DE4230546A1 - Vorrichtung zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Linearantriebe sind Spindelantriebe und Zahnriemenantriebe. Spindelantriebe werden vorwiegend eingesetzt für langsame, jedoch sehr genaue Linearpo­ sitionierungen. Bei hohen Geschwindigkeiten wirkt sich der Spindelantrieb aufgrund seiner Laufgeräusche jedoch ungünstig aus. Zudem ist die Herstellung einer für derartige Positionierungen einsetzbaren Spindel aufgrund der einzuhaltenden Fertigungstoleranzen auf­ wendig.

Beim Zahnriemenantrieb ist infolge der Gegenbiegung des Zahnriemens ein Antriebszahnriemenrad zu wählen, das durch einen genügend großen Teilkreisdurchmesser eine hohe Lebensdauer des Zahnriemens sicherstellt.

Aus diesem Grund ist ein Zahnriemenlinearantrieb nur dann sinnvoll einzusetzen, wenn die Motordrehzahl und das Motordrehmoment über ein Getriebe an die aufga­ benspezifische Lösung angepaßt werden. Die hierfür üblicherweise verwendeten Getriebe sind Stirnradge­ triebe, Planetengetriebe und Harmonic-Drive-Getriebe. Alle drei Getriebearten setzen bei Hysterese und Spielarmut eine engtolerierte Fertigung voraus, die sich im Preis niederschlägt. Jedes dieser Getriebe ist für einen bestimmten Einzelfall prädestiniert. Sie lassen sich darüber hinaus aufgrund ihrer läng­ lichen Bauform schwer in bestehende Achssysteme inte­ grieren. Mit steigendem Übersetzungsverhältnis nimmt zumindest bei Stirnrad- und Planetengetrieben die Baulänge zu. Schließlich erfolgt bei herkömmlichen Zahnradantrieben die Kraftübertragung nur an einem Trum, wodurch die Belastung des Zahnriemens sehr hoch ist. Bei zahnradgetriebenen Liftsystemen ist ein der Last entsprechendes Gegengewicht erforderlich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mittels Zahnrädern und diese triebmäßig verbindenden Zahnriemen zu schaffen, die mit geringem Aufwand und daher kostengünstig herge­ stellt werden kann, vielseitig einsetzbar ist, eine gleichmäßigere Belastung der Zahnriemen sicherstellt und bei Verwendung in einem Hubsystem kein Gegenge­ wicht erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Dadurch, daß mindestens zwei über zwei getrennte Zahnriemen miteinander verbundene Zahnradpaare vor­ gesehen sind, wobei ein Zahnriemen mit einem Drehan­ trieb gekoppelt ist und jeweils die Zahnräder eines Paares in einem bestimmten Drehzahlverhältnis zuein­ ander stehen, daß ein Zahnriemen jeweils ein Zahnrad der beiden Zahnradpaare miteinander verbindet und daß die jeweils durch einen Zahnriemen miteinander ver­ bundenen Zahnräder ein Zähnezahl-Verhältnis aufwei­ sen, das gegenüber dem Zähnezahl-Verhältnis der durch den anderen Zahnriemen miteinander verbundenen Zahn­ räder unterschiedlich ist, wird die Eingangsdrehzahl des Antriebsmotors nicht in eine über- oder unter­ setzte Ausgangsdrehzahl umgewandelt und dann dem An­ triebszahnrad übergeben, sondern der Motor treibt unter Berücksichtigung seiner Nenndrehzahl das An­ triebszahnrad an und dessen Drehbewegung wird von einem flachen, gegebenenfalls in einen Linearschlit­ ten integrierten Getriebe direkt in eine Linearbewe­ gung mit einem großen Übersetzungsspektrum umgewan­ delt. Durch den großen Bereich frei wählbarer Über­ setzungen bei gleicher, zudem noch flacher Bauform kann durch einfaches Auswechseln der Zahnradpaare jede aufgabenspezifische Geschwindigkeit des Linear­ teils, dessen Moment sowie auch die Auflösung der Positionierung an den Antriebsmotor angepaßt werden. Durch den möglichen Einsatz von Zahnrädern aus Alumi­ nium oder Kunststoff können niedrige Massenträgheiten erhalten werden, was sich besonders bei hohen Unter­ setzungen am Anlauf- und Abbremsverhalten des Motors positiv bemerkbar macht. Es können bei kleinerer Mo­ torleistung größere Beschleunigungen erreicht werden als bei vergleichbaren Übersetzungen von Stirnrad- und Planetengetrieben.

