DE10122660C2 - Wellgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Die Funktion dieses - auch als Harmonic Drive oder als Ringband-Getriebe bekannten - Wellgetriebes als sehr stark untersetzendem, selbsthemmendem System mit zur Antriebs­ welle koaxial drehendem Abtrieb beruht darauf, daß ein rotierender sogenannter Well-Generator einen Innenrad-Reifen umlaufend radial verformt und dadurch dessen Au­ ßenmantelfläche umlaufend lokal nach außen gegen die hohlzylindrische Innenmantelflä­ che geringfügig größeren Umfanges eines stationären, formstabilen Stützrings andrückt. Infolgedessen wälzt sich das Innenrad selbst oder sein darauf verdrehbar gelagerter Radrei­ fen kraftschlüssig über Reibflächen oder formschlüssig über Verzahnungen im Stützring ab, wobei das Rad bzw. sein Reifen sich nach Maßgabe der Umfangsdifferenz langsamer als der motorisch angetriebene Triebkern des Wellgenerators dreht. Diese gegenüber dem Antrieb stark verlangsamte Drehbewegung wird vorzugsweise über die Außenmantelfläche bzw. Außenverzahnung des Radreifens auf die Innenmantelfläche bzw. Innenverzahnung eines weiteren hohlzylindrischen Außenringes, des zum Stützring konzentrischen aber nicht stationären sondern ihm gegenüber drehbaren Abtriebsringes übertragen. Bei dem gattungsbildenden Beitrag "Genial einfach" von H. Hirn (KEM Antriebstechnik Heft 11/1996) wird als Wellgenerator ein nockenförmig unrunder (im Axial-Querschnitt ovaler) Triebkern konzentrisch in der Nabe des radial verformbaren Innenrades gedreht. Als radial orientierte Stößel wirkende, formstabile Speichen zwischen der vom Triebkern umlaufend radial verformten Nabe und dem ebenfalls radial verformbaren, außen verzahnten Reifen dieses Innenrades bewirken, daß die Außenverzahnung entsprechend ihrer umlaufenden radialen Verformung mit der Innenverzahnung des Stützringes jeweils nur über das hierin gerade abwälzende, begrenzte Bogenstück in Eingriff steht. Dieses Wellgetriebe ist auf­ grund seiner starken Untersetzung und Selbsthemmung für feinfühlige und gut reprodu­ zierbare, mechanisch stabile manuell auszuführende Justier- und Einstellaufgaben beson­ ders geeignet. Ein motorischer Antrieb solchen Wellgenerators erfolgt üblicherweise über einen an den Triebkern koaxial angeschlossenen, hochtourigen und deshalb preisgünstig verfügbaren Kleinspannungs-Gleichstrommotor, dessen Rotation so in eine sehr viel lang­ samere Drehbewegung entsprechend größeren Drehmomentes an der Abtriebswelle unter­ setzt wird. Einsatz findet eine solche Motor-Getriebe-Kombination insbesondere bei elek­ tromechanischen, rotatorisch arbeitenden Verstelleinrichtungen im Kraftfahrzeug.

Gemäß der DE 197 08 310 A1 kann ein derartiges Wellgetriebe auch mit einem Innenrad ausgestattet sein, das in Hinblick auf die unterschiedlichen Zähnezahlen einen in axialer Richtung zu unterschiedlichen Radien abgestuften Flexband-Reifen aufweist, um größere Untersetzungen ohne Bauvolumenvergrößerung zu ermöglichen. Zur umlaufenden Ver­ formung des Reifens werden dort außer dem erwähnten unrunden Triebkern - der gegebe­ nenfalls den Reifen auf einem umlaufenden Wälzlager trägt - alternativ auch Anordnungen mit zwei oder drei im Reifen umlaufenden Planetenrädern etwa in Form von Stützrollen vorgesehen, die achsparallel vor einer rotierenden Trägerscheibe gelagert sind und dadurch die radial flexible Außenverzahnung lokal umlaufend gegen die beiden einander benach­ barten starren Innenverzahnungen in Eingriff drücken.

Der Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, unter Beibehaltung seiner apparativen und anwendungsorientierten Vorteile das Wellgetriebe dahingehend fortzu­ entwickeln, daß sich weitere, bauartbedingt bisher noch nicht realisierbare Anwendungs­ möglichkeiten insbesondere auch bei einer Ausstattung als Getriebemotor eröffnen.

