DE3840367C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Direkt-Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Beispielsweise für Servo- und Positioniersysteme und insbesondere in der Roboteraktorik sind langsam laufende Antriebe erforderlich. Die konventionell dafür verwandten schnell laufenden Elektromotoren benötigen ein hoch untersetztes Getriebe mit den dadurch zwangsläufig bedingten hohen Trägheitsmomenten. Diese hohen Trägheitsmomente ermöglichen dann aber wiederum kaum einen nachlaufarmen Antrieb, was sich als äußerst störend erweist.

Langsam laufende Antriebe sind beispielsweise in Form eines Harmonic-Drive-Antriebs bekannt, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung "Musser, C. W.: The Harmonic-Drive, Machine Design (1960) Seiten 160-173" oder in der gattungsbildenden DE-AS 11 35 259 beschrieben sind.

Bei diesen bekannten Harmonic-Drive-Antrieben wird ein erstes zirkular feststehendes und ein zweites demgegenüber langsam drehendes Zahnrad verwandt, das jeweils flexibel ist und oval ausgerichtet werden kann. An den Ellipsen-Hauptscheiteln greift die Außenverzahnung des flexiblen Zahnrades in die Verzahnung der beiden anderen Zahnräder gleichzeitig ein und bringt an den beiden Hauptscheiteln die Zähne der beiden anderen Zahnräder zur Deckung.

Während üblicherweise zur Rotation der Ellipsen-Hauptachsen das flexible Zahnrad über ein an der Antriebsachse feststehend montiertes und mit der Antriebsachse mit bewegbares Ovalglied erfolgt, also auf mechanische Weise, ist es unter anderem aus der DE-AS 11 35 259 aus den Fig. 48 und 49 mit der zugehörigen Beschreibung auch bekannt, eine flexible Verformung und damit eine Rotation der Hauptscheitel durch jeweils um das flexible Zahnrad außen herum in regelmäßigen Abständen versetzt zueinander liegende Magnete zu erzeugen. Jeweils zwei gegenüberliegende Magnete werden gleichzeitig erregt. Dazu muß das flexible Zahnrad magnetisch ausgebildet sein, um durch die von den Magneten erzeugten Kräfte eine ovale Verformung des flexiblen Zahnrades unter Ausbildung zweier gegenüberliegender Schenkel zu ermöglichen.

Zum einen erfordert oft der Gesamtaufbau mit einer Vielzahl um die Getriebeanordnung herum versetzt liegenden Magneten einen durchaus beachtlichen Bauraum. Das flexible Zahnrad ist in der Regel ferromagnetisch ausgebildet, damit bei entsprechender Erregung der Magneten eine Verformung eintreten kann. Wird allerdings das flexible Zahnrad nur dünnwandig ausgebildet, so können nur geringe Drehmomente übertragen werden. Wird demgegenüber ein dickwandigeres ferromagnetisches Material für das flexible Zahnrad verwandt, so wirkt sich das wiederum nachteilig auf die flexible Verformbarkeit des Zahnrades aus. Eine schlechtere Verformbarkeit erfordert dann in der Regel auch wieder eine Vergrößerung der Magneten zur Erzielung größerer magnetischer Kräfte, was den Gesamtaufbau nicht nur vergrößert, sondern ebenfalls wieder verteuert und im übrigen die Funktionssicherheit beeinträchtigt.

Verlaufen die magnetischen Feldlinien durch die Verzahnung, also durch den kämmenden Eingriff, so wird die Effizenz und Leichtgängigkeit der Getriebeanordnung verschlechtert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen langsam laufenden, nachlauffreien Antrieb zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und nur einen geringen Bauraum bei hoher Zuverlässigkeit erfordert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Direkt-Antrieb sind die einzelnen Magnetanordnungen so angeordnet, daß sie Kräfte von innen her auf das flexible Zahnrad ausüben. Unter Verwendung von Topfmagneten kann problemlos jeweils durch jede Magnetanordnung ein entgegengesetzt wirksam werdendes Kräftepaar erzeugt werden, welches auf das flexibel verformbare Zahnrad einwirkt und zwei gegenüberliegende Hauptscheitel erzeugt. Die Topfmagneten zeichnen sich dabei durch einen optimal kurzen in sich geschlossenen Feldlinienweg aus. Auch dadurch läßt sich die Zahl der notwendigen Magneten um die Hälfte reduzieren, da durch jede Magnetanordnung jeweils zwei gegenüberliegende Hauptscheitel erzeugt werden können.

Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt. Dabei zeigen im einzelnen

Fig. 1 ein teilweise geschnittenes erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine auszugsweise Ansicht längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine auszugsweise Längsschnittdarstellung bei einem Topfgetriebe-Antrieb.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erstes und zweites Zahnrad 1 bzw. 3 mit gleichem Innendurchmesser gezeigt, die beide Kreisform aufweisen und innen verzahnt sind. Das erste Zahnrad kann beispielsweise 200 und das zweite Zahnrad 202 Zähne besitzen, die Zähnezahl differiert also geringfügig. Das erste und zweite Zahnrad sind in Axialrichtung unmittelbar benachbart zueinander liegend angeordnet und wirken mit einem innenliegenden außenverzahnten und sich über die Axiallänge beider Zahnräder 1 und 3 erstreckenden, in stirnseitiger Ansicht ovalen flexiblen Zahnrad 5 zusammen, das die gleiche Zähnezahl wie das erste Zahnrad aufweist. Bei den vorstehend genannten Elementen kommt ein Verzahnungssystem zur Anwendung, das Elemente der Flach-Ausführung des sog. Harmoni- Drive-Getriebes verwendet.

Da beim Antrieb die Ellipsen-Hauptscheitel HS rotieren müssen, um das zweite Zahnrad 3 relativ zu dem ersten feststehenden Zahnrad 1 in Rotation zu versetzen, ist eine elektromagnetische Antriebsanordnung vorgesehen.

Diese elektromagnetische Antriebsanordnung umfaßt drei in Axialrichtung in einem Befestigungszylinder 7 in entsprechenden Radialausnehmungen 9 untergebrachte Magneten, sog. Gehäusetopf- Elektromagneten 10, die jeweils einen Elektromagneten- Gehäusedeckel 13, ein in die zentrale Längsachse des Magneten eintauchendes Ankerteil 15, eine Magnetführungshülse 17, eine Gelenkgabel 19 sowie die elektromagnetische Spule 21 umfassen. Der Anker 15 ist von der Spule durch die innenliegende Magnetführungshülse 17 getrennt. Der äußere Gehäusedeckel 13 des Elektromagneten wird durch einen radial am äußeren Gehäusetopf eingedrehten Gewindestift 23 mit einer Spitze fixiert.

An dem axialen nach innen weisenden Ende des Ankers 15 ist eine Antiklebscheibe 25 vorgesehen.

Der Anker 15 ragt stirnseitig über den Elektromagnet-Gehäusedeckel 13 über und wird dabei nochmals durch eine Gewindestange 27 axial überragt, die zu der erwähnten Gelenkgabel 19 führt, die über einen Zylinderstift 29 an einem Hebel 37 aufgehängt ist. Über eine Mutter 31 ist die Gewindestange 17 am Anker gesichert.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils in einer Längsnut 33 über einen weiteren als Achse dienenden Zylinderstift 35 ein Hebel 37 aufgehängt, der an seinem freien Arm jeweils auf eine in einem aus einem Gehäuseunterteil und einem Gehäusedeckel 39 und 41 bestehenden Gehäuse gelagerten Druckplatte 43 wirkt. Die radial nach außen weisende Seite der Druckplatte 43 wirkt unmittelbar auf das flexible Zahnrad 5, welches mit seinen Zähnen wiederum auf die Innenverzahnung des feststehenden wie des drehbaren Zahnrades 1, 3 einwirkt.

Der Aufbau der anderen beiden Topfmagneten ist ähnlich und unterscheidet sich im wesentlichen nur durch die Länge der einzelnen Hebelarme 37, deren freies rückwärtiges Ende jeweils in der Mitte unterhalb der zugehörigen Druckplatte 43 endet.