Weiterhin können bei der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung die Fertigungstoleranzen bei vergleichbarer Hy­ sterese von Planeten- und Stirnradgetrieben wesent­ lich größer ausfallen. Durch einfaches Nachspannen des Antriebszahnrads ist ein spielarmes Einstellen des gesamten Getriebes möglich. Ein Stirnrad- oder Planetengetriebe kann nur mit erheblichem fertigungs­ technischem Aufwand spielarm hergestellt werden; ein spielarmes Nachstellen ist, wenn überhaupt, nur durch den Hersteller selbst möglich.

Ein weiterer bedeutender Vorteil der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung liegt darin, daß es im Gegensatz zu den herkömmlichen Zahnriemenantrieben keinen Leertrum gibt. Beide Trume sind an der Kraftübertragung glei­ chermaßen beteiligt, so daß die Auslegung des Riemens, bezogen auf die bewegte Masse, nur auf eine halb so große statische und dynamische Belastung aus­ gerichtet werden kann. Ein besonderer Vorteil ergibt sich hieraus bei Linearantrieben, die gegen die Schwerkraft arbeiten müssen. Hier kann gegebenenfalls das der zu bewegenden Last entsprechende Gegengewicht entfallen.

Der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ist außerordentlich weit. Er erstreckt sich bei­ spielsweise von der Bewegung einer Linearskala für Anzeigeinstrumente bis zum Betrieb eines Schwerlast­ aufzugs.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Vorderansicht eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 von links gesehen,

Fig. 3 die Vorderansicht eines zweiten Aus­ führungsbeispiels der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung, und

Fig. 4 die Vorrichtung nach Fig. 3 von links gesehen.

Bei der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 wird ein umlaufender Zahnriemen 1 über ein von einem Motor 2 gedrehtes Antriebszahnrad 3 und auf der entgegenge­ setzten Seite über eine Umlenkrolle 4 geführt. Wei­ terhin ist der Zahnriemen 1 mit zwei innerhalb der von ihm gebildeten Schlaufe angeordneten Zahnrädern 5 und 6 in Eingriff, derart, daß in einer Drehrichtung gesehen das Zahnrad 5 zwischen dem Antriebszahnrad 3 und der Umlenkrolle 4 und das Zahnrad 6 zwischen der Umlenkrolle 4 und dem Antriebszahnrad 3 liegen. Bei einer Bewegung des Zahnriemens 1 drehen sich die Zahnräder 5 und 6 somit in der gleichen Richtung. Umlenkrollen 7, 8, 9 und 10 sorgen für einen sicheren Eingriff des Zahnriemens 1 mit den Zahnrädern 5 und 6.

Zwischen dem Zahnrad 5 und einem auf der gleichen Achse drehbar angeordneten Zahnrad 11 einerseits so­ wie zwischen dem Zahnrad 6 und einem auf der gleichen Achse drehbar angeordneten Zahnrad 12 andererseits besteht jeweils eine mechanisch feste Verbindung, so daß die Zahnräder 5 und 11 sowie die Zahnräder 6 und 12 jeweils ein Paar aus gleiche Drehbewegungen durch­ führenden Zahnrädern bilden. Die Zahnräder 11 und 12 sind darüber hinaus durch einen um sie herumgeführten Zahnriemen 13 triebmäßig miteinander gekuppelt.

Die Drehung der Zahnradpaare 5, 11 und 6, 12 wird somit durch die Triebverbindungen über die Zahnriemen 1 und 13 bestimmt. Haben die Zahnräder 5 und 6 die gleiche Zähnezahl und auch die Zahnräder 11 und 12 die gleiche Zähnezahl, dann ist eine Drehung der Zahnradpaare möglich, ohne daß diese sich gegenüber dem Antriebszahnrad 3 verschieben.

