WO1998053223A1

WO1998053223A1 - Antriebsanordnung mit optimierter kühlung des antriebsmotors

Info

Publication number: WO1998053223A1
Application number: PCT/EP1998/002903
Authority: WO
Inventors: Jürgen PESCHECK; Ove Kullborg
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1998-05-16
Publication date: 1998-11-26
Also published as: DE19721646C1

Abstract

Für eine Antriebsanordung mit einem Planetengetriebe (4) und einem drehzahlregelbaren Antriebsmotor (2) wird zur optimierten Kühlung des Antriebsmotors vorgeschlagen, daß der Antriebsmotor mit seinem Gehäuse (6) wenigstens teilweise in einen im Schmiermittelbereich des Getriebegehäuses (14) liegenden Hohlraum hineinragt. Auf diese Weise ist ein Teil der wärmeabgebenden Oberfläche des Antriebsmotors in gutem thermischem Kontakt mit dem flüssigen Schmiermittel des Getriebes, so daß schädliche hohe Temperaturen im Antriebsmotor vermieden werden.

Description

Antriebsanordnung mit optimierter Kühlung des

Antriebsmotors

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einem Planetengetriebe und einem drehzahlregelbaren Antriebsmotor.

Derartige Antriebsanordnungen werden beispielsweise auch in der Handhabungstechnik an Robotergelenkarmen häufig eingesetzt. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung ist es wünschenswert, mit gleich großen Antriebsmotoren (üblicherweise Elektromotoren) die Nutzlast zu steigern oder bei gleichbleibender Nutzlast kleinere Antriebsmotoren einsetzen zu können. Kleinere Antriebsmotoren haben aufgrund ihrer kleineren Masse in der Regel eine kleinere Wärmekapazität. Die Verlustwärme kann aufgrund der kleineren Oberfläche schlechter abfließen, so daß kleinere Motoren schneller heiß werden und an ihre thermische Belastbarkeitsgrenze kommen. Wenn sich der Motor relativ zur umgebenden Luft nicht oder nur langsam bewegt, ist die Wärmeabfuhr an die Luft durch Konvektion nur gering. Dieser Fall tritt beispielsweise bei Bewegungsachsen auf die nahe am Fundament eines Robotergelenkarms liegen.

Grundsätzlich ist es möglich, die Wärmeabfuhr vom Antriebsmotor durch den Einsatz von speziellen Kühlkörpern oder durch Kühlrippen aufweisende Motorgehäuse zu verbessern. Nachteilig dabei ist jedoch das größere Gewicht und der benötigte Bauraum, der die Beweglichkeit von Roboterkomponenten einschränken kann. Aufgabe der Erfindung ist, eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art mit verbesserter Kühlung des Antriebsmotors zu schaffen und die Nachteile bezüglich Gewicht und Bauraum von herkömmlichen Lösungen zu vermeiden. Die Antriebsanordnung soll darüber hinaus günstig in der Herstellung sein, mit nur wenigen Bauteilen eine große Übersetzung ermöglichen und dabei eine hohe Übertragungsqualität gewährleisten.

Die Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß bei einer Antriebsanordnung der Antriebsmotor mit seinem Gehäuse wenigstens teilweise in einen im Schmiermittelbereich eines mit flüssigem Schmiermittel befüllten Getriebegehäuses liegenden Hohlraum hineinragt. Gegenüber bekannten Lösungen ist das Gehäuse des Antriebsmotors nicht nur mit der umgebenden Luft in Kontakt, sondern wenigstens mit Teilen seiner wärmeabgebenden Oberfläche mit dem Schmiermittel des Getriebes. Der Wärmeübergang zwischen dem Motorgehäuse und dem flüssigen Schmiermittel ist sehr viel größer als zur umgebenden Luft, so daß die schädlichen hohen Temperaturen im Antriebsmotor vermieden werden. Zwar stellt sich im Getriebegehäuse ein etwas höheres Temperaturniveau ein, es steht jedoch die gesamte Oberfläche des Getriebegehäuses zur Kühlung durch Konvektion zur Verfügung. Ein Teil der Wärme fließt außerdem durch Wärmeleitung zu den benachbarten Bauteilen (z.B. Roboterarm), welche auf diese Weise ebenfalls vorteilhaft zur Kühlung des Antriebsmotors beitragen. Die Anordnung des Antriebsmotors m einem Hohlraum des Ge- tπebegehauses ist außerdem sehr platzsparend, so daß insgesamt eine kompakte Antriebseinheit entsteht.

