DE602004001447T2

DE602004001447T2 - Planetengetriebesysteme

Info

Publication number: DE602004001447T2
Application number: DE602004001447T
Authority: DE
Inventors: P. Gerald Massillon FOX
Original assignee: Timken Co
Current assignee: Timken Co
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: US7297086B2; DE602004001447D1; EP1588074B1; JP2006516713A; EP1588074A1; WO2004067998A1; JP4598756B2; US20060142114A1; ATE332457T1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Getriebesysteme und insbesondere ein Umlaufgetriebesystem.
Stand der Technik
Das typische Umlauf- oder Planetengetriebesystem weist im Wesentlichen ein Sonnenrad mit einer Außenverzahnung, ein mit einer Innenverzahnung versehenes Hohlrad und mehrere Planetenräder auf, die zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad angeordnet sind und eine Außenverzahnung aufweisen, die in die Verzahnung des Sonnenrads und des Hohlrads eingreift. Zusätzlich zu den Zahnrädern weist ein typisches System einen Träger auf, an den die Planetenräder angekoppelt sind. Typischerweise wird das Sonnenrad, das Hohlrad oder der Träger wird festgehalten, wenn Leistung den zwei verbleibenden Komponenten zugeführt und von diesen abgenommen wird, und auf diese Weise wird Leistung durch das Planetensystem übertragen, wobei eine Veränderung der Winkelgeschwindigkeit und eine inverse Veränderung des Drehmoments stattfindet. In einigen Umlaufsystemen rotieren jedoch alle drei.
Das Sonnenrad und das Hohlrad weisen für alle praktischen Zwecke eine gemeinsame Achse, die Mittelachse, auf, während die Planetenräder sich um radial versetzte Achsen drehen, die parallel zu der Mittelachse ausgerichtet sind – oder zumindest sein sollten. Oftmals sind die versetzten Achsen und die Mittelachse nicht parallel zueinander und als Folge hiervon laufen die Planetenräder etwas schräg zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad. Dies bewirkt einen übermäßigen Verschleiß der Verzahnungen der Planeten-, Sonnen- und Hohlräder, erzeugt Reibung und Hitze und führt zu einer übermäßigen Geräuschentwicklung des gesamten Systems.
Dieses Problem besteht sicherlich bei übergreifenden Halterungen. Bei dieser Art von Halterung erstrecken sich die Stifte, auf denen sich die Planetenräder drehen, zwischen zwei Halterungsflanschen, in denen die Stifte an ihren Enden befestigt sind. Die Halterung erfährt einen Torsionsverzug, der bewirkt, dass der eine Halterungsflansch sich etwas vor dem anderen Flansch dreht. Jeder Stift sollte an seinen Enden im Querschnitt ausreichend Scherfläche und Widerstandsmoment aufweisen um den Scherkräften und Biegemomenten zu widerstehen, die durch die Flansche auf den Stift ausgeübt werden.
Ein anderer Typ von Umlaufgetriebe verwendet einen einzigen Trägerflansch und flexible Stifte, die in dem Flansch verankert sind und von diesem abstehen. Bei dieser Anordnung ist der einzige Trägerflansch axial zu den Planetenrädern versetzt und die Trägerstifte ragen von diesem Flansch aus in und tatsächlich durch die Zahnräder. Jeder Trägerstift weist ein Ende auf, das in dem Halterungsflansch verankert ist, und sein anderes Ende ist in eine Hülse eingepasst, die sich zurück über den Stift wendet, jedoch einen radialen Abstand von dem Stift aufweist, um das Planetenrad abzustützen – sozusagen eine doppelte Tragarmanordnung. US-Patent 3,303,713 an R. J. Hicks zeigt eine derartige doppelte Tragarmanordnung. Aber die Hülsen nehmen einen Raum ein, der anderenfalls zur Vergrößerung des Stiftdurchmessers verwendet werden könnte, und wenn ein Wälzlager zwischen der Hülse und dem die Hülse umschließenden Planetenrad angeordnet ist, ist noch weniger Raum für den Stift verfügbar.
