EP3607225A1

EP3607225A1 - Drehdurchführung mit getriebe

Info

Publication number: EP3607225A1
Application number: EP18717822.3A
Authority: EP
Inventors: Daniel HÖSCHEN; Guntram CZYMEK
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2018-03-10
Publication date: 2020-02-12
Also published as: WO2018184611A1; DE102017003305A1; US20200018381A1; JP2020515779A; CN110325763A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehdurchführung, umfassend eine erste Welle (1), die über ein Mittel (2) zur Kopplung dieser Welle mit einem ersten Zahnrad (5, 6) verbunden ist, eine in einem Gehäuse (4) lagerbare zweite Welle (3), die fest mit einem zweiten Zahnrad (5, 6) verbunden ist, wobei eines der Zahnräder ein Außenzahnrad/Kurvenscheibe/Zykloidscheibe (6) mit i Zähnen und das andere Zahnrad ein Innenzahnrad/Bolzenring (5) mit i+x Zähnen ist, mit i = 3, 4, 5,...n und mit x = 1, 2,...n, und wobei das Außenzahnrad innerhalb des Innenzahnrades angeordnet ist und sich in diesem abzuwälzen vermag, wenigstens ein Mittel (2) zur Kopplung eines Zahnrades an die erste Welle (1) derart, dass eine Drehbewegung dieser Welle zu einer Exzenterbewegung des daran gekoppelten Zahnrads führt, sowie ein Mittel zur Abdichtung (7), welches das mit der ersten Welle (1) gekoppelte Zahnrad (5, 6) mit dem Gehäuse (4) zu verbinden vermag. Der entscheidende Punkt bei der erfindungsgemäßen Drehdurchführung liegt in dem Übergang einer rotatorischen Bewegung D1 einer ersten Welle (insbesondere einer Antriebswelle) in eine nur translatorische Bewegung (Exzenterbewegung), und von dieser wieder auf eine rotatorische Bewegung D2 der Abtriebswelle, kombiniert mit der Möglichkeit einer hermetischen Abdichtung, die so die Anwendung dieser Vorrichtung insbesondere an der Grenze zwischen Atmosphärendruck und Vakuum ermöglicht.

Description

Beschreibung

Drehdurchführung mit Getriebe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehdurchführung zur Übertragung von Drehbewegungen, insbesondere auf eine Getriebedrehdurchführung, die vorteilhaft hermetisch abgedichtet werden kann. Stand der Technik

Aus der Literatur sind zahlreiche mechanische Durchführungen beschrieben, mit deren Hilfe eine Drehbewegung übertragen werden kann. Bei der Übertragung von mechanischen Drehbewegungen in ein Vakuumsystem sind beispielsweise Elastomer gedichtete Durchführungen oder Balgdichtungen bekannt. Ferner existieren magnetisch gekoppelte Durchfüh- rungen, bei denen eine Bewegung mittels einer atmosphärenseitigen Vorrichtung über eine Magnetkupplung auf eine Welle im Vakuum übertragen wird, oder auch über Magnetofluide gedichtete Durchführungen. Solche magnetischen Durchführungen sind aber bei einigen medizintechnischen Anwendungen oder bei Fusionsexperimenten, bei denen magnetische Effekte eine Rolle spielen, nicht geeignet.

Für die Übertragung einer Drehbewegung mit einem Balg bei einer hermetischen Trennung zwischen Vakuum und Atmosphäre ist weiterhin auch das so genannte Katzenschwanz- oder auch Taumelprinzip bekannt, welches schematisch in Figur 1 aus [1] dargestellt ist. Dabei dreht eine abgewinkelte Antriebswelle (1 ), deren Ende in einem Kurbelzapfen (3) gelagert ist, die Abtriebswelle (4) im Vakuum. Über die nicht drehende Balgabdichtung (2), die wie die Antriebswelle eine Taumelbewegung ausführt, erfolgt die hermetische Abdichtung. Ab- und Antriebswelle werden mittels Edelstahlkugellagern gelagert, die mit einer vakuumtauglichen Trockenschmierung beschichtet sind. Für Ultrahochvakuum (UHV)- Anwendungen können beispielsweise auch Hydridlager mit Keramikkugeln eingesetzt wer- den.

Bei der vorgenannten Drehdurchführung kann vorteilhaft eine hermetische Abschirmung realisiert werden. Nachteilig ist für sie aber keine Übersetzung der Drehbewegungen vorgesehen. Zudem können durch sie in der Regel nur geringe Drehmomente von beispielsweise maximal 5 oder 10 Nm übertragen werden.