Die im Hauptanspruch gekennzeichnete Lösung als Hohlwellengetriebe mit konzentrisch durch das Wellgetriebe hindurch sich erstreckendem Kanal von im Verhältnis zum Geräte­ durchmesser vergleichsweise sehr großem Innendurchmesser erbringt den Vorteil, durch das Zentrum des Getriebes hindurch beispielsweise Versorgungsleitungen oder Konstruk­ tionselemente verlegen zu können. Der Wellgenerator ist nun eine konzentrisch rotierende Ringscheibe als Träger von wenigstens zwei exzentrischen, achsparallel orientierten Bol­ zen, über die hinweg (und somit gegen die Ringscheibe axial versetzt) eine radial flexible Manschette nach Art eines axial breiten Zahnriemens verläuft, die mit den Bolzen umlau­ fend lokal in die Innenperipherie der koaxial nebeneinander angeordneten, die Ringscheibe mit ihren Bolzen umgebenden Stütz- und Abtriebsringe hinein gedrückt wird. So können nun z. B. elektrische oder hydraulische Versorgungsleitungen konzentrisch durch das Well­ getriebe hindurch verlaufen, was einen vorkonfektionierbaren und raumsparenden Getrie­ beeinbau ermöglicht. Auch kann das Wellgetriebe etwa nach Art einer Hülse ortsfest auf einer stationär hindurchlaufenden Rohrleitung getragen werden, um z. B. eine Fluiddrossel nach Art einer Irisblende in dieser Rohrleitung durch unmittelbaren Angriff des ver­ schwenkbaren Getriebe-Abtriebsringes an einen radial aus der Rohrleitung hervorstehen­ den Blendenhebel einzustellen; oder koaxial durch das ortsfest montierte Wellgetriebe hin­ durch verläuft ein - gegebenenfalls sogar im Getriebe selbst - beweglich gelagerter Bolzen für Schalt- oder Signalisierungsaufgaben, der vom Abtriebsring durch Verdrehen oder (über einen Schneckengewindeeingriff) durch axiales Verschieben eingestellt wird.

Ein elektromotorische Antrieb für dieses hohle Wellgetriebe kann extern angeordnet und etwa über ein Zahnrad- oder ein Schneckengetriebe eingangsseitig an das Getriebe ange­ schlossen sein. Für den Fall eines antriebsseitigen Riementriebes kann der Träger-Ring für die umlaufenden Bolzen zugleich als Riemenscheibe bzw. als Zahnriemen-Zahnscheibe dienen. Raumsparender und einfacher zu montieren ist ein Wellgetriebemotor jedoch, wenn sein Antrieb erfindungsgemäß in das Getriebe integriert ist, indem sein Rotor, der dann stirnseitig mit dem Haltering für die umlaufenden Andruck-Bolzen bestückt ist, die Form eines dickwandigen Hohlzylinders in einem ringförmigen Statorgehäuse aufweist.

Bezüglich zusätzlicher Weiterbildungen und deren Merkmalen und Vorteilen wird außer auf die weiteren Ansprüche auch auf nachstehende Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Funktionswesentliche und nicht ganz maßstabsgerecht skiz­ zierten bevorzugten Realisierungsbeispiels für erfindungsgemäße hohle Wellgetriebe und deren Antriebsmotore verwiesen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 im Axial-Längsschnitt einen Getriebemotor mit ins Wellgetriebe integriertem elek­ tromotorischem Antrieb,

Fig. 2 im Querschnitt durch den Stützring des Wellgetriebes nach Fig. 1 dessen mit umlau­ fenden Rollen bestückte Ringscheibe in Stirnansicht und

Fig. 3 einen Wellgetriebemotor mit entsprechend Fig. 2 ausgestatteter Ringscheibe, dessen Wellgetriebe aber nun über einen Riementrieb von einem extern stationierten Motor angetrieben wird.

