß ein gerader Kegel mit dem Scheitel am Punkt 4 erzeugt wird und daß die hieraus resultierende Bewegung des Rades 3 als konische Taumelbewegung beschrieben wird. Das Rad 3 ist imstande, sich um die Achse 5 zu drehen, und wenn demzufolge die konische Taumelbewegung fortschreitet, dann läuft das Rad 3 rund um das Ritzel 1. Wenn das Rad 3 an der freien Drehung gehindert ist, dann erzeugt der Unterschied zwischen seinem Umfang uns dem Umfang des Ritzels 1 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Relativdrehung an den Ausgängen der Einrichtung. Die Linie 6 der Fig. I ist ein Schnitt durch eine Ebene durch den Mittelpunkt 4, worauf die Achse 5 senkrecht steht, und die Linie 6 bewegt sich deshalb zusammen mit dem Rad 3 und schwenkt um einen gleichen Winkel x zu jeder Seite einer Ebene 7, welche am Mittelpunkt 4 senkrecht zur Achse 2 steht.
  • Zum Zwecke der Deutlichkeit und der bündigen Erläuterung werden die nachfolgenden Begriffe definiert, die in diesen Unterlagen verwendet werden: a) das Ritzel 1 wird unabhängig davon, ob es in irgendeinem speziellen Ausführungsbeispiel größer oder kleiner ist als das taumelnde Teil oder ob es sich dreht oder ob es ortsfest ist, als "Stator" bezeichnet, obwohl es als auch Rotor bezeichnet werden könnte, b) das Rad oder das taumelnde Teil 3 und irgendein anderes Teil, wie etwa eine Taumelplatte, welche einer ähnlichen Taumelbewegung unterzogen wird, wird als "Theta-Einrichtung" bezeichnet, c) die Linie 6 wird als "Bezugslinie" bezeichnet, d) der Winkel x wird als "x" oder als "Taumelwinkel" bezeichnet, e) eine exentrische Welle auf der Achse 5 wird dort, wo sie verwendet wird, als "Kosinus-Spindel" bezeichnet.
  • Es wird darauf hingewiesen, daß die gewünschte Bewegung der Achse 5 und der Theta-Einrichtung durch andere Mittel erzielt werden kann als durch eine Kosinus-Spindel (beispielsweise durch das geneigte Betätigungsteil um das Kardan- bzw.
  • Kugelgelenk der US-PS 3 139 772 (A.M. Maroth), aber in den meisten Verwendungsformen wird aus Gründen der Einfachheit, Festigkeit, niedrigen Reibungsverluste und Genauigkeit der Steuerung der Taumelbewegung die Kosinus-Spindel bevorzugt, und sie gestattet die Verwendung genormter Lagerungskomponenten.
  • Bei der folgenden Beschreibung der Erfindung wird darauf abgezielt, die Bedingungen zu erläutern, welche bei der Konstruktion einer Steuereinrichtung für ein taumelndes Teil der beschriebenen Art beachtet werden sollen, um zu erläutern, wie man diese Bedingungen auf die Konstruktion von Getrieben anwendet. Obwohl die Beschreibung mathematische Ausdrücke umfassen wird, wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß nicht darauf abgezielt wird, einen mathematischen Beweis der Erfindung zu liefern.
  • Fig. II der beigefügten Zeichnung zeigt die Linien 2, 5, 6 und 7, den Punkt 4 und den Winkel x der Fig. I. Zusätzlich ist ein Punkt 8 als Punkt für den Antriebseingriff des Stators 1 und der Theta-Einrichtung 3 gewählt. Am Punkt 8 sind die wirksamen Radien des Stators bzw. der Theta-Einrichtung senkrecht auf die Achse 2 und die Achse 5 als Lote gefällt und in Fig. II als r und R bezeichnet. Bei dieser Beschreibung und auch in den Ansprüchen soll das Symbol r zur Darstellung des wirksamen Radius des Stators und das Symbol R zur Darstellung des wirksamen Radius der Theta-Einrichtung bei jedem vorgegebenen Punkt der Antriebsberührung verwendet werden, unabhängig davon, ob r und R unterschiedlich oder gleiahsind.