Aus der Literatur sind weiterhin mechanische Getriebe bekannt, mit dessen Hilfe eine erste Drehbewegung D1 über eine Übersetzung in eine zweite Drehbewegung D2 Φ D1 übertragen werden kann. Als ein Beispiel kann das sogenannte Zykloidgetriebe genannt werden. Ein Zykloidgetriebe ist eine Sonderform eines Exzentergetriebes. Die Funktionsweise eines Zykloidgetriebes kann anhand von Figur 2 aus [2] veranschaulicht werden. Ein Exzenter treibt mit einer Drehbewegung D1 , beispielsweise über ein Kugellager, eine innere Kurvenscheibe mit Kurvenabschnitten der Anzahl i an. Die Kurvenscheibe wälzt sich in einem fest stehenden äußeren Bolzenring mit i+1 Bolzen ab und führt somit selbst eine taumelnde Drehbewegung D2 Φ D1 aus. Bei jeder Umdrehung des Antriebsrades bewegt sich der Abtrieb um einen Kurvenabschnitt weiter. Die Drehbewegung der inneren Kurven- scheibe kann über Bolzen abgegriffen und auf die Abtriebswelle übertragen werden. Die Abtriebswelle eines Zykloidgetriebes weist in der Regel deutlich kleinere Drehzahlen im Vergleich zur Antriebsrotation aus.

Zykloidgetriebe besitzen in Bezug auf Vakuumanwendungen ferner den Vorteil, dass die Kurvenscheiben das Drehmoment wälzend übertragen.

Dementsprechend kann bei geeigneter Werkstoffwahl auch auf Schmiermittel verzichtet werden, was besonders im Fall einer Anwendung im Vakuum deutliche Vorteile mit sich bringt. Zykloidgetriebe sind in der Regel sehr langlebig und nur wenig wartungsintensiv.

Sowohl Exzentergetriebe als auch Zykloidgetriebe können in vielfältigen Anordnungen und Getriebestufen aufgebaut werden. Dabei können regelmäßig hohe Übersetzungen erreicht werden. Typische Übersetzungen für einstufige Zykloidgetriebe reichen beispielsweise von 29: 1 bis 179:1. Diese Getriebe können dabei mit hohen Momenten (kompakte Getriebe bis mehreren Tausend Nm kommerziell erhältlich) beaufschlagt werden und zudem mit Stößen um den Faktor 5 überlastet werden. Neben der hohen Belastbarkeit können auch hohe Positioniergenauigkeiten erreicht werden, typischerweise < 1 arcmin. Die vorgenannten Getriebe finden daher auch oft in der Robotertechnik Anwendung. Allerdings eignet sich ein Zykloidgetriebe aufgrund der mangelnden Abdichtungsmöglichkeiten in der Regel nicht für eine Anwendung als eine Drehdurchführung an der Grenze zwischen zwei Räumen mit unterschiedlichen Drücken (P1 , P2), und insbesondere an der Grenze zwischen Vakuum und Atmosphäre. Aufgabe und Lösung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehdurchführung zur Übertragung einer mechanischen Drehbewegung von einem ersten Raum in einen zweiten Raum zu ermöglichen, wo- bei die Räume hermetisch voneinander getrennt werden können, wie beispielsweise bei Vakuumanwendungen

Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Drehdurchführung für zwei Räume mit unterschiedlichen Drücken P1 und P2 bereitzustellen, wobei vorteilhaft P1 oder P2 ein Vakuum darstellen kann.

Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung bereitzustellen, die sowohl eine hohe Positioniergenauigkeit durch eine hohe Untersetzung ermöglicht, als auch für hohe Drehmomente > 20 Nm geeignet ist.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine Drehdurchführung mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Drehdurchführung ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass für eine insbesondere auch im Vakuum zu nutzende Drehdurchführung vorteilhaft die Prinzipien eines Exzenter- oder eines Zykloidgetriebes eingesetzt werden können, wobei zusätzlich eine Abdichtung der Exzenter- bewegung mit Bälgen verwendet wird, ähnlich wie es beim Katzenschwanzprinzip vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Drehdurchführung umfasst daher eine optimierte Kombination aus einem Exzenter- bzw. Zykloidgetriebe mit einer Balgabdichtung. Sofern die Drehdurchfüh- rung zumindest einseitig im Vakuum betrieben werden soll, ist auf Vakuumtaugliche Werkstoffe zu achten

Unter einer Exzenterbewegung ist eine Bewegung eines Körpers zu verstehen, bei der sich alle Punkte des Körpers mit gleicher Winkelgeschwindigkeit auf gleich großen Kreisen um verschiedene parallele Achsen drehen. Anders als bei der Rotation ändert der Körper seine Orientierung im Raum nicht. Es handelt sich also um eine reine Translation.

Unter einem Exzenter versteht man in der Mechanik und im Maschinenbau eine auf einer Welle angebrachte Steuerungsscheibe, deren Mittelpunkt außerhalb der Wellenachse liegt.

Mit einem Exzenter können zum Beispiel rotatorische (Dreh-) in translatorische (Längen-) Bewegungen umgewandelt werden und umgekehrt. Je kleiner die Exzentrizität ist desto mehr Kraft kann von der Antriebswelle entwickelt werden und desto geringer wird dafür der Hub. Der Zweck des Exzenters kann also einerseits die Umsetzung von Dreh- zu Längsbewegung oder andererseits eine Kraftverstärkung sein, wobei im Allgemeinen beide Effekte gewünscht sind.

