DE4325295A1 - Spielfreies Planetengetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Planetenge­ triebe mit einem angetriebenen Sonnenrad, zwei innen­ verzahnten Hohlrädern, von denen eines feststeht und das andere drehbar gelagert ist und den Abtrieb bildet. Es sind mehrere Planetenräder vorgesehen, die auf Planetenachsen in einem Planetenträger gelagert sind. Die Planetenräder stehen in ständigem Zahnein­ griff mit dem Sonnenrad und den Hohlrädern.

Viele Aufgabenstellungen in der Antriebstechnik verlangen die Realisierung extremer Übersetzungen. Planetengetriebe sind besonders gut geeignet, hohe Übersetzungen mit einer kompakten Bauweise zu ver­ einen. Ein derartiges Planetengetriebe stellt das Wolfrom-Koppelgetriebe dar, das bei einer hohen Über­ setzung noch gute Wirkungsgrade aufweist. Als Wolfrom-Getriebe bezeichnet man ein besonderes, ein­ faches Koppelgetriebe. Der Antrieb ist mit einem Son­ nenrad verbunden, das mit einem Planetenräderblock zusammenarbeitet. Das Planetenrad stützt sich an dem innenverzahnten Hohlrad ab, das gehäusefest ist. Der Steg als Planetenträger läuft leer mit. Die Bewegung wird über den Planetenträger und das/die Planeten­ rad/-räder (Stufenplanet) weitergeleitet. Das Plane­ tenrad kämmt seinerseits wieder mit einem innenver­ zahnten Hohlrad, das den Abtrieb bildet. Die be­ schriebene Anordnung eignet sich für eine kompakte Bauweise, die auf engem Raum hohe Übertragungsdichten ermöglicht (vergleiche Klein: Theoretische Grundlagen zum Auslegen von Wolfrom-Koppelgetrieben, in Maschi­ nenmarkt 1982, Seiten 341 bis 344).

Insbesondere in der Handhabungstechnik werden zur Leistungsübertragung von hochtourigen Antriebs­ motoren hoch untersetzende Getriebe benötigt. Diese Getriebe sollen bei einem Lastrichtungswechsel ein kleines Verdrehspiel aufweisen. Ferner sollen sie sich durch eine drehstarre, leichte und kompakte Bau­ weise auszeichnen.

Bei Planetengetrieben der angesprochenen Gattung ist der Gesamtwirkungsgrad ein mitentscheidendes Kri­ terium für deren Brauchbarkeit. Innere Verspannungen haben beispielsweise durch die resultierende, erhöhte innere Wälzleistung einen gravierenden Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad.

Aus der US-PS 4 106 366 ist ein spielfreies Planetengetriebe bekanntgeworden, bei dem ein innen­ verzahntes Hohlrad durch Schraubendruckfedern auf die konisch gefertigten Planetenräder gedrückt wird. Wegen der erhöhten Zahnwälzleistung durch innere Ver­ spannungen wird hierbei der Gesamtwirkungsgrad unzu­ lässig abgesenkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, ein spielfreies Planetengetriebe zu schaffen, bei dem die erzielbare Genauigkeit in der Herstel­ lung, die die Grundlage für eine enge Spieleinstel­ lung bildet, groß ist. Demzufolge soll der erzielbare Gesamtwirkungsgrad hoch sein. Zusätzlich sollen die Herstellkosten gesenkt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Planetenachsen unter einem spitzen Winkel gegenüber einer Mittelachse des Plane­ tengetriebes geneigt verlaufen. Die Neigung der Pla­ netenachsen ermöglicht die Realisierung zweier Kon­ struktionen. Bei einer ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsform sind die Verzahnungen der Hohlräder konisch ausgebildet. Hier kommen geradverzahnte Planetenräder zur Anwendung. Diese konstruktive Variante ist auch deswegen besonders vorteilhaft, weil das Zahnflankenspiel zwischen den Hohlrädern und den Planetenrädern getrennt eingestellt werden kann. Die Position der Planetenräder zu den Hohl­ rädern wird so eingestellt, daß sich die zylindri­ schen Zahnflanken der Planetenräder und die koni­ schen Zahnflanken der Hohlräder entlang ihrer ge­ meinsamen Eingriffsbreite etwa gleichmäßig be­ rühren.

Bei der weiteren Konstruktionsvariante sind die Hohlräder mit einer zylindrischen Innenverzahnung versehen. In diesem Fall ist die Verzahnung der Pla­ netenräder konisch ausgebildet.

