WO2011137469A1

WO2011137469A1 - Planeten-differenzialgetriebe mit excenter-getriebestufe

Info

Publication number: WO2011137469A1
Application number: PCT/AT2011/000171
Authority: WO
Inventors: Karl Roland SCHÖLLER
Original assignee: Schoeller Karl Roland
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-11-10
Also published as: AT509468B1; AT509468A4

Abstract

Planeten-Differentialgetriebe, bestehend aus einer schnell laufenden Anschlusswelle (1) und zwei langsam laufenden Anschlusswellen (6, 7). Die langsam laufenden Anschlusswellen besitzen in einer Ausführung mit axial nebeneinander liegenden Anschlusswellen je eine Verzahnung mit leicht unterschiedlicher Zähnezahl und kämmen mit den Planetenrädern (3) des Getriebes. Die Drehmomentübertragung zwischen der schnell laufenden Anschlusswelle (1) und den Planetenrädern erfolgt mit einer Getriebestufe, bestehend aus mindestens einem Excenter (10), der starr mit der schnell laufenden Anschlusswelle (1) verbunden ist und von denen jeder ein frei drehbares Excenterrad (23) trägt. Dieses besitzt an seiner Peripherie eine Anzahl von Hohl-Zahnrädern (13), die mit den Planetenrädern (3) kämmen. Die Hohl- Zahnräder weisen (notwendigerweise) eine größere Zähnezahl auf als die Planetenräder, der Achsabstand zwischen den Hohl-Zahnrädern und den Planetenrädern ist im Wesentlichen gleich der Exzentrität der Excenter. Die Drehmomentübertragung zwischen den Hohl-Zahnrädern und den Planetenrädern erfolgt durch die Kurbelbewegung des Excenterrades und den Zwang der Planetenräder, in einem Planetengetriebe der vorliegenden Bauart auf definierte Weise abzuwälzen.

Description

Planeten-Differenzialgetriebe mit Excenter-Getriebestufe

Die Erfindung betrifft ein Planeten-Differenzialgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Planeten-Differenzialgetriebe besitzen den Vorteil, hohe Untersetzungsverhältnisse zwischen An- und Abtriebswelle bei geringen Abmessungen und geringem Gewicht bereit zu stellen. Dies ist für Roboterantriebe, Stellmotoren aller Art,

Radnabenantriebe, aber auch für Übersetzungsgetriebe beispielsweise von

Windkraftanlagen von großer Bedeutung.

Insbesondere für Leichtroboter-Antriebe wird heutzutage gefordert, den

Antriebsmotor zusammen mit dem Untersetzungsgetriebe in einer kompakten Einheit anzubieten - möglichst als komplettes Roboter-Gelenk mit integrierter Lagerung. Die Planetenräder füllen nach dem Stand der Technik den Raum innerhalb des

Getriebes jedoch so aus, dass kein Platz für einen koaxialen Antriebsmotor verbleibt.

Eine prinzipielle Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, zeigt die Schrift DE 4447210, in der die Planetenräder an je einem Ende mit (exzentrischen) Kurbelzapfen ausgestattet sind, die von einem Excenterrad aus Drehmomente mit den

Planetenräder austauschen. Kompaktheit ist allerdings nicht das Bestreben dieser Erfindung, es werden mit den Planetenrädern verbundene, große Schwungmassen zur Überwindung der Kurbel-Totpunkte und zum Massenausgleich eingesetzt.

Daneben benötigt der Kurbeltrieb jedes Planetenrades eine Wälzlagerung, dies ist dann besonders von Nachteil, wenn die Anzahl der Planetenräder größer als zwei ist. Daneben trägt diese Stufe der Ausführung nicht zur Vergrößerung des Unter-/ Übersetzungsverhältnisses bei, die Planetendrehzahl ist im Wesentlichen gleich der Schwingungsfrequenz des Excenterrades.

Eine andere Art, hohe Untersetzungsverhältnisse zu erzielen, zeigt die Schrift DE 20200601877. Dort treibt ein Antriebsritzel Planetenräder, diese kämmen in einem gegenüber dem Antriebsmotor-Gehäuse feststehendem Hohlrad und treiben mit ihrem nicht verzahnten Teil ein weiteres drehbar gelagertes Hohlrad. Koaxial zu diesem zweiten Hohlrad ist ein drittes Hohlrad angeordnet, wobei das zweite und dritte Hohlrad mit einem exzentrisch gelagerten Stirnrad im Eingriff sind. Durch die Fixierung des zweiten Hohlrades und einer geringen Zähnezahl-Differenz zwischen zweitem und drittem Hohlrad ist das dritte Hohlrad als langsam laufende

Abtriebswelle einsetzbar.