Die erfindungsgemäße Drehdurchführung ist zwar ähnlich wie ein Standard-Zykloidgetriebe aufgebaut, weist aber dennoch einige entscheidende Unterschiede auf.

Die erfindungsgemäße Drehdurchführung umfasst eine erste Welle mit einem Mittel zur Kopplung dieser Welle mit einem ersten Zahnrad sowie eine in einem Gehäuse gelagerte zweite Welle, die mit einem zweiten Zahnrad verbunden ist. Bei dem ersten und zweiten Zahnrad handelt es sich einerseits um ein Innenzahnrad mit i+x innenliegenden Zähnen und um ein Außenzahnrad 6 mit i außenliegenden Zähnen. Es gilt i = 3, 4, 5 bis n, x = 1 , 2, 3 bis n und n = natürliche, positive Zahl. Die Abmessungen des Außenzahnrades im Verhältnis zum Innenzahnrad sind dabei derart, dass sich das Außenzahnrad im Innenzahnrad abzuwälzen vermag. Ferner umfasst die Drehdurchführung wenigstens ein Mittel zur Abdichtung, welches zwischen einem Gehäuse und einem der Zahnräder - je nach Ausgestaltung der Erfindung - angeordnet ist, und welches vorzugsweise eine Abdichtung, beispielsweise einen Balg, umfasst.

Sofern in dieser Anmeldung von einem Außenzahnrad gesprochen wird, ist auch und insbesondere eine in einem herkömmlichen Zykloidgetriebe verwendete Kurvenscheibe bzw. eine Zykloidscheibe gemeint, sowie bei dem hier verwendeten Begriff eines Innenzahnrades auch und insbesondere Bolzen oder Rollen oder Wälzkörper oder ein Bolzenring mit umfasst sein sollen.

Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Gehäuse ein Teil eines abgrenzbaren Raumes verstanden, in den oder aus dem eine Drehbewegung durch die erfindungsgemäße Drehdurchführung erfolgen soll.

Vorzugsweise wird die erste Welle als eine Antriebswelle und entsprechend die zweite Welle als eine Abtriebswelle betrieben. Dies ist aber nicht zwingend.

Die fest in dem Gehäuse gelagerte zweite Welle ist fest mit einem Zahnrad verbunden. Fest bedeutet in diesem Zusammenhang nicht zwingend eine stoffschlüssige Verbindung, sondern nur dass eine 1 :1 Übertragung der Drehbewegung der Welle und des damit verbundenen Zahnrads erfolgt. Die erste Welle ist demgegenüber über ein Mittel zur Kopplung mit dem jeweils anderen Zahnrad verbunden, welches eine Übertragung der Drehbewegung der Welle in eine Exzenterbewegung des damit verbundenen Zahnrads ermöglicht. Das Außenzahnrad und das Innenzahnrad sind geometrisch aneinander angepasst. Das Außenzahnrad ist innerhalb des Innenzahnrades angeordnet und zwar derart, dass sich das Außenzahnrad am Innenzahnrad abwälzen kann, sofern das Innenzahnrad fest mit einer Welle verbunden ist, oder das Innenzahnrad sich um das Außenzahnrad abwälzen kann, sofern das Außenzahnrad fest mit einer Welle verbunden ist.

Je nach Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Welle fest mit einem Außenzahnrad oder einem Innenzahnrad verbunden. Entsprechen ist dann die erste Welle jeweils über das Mittel zur Kopplung mit dem jeweils anderen Zahnrad verbunden. Als eine einfache Ausführungsform des Mittels zur Kopplung ist beispielsweise ein Exzenter zu nennen, der fest mit der ersten Welle verbunden ist und insbesondere über eine Lagerung das Zahnrad an die Welle ankoppelt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Exzenter eine in Bezug auf die Antriebswelle nicht zentral angeordnete Aussparung auf, in die ein an einem Innenzahnrad bzw. Außenzahnrad zentral angeordneter Zapfen greift. Die Drehbewegung der Antriebswelle führt bei der nicht zentral angeordneten Aussparung somit zu einer Exzenterbewegung, die über einen Zapfen auf das Innen- bzw. Außenzahnrad übertragen wird. Zapfen und Aussparung sind dabei geometrisch aneinander angepasst.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Exzenter einen in Bezug auf die erste Welle nicht zentral angeordneten Zapfen auf, der in eine an dem Innen- bzw. Außenzahnrad zentral angeordnete Aussparung greift. Die Drehbewegung der ersten Welle führt in diesem Fall über den nicht zentral angeordneten Zapfen ebenfalls zu einer Exzenterbewe- gung, die über einen Zapfen auf die Aussparung des Innen- bzw. Außenzahnrads übertragen wird. Auch in diesem Fall sind Zapfen und Aussparung geometrisch aneinander angepasst.