Um den Axialschub bei konischen Planetenrädern reibungsarm aufzufangen, ist jedes Planetenrad bzw. jede Planetenachse über ein Axiallager im Planeten­ träger abgestützt.

Eine besonders kompakte Bauweise läßt sich er­ zielen, wenn das Planetengetriebe ein rohrförmiges Gehäuse aufweist. Dieses Gehäuse umschließt zwei Kugelreihen, über die das zweite Hohlrad und/oder der Abtriebsflansch drehbar gelagert ist.

Eine sehr präzise Lagerung liegt vor, wenn das zweite Hohlrad über eine Kugelreihe im Gehäuse und der Abtriebsflansch über die weitere Kugelreihe eben­ falls im Gehäuse drehbar gelagert ist.

Um das Lagerspiel zwischen dem zweiten Hohlrad und dem Gehäuse auszuschalten, ist zwischen dem Ab­ triebsflansch und dem zweiten Hohlrad eine Distanz­ scheibe eingeschaltet.

Um das Zahnflankenspiel auszuschalten, ist das erste Hohlrad in bezug auf die Planetenräder über eine Distanzscheibe axial einstellbar. Bevorzugt ist die Distanzscheibe zwischen dem ersten Hohlrad und das Gehäuse eingelegt.

Eine weitere Maßnahme dient zusätzlich dazu, das Zahnflankenspiel zu beseitigen. Der Planetenträger ist in Axialrichtung - bezogen auf eine Längs-Mittel­ achse des Planetengetriebes - über eine Distanz­ scheibe einstellbar.

Da der Planetenträger leer mitläuft, ist es vor­ teilhaft, ihn über ein Kugellager auf einer Buchse reibungsarm zu lagern. Die Buchse befindet sich vor­ zugsweise auf der dem Sonnenrad abgewandten Seite des Planetenträgers. Sie ist in einer Bohrung des Ab­ triesflansches geführt.

Um die Axialposition des Planetenträgers exakt bestimmen zu können, liegt die Buchse an einem Ende über eine Schulter am Kugellager an und kann über einen Sicherungsring an der Distanzscheibe festge­ legt werden.

Die Eingangswelle und die Buchse sind vorzugs­ weise mit einer Durchgangsbohrung versehen, sind also als hohle Bauteile ausgebildet.

Um das Getriebe vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist zwischen dem Gehäuse und dem Abtriebs­ flansch eine Dichtung eingeschaltet.

Weitere, für die Erfindung wesentliche Merkmale sowie die daraus resultierenden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen, spielfreien Planetengetrie­ bes zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Planetengetriebes im Längs-Halbschnitt mit äußeren Zentralrädern mit einer konischen Verzahnung und

Fig. 2 eine modifizierte Ausführungsform eines Planetengetriebes, bei dem die äußeren Zentralräder geradverzahnt sind.

Bei dem in Fig. 1 im Längs-Halbschnitt darge­ stellten Planetengetriebe 1 treibt eine hochtourig umlaufende Eingangswelle 2 ein Sonnenrad 3 (kleines Zentralrad) an. Im vorliegenden Fall sind das Sonnen­ rad 3 und die Eingangswelle 2 einstückig hergestellt.

Das Sonnenrad 3 steht in ständig kämmender Ver­ bindung mit mehreren Planetenrädern 4. Eines dieser Planetenräder 4 ist in der Zeichnung abgebildet. Ins­ gesamt sind beispielsweise vier Planetenräder 4 vor­ gesehen.

Eine Planetenachse 5 ist über Lager 6 und 7, bevorzugt Nadellager, in einem Planetenträger 8 dreh­ bar gelagert. Jedes Planetenrad 4 ist mit seiner Planetenachse 5 über eine feste Passung unverschieb­ bar verbunden.

Die Planetenräder 4 stehen in ständig kämmender Verbindung mit einem ersten Hohlrad 10 (erstes großes Zentralrad). Gleichzeitig stehen sie ständig mit einem zweiten Hohlrad 11 (zweites großes Zentralrad) im Eingriff.

Der Planetenträger 8 weist keine direkten An­ schlußwellen auf, so daß kein Drehmoment zu- oder ab­ geführt wird. Demzufolge läuft er leer mit.

Das erste Hohlrad 10 ist feststehend angeordnet, während das zweite Hohlrad 11 mit einem Abtriebs­ flansch 12 fest verbunden ist.

