DE3815118A1 - 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 Getriebelements 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 Bezeichung "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 Antriebs­ seite und Abtriebsseite beliebig vertauscht werden.

Das zweite Getriebeelement ist infolge der Gestalt des dritten Getriebeelements im wesentlichen elliptisch verformt, wobei diese elliptische Verformung bei einer Drehung des dritten Getriebeelements entsprechend gedreht wird, wobei sich das zweite Getriebeelement infolge seiner Haftung am ersten Getriebeelement auf dem dritten Getriebeelement verschiebt. Die Drehbewegung des sich ständig verformenden zweiten Getriebeelements muß nun auf eine Antriebs- oder Abtriebswelle übertragen werden, was sehr problematisch ist. Bei den bekannten Spannungs­ wellengetrieben wird das Problem dadurch gelöst, daß das zweite Getriebeelement als sehr langes Rohr ausge­ bildet wird, das an einem Ende auf dem dritten Getriebe­ element verschoben wird und sich dadurch verformt, während es am gegenüberliegenden Ende fest mit einem kreiszylinder­ förmigen Antriebs- oder Abtriebselement verbunden ist. Nachteilig an dieser bekannten Lösung sind die hohen Anforderungen an das Material und an die Löt- oder Schweiß­ verbindungen des zweiten Getriebeelements, die Verschlech­ terung des Wirkungsgrads infolge der hohen, aufzubringenden Verformungsarbeit und die große Baulänge des Getriebes infolge des sehr langen zweiten Getriebeelements. Dar­ über hinaus sind große Unterschiede des Innendurchmessers des ersten Getriebeelements und des Außendurchmessers des zweiten Getriebeelements kaum realisierbar, das heißt, bei kleineren Über- bzw. Untersetzungsverhältnissen treten erhöhte Probleme auf.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Spannungswellengetriebe der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das bei geringeren Anforderungen an Material und Fügetechnik wesentlich kürzere Baulängen zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein über die Breite des dritten Getriebeelements hinaus verlängerter Bereich des zweiten Getriebeelements mit einem drehbar und konzentrisch zum ersten Getriebeelement gelagerten Übertragungselement über Zapfen drehfest verbunden ist, die am verlängerten Bereich des zweiten Getriebeelements oder am Ubertragungselement radial angeordnet sind und in Ausnehmungen des jeweils anderen dieser beiden Elemente eingreifen.

Der verlängerte Bereich kann sich daher an der Über­ tragungsstelle zum Übertragungselement hin frei verformen und kann daher sehr kurz dimensioniert werden. Durch diese freie Verformbarkeit an der Übergangsstelle redu­ ziert sich die Verfomungsarbeit während des Betriebs erheblich, das heißt, der systembedingt erforderlichen Verformung des zweiten Getriebeelements wirken praktisch keine durch eine starre Einspannung bedingte Kräfte entgegen, so daß sich der Wirkungsgrad des Getriebes erhöht. Weiterhin tritt eine Verbilligung und Verein­ fachung bei der Herstellung auf, da wegen des Wegfalls der an der Übergangsstelle bisher aufgetretenen Verformungs­ kräfte nunmehr billigere Materialien und einfachere Fügetechniken verwendet werden können, wobei dennoch eine Erhöhung der Lebensdauer eintritt. Wärme- und Geräusch­ probleme verringern sich ebenfalls.

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

Das Übertragungselement ist zweckmäßigerweise walzen­ oder scheibenförmig ausgebildet und im Inneren des ver­ längerten Bereiches des zweiten Getriebeelements angeordnet. Alternativ hierzu kann es auch rohrförmig ausgebildet sein und den verlängerten Bereich des zweiten Getriebe­ elements umgreifen. Dabei ist der Durchmesser jeweils so gewählt, daß das Übertragungselement durch das sich verformende zweite Getriebeelement allenfalls berührt wird, jedoch keine radiale Gegenkraft ausübt.