Nachteilig an dieser Anordnung ist der große Platzbedarf im Inneren der zweiten Getriebestufe, der durch die massive (exzentrische) Lagerung des Stirnrades hervorgerufen wird. Dieses eine Stirnrad trägt die gesamte Abtriebslast. Günstiger ist es, die Abtriebslast auf mehrere Komponenten aufzuteilen wie bei Planeten- Differenzial-Getrieben der im Folgenden beschriebenen und zunächst dem Stand der Technik entsprechenden Bauart. Aufgabenstellung

Betrachtet wird eine übliche Ausführung wie folgt:

In der ersten Getriebestufe einer zweistufigen Anordnung treibt das Sonnenrad, starr mit der schnell laufenden Antriebswelle verbunden, mehrere Planetenräder. Diese sind über den Eingriffsbereich mit dem Sonnenrad hinaus axial so verlängert, dass sie in der zweiten Getriebestufe auch mit zwei koaxialen Hohlrädern mit

gegeneinander leicht unterschiedlicher Zähnezahl kämmen. Diese Zahn-Differenz bewirkt im Betrieb eine Relativdrehzahl zwischen den Hohlrädern, die im Vergleich zur Drehzahl der Antriebswelle klein ist. Das Sonnenrad soll gegen die Planeten möglichst klein im Durchmesser sein, damit die erste Stufe möglichst viel zum

Gesamt-Untersetzungsverhältnis beiträgt. Begrenzt wird der Planetendurchmesser durch radiale Kollision der Planeten gegeneinander, wenn ihr Durchmesser zu groß bemessen ist.

Planetenräder mit größtmöglichen Durchmessern stehen der Bestrebung, den Antriebsmotor zwischen diesen zu placieren, im Weg. Kleinere Planetenräder dagegen sind vom koaxialen Antriebsritzel des Elektromotors nicht erreichbar, weil das Antriebsritzel keinen größeren Durchmesser haben darf als die Planetenräder, wie oben aufgezeigt.

Eine zunächst nahe liegende Problemlösung ist die Einführung einer dritten

Untersetzungsstufe in der jedes Planetenrad eine Verzahnung mit großem

Durchmesser erhält, die mit dem Antriebsritzel kämmt und eine zweite Verzahnung mit kleinem Durchmesser, die mit den Hohlrädern kämmt. Durch den kleinen

Durchmesser, der mit den Hohlrädern kämmt, bleibt Platz im Inneren des Getriebes. Ungünstiger Weise ragen die Teile der Planetenräder mit großem Durchmesser stark über die Hohlraddurchmesser hinaus, was der Kompaktheit zuwider läuft.

Eine weitere nahe liegende Anordnung wäre die Verbindung der Antriebswelle mit den Planetenrädern durch einen Zahnriemen oder eine Gliederkette. Nachteilig ist dabei die Elastizität eines Zahnriemens bzw. die alterungsbedingte Ausdehnung einer Gliederkette, was die Winkelgenauigkeit eines Robotergetriebes einschränkt.

Die vergleichsweise günstigste Methode der Anbindung des Antriebsritzels an die Planetenräder ist zunächst die in der o. a. Schrift DE 4447210 beschriebene. Dort wird der Einsatz eines Excenterrades angeregt.

Um die erwähnten Nachteile zu beheben, wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Kurbeln aus DE 4447210 durch je ein (verzahntes) Hohlrad für jedes Planetenrad einzusetzen. Diese Hohlräder sollen Teil des Excenterrades sein und in ihrer exzentrischen Bewegung um die Antriebswelle exzentrisch um die Planeten kämmen.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind aus den Patentansprüchen 2 bis 5 zu entnehmen. Figurenübersicht:

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Figuren gezeigten

Ausführungsbeispielen erläutert. Im Einzelnen zeigen in der

Fig. 1 a und 1 b

zwei Ansichten eines dem Stand der Technik entsprechenden Differenzial-Planeten- Getriebes wie in der Aufgabenstellung beschrieben;

Fig. 2a und 2b

die Problematik modifizierter Ausführungen mit zweigeteilten Planetenrädern kleineren Durchmessers im Bereich der langsam laufenden Hohlräder (Fig. 2a) oder der Sonnenräder (Fig. 2b), die Platz für einen integrierten Antriebsmotor lassen, jedoch mit dem großen Durchmesser im Bereich des Antriebsritzels weit über die übrige Anordnung hinausragen;