Eine weitere alternative Ausführungsform des Kopplungsmittels 2 sieht vor, dass die erste Welle am Ende abgewinkelt ist und deren Ende in einem Zapfen endet, der in eine an dem zu koppelnden Zahnrad zentral angeordnete Aussparung greift. Vorteilhaft können bei allen Ausführungsformen Zapfen und Aussparung besonders leichtläufig über ein Lager, z. B. ein Kugellager, flexibel verbunden sein.

Dementsprechend ist bei der erfindungsgemäßen Drehdurchführung jeweils ein Zahnrad fest mit der zweiten Welle verbunden und das jeweils andere, korrespondierende Zahnrad über ein Mittel zur Kopplung flexibel mit der anderen, ersten Welle verbunden, wobei die flexible Verbindung eine Übertragung der Drehbewegung der Antriebswelle in eine Exzenterbewegung des jeweils daran angekoppelten Zahnrades ermöglicht. Durch den Einsatz eines äußeren Innenzahnrads mit i+x innenliegenden Zähnen, mit i = 3, 4, 5, bis n und x = 1 , 2, bis n, sowie ein inneres Außenzahnrads mit i außenliegenden Zähnen, erfolgt die Übertragung der Drehbewegung nicht 1 :1 , sondern es erfolgt immer eine Untersetzung der Drehbewegung von der Antriebswelle zur Antriebswelle. Die Untersetzung der Drehbewegung ist dabei umso größer, je größer x und je kleiner i gewählt wird, wobei x nicht absolut beliebig groß gewählt werden kann, sondern aus geometrischen Gründen immer in einer bestimmten Relation zu i steht.

Dadurch, dass das mit der ersten Welle gekoppelte Zahnrad keine Drehbewegung sondern ausschließlich eine 2-dimensionale Exzenterbewegung senkrecht zur Achse der ersten Welle durchführen kann, ist es vorteilhaft möglich, eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse und dem mit der ersten Welle gekoppelten Zahnrad zu realisieren.

Diese Abdichtung kann insbesondere hermetisch sein, so dass auf der Antriebs- und der Abtriebsseite dieser Drehdurchführung zwei abgrenzbare Räume entstehen, die sich durch den dort herrschenden Druck und/oder sie enthaltende Medien (gas/flüssig) unterscheiden können, ohne dass die Übertragung der Drehbewegung dadurch beeinflusst wird.

Das Mittel zur Abdichtung ist vorteilhaft flexibel ausgestaltet, da es die Exzenterbewegung des mit der Welle 1 gekoppelten Zahnrades gegenüber dem Gehäuse aufnehmen muss. Das Mittel umfasst beispielsweise einen oder mehrere Bälge oder auch nur eine flexible Folie. Das in der Abdichtung verwendete Material kann dabei vorteilhaft an die entsprechende Anforderung bezüglich der Temperatur, der eingestellten Druckdifferenz, bzw. auch der vorliegenden Medien (aggresiv, korrosiv etc.) angepasst werden. Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Drehdurchführung gemäß einer ersten Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben, ohne dass dies als Einschränkung zu verstehen ist. Die erste Welle (in diesem Fall die Antriebswelle) mit einem Exzenter als Mittel zur Kopplung überträgt die Drehbewegung D1 der Welle in eine Exzenterbewegung des daran gekoppelten Innenzahnrads. Die Exzenterbewegung des Innenzahnrads 5 führt analog zur Funktionsweise eines Zykloidgetriebes dazu, dass sich das fest mit der zweiten Welle (hier Ab- triebswelle) verbundene Außenzahnrad an den Zähnen des Innenzahnrads abwälzt und dadurch selbst eine Drehbewegung D2 erfährt. Durch die Anordnung von i+x Zähnen am Innenzahnrad und i Zähnen am Außenzahnrad erfolgt eine Übertragung der Drehbewegungen derart, dass sich auf der Abtriebsseite eine Drehbewegung D2 < D1 , also eine Untersetzung ergibt.

Dadurch, dass das Innenzahnrad zwar eine Exzenterbewegung aber keine Drehbewegung ausführt, kann es vorteilhaft über eine hermetische Abdichtung mit einem Gehäuse verbunden werden, in welchem die Abtriebswelle 3 gelagert ist. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abdichtung einen Balg. Diese Ausführung ist somit besonders geeignet, die Drehdurchführung an einer Grenze von zwei Räumen mit unterschiedlichen Drücken anzuwenden. Beispielsweise kann in dem Gehäuse ein Druck P1 eingestellt sein, während außerhalb des Gehäuses, auf der Seite der Antriebswelle, ein Druck P2 > P1 herrscht.

Der Unterschied der erfindungsgemäßen Drehdurchführung und einem Zykloidgetriebe liegt darin, dass durch die Drehbewegung der Antriebswelle bei einem Zykloidgetriebe eine innere Kreisscheibe mit außenliegenden Zähnen (Außenzahnrad) gleichzeitig in eine exzentrische Bewegung und in eine Drehbewegung versetzt wird, während bei der erfindungsgemäßen Drehdurchführung das Innenzahnrad nur in eine Exzenterbewegung versetzt wird. Im Unterschied zu einem Zykloidgetriebe kann dadurch bei der vorliegenden Erfindung die Antriebswelle gegenüber der Abtriebswelle vorteilhaft hermetisch abgedichtet werden, so dass eine solche Drehdurchführung insbesondere für die Übertragung einer Drehbewegung in oder aus einem Vakuum geeignet ist. Die Abdichtung kann beispielsweise über einen oder mehrere Bälge erfolgen.