  • Die Linie 9 verbindet den Punkt 8 mit dem Taumelmitt punkt 4 und bildet am Taumelmittelpunkt 4 mit der Bezugslini 6 einen Winkel y. Durch Auswertung der Dreiecke in Fig. II wird die folgende Formel erzielt: was zeigt, daß die Werte x und y vom Verhältnis von r zu R an jedem vorgegebenen Punkt der wirksamen Antriebsführung abhängig sind.
  • Wenn die Theta-Einrichtung einen Taumelzyklus fertigstellt, dann bewegt sich der Punkt 8 in einem Kreis mit dem Radius r um die Achse 2 und beschreibt ein Stator einen Kreis von zur Umfang, und an der Theta-Einrichtung einen Kreis von 2T/R Umfang. Wenn r und R gleich sind, dann liegt keine Relativdrehung zwischen Stator und Theta-Einrichtung vor, aber wenn sie unterschiedlich sind, dann liefert der ständige Eingriff des Stators und der Theta-Einrichtung bei einem vollständigen Taumel zyklus der Theta-Einrichtung eine Drehverlagerung des Stators bezüglich der Theta-Einrichtung, welche an dem durch den Punkt 8 beschriebenen Kreis gleich ist dem Unterschied zwischen 2 X R und 2 kr. Wenn das Symbol S verwendet wird, um die Eingangsdrehzahl bzw. -frequenz zu bezeichnen, die durch die Ausgangsdrehzahl geteilt ist, dann ist das Verhältnis der zyklischen Taumelfreuqenz der Theta-Einrichtung zur Drehzahl der Relativdrehung des Stators und der Theta-Einrichtung (B) S= r r-R Es wird vermerkt, daß die Gleichung B einen negativen Wert für S ergibt, wenn R größer ist als r, und dies liegt in der Tatsache, daß unter solchen Umständen der Läufer in der entgegengesetzten Richtung zur zyklischen Taumelbewegung der Theta-Einrichtung dreht. Wenn beispielsweise die Theta-Einrichtung an eine Kosinus-Spindel angebracht ist, dann können Anordnungen, bei welchen der Wert von R größer ist als r deshalb verwendet werden, um zusätzlich zur Drehzahl-bzw.
  • Frequenzänderung eine Drehrichtungsumkehr zu liefern.
  • Aus der Gleichung B kann ferner die folgende Gleichung abgeleitet werden: (c) r = S R 5-1 welche es ermöglicht, daß das Drehzahlübersetzungsverhältnis der Einrichtung in die Gleichung A eingesetzt wird, so daß sich dann ergibt: Die Gleichung D kann derart umgeformt werden, daß sie einen unmittelbaren Wert für S liefert, der ausgedrückt ist durch die Winkel x und y: (E) 5 = cos x - tan y. sin x cos x - tan y. sin x - 1 Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Gleichungen A, D und E in anderen Ausdrücken als trigonometrischen Funktionen gemäß der Gesetze der Trigonometrie ausgedrückt werden können, jedoch die gewählte Ausdrucksweise ist die einfachste und in der Praxis die am leichtesten verwendbare, um die Geometrie einer zu bauenden Einrichtung abzuleiten. Es wird auch darauf hingewiesen, daß sich aus der Gleichung A ergibt, daß für cos x = r y = O. In dieser Be R' schreibung wird dieser spezielle Wert von x als e bezeichnet, d.h. e = arccos Durch Anwenden der von Fig. II abgeleiteten Gleichungen ist ersichtlich, daß für jedes Getriebe mit einem vorgebenen Drehzahlübertragungsverhältnis S und Taumelwinkel x ein einziger Wert des Verhältnis r.R für alle Punkte der Antriebsberührung beachtet werden muß, d.h., alle derartigen Punkte müssen auf einer einzigen Linie 9 liegen, welche durch den Taumelmittelpunkt 4 hindurchgeht. Jeder Berührungspunkt zwischen Stator und Theta-Einrichtung, der nicht auf dieser Linie 9 liegt, oder auf dem Konus, von welchem die Linie 9 ein Schnitt ist, wird einen unterschiedlichen Wert für das Verhältnis r:R haben und wird daher dazu neigen, ein unterschiedliches Drehzahlübertragungsverhältnis zu liefern, weil der Wert von S, der aus den Gleichungen B oder C abgeleitet ist, unterschiedlich sein wird. Wenn die Einrichtung Antriebszähne verwendet, dann wird das Ergebnis eine Beschädigung der Zähne sein.