Eine Vielzahl von Zapfen ist gleichmäßig über den Außen­ oder Innenumfang des sie tragenden Elements verteilt, das heißt, sie können entweder an der Innenfläche des äußeren Elements nach innen gerichtet oder an der Außen­ fläche des inneren Elements nach außen gerichtet angeord­ net sein. Der Querschnitt dieser Zapfen ist in weiten Grenzen sehr variabel wählbar, wobei die den Durchgriff der Zapfen gestattenden Ausnehmungen vorzugsweise radiale Löcher sind, deren Querschnitt im wesentlichen dem der Zapfen entspricht. Es kann sich bei diesen Ausnehmungen auch um axiale Schlitze handeln, deren Durchmesser im wesentlichen dem der Zapfen entspricht. In diesem Falle ist eine axiale Relativverschiebung des Übertragungs­ elements zum zweiten Getriebeelement möglich. Sind die Schlitze randseitig offen, so kann das Übertragungselement auf einfache Weise drehfest in das zweite Getriebeelement eingesteckt werden.

Durch die erfindungsgemäße Kurzbauweise des zweiten Getriebeelements kann das gesamte Spannungswellengetriebe sehr kompakt dadurch ausgebildet werden, daß ein mit dem ersten Getriebeelement eine starre Einheit bildendes, die übrigen Getriebeelemente und das Übertragungselement aufnehmendes Gehäuse vorgesehen ist.

Hierbei kann das erste Getriebeelement selbst als Gehäuse ausgebildet sein, einen Teil des Gehäuses bilden oder mit der Gehäuse-Innenseite verbunden sein. In jedem Falle kann das Getriebe dann durch Zusammenstecken einiger weniger Bauelemente gebildet werden. Dabei kann das dritte Getriebeelement und/oder das Übertragungselement in vorteilhafter Weise in wenigstens einer Stirnseite des Gehäuses gelagert sein.

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

Fig. 1 ein Spannungswellengetriebe im Querschnitt, bei dem das dritte Getriebeelement einen ellip­ tischen Querschnitt aufweist,

Fig. 2 ein anderes Spannungswellengetriebe, bei dem das dritte Getriebeelement zusammen mit dem zweiten Getriebeelement eine Planetenrad- Getriebeanordnung bildet,

Fig. 3 das in Fig. 2 dargestellte Spannungswellen­ getriebe im Längsschnitt als Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 4 das in Fig. 3 dargestellte Übertragungselement an der Stelle des Eingriffs in das zweite Getriebeelement im Querschnitt.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungen von Spannungswellengetrieben sollen zur Erläuterung der­ artiger Getriebe als solche dienen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Spannungswellengetriebe 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 Getriebeelement 13 ist mit einer Welle 14 drehfest verbunden, die konzentrisch zum ersten Getriebe­ element 10 angeordnet ist. Das zweite Getriebeelement 12 ist auf dem dritten Getriebeelement 13 mittels eines Wälzlagers 15 drehbar bzw. verschiebbar angeordnet. Anstelle eines Wälzlagers kann selbstverständlich auch ein anderes Lager, beispielsweise ein Gleitlager, treten. Die verschiebbare Anordnung des zweiten Getriebeelements auf dem dritten Getriebeelement ist im eingangs ange­ gebenen 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 drehfeste und rutschfeste Anlage der Außenfläche des zweiten Getriebeelements 12 im Anlagebereich an der Innenfläche des ersten Getriebeelements 10 zu er­ reichen, sind diese Flächen in nicht näher dargestellter Weise mit einer Zahnung oder mit einem Reibbelag ver­ sehen, der einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist. Ein Reibbelag kann entfallen, wenn die Getriebeelemente selbst aus einem Material mit einem hohen Reibungsko­ effizienten bestehen. Das zweite Getriebeelement ist vorzugsweise als dünnes Metallrohr ausgebildet, kann jedoch auch als Kunststoffrohr ausgebildet sein.

