-
Kugelgetriebe Die Erfindung bezieht sich auf Übersetzungsgetriebe,
bei denen es darauf ankommt, möglichst große Übersetzungen bei möglichst kleinem
totem Gang zu erreichen. Die Getriebe sind in erster Linie für den Antrieb von Bauelementen
der Fernmeldetechnik, wie Drehkondensatoren, Variometern, veränderbaren Widerständen
u. dgl., gedacht. Sie sind jedoch hierauf keineswegs beschränkt und können mit dem
gleichen Vorteil für den Antrieb beliebiger anderer feinmechanischer Bauelemente
Verwendung finden.
-
Bei den bekannten Kugelgetrieben werden die Kugeln innerhalb eines
feststehenden Kugelkäfigs gehalten. Die von einer treibenden Welle in Rollbewegung
gesetzten Kugeln übertragen die Bewegung auf den anzutreibenden Körper, indem sie
an diesem abrollen. Um einen toten Gang zu verhindern, müssen die Kugeln innerhalb
des Kugelkäfigs möglichst spielfrei gelagert sein. Dies setzt voraus, daß der Kugelkäfig
gegen die Kugeln federt, wodurch sich auch bei der zu übertragenden Drehbewegung
eine unerwünschte Federung ergibt. Je härter zur Verringerung dieses Nachteils die
Federung zwischen Kugel und Kugelkäfig gemacht wird, um so größer werden die Reibungskräfte
zwischen den Kugeln und dem Kugelkäfig, die bei der Bewegungsübertragung überwunden
werden müssen. Ebenso steigen die Anforderungen an die Genauigkeit der Herstellung.
Auch der angetriebene Körper muß an der Berührungsstelle mit den Kugeln außerordentlich
genau hergestellt werden, damit eine Mitnahme ohne Auftreten unzulässig großer Reibungskräfte
erfolgt.
-
Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß
die Kugeln auf mindestens vier Bahnen rollen, von denen mindestens zwei verdrehungsfest
miteinander verbunden sind. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß
die Lage
einer Kugel und damit ihre Rollbewegung durch drei Punkte,
an denen eine rollende Berührung mit drei Abrollflächen stattfindet, bereits festgelegt
ist. Es kann daher an dem vierten Rollpunkt eine Tangentialkraft parallel zur Berührungsebene
auf die vierte Abrollfläche übertragen werden. Da die vier Abrollflächen als Rotationsflächen
ausgebildet sind, ist die Herstellung dieser Flächen außerordentlich einfach. Ein
Kugelkäfig ist bei dem Getriebe gemäß der Erfindung nicht oder nur in der bei Kugellagern
zur Festlegung des gegenseitigen Kugelabstandes üblichen Art erforderlich, so daß
die bei Kugelgetrieben mit Kraftübertragung über den Käfig durch den Kugelkäfig
bedingten Herstellungsschwierigkeiten und die an diesem auftretenden Reibungskräfte
in Fortfall kommen.
-
An Hand der Fig. i bis 9, die Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens
zeigen, werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.
-
In Fig. i ist die antreibende Welle mit A und der angetriebene Körper
mit G bezeichnet. Die Kugeln K laufen zwischen den Rotationsflächen i, 2, 3, 4,
von denen die beiden zuletzt genannten starr miteinander verbunden sind und auf
der antreibenden Achse A eine Einschnürung in Form eines Doppelkonus bilden. Die
beiden übrigen Rotationsflächen i und 2 stellen ebenfalls Kugelmantelflächen dar,
von denen die Fläche 2 zu der feststehenden Platte F und die Fläche i zu dem getriebenen
Körper G gehört. Die Lagerung der Achse des getriebenen Körpers G erfolgt mit Hilfe
des Kugellagers KL in der feststehenden Platte P und mit Hilfe des Kugelgetriebes
in der feststehenden Platte F. Beide Platten werden mit Hilfe der Bolzen S in- axialer
Richtung zusammengehalten. Mindestens eine Platte ist aus elastischem Material und
so dünn ausgebildet, daß sie in der Richtung der Drehachse federnd nachgeben kann.