  • Es ist nun ersichtlich, daß die Konstruktionen aus dem Stand der Technik deshalb versagt haben, weil sie nicht die abgeleiteten Prinzipien angewandt hatten. In US-PS 2 699 690 (A.J.
  • Kobler) wird beispielsweise den Leser gelehrt, Antriebsflächen zu verwenden, welche auf einer Linie liegen, die die Achse des Rotors fern vom Taumelmittelpunkt schneidenlund welche zerstört werden würden, wenn die Einrichtung betätigt würde. In der Praxis ist die Theta-Einrichtung üblicherweise als eine Platte mit Stirnflächen gebildet, die parallel zur Ebene laufen, die im Schnitt durch die Bezugslinie 6 dargestellt ist, und der Winkel y stellt den Kegelwinkel dar, unter welchen die Zähne oder andere Antriebsflächen der Theta-Einrichtung gebildet sind. Fig. III zeigt eine typische Theta-Einrichtung für eine mechanische Kraftübertragung, bei welcher der Wert von R größer ist als von r. Die Theta-Einrichtung ist eine flache, kreisförmige Platte 10, die in ihrer Mitte eine Bohrung 11 zur Aufnahme einer Kosinus-Spindel und eines Lagers aufweist. Die Platte ist mit einer ringförmigen Berührungsfläche 12 versehen, welche der Einfachheithalber als Reibungsantriebsfläche gezeigt ist. Die Berührungsfläche 12 ist an der Oberfläche eines Kegels ausgebildet, dessen Scheitel am Taumelmittelpunkt 4 liegt, und ist unter einem Kegelwinkel y ausgebildet, der aus der Gleichung D abgeleitet ist. Wenn x = e , dann ist der Kegelwinkel y Null und die Kontaktfläche 12 würde an der Platte 10 eben ausgebildet.
  • In dieser Beschreibung und den Ansprüchen wird der Winkel y als "Kegelwinkel" bezeichnet. Der Wert des Winkels y ist die Winkelverlagerung der Linie 9 von der Bezugslinie 6 gegenüber der Ebene, die durch die Linie 7 dargestellt ist, und ist positiv, wenn der Winkel von jener Seite der Bezugslinie 6 ausgemessen ist, welche von der Linie 7 abgewandt ist, und ist negativ, wenn er von jener Seite der Bezugslinie 6 aus gemessen wird, welche der Linie 7 zugewandt ist. Wenn y positiv ist, dann ist der Kegel, wie dies in Fig. III gezeigt ist, als Vertiefung ausgebildet, und wenn Antriebszähne verwendet werden, wird die beste Leistung geliefert durch "Zusammenwirkendeloder "KonvexgKonkave Zähne". Wenn y negativ oder Null ist, dann ist ein vorspringender oder gar kein Kegel verwendet, und die herkömmlichen Erzeugungsmethoden sind geeignet. Zu diesem Zweck wird es, wo es der gewählte Wert S und der annehmbare Bereich von x gestatten, bevorzugt, einen Nullwert oder negativen Wert für y zu wählen, im Gegensatz zu den meisten Ausführungen, welche der Stand der Technik liefert.