Die vorstehend erläuterten Topfmagneten sitzen in einer radial durch den Befestigungszylinder 7 hindurchgehenden Durchtrittsbohrung, wobei der in Fig. 1 nur rechtsliegend gezeigte Aufbau sich symmetrisch auch jeweils linksliegend ergibt, so daß pro Topfmagnet jeweils zwei diametral gegenüberliegende Hebel 37 über je einen separaten in den Topfmagneten ragenden Ankerteil 15 betätigt werden können, dessen nach innen weisendes stirnseitiges Ende benachbart zu den in Fig. 1 nicht gezeigten diametral gegenüberliegenden stirnseitigen Ende des jeweils zweiten Ankerteils 15 zu liegen kommt.

Bei Erregung des vorstehend erläuterten Topfmagneten werden die jeweils diametral gegenüberliegenden Hebel über ihre jeweiligen Ankerteile 15 so auf die Zentralachse des Befestigungszylinders 7 zu bewegt, daß deren rückwärtiges freies Ende jeweils diametral entgegenliegend auf die Druckplatte 43 zu gedrückt und bewegt werden, wodurch die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ellipsen-Hauptscheitel-Achse erzeugt und festgelegt wird.

Durch wechselnde zyklische Erregung der jeweils anderen Topfmagneten mit ihrem jeweils gegenüberliegenden Hebelpaar wird somit eine rotatorische Bewegung der Ellipsen-Hauptachse EH 45 entsprechend der Magnetanordnung, also im gezeigten Ausführungsbeispiel um jeweils 60° erzeugt.

Die an den Hauptscheiteln erzwungene Zahndeckung zwischen dem feststehenden Zahnrad 1 (welches durch weitere Befestigungsmittel am Gehäusedeckel bzw. Gehäuseunterbau 41, 39 befestigt werden kann) und dem zweiten Zahnrad 3 wandert also auf dem Umfang. Bei also nicht drehendem primären Zahnrad 1 und feststehendem flexiblen Zahnrad 5 wird durch das nichtrotierende Magnetsystem lediglich das flexible Zahnrad 5 verformt, so daß bei einer halben Umdrehung der Ellipsen-Hauptachse sich das zweite Zahnrad gegenüber dem ersten Zahnrad um einen Zahn verdreht hat. Diese "Primärrotation" des Kraftvektoren-Paares ist aber trägheitslos.

Beim erläuterten Ausführungsbeispiel verläuft die Rotation der Kraftvektoren über die um 120° verschobenen Tropfmagneten in konstanten Winkelschritten, im gezeigten Ausführungsbeispiel also mit sechs Schritten pro Umdrehung. Die Beträge der Vektoren allerdings variieren so, um ein Abrollen des flexiblen Zahnrades an den Innenverzahnungen des ersten und zweiten Zahnrades 1, 3 zu erzielen. Rechnergesteuert kann der zeitliche Spannungsverlauf und damit die Kommutierung so vorgewählt werden, daß ein optimaler Abrollvorgang entsteht. D. h. also, daß das Aufbauen und Abklingen des magnetischen Erregersystems gegebenenfalls sogar überlappend erfolgen kann, um damit eine quasi gleichmäßige "Primärrotation" des jeweiligen Kraftvektoren-Paares und damit der Ellipsen-Hauptachse zu erzeugen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist in dem Gehäuseunterbau (39 in Fig. 1 linksliegend) eine Ausnehmung 47 gezeigt, an der dann die vorstehend erläuterte Drehung des zweiten Zahnrades 3 in geeigneter Weise abgegriffen werden kann, beispielsweise über ein Zwischenrad, ein Zwischenzahnrad, wenn das zweite Zahnrad auch außen mit einer Verzahnung versehen ist. Eine teilweise Weglassung des Gehäuseunterbaus 39 ist denkbar, um hier die Drehbewegung des in Rotation versetzten dynamischen zweiten Zahnrades 3 über eine konzentrische Achse abzugreifen.

