DE68908866T2 - Zahnradgetriebe. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Zahnradgetriebe mit einem ersten und einem damit zusammenwirkenden zweiten Zahnrad, welches derart angeordnet ist, daß seine Achse einen Winkel mit der Achse des ersten Zahnrades bildet und während des Betriebs eine konische Pendelbewegung ausführt, wobei eines der beiden Zahnräder drehbar und das andere gegen Drehung gehalten ist, wodurch während des Betriebs ein umlaufender Kämmeingriff zwischen dem ersten Zahnrad und dem das Eingangszahnrad des Getriebes bildenden zweiten Zahnrad erzeugt wird. Weiterhin sind das erste und das zweite Zahnrad auf einer gemeinsamen Welle gelagert. Das Zahnradgetriebe weist radial außerhalb der gemeinsamen Welle angeordnete Lager auf.
• Zahnradgetriebe dieser Bauart sind als Taumelgetriebe bekannt und zum Beispiel in SE-A-41 85 25 und in GB-A-2 011 016 beschrieben. In diesen schon bekannten Zahnradgetrieben sind die Eingangs- und Ausgangswellen unabhängig voneinander gelagert. Dies führt zu Unterbrechungen in der Kraftübertragung des Zahnradgetriebes und zu einem temperaturabhängigen Eingriff der Zähne.
• Ein anderes Zahnradgetriebe dieses Typs ist in US-A-3 532 005 beschrieben. Bei diesem Getriebe ist ein Zahnrad flexibel und wird mittels eines eine Schräglauffläche aufweisenden ringförmigen Bauteils mit dem anderen Zahnrad in Eingriff gebracht.
• Ein weiteres Zahnradgetriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist in JP-A-58 12 85 49 dargestellt.
• Bei diesem Getriebe sind die Zahnräder exzentrisch auf der Taumelachse angeordnet, um ein Schlichten der Zahnflanken während des Betriebs des Zahnradgetriebes vorzusehen.
• Noch eine weitere Art eines Zahnradgetriebes ist in DE-A- 3 715 834 gezeigt. Bei diesem Zahnradgetriebe sind die beiden zusammenwirkenden Zahnräder in einem gemeinsamen Gehäuse gelagert. Es wird darauf hingewiesen, daß das Getriebe als Taumelgetriebe verwendet werden kann, indem man das Gehäuse um es umgebende Lager dreht. Bei einer solchen Ausführung treten sehr große Schwungmassen auf. Außerdem gestaltet sich die Lageranordnung des Gehäuses sehr schwierig.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zahnradgetriebe der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das axial entlastet ist.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Zahnradgetriebe oben genannter Art zu schaffen, dessen Zahneingriff spielfrei ist. Weiterhin soll sein Zahnflankenspiel einstellbar sein und der Zahneingriff des Zahnradgetriebes soll temperaturunabhängig sein.
• Als eine noch weitere Aufgabe soll mit der Erfindung ein Zahnradgetriebe geschaffen werden, das eine hohe Übersetzung und einen hohen Wirkungsgrad besitzt und nur aus wenigen Bauteilen besteht.
• Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die in den beigefügten Ansprüchen definierten Merkmale gelöst.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in welchen eine Ausführungsform zum Zwecke der beispielhaften Erläuterung gezeigt wird. Diese Ausführungsform ist nur dazu gedacht, die Erfindung zu beschreiben und kann innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung abgewandelt sein.
• Es zeigen:
• Fig. 1 einen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2 durch eine Ausführungsform eines Zahnradgetriebes nach der Erfindung und
• Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.
• Das in Fig. 1 und 2 gezeigte Zahnradgetriebe besitzt ein erstes und ein zweites Zahnrad 10 bzw. 11, die ineinandergreifen. Die Achse 12 des zweiten Zahnrades 11 steht zur Achse 14 des ersten Zahnrades 10 in einem Winkel α. Das erste Zahnrad 10 ist mit einem ersten Wälzlager 16 auf einer Welle 15 drehbar gelagert, wobei die Mittelachse der Welle 15 mit der Achse des ersten Zahnrades 10 deckungsgleich ist.
• Das zweite Zahnrad 11, welches im Folgenden als Pendelzahnrad bezeichnet wird, ist bezüglich eines Getriebegehäuses 40 drehsicher in einer weiter unten genauer beschriebenen Art befestigt. Das Pendelzahnrad 11 ist weiterhin über Wälzlager 19, 20 auf einer schrägen Oberfläche der Welle 15 befestigt, welche den Winkel α zur Achse 14 bildet. Das unterscheidende Merkmal der Erfindung ist, daß die Zahnräder 10, 11 auf einer gemeinsamen Welle 15 gelagert sind.
• Die Welle 15 ist mit einer Mittelbohrung versehen, die zur Aufnahme einer Antriebswelle 28 von einem Motor 29 dient. Die Antriebswelle 28 ist dabei drehfest, jedoch axial verschiebbar in dieser Mittelbohrung angeordnet. Um die drehfeste Verbindung zu erreichen, kann die Antriebswelle 28, wie in Fig. 2 gezeigt, rund sein und geplante Flächen aufweisen, die vorgesehen sind, um mit entsprechenden planen Flächen in der Mittelbohrung zusammenzuwirken. Die Antriebswelle 28 kann zur Mitnahme der Welle 15 selbstverständlich auch in einer anderen Weise gestaltet sein, wie z. B. als Keilwelle.