Wie einleitend dargestellt ist, wird an sich bei einem Wellgetriebe 8 ein radial verformba­ res Innenrad, das konzentrisch in einem formstabil hohlzylindrischen, axial kurzen gehäu­ sefesten Stützring 9 angeordnet ist, in seiner Nabe vom rotierenden unrunden Triebkern des sogenannten Wellgenerators 11 koaxial durchgriffen, wodurch das Zentrum des Well­ getriebes 8 konstruktiv belegt ist. Um aber dieses Zentrum für anderweitige Konstruktions- oder Montageerfordernisse frei halten zu können, erfährt nun erfindungsgemäß eine radial flexible, zahnriemenförmige Manschette 10 von einer rotierenden Ringscheibe 12 her ihre umlaufende Radialverformung für ihr - gegenüber der Rotation des Wellgenerators 11 - verlangsamtes Abwälzen des Eingriffsbereiches 17 im Stützring 9. Jene zentral großflächig gelochte Scheibe 12 trägt dafür mehrere, vorzugsweise einander diametral gegenüber gele­ gen zwei, achsparallele Bolzen 13, um die herum konzentrisch zur Ringscheibe 12 und axial der Scheibe 12 benachbart die Flexmanschette 10 verläuft. Zur Verringerung der Reibungsverluste können die Bolzen 13 Achswellen für wälzgelagerte Rollen 14 sein, die im dargestellten, konstruktiv bevorzugten Beispielsfalle hutförmig über die freien Stirnen­ den der ihnen zugeordneten Lager-Bolzen 13 gestülpt sind. Diese beiden, einander diame­ tral gegenüberliegenden, von der Ringscheibe 12 getragenen Rollen 14 drücken die ge­ zahnte Außenmantelfläche der Flexmanschette 10 im Eingriffsbereich 17 radial in die ebenfalls gezahnten, axial nebeneinander gelegenen, formstabil hohlzylindrischen Innen­ mantelflächen des stationären Stützringes 9 und des ihm axial benachbart rotierenden Ab­ triebsringes 15 hinein.

Indem die Rollen 14 mittels der angetriebenen Ringscheibe 12 um die Getriebe-Achse 16 gedreht werden, wälzen sie also längs des umlaufenden bogenförmigen Eingriffsbereiches 17 die Flexmanschette 10 in den Ringen 9/15 ab. Entgegen der in Fig. 2 und in Fig. 3 in­ soweit nur symbolisch zu verstehenden Prinzipskizze ist die Umfangs- oder Zähnediffe­ renz zwischen den Ringen 9/15 einerseits und andererseits der Flexmanschette 10 tat­ sächlich sehr klein. Diese Differenz bestimmt bekanntlich das dementsprechend sehr große Untersetzungsverhältnis des Wellgetriebes 8. Der Umfang der Flexmanschette 10 bzw. ihr kreisrund aufgespannter Durchmesser ist also kaum kleiner als der Innenumfang jedes der beiden Ringe 9 und 15.

Die Flexmanschette 10 kann auf einem formstabilen, in Umfangsrichtung starren aber ra­ dial elastisch verformbaren Träger etwa in Form eines breiten Ringes aus Stahlblech oder Kunststoff aufgebaut sein, auf dessen Außenmantelfläche die Verzahnung für den form­ schlüssig sich abwälzenden Eingriffsbereich 17 je nach Materialpaarung etwa aufge­ schweißt, aufgeklebt, aufgespritzt oder aufvulkanisiert ist. Bei einer sehr biegeweichen Flexmanschette 10 wie etwa im Falle eines axial breiten und radial dünnen Zahnriemens besteht dagegen die Möglichkeit, daß die Manschette 10 abseits ihres aktuellen, von den Rollen 14 bestimmt umlaufenden Eingriffsbereiches 17 schwerkraftbedingt in den Kanal­ querschnitt im Zentrum des Wellgetriebes 8 durchhängt und so hier den freien Durchgang durch den koaxialen Kanal 18 hindert. Als Abhilfe dagegen ist die Ringscheibe 12, den Lager-Bolzen 13 gegenüber peripher versetzt, mit achsparallelen Stützzapfen 19 bestückt, welche die Flexmanschette 10 abseits der erzwungenen Eingriffsbereiche 17 radial auffangen. Gelagerte Stützrollen sind auch hier möglich, aber mangels Reibungsverlusten nicht erforderlich, weil ja die Manschette 10 hier allenfalls unbelastet aufliegt, wie in Fig. 2 oben ersichtlich.

Der motorische Antrieb 20 ist im Beispielsfalle der Fig. 3 abseits des Getriebes 8 achsparallel zu diesem montiert. Die Drehübertragung erfolgt mittels eines Transmissions­ riemens 21 von einer treibenden Riemenscheibe 22 durch achsparallele Schlitze im Gehäu­ se (Stator 25) hindurch auf die Außenperipherie der mit den Abwälz-Rollen 14 bestückten Ringscheibe 12 des Hohlgetriebes 8, wobei es sich je nach den Lastgegebenheiten um eine reibschlüssige oder um eine kraftschlüssige Transmission mit Glattriemen oder mit Zahn­ riemen und längs des Stirnrandes entsprechend profilierte Riemen- und Ringscheiben 22, 12 handeln kann. Auch ein externer Antrieb etwa einer stirnverzahnten Ringscheibe 12 über Schnecken- oder Zahnrad-Getriebe ist hier vorteilhaft realisierbar.