Fig. 3a bis 3c

die teilweise geschnittene isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen

Ausführung der ersten Getriebestufe samt integriertem Antriebsmotor, sowie eine Vorderansicht und einen Längsschnitt;

Fig. 4a bis 4f

den Bewegungsablauf des Excenterrades der Ausführung aus Fig. 3a bis 3c entlang ca. einer halben Umdrehung der Antriebswelle mit dem starr damit verbundenen Antriebsexcenter;

Fig. 5a und 5b

eine Ausführung ähnlich der aus Fig. 3a bis 3c, jedoch mit drei winkelversetzten Excenterrädern zur Symmetrierung des Abtriebsmoments und Entlastung der Antriebswelle;

Fig. 6a bis 6c

ebenfalls eine Ausführung ähnlich der aus Fig. 3a bis 3c, jedoch mit zwei

winkelversetzten Excenterrädern zur Symmetrierung des Abtriebsmoments und Entlastung der Antriebswelle;

Fig. 6b

die Ansicht des ausgewuchteten Doppelexcenters der Anordnung in Fig. 6a bis 6c; Fig. 7

die Explosionszeichnung zu der Ausführung in Fig. 6a bis 6d; Fig. 8a bis 8b

eine Anordnung wie in Fig. 6a bis 6c, jedoch mit reduzierter Zähnezahl der Hohlräder auf dem Excenterrad, wodurch sich ein höheres Untersetzungsverhältnis, ergibt als in 6a bis 6c;

Fig. 9a bis 9d

einen Längsschnitt sowie drei Ansichten einer Getriebeausführung, in der die langsam laufenden Anschlusswellen statt nebeneinander radial gegenüber liegen und dazwischen einen zweilagigen Planetenkranz aufweisen; Fig. 10

die Ansicht einer Ausführung, bei welcher der Zahnrad-Planetenkranz aus Fig. 9a bis 9d teilweise durch Distanzrollen ersetzt wurde.

Nähere Beschreibung und Ausführungsbeispiele

Die erfindungsgemäße Lösung für die erwähnte Problematik, dass der Abstand zwischen Antriebsritzel 2 und Planetenräder 3 auf herkömmliche Weise nicht ohne Nachteile überbrückt werden kann - auch nicht mit zweigeteilten Planetenrädern 3, bestehend aus einem Rad 4 mit großem Durchmesser und einem Rad 5 mit kleinem Durchmesser - wird erstmals in der Ausführung in Fig. 3 dargestellt. Darin ist eine Antriebswelle 1 starr mit einem Excenter 10 verbunden. Dieser treibt über ein Wälzlager 1 1 ein dadurch frei drehbares Excenterrad 12. Das Excenterrad weist an seiner Peripherie so viele Hohl-Zahnräder 13 auf wie Planetenräder 3 vorhanden sind. Die Hohl-Zahnräder, die (notwendigerweise) eine größere Zähnezahl aufweisen als die Planetenräder, kämmen mit den Planetenrädern und bewegen diese durch ihre Kurbelbewegung und den Zwang der Planetenräder, in dem oben

beschriebenen Planetengetriebe auf definierte Weise abzuwälzen. Damit die Hohl- Zahnräder in jeder Winkelstellung mit den Planetenrädern gleichmäßig im Eingriff bleiben, muss der Achsabstand zwischen Hohl-Zahnrad und Planetenrad gleich der Exzentrität des Excenters sein. Die Planetenräder 3 kämmen - wie schon in der Anordnung der Figur 1 a und 1 b - mit zwei Hohlrädern 6, 7 unterschiedlicher

Zähnzahl, die als Anschlusswellen des Getriebes dienen. Das zwei nebeneinander liegende Verzahnungen aufweisende Sonnenrad 14 kämmt mit den Planetenrädern 3, ist sonst frei mitlaufend und dient den Planetenrädern als radiales Lager und ihrer Torsions-Entlastung. Das Sonnenrad 14 ist hohl ausgeführt, wird durch Nadellager 15 am Statorträger 16 des Antriebsmotors 17 radial gestützt. Die Lagerringe 18 stützen die Anschlusswellen 6 und 7 gegeneinander axial und mit dem Sonnenrad 14 radial. Der Statorträger 16 ist starr mit dem Hohlrad 7 verbunden.

Die Figur 4a bis 4f zeigt mehrere Phasen des Excenterrades 12 mit den

Planetenrädern 3 während einer halben Umdrehung der Antriebswelle 1 .

