DE3719006A1 - Leichtbaugetriebe mit hoher untersetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung, insbesondere für spielarme Präzisionsantriebe hoher Leistung, bestehend aus mindestens drei Sonnenrädern, mehreren Planetenrädern und mehreren flexiblen Ringen, die kraftschlüssig oder formschlüssig auf den Planetenrädern und den Sonnenrädern abrollen können, wie beidseitig verzahnte Flachriemen oder Rollenketten.

Für Industrieroboter, Werkzeugmaschinen und andere technische Ausrüstung werden präzise Positionierantriebe benötigt. Mit Hilfe hochgenauer Getriebe wird meist die hohe Drehzahl der Antriebsmotoren auf eine niedrigere Drehzahl herabgesetzt. Insbesondere bei Roboterantrieben ist zur Erzielung einer hohen Bahnbeschleunigung die Masse der mitbewegten Antriebe klein zu halten und damit der Einsatz leichter Getriebe notwendig. Die Untersetzung bewegt sich meist in einer Größenordnung von 20 : 1 bis 500 : 1.

Derartige leichte und kompakte Antriebe sind mit her­ kömmlichen Zahnradgetriebe-Bauformen nur schwer aufzubauen, so daß meist Spezialgetriebe, wie Harmonic-Drive- oder Zyklo-Getriebe eingesetzt werden. Auf Grund der Bauart dieser Getriebe treten aber auch hier hohe Flächenpressungen an den Verzahnungsteilen auf, so daß diese Teile aus Stahl gefertigt werden müssen und Leichtbauwerkstoffe, wie Faser­ verbundwerkstoffe oder Leichtmetall als Konstruktionsma­ terial ausscheiden.

Diese hohe Materialbelastung ist vermeidbar, wenn die Getriebekonstruktion bewirkt, daß möglichst viele Zähne gleichzeitig eingreifen und/oder durch die Materialpaarung sichergestellt ist, daß sich die entstehenden Kräfte auf eine große Fläche verteilen. Mit Hilfe von Zahnriemen, Rollenketten oder anderen Antriebsriemen ist dies zwar erreichbar, jedoch sind diese Getriebe normalerweise nicht hinreichend spielfrei und verdrehsteif für genaue Positio­ nierantriebe. Bei hohen Untersetzungen werden zudem mehrere Getriebestufen mit entsprechend großem Bauraum benötigt.

Es sind bereits spezielle Bauformen von Zahnriemenge­ trieben bekannt, die einige dieser Nachteile ausschließen. In den Offenlegungsschriften DE 30 35 264 A1 und DE 32 13 655 A1 des Deutschen Patentamts sind Zahnriemengetriebe beschrie­ ben, die als Planeten-Ausgleichsgetriebe arbeiten. Der Antrieb erfolgt in beiden Fällen über einen einzelnen Planetenträger, der eine Welle mit zwei Planetenrädern lagert. Jedes Planetenrad ist mit einem Sonnenrad über einen Zahnriemen verbunden und der Unterschied der Zahnzahlenver­ hältnisse sorgt bei einer schnellen Drehung des Planetenträ­ gers für eine langsame Verdrehung der Sonnenräder gegenein­ ander. Durch diesen Aufbau lassen sich relativ hohe Unter­ setzungen erzielen. Die letztere der beiden Offenlegungs­ schriften beschreibt zusätzlich, wie das Problem der Rie­ menspannung gelöst werden kann.

Die genannten Getriebe haben jedoch mehrere Nachteile. Da jeweils nur ein einziger Zahnriemen die auftretenden Kräfte überträgt, ist die auf den Bauraum bezogene übertrag­ bare Leistung begrenzt. Der Zugtrum der Zahnriemen hat eine gewisse freie Riemenlänge und ist damit elastisch. Die Verdrehsteifigkeit ist dann unbefriedigend.

Der Planetenträger als massives Metallteil hat eine große Massenträgheit und ist schwer auszuwuchten.