Aus der Zeichnung ist ferner ersichtlich, daß die Hohlräder 10 und 11 von einem ringförmigen Ge­ häuse 13 umgeben sind. Das ringförmige Gehäuse 13 ist vorzugsweise mit dem Hohlrad 10 über selbst nicht dargestellte Befestigungselemente 9 fest verbunden. Hierzu kann das Gehäuse 13 mit dem Hohlrad 10 ver­ schraubt sein.

Die erwähnten Zahnräder können folgende Zähne­ zahlen aufweisen:

Sonnenrad 3
37 Zähne
Planetenrad 4	33 Zähne
erstes Hohlrad 10 (Stator)	107 Zähne
zweites Hohlrad 11 (Abtrieb)	111 Zähne

Die Eingangswelle 2 bzw. das Sonnenrad 3 wird mit einer hohen Drehzahl bei einem relativ niedrigen Moment angetrieben. Der Abtriebsflansch 12 (er kann mit einer selbst nicht dargestellten Abtriebswelle verbunden sein) läuft mit einer niedrigen Drehzahl bei einem hohen Moment um. Ein derartiges Getriebe ist insbesondere für den Einsatz in der Handhabungs­ technik besonders geeignet.

Da die Zähnezahlen der Hohlräder 10 und 11 von­ einander abweichen, stellen sich unterschiedliche Teilkreisdurchmesser ein. Durch Profilverschiebung ist es möglich, die Durchmesser beider Hohlräder 10, 11 so auszugleichen, daß beide mit den Planeten­ rädern 4 gleichzeitig in Eingriff stehen können.

Bei dem Planetengetriebe nach Fig. 1 sind die Verzahnungen der Hohlräder 10 und 11 konisch ausge­ bildet. Hier ändert sich das Maß der Profilverschie­ bung kontinuierlich, bezogen auf die Breite dieser Hohlräder. Die Fuß- und Kopfkreise liegen jeweils auf Kegelmantelflächen.

Die Planetenräder 4 sind demgegenüber zylin­ drisch gefertigt. Die Mittellinien 14 der Planeten­ achsen 5 schneiden sich mit der Mittelachse 15 des Planetengetriebes 1 unter einem spitzen Winkel alpha. Dieser Winkel beträgt beispielsweise 3°. Ein bevor­ zugter Bereich für die Größe dieses Winkels alpha er­ streckt sich von 1,5° bis 15,0°.

Die Neigung der Flankenlinien an den Hohl­ rädern 10, 11 (ein Maß für deren Konizität) ist so gewählt, daß sich die zylindrischen Zahnflanken der Planetenräder 4 und die konischen Zahnflanken der Hohlräder 10, 11 entlang ihrer gemeinsamen Eingriffs­ breite etwa gleichmäßig berühren. Dies gilt sinngemäß auch für den Eingriff des Sonnenrades 3, das eben­ falls konische Zahnflanken aufweist. Wegen der weit­ aus geringeren spezifischen Belastung der Zahnflanken des Sonnenrades 3 sind die an die Präzision zu stel­ lenden Anforderungen (Neigung der wesentlichen Flan­ kenlinien) weniger kritisch.

Die zylindrisch geformten Planetenräder 4 sind besonders einfach zu fertigen. Die Zahnflanken sind geschliffen, um durch eine hohe Präzision den Gesamt­ wirkungsgrad des Planetengetriebes zu verbessern. Da kein Stufenplanet verwendet wird, ergeben sich keine Probleme durch Abweichungen in der Stellungszuord­ nung. Derartige Probleme sind durch die durchgehende, geschliffene Verzahnung gegenstandslos.

Die Lager 6 und 7 der Planetenachsen 5 bleiben im wesentlichen von Axialschüben verschont. Dies ist ein weiterer Vorteil, da Axialschübe, soweit sie von Anlaufbuchsen aufgenommen werden, den Gesamtwirkungs­ grad ohne weiteres um mehrere Prozentpunkte ver­ schlechtern können.

Das in Fig. 2 ebenfalls im Längs-Halbschnitt dargestellte Planetengetriebe stimmt in seiner Grund­ konzeption mit dem Planetengetriebe nach Fig. 1 über­ ein. Für gleiche Bauteile werden gleiche Bezugszif­ fern verwendet.

Auch bei diesem Planetengetriebe verlaufen die Planetenachsen 14 unter einem spitzen Winkel alpha.

Im Unterschied zum Planetengetriebe nach Fig. 1 weisen die Hohlräder 10 und 11 eine zylindrische Innenverzahnung auf. Demzufolge ist die Verzahnung der Planetenräder 4 konisch ausgebildet. Hohlräder mit zylindrischer Innenverzahnung sind vergleichs­ weise einfach zu fertigen. Allerdings verursachen die konisch geformten Planetenräder 4 einen Axial­ schub, der wälzgelagert aufgenommen werden soll. Hierzu ist jedes Planetenrad 4 bzw. jede Planeten­ achse 5 über ein Axiallager 16 im Planetenträger 8 zusätzlich abgestützt.

