CH649139A5

CH649139A5 - Verformungswellengetriebe.

Info

Publication number: CH649139A5
Application number: CH7539/80A
Authority: CH
Inventors: John Howard Carlson; Daniel Charles Seluk
Original assignee: Usm Corp
Priority date: 1979-10-10
Filing date: 1980-10-09
Publication date: 1985-04-30
Also published as: DE3037758A1; IL61230A0; BE885610A; AU6311680A; GB2060123A; FR2467326B1; AU538778B2; SE8006972L; GB2060123B; IL61230A; CA1126540A; NL8005555A; FR2467326A1; IT8025209A0; DK426780A; IT1133833B; JPS5655742A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verformungswellenge- Weg darin bestand, für eine Herabsetzung dieser Betriebsbetriebe mit einem Hohlzahnrad, einem rohrförmigen, flexiblen anspruchung zu sorgen, indem die Dicke der federnden Platte Zahnradteil, an dessen einem Ende eine federnde Platte vor- weiter herabgesetzt wird. Es hat sich nun jedoch herausge-gesehen ist, die an einer Welle angebracht ist, und einem Ver- stellt, dass beim Zusammenbau des Getriebes unter Umstän-formungswellenerzeuger, der fortschreitend den flexiblen 35 den in unbeabsichtigter bzw. unachtsamer Weise eine über-Zahnradteil in Eingriff mit dem Hohlzahnrad bringt. mässig hohe axiale Kraft ausgeübt wird, um den rohrförmi-

Verformungswellengetriebe, in welchen Relativbewegun- gen Teil des flexiblen Zahnrades auf den Verformungswellengen zwischen einem Verformungswellenerzeuger, einem rohr- erzeuger aufzusetzen. Da eine derartige axiale Kraft sich in förmigen, flexiblen Zahnrad und einem starren Hohlzahnrad der federnden Platte des flexiblen Zahnrades auswirkt, hat auftreten, sind bekannt. Die Relativbewegungen entstehen 40 jegliche ausgeübte übermässige axiale Kraft zur Folge, dass dabei dadurch, dass der Verformungswellenerzeuger, der das die federnde Platte ausgebogen und gewölbt wird, wobei flexible Zahnrad an einer oder vorzugsweise an mehreren Restspannungen in der federnden Platte zurückbleiben kön-

Stellen seines Umfanges mit dem Hohlzahnrad in Eingriff nen, die dazu führen können, dass die Platte während des andrückt, gedreht wird, um in dem flexiblen Zahnrad eine längs schliessenden Betriebs bricht. Es ist nun festgestellt worden, des Umfanges fortschreitende Verformungswelle zu erzeugen. 45 dass eine verbesserte federnde Platte dadurch erhalten werden

Im allgemeinen besteht das rohrförmige, flexible Zahnrad kann, dass die Dicke in einen bestimmten Bereich gesteigert aus einem rohrförmigen Teil, der in der Nähe eines seiner En- wird, wodurch zwar die im Betrieb auftretende axiale Ausbieden aussen Zähne trägt, und einer federnden Platte, die mit gungsspannung in der federnden Platte gegenüber dem der-dem anderen Ende des rohrförmigen Teiles verbunden ist und zeitigen Pegel etwas erhöht wird, jedoch die Spannung erheb-sich radial nach innen erstreckt. Die federnde Platte erfüllt so lieh vermindert wird, die während des Zusammenbaus einge-dabei zwei Funktionen: Sie begrenzt die axiale Verschiebung führt wird. Dadurch wird die Möglichkeit vermindert, dass des rohrförmigen Teiles dort, wo dieser durch die federnde Restspannungen nach dem Zusammenbau übrigbleiben, was Platte im wesentlichen kreisrund gehalten ist, und sie stellt ein • bisher nicht erkannt worden war.