Die Zahl der gezeigten versetzt liegenden Topfmagneten kann auch beliebig erhöht werden, wobei ein geradzahliger Aufbau zur Erzielung eines jeweils diametral verlaufenden Kräftepaares zur Festlegung der jeweiligen Ellipsen-Hauptachse wichtig ist.

Die Primärrotation der Ellipsen-Hauptachse kann auch kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfolgen, indem die elektromagnetisch auf- und abgebauten Kraftvektoren kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich drehen.

Das flexible verformbare Zahnrad 5 wirkt bei dem erläuterten Funktionsmechanismus gleichzeitig als Federkraft, um bei Abschalten eines zunächst erregten und Zuschaltung eines neuen Magneten zur Betätigung eines nächsten Hebelpaares die zuvor wieder durch Abschalten der entsprechenden Magneten drucklos gemachten Hebel in ihre drucklose Ausgangsstellung zurückzuführen. In Fig. 1 ist der rechte Hebel 37 bei erregtem Topfmagneten 10 gezeigt, bei der also die Anker innenliegend stirnseitig nur über die dort befindliche Antiklebscheibe 25 in Berührung stehen.

Nach Abschalten dieses Topfmagneten würde der in Fig. 1 gezeigte Hebel 37 um seine Verschwenkachse 35 im Uhrzeigersinne verschwenken, da nämlich über das flexible Zahnrad 5 bei Erregung des nächsten Magneten das freie in Fig. 1 untenliegende Ende des Hebels entgegen dem Uhrzeigersinn zur Zentralachse der gesamten Anordnung gedrückt wird.

Es können zusätzliche Federelemente vorgesehen sein.

Anstelle eines Topfmagneten zur Betätigung zweier dort eintauchender Anker 15 kann zur gleichzeitigen Verschwenkung jeweils eines Hebel-Paares auch gegenüberliegend jeweils ein getrennter Magnet vorgesehen sein.

Auch wenn die Topfmagnete mit den zwei radial gegenüberliegenden Ankern zur Betätigung jeweils eines Hebelpaares 37 in Axialrichtung im Befestigungszylinder 7 versetzt zueinander liegen, sind auch hier andere Ausführungsformen denkbar.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die ersten beiden Zahnräder innen- und das oval verformbare flexible Zahnrad außenverzahnt dargestellt. Auch eine Umkehrung des Antriebes bei außenverzahntem ersten und zweiten Zahnrad und innenverzahntem flexiblen Zahnrad ist möglich, wobei die Eingriffssituation am flexiblen Zahnrad 5 an der elliptischen Nebenachse mit gegenüber der elliptischen Hauptachse kürzerer Längserstreckung erfolgt. Die Zähnezahl kann bei allen drei Zahnrädern, d. h. den beiden äußeren Zahnrädern 1 und 3 sowie dem flexiblen Zahnrad 5 jeweils voneinander differieren.

Durch eine Vielzahl in Umfangsrichtung angeordneter Magnete kann die Abrollbewegung entsprechend fein gestaltet werden. Möglich ist im Extremfall sogar, unmittelbar innerhalb des flexiblen Zahnrades in sternförmiger Anordnung eine Vielzahl von Magneten vorzusehen, die beispielsweise mit auf der Unterseite des flexiblen Zahnrades sitzenden Permanent- oder ebenfalls mit geringer Höhe ausgebildeten Elektromagneten so zusammenwirken, daß immer bei Erregung entsprechender Magneten zwischen dem im Befestigungszylinder 7 in Radialausrichtung angeordneten Magneten und dem an dem flexiblen Zahnrad 5 bzw. an dessen Unter- oder Innenseite oder an einer dort separat vorgesehenen Druckplatte Abstoßungskräfte erzeugt werden. Durch gesteuerte zyklische Erregung der Elektromagneten können so umlaufend Abstoßungskräfte erzeugt und damit eine umlaufende Ellipsen-Hauptachse hergestellt und festgelegt werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden jeweils nur zwei Hauptscheitel dadurch erzeugt, daß das flexible Zahnrad 5 ovalförmig verformt wird. Möglich sind aber auch andere geometrische Verformungen, beispielsweise eine dreieckförmige oder viereckförmige Verformung des flexiblen Zahnrades 5, so daß dann beispielsweise um 120° versetzt liegend drei Hauptscheitel oder um 90° versetzt liegend vier Hauptscheitel etc. erzeugt werden, an denen eine Zahndeckung und Eingriffsstellung zwischen dem flexiblen Zahnrad 5 und den beiden umgebenden Zahnrädern 1 und 3 geschaffen wird.