Der doppelte Tragarm, mit einer Hülse zwischen einem Planetenrad und dem Stift, auf dem das Rad rotiert, reduziert im Wesentlichen den Querschnitt des Stifts und natürlich die Scherfläche und das Widerstandmoment. Dies kann die Drehmomentkapazität des Systems vermindern, so dass oftmals mehr Stifte hinzugefügt werden, um die vorhandene gesamte Querschnittsfläche der Stifte zu erhöhen und einiges der verlorenen Drehmomentkapazität zurück zu gewinnen. Die Verwendung von mehr Stiften bringt notwendigerweise die Umfänge der Planetenräder näher aneinander. Gelegentlich führt die Anzahl der Stifte, die erforderlich sind, um die erforderliche Drehmomentkapazität zu erreichen, zu einer Interferenz zwischen den Planetenrädern. Ein Umlaufgetriebesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der WO 02079644 bekannt. Die Erfindung wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 definiert. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9.
Beschreibung des Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise weggebrochen und geschnitten, eines Umlaufgetriebesystems gemäß der vorliegenden Erfindung und nach dieser konstruiert;
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in 1;
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die einen der Trägerstifte, das Planetenrad für diesen Stift und das Lager, auf dem sich das Planetenrad dreht, zeigt;
4 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise gebrochen und geschnitten, eines anderen Umlaufgetriebesystems gemäß der vorliegenden Erfindung und nach dieser konstruiert;
5 ist eine weitere perspektivische Ansicht, teilweise gebrochen und geschnitten, des in 4 gezeigten Umlaufgetriebesystems.
Beste Ausführungsart der Erfindung
Bezug nehmend nun auf die Zeichnung weisen Umlaufgetriebesysteme A und B, die jeweils um eine Mittelachse X aufgebaut sind, die herkömmlichen Sonnen- und Hohlräder zusammen mit Planetenrädern auf, jedoch über steigt die Anzahl der Planetenräder diejenige in konventionellen Umlaufsystemen. Während die Systeme A und B wenig Raum einnehmen, weisen sie die Kapazität zur Übertragung eines relativ hohen Drehmoments auf. Jedes System weist einen Träger auf, an dem die Planetenräder über flexible Stifte in einer doppelten Tragarmanordnung befestigt sind. Die Stifte definieren versetzte Achsen Y, um die sich die Planetenräder drehen, und die Achsen Y verlaufen parallel zu der Mittelachse X, so dass sich ein sauberer Eingriff zwischen den Planetenrädern und dem Hohlrad ergibt, um eine gute Lastverteilung über jedes Planetenrad herzustellen und eine allgemein gleichmäßige Lastverteilung zwischen den mehreren Planetenrädern. Die totale Querschnittsfläche der Stifte ist groß, um die Scherfläche und das Widerstandsmoment bereitzustellen, das zur Übertragung von erheblichem Drehmoment erforderlich ist.
Wendet man sich nun dem Umlaufgetriebesystem A (1) zu, so weist dies ein Sonnenrad 2, ein um das Sonnenrad 2 herum angeordnetes Hohlrad 4 und Planetenräder 6 und 8 auf, die in zwei Reihen zwischen dem Sonnenrad 2 und dem Hohlrad 4 angeordnet sind, wobei die Planetenräder 6 eine Reihe und die Planetenräder 8 eine weitere Reihe bilden. Weiterhin sind die Planetenräder 6 versetzt zu den Planetenrädern 8 angeordnet, das heißt, sie sind in Umfangsrichtung versetzt angeordnet. Damit können die Umfänge der Räder 6 mit den Umfängen der Räder 8 ohne Interferenz zwischen den Rädern 6 und 8 überlappen, dies aufgrund der Anordnung der Räder 6 und 8 in zwei Reihen. Alle Räder 2, 4, 6 und 8 weisen Verzahnungen auf und die Planetenräder 6 und 8 kämmen mit dem Sonnenrad 2 und dem Hohlrad 4 über die Zähne dieser Räder 2, 4, 6 und 8.