Schließlich führt der unsymmetrische Aufbau zu großen Kräf­ ten, die von den Lagern aufgenommen werden müssen und die Lagerbelastung und Lagerreibung erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe aufzubauen, das die genannten Nachteile vermeidet und fol­ genden Anforderungen genügt:

• - geringes Verdrehspiel, spielfrei einstellbar
• - hohe Verdrehsteifigkeit
• - geringe Flächenpressungen bei hohem Abtriebsmoment
• - geringes leistungsbezogenes Gewicht
• - geringes Trägheitsmoment
• - kompakte Bauweise
• - Untersetzung bis 1000 : 1

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Getriebe als Planeten-Ausgleichsgetriebe mit mindestens vier Planetenradgruppen ausgeführt ist, bei dem die zur Kraftübertragung benutzten doppelseitigen Zahnriemen, Rol­ lenketten oder Flachriemen mit den Planetenrädern einer Gruppe, die jeweils auf einer Welle montiert sind, einen selbsttragenden Käfig bilden. Dieser läuft bei der Rotation der Planetenräder ohne einen Planetenträger mit um die Sonnenräder um und überträgt die Antriebskräfte durch Rei­ bung oder Formschluß von den Sonnenrädern auf die Außenseite der Riemen oder Ketten und von deren Innenseite auf die Planetenräder. Ein störendes Drehmoment auf die Plane­ tenradwellen wird durch einen symmetrischen Aufbau des Getriebes verhindert. Dieser Aufbau bedingt mindestens drei Sonnenräder, die in einer Achse hintereinander angeordnet sind. Die beiden äußeren Sonnenräder sind durch ein Gehäuse oder eine Struktur, die die Sonnenräder und den umlaufenden Käfig umschließt, starr verbunden und drehen sich relativ zu dem inneren Sonnenrad. Die Drehung wird beim Umlauf des Planetenrad/Riemen-Käfigs durch unterschiedliche Radienver­ hältnisse bzw. Zähnezahlverhältnisse der außen liegenden Sonnen-/Planetenrad-Einheiten und der innen liegenden Ein­ heiten erreicht. Sind die Radien der Planetenräder gleich, können besonders hohe Untersetzungen erzielt werden.

Der Antrieb für die Umlaufbewegung des Käfigs kann von einem Zahnrad, dessen Welle konzentrisch durch eines der außen befindlichen Sonnenräder geführt und darin gelagert ist, über eine direkte Verzahnung oder weitere Riemen bzw. Ketten durch einen Spalt zwischen diesem Sonnenrad und dem innen liegenden Sonnenrad auf die Planetenradwellen erfol­ gen.

Auf diese Weise kann der Abtrieb der relativen Drehbewegung von dem innen liegenden Sonnenrad über eine Welle, die in dem der Antriebsseite gegenüberliegenden äußeren Sonnenrad konzentrisch gelagert ist, nach außen erfolgen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sorgen Laufkränze, die zu den Sonnenrädern konzentrisch angeordnet sind und auf diesen abrollende Laufrollen dafür, daß die Planetenradwellen, auf denen die Laufrollen montiert sind, in radialer Richtung abgestützt werden und die kraftübertra­ genden Riemen oder Ketten keine Walkbewegung bzw. Querkräfte erfahren. Das Durchmesserverhältnis von Laufkränzen zu den Laufrollen entspricht dem der mit ihnen verbundenen Sonnen- und Planetenräder, so daß die Rollbewegung schlupffrei ablaufen kann.

Die für eine ordnungsgemäße Funktion des Getriebes notwendige Riemen- bzw. Kettenvorspannung kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch zusätzliche Rol­ len erreicht werden. Diese Rollen werden in die Riemen oder Ketten frei eingelegt und spreizen den Riemen oder die Kette auf. Dadurch wird der Abstand zwischen den beiden Planeten­ rädern, die diese verbindet, verkürzt und damit der gesamte umlaufende Käfig gespannt. Bei der Umlaufbewegung behalten die eingelegten Spannrollen ihre Relativposition zu den Planetenrädern in der Riemenschlaufe.