  • In Fig. IV, V und VI sind Tabellen für Werte der Größen S, x und y dargestellt. In Fig. IV sind die Werte S von minus 100 bis minus 1 und von plus 2 bis plus 100 in der äußersten linken Spalte aufgetragen, und die Werte x von 1 bis 30° sind in der oberen Linie aufgetragen. Die entsprechenden Werte von y in G raden sind im verbleibenden Abschnitt der Figur dargestellt. Fig. V ist ähnlich, aber für einen unterschiedlichen Bereich der Werte S. Beide Tabellen zeigen die Werte von y bis auf zweiDezimalstellen, und zwar abgeleitet unter Verwendung der Gleichung D. Es wird vermerkt, daß keine Werte für ein Drehzahlübertragungsverhältnis von + 1 vorgelegt sind, da dieser Wert keine rationale Lösung auf die Gleichungen A oder D liefern kann.
  • Werte für minus 1 sind allerdings vorgelegt und stellen die Drehung des Stators relativ zur Theta-Einrichtung mit derselben Drehzahl, aber in der entgegengesetzten Richtung zur Taumelbewegung dar. Es wird auch vermerkt, daß die Tabellen unzweckmäßige Werte umfassen; wo (x + y) größer ist als 900, ist die Konstruktion der Einrichtung unzweckmäßig bzw. praktisch nicht verwirklichbar. In Fig. VI sind Werte S für entsprechende Werte von x und y gezeigt,welche längs der horizontalen bzw. vertikalen Achse gezeigt sind, und es wird darauf hingewiesen, daß keine rationalen Werte vorgelegt werden können, wenn y= - 2x ist; bei diesem Wert von y liegt keine Relativdrehung vor, und der Eingriff mit einem Stator bei diesem Wert y kann verwendet werden, um die Drehung der Theta-Einrichtung zu verhindern. Mehr über dieses Merkmal der Erfindung wird im Zusammenhang mit den Fig. VIII und IX vorgetragen.
  • Die Tabellen sind nicht dazu bestimmt, jede wahrscheinliche Kombination der Werte x, y und S zu liefern. In der Praxis muß der Konstrukteur die Gleichungen anwenden, die vorgelegt wurden, aber die Tabellen zeigen die besseren Bereiche, aus denen x und y gewählt werden sollten.
  • Die Auswahl von y ist nicht völlig frei, da vermerkt werden wird, daß für bestimmte Kombinationen von x und S sehr kleine Änderungen im Werte von y großen Änderungen im Werte von S entsprechen. Derartige Kombinationen sollten, falls möglich, wegen der Schwierigkeit vermieden werden, genau den gewünschten Wert von S sicherzustellen, wenn normale Herstellungsungenauigkeiten in Rechnung gezogen werden; der Leser sollte vielmehr Kombinationen wählen, bei welchen große Änderungen im Wert von y kleinen Änderungen im Wert von S entsprechen. Unter Verwendung der Tabellen kann der Leser den allgemeinen Bereich der Werte x und y auswählen, welcher den gewünschten Wert von S in der für seine Zwecke vorteilhaftesten Weise liefern wird, und dann die genauen Werte unter Verwendung der Gleichung D ermitteln. Die Verwendung der Gleichung D wird vorgeschlagen, weil in den meisten Verwendungsfällen S vorgegeben sein wird und dann ein Wert x gemäß dem Bereich von Kosinus-Spindelwinkeln gewählt wird, der für den Benutzer und für verschiedenartige praktische Erwägungen verfügbar ist, was noch den genauen, erforderlichen Wert y übrigläßt, der bestimmt werden muß, um den vorgegebenen Wert S zu erhalten.