Diese Federung ist so an die auftretenden Kräfte und die zu übertragenden Drehmomente
angepaßt, daß über lange Zeiten eine spielfreie, aber nicht zu schwer gehende Lagerung
ohne allzu hohe Forderungen an die Genauigkeit der Justierung bei Montage gewährleistet
wird. Für die antreibende Achse A ist ein weiteres Lager L in der ebenfalls feststehenden
Platte P1 vorgesehen, das auch als Kugellager ausgebildet sein kann. Das Kugelgetriebe
bildet also zugleich das eine der beiden Stirn- und Schulterlager des getriebenen
Körpers G: Wird die antreibende Achse A in Richtung des Pfeiles Pf, angetrieben,
so erfolgt eine Drehbewegung des Körpers G in entgegengesetzter Richtung (Pfeil
Pf,). Das Übersetzungsverhältnis der Bewegung3-übertragung kann durch Wahl verschiedener
Steigungen der Rotationsflächen in weiten Grenzen verändert, der Drehsinn von G
beliebig gewählt werden. In dem in Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiel sind
z. B. die Mantellinien der Kegel i, 3, 4 unter 30° und die Mantellinie des Kegels
2 unter 45° gegen die Drehachse geneigt. Werden drei bis auf einen kleinen Zwischenraum-
aneinanderstehende Kugeln verwendet, so ergibt sich ein Untersetzungsverhältnis
von etwa 6o : i zwischen A und G. Die kraftschlüssige Verbindung zwischen den Getriebeteilen
wird durch eine axiale Kraft hergestellt. Diese läßt sich durch axiale Verschiebung
des Kugellagers KZ mit Hilfe der Schraube S' einstellen.
-
Während bei den in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i gezeichneten
Kegelwinkeln die antreibende und die getriebene Welle im entgegengesetzten Sinne
umlaufen, ist in Fig. 2 das Getriebe so ausgebildet, daß beide Wellen den gleichen
Drehsinn aufweisen. Die Zuordnung der beiden Drehrichtungen ist von der Bemessung
der Neigungswinkel der einzelnen Rotationsflächen abhängig. Die durch den Feindrehknopf
DK2 angetriebene Welle A überträgt ihre Bewegung über die beiden Rotationsflächen
3 und 4, die einen Doppelkonus bilden, auf die Kugeln K, die ihrerseits an der feststehenden
Rotationsfläche 2 und der dem getriebenen Körper G zugeordneten Rotationsfläche
i abrollen. Der getriebene Körper stellt in diesem Fall den Rotor eines Drehkondensators
mit den Rotorplatten RP dar. Die beiden Endplatten F und P werden durch Bolzen in
axialer Richtung zusammengehalten. Die zur kraftschlüssigen Verbindung der Getriebeteile
notwendige Axialkraft kann auf besonders einfache und billige Weise mit Hilfe des
die Rotationsfläche 4 tragenden Kegels K1 eingestellt werden, der ein Innengewinde
trägt und durch eine Drehbewegung sich in Axialrichtung verschieben läßt. Die Mutter
M dient zur Feststellung der gewählten Lage des Kegels K1. Das Kugellager KZ dient
zur Aufnahme der axialen Schubkraft und zur Lagerung der Drehkondensatörachse der
feststehenden Platte P. Für den unmittelbaren Antrieb des Rotors ist ein Grobdrehknopf
DK, vorgesehen. Das Untersetzungsverhältnis des Getriebes kann durch Auswechseln
des Kegels K1 gegen einen solchen anderer Steigung geändert werden, ohne den Drehkondensator
auseinandernehmen zu müssen. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Getriebes, wiederum
für den Feinantrieb und die Lagerung eines Drehkondensators, bei der aber im Gegensatz
zu Fig.2 die Feinantriebswelle außen und die Grobantriebswelle innen angeordnet
ist. Hierdurch erhält der Feinantriebsknopf einen größeren Durchmesser als der Grobknopf
und kann daher bequemer und infolgedessen auch genauer eingestellt werden. Die Wirkungsweise
ist wie bei Fig.2 beschrieben, die Bezeichnungen der Einzelteile sind entsprechend
der Fig.2 gewählt. Statt der Mindestzahl von drei Kugeln (vgl. alle anderen Figuren)
werden mit Rückeicht auf den verhältnismäßig großen Durchmesser der schnell laufenden
Welle A sechs Kugeln verwendet. Bei größeren Kugelzahlen wird zweckmäßig ein Kugelkäfig
Kii verwendet, der ebenso wie bei Kugellagern zur Sicherung eines gleichmäßigen
Kugelabstandes und zur Vermeidung einer Reibung der Kugeln aneinander (Stahl auf
Stahl) dient. Für die Wirkung des Getriebes ist dieser in Fig.3b dargestellte, aus
einer dünnen Messing- oder Bronzeplatte bestehende Käfig im Gegensatz zu anderen
Kugelgetrieben unwesentlich. Der raumsparende Aufbau eines solchen Getriebes erlaubt
eine einfache. und ansprechende Lösung des Skalenproblems (Vollsichtskala SK mit
Zeiger Z, vgl: Fig.3a), das im allgemeinen bei Feinantrieben mit außenliegender
Feinantriebswelle Schwierigkeiten bereitet.