Der entscheidende Punkt bei der Erfindung liegt in dem Übergang einer rotatorischen Bewegung D1 einer ersten Welle (insbesondere einer Antriebswelle) in eine nur translatorische Bewegung (Exzenterbewegung), und von dieser wieder auf eine rotatorische Bewegung D2 der Abtriebswelle, kombiniert mit der Möglichkeit einer hermetische Abdichtung, die so die Anwendung dieser Vorrichtung insbesondere an der Grenze zwischen Atmosphärendruck und Vakuum ermöglicht. Sofern das Mittel zur Abdichtung nicht schon selbst verwindungssteif ausgestaltet ist, kann optional auch eine zusätzliche Oldhamkupplung sicherstellen, dass das mit der Antriebswelle gekoppelte Zahnrad ausschließlich eine Exzenterbewegung und keine Drehbewegung durchführt und so auch die Abdichtung keine Drehbewegung erfährt bzw. diese abfangen muss.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Drehdurchführung gemäß einer zweiten Ausführungsform ist wie folgt. Eine erste Welle (Antriebswelle) überträgt die Drehbewegung D1 der Antriebswelle über ein Mittel zur Kopplung in eine Exzenterbewegung des an die Antriebswelle gekoppelten Außenzahnrades. Die Exzenterbewegung des Außenzahnrads führt analog zur Funktionsweise eines Zykloidgetriebes dazu, dass sich das fest mit der zweiten Welle (Abtriebswelle) verbundene Innenzahnrad an den Zähnen des Außenzahnrads abwälzt und dadurch selbst eine Drehbewegung D2 erfährt. Durch die Anordnung von i Zähnen am Außenzahnrad und i+x Zähnen am Innenzahnrad erfolgt auch in dieser Ausgestaltung eine Übertragung der Drehbewegung derart, dass sich eine Drehbewegung D2 < D1 , also eine Untersetzung ergibt.

Dadurch, dass in dieser Ausgestaltung das Außenzahnrad eine Exzenterbewegung aber keine Drehbewegung ausführt, erfolgt die hermetische Abdichtung in diesem Fall zwischen dem Gehäuse und dem Außenzahnrad, wobei gegebenenfalls das Außenzahnrad eine zusätzliche Vorrichtung aufweist, die über die Ausmaße des mit dem Außenzahnrad korrelierenden Innenzahnrads hinausreicht, um so eine gute Anbindung der Abdichtung an das Gehäuse zu ermöglichen. Diese zusätzliche Vorrichtung kann dabei als Teil des Außenzahn- rades oder auch als Teil der Abdichtung angesehen werden.

Eine solche zusätzliche Vorrichtung könnte beispielsweise eine kreisförmige Scheibe sein, die auf der Außenseite des sich im Innenzahnrad abwälzenden Außenzahnrads fixiert ist und einen deutlich größeren Durchmesser als das Innenzahnrad aufweist. An der Außenkante könnte dann beispielsweise ein Balg ansetzen, der mit dem Gehäuse verbunden ist, so dass selbst bei einer Exzenterbewegung des Außenzahnrades der Balg nicht an das Innenzahnrad anstößt. Auch diese Ausführung ist somit besonders geeignet, die Drehdurchführung an einer Grenze von zwei Räumen mit unterschiedlichen Drücken bzw. Medien anzuwenden, die voneinander abgedichtet werden müssen.

Das Mittel zur Abdichtung selbst kann im einfachsten Fall aus einer Balgabdichtung mit nur einem Balg bestehen. Es sind aber auch Ausgestaltungen mit mehreren Balgabdichtungen möglich. Denkbar ist auch in Abhängigkeit der Geometrie des Gehäuses an der Stelle der Drehdurchführung jegliche andere flexible Möglichkeit der Abdichtung, solange sie eine Exzenterbewegung gegenüber einem festen Gehäuse zulässt, beispielsweise eine flexible Folie.

Die Abdichtung sollte für die möglichen Anwendungsgebiete und die dort eingestellten Temperaturen und Druckverhältnisse geeignet sein. Bei Einsatz in aggressiven Medien ist auf eine entsprechende Stabilität und Beständigkeit der eingesetzten Materialien, insbesondere des Balgs oder der Folie zu achten.

Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Drehdurchführung ist, dass sie ohne Schmiermittel auskommen kann, und dadurch der Anwendungsbereich dieser Drehdurchführung nicht auf bestimmte Temperaturbereiche beschränkt ist, wie es andernfalls aus dem Stand der Technik für Getriebe mit Schmiermitteln bekannt ist, die nur in einem bestimmten Temperaturintervall eingesetzt bzw. betrieben werden dürfen.