Mit einem mehrstufigen Getriebe kann eine hohe Ge- samtubersetzung erzielt werden. Eine erste Ubersetzungsstu- fe kann platzsparend als Winkeltrieb im Getriebegehause angeordnet werden. Der Winkeltrieb wird gebildet von einem auf der Motorwelle angeordneten Ritzel, welches mit einem größeren getπebeseitigen Kegelrad m Eingriff ist. Der Antriebsmotor ist mit seiner Langsachse im wesentlichen radial zur Getriebehauptachse angeordnet, beispielsweise unter einem Achskreuzungswinkel von 90°. Vorteilhaft ist, daß der benotigte axiale Bauraum dadurch gering bleibt. Natürlich kann auch ein Kegelplanrad (Kronrad) für den Winkeltrieb verwendet werden.

In anderen Fallen ist es erstrebenswert, den radialen Bauraum möglichst klein zu halten. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn eine erste Ubersetzungsstufe ein Stirn- trieb ist, welcher von einem mit der Motorwelle verbundenen Ritzel und einem größeren getriebeseitigen Stirnrad gebildet ist. Der Antriebsmotor ist dabei achsversetzt und im wesentlichen parallel zur Getriebehauptachse ausgerichtet. Wenn der Motor dabei den selben axialen Bauraum einnimmt, wie das Getriebe ist auch der benotigte axiale Bauraum nur so groß wie die längere der beiden Komponenten Motor und Getriebe.

Eine zweite Ubersetzungsstufe ist vorteilhaft als Planetenradsatz ausgebildet, bei dem ein erstes und ein zweites, jeweils innenverzahntes Hohlrad, von denen das erste feststeht und das zweite drehbar gelagert ist, den Abtrieb feststeht und das zweite drehbar gelagert ist, den Abtrieb bildet und gegenüber dem ersten Hohlrad einen geringen Zah- nezahlunterschied aufweist. Dabei sind Planetenrader m einem Planetentrager m der Weise gelagert, daß sie m standigem Zahneingriff mit den beiden Hohlradern sind. Mit dieser Raderanordnung, die von den Wolfrom Getrieben bekannt ist, laßt sich vorteilhaft eine hohe einstufige Übersetzung erzielen. Vorteilhaft ist weiterhin, daß nur wenige Bauteile benotigt werden und sich eine hohe Steifigkeit und Momentendichte erzielen laßt. Sehr hohe Übersetzungen lassen sich erzielen, wenn ein zentrales Sonnenrad angetrieben wird, welches mit den Planetenradern m Eingriff ist.

In vielen Fallen ist jedoch eine Übersetzung ausreichend, die sich ergibt, wenn -unter Wegfall des zentralen Sonnenrads- das größere Rad der ersten Ubersetzungsstufe (Kegelrad, Stirnrad) drehfest mit dem Planetentrager verbunden ist. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist, daß für den Planetentrager und das damit verbundene größere Rad der ersten Ubersetzungsstufe ein gemeinsames Lager verwendet werden kann, und der Bereich der Getriebehauptachse frei bleibt.

Wenn die beiden innenverzahnten Hohlrader konisch ausgebildet sind und gleiche Konusrichtung aufweisen, ist das Verzahnungsspiel der zweiten Ubersetzungsstufe einfach und exakt einstellbar. Hierzu ist die axiale Position der beiden Hohlrader zueinander und die axiale Position des Plane- tentragers gegenüber den Hohlradern mittels entsprechender Distanzelemente wie z.B. Emstellscheiben einstellbar.

In einer alternativen Ausgestaltung sind die beiden Hohlrader konisch mit entgegengesetzter Konusrichtung aus- gebildet. Die Planetenräder sind dabei als doppelkonische Stufenplaneten ausgebildet. Sie sind vorzugsweise auf zur Getriebehauptachse parallelen Planetenachsen gelagert. Vo- teilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, daß die axiale Position der Planetenräder zwischen den entgegengesetzten Konen der beiden Hohlräder selbsteinstellend ist, und die Planetenlager keine Axialkräfte aufnehmen müssen. Als Planetenlager können platzsparende Nadellager eingesetzt werden. Das Verzahnungsspiel ist durch die Einstellung des axialen Abstands der beiden Hohlräder einstellbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebsanordnung einen zentralen längs ausgerichteten Mittendurchlaß auf, der von einer Ringwandung umgeben ist. Diese Ringwandung hat die Funktion eines Gehäuseteils der Antriebseinrichtung und schließt das Gehäuse nach innen ab. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die wärmeabgebende Gehäuseoberfläche vergrößert. Darüber hinaus ist es möglich, Komponenten eines Roboters, wie beispielsweise Kabelstränge durch diesen Mittendurchlaß hindurchzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung mit bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung.

