Exzenterverstellgetriebe 2um Verstellen zweier Bauteile
Die Erfindung betrifft ein Exzenterverstellgetriebe zum Verstellen zweier Bauteile gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Verstellgetriebe werden unter Anderem am Gelenkarm eines Industrieroboters, an den Gelenkteilen eines Autositzes, zum Verstellen einer Nockenwelle und als Untersetzungsgetriebe verwendet.
Verstellgetriebe der bekannten Art sind z.B. Cyclo-Getriebe, Harmontc-Drive- Getriebe oder Varianten von Planetengetriebe. Bei den meisten Anwendungsfällen wird das Getriebe von einem Elektromotor angetrieben. Um die Größe des Elektromotors klein zu halten wird eine möglichst hohe Übersetzung benötigt. Um die Größe des Getriebes klein zu halten, sollte das Getriebe in einer Getriebestufe eine hohe Übersetzung realisieren.
Diese Anforderungen werden von den oben genannten Getriebetypen relativ gut erfüllt.
Ein weiteres Merkmal für solche Getriebe ist die Teilevielfalt und der damit einhergehende Bauaufwand. Für einige Anwendungen wird ein spielarmes oder sogar spielfreies Verstellgetriebe gefordert. Die Größe des freien Spiels kann bei den üblichen Verstellgetrieben nur über eine Begrenzung der Fertigungstoleranzen reduziert werden.
Außerdem wird in der Regel ein Mindestspiel benötigt, um die Funktion des Getriebes zu gewährleisten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verstellgetriebe anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung sieht vor, daß ein Sternzahn elastisch biegbare radiale, stabförmige Zahnelemente hat, wobei der Sternzahn in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein radiales Übermaß gegenüber der Zahnkontur des Abtriebselementes aufweist, so daß die Zahnelemente in der Ebene des Sternzahns unter Vorspannung seitlich gebogen sind, was zu einem spielfreien, verpreßt montierten Getriebe führt.
Bei einer mit Spiel behafteten Montage bieten die stabförmigen Zahnelemente des Sternzahns den Vorteil, daß sich die Drehsteifigkeit des Verstellgetriebes verringert. Dies kann bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein, so können dadurch z.B. selten auftretende Maximallasten abgefedert werden, so daß die inneren Kräfte im Getriebe eine bestimmte Größe nicht überschreiten.
Die stabförmigen, biegbaren Zahnelemente bewirken auch, daß sich die anliegende Last besser auf die einzelnen im Zahneingriff befindlichen Zahnelemente verteilt, so daß die Spitzenlasten an einzelnen Zähnen verringert werden.
Die Biegemöglichkeit der Zahnelemente wirkt sich auch positiv auf die gesamte Verzahnungsgeometrie aus. So bewirken schon sehr geringe Auslenkungen X eine wesentliche Vergrößerung der Krümmungsradien an den Zahneingriffskonturen, und eine höhere Anzahl von Zahnelementen, die sich gleichzeitig im Zahneingriff befinden.
Das Getriebe kann mit geringem Bauaufwand eine große Übersetzung realisieren, und dazu eine Spielfreiheit zwischen An- und Abtrieb gewährleisten, ohne daß kostspielige Fertigungsverfahren notwendig werden.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - eine perspektivische Darstellung eines Verstellgetriebes.
Fig. 2 - eine perspektivische Explosionsdarstellung dieses Verstellgetriebes.
Fig. 3 - eine ebene Ansicht auf die Verzahnung des Verstellgetriebes.
Fig. 4 - einen Schnitt durch die Drehachsen des Verstellgetriebes.
Fig. 5 - eine vergrößerte Detailansicht von Figur 3.
Fig. 6 - eine Darstellung der Momentanpole des Verstellgetriebes.
Das Verstellgetriebe besteht aus einem Gehäuse 3, einer Exzenterwelle 2, einem Sternzahn 1 und aus einem anzutreibenden Abtriebselement 4.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein sogenannter Sternzahn 1 von einer Exzenterwelle 2 in Kreisschub-Bewegungen versetzt wird. Der Sternzahn ist hierzu auf der Exzeπterwelle exzentrisch gelagert und wird in einem Gehäuse 3 geführt. Die Zahnkonturen 1 b des Sternzahns 1 greifen in eine Hohlradverzahnung 4a ein, die starr mit dem Abtriebselement 4 verbunden ist, und versetzen dieses bei Drehung der Exzenterwelle 2 in eine Drehbewegung. Die Exzenterwelle 2 und die Hohlradverzahnung 4a sind koaxial in dem Gehäuse 3 gelagert. Der Sternzahn enthält Balkenelemente 1 a, an deren Ende jeweils eine Zahnkontur 1 b anschließt, die in die Hohlradzahnkontur 4b der Hohlradverzahnung 4a eingreifen kann. Die Zahnkontur 1 b geht radial innen in
eine Abstützkontur 1 c über, die in Kontakt mit einer Stegkontur 3b steht, die sich an den Rändern einer Vielzahl von Stegen 3a befinden, die starr mit dem Gehäuse 3 verbunden sind.