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 = (U₂-U₁)/U₂

Dabei ist U ₁ die Zähnezahl der Zahnung des ersten Ge­ triebeelements 10 bzw. dessen Innenumfang und U ₂ die Zähnezahl der Zahnung am zweiten Getriebeelement 12 bzw. dessen Außenumfang. Weitere Details bezüglich der Wirkungs­ weise sind dem eingangs angegebenen Stand der Technik zu entnehmen.

Den drei Getriebeelementen können in sehr variabler Weise die Abtriebswelle und die Antriebswelle zugeordnet 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 übrige Getriebeelement kann dabei feststehend oder mit einem separaten Antriebsorgan zur Feinregulierung dieses Verhältnisses ausgestattet sein.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung eines Spannungs­ wellengetriebes 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 Sonnenrad 17, an dessen Umfangsflächen an zwei gegenüber­ liegenden Stellen zwei Planetenräder 18, 19 im Eingriff stehen. Diese Planetenräder 18, 19 sind an einer auf der Welle 14 drehbar angeordneten Haltevorrichtung 20 drehbar gelagert. Durch die Planetenräder 18, 19 wird das zweite Getriebeelement 12 an zwei einander gegenüber­ liegenden Stellen gegen die Innenfläche des ersten Getriebe­ elements 10 gedrückt, so daß an diesen Stellen - wie vorstehend beschrieben - ein Getriebeeingriff stattfindet.

Die Räder 17 bis 19 können als Zahnräder oder Reibräder ausgebildet sein, wobei gegebenenfalls auch die Innen­ fläche des zweiten Getriebeelements 12 mit einer Zahnung versehen wird.

Die Wirkungsweise entspricht weitgehend der des in Fig. 1 dargestellten Getriebes, wobei die Planetenrad-Unter­ bzw. -Übersetzung multiplikativ zur Übersetzung des Spannungswellengetriebes hinzukommt. Diese Anordnung ist daher für besonders hohe Über- bzw. Untersetzungs­ verhältnisse geeignet.

In Fig. 3 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung das in Fig. 2 dargestellte Spannungswellengetriebe im Längsschnitt dargestellt, wobei die Getriebeelemente und Räder mit ineinandergreifenden Zahnungen versehen sind. Das erste Getriebeelement 10 bildet einen Bestand­ teil eines kreiszylindrischen Gehäuses 21, das im übrigen alle Getriebeelemente und Räder umfaßt. Hierbei stellt das erste Getriebeelement einen Teil der Wandung des Gehäuses 21 dar. Selbstverständlich kann anstelle der dargestellten Anordnung auch ein Zahnkranz oder Reibbelag an der Innenseite des Gehäuses angeordnet sein, oder das Gehäuse selbst stellt das erste Getriebeelement dar.

In der linken Stirnwandung 22 des Gehäuses 21 ist die Welle 14 mittels eines Lagers 23 gelagert, während in der gegenüberliegenden Stirnwandung 24 eine mit einem Übertragungselement 25 fest verbundene Welle 26 mittels eines Lagers 27 gelagert ist. Das rohrförmige zweite Getriebeelement weist einen über das erste Getriebe­ element 10 hinausreichenden, verlängerten Bereich 28 auf, der das Übertragungselement 25 umfangsseitig über­ greift. Wie auch aus Fig. 4 hervorgeht, wird die Dimensio­ nierung so gewählt, daß das sich im Betrieb elliptisch umlaufend verformende zweite Getriebeelement 12 und damit auch sein verlängerter Bereich 28 das Übertragungs­ element 25 im Bereich kleinsten Querschnitts allenfalls gerade berührt, jedoch keinen Gegendruck ausübt. Dadurch kann sich das zweite Getriebeelement 12 ohne Kraftein­ wirkung durch das Übertragungselement 25 frei verformen. Dieses Übertragungselement 25 weist umfangsseitig sechs gleichmäßig über den Umfang verteilte, radial nach außen weisende Zapfen 29 mit rundem Querschnitt auf, die durch entsprechende Ausnehmungen 30 im verlängerten Bereich 28 hindurchgreifen. Dadurch wird eine drehfeste Verbindung geschaffen.