Darin ist mit 4 das Planetengetriebe und mit 2 der radial zur Getriebehauptachse angeordnete Antriebsmotor bezeichnet. Der Antriebsmotor 2 ist am Bund 7 des Antriebsmotorgehäuses 6 mit der Flanschfläche 9 des Getriebegehäuses 14 durch nicht dargestellte Befestigungselemente verbunden. Die Verbindung an dieser Flanschfläche ist dicht ausgebildet, so daß der vom Gehäuse 14 umschlossene Hohlraum durch den Antriebsmotor abgeschlossen wird. Der Bund 7 teilt das Antπebsmotorgehause 6 m einen äußeren Teil 6a und einen inneren Teil 6b. Er ist gegenüber der πtzelsei- tigen Stirnflache des Antπebsmotorgehauses deutlich nach hinten versetzt, so daß der größte Teil 6b des Antriebsmo- torgehauses im Schmiermittelbereich des Getπebegehauses 14 liegt. Als Schmiermittelbereich im erfmdungsgemaßen Sinn wird der wenigstens teilweise mit flussigem Schmiermittel befullte, vom Getriebegehause 14 umschlossene Hohlraum verstanden. Je nach räumlicher Lage der -Antriebsanordnung sind Teile des Antriebsmotorgehauses 6b m das Schmiermittel eingetaucht, oder wenigstens m (thermischem) Kontakt mit Tropfchen des Schmiermittels (Olnebel) .

Das Ritzel 10 und das Kegelrad 12 bilden eine erste Ubersetzungsstufe. Das kegelige Ritzel 10 ist mit der Antriebsmotorwelle 8 verbunden. Das große Kegelrad 12 wird vom Ritzel 10 angetrieben und ist durch das Lager 16 im Getriebegehause 14 gelagert.

Der Planetentrager 20 ist mittels der Schrauben 18 drehfest mit dem großen Kegelrad 12 verbunden. Das Lager 16 des großen Kegelrades 12 dient also auch als Lager für den Planetentrager 20. Es ist durch den Sprengring 22 axial im Gehäuse 14 fixiert. Zwischen dem Lager 16 und dem Sprengring 22 bzw. dem Gehäuse 14 sind Einsteilscheiben 24 zum Einstellen der axialen Position des Planetentragers 20 und des großen Kegelrades 12 gegenüber dem Getriebegehause 14 vorgesehen. Die gleichmäßig am Umfang verteilten Planeten- rader 26, von denen in der Schnittdarstellung nur eines dargestellt ist, sind mittels der Planetenlager 28 drehbar im Planetentrager 20 gelagert. Sie sind m standigem Zah- neingriff mit den beiden Hohlrädern 30, 32, welche einen geringen Zähnezahlunterschied aufweisen.

Bei einer vollen Umdrehung des Planetenträgers 20 führen die beiden Hohlräder 30, 32 eine dem Zähnezahlunterschied entsprechende Relativdrehung aus.

In der dargestellten Ausführungsform ist das Hohlrad 30 das Stützglied und mittels der Schrauben 46 drehfest mit dem Getriebegehäuse 14 verbunden. Die gleichmäßig am Umfang des Hohlrads 30 und des Lagerrings 34 verteilten Durchgangsbohrungen 40 dienen zum Befestigen der Antriebsanordnung, beispielsweise an einem Fundament mittels nicht dargestellter Schrauben. Das Hohlrad 32 bildet den Abtrieb.

Die Gewindebohrungen 42 im Hohlrad 32 dienen zum Befestigen eines anzutreibenden Teils, wie z. B. des Gelenkarms eines Roboters. Das Hohlrad 32 ist durch das Lager 36 drehbar im Lagerring 34 gelagert. Um eine kompakte Bauform zu erzielen, sind die Lagerlaufbahnen des Lagers 36 direkt in das Hohlrad 32 bzw. den Lagerring 34 eingearbeitet. Die axiale Position der beiden Hohlräder zueinander läßt sich mittels Einstellscheiben 38, welche zwischen Hohlrad 30 und Lagerring 34 angeordnet sind, einstellen.

Die beiden Hohlräder 30, 32 sind konisch ausgebildet und weisen die gleiche Konusrichtung auf. Die Planetenräder 26 sind zylindrisch ausgebildet. Sie sind auf gegenüber der Getriebehauptachse radial geneigten Planetenachsen gelagert. Der Neigungswinkel ist an die Konizität der beiden Hohlräder angepaßt. Das Verzahnungsspiel der Verzahnungen zwischen den Planetenrädern 26 und den beiden Hohlrädern 30, 32 läßt sich bei der Montage durch entsprechende Wahl der Einstellscheiben 38, 24 einstellen. Die in der dargestellten Ausführungsform zylindrisch ausgeführten Planetenräder weisen den Vorteil auf, daß sich eine axiale Verschiebung entlang ihrer radial geneigten Planetenachsen nicht auf das Verzahnungsspiel auswirkt.