Zusätzlich weist das System A einen Träger 10 auf, an den die Planetenräder 6 und 8 angekoppelt sind, so dass die Planetenräder 6 und 8 sich nicht axial verschieben und gegenseitig stören oder aus dem Ringraum zwischen dem Sonnenrad 2 und dem Hohlrad 4 herauswandern. Das Sonnenrad 2, das Hohlrad 4 und der Träger 10 stellen Komponenten des Systems A dar, an denen dem System A Leistung zugeführt und an denen von dem System A Leistung abgeführt werden kann.
Der Träger 10 weist (1) einen einzigen Flansch 14 auf, der benachbart zu der Reihe der Planetenräder 6 liegt, jedoch jenseits der Enden dieser Planetenräder 6 und jenseits der Enden des Sonnenrads 2 und des Hohlrads 4. Der Flansch 14 enthält Bohrungen 16, die in gleichen Umfangsabständen und in gleichen Radialabständen von der Mittelachse X angeordnet sind. In diese Bohrungen 16 sind kurze Stifte 20 und lange Stifte 22 eingesetzt, wobei sich die Stifte 20 und 22 abwechseln. Somit enthält jede zweite Bohrung 16 einen kurzen Stift 20 und die verbleibenden Bohrungen 16 enthalten lange Stifte 22. Die Stifte 20 und 22 ragen von dem Flansch 14 aus in den Ringraum zwischen dem Sonnenrad 2 und dem Hohlrad 4 in Form von Tragarmen, was den Stiften 20 und 22 ein gewisses Maß an Biegsamkeit verleiht. Die Räder 6 der inneren Reihe drehen sich um die kurzen Stifte 20, während die Räder 8 der äußeren Reihe sich um die langen Stifte 22 drehen.
Jeder Stift 20 weist (2 und 3) einen Schaft 26 an seinem festgelegten Ende auf, dort wo es in dem Flansch 10 verankert ist, und einen Kopf 28 an seinem freien Ende. Zwischen dem Schaft 26 und dem Kopf 28 kann der Stift 20 weiterhin eine Nut 30 aufweisen, um die Biegsamkeit des Stifts 20 zu erhöhen. Der Schaft 26 erstreckt sich aus einer der Bohrungen 16 im Flansch 10 in das Planetenrad 6 für den Stift 20 hinein. Der Kopf 28 weist auch eine zylindrische Oberfläche gleichmäßigen Durchmessers auf und dieser Durchmesser kann geringfügig größer sein als der Durchmesser des Schafts 26. Während der Kopf 28 etwas kürzer sein kann als der Schaft 26 ist er immer noch lang genug, um teilweise innerhalb seines Planetenrads 6 zu liegen.
Die Planetenräder 6 rotieren um ihre zugehörigen Trägerstifte 20 auf Wälzlagern 34 (2 und 3), von denen sich ein jedes innerhalb des Rads 6 be findet und seinen Stift 20 umschließt. Tatsächlich verwendet jedes Lager 34 sein Planetenrad 6 als seinen äußeren Lagerring, indem das Rad 6 selbst zwei konische Laufflächen 36 aufweist, die nach innen zu der Drehachse Y des Rads 6 gewandt ist und die abwärts zueinander hin geneigt sind. Jedes Lager weist auch (2) einen inneren Lagerring in Form einer einstückigen Lagerringhülse 38 auf und einen separat ausgebildeten Rippenring 40 an einem Ende der Hülse 38. Die Lagerringhülse 38 weist eine Durchtrittsöffnung 42 auf, die an ihrem einen Ende den vergrößerten Kopf 28 an dem Stift 20 aufnimmt. Eine Presspassung besteht zwischen dem Kopf 28 und der Fläche der Bohrung 42 in der Hülse 38, aber dennoch sind die Hülse 38 und der Kopf 28 entlang einer ringförmigen Schweißnaht 44 miteinander verbunden. Jenseits des Kopfes 28 weist die Oberfläche der Bohrung 44 einen Abstand von dem Schaft 26 des Stifts 20 auf, wodurch der zweite Tragarm gebildet wird. Die Hülse 38 ragt durch das innere des Planetenrads 6 hindurch und ist hier mit zwei konischen Laufflächen 46 versehen, die nach unten zueinander hingeneigt sind und nach außen zu den Laufflächen 36 in dem Planetenrad 6 hin gewandt sind. Die Lauffläche 46 am freien Ende der Lagerringhülse 38 führt zu einer Anschlagrippe 48, die als integraler Teil der Hülse 38 ausgebildet ist. Die andere Lauffläche 46 geht an ihrem großen Ende in eine Fuge 50 an dem montieren Ende der Hülse 38 über. Der Rippenring 40 passt in die Fuge 50 und ist an der Hülse 38 mittels einer weiteren Schweißnaht 52 befestigt, um so eine Rippe an dem großen Ende der anschließenden Lauffläche 46 bereitzustellen.