  • Es wird nun ein Beispiel der Leistungsfähigkeit der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. VII der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es wird darauf abgezielt, eine mechanische Kraftübertragung zu konstruieren, bei welcher S = + 20 (d. ist hier ein Drehzahl-Untersetzungsverhältnis von 20:1, wobei der Stator relativ zu Theta-Einrichtung in derselben Richtung wie die Taumelbewegung dreht), unter Verwendung einer verfügbaren Kosinus-Spindel mit einem Exzentritätswinkel von 120. Fig. IV zeigt, daß die Kombination zweckmäßig ist und in einen Bereich fällt, in welchen kleine Änderungen im Wert von y keine großen Änderungen im Wert von S hervorrufen. Unter Anwendung der Gleichung D ist für S = + 20 und x = 120 der erforderliche Wert von y = - 19,710. Da y einen negativen Wert aufweist, wird ein vorspringender Kegel an der Theta-Einrichtung erforderlich sein, und zum Zwecke der Klarheit wird die Verwendung von Reibungsflächen gezeigt. Wenn Zähne verwendet werden sollen, dann liefert die Gleichung C das Verhältnis der Zähne zahl am Rotor zur Zähnezahl an der Theta-Einrichtung, wobei für S = 20 das Verhältnis 20:19 ist, und zwar beispielsweise 40 Zähne am Stator und 38 Zähne an der Theta-Einrichtung.
  • Eine normgerechte, kreisförmige Platte ist die Grundlage für die Theta-Einrichtung 13 und ist derart bearbeitet, daß eine Kegelringfläche 14 mit 19, 710 geliefert wird, welche mit einer Reibungsbeschichtung bzw. Reibungsfläche 15 versehen ist. Die Theta-Einrichtung 13 weist eine mittige Bohrung 16 auf, welche ein genormtes Lager 17 aufnimmt, das sich rund um die gewählte Kosinus-Spindel 18 erstreckt, die an einer Welle 19 ausgebildet ist. Die Drehung der Welle 19 veranlaßt eine konische Taumelbewegung der Theta-Einrichtung über einen Taumelwinkel hinweg, der gleich ist der Exzentrizität der Kosinus-Spindel bezüglich der Welle 19, und zwar in diesem Fall 120.
  • Ein Stator 20 wird dann mit einer ringförmigen Reibungsfläche 21 gebildet, die derart angeordnet ist, daß sie mit der Fläche 15 der Theta-Einrichtung in Eingriff tritt, wie dies in Fig. VII gezeigt ist: die Fläche 21 ist auf der Drehachse der Welle 19 zentriert. Wenn die Welle 19 gedreht wird, dann erzeugt das Abrollen der Theta-Einrichtung rund um die Fläche 21 des Stators eine Relativdrehung der Theta-Einrichtung und des Stators um die Achse der Welle 19.
  • Wenn die freie Drehung der Theta-Einrichtung verhindert wird, dann wird die Drehung des Stators in der selben Richtung wie die Drehung der Welle 19 mit 1/20 der Drehzahl erfolgen.
  • Wenn der Stator an der Drehung gehindert ist, dann wird sich die Theta-Einrichtung selbst mit 1/19 der Drehzahl drehen, aber in der entgegengesetzten Richtung. Zwischenliegende Bedienungen können durch kontrolliertes Hemmen der Drehung eines oder beider Einrichtungen, und zwar der Theta-Einrichtung und des Stators, erhalten werden. In einigen Anwendungsfällen kann es erwünscht sein, eine genormte Theta-Einrichtung herzustellen, welche mit einer Vielzahl von Kosinus-Spindeln (oder anderen Betätigungseinrichtungen) verwendet werden kann, um eine Auswahl aus einem Bereich der Werte S herzustellen.Füreinen verhältnismäßig weiten Bereich negativer Werte von S zeigt Fig. VI, daß es praktisch ist, eine flache bzw. ebene Theta-Einrichtung zu verwenden, d.h. eine, bei welcher y = o. Abgesehen von der einfachen und mühelosen Herstellung der derart geformten Theta-Einrichtung gestattet ihre Konstruktion auch eine einfache Errechnung des Wertes des erforderlichen Taumelwinkels. Wie bereits festgestellt, ist, wenn y = O, x = und es ist somit einfach, den Taumelwinkel zu bestimmen, der für x = e = arcco erforderlich ist. Bei spielsweise ist für ein Drehzahluntersetzungsverh&ltnis von - l0Qe= arccos 100/101= 8,070, und eine Kosinus-Spindel dieses Exzentrizitätsgrades wird gewählt werden.