Das Übersetzungsverhältnis i ergibt sich nach der Gleichung
Z^Z5
Zh
Zh ist die Anzahl der Zähne im Hohlrad.
Zs ist die AnzahWer Zähne-im Sternzahn.
Für einen einfachen Aufbau des Getriebes ist es vorteilhaft, alle Elemente in einer Ebene anzuordnen. Um dies zu ermöglichen, wird die Zähnezahl am Sternzahn 1 reduziert. Hat z.B. das Hohlrad 81 Zähne, der Sternzahn 80 Zähne, so ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von i = 1 /81. Damit die Stege 3a und die Abstützkontur 1 c am Sternzahn 1 in einer Ebene liegen, wird vorgeschlagen, beim Sternzahn 1 z.B. nur jeden 4 ten Zahn auszugestalten. Der dadurch freiwerdende Raum kann dann von den Stegen 3a besetzt werden.
Zur Realisierung von Spielfreiheit kann der Sternzahn 1 mit einem Übermaß verbaut werden. Ähnlich wie bei einer Preßpassung für einen Bolzen in einer Bohrung, bei der der Bolzen ein größeres Maß hat als die Bohrung, kann auch der Sternzahn 1 größer sein als der zu Verfügung stehende Raum.
Die Maße der einzelnen Bauteile: Hohlradverzahnung 4a, Stegkontur 3b und Sternzahn 1 sind hierzu in der Art abzustimmen, dass ein Übermass entsteht. In diesem Fall verbiegen sich, mit der Montage des Sternzahnsi in das Getriebe, die Balkenelemente 1 a geringfügig, so dass trotz Übermass eine Montage möglich ist. Alle Getriebeelemente werden dann vom Sternzahn 1 verspannt, so daß das Getriebe zwischen Exzenterwelle 2, Abtriebselement 4 und Gehäuse 3 spielfrei ist. Die beschriebene Vorgehensweise würde bei herkömmlichen Getrieben zu
sehr großen inneren Kräften führen, die entweder eine Montage unmöglich machen oder die einen sehr schwergängigen und ungleichmäßigen Getriebelauf verursachen. Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe führen die Federeigenschaften der Balkenelemente am Sternzahn 1 dazu, daß die inneren Kfäfte gering bleiben. Über die Abmaße der Balkenelemente 1 a sind die inneren Kräfte auslegbar.
Die vom Getriebe maximal übertragbaren Momente werden durch die Biegespannungen in den Balkenelementen 1 a begrenzt. Um dieses Moment zu erhöhen, können die Balkenelemente 1 a entgegengesetzt zur Belastung durch das Betriebsraomenl vorgespanoi vMβrdeaτ-figtιr-5 :zeigt~eine vergrößerte Ansicht auf ein Balkenelement 1 a. Hier ist das Balkenelement 1 a um den Wert x vorgespannt. Diese Biegung verursacht am Balkenfuß 1d eine Biegespannung. Die durch das vom Getriebe zu übertragende Moment erzeugten Biegespannungen am Balkenfuß 1 d sind in ihrer Richtung entgegengesetzt, so dass sich durch die Vorspannung die Belastungsgrenzen des Getriebes erhöhen.
Der vorgespannte, sich biegende Balkenzahn muß bei der Auslegung der gesamten Getriebegeometrie berücksichtigt werden. Durch das sich biegende Balkenelement 1 a hat das Getriebe quasi mehr Einzelteile, die sich zueinander bewegen. Das Balkenelement 1 a bewegt sich wie ein Biegebalken. Figur 6 zeigt die Position der Momentanpole (A,B,C,D,E und F) und der Momentanpolbahn I zwischen Hohlradverzahnung 4a und Balkenelement K. Zur einfacheren Beschreibung der Zusammenhänge ist das sich biegende Balkenelement 1 a durch ein starres Balkenelement K ersetzt worden, welches an der Sternzahnnabe J mit einem Drehgelenk D gekoppelt ist. Bedingt durch die geringen Auslenkungen X ist diese Vereinfachung zur Veranschaulichung der Zusammenhänge zulässig.