Mittel dar, durch welches der rohrförmige, flexible Zahnrad- Das erfindungsgemässe Verformungswellengetriebe, mit teil an einem strukturell starren Element befestigt ist, bei dem ss dem die gestellte Aufgabe gelöst wird, ist daher dadurch ge-es sich entweder um eine rotierende Abtriebswelle oder um ein kennzeichnet, dass die Dicke der federnden Platte zwischen stationär festgehaltenes Element handeln kann. Bei den der- 1,0 und 2,0% des Durchmessers der Öffnung des rohrförmi-zeit benutzten Verformungswellengetrieben sind die ausbieg- gen flexiblen Zahnradteils beträgt.

baren Zahnräder so ausgelegt, dass die Betriebsspannungen Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachste-

berücksichtigt sind. Diese Betriebsspannungen umfassen die <>0 hend beispielsweise näher erläutert.

radiale Ausbiegungsspannung in dem rohrförmigen Teil des Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht und zum Teil im Schnitt flexiblen Zahnrades sowie die axiale Ausbiegungsspannung ein Verformungswellengetriebe gemäss der Erfindung.

in der federnden Platte. Die axiale Ausbiegungsspannung Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines flexiblen Zahnrades wird dadurch hervorgerufen, dass das mit der federnden Plat- in einer unbelasteten Stellung und in zwei Ausbiegestellungen te verbundene Ende des rohrförmigen Teils nicht in einer Ebe-65 infolge des Umlaufes des Verformungswellenerzeugers, ne verbleibt sondern vielmehr in die Form einer Sattelfläche Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Verformungswellen-

gekrümmt ist, wenn das Zahnende des rohrförmigen Teiles erzeugers sowie eines flexiblen Zahnrades unter Veranschauli-von einem runden Zustand in eine elliptische Form ausgebo- chung der Kräfte, die ausgeübt werden, wenn das flexible

Zahnrad und der Verformungswellenerzeuger zusammengesetzt werden.

Fig. 3A zeigt eine weitere Ausführungsform der Mittel, welche die Abtriebswelle mit dem flexiblen Zahnrad verbinden.

Fig. 4 veranschaulicht anhand von Kurven die Biegebeanspruchung, die in federnden Platten unterschiedlicher Dik-ken während des Betriebes entstehen, wobei ausserdem die axiale Beanspruchung veranschaulicht ist, die beim Zusammenfügen des Verformungswellenerzeugers und des flexiblen Zahnrades auftreten kann.

In Fig. 1 ist ein Verformungswellengetriebe gezeigt, das eine Eingangswelle 30 aufweist, welche mittels eines Lagers 31 in einem Gehäuseteil 32 gelagert ist. Der Gehäuseteil 32 ist an einem Gehäuse 54 mit Hilfe von Bolzen 55 befestigt, und zwar nach erfolgtem Zusammenbau des Getriebes. Ein Verformungswellenerzeuger 35 ist auf der Welle 30 festgehalten, und zwar mittels einer auf ein Gewinde 34 aufgeschraubten Mutter 33. Der Verformungswellenerzeuger weist eine elliptische Form auf, und ein flexibler Innenlaufring 36 ist auf den Verformungswellenerzeuger aufgepresst, so dass der Innenlaufring die elliptische Form des Verformungswellenerzeugers 35 annimmt. Der Innenlaufring 36 nimmt Lagerkugeln 37 mit gleichen Durchmessern auf, die innerhalb eines äusseren Laufringes 38 liegen, der ausbiegbar ist und der an der Innenseite eines rohrförmigen Teiles 44 eines flexiblen Zahnrades 43 angebracht ist, welches Aussenzähne 41 aufweist, die mit Innenzähnen 42 kämmen. Diese Innenzähne 42 bilden ein Hohlzahnrad, welches auf der Innenseite des Gehäuses 54 angebracht ist. Der ausbiegbare rohrförmige Teil 44 des flexiblen Zahnrades 43 ist an einer federnden Platte 51 angebracht, die ihrerseits mit einer Abtriebswelle 45 verbunden ist. Die Abtriebswelle 45 ist in Lagern 46 gelagert, die in einem Gehäuseteil 48 angeordnet sind. Das innere Ende der Abtriebswelle 45 ist an der federnden Platte 51 mittels zweier Scheiben 52a und 52b befestigt, die an beiden Seiten der federnden Platte 51 anliegen und an dieser mit Hilfe von Bolzen 53 befestigt sind. Die Umfange der Scheiben 52a und 52b begrenzen einen nicht flexiblen Teil der federnden Platte 51, während der übrige Teil der federnden Platte 51 flexibel ist.

Wenn im Betrieb die Eingangswelle 30 gedreht wird, dreht sie den Verformungswellenerzeuger 35. Über die Lagerkugeln

37 und den Laufring 38 ist der flexible Zahnradteil 44 elastisch ausgebogen und steht im Falle einer zwei Ausbiegungen aufweisenden Einheit an zwei in Abstand voneinander liegenden Stellen oder im Falle einer drei Ausbiegungszonen aufweisenden Einheit an drei entsprechenden Stellen mit den Innenzähne 42 in Eingriff, die an dem Gehäuse 54 angebracht sind. Die Bewegung der Eingangswelle 30 ruft eine relative Drehung der Abtriebswelle 45 über den rohrförmigen Teil 44 des flexiblen Zahnrades 43 und die federnde Platte 51 hervor.

