DE3815048A1 - Spannungswellengetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannungswellengetriebe mit einem eine kreiszylindrische Ausnehmung aufweisenden ersten Getriebeelement, an dessen Innenfläche ein verform­ bares, rohrförmiges, zweites Getriebeelement abrollbar ist, dessen Außendurchmesser im nicht verformten Zustand geringfügig geringer als der Durchmesser der Ausnehmung ist, und mit einem innerhalb des zweiten Getriebeelements und konzentrisch zum ersten Getriebeelement drehbar gelagerten, dritten Getriebeelement, auf dem das zweite Getriebeelement drehbar angeordnet und im wesentlichen elliptisch in der Weise verformt ist, daß es an jeweils zwei gegenüberliegenden Stellen am ersten Getriebeelement anliegt.

Derartige Spannungswellengetriebe sind beispielsweise unter der Bezeichnung "Harmonic-Drive-Getriebe" im Handel erhältlich und im übrigen aus den DE-PS 11 35 259, 11 67 147, 12 03 082 oder 16 50 714 bekannt. Solche Spannungswellengetriebe eignen sich insbesondere für hohe Übersetzungs- bzw. Untersetzungsverhältnisse bei hohem Wirkungsgrad, wobei nur wenige Bauteile benötigt werden. Im Gegensatz zu Schneckengetrieben können An­ triebsseite und Abtriebsseite beliebig vertauscht werden.

Bei den bekannten Spannungswellengetrieben ist das erste Getriebeelement mit dem zweiten Getriebeelement verzahnt, wobei der Zahneingriffsbereich etwa 15% der Gesamt­ zähnezahl beträgt. Die Zahl der Zähne an der Außenfläche des zweiten Getriebelements ist im allgemeinen um zwei geringer als die Zähnezahl an der Innenfläche des ersten Getriebeelements. Durch die Zahl der Zähne, die Zahnweite und die Differenz der Zahl der Zähne der beiden Zahnungen wird das Übersetzungs- bzw. Untersetzungsverhältnis festgelegt. Soll dieses Verhältnis sehr groß sein, so ist eine sehr feine Zahnung erforderlich, die entweder einen sicheren Eingriff nicht mehr gestattet oder aber eine so hohe Präzision erfordert, daß das Getriebe auf­ wendig in der Fertigung und teuer wird. Darüber hinaus besteht bei so feinen Getrieben und größeren, zu über­ tragenden Drehmomenten die Gefahr, daß Zähne ausgerissen und beschädigt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Spannungswellengetriebe der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das bei einfacherem und kostengünsti­ gerem Aufbau ohne zusätzlichen Aufwand praktisch beliebig große Über- bzw. Untersetzungsverhältnisse zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Innenfläche des ersten Getriebeelements und die Außenfläche des zweiten Getriebeelements glatt ausgebildet sind und daß wenigstens eine der Flächen einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist.

Bei einem solchen Spannungswellengetriebe kann die Zahnung vollständig entfallen, so daß ein einfacher und kosten­ günstiger Aufbau möglich und die Gefahr beseitigt ist, daß Zähne ausgerissen oder beschädigt werden. Das Über­ setzungsverhältnis ist nunmehr ausschließlich durch das Verhältnis der Umfangslinien entlang der Innenfläche des ersten Getriebeelements und der Außenfläche des zweiten Getriebeelements festgelegt. Bei sehr großen Drehmomenten kann allenfalls eine relative Rutschbewegung der aufeinander abrollenden Flächen auftreten, nicht dagegen eine Beschädigung, wie dies beim Stand der Technik der Fall wäre. Bei den bekannten Spannungswellengetrieben mußte das zweite Getriebeelement aus Metall hergestellt werden, da nur so die erforderliche Festigkeit der sehr feinen Zahnung gewährleistet war. Beim erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebe kann dagegen insbesondere auch das zweite Getriebeelement aus Kunststoff hergestellt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Spannungswellengetriebes möglich.

Um ein rutschfestes Abrollen des zweiten Getriebeelements am ersten Getriebeelement zu gewährleisten, ist die Innenfläche des ersten Getriebeelements und/oder die Außenfläche des zweiten Getriebeelements mit einem Reib­ belag versehen. Vorzugsweise können auch beide Flächen mit einem solchen Reibbelag versehen sein. Sofern das elastisch verformbare zweite Getriebeelement aus einem Kunststoffmaterial mit großem Reibungskoeffizienten besteht, kann ein derartiger zusätzlicher Belag selbst­ verständlich entfallen.