In Fig. q. gehören die
beiden starr miteinander verbundenen Rotationsflächen 3 und q. dem antreibenden
Körperteil A an. Die beiden übrigen Rotationsflächen i und 2 werden durch Kegelmantelflächeu
auf dem feststehenden und getriebenenTeilgebildet. Bei derdargestellten Ausführung
mit vier annähernd gleichen Kegelwinkeln findet eine Untersetzung ins Langsame statt.
-
Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 befinden sich die beiden
starr miteinander verbundenen Rotationsflächen 3 und 4. auf dem antreibenden Körper
A, während die Fläche i feststeht und die Fläche 2 dem getriebenen Teil G angehört.
Die beiden Flächen 3 und 4. bilden jedoch hier die Innenmantelflächen zweier Hohlkegel.
Ist der Winkel a, größer als ß, so führt der Körper G eine Rechtsdrehung, und ist
a kleiner als (l, eine Linksdrehung aus, wenn der Antrieb rechtssinnig erfolgt.
-
Die in den bisherigen Ausführungsbeispielen verwendeten kegelförmigen
Abrollflächen stellen nur einen infolge der einfachen Herstellbarkeit bevorzugten
Sonderfall dar. Die Rollfläche kann auch einen beliebig geformten Rotationskörper
begrenzen. So zeigt z. B. Fig. 6 eine Ausführungsform mit hohlkugelförmigen Laufflächen,
welche ähnlich wie ein Pendelkugellager den Vorteil einer selbsttätigen Einstellung
des Getriebes bietet. An die Genauigkeit der Ausrichtung der Lagerschalen werden
infolgedessen, wie in Fig. 6 angedeutet, nur sehr geringe Anforderungen gestellt.
Das Übersetzungsverhältnis kann bei dieser Ausführungsform durch geeignete Wahl
des Hohlkugelradius in weiten Grenzen frei gewählt werden.
-
Einen besonderen Fall bildet die Ausführungsform des Getriebes mit
einer zylindrischen Rollfläche. Der diese Zylinderfläche tragende Getriebeteil ist
in axialer Richtung gegen die anderen Getriebeteile nicht festgelegt, so daß eine
in manchen Anwendungsfällen erwünschte Längsbeweglichkeit (Schulterlager mit freier
Längsbeweglichkeit) entsteht. Andererseits müssen in diesem Fall die beiden miteinander
verdrehungsfest verbundenen Abrollflächen eine axiale gegenseitige Verschiebung
zulassen, um eine gleichzeitige kraftschlüssige Berührung der vier Rollflächen zu
ermöglichen. In Fig. 7 ist eine Ausführungsform mit einem Hohlzylinder als feststehende
Rollfläche i dargestellt. Die verdrehungsfest (Längsnut N im Teil A und Stift
S im Teil A') miteinander verbundenen Rollflächen 3 und q. werden durch eine
Feder Fe gegeneinandergeschoben und drücken die Kugeln K radial nach außen gegen
die Zylinderfläche i. Diese Feder Fe ist so ausgebildet (Haken in der Einfräsung
E und abgebogenes anderes Ende), daß auf den Stift S nicht nur in axialer, sondern
auch in Umfangsrichtung eine Kraft ausgeübt wird, wodurch dieser Stift an der einen
Seite der Längsnut kraftschlüssig und damit in der Drehrichtung spielfrei zum Anliegen
kommt. Die Drehbewegung wird von dem getriebenen Teil G an der Kegelfläche 2 abgenommen.