Das erläuterte Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 betrifft einen Direkt-Antrieb mit drei Zahnrädern.

Anhand von Fig. 3 soll gezeigt werden, daß auch ein Direkt-Topfantrieb möglich ist. Hier wird nur ein äußeres Zahnrad 1 und das innere flexible Zahnrad 5 benötigt. Wird das äußere Zahnrad 1 festgehalten, so wird bei umlaufenden Hauptscheitel eine geringfügige Rotation des flexiblen Zahnrades 5 entgegengesetzt der Rotationsrichtung der Hauptscheitel erzeugt, die am unflexiblen Topfboden 5′ des flexiblen Zahnrades 5 bzw. von der dort abgehenden zentralen 5″ abgegriffen werden kann. Wird umgekehrt das flexible Zahnrad zur Vermeidung einer Rotationsbewegung festgehalten, so muß das äußere Zahnrad 1 relativ zu diesem verdrehbar gelagert werden, so daß dort beispielsweise über einen analogen Topf die Drehbewegung abgegriffen werden kann. Ansonsten kann der Aufbau ähnlich wie anhand von Fig. 2 erläutert sein.

Claims (11)

1. Direkt-Antrieb, bestehend aus einem ersten Zahnrad (1, 3) und einem an mindestens zwei Stellen damit kämmenden zweiten Zahnrad (5), dessen Zähnezahl von der des ersten vorzugsweise geringfügig abweicht, und das im Betriebszustand zur Erzielung der kämmenden Stellen mit Hilfe von zueinander versetzt angeordneten Magneten (10) deformiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Deformaton des zweiten Zahnrades (5) für jeweils eine kämmende Stelle an diesem Zahnrad ein Übertragungsorgan (37) wirkt, welches von einem Magneten (10), insbesondere einem Topf- oder Paarmagneten, betätigt wird.

2. Direkt-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsorgan einen Hebel (37) aufweist, dessen freies Ende auf das deformierbare Zahnrad (5) wirkt.

3. Direkt-Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Magnetanordnung (10) eine Spreizkraft unter Bildung zweier gegenüberliegender Hauptscheitel an dem zweiten Zahnrad (5) erzeugt.

4. Direkt-Antrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß örtlich zwischen dem Übertragungsorgan (37) und dem flexibel verformbaren Zahnrad (5) jeweils eine Druckplatte (43) angeordnet ist.

5. Direkt-Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelarme (37) um eine außermittig angeordnete Achse (35) verschwenkt werden.

6. Direkt-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnungen (10) in einem in das zweite Zahnrad (5) hineinragenden Befestigungszylinder (7) angeordnet sind.

7. Direkt-Antrieb nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Übertragungsorgane (37) vorspannbaren Druckplatten (43) in entsprechende Ausnehmungen (33) am Befestigungszylinder (7) hineinragen.

8. Direkt-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Magnetanordnungen (10) in Axialrichtung zueinander versetzt liegen.

9. Direkt-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten der einzelnen Magnetanordnungen (10) so angesteuert werden, daß eine quasi kontinuierliche Rotation der elektromagnetisch erzeugten Kräfte erzielt wird.

10. Direkt-Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Magnetanordnungen (10) zumindest teilweise bei gleichzeitigem Feldaufbau des einen Magneten und Feldabbau des anderen Magneten angesteuert werden.

11. Direkt-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zahnrad (5) mit zwei innen oder außen verzahnten Zahnrädern (1, 3) kämmt.