Das dritte Getriebeelement weist im einfachsten Falle einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt auf, wobei zwischen dem zweiten und dritten Getriebeelement zweckmäßigerweise ein Gleit- oder Wälzlager vorgesehen ist.

Sofern noch größere Über- bzw. Untersetzungsverhältnisse erwünscht sind, kann das zweite und dritte Getriebeelement auch als Planetenrad-Getriebeanordnung ausgebildet sein, insbesondere dadurch, daß das dritte Getriebeelement aus drei in einer Linie angeordneten, miteinander im Eingriff stehenden Rädern besteht, wobei die beiden äußeren Räder unter Verformung des zweiten Getriebe­ elements mit diesem im Eingriff stehen. Der gegenseitige Eingriff kann dabei durch eine Verzahnung oder durch Reibkontakt erfolgen. Das Über- bzw. Untersetzungsverhält­ nis der Planetenrad-Anordnung multipliziert sich somit mit dem Über- bzw. Untersetzungsverhältnis zwischen dem ersten und zweiten Getriebeelement.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem das dritte Getriebeelement einen elliptischen Querschnitt aufweist, und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das dritte Getriebeelement zusammen mit dem zweiten Getriebeelement eine Planetenrad-Getriebe­ anordnung bildet.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Getriebeelement 10 kreisringförmig ausge­ bildet und weist eine kreiszylindrische Ausnehmung 11 auf. Die umfangsseitige Gestalt kann prinzipiell auch von der Kreisform abweichen.

Ein elastisch verformbares, rohrförmiges zweites Getriebe­ element 12 weist im nicht verformten Zustand einen Außen­ durchmesser auf, der geringfügig geringer als der Durch­ messer der kreiszylindrischen Ausnehmung 11 ist.

Innerhalb des zweiten Getriebelements 12 befindet sich ein drittes Getriebeelement 13 mit elliptischem oder wenigstens im wesentlichen elliptischem Querschnitt. Das dritte Getriebelement 13 ist mit einer Welle 14 dreh­ fest verbunden, die konzentrisch zum ersten Getriebeelement 10 angeordnet ist. Das zweite Getriebeelement 12 ist auf dem dritten Getriebeelement 13 mittels eines Wälz­ lagers 15 drehbar bzw. verschiebbar angeordnet. Anstelle eines Wälzlagers kann selbstverständlich auch ein anderes Lager, beispielsweise ein Gleitlager, treten. Die ver­ schiebbare Anordnung des zweiten Getriebeelements auf dem dritten Getriebeelement ist im eingangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben.

Durch die elliptische Gestalt des dritten Getriebeelements 13 wird das zweite Getriebeelement 12 entsprechend ellip­ tisch verformt und an zwei gegenüberliegenden Stellen in Anlage mit dem ersten Getriebeelement 10 gebracht. Um eine rutschfeste Anlage der Außenfläche des zweiten Getriebeelements 12 im Anlagebereich an der Innenfläche des ersten Getriebeelements 10 zu erreichen, sind diese Flächen in nicht näher dargestellter Weise mit einem Reibbelag versehen, der einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist, oder das zweite Getriebeelement 12 besteht aus einem Material mit einem hohen Reibungskoeffizienten, beispielsweise aus einem entsprechenden Kunststoffmaterial. Selbstverständlich ist auch eine Ausbildung als dünnes Metallrohr möglich, das mit einem Reibbelag versehen ist, wobei die Anbringung eines derartigen Reibbelags auch nur an einer der beiden sich berührenden Flächen möglich ist.

Wird bei fixiertem, erstem Getriebeelement 10 das dritte Getriebeelement 13 in eine Drehbewegung versetzt, so wird das zweite Getriebeelement 12 unter ständiger, sich ändernder Verformung an der Innenfläche des ersten Getriebeelements 10 abgewälzt, so daß es infolge seines geringeren Außendurchmessers eine Drehbewegung in die umgekehrte Drehrichtung aufnimmt, die stark untersetzt ist. Das Untersetzungsverhältnis i errechnet sich dabei nach folgender Formel:

i=(U ₂-U ₁)/U ₂

Dabei ist U ₁ der Innenumfang des ersten Getriebeelements 10 und U ₂ der Außenumfang des zweiten Getriebeelements 12. Weitere Details bezüglich der Wirkungsweise sind dem eingangs angegebenen Stand der Technik zu entnehmen.

Die Umfangsdifferenz kann infolge der glatten Außenfläche des zweiten Getriebeelements 12 und der glatten Innen­ fläche des ersten Getriebeelements 10 sehr präzise und sehr klein gewählt werden, so daß sehr große Unter- bzw. Übersetzungsverhältnisse möglich sind.