Das Lager 34 weist weiterhin (2 und 3) konische Wälzkörper 54 auf, die in zwei Reihen zwischen den konischen Laufflächen 36 des Planetenrads 6 und den konischen Laufflächen 46 an der Lagerringhülse 38 angeordnet sind. Die großen Stirnflächen der Wälzkörper 54 in einer Reihe bewegen sich entlang und sind zurückgehalten durch den Rippenring 40 auf der Lagerringhülse 38, während die großen Enden der Wälzkörper 54 in der anderen Reihe sich entlang der integralen Anschlagrippen 48 bewegen und durch diese eingeschlossen sind. Aufgrund der Position, in der der Rippenring 40 an der Lagerringhülse 38 befestigt ist, befindet sich das Lager 34 in einem Zustand geringer Vorspannung, so dass kein Spiel zwischen den Laufflächen 36 und 46 und den Wälzkörpern 54 besteht. Weiterhin befinden sich die Wälzkörper 54 der zwei Reihen in einer Scheitelpunktslage, was bedeutet, dass die konischen Einhüllenden, in denen sich ihre Seitenflächen befinden, ihre Scheitelpunkte an einem gemeinsamen Punkt entlang der Achse Y des Planetenrads 6 haben.
Die US-Patentanmeldung US 2005075211 A von G. Fox und E. Jallat, eingereicht am 7. Oktober 2003 und betitelt mit "Umlaufgetriebesystem", beschreibt das Lager 34 näher. Die Stifte 22 sind den Stiften 20 ähnlich, außer dass ihre Schäfte 26 länger sind. Die Planetenräder 8 rotieren auf ähnlichen Lagern 34 um diese Stifte 22.
Die Nut 30 zwischen dem Schaft 26 und dem Kopf 28 der Stifte 20 und 22 verleihen den Stiften 20 und 22 ein gewisses Maß an Biegsamkeit, aber unabhängig davon, ob die Stifte 20 und 22 Nuten 30 aufweisen oder nicht, sollten sie derart biegsam sein, dass die Achsen Y der Planetenräder 6 und 8 im Wesentlichen parallel zu der Achse X verlaufen. Dies stellt sicher, dass die Planetenräder 6 und 8 korrekt mit dem Sonnenrad 2 und dem Hohlrad 4 kämmen und dass Lasten gleichmäßig über die Breite der Planetenräder 6 und 8 verteilt sind und auch gleichmäßig zwischen den Planetenrädern 6 und 8.