Den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 ist gemeinsam, daß das rohrförmige Gehäuse 13 zwei Kugelreihen 17 und 18 umschließt. Zu jeder Kugel­ reihe 17 bzw. 18 gehören paarweise zusammenwirkende Kugellaufbahnen 19 und 20 bzw. 21 und 22. Die Kugel­ laufbahnen 19 bis 22 sind unmittelbar in den Ab­ triebsflansch 12, das Gehäuse 13 und das Hohlrad 11 eingearbeitet. Hiermit erübrigen sich separate (kom­ plette) Lager bzw. gesonderte Lagerinnen- und -außen­ ringe.

Insgesamt läßt sich eine kompakte Bauweise bei akzeptablen Herstellkosten erzielen. Das Planetenge­ triebe 1 stellt sozusagen eine kombinierte Lager- Antriebs-Einheit dar. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil hiermit Getriebespiele auf ein Minimum reduziert werden können. Elastische Verformungen des Planeten­ getriebes summieren sich mit Lagerspielen und Lager­ elastizitäten. Beide Einflüsse, Lagerspiele und Ge­ triebespiele, sind gleichermaßen nachteilig.

Die Einstellung der Getriebe- und Lagerspiele erfolgt bei den erläuterten Planetengetrieben über drei Distanzscheiben 23, 24 und 25.

Die Distanzscheibe 23 befindet sich zwischen dem Hohlrad 11 und dem Abtriebsflansch 12. Die Dicke dieser Distanzscheibe wird so abgestimmt, daß sich an den Kugelreihen 17 und 18 ein gewünschtes Lager­ spiel einstellt. Dieses Lagerspiel kann durchaus auch eine maßvolle Vorspannung sein.

Die axiale Position des Planetenträgers 8 in bezug auf das Hohlrad 11 wird über die Distanz­ scheibe 24 eingestellt. Der Planetenträger 8 ist hierzu ergänzend über ein Kugellager 26 auf einer Buchse 27 abgestützt. Die Buchse 27 ist in einer Bohrung 28 des Abtriebsflansches 12 geführt und durch einen Sicherungsring 29 axial gesichert.

Die Dicke der Distanzscheibe 24 wird durch Aus­ wahl bzw. durch Kombination mehrerer Einzelscheiben unterschiedlicher Dicke oder auch durch Überschleifen bestimmt. Dieses Dickenmaß bewirkt die gewünschte Spieleinstellung.

Letztlich wird noch die axiale Position des Hohlrades 10 durch die Distanzscheibe 25 bestimmt. Hierzu wird das Dickenmaß dieser Scheibe, die sich zwischen dem Hohlrad 10 und dem Gehäuse 13 befindet, so gewählt, bis das gewünschte Zahnflankenspiel zwi­ schen dem Hohlrad 10 und den Planetenrädern 4 er­ reicht ist.

Das Zahnflankenspiel sollte so eng wie möglich sein. Hierbei sind Klemm- oder Verspannungszustände (auch in Teilbereichen einer Umdrehung) zu vermeiden.

Nach längerer Betriebsdauer vergrößern sich die Zahnflankenspiele durch den auftretenden Verschleiß.

In diesem Fall kann die Distanzscheibe 24 gegen eine andere mit größerer Dicke ausgetauscht werden. Das Zahnflankenspiel kann somit gleichzeitig an beiden Hohlradeingriffen wieder reduziert werden.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiele eines erfindungsgemäßen, spielfreien Planeten­ getriebes erlauben die Darstellung großer Übersetzun­ gen. Gesetzt den Fall, daß eine niedrigere Überset­ zung ausreicht, kann das Sonnenrad 3 entfallen. Dann ist die Eingangswelle 2 direkt mit dem Planetenträ­ ger 8 verbunden. Der Antrieb des Planetenträgers 8 erfolgt dann vorzugsweise über eine Stirnradstufe, die aus einer Verzahnung am Planetenträger 8 und einem Antriebsritzel gebildet ist. Dieses Antriebs­ ritzel ist dann in bezug auf die Mittelachse 15 des Planetengetriebes exzentrisch liegend angeordnet. Die außermittige Anordnung ist für die problemlose Verwendung von Antriebsmotoren Voraussetzung, die keinen zentralen Abtrieb aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 Planetengetriebe
2 Eingangswelle
3 Sonnenrad
4 Planetenräder
5 Planetenachse
6 Lager
7 Lager
8 Planetenträger
9 Befestigungselemente
10 erstes Hohlrad
11 zweites Hohlrad
12 Abtriebsflansch
13 Gehäuse
14 Planetenachse
15 Mittelachse des Planetengetriebes
16 Axiallager
17 Kugelreihe
18 Kugelreihe
19 Kugellaufbahnen
20 Kugellaufbahnen
21 Kugellaufbahnen
22 Kugellaufbahnen
23 Distanzscheibe
24 Distanzscheibe
25 Distanzscheibe
26 Kugellager
27 Buchse
28 Bohrung
29 Sicherungsring