  • Wenn der genaue Wert von S nicht kritisch ist, wird eine 8°- Kosinus-Spindel ein annehmbares Drehzahluntersetzungsverhältnis von - 101,75 liefern, wie durch die Gleichung E festgestellt wird.
  • Es muß darauf verwiesen werden, daß, obwohl die Erfindung anhand des Eingangs an der Theta-Einrichtung beschrieben wurde, es im Prinzip möglich ist, ihre Wirkungsweise umzukehren und den Eingang am Stator oder durch Drehung der Theta-Einrichtung anstelle durch deren Taumelbewegung herzustellen. Angesichts der mangelnden Praktizierbarkeit der meisten Kombinationen von x und y, die in Fig. V vorgelegt sind, ist es üblicherweise ratsam, diesen umgekehrten Gebrauch zu verwenden, wenn eine Drehzahlerhöhung erforderlich ist. Bei dieser Beschreibung und den Ansprüchen wird auf den Winkel y als "Kegelwinkel" Bezug genommen. Wenn eine Relativdrehung zwischen der Theta-Einrichtung und dem Stator vermieden werden soll, sollte die gesamte derartige Berührung an dem Konus stattfinden, von welchem die Linie 9 ein Schnitt ist, wobei der Winkel y die Lage einer derartigen Linie 9 relativ zur Bezugslinie 6 definiert, welche derart ist, daß r = R oder r = 1. Die Gleichung A definiert den er-R forderlichen Wert von y wie folgt: (F) y = - x 2 Der Negativwert zeigt an, daß die Winkelverlagerung y der Linie 9 gegenüber der Bezugslinie 6 von jener Seite der Bezugslinie 6 aus gemessen ist, welche der Ebene 7 am nächsten liegt. Die Linie 9 wird stets zwischen der Ebene 7 und der Bezugslinie 6 mit einer Winkelverlagerung von 1 x gegenüber der letztgenannten angeordnet sein und 2 somit einen vorspringen Kegel für eine Berührungsfläche gestatten, die auf der Linie 9 an der Theta-Einrichtung gelegen ist.
  • In Fig. VIII zeigt der Pfeil 110 den Berührungsbereich mit dem Stator an, der in Fig. 1 gezeigt ist. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß gleichzeitig die entgegengesetzte Seite der Theta-Einrichtung in Berührung mit einem zweiten Stator an der anderen Seite der Theta-Einrichtung in jenen Bereich gebracht werden kann, der durch-den Pfeil 111 angezeigt ist. Relativ zu einem derartigen Bereich findet die Berührung zwischen der Theta-Einrichtung und dem Stator an der Linie 19' statt. Somit kann eine Theta-Einrichtung konstruiert werden, die dieArbeits-Antriebsoberflächen an der einen Seite zum Betrieb am Bereich -110 aufweist,und Kontrollflächen an der entgegengesetzten Seite zur Wirkung am Bereich 111 aufweist. Diese Anordnung ist allerdings nicht allgemein zu empfehlen, weil die Drehmomentübertragung und die Reaktionskräfte in einer Theta-Einrichtung an der Arbeits-Antriebsfläche und dem Punkt oder den Punkten wirksam sind, an welchen die Gegendrehungskraft aufgebracht wird, und diese Punkte sollten, um Spannungen auf ein Mindestmaß zu reduzieren, so nahe zusammengebracht werden wie möglich. Es ist deshalb bevorzugt, dic vorliegende Erfindung dadurch anzuwenden, daß man sowohl Arbeits- als auch Kontrollfläche derart vorsieht, daß sie an der selben Seite der Theta-Einrichtung so nahe wie möglich zueinanderliegend wirksam sind.