Wenn der rohrförmige Teil 44 um den äusseren Laufring

38 herum aufgesetzt wird und ihm durch den Verformungswellenerzeuger 35 eine elliptische Form erteilt wird, dann tritt im flexiblen Bereich der federnden Platte 51 eine gewisse Biegung auf. Der Platz, in welchen das flexible Zahnrad hineinpassen muss, ist nur wenig grösser als das flexible Zahnrad selbst. Und da der Verformungswellenerzeuger 35 eine elliptische Form besitzt, ist es erforderlich, dass der rohrförmige Teil 44 dieselbe elliptische Form annimmt. Mit anderen Worten ausgedrückt heisst dies, dass eine radiale Ausbiegung am offenen Ende des rohrförmigen Teiles 44 des flexiblen Zahnrades auftritt und dass diese radiale Ausbiegung allmählich über die Länge abgeschwächt wird, bis schliesslich am anderen Ende bei der federnden Platte 51 der rohrförmige Teil 44 im wesentlichen kreisrund ist. Die federnde Platte 51 wird dadurch in die Form einer Sattelfläche gekrümmt, wobei sie in axialer Richtung ausgebogen wird.

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In Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines flexiblen Zahnrades in drei Stellungen bezogen auf die Position des Verformungswellenerzeugers gezeigt. Der Betrag der Ausbiebung ist dabei etwas übertrieben dargestellt, um die Ausbiegungen besser sichtbar zu machen. Der Schnitt halbwegs zwischen der grossen Hauptachse und der kleinen Hauptachse der Ellipsenform des flexiblen Zahnrades ist bei A veranschaulicht (wobei dieser Schnitt der gleiche ist wie ein Schnitt durch das nicht ausgebogene Zahnrad). Bei B ist der Schnitt im Bereich der grossen Hauptachse der Ellipsenform dargestellt, wo das Zahnrad bei seinem offenen Ende radial nach aussen ausgebogen ist und axial in Richtung zur federnden Platte 3 hin verschoben ist. Bei C ist der Schnitt im Bereich der kleinen Hauptachse der Ellipsenform dargestellt, wo das Zahnrad beim offenen Ende radial nach innen ausgebogen ist und axial in Richtung von der federnden Platte 3 weg verschoben ist. Die axiale Verschiebung X am offenen Ende des flexiblen Zahnrades entspricht wie gezeigt der axialen Verschiebung x am Umfang des flexiblen Bereiches der federnden Platte.

Wenn der elliptische Verformungswellenerzeuger in die Öffnung eines solchen flexiblen Zahnrades eingesetzt ist und gedreht wird, dann laufen auch die Ausbiegungen des rohrförmigen flexiblen Zahnradteiles und der federnden Platte um. Bei Verformungswellengetrieben dieses Typs wurde bisher die axiale Ausbiegungsspannung in der federnden Platte dazu herangezogen, die Plattendicke festzulegen; um diese Spannung klein zu halten, wurde die Dicke der federnden Platte bei einer minimalen Dicke gehalten, die allerdings noch ausreichend gross war, um das erforderüche Abtriebsdrehmoment übertragen zu können. Es hat sich herausgestellt, dass die maximale Beanspruchung, die auftreten kann, nicht notwendigerweise mit den Betriebsbeanspruchungen im Getriebe verknüpft ist, sondern dass sie vielmehr durch eine übermässig hohe axiale Spannung hervorgerufen werden kann, die auf die federnde Platte während des Zusammenbauens des flexiblen Zahnrades und des Verformungswellenerzeugers ausgeübt wird.

In Fig. 3 ist der Verformungswellenerzeuger 9 beim Einbauen in die Öffnung des flexiblen Zahnrades veranschaulicht. Die Kraft, die als Vektor Fl dargestellt ist, wird dazu benutzt, den Verformungswellenerzeuger 9 einzusetzen, und diese Kraft wird über den rohrförmigen Teil 5 des flexiblen Zahnrades auf den flexiblen Teil 3a der federnden Platte 3 übertragen. Der Kraft wirkt eine Kraft F2 in dem nicht flexiblen Bereich der federnden Platte 3 entgegen, und diese Gegenkraft wird über die federnde Platte 3 übertragen, wobei diese Platte gewölbt wird und im Bereich 10 eine maximale Biegespannung entsteht.