Im Betrieb des Umlaufgetriebesystems A übertragen die Planetenräder 6 und 8 der zwei Reihen Drehmoment und Leistung zwischen dem Sonnenrad 2 und dem Hohlrad 4. Aufgrund ihrer erhöhten Anzahl weisen die Planetenräder 6 und 8 jeweils eine geringere Breite auf als ihre Gegenstücke in eher herkömmlichen Umlaufgetriebesystemen. Sollten sie schräg laufen, so wird der Schräglauf weniger störende Wirkungen haben, als wenn der Schräglauf mit breiteren und eher herkömmlichen Planetenrädern aufgetreten wäre. Tatsächlich verlängert dies die Lebensdauer der Planetenräder 6 und 8 und der Lager 34 und auch die Lebensdauer des Sonnenrads 2 und des Hohlrads 4. Es ermöglicht auch eine sehr kompakte Bauweise des gesamten Getriebesystems A – alles ohne Beeinträchtigung der Querschnittsfläche der biegsamen Trägerstifte 20 und 22. Die versetzte Anordnung der Planetenräder 6 und 8 in zwei Reihen erlaubt mehr Planetenräder und eine Erhöhung der gesamten Querschnittsfläche der Stifte 20 und 22, insbesondere an dem Flansch 14 des Trägers 10, wo die Momente am größten sind.
Das Umlaufgetriebesystem B (4 und 5) weist ebenfalls ein Sonnenrad 62, ein Hohlrad 64 und Planetenräder 66 und 68 auf, die in zwei Reihen zwischen dem Sonnenrad 62 und dem Hohlrad 64 angeordnet sind, wobei sich die Räder 66 in einer Reihe und die Räder 68 in der anderen Reihe befinden. Weiterhin sind die Planetenräder 66 und 68 an einen Träger 70 angekoppelt, der die Achsen Y definiert, um die sich die Planetenräder 66 und 68 drehen.
Im Gegensatz zu dem Träger 10 des Umlaufgetriebesystems A weist der Träger 70 des Systems B zwei Flansche 72 und 74 auf, wobei der erste zu den Planetenrädern 66 und der zweite zu den Planetenrädern 68 benachbart ist. Die zwei Flansche 72 und 74 sind durch sich zwischen ihnen erstreckende Brücken 76 miteinander verbunden und in diesem Sinne gleicht der Träger 70 einen Spreizträger.
Die Räder 66 rotieren um Stifte 80, die in dem Flansch 72 verankert sind, während die Räder 68 auf Stiften 82 rotieren, die in dem Flansch 74 verankert sind. Für jeden Stift 80, der von dem Flansch 72 absteht, steht ein Stift 82 von dem Flansch 74 ab, und während entsprechende Stifte 80 und 82 miteinander fluchten, sind sie nicht miteinander verbunden. Somit kann sich jeder Stift 80 oder 82 frei bezüglich dem anderen Stift 80 oder 82 biegen, einschließlich zum Stift 80 oder 82 mit dem er fluchtet. Die Stifte 80 und 82 gleichen den kurzen Stiften 20 des Trägers 10 für das Planetengetriebesystem A. Weiterhin rotieren die Planetenräder 66 und 68 auf Lager 84, die den Lagern 34 gleichen, einschließlich der Lagerringhülsen 38, die eine doppelte Tragarmanordnung bereitstellen.
Bei dem Umlaufgetriebesystem B mit seiner gegenüberliegenden Planetenradanordnung ist es wahrscheinlicher, dass die Ablenkcharakteristik eines jeden der biegsamen Stifte 66 und 68 die gleichen Drehmomenteigenschaften aufweisen kann. Jedoch wird sich die gesamte Umlaufanordnung von der Antriebs- zur Abtriebsseite verziehen, wenn dem Träger 70 Drehmoment zugeführt oder von diesem abgenommen wird. So muss Sorge getragen werden, dass die Zähne der Planetenräder 66 und 68 entsprechend dem normalen Verzug an ihren Eingriffspunkten profiliert werden.
In beiden der Getriebesysteme A und B müssen die Wälzkörper der Lager 34 und 83 nicht unbedingt konische Wälzkörper sein, sondern können auch andere Formen einnehmen, wie beispielsweise Kugeln, zylindrische oder sphärische Wälzkörper oder Nadeln. Tatsächlich müssen die Lager überhaupt nicht Wälzkörper enthalten. Stattdessen kann jede Lagerringhülse 38 selbst als Lagerzapfen für das sie umgebende Planetenrad 6, 8, 66 oder 68 dienen. Wenn die Lager 34 und 84 Wälzkörper aufweisen, können die Laufflächen 36 und 46 an Lagerringen ausgebildet sein, die separat von den Planetenrädern 6, 8, 66 und 68 einerseits und den Lagerringhülsen 38 andererseits gebildet sind.