Claims (21)

1. Planetengetriebe (1) mit einem angetriebe­ nen Sonnenrad (3), einem ersten (10) und einem zweiten (11), jeweils innenverzahnten Hohlrad, von denen das erste feststeht und das zweite drehan­ treibbar gelagert ist und den Abtrieb bildet und Planetenrädern, die auf Planetenachsen (5) in einem Planetenträger (8) in der Weise gelagert sind, daß sie in ständigem Zahneingriff mit dem Sonnenrad (3) und den Hohlrädern (10, 11) stehen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Planetenach­ sen (5) unter einem spitzen Winkel (alpha) gegenüber einer Mittelachse (15) des Planetengetriebes (1) geneigt verlaufen.

2. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen der Hohlräder (10, 11) konisch ausgebildet sind.

3. Planetengetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (4) geradverzahnt sind.

4. Planetengetriebe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zylindrischen Zahnflanken der Planetenräder (4) und die konischen Zahnflanken der Hohlräder (10, 11) entlang ihrer gemeinsamen Eingriffsbreite etwa gleichmäßig berühren.

5. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohl­ räder (10, 11) eine zylindrische Innenverzahnung aufweisen.

6. Planetengetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung der Planetenräder (4) konisch ausgebildet ist.

7. Planetengetriebe nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Planetenrad (4) bzw. jede Planetenachse (5) über ein Axiallager (16) im Planetenträger (8) abgestützt ist.

8. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein rohrförmi­ ges Gehäuse (13) aufweist, das zwei Kugelreihen (17, 18) umschließt, über die das zweite Hohlrad (11) und/ oder der Abtriebsflansch (12) drehbar gelagert ist.

9. Planetengetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Hohl­ rad (11) über eine Kugelreihe (18) im Gehäuse (13) und der Abtriebsflansch (12) über eine Kugel­ reihe (17) im Gehäuse (13) drehbar gelagert ist.

10. Planetengetriebe nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abtriebsflansch (12) und dem zweiten Hohlrad (11) eine Distanzscheibe (23) zur Einstel­ lung des Lagerspiels eingeschaltet ist.

11. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Hohl­ rad (10) in bezug auf die Planetenräder (4) über eine Distanzscheibe (25) in Axialrichtung einstellbar ist.

12. Planetengetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz­ scheibe (25) zwischen dem ersten Hohlrad (10) und dem Gehäuse (13) eingeschaltet ist.

13. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Planeten­ träger (8) in Axialrichtung - bezogen auf eine Längs- Mittelachse (15) - über eine Distanzscheibe (24) ein­ stellbar ist.

14. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Planeten­ träger (8) über ein Kugellager (26) auf einer Buchse (27) auf seiner dem Sonnenrad (3) abgewandten Seite drehbar abgestützt ist.

15. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (27) in einer Bohrung (28) des Abtriebsflansches (12) ge­ führt ist.

16. Planetengetriebe nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (27) an einem Ende über eine Schulter am Kugellager (26) anliegt und am anderen Ende über einen Sicherungsring (29) an der Distanzscheibe (24) in Axialrichtung festgelegt ist.

17. Planetengetriebe nach den Ansprüchen 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswelle (2) und die Buchse (27) als hohle Bauteile ausgebildet sind.

18. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ge­ häuse (13) und dem Abtriebsflansch (12) eine Dichtung eingeschaltet ist.

19. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen geschliffen sind.

20. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Planeten­ träger (8) - unter Wegfall des Sonnenrades (3) - über eine Stirnradstufe direkt angetrieben ist.

21. Planetengetriebe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Planeten­ träger (8) eine Außenverzahnung aufweist, in die ein in bezug auf die Mittelachse (15) des Planetengetrie­ bes exzentrisch angeordnetes Antriebsritzel eingreift.