Bei einer wälzenden Bewegung, wie sie zwischen dem Außenzahnrad und dem Innenzahnrad erfolgt, treten in der Regel keine aufeinander gleitenden Flächen auf. Dies verringert vorteilhaft die Gefahr des Fressens, die die Funktionalität der Drehdurchführung negativ beeinträchtigen könnte. Ferner kann auf diese Weise die Gefahr, das kleine Partikel aus der Oberfläche herausbrechen, verringert werden. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz im UHV wichtig, um keine Verunreinigungen zu erzeugen.

Ferner wird nochmals festgestellt, dass die erfindungsgemäße Drehvorrichtung zwar beson- ders vorteilhaft eingesetzt werden kann, wenn auf Seiten der Antriebs- oder Abtriebswelle unterschiedliche Drücke vorherrschen, dies aber nicht zwingend ist. Vorstellbar ist auch, dass bei identischen Drücken auf Seiten der Antriebswelle (P1 = P2), egal ob Unterdruck, Atmosphärendruck oder Überdruck, eine Abdichtung benötigt wird, weil z. B. eine Seite keinem aggressiven bzw. korrosiven Medium ausgesetzt werden darf, die andere Seite aber unempfindlich auf dieses Medium reagiert.

Die für Zykloidgetriebe typische Kraftübertragung über Bolzen bzw. Rollen, im Rahmen dieser Erfindung Zahnräder genannt, ermöglicht vorteilhaft einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und ein extrem geringes Spiel des Getriebes. Dieses geringe Spiel er- möglicht vorteilhaft eine sehr gute Positionierbarkeit. Die hohe Positioniergenauigkeit wird dabei durch eine hohe Untersetzung und gleichzeitiger Spielfreiheit des Getriebes erreicht, wobei eine entsprechende steife Drehmomentenabstützung vorausgesetzt wird. Die rollende Reibung aller an der Kraftübertragung beteiligten Elemente gewährleistet außerdem ein sehr geringes Losbrechmoment.

Als Material für die in dieser Anmeldung offenarten Zahnräder bzw. die Oberflächenbe- Schichtung der Zahnräder sind alle gängigen Materialien geeignet, wie sie bereits aus dem Stand der Technik für Zykloidgetriebe bekannt sind. Insbesondere sind dabei zu nennen Metalle, Hochleistungskunststoffe sowie Keramiken, wobei die Zahnräder komplett aus diesen Materialien gefertigt sein können oder auch nur mit diesen Materialien beschichtet sein können.

Für einen Einsatz im Vakuum bzw. Hochvakuum sind insbesondere Keramiken von Vorteil, da sie ohne Schmiermittel auskommen, eine hohe Tragzahl aufweisen, d. h. hoch belastbar sind, und insbesondere für hohe Temperaturen und hohe Drehzahlen geeignet sind. Dabei wäre es sogar ausreichend, wenn nur eines der Zahnräder, also das Innenzahnrad oder das Außenzahnrad, aus einer Keramik hergestellt wäre, eine Keramik umfassen würden oder auch nur mit einer Keramik beschichtet wäre.

Optional kann zusätzlich eine Kupplung vorgesehen werden, die eine axiale Verschiebung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle ausgleichen kann. Eine dafür besonders gut geeignete Kupplung ist beispielsweise eine Oldham-Kupplung.

Spezieller Beschreibunqsteil

Im Weiteren wird die Erfindung an verschiedenen Ausführungsbeispielen und einigen Figuren näher erläutert, ohne dass dies zu einer Einschränkung des Schutzumfanges führen soll.

Dabei zeigen:

Figur 1 : Schematische Darstellung des so genannten Katzenschwanzprinzips aus [1]. Figur 2: Schematische Darstellung eines Zykloidgetriebes aus [2].

Figur 3: Schematische Schnittzeichnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Drehdurchführung mit einem fest mit der Abtriebswelle verbundenen Innenzahnrad.

Figur 4: Schematische Schnittzeichnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Drehdurchführung mit einem fest mit der Abtriebswelle verbundenem Außenzahnrad.

Figur 5: Schematische Schnittzeichnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Drehdurchführung mit taumelndem/fixiertem Außenzahnrad. Figur 6: Schematische Darstellung beispielhafter Ausführungsformen des Mittels zur Kopplung zwischen einer Antriebswelle und einem Innen- bzw. Außenzahnrad.

Figur 7: Schematische Darstellung des Ineinandergreifens eines Außenzahnrads mit i+x

Zähnen in einem Innenzahnrad mit i Zähnen.

Figur 8: Schematische Schnittzeichnungen einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehdurchführung mit zusätzlicher Unterstützung durch eine Oldhamkupplung.

Figur 9: Schematische Darstellung einer Oldhamkupplung

Figur 10: Schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Drehdurchführung, hier mit 10 Bolzen/Wälzkörpern als Innenzahnrad und einer Kurvenscheibe mit 9 Zähnen als Außenzahnrad im Querschnitt.