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. IX gezeigt. Ein Gehäuse 112 enthält eine Theta-Einrichtung 113 und einen Rotor bzw. Läufer 114, wobei die Theta-Einrichtung an einer Kosinus-Spindel 115 mit 150 angeordnet ist, um einen Taumelwinkel von 150 zu erzielen. Um die Drehung der Theta-Einrichtung innerhalb des Gehäuses zu verhindern, weist die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Zahnring 116 an der Theta-Einrichtung und einen hiermit zusammenwirkenden Zahnring 117 am Gehäuse vor, wobei die beiden Ringe derart angeordnet sind, daß ihr Eingriff so nahe wie möglich am Eingriff der Theta-Einrichtung mit dem Läufer 14 stattfindet. Der Eingriff der beiden Zahnringe 116, 117 ist derart angeordnet, daß er an einer Linie 118 an einer Stelle - 1 x stattfindet, 2 d.h. bei einem Winkel von 7 1o gegenüber der Ebene 19, 2 welche senkrecht zur Achse 120 des Läufers beim Taumelmittelpunkt 121 steht. Weil r = R , ist eine gleiche Zähnezahl an beiden Ringen vorgesehen. Die Theta-Einrichtung ist somit an der Drehung relativ zum Gehäuse 112 gehindert, obwohl ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß sich auch das Gehäuse selbst relativ zu irgendeinem vorgegebenen Bezugsrahmen drehen kann, um beispielsweise eine Einrichtung zum Verändern der Ausgangsdrehzahl der Vorrichtung relativ zu einem derartigen Bezugsrahmen zu liefern.
  • Mit der vorgegebenen Kosinus-Spindel, deren Winkel notwendigerweise x entspricht, sowie einem Kegelwinkel y = - 1 x wird, wenn sich die Welle 122 dreht, das Teil 2 113 um den Taumelmittelpunkt 121 taumeln, aber soweit die Werte r und R der Eingriffsflächen des Stators und des Taumelteils gleich sind, wird sich das Taumelteil 113 nicht relativ zum Stator oder Gehäuse 112 drehen.
  • Der Übertragungsmechanismus beim bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt auch einen Rotor 120, dessen Achse mit der Achse der Welle 122 zusammenfällt und der eine Eingriffsfläche 123 aufweist, welche mit einer zweiten Eingriffsfläche 124 des Taumelteiles 113 in Eingriff steht.
  • Der Eingriff kann über eine Reibungsberührung, Zahnräder oder dergleichen stattfinden. Der Eingriff der Flächen 124 und 123 bildet eine Linie, die sich durch den Taumelmittelpunkt 121 erstreckt. Der Zusammenhang zwischen dem Übertragungsverhältnis S (dem Verhältnis der Taumel zyklen pro Zeiteinheit zu den Rotorzyklen pro Zeiteinheit), der Taumelwinkel x und der Kegelwinkel y(der Winkel zwischen der Bezugslinie 6 und der Kegellinie 125) ist bevorzugt wie folgt: S = cos x - tan y . sin x cos x - tan y . sin x - 1 Zusätzlich ist, wenn Zahnradzähne verwendet werden, das Proportionalitätsverhältnis der Zähne an der Oberfläche 24 zu jenen an der Oberfläche 23 ebenso definiert wie folgt: Zähne am Taumelteil -- R = 5-1 Zähne am Rotor r s Es wurde ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei welchem der Steuereingriff mittels Zähnen stattfindet. Er kann auch mittels Reibungsflächen oder durch Vorsprünge und Ausnehmungen oder durch irgendeine andere Eingriff einrichtung der Theta-Einrichtung und des Gehäuses, jedoch im wesentlichen nur an der Linie 118 bei - 1/2 x stattfinden. Wo eine getrennte Eingriffseinrichtung verwendet wird, muß, da r = R, eine gleiche Anzahl oder eine Eins-Zu-Eins-Zuordnung an der Theta-Einrichtung und dem Gehäuse oder einem anderen Teil vorliegen, in Relation zu welchem die Drehung der Theta-Einrichtung verhindert werden soll. Obwohl ein Ausführungsbeispiel einer Taumelantriebsübertragung beschrieben wurde, sollte ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß die selben Prinzipien und auch der selbe Aufbau, der die Ringe 116 und 117 umfaßt, verwendet werden könnte, wenn die Theta-Einrichtung 13 lediglich als Taumelplatte wirksam wäre, statt den Rotor 114 anzutreiben oder von diesem angetrieben zu werden. Obwohl es bevorzugt ist, zwei Taumel-Eingriffsoberflächen an der selben Fläche des Taumelteils aufzuweiten, könnte ferner auch die Oberfläche, die mit dem Rotor in Eingriff steht, auf jener Fläche angeordnet sein, welche gegenüber der Fläche liegt, die mit dem Stator in Eingriff steht.