Claims

Planetengetriebeanordnung (A, B) mit einem Sonnenrad (2, 62); einem das Sonnenrad (2, 62) umschließenden Hohlrad (4, 64); ersten Planetenrädern (6, 66), die in einer Reihe zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad angeordnet sind und mit diesen im Eingriff stehen; zweiten Planetenrädern (8, 68), die in einer Reihe zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad angeordnet sind und mit diesen im Eingriff stehen, wobei die zweiten Planetenräder (8, 68) axial zu den ersten Planetenrädern (6, 66) versetzt angeordnet sind; gekennzeichnet durch einen Träger (10, 70) mit ersten Stiften (20, 80), auf denen sich die ersten Planetenräder (6, 66) drehen, und mit zweiten Stiften (22, 82), auf denen sich die zweiten Planetenräder (8, 68) drehen, wobei die ersten und zweiten Stifte (20, 22, 80, 82) voneinander losgelöst sind.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stift (20, 22, 80, 82) eine doppelt freitragende Aufnahme für das auf ihm drehende Planetenrad (6, 8, 66, 68) bildet.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) einen einzigen Flansch (14) aufweist und dass die ersten und zweiten Stifte (20, 22) in dem Flansch (14) verankert sind und sich von diesem aus derart erstrecken, dass sie bezüglich des Flansches (14) freitragend sind.
Getriebeanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Planetenräder (6, 8) auf Lagern (34) um ihre zugehörigen Stifte (20, 22) drehen, wobei jedes Lager (34) eine Laufflächenhülse (38) aufweist, die sich durch das Planetenrad (6, 8) hindurch und über den Stift (20, 22) erstreckt, wobei die Hülse (38) entfernt von dem Flansch (14) an ihrem Stift (20, 22) verankert ist und sich von ihrer Verankerung aus in Richtung des Flansches (14) und durch das Planetenrad hindurch erstreckt, wodurch das Planetenrad (6, 8) mittels eines doppelt freitragenden Arms auf dem Träger (10) montiert ist.
Getriebeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Stifte (80, 82) alternierend in einer kreisförmigen Reihe an dem Flansch (14) des Trägers (10) angeordnet sind und dass die zweiten Stifte (82) zwischen den ersten Planetenrädern (6) angeordnet sind.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (70) einen ersten und einen zweiten Flansch (72, 74) aufweist, wobei sich der erste Flansch (72) benachbart zu den ersten Planetenrädern (66) und sich der zweite Flansch (74) benachbart zu den zweiten Planetenrädern (68) befindet, und dass sich die ersten Stifte (80) von dem ersten Flansch (72) und die zweiten Stifte (82) von dem zweiten Flansch (74) aus erstrecken.
Getriebeanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Stifte (80, 82) jeweils freitragend an dem ersten bzw. zweiten Flansch (72, 74) des Trägers (70) angeordnet sind und dass sich die Planetenräder auf Lagern (34) um ihre zugehörigen Stifte drehen, wobei jedes Lager (34) eine Laufflächenhülse (38) aufweist, die sich durch das Planetenrad hindurch und über den Stift erstreckt, wobei die Hülse entfernt von dem Flansch an ihrem Stift verankert ist und sich von ihrer Verankerung aus in Richtung des Flansches und durch das Planetenrad hindurch erstreckt, wodurch das Planetenrad mittels eines doppelt freitragenden Arms auf dem Träger montiert ist.
Getriebeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ersten Stifte (80) axial mit einem der zweiten Stifte (82) fluchtet.
Getriebeanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger weiterhin Brücken (76) aufweist, die den ersten und den zweiten Flansch (72, 74) miteinander verbinden und sich zwischen benachbarten Paaren der ersten und zweiten Planetenräder erstrecken.