Die Zahnradpaare 5, 11 und 6, 12 sowie die Umlenkrol­ len 7, 8, 9 und 10 sind drehbar und in ihrer gegen­ seitigen Lage nicht veränderbar an einem nicht darge­ stellten Schlitten befestigt. Dieser Schlitten ist seinerseits in Richtung der Verbindungslinie 14 zwi­ schen den Drehachsen des Antriebszahnrads 3 und der Umlenkrolle 4, d. h. linear verschiebbar gelagert.

Wenn das Verhältnis der Zähnezahlen der Zahnräder 5 und 6 nicht gleich dem Verhältnis der Zähnezahlen der Zahnräder 11 und 12 ist, hat die zweifache Kopplung der Zahnradpaare 5, 11 und 6, 12 über die Zahnriemen 1 und 13 zur Folge, daß bei einem Antrieb des Zahn­ riemens 1 durch das Antriebszahnrad 3 die Anordnung aus dem Schlitten und den an diesem befestigten Zahn­ radpaaren 5, 11 und 6, 12 sowie Umlenkrollen 7 bis 10 linear entlang der Verbindungslinie 14 bewegt wird. Die Richtung dieser Bewegung ist dabei abhängig von der Drehrichtung des Antriebszahnrads 3 bzw. Motors 2. Die Geschwindigkeit der Linearbewegung ist abhän­ gig von der Differenz der Verhältnisse der Zähnezah­ len der Zahnräder 5 und 6 bzw. 11 und 12. Durch un­ terschiedliche Kombinationen dieser Zähnezahl-Verhäl­ nisse kann die Größe einer linearen Vorschubbewegung für eine Umdrehung des Antriebszahnrads 3 über einen weiten Bereich eingestellt werden. Hierbei lassen sich große Übersetzungsverhältnisse erzielen, ohne daß eine Vergrößerung der Bauform erforderlich ist.

Durch eine steuerbare Kupplung beispielsweise zwi­ schen den Zahnrädern 5 und 11 kann deren starre Ver­ bindung gelöst oder hergestellt werden. Durch eine Lösung dieser Verbindung und gleichzeitiges Bremsen des Zahnrades 11 kann bei einer Drehung des Antriebs­ zahnrads 3 eine Linearverschiebung im Eilgang erfol­ gen. Das Bremsen und die Kopplung bzw. Entkopplung zwischen den Zahnrädern 5 und 11 kann mittels elek­ trischer Magnetkupplungen durchgeführt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 greift das feststehende Antriebszahnrad 3 nicht in den Zahnriemen 1, sondern in den Zahnriemen 13 ein. Dies hat zur Folge, daß nicht die Anordnung aus den Zahnrädern 5, 11 und 6, 12 dem Zahnriemen 13 sowie den Umlenkrollen 7 bis 10 linear verschoben wird, sondern die Anordnung aus dem Zahnriemen 1 und den zugehörigen Umlenkrollen 4 und 15, die mit einem nicht dargestellten, entsprechend verschiebbaren Schlitten verbunden sind.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mittels Zahnrädern und diese triebmäßig verbindenden Zahnriemen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei über zwei getrennte Zahnrie­ men (1, 13) miteinander verbundene Zahnradpaare (5, 11; 6, 12) vorgesehen sind, wobei ein Zahnrie­ men (z. B. 1) mit einem Drehantrieb (2, 3) gekop­ pelt ist und jeweils die Zahnräder eines Paares (z. B. 5, 11) in einem bestimmten Drehzahlverhält­ nis zueinander stehen, daß ein Zahnriemen (z. B. 1) jeweils ein Zahnrad (z. B. 5, 6) der beiden Zahnradpaare miteinander verbindet und daß die jeweils durch den einen Zahnriemen (z. B. 1) mit­ einander verbundenen Zahnräder (z. B. 5, 6) ein Zähnezahl-Verhältnis aufweisen, das gegenüber dem Zähnezahl-Verhältnis der durch den anderen Zahnriemen (z. B. 13) miteinander verbundenen Zahnräder (z. B. 11, 12) unterschiedlich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils die Zahnräder eines Paares drehfest miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils die Zahnräder eines Paares durch eine steuerbare Kupplung in ihrem Dreh­ zahlverhältnis zueinander einstellbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradpaare gegenüber dem Drehantrieb linear bewegbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradpaare und der Drehantrieb linear zueinander feststehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder eines Paares koaxial angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb feststehend ist.