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Claims (10)

  1. Mechanische Kraftübertragung PATENTANSPRUCHE Mechanische Kraftübertragung, g e k e n n -z e i c h n e t durch die folgenden Merkmale: - ein Stator mit einer allgemein ringförmigen Berührungsfläche, welche um eine Achse (2) zentriert ist, - eine Theta-Einrichtung , die derart angebracht ist, daß sie eine konische Taumelbewegung um einen Mittelpunkt (4) auf der Achse (2) durchführt und um eine weitere Achse (5) drehbar angeordnet ist, wobei die Theta-Einrichtung eine Bezugslinie senkrecht zu der weiteren Achse (5) aufweist und bezüglich der Ebene senkrecht zur ersten Achse (2) einen Taumelwinkel (x) bildet, und - die Theta-Einrichtung weist ferner eine allgemein ringförmige Berührungsfläche auf, welche um die weitere Achse (5) zentriert ist und mit einer Berührungsfläche des Stators längs einer Eingriff linie in Eingriff steht, welche sich rund um die rührungsflächen bewegt, wenn die Theta-Einrichtung eine Taumelbewegung durchführt, wobei die Eingriff linie sich vom Eingriffspunkt der Berührungsflächen durch den Taumelmittelpunkt (4) hindurch erstreckt und einen Kegelwinkel (y) bezüglich der Bezugs linie bildet, der - Taumelwinkel (x) beträgt.
  2. 2 2. Mechanische Kraftübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche den Kegelwinkel (y) aufweist und sich hierbei radial längs der Eingriffslinie erstreckt, und daß die Eingriffslinie derart angeordnet ist, daß sie den Winkel (x) halbiert, der zwischen der Bezugslinie und der Ebene senkrecht zur ersten Achse (2) gebildet ist.
  3. 3. Mechanische Kraftübertragung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Berührungsfläche ein Zahnring ist, wobei jeder Ring die selbe Zähnezahl aufweist.
  4. 4. Mechanische Kraftübertravunq nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Berührungsfläche eine Reibungs-Antriebsfläche ist.
  5. 5. Mechanische Kraftübertrag nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator Teil eines Gehäuses ist, welches die Theta-Einrichtung aufnimmt.
  6. 6. Mechanische Kraftübertragung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Rotor, der zur Drehung um die erste Achse (2) eingerichtet ist und eine allgemein ringförmige Berührungsfläche aufweist, wobei die Theta-Einrichtung einen zweite, ringförmige Berührungsfläche aufweist, welche sich in Taumeleingriff mit der Berührungsfläche der Rotoreinrichtung befindet
  7. 7. Mechanische Kraftübertragung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Berührungsflächen der Theta-Einrichtung auf der selben Seitenfläche der Theta-Einrichtung angeordnet sind.
  8. 8. Mechanische Kraftübertragung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Berührungsfläche einen vertieften Kegel bildet und daß die Eingriff linie zwischen der zweiten Berührungsfläche der Theta-Einrichtung und der Berührungsfläche des Rotors durch den Taumelmittelpunkt (4) hindurchläuft.
  9. 9. Mechanische Kraftübertragung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der letzterwähnten Berührungsflächen ein Zahnring ist.
  10. 10. Mechanische Kraftübertragung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der letzterwähnten Berührungsflächen eine Reibungsantriebsfläche ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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