• Das Pendelzahnrad 11 ist mittels einer Pendellagerung, die einen kardanischen Ring 35 einschließt, axial befestigt und gegen Verdrehung gesichert. Der kardanische Ring 35 ist um zwei diametral gegenüberliegende Wellenzapfen 36, 37 drehbar, die am Getriebegehäuse 40 befestigt sind. Zwei weitere Wellenzapfen 38, 39 sind orthogonal zu den Wellenzapfen 36, 37 am kardanischen Ring 35 befestigt Diese beiden diametral gegenüberliegenden Wellenzapfen 38, 39 tragen das Pendelzahnrad 11 in drehbarer Weise. Die gesamte Pendelaufhängung ist daher axial festgelegt und gegen Verdrehung gesichert.
• Die Zahnräder 10, 11 sind kegelförmig, wobei das Pendelzahnrad 11 eine konkave und das Zahnrad 10 eine konvexe Form besitzt. Die Scheitelpunkte der beiden kegelförmigen Zahnräder fallen in einem Punkt 0 zusammen, welcher auch das Zentrum für die kardanische Lagerung des Pendelzahnrades 11 ist, d. h., das Stützzentrum der kardanischen Aufhängung fällt in den Punkt 0. Weiterhin schneidet die schräge Pendelachse 12 die Antriebswelle 28 ebenfalls im Punkt 0.
• Beim Drehen der Antriebswelle 28 verlagert sich der Kontakt des ersten Zahnrades 10 mit dem Pendelzahnrad 11 sukzessive um den jeweiligen Zahnkranz, wenn die Achse 12 des Pendelzahnrades 11 eine konische Pendelbewegung (Taumeln) ausführt. Das heißt, es wird ein umlaufender kreisförmiger Kämmeingriff zwischen den Zahnrädern 10, 11 erzeugt. Falls die Zahnräder 10, 11 unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, dreht sich dadurch eines der Zahnräder relativ zum anderen mit einer langsameren Drehzahl als der Drehzahl der Antriebswelle 28. In der gezeigten Ausführung wird die langsamere Drehzahl an der Welle 14 des ersten Zahnrades 10 abgegriffen. Falls das erste Zahnrad 10 gegen Verdrehung gesichert vorgesehen ist, kann die langsamere Drehzahl am Element 40 abgegriffen werden, welches dann als eine drehbare Antriebseinheit ausgebildet ist.
• Pendelwellen- oder Taumel-Zahnradgetriebe arbeiten nach einem sehr einfachen Grundprinzip und besitzen normalerweise nur zwei Zahnräder, die an der Übersetzung beteiligt sind. Doppelseitige Taumelzahnräder kommen vor, verursachen jedoch recht schwierige Komplikationen. Die beiden an der Übersetzung beteiligten Zahnräder haben positive, d. h. Außenzahnflanken und können daher wie normale Stirnverzahnungen betrachtet werden. Dies sorgt für einen hohen Wirkungsgrad im Zahnradgetriebe und ist beispielsweise den inneren und äußeren Zahneingriffen in Planetengetrieben verschiedener Ausführungen überlegen, welche niedrigere Zahnradübersetzungsverhältnisse haben.
• In der oben beschriebenen Ausführungsform eines Zahnradgetriebes nach der Erfindung wird die Welle 15 von dem Motor 29 angetrieben, welcher bspw. ein Schrittmotor sein kann. Nur die Welle 15 und die inneren Laufringe der Wälzlager 16, 19, 20 rotieren mit der Eingangsdrehzahl des Zahnradgetriebes, wodurch sich geringe Massenträgheitsmomente ergeben. Dies ist besonders für Schrittmotorantriebe mit kontinuierlichen Wiederholungen von Start- und Stoppbewegungen von Bedeutung. Da das Pendelzahnrad 11 gegen Verdrehen im Getriebegehäuse 40 durch die Elemente der kardanischen Aufhängung 35, 36, 37, 38, 39 befestigt ist, wird das erste Zahnrad 10 dazu gezwungen, sich um die Differenz zwischen der Anzahl der Zähne der Zahnräder 10, 11 pro Pendelumlauf (Motorumlauf) zu drehen. Das Übersetzungsverhältnis U errechnet sich nach
• U = Z&sub1;&sub0;/Z&sub1;&sub1; - Z&sub1;&sub0;
• wobei Zio die Zahl der Zähne des Ausgangszahnrades 10 und Z&sub1;&sub1; die Zahl der Zähne des Eingangszahnrades 11 sind.
• Da das Pendelzahnrad 11 mehr Zähne als das Ausgangszahnrad 10 hat, kehrt sich die Ausgangsdrehrichtung im Vergleich zur Eingangsdrehrichtung um, d.h., das Übersetzungsverhältnis ist ein sogenanntes negatives Übersetzungsverhältnis.
• Mit demselben Standard-Getriebegehäuse ist es möglich, die in Fig. 1 und 2 gezeigte Getriebekonstruktion mit Übersetzungsverhältnissen nach der folgenden Tabelle auszuführen. Normalmodul Übersetzungsverhältnis
• In bisher bekannten pendelnden Zahnradgetrieben verursachte der umlaufende rotierende Zahneingriff und sein Kraftverlauf große technische Schwierigkeiten. Dank der erfindungsgemäß für beide Zahnräder 10, 11 gemeinsam vorgesehenen Welle 15 wurde es möglich, den Kraftverlauf zu beherrschen. Da die Eingangsantriebswelle 28 axial verschieblich in der Bohrung der Welle 15 gelagert ist, wird die kardanische Aufhängung axial von der Antriebsseite entlastet.