Der Excenter 10 in Fig. 3 ist zusammen mit dem Wälzlager 1 1 und dem Excenterrad 12 durch seine rotations-un-symmetrische Form vollständig ausgewuchtet. Das Antriebsmoment bewirkt jedoch eine radiale Belastung der für ein Ritzel

dimensionierten Antriebswelle 1. Mehrere, gegeneinander phasenverschobene Excenterräder können diesen Mangel beheben:

Die Figur 5a und 5b zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung mit drei

Excenterrädern 22 die auf einem Dreifach-Excenter 0 gelagert sind, von denen der mittlere gegenüber den äußeren um 180° phasenverschoben ist. Jedes der

Planetenräder 3 wird dabei von den Hohl-Zahnrädern 13 an der Peripherie der Excenterräder beidseitig angetrieben.

Eine weitere Ausführung zeigt in Figur 6a bis 6c eine Anordnung mit zwei

gegeneinander um 180° verdrehten Excenterrädern 23, die ebenfalls radiale

Belastungen der Antriebswelle eliminiert, die aber Anzahl und Komplexität der Bauteile verringert. Die Antriebswelle 1 ist starr mit einem 2-fach-Excenter 10 verbunden, der über zwei Wälzlager 1 1 zwei baugleiche Excenterräder 23 treibt. An der Peripherie der Excenterräder sind halb so viele Hohl-Zahnräder 13 angeordnet, wie Planetenräder 3 vorhanden sind. Durch die Verschränkung beider Excenterräder ineinander kämmen die Planetenräder 3 mit beiden Hohl-Zahnrädern 13 an derselben Axialposition. Dies vermeidet ein Kippmoment an dem 2-fach-Excenter 10 und damit an der Antriebswelle 1. Massenausgleich erfolgt durch die rotations-un- symmetrische Form der axialen Excenterhälften 20, die noch durch

Ausgleichsmassen 21 unterstützt werden. Darüber hinaus ist die Anordnung identisch mit der Anordnung in Figur 3a bis 3c,

bestehend also aus einem Hohlrad 7, das starr mit dem Statorträger 16 des

Antriebsmotors 17 verbunden ist, einem Hohlrad 6, das die zweite Anschlusswelle des Getriebes darstellt, einem frei laufenden (Stütz-) Sonnenrad 14 sowie die

Nadellager 15.

Das Untersetzungsverhältnis u des Getriebes beträgt unter der Voraussetzung, dass die Planetenräder 3 entlang ihrer Achse nur eine Verzahnung besitzen, d. h. überall gleiche Zähnezahl:

_{|| =} (z₁ - ₂) * (Z₃ - 7₄) _{> mjt}

^ZA * (^Z3 ^{+ Z}\ ~ ^Zl ) z, Zähnezahl Hohlrad 13 auf Excenterrad,

z₂ Zähnezahl Planetenrad 3,

z₃ Zähnezahl Hohlrad 7,

z₄ Zähnezahl Hohlrad 6.

Mit den gewählten Verzahnungen der Ausführungen in den Figuren 3 bis 7 (ζ-ι = 17, z₂ = 12, Z3 = 96, z₄ = 90) ergibt das ein Untersetzungsverhältnis von 1/303.

Eine Untersetzung von 1/1455 erzielt man mit der Ausführung in Figur 8a bis 8b, bei der die Differenz zwischen Zi und z₂ eins (statt 5 wie oben) beträgt, z₃ und z₄ bleiben unverändert.

Die bisherigen Ausführungen weisen eine Planetengetriebe-Stufe mit nebeneinander liegenden, langsam laufenden Anschlusswellen auf. Die folgenden beiden

Ausführungen beinhalten eine Planeten-Differenzial-Getriebestufe mit einer außen liegenden 8 und einer innen liegenden Anschlusswelle 9:

Die erste Anordnung ist schematisch in Fig. 9a bis 9d dargestellt und für besonders hohe Belastung und hohes Unter-/Übersetzungsverhältnis an den Anschlusswellen 8, 9 ausgelegt. Hohe Belastung, weil diese auf eine größere Anzahl von

Planetenrädern 3 aufgeteilt wird. Die Planetenräder 3 kämmen (hier) mit dem

Sonnenrad des Getriebes (Anschlusswelle) 9, und auch mit den Hohlrädern 13 der in Summe vollständig ausgewuchteten Excenterräder 24, die Planetenräder 30 mit dem Hohlrad (Anschlusswelle) 8, alle nebeneinander liegenden Planetenräder kämmen zusätzlich mit ihren jeweiligen Nachbarn. Ein (Planeten-) Lagerkäfig ist auch hier nicht erforderlich. Die kleineren, äußeren Planetenräder 30 dienen als

Abstandshalter und der Drehrichtungsumkehr, ohne die ein hohes

Untersetzungsverhältnis nicht möglich wäre. Die genutzte Differenz der Zähnzahlen tritt bei dieser Anordnung zwischen Hohlrad 8 und Sonnenrad 9 auf, ist aber aufgrund der dazwischen liegenden Planeten mit ihrem notwendigen

Mindestdurchmesser nicht so klein, dass extrem hohe Untersetzungsverhältnisse wie bei nebeneinander liegenden Anschlusswellen 6, 7 erzielt werden könnten.