In der Figur 2 bedeuten:

A. Antriebswelle A1 mit Exzenter E

B. Kugellager für Exzenter

C. Kurvenscheibe (Außenzahnrad) mit 10 (i) Zähnen und Durchbrüchen für Stifte

D. fester äußerer Bolzenring (Innenzahnrad) mit 11 (i + 1 ) Zähnen

E. mit Stiften verbundene Abtriebswelle A2.

In den Figuren 3 bis 10 bedeuten dabei:

1 erste Welle, insbesondere Antriebswelle

2 Mittel zur Kopplung eines Zahnrades an eine erste Welle

3 zweite Welle, insbesondere Abtriebswelle

4 Gehäuse

5 Innenzahnrad / Bolzenring

6 Außenzahnrad / Kurvenscheibe / Zykloidscheibe

7 Mittel zur Abdichtung, insbesondere umfassend wenigstens einen Balg oder Folie

10 Oldham-Kupplung

11 horizontaler Schlitz der Oldham-Kupplung

12 vertikaler Schlitz der Oldham-Kupplung

13 Hülsen

14 Steg

15 Wälzkörper

16 Wälzlager Im Folgenden wird anhand eines einfachen Exzentergetriebes mit hermetischer Abdichtung beispielhaft die Funktion der erfindungsgemäßen Drehdurchführung, wie sie in Figur 3, einer ersten Ausführungsform der Erfindung, schematisch dargestellt ist, erläutert. Über die Antriebswelle 1 wird das Innenzahnrad (äußerer Ring mit innenliegenden Zähnen) 5 der erfindungsgemäßen Drehdurchführung mittels eines Exzenterkörpers 2 auf eine Exzenterbahn gezwungen. Dies erfolgt im vorliegenden Fall durch eine nicht zentral angeordnete Nut im Exzenterkörper und sowie einen der Nut entsprechenden, zentral angeordneten Zapfen am Innenzahnrad.

Auf der anderen Seite befindet sich eine in einem Gehäuse 4 gelagerte Abtriebswelle 2, die mit einem Außenzahnrad 6 verbunden ist. Das Außenzahnrad 6 und das Innenzahnrad 5 korrespondieren und sind so positioniert, dass sich das Außenzahnrad im Innenzahnrad abwälzen kann.

Im Unterschied zu einem herkömmlichen Zykloidgetriebe dreht sich das Innenzahnrad 5 nicht um seine eigene Achse, sondern führt lediglich eine durch den Exzenter vorgegebene Exzenterbewegung aus. Wie aus Figur 3 ersichtlich kann das Innenzahnrad 5 dadurch beispielsweise von einem Balg 7 gegenüber einem Gehäuse 4 verdrehsicher abgestützt und abgedichtet werden.

Da das Innenzahnrad 6 und das Außenzahnrad 5 eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen wird das Außenzahnrad 5 durch die Exzenterbewegung des Innenzahnrads 6 selbst in eine Drehbewegung versetzt. Durch die Abdichtung in Form des Balgs 7 können beispielsweise ein Vakuumraum P1 und ein Raum mit Atmosphärendruck P2 oder auch umgekehrt hermetisch voneinander getrennt werden.

Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der nunmehr die Antriebswelle 1 mit einem Außenzahnrad 6 und die Abtriebswelle 3 fest mit einem Innenzahn- rad 5 verbunden ist. Auch hier kommt es zu einer Umsetzung einer Drehbewegung D1 der Antriebswelle 1 zunächst in eine Exzenterbewegung des Außenzahnrads 6, welches eine Drehbewegung D2 des korrespondierenden Innenzahnrads 5 bewirkt, welches diese an die fest verbundene Abtriebswelle 3 überträgt. In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich wie in der Figur 5 abgebildet. Allerdings erfolgt in diesem Fall die Abdichtung nicht durch einen Balg sondern aufgrund einer anderen geometrischen Anordnung des Gehäuses durch eine flexible, gasundurchlässige Folie.

Die Figur 6 zeigt beispielhaft mögliche und geeignete Ausführungsformen der Kopplung zwischen der Antriebswelle 1 und einem damit fest verbunden Exzenter 2 auf der einen Seite und dem damit flexibel verbundenen Zahnrad, wobei dies je nach Ausführungsform sowohl ein Innenzahnrad als auch ein Außenzahnrad (hier nicht dargestellt) sein kann. In der Ausführung auf der linken Seite kann auf einen zusätzlichen Exzenter verzichtet werden, weil hier eine abgewinkelte Antriebswelle 1 gleichzeitig die Funktion eines Exzenters übernimmt.

Die Figur 7 zeigt die zentrale Anordnung eines Außenzahnrads 6 und die des umlaufenden Innenzahnrads 5 im Querschnitt. Dadurch, dass das Innenzahnrad i+x Zähne, das Außenzahnrad 6 jedoch nur i Zähne aufweist, wird durch eine Exzenterbewegung des Innenzahnrades das Außenzahnrad in eine Drehbewegung gezwungen, da sich die Zähne des Außen- Zahnrades am Innenzahnrad entsprechend abwälzen. Durch die unterschiedliche Anzahl von Zähnen kommt es somit zwingend auch immer zu einer Untersetzung der Drehbewegungen von Antriebs- und Abtriebswelle. Eine 1 :1 Übertragung der Drehbewegung der Antriebswelle auf die Abtriebswelle ist mit der erfindungsgemäßen Drehdurchführung somit in dieser Ausführungsform nicht zu realisieren.