Das Problem ist unter Bedingungen während des Zusammenbaus kritisch, bei denen der Verformungswellenerzeuger leicht verkantet ist, oder in dem Fall, dass zwischen den einzelnen Teilen Temperaturunterschiede vorhanden sind, die einen Schiebesitz hervorrufen, oder in dem Fall, dass in der Öffnung 6 des flexiblen Zahnrades oder auf dem äusseren Laufring 11 Schmutz oder Abrieb vorhanden ist. In einigen Fällen ruft die während des Zusammenbaus ausgeübte Axialkraft Überbelastungen in der federnden Platte hervor, und zwar im Bereich 10, wodurch eine hohe Restspannung in der Platte entsteht. Wenn der Verformungswellenerzeuger dann während des Betriebs gedreht wird, dann werden die zyklisch wechselnd auftretenden Spannungen mit der hohen Restspannung kombiniert, wobei diese kombinierten Spannungen zusammen zur Folge haben können, dass die Platte 3 im Bereich 10 bricht. Eine der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ähnliche Anordnung ist in Fig. 3A veranschaulicht; im Unterschied zur Fig. 3 ist hier jedoch anstelle der Verwendung von Scheiben und Bolzen zum Zwecke der Befestigung der federnden Platte an der Abtriebswelle die betreffende federnde Plat-

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te 31 im inneren Bereich verdickt ausgebildet, wodurch eine werden, die in der erwähnten Grössenordnung von 0,8 % des mit ihr zusammenhängende Nabe geschaffen ist. Zahnradöffnungsdurchmessers liegt, dann wird eine Biegebein Fig. 4 ist ein Kurvendiagramm gezeigt, in welchem die anspruchung in der Grössenordnung von 8,8 kN/cm2 erzeugt. Biegebeanspruchung infolge der Krümmung der federnden Die zur Berechnung dieser Spannungswerte herangezogene Platte in die Form einer Sattelfläche und die Beanspruchung 5 axiale Kraft basiert dabei auf der Beziehung Kraft = (8) D2, durch in axialer Richtung wirkende Zusammenbaukräfte ver- welche die obere Grenze für die Kraft bezeichnet, die benutzt anschaulicht sind, wobei diese Beanspruchungen für verschie- wird, um den Verformungswellenerzeuger in das flexible, aus-dene Dicken der federnden Platte gezeigt sind. Bei der Vorbe- biegbare Zahnrad einzusetzen. Es hat sich nun gezeigt, dass reitung dieser Kurvendarstellung betrug das Übersetzungs- dann, wenn die Dicke der federnden Platte auf einen Wert Verhältnis des Getriebes 80 zu 1, das ist das Verhältnis zwi- 10 zwischen 1,0 und 2,0% gesteigert wird, auf den erwähnten sehen der Eingangsseite des Verformungswellenerzeugers und Durchmesser bezogen, die durch die axiale Kraft hervorgeru-der Abtriebsseite mit dem flexiblen Zahnrad; die Verhältnisse fene Beanspruchung erheblich herabgesetzt ist; sie liegt dann bezüglich der Länge dieses Zahnrades und des Festklemm- zwischen etwa 10 und 40 kN/cm2. Ausserdem zeigt sich, dass durchmessers der federnden Platte waren gleich jenen beim die Biegebeanspruchung lediglich auf einen Wert zwischen et-Stand der Technik. Aus der Kurvendarstellung kann nun er- 15 wa 10 und 20 kN/cm2 erhöht wird.