Unter den drei Getriebeelementen können in sehr variabler Weise die Abtriebswelle und die Antriebswelle festgelegt werden, je nachdem, ob ein Über- oder ein Untersetzungs­ verhältnis erwünscht ist oder ob sich Antriebs- und Abtriebsteil in derselben Drehrichtung oder in der ent­ gegengesetzten Drehrichtung drehen sollen. Das jeweils verbleibende Getriebeelement kann dabei feststehend sein oder mit einem separaten Antriebsorgan zur Feinregulierung dieses Verhältnisses ausgestattet sein.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel weist im wesentlichen dasselbe erste Getriebeelement 10 und dasselbe zweite Getriebeelement 12 auf. Anstelle des dritten Getriebeelements 13 tritt nunmehr ein als Planetenradeinheit ausgebildetes drittes Getriebeelement 16. Dieses besteht aus einem ersten, auf der Welle 14 angeordneten und von dieser angetriebenen Reibrad 17, an dessen Umfangsfläche an zwei gegenüberliegenden Stellen ein zweites Reibrad 18 und ein drittes Reibrad 19 im Eingriff stehen. Diese Reibräder 18, 19 sind an einer auf der Welle 14 drehbar angeordneten Haltevorrichtung 20 drehbar gelagert. Durch die Reibräder 18, 19 wird das zweite Getriebeelement 12 an zwei einander gegenüber­ liegenden Stellen gegen die Innenfläche des ersten Ge­ triebeelements 10 gedrückt, so daß an diesen Stellen - wie vorstehend beschrieben - eine reibschlüssige Ver­ bindung eintritt.

Die drei Reibräder 17 bis 19 können prinzipiell auch als Zahnräder ausgebildet sein. In diesem Falle kann die Innenfläche des zweiten Getriebeelements 12 ebenfalls mit einer Zahnung versehen sein.

Die Wirkungsweise entspricht weitgehend der des ersten Ausführungsbeispiels, wobei die Planetenrad-Unter- bzw. -Übersetzung zwischen dem ersten Reibrad 17 einerseits und dem zweiten und dritten Reibrad 18, 19 andererseits multiplikativ zur Übersetzung des Spannungswellenge­ triebes hinzukommt. Diese Anordnung ist daher für noch höhere Über- bzw. Untersetzungsverhältnisse geeignet.

Es sei noch erwähnt, daß durch den Ersatz von Zahnrädern und Zahnungen durch Reibräder und Reibbeläge die Geräusch­ entfaltung des Spannungswellengetriebes wesentlich herab­ gesetzt werden kann.

Claims (8)

1. Spannungswellengetriebe mit einem eine kreiszylin­ drische Ausnehmung aufweisenden ersten Getriebeelement, an dessen Innenfläche ein verformbares, rohrförmiges, zweites Getriebeelement abrollbar ist, dessen Außendurch­ messer im nicht verformten Zustand geringfügig geringer als der Durchmesser der Ausnehmung ist, und mit einem innerhalb des zweiten Getriebeelements und konzentrisch zum ersten Getriebeelement drehbar gelagerten, dritten Getriebeelement, auf dem das zweite Getriebeelement drehbar angeordnet und im wesentlichen elliptisch in der Weise verformt ist, daß es an jeweils zwei gegenüberliegenden Stellen am ersten Getriebeelement anliegt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenfläche des ersten Getriebeelements (10) und die Außenfläche des zweiten Getriebeelements (12) glatt ausgebildet sind, und daß wenigstens eine der Flächen einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist.

2. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des ersten Getriebe­ elements (10) und/oder die Außenfläche des zweiten Ge­ triebeelements (12) mit einem Reibbelag versehen sind.

3. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Getriebeelement (12) aus einem Kunststoffmaterial mit großem Reibungs­ koeffizienten besteht.

4. Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Getriebe­ element (13) einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist, und daß zwischen dem zweiten und dritten Ge­ triebeelement (12, 13) ein Gleit- oder Wälzlager (15) vorgesehen ist.

5. Spannungswellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Getriebe­ element (16) aus drei in einer Linie angeordneten, mit­ einander im Eingriff stehenden Rädern (17 bis 19) besteht, wobei die beiden äußeren Räder (18, 19) unter Verformung des zweiten Getriebeelements (12) an dessen Innenfläche anliegen.

6. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder als Zahnräder ausgebildet sind.

7. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Räder mit einer Zahnung an der Innenfläche des zweiten Getriebeelements im Eingriff stehen.

8. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder (17 bis 19) als Reibräder ausgebildet sind.