• Die Welle 15 ermöglicht es ebenfalls, die kardanische Aufhängung von Ausgangskräften zu entlasten, so daß die einzige Funktion der kardanischen Aufhängung darin besteht, die Zahnradpaarung gegen Verdrehen und axiale Bewegung zu sichern und dadurch das Ausgangsmoment zu übertragen. In der beschriebenen Ausführung ist das erste Zahnrad 10 mit einer Mehrzahl von Sacklöchern 32 versehen, welche mit der Ausgangswelle 30 verbundene Mitnahmestifte 31 zur Übertragung des Antriebsmoments aufnehmen. In den Sacklöchern 32 können Buchsen 41, wie z. B. O-Ringe, vorgesehen sein. Die Steifigkeit und/oder die Einbaugrößen der Buchsen werden vorzugsweise im Hinblick auf die gewünschte Steifigkeit der Kraftübertragung gewählt. Um die Zahnräder 10, 11 zu führen, z. B. um ihr Eigengewicht aufzunehmen, sind das erste Zahnrad 10 und die Abtriebswelle 30 mit zusammenwirkenden Führungsflächen 33, 34 versehen. Die Abtriebswelle 30 ist dementsprechend relativ zum ersten Zahnrad 10 axial verschiebbar, wodurch die Konstruktion auch von der Abtriebsseite axial entlastet ist. Die Welle 30 ist mit ihren eigenen Wälzlagern in geeigneter Ausführung versehen.
• Die Sacklöcher 32 können mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt sein, falls eine Dämpfung gewünscht wird, oder sie können mit Entlüftungslöchern versehen sein, um Pumpeffekte zu verhindern, die durch den kreisförmig umlaufenden Zahneingriff der Zahnradübersetzung hervorgerufen werden.
• Ein weiteres besonderes Merkmal des Getriebes nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es Mittel 13 zur Einstellung des Flankenspiels der zusammenwirkenden Zahnräder 10, 11 oder zur Vorbelastung des Zahneingriffs der Zahnräder aufweist. Diese Mittel sind in der erläuterten Ausführungsform Beilag- oder Paßscheiben 13, die zwischen dem inneren Laufring 17 des Wälzlagers 16 und einer Schulter 27 auf der Welle 15 angeordnet sind. Der innere Laufring 17 ist auf der Welle 15 mittels einer Lochmutter 24 befestigt. Der äußere Laufring 18 des Wälzlagers 16 ist im ersten Zahnrad 10 ebenfalls mittels einer zweiten Lochmutter 23 befestigt.
• Die inneren Laufringe 22 der Wälzlager 19, 20, die das Pendelzahnrad 11 tragen, sind mittels einer Lochmutter 26 gegen die Schulter 27 befestigt, wobei die Lochmutter 26 auf die Welle 15 geschraubt wird. Die äußeren Laufringe 2t der Lager 19, 20 sind im zweiten Zahnrad 11 mittels einer weiteren Lochmutter 25, die in das Pendelzahnrad 11 geschraubt ist, gehalten.
• Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal des Getriebes nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, einen temperaturunabhängigen Zahneingriff zu erhalten. Wie in Fig. 1 gezeigt, führt ein Temperaturanstieg in der Welle 15 zu einem Anstieg des Zahnflankenspiels zwischen den Zahnrädern 10, 11. Ein Temperaturanstieg in den Zahnrädern 10, 11 verursacht auf der anderen Seite eine Verringerung des besagten Spiels. Durch geeignete Ausgestaltung der Welle 15 und der Zahnräder 10, 11 können sich diese Effekte gegenseitig kompensieren, wodurch das Spiel oder die Vorspannung im Zahneingriff im wesentlichen unverändert beibehalten werden kann, unabhängig von der Temperatur an der Welle 15 und an den Zahnrädern 10, 11. Ein Temperaturabfall in der Welle 15 und in den Zahnrädern 10, 11 führt in gleicher Weise zu einer Verringerung bzw. Vergrößerung des Spiels im Zahneingriff zwischen den Zahnrädern 10, 11.
• Um das Auftreten von Kräften durch Oszillation von Massen zu vermindern, kann das Pendelzahnrad 11 aus Kunststoff gefertigt sein, wobei in das Zahnrad vorzugsweise ein Stahlmantel 42 zur Aufnahme der Wälzlager 19, 20 gepreßt wird. Statt eines Mittelloches kann die Welle 15 einen länglichen Steg aufweisen, welcher in passender Weise in Drehmoment übertragenden Eingriff mit dem Motor 29 gebracht wird.
• Da ein Zahnradgetriebe, das nach der Erfindung ausgelegt wurde, durch Vorspannen des Zahneingriffs völlig spielfrei eingestellt werden kann, ist es möglich, das Zahnradgetriebe vorzugsweise auf Gebieten wie der Meß-, Steuerungs-, Raketen- und Waffentechnik und für Stellglieder einzusetzen. Dank seiner Einfachheit ist eine solche Zahnradgetriebeeinheit billig, so daß sie auch in weniger anspruchsvollen Anwendungen nützlich ist.
• Aufgrund der Tatsache, daß das Zahnradgetriebe nach der Erfindung axial von der Beanspruchung entlastet ist, treten auf der Antriebs- oder Abtriebsseite des Zahnradgetriebes keine axialen Kräfte auf, die Hindernisse in der Kraftübertragung des Zahnradgetriebes hervorrufen können. Der Zahneingriff ist weiterhin unabhängig von Temperaturveränderungen in den Bauteilen, welche die Zahnradübersetzung bilden.