sehen werden, dass in einer sehr dünnen federnden Platte eine geringe Biegebeanspruchung erzeugt wird, wobei noch anzu- Mit den neuen Abmessungen der federnden Platte ist die merken ist, dass generell beim Stand der Technik federnde Biegespannung etwas höher als bei der bisher bekannten Platten mit Dicken in der Grössenordnung von 0,8 % des Öff- Konfiguration; die federnde Platte wird jedoch noch unter-nungsdurchmessers des flexiblen Zahnrades verwendet wor- 20 halb der Ermüdungsgrenze des Materials verwendet. Es hat den sind. Während nun in einer dünnen federnden Platte eine sich herausgestellt, dass die Biegebeanspruchung sich mit der geringe Biegebeanspruchung erzeugt wird, hat sich gezeigt, Dicke der federnden Platte proportional ändert, während sich dass eine extrem hohe axiale Beanspruchung hervorgerufen die durch die axiale Kraft hervorgerufene Beanspruchung werden kann, und zwar aufgrund einer übermässig hohen umgekehrt mit dem Quadrat dieser Dicke ändert. Damit eraxialen Kraft beim Zusammenbau. Bezüglich der Beanspru- 25 höht eine geringe Zunahme der axialen Dicke der federnden chung durch axiale Kräfte hat sich gezeigt, dass diese in der Platte die Biegebeanspruchung lediglich um einen geringen Grössenordnung von 60 kN/cm2 oder bei noch höheren Wer- Anteil, während die Beanspruchung durch eine axiale Kraft ten hegt. Wenn federnde Platten mit einer Dicke verwendet erheblich herabgesetzt ist.

C

3 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE gen ist. Längs der grossen Hauptachse der Ellipsenform ist

1. Verformungswellengetriebe, mit einem Hohlzahnrad das Ende des rohrförmigen Teiles dabei in Richtung gegen die (42), einem rohrförmigen, flexiblen Zahnradteil (5; 44) an federnde Platte hin verschoben, während es längs der kleinen dessen einem Ende eine federnde Platte (3; 51) vorgesehen ist, Hauptachse in Richtung von der federnden Platte weg verdie an einer Welle (45) angebracht ist, und einem Verfor- 5 schoben ist.

mungswellenerzeuger (9; 35), der fortschreitend den flexiblen Wenn sich die Ellipsenform dreht, wird auch das Sattelflä-Zahnradteil (5; 44) in Eingriff mit dem Hohlzahnrad (42) chenmuster gedreht, welches durch den rohrförmigen Teil des bringt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der federnden flexiblen Zahnrades der federnden Platte erteilt ist. Um die Platte (3; 51) zwischen 1,0 und 2,0% des Durchmessers der Biegebeanspruchung in der federnden Platte klein zu halten, Öffnung (6) des rohrförmigen, flexiblen Zahnradteils (5; 44) i0 ist bisher die Dicke der Platte bei einem Minimum gehalten beträgt. worden, wobei allerdings die Materialdicke noch ausreichend
2. Verformungswellengetriebe nach Anspruch 1, dadurch hoch gehalten war, um das Spitzen-Abtriebsdrehmoment zu gekennzeichnet, dass die federnde Platte (3; 51) in einen fle- übertragen, für dessen Bewältigung das flexible Zahnrad aus-xiblen Teil (3a) und in einen nicht flexiblen Teil aufgeteilt ist, gelegt war. Die Dicke der bisher benutzten federnden Platte der an der Welle (45) angebracht und um diese herum vorge- 15 betrug nominell 0,8% des Durchmessers der Öffnung des sehen ist, und dass der flexible Teil (3a) zwischen dem Ende rohrförmigen Zahnradteiles. Im allgemeinen war diese Dicke des rohrförmigen, flexiblen Zahnradteils (5; 44) und dem ausreichend, um den im Betrieb auftretenden Beanspruchun-nicht flexiblen Teil der Platte (3; 51) angeordnet ist. gen zu widerstehen. Es ist jedoch in den bekannten Verfor-
3. Verformungswellengetriebe nach Anspruch 2, dadurch mungswellengetrieben immer wieder vorgekommen, dass die gekennzeichnet, dass zumindest eine Scheibe (52a; 52b) am 20 flexiblen Zahnräder am plattenseitigen Ende während des Be-nicht flexiblen Teil der federnden Platte (3; 51) anliegend an- triebs gebrochen sind.

geordnet ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das eingangs
4. Verformungswellengetriebe nach einem der Ansprüche angegebene Verformungswellengetriebe derart auszubilden, 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungswel- dass die Gefahr solcher Schäden verringert ist.

lenerzeuger (35) auf seinem Umfang wenigstens zwei Ausbie- 25

gungen zum Ineingriffbringen des rohrförmigen flexiblen Da die Schäden bei den bekannten Verformungswellenge-

Zahnradteils (5; 44) mit dem Hohlzahnrad (42) aufweist. trieben während des Betriebs auftreten, wurde bisher vermu tet, dass die durch die Krümmung der federnden Platte in die

Form einer Sattelfläche verursachte axiale Ausbiegungsspan-

30 nung den Schaden hervorrief, weshalb der naheliegendste