Die Zahl der Zapfen 29 und ihr Querschnitt sind selbst­ verständlich nahezu beliebig wählbar, wobei die Aus­ nehmungen 30 beispielsweise auch als Schlitze ausgebildet sein können, um eine Axialbewegung der Welle 26 bzw. des Übertragungselements 25 relativ zum zweiten Getriebe­ element zu gestatten. Diese schlitzförmigen Ausnehmungen können auch randseitig offen sein, so daß ein einfaches Einstecken des Übertragungselements 25 in den verlängerten Bereich 28 unter Eingriff der Zapfen 29 möglich ist.

Alternativ zur dargestellten Ausführungsform kann das Übertragungselement auch topfförmig ausgebildet sein und den verlängerten Bereich 28 umgreifen. Die Zapfen können dabei am Übertragungselement radial nach innen weisend angeordnet sein, sie können jedoch auch in beiden Ausführungsformen am verlängerten Bereich 28 angeordnet sein.

Schließlich ist es auch möglich, daß die beiden Wellen 14, 26 ineinander angeordnet an einer Seite aus dem Gehäuse 21 austreten.

Wesentlich ist, daß das Übertragungselement 25 unmittelbar neben den Getriebeelementen 10 und 13 angeordnet werden kann, indem das zweite Getriebeelement 12 sehr kurz ausgeführt werden kann. Dabei ergibt sich ein sehr kompak­ ter Aufbau des Spannungswellengetriebes.

Claims (12)

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 Getriebelements 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 gegenüber­ liegenden Stellen am ersten Getriebeelement anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein über die Breite des dritten Getriebeelements (13, 16) hinaus verlängerter Bereich (28) des zweiten Getriebeelements (12) mit einem drehbar und konzentrisch zum ersten Getriebeelement (10) gelagerten Übertragungselement (25) über Zapfen (29) drehfest verbunden ist, die am verlängerten Bereich des zweiten Getriebeelements oder am Übertragungselement (25) radial angeordnet sind und in Ausnehmungen des jeweils anderen (12) dieser beiden Elemente (25, 12) eingreifen.

2. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (25) walzen­ oder scheibenförmig ausgebildet und im Inneren des ver­ längerten Bereichs (28) des zweiten Getriebeelements (12) angeordnet ist.

3. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement rohrförmig ausgebildet ist und den verlängerten Bereich des zweiten Getriebeelements (12) umgreift.

4. Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Zapfen (29) gleichmäßig über den Außen- oder Innen­ umfang des sie tragenden Elements (25) verteilt ist.

5. Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (30) radiale Löcher sind, deren Querschnitt im wesent­ lichen dem der Zapfen (29) entspricht.

6. Spannungswellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen axiale Schlitze sind, deren Durchmesser im wesentlichen dem der Zapfen entspricht.

7. Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem ersten Getriebeelement (10) eine starre Einheit bildendes, die übrigen Getriebeelemente (12, 13, 16) und das Über­ tragungselement (25) aufnehmendes Gehäuse (21) vorgesehen ist.

8. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Getriebeelement als Gehäuse ausgebildet ist.

9. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Getriebeelement (10) einen Teil des Gehäuses (21) bildet.

10. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Getriebeelement mit der Gehäuse-Innenseite verbunden ist.

11. Spannungswellengetriebe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Getriebe­ element (13) und/oder das Übertragungselement (25) in wenigstens einer Stirnwandung (22, 24) des Gehäuses (21) gelagert sind.

12. Spannungswellengetriebe nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeelemente (10, 12, 13, 16) mit Zahnungen oder mit einer Reiboberfläche mit hohem Reibkoeffizienten versehen sind.