Der von diesem Teil zur Erzeugung des Reibungsdruckes ausgeübten Axialkraft P hält
eine gleich große, vom antreibenden Teil A aufgenommene Kraft das Gleichgewicht.
Sowohl der Teil A als auch der Teil G müssen daher an ihrem anderen Ende axial und
radial gelagert sein. Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 8 ein gleichfalls mit einer
zylindrischen, als Vollzylinder A ausgebildeten Rollfläche 5 versehenes Getriebe,
bei dem die zur kraftschlüssigen Anpressung erforderlichen Axialkräfte im Getriebe
selbst, also ohne Zuhilfenahme weiterer Lager, ausgewogen werden. Die Kugeln rollen
hier zwischen fünf Rotationsflächen, von denen je zwei (i, 2 und 3, ) verdrehungsfest,
aber axial federnd beweglich (federnde Endplatten Pf-Pf' bzw. P,-P,') miteinander
verbunden sind. Da bereits vier Rollflächen ein Getriebe bilden, ist z. B. durch
paarweise symmetrische Ausführung der Kugelflächen dafür gesorgt, daß beim Rollen
der Kugeln zwischen diesen keine zu Schleifbewegungen führende Gangunter-. schiede
auftreten. Die in axialer Richtung federnden, Endplatten sind jeweils durch Bolzen
B bzw. durch einen die anzutreibenden Teile tragenden Zylinder Z miteinander verbunden.
Zur axialen Festlegung der Antriebswelle A könnte bei dieser Ausführungsform auch
eine Hohlkehle oder ein symmetrischer Dopp--lkegel statt des Zylinders verwendet
werden.
-
Zur Erzielung sehr großer Untersetzungsverhältnisse (wegen der unvermeidlichen
Verluste ist bei Differentialgetrieben im allgemeinen nur eine Untersetzung wirtschaftlich)
können mehrere Getriebe der hier beschriebenen Art hintereinandergeschaltet werden.
Besonders einfach und für die Fertigung günstig sind hierbei Anordnungen, bei denen
die eine Rollfläche für alle Stufen gemeinsam verwendet wird. So kann z. B. eine
beliebige Anzahl Stufen der in Fig. 7 dargestellten Getriebebauart in einem gemeinsamen
Hohlzylinder hintereinandergesetzt und durch eine gemeinsame Axialkraft in kraftschlüssige
Verbindung gebracht werden. Da hierbei die schnell laufenden Teile ebenso groß werden
wie die langsam laufenden Glieder, besteht dort ein Mißverhältnis zwischen Festigkeit
und übertragenem Drehmoment, das jedoch mit Rücksicht auf den einfachen Aufbau in
Kauf genommen werden kann, wenn ausreichende Antriebskräfte zur Verfügung stehen.
-
Der zuletzt erwähnte Nachteil wird vermieden, wenn, wie in Fig. g
dargestellt, die gemeinsame Rollfläche als Hohlkegel ausgebildet wird, so daß die
Getriebestufen mit wachsender Drehgeschwindigkeit kleiner werden. Die zur axialen
Anpressung erforderliche Kraft wird hierbei zwischen den Stufen durch eine federnde
Membran M, z. B. wie Lautsprecherspinne ausgebildet, geliefert, die wohl eine axiale
Beweglichkeit, aber keine Verdrehung zwischen den Teilen B und C zuläßt.
-
Schließlich kann ein Getriebe der hier beschriebenen Art mit Kugelgetrieben,
die an der Kraftübertragung beteiligte Käfige verwenden, in einem gemeinsamen Hohlkegel
kombiniert werden. Es bildet dort zweckmäßig die schnell laufende, in axialer Richtung
festlegende Stufe.