In der Figur 8 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehdurchführung mit einer zusätzlichen Abstützung durch eine Oldham-Kupplung (Figur 9, Schnitt B-B) dargestellt. Die Antriebswelle 1 erzeugt eine Kreisbewegung der Zykloidscheibe 6. An der Zykloidscheibe 6 ist wiederum ein Balg 7 befestigt, der die hermetische Abdichtung zum Gehäuse 4 ermög- licht. Die Momentenabstützung der Zykloidscheibe (Kurvenscheibe) 6 erfolgt durch die Old- hamkupplung 10. In diesem Ausführungsbeispiel besteht diese aus einer Scheibe mit zwei horizontalen 1 1 und einem vertikalen 12 Schlitz. In die horizontalen Schlitze 11 greifen an der Kurvenscheibe 6 befestigte Hülsen 13. In den vertikalen Schlitz greift ein Steg 14, der mit dem Gehäuse 4 fest verbunden ist. Grundsätzlich kann auch bei Zykloidgetrieben auf die Oldhamkupplung verzichtet und das Moment über den Balg abgestützt werden.

In Figur 10 ist der Eingriff der Wälzkörper 15 in die Zykloidscheibe (Kurvenscheibe) zu sehen. Die Wälzkörper sind hier ihrerseits über Wälzlager 16 gehalten. Die gesamte Getriebestufe kann somit rein wälzend umgesetzt werden. Zykloidgetriebe sind regelmäßig nicht selbsthemmend. Es ist somit auch ein Wechsel von Antriebs- zu Abtriebsseite möglich. Auf diese Weise könnte beispielsweise auch eine schnellere Drehbewegung im Vakuum erzeugt werden.

In dieser Anmeldung zitiert:

[1] aus: https://www.pfeiffer-vacuum.com/de/know-how/mechanische-komponenten-im- vakuum/manipulatoren-und-mechanische-durchf- hrungen/funktionsprinzipien/balggedichtete-rotation/

[2] aus: https://de.wikipedia.org/wiki/Zykloidgetriebe

Claims

Patentansprüche

Drehdurchführung, umfassend

- eine erste Welle (1), die über ein Mittel (2) zur Kopplung dieser Welle mit einem ersten Zahnrad (5, 6) verbunden ist,

- eine in einem Gehäuse (4) lagerbare zweite Welle (3), die fest mit einen zweiten Zahnrad (5, 6) verbunden ist,

wobei eines der Zahnräder ein Außenzahnrad (6) mit i Zähnen und das andere Zahnrad ein Innenzahnrad (5) mit i+x Zähnen ist, mit i = 3, 4, ...n und mit x = 1 , 2, ...n, und wobei das Außenzahnrad innerhalb des Innenzahnrades angeordnet ist und sich in diesem abzuwälzen vermag,

- wenigstens ein Mittel (2) zur Kopplung eines Zahnrades an die erste Welle (1) derart, dass eine Drehbewegung dieser Welle zu einer Exzenterbewegung des daran gekoppelten Zahnrads führt, sowie

- ein Mittel zur Abdichtung (7), welches das mit der ersten Welle (1) gekoppelte Zahnrad (5, 6) mit dem Gehäuse (4) zu verbinden vermag.

Drehdurchführung nach Anspruch 1 ,

mit einem Exzenter oder einer abgewinkelte Welle als Mittel (2) zur Kopplung. Drehdurchführung nach Anspruch 2,

mit einem Exzenter umfassend eine Nut und mit einem Zahnrad (5, 6) umfassend einen Zapfen.

Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

mit einem Mittel zur Abdichtung (7) umfassend wenigstens einen Balg.

Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

mit einer in einem Gehäuse (4) gelagerten zweiten Welle (3), die mit einem Innenzahnrad (6) verbunden ist, und mit einer ersten Welle (1), die über ein Mittel (2) zur Kopplung mit einem Außenzahnrad (5) verbunden ist.

Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

mit einer in einem Gehäuse (4) gelagerten zweiten Welle (3), die mit einem Außenzahnrad (5) verbunden ist, und mit einer ersten Welle (1), die über ein Mittel (2) zur Kopplung mit einem Innenzahnrad (6) verbunden ist. 7. Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

mit einem Außenzahnrad mit mindestens 6 Zähnen. Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

mit einem Innenzahnrad (5) mit mindestens 7 Zähnen.

Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

mit einer zusätzlichen Kupplung, die eine axiale Verschiebung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle auszugleichen vermag, insbesondere mit einer Oldham-Kupplung (10).

Drehdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

mit einem Innenzahnrad und/oder Außenzahnrad umfassend ein Metall, einen Hochleistungskunststoff oder eine Keramik.