Ebenso können natürlich aber auch andere Ausgestaltungen von Planetenrädern (z.B. Stufenplaneten, mit konischen oder zylindrischen Stufenrädern) oder Hohlrädern (z.B. zylindrische Hohlräder oder konische Hohlräder mit entgegengesetzter Konusrichtung) verwendet werden.

Das Getriebegehäuse 14 ist durch die Ringwandung 48 gegenüber dem zentralen Mittendurchlaß abgeschlossen. Der zentrale Mittendurchlaß 47 vergrößert die Oberfläche des Getriebegehäuses und verbessert dadurch die Wärmeabfuhr der Antriebsanordnung. Außerdem ist der zentrale Mittendurchlaß 47 geeignet, um Komponenten, wie beispielsweise Kabelstränge oder dergleichen, durchzuführen. Der vom Getriebegehäuse umschlossene Hohlraum, der wenigstens teilweise mit Schmiermittel befüllt ist, ist im Bereich der Ringwandung 48 durch die Dichtungen 54 und 56 abgedichtet. Die Gehäuseverschlußschrauben 50, 52 schließen den vom Getriebegehäuse 14 umschlossenen Hohlraum nach außen ab.

Durch die Anordnung von Teilen der wärmeabgebenden Außenkontur (innerer Teil des Gehäuses 6b) des Antriebsmotors 2 im Schmiermittelbereich des Getriebegehäuses 14 wird eine gute Wärmeabfuhr der Verlustwärme des Antriebsmotors 2 erzielt, so daß schädliche hohe Temperaturen im Antriebsmo- tor vermieden werden. Für die Wärmeabgabe an die umgebende Luft steht die sehr viel größere Gesamtoberfläche des Getriebegehäuses 14 zu Verfügung.

Bezugszeichen

2 Antriebsmotor

4 Planetengetriebe

6a Antriebsmotorgehäuse äußerer Teil

6b Antriebsmotorgehäuse innerer Teil

7 Bund

8 Antriebsmotorwelle

9 Flanschfläche

10 Ritzel

12 Kegelrad

14 Getriebegehäuse

16 Lager

18 Schrauben

20 Planetenträger

22 Sprengring

24 EinstelIscheiben

26 Planetenrad

28 Planetenlager

30 Hohlrad

32 Hohlrad

34 Lagerring

36 Lager

38 EinstelIscheiben

40 Durchgangsbohrung

42 Gewindebohrung

44 Dichtung

46 Schraube

47 zentraler Mittendurchlaß

48 Ringwandung

50 Gehäuseverschlußschraube

52 Gehäuseverschlußschraube

54 Dichtung

56 Dichtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Antriebsanordnung mit einem Planetengetriebe (4) und einem drehzahlregelbaren Antriebsmotor (2) dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Antriebsmotor (2) mit seinem Gehäuse (6) wenigstens teilweise m einen im Schmiermittelbereich des Getriebegehauses (14) liegenden Hohlraum hineinragt.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine erste Ubersetzungsstufe ein im Getriebegehause (14) angeordneter Winkeltrieb mit einem drehfest mit der Motorwelle (8) verbundenen Ritzel (10) des im wesentlichen radial zur Getriebehauptachse ausgerichteten Antriebsmotors (2) und einem größeren ge- tπebeseitigen Kegelrad (12) ist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine erste Ubersetzungsstufe ein im Getriebegehause (14) angeordneter Stirntrieb mit einem drehfest mit der Motorwelle verbundenen Ritzel des achsversetzten und im wesentlichen parallel zur Getriebehauptachse ausgerichteten Antriebsmotors und einem größeren getπebeseitigen Stirnrad ist.

4. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine zweite Ubersetzungsstufe gebildet ist durch ein erstes (30) und ein zweites (32), jeweils innenverzahntes Hohlrad, von denen das erste feststeht und das zweite drehantreibbar gelagert ist, den Abtrieb bildet und gegenüber dem ersten Hohlrad (30) einen geringen Zähnezahlunterschied aufweist, und Planetenrädern (26) , die in einem Planetenträger (20) in der Weise gelagert sind, daß sie in ständigem Zahneingriff mit den beiden Hohlrädern (30, 32) sind.

5. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das größere Rad (12) der ersten Ubersetzungsstufe drehfest mit dem Planetenträger (20) verbunden ist.

6. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden innenverzahnten Hohlräder (30, 32) konisch ausgebildet sind und gleiche Konusrichtung aufweisen.

7. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden innenverzahnten Hohlräder (30, 32) konisch ausgebildet sind und entgegengesetzte Konusrichtung aufweisen.

8. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Antriebsanordnung einen zentralen, längs ausgerichteten Mittendurchlaß (47) aufweist, der von einer Ringwandung (48) umgeben ist.