Die Excenterräder 24 bestehen aus 2 (axial) äußeren Rädern und einem mittleren Rad, letzteres ist gegen die zwei äußeren um 180° phasenverschoben. Um mit zwei Wälzlagern 1 1 drei Scheiben zu lagern, besitzt die mittlere Scheibe für die

gegenläufige Oszillation zwischen den Scheiben ausreichend große Bohrungen 31 , durch welche mittels Verschraubung eine starre Verbindung zwischen den beiden äußeren Scheiben hergestellt wird.

Die Ausführung in Fig. 10 veranschaulicht eine gegenüber Fig. 9 vereinfachte Form, bei der ein Teil der Planeten-Zahnräder (3, 30) durch Distanzrollen (32) ersetzt wurde.

Claims

Ansprüche

1. Planeten-Differential-Getriebe mit einer Getriebestufe zur

Drehmomentübertragung zwischen einer schnell laufenden, auf der Mittelachse des Getriebes befindlichen Anschlusswelle (1) und langsamer umlaufenden Planetenrädern (3), ungeachtet davon, ob die Planetenräder in mindestens einem Hohlrad (6, 7, 8) Drehmoment übertragend abwälzen oder auf mindestens einem Sonnenrad (9, 14), dadurch gekennzeichnet, dass die schnell laufende Anschlusswelle (1) im Wesentlichen starr mit mindestens einem Excenter (10) verbunden ist, auf dem ein zu jedem Excenter zugehöriges, gegen den Excenter drehbares Excenterrad (12, 22, 23, 24) angebracht ist, das durch den Excenter in eine Kurbelbewegung versetzt wird, wobei das Excenterrad (12, 22, 23, 24) an seiner Peripherie eine Anzahl von verzahnten Elementen wie etwa Hohl-Zahnräder (13) aufweist, die mit dazu passenden verzahnten Elementen der Planetenräder (3) des Planetengetriebes unabhängig von der Winkelstellung des Excenters (der Excenter) dadurch kämmen, dass die Exzentrität des Excenters (der Excenter) im Wesentlichen gleich dem Achsabstand zwischen jedem zusammengehörigen Planetenrad (3) und Hohl-Zahnrad (13) des Excenterrades (12, 22, 23, 24) ist,

und dass durch die Kurbelbewegung des Excenterrades um die verzahnten Elemente der Planetenräder und dem Zwang der Planetenräder, in einem

Planetengetriebe auf definierte Weise auf mindestens einem Hohlrad (6, 7, 8) bzw. Sonnenrad (9, 14) abzuwälzen, Drehmomente zwischen dem Excenterrad (12, 22, 23, 24) und den Planetenrädern (3) übertragen werden.

2. Getriebestufe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

in der Ausführung einer Getriebestufe mit zwei Excentern (10) und zwei

Excenterrädern (23) beide Excenterräder im Wesentlichen baugleich sind und so gestaltet, dass die Hohl-Zahnräder (13) an der Peripherie eines jeden

Excenterrades - durch verschränkte Anordnung derselben - mit je der Hälfte der Planetenräder (3) an der gleichen Axialposition der Planetenräder wie die Hohl- Zahnräder des anderen Excenterrades kämmen.

3. Getriebe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

die Planetenräder (3) auf Anschlusswellen (6, 7) abwälzen, deren Drehmoment übertragende Bereiche im Wesentlichen axial nebeneinander liegen oder auf zumindest einer der Anschlusswellen (8, 9), deren Drehmoment übertragende Bereiche im Wesentlichen radial gegenüber liegen. Getriebe nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ausführung, bei der die Drehmoment übertragenden Bereiche der Anschlusswellen (8, 9) einander radial gegenüber liegen, Planetenräder (3) auf einer der Anschlusswellen (8, 9) abwälzen und weitere Planetenräder (30) auf der jeweils anderen der Anschlusswellen (8, 9).