Claims (10)

1. Zahnradgetriebe mit einem ersten (10) und einem damit zusammenwirkenden zweiten (11) Zahnrad, welches derart angeordnet ist, daß seine Achse (12) einen Winkel (α) mit der Achse (14) des ersten Zahnrads (10) bildet, und während des Betriebs eine konische Pendelbewegung ausführt, wobei eines der beiden Zahnräder (10, 11) drehbar und das andere gegen Drehung gehalten ist, wodurch während des Betriebs ein umlaufender Kämmeingriff zwischen dem ersten Zahnrad (10) und dem das Eingangszahnrad des Getriebes bildenden zweiten Zahnrad (11) erzeugt wird, und wobei das erste und das zweite Zahnrad auf einer gemeinsamen Welle (15) gelagert sind und das Zahnradgetriebe radial außerhalb der gemeinsamen Welle (15) angeordnete Lager (16, 19, 20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte der Kegel des ersten (10) und des zweiten (11) Zahnrads in einem auf der Mittellinie der gemeinsamen Welle (15) liegenden Punkt (0) zusammenfallen und daß alle Kräfte des Zahneingriffs auf die gemeinsame Welle (15) übertragen werden und dadurch ein vorbestimmter Abrollkontakt im Zahneingriff erhalten wird.

2. Zahnradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel (13) zur Einstellung des Flankenspiels der zusammenwirkenden Zahnräder (10, 11) oder zur Vorbelastung des Zahneingriffs der Zahnräder aufweist.

3. Zahnradgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zahnrad (10) mittels eines ersten Wälzlagers (16) auf der gemeinsamen Welle (15) gelagert ist, und daß die Einstellmittel Beilagscheiben (13) oder eine Passscheibe aufweisen, die zwischen dem inneren Laufring (17) des ersten Wälzlagers (16) und einer Schulter (27) an der gemeinsamen Welle (15) eingesetzt sind.

4. Zahnradgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Laufring (17) des ersten Wälzlagers (16) mittels eines ersten Befestigungsglieds (24), wie z. B. einer Mutter, an der Schulter (27) festgelegt ist.

5. Zahnradgetriebe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zahnrad (11) mittels wenigstens eines zweiten Wälzlagers (20) auf der gemeinsamen Welle (15) gelagert ist und der innere Laufring (22) des zweiten Wälzlagers mittels eines zweiten Befestigungsglieds (26), wie z. B. einer Mutter, direkt oder indirekt an der Schulter (27) der gemeinsamen Welle (15) festgelegt ist.

6. Zahnradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (28) eines Motors (29) undrehbar, aber axial verschieblich mit der gemeinsamen Welle (15) an deren das zweite Zahnrad (11) tragenden Ende verbunden ist.

7. Zahnradgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Welle (15) mit einer zentralen Bohrung zur Aufnahme der Abtriebswelle (28) versehen ist und Mittel, wie z. B. ebene Flächen, Keile oder Stifte in der zentralen Bohrung für die Antriebsverbindung der gemeinsamen Welle (15) vorgesehen sind.

8. Zahnradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zahnrad (10) undrehbar, aber axial verschieblich mit der Ausgangswelle (30) des Zahnradantriebes verbunden ist.

9. Zahnradgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle (30) oder das erste Zahnrad (10) mit Mitnehmerstiften (31) versehen ist, die in Bohrungen (32) in dem jeweils anderen Teil aufgenommen sind, und daß die Ausgangswelle (30) und das erste Zahnrad (10) jeweils mit zusammenwirkenden inneren (33) bzw. äußeren (34) Führungsflächen ausgebildet sind.

10. Zahnradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zahnrad (11) axial und gegen Drehung gehalten ist mittels einer Pendelhalterung, welche einen das zweite Zahnrad (11) umgebenden kardanischen Ring (35) aufweist, der in diametral gegenüberliegenden ersten und zweiten Drehlagern (36, 37), die am Getriebegehäuse (40) festgelegt sind, schwenkbar und selbst mit dritten und vierten Drehlagern (38, 39) versehen ist, die senkrecht zu den ersten und zweiten Drehlagern angeordnet sind und das zweite Zahnrad (11) verschwenkbar tragen.