Bei Verwendung von Zahnriemen als kraftübertragendes Element können die Sonnen- und Planetenräder ebenso, wie Gehäuse- und Strukturteile aus Kunststoff, insbesondere Faserverbundwerkstoff, gefertigt werden, da die Flächenpres­ sung auch bei hohen Drehmomenten klein bleibt. Dies ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß das Getriebe durch den Wegfall des Planetenträ­ gers mechanisch sehr einfach aufgebaut ist und ein geringes Trägheitsmoment hat. In dem umlaufenden Käfig sind mehrere Zahnriemen mit vielen eingreifenden Zähnen an der Kraftüber­ tragung beteiligt, so daß große Momente übertragen werden können und sich Fehler in der Genauigkeit einzelner Zähne kaum auf die Eigenschaften des gesamten Getriebes auswirken können. Somit ist eine Fertigung des Getriebes mit preis­ günstigen Verfahren, wie Spritzgießen, ohne spanabhebende Präzisionsbearbeitung möglich.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der weitgehend symmetrische Aufbau des Getriebes. Der Planetenrad/Riemen- Käfig ist zylindersymmetrisch zur Achse der Sonnenräder; die Abtriebskräfte verteilen sich ebenfalls symmetrisch von dem innen befindlichen Sonnenrad auf die miteinander verbundenen äußeren Sonnenräder, so daß die Lagerungen weitgehend kräf­ tefrei sind und nur Drehmomente übertragen werden.

Da sich die Abrollradien von Sonnen- und Planetenrädern praktisch berühren, ist die Länge des Zugtrums der kraftüber­ tragenden Riemen oder Ketten nahezu null. Die Elastizität der Riemen oder Ketten, die ansonsten die Verdrehsteifigkeit ungünstig beeinflußt, spielt somit nur eine untergeordnete Rolle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung der kraftübertragenden Elemente,

Fig. 2 den Querschnitt durch ein vollständiges Getriebe.

Mit 8 ist das Getriebegehäuse gekennzeichnet, das in der gezeigten Ausführung aus zwei identischen miteinander starr verbundenen Halbschalen besteht. Die äußeren Sonnenräder 3 sind integraler Bestandteil je einer Halbschale oder starr auf nicht dargestellte Weise mit diesen verbunden. Das innere Sonnenrad 4 ist durch die Abtriebswelle 7 konzen­ trisch in einer der Gehäuseschalen 8 gelagert. Mit der Abtriebswelle 7 wird die Abtriebsdrehbewegung aus dem Gehäuse herausgeführt. Die gegenüberliegende Gehäuseschale lagert die Antriebswelle 6 und damit auch das Antriebszahn­ rad 5. Auf dem Umfang der Sonnenräder rollt ein Käfig ab, der aus neun doppelseitig verzahnten Flachriemen 1 und sechs auf je einer Welle befindlichen Planetenradgruppen 2 besteht. Zu einer Planetenradgruppe 2 gehören je zwei Planetenräder 2.1, die den äußeren Sonnenrädern 3 zugeordnet sind, und ein Planetenrad 2.2, das dem inneren Sonnenrad 4 zugeordnet ist. Die Planetenradgruppen verbinden abwechselnd zwei außen liegende und einen innen liegenden Zahnriemen zu einer endlosen Kette, die die Sonnenräder umschließt und damit den erwähnten Käfig bildet.

Eine der sechs Planetenradgruppen 2 trägt ein zusätzliches Zahnrad 2.3, das über einen Zahnriemen 9 mit dem Antriebs­ zahnrad 5 verbunden ist. Der Zahnriemen 9 ist dabei durch einen Spalt zwischen dem innen liegenden Sonnenrad 4 und einem der außen liegenden Sonnenräder 3 hindurchgeführt. Eine Rotation des Antriebszahnrads 5 führt so zu einer Umlaufbe­ wegung des gesamten Käfigs um die Sonnenräder. Wenn das Zahnzahlenverhältnis des inneren Sonnenrades 4 zu den inne­ ren Planetenrädern 2.2 anders ist, als das Zahnzahlenver­ hältnis der äußeren Sonnenräder 3 zu den äußeren Planetenrä­ dern 2.1, bewirkt die Umlaufbewegung des Käfigs eine Verdrehung von dem inneren Sonnenrad zu den äußeren Sonnen­ rädern und damit die gewünschte Untersetzung der Antriebsdrehzahl.