Die einzelnen Momentanpole ergeben sich wie folgt: Die Exzenterwelle L hat im Punkt A ihren Momentanpol mit dem Gehäuse. Der Punkt B ist der Momentanpol zwischen der Sternzahnnabe J und der Exzenterwelle L. Der Momentanpol zwischen Sternzahnnabe J und dem Gehäuse M befindet sich auf der Geraden a
und liegt im Unendlichen. Der Punkt D ist der Momentanpol zwischen dem Balkenelement K und der Sternzahnnabe J. Die Gerade d verläuft vom Punkt D zum Momentanpol zwischen Sternzahnnabe J und dem Gehäuse M, dieser Punkt liegt im Unendlichen, aus diesem Grunde ist die Gerade d eine Parallele zur Geraden a. Die Geraden a und d schneiden sich im Momentanpol zwischen Sternzahnnabe J und dem Gehäuse M , also im Unendlichen. Der Punkt H ist der Kontaktpunkt des Balkenelementes K mit dem Gehäuse M bzw. mit der Stegkontur 3b.
Die Gerade e ist eine Normale zur Abstützkontur 1b durch den Punkt H.. Der Punkt H ist der Berührungspunkt zwischen der Abstützkontur 1b des Balkenelementes K und der Stegkontur 3b. Der Momentanpol F ist der Momentanpol zwischen dem Balkenelement K und dem Gehäuse 3, und dieser liegt auf der Geraden e. Der Momentanpol F muss aber auch auf der Geraden d liegen, woraus folgt, dass der Schnittpunkt zwischen der Geraden e und der Geraden d, den Momentanpol F darstellt. Die Gerade b verläuft zwischen den Momentanpol F und dem Punkt A. Der Punkt A ist der Momentanpol zwischen der Hohlradverzahnung 4a und dem Gehäuse 3. Der Momentanpol E, zwischen Balkenelement K und der Hohlradverzahnung 4a muss auf der Geraden b liegen, und wird gebildet vom Schnittpunkt der Geraden f mit der Geraden b. Die Gerade f ist eine Normale auf der Zahnkontur 1 b und läuft durch den Punkt G, welcher der Berührungspunkt zwischen der Zahnkontur 1 b auf dem Balkenelement K und der Hohlradzahnkontur 4b auf der Hohlradverzahnung 4a ist.
Die Gerade c verbindet die Momentanpole D und B. Der Schnittpunkt zwischen der Geraden b und der Geraden c stellt den Momentanpol C dar. Der Punkt C ist der Momentanpol zwischen dem Balkenelement K und der Sternzahnnabe J.
Die Übersetzung i lässt sich durch die Abstände zwischen den Momentanpolen A, C, E und F auf der Geraden b beschreiben.
AF * CF EF * AC
Bei Drehung der Exzenterwelle 2 nimmt der Momentanpol E weitere Positionen auf der Momentanpolbahn I ein. Die Momentanpolbahn I ist nahezu eine gerade Linie, die relativ günstig zu den Berührungspunkten G liegt. Aufgrund dieses Umstandes können die Zahnkontur 1 b am Balkenelement K und die Hohlradzahnkontur 4b der Hohlradverzahnung 4a relativ große Krümmungsradien aufweisen. Außerdem können dadurch viele Balkenelemente gleichzeitig im Kontakt mit der Hohlradverzahnung 4a stehen.
Die günstige Lage der Momentanpolbahn I steht in unmittelbaren Zusammenhang mit dem sich biegenden Balkenzahn.
Wäre das Balkenelement K biegestarr mit der Sternzahnnabe J verbunden, dann würde sich die Gerade e als eine Parallele zur Geraden a darstellen. Der Momentanpol F befände sich im Unendlichen und die Gerade b währe eins mit der Geraden a. Die Strecken zwischen den Punkten A - F, und den Punkten C - F wären unendlich lang.
Die Übersetzung i ergibt sich in diesem Fall wie folgt:
AE AC
Die Strecke A - C ist in diesem Fall die Exzentrizität der Exzenterwelle, also eine konstante Größe. Dadurch muss bei konstanter Übersetzung auch die Strecke A - E eine konstante Größe sein. Die Momentanpolbahn I wird dann zu einem Kreis um den Punkt A. In diesem Fall wären die Krümmungsradien an den Zahnkonturen 1 b und 4b wesentlich kleiner, und auch die Anzahl der sich
gleichzeitig im Kontakt mit der Hohlradverzahnung 4a befindlichen Balkenelemente K wäre geringer.
Der sich biegende Balkenzahn verbessert also wesentliche Geometriegrößen des Getriebes.