Claims (8)

1. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung, insbesondere für spielarme Präzisionsantriebe hoher Leistung, bestehend aus min­ destens drei Sonnenrädern, mehreren Planetenrädern und mehreren flexiblen Ringen, die kraftschlüssig oder formschlüssig auf den Planetenrädern und den Sonnenrädern abrollen können, wie beidsei­ tig verzahnte Flachriemen oder Rollenketten, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Gruppe von Planetenrädern, die gleiche oder unter­ schiedliche Abrollradien haben und starr auf einer gemeinsamen Welle montiert sind, jeweils mehrere der flexiblen Ringe so verbindet, daß durch Hintereinanderschaltung dieser Verbindungen eine geschlossene Kette entsteht, die als umlaufender Käfig auf den in einer Achse liegenden Sonnenrädern, die ebenfalls unter­ schiedliche Radien aufweisen können, abrollen kann und dabei durch unterschiedliche Radienverhältnisse der Sonnen-Planeten- Radeinheiten eine Drehzahluntersetzung nach Art eines Ausgleichs­ getriebes erzielt.

2. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb zur Umlaufbewegung des Planetenradkäfigs von einem in der Sonnenradachse liegenden Antriebsrad über einen oder mehrere flexible Ringe durch einen Spalt zwischen den Sonnenrädern auf Abtriebsräder, die jeweils starr auf der gemeinsamen Welle einer Planetenradgruppe montiert sind und mit dieser um die Sonnenräder umlaufen, mittels Kraft- oder Formschluß erfolgt.

3. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb zur Umlaufbewegung des Planetenradkäfigs von einem in der Sonnenradachse liegenden Antriebsrad mittels Direktverzahnung durch einen Spalt zwischen den Sonnenrädern auf Abtriebsräder, die jeweils starr auf der gemeinsamen Welle einer Planetenrad­ gruppe montiert sind und mit dieser um die Sonnenräder umlaufen, erfolgt.

4. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der gemeinsamen Achse außen befindlichen Sonnenräder durch eine starre Struktur verbunden sind, die alle Sonnenräder und den umlaufenden Planetenradkäfig umschließt.

5. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrieb der Drehbewegung, die aus der Relativbewegung der auf der gemeinsamen Achse innen befindlichen Sonnenräder zu den außen befindlichen Sonnenrädern besteht, koaxial mit einer Welle von den innen liegenden Sonnenrädern durch eine Bohrung in einem der außen liegenden Sonnenräder erfolgt.

6. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gesonderte, mit den Planetenradgruppen verbundene Laufrollen die Umfangszugkräfte des umlaufenden Planetenradkäfigs in radialer Richtung auf Laufkränze übertragen, die konzentrisch zu den Sonnenrädern montiert sind und deren Umfang im Verhältnis zu den Laufrollen so gewählt ist, daß sich diese bei der Umlaufbewegung des Planetenradkäfigs gleitreibungsarm abwälzen.

7. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung des umlaufenden Planetenradkäfigs dadurch erzeugt wird, daß eine oder mehrere zusätzliche Rollen in die flexiblen Ringe des Planetenradkäfigs eingelegt werden, die diese Ringe aufspreizen und die mit dem Käfig um die Sonnenräder umlaufen.

8. Leichtbaugetriebe mit hoher Untersetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sonnenräder, Planetenräder, Gehäuse- und andere Strukturteile oder Teile davon aus Kunststoffen, insbesondere Faserverbund­ werkstoffen gefertigt werden.