Hinsichtlich des Handhabungs- und Platzaufwandes beim Einsatz des hohlen Getriebemo­ tors zweckmäßiger als ein externer Antrieb ist jedoch eine Integration des Antriebs 20 in das Wellgetriebe 8, wie in Fig. 1 berücksichtigt. Hier ist die Ringscheibe 12 den Bolzen 13 axial gegenüber koaxial mit einem elektromotorischen, mehrpolig radial magnetisierten Rotor 23 in Form eines derart ausgelegten dickwandigen Hohlzylinders bestückt, daß die Mantelfläche seiner Bohrung mit derjenigen der Bohrung in der Ringscheibe 12 zum zen­ tralen Kanal 18 durch den Getriebemotor hindurch wenigstens im wesentlichen fluchtet. Die Magnetisierung des Rotors 23 kann permanent-magnetisch der elektromagnetisch sein. Umgeben ist der Rotor 23 von der ebenfalls hohlzylindrischen Erregerspule 24 auf der Innenmantelfläche des gehäusefesten, hohlzylindrischen Stators 25. Der umgibt auch noch die drehstarr koaxial mit dem Rotor 23 verbundene Ringscheibe 12 und ist dann auf seiner freien Stirnfläche mit dem stationären Stützring 9 bestückt, innerhalb dessen die Flexman­ schette 10 mittels der darin umlaufenden Rollen 14 abgewälzt wird.

Für die radiale Führung des dem Stützring 9 axial benachbarten Abtriebsringes 15 ist in Fig. 1 ein wechselseitiger peripherer Eingriff mit dem Stützring 9 vorgesehen, und zusätz­ lich ein mit dem gehäusefesten Ring 9 drehfest verstifteter axialer Bund als Halterung 26 nach Art einer Überwurfmutter. Der Abtriebsring 15 kann wie skizziert nach Art eines in­ nen umlaufenden Flansches zu einer radialen, zentral gelochten Stirnscheibe 27 abgekröpft sein, welche axial vor den Rollen 14 liegt und deren axiale Beweglichkeit dadurch be­ grenzt.

Der an die Peripherie des zentralen Kanales 18 heran reichende Innenrand 28 der Stirn­ scheibe 27 ist zweckmäßigerweise mit einem Wälzlager ausgestattet, wenn die Stirnschei­ be 27 und somit der Abtriebsring 15 sich verdrehbar auf einem längs des Kanales 18 durchlaufenden Konstruktionselement wie einem Rohr oder einer Welle radial abstützen soll. Wenn dieses Konstruktionselement mit dem Abtriebsring 15 verdreht werden soll, weist der Innenrand 28 statt des Lagers radiale Klauen zum Eingriff in entsprechend profi­ lierte Einkerbungen am verdrehbaren Konstruktionselement auf. Wenn es sich dagegen um eine axial verlagerbare Spindelstange handelt, die sich koaxial durch das Hohlgetriebe 8 erstreckt, dann greift ein mit Gewindeabschnitten versehener Innenrand 28 der Ab­ triebs-Stirnscheibe 27 in das Schneckenprofil auf der Spindelstange ein, um diese axial zu verlagern.

Um also erfindungsgemäß Versorgungs- oder Konstruktionselemente zentral durch ein Wellgetriebe 8 hindurchführen zu können, weist dessen Wellgenerator 11 eine umlaufend angetriebene Ringscheibe 12 mit achsparallelen Bolzen 13 auf, die eine darüber hinweg geführte Flexmanschette 10 längs bogenförmig begrenzter Eingriffsbereiche 17 in die In­ nenmantelflächen der einander axial benachbarten Stütz- und Abtriebsringe 9/15 umlau­ fend radial hineindrücken. Die Ringscheibe 12 kann als Riemenscheibe oder Getriebe­ scheibe zu einem extern angeordneten elektromotorischen Antrieb 20 ausgelegt sein. Zweckmäßiger ist die Integration eines hohlen Antriebs 20 in das hohle Wellgetriebe 8, indem die Ringscheibe 12 axial mit einem koaxialen hohlzylindrischen Rotor 23 bestückt wird, der von einem auch als Träger des Stützringes 9 dienenden, ebenfalls hohlzylindri­ schen elektromagnetischen Stator 25 umgeben ist.

Claims (12)

1. Wellgetriebe (8) mit einem um seine Achse (16) rotierenden Wellgenerator (11) für ein koaxiales Abwälzen des Eingriffsbereiches (17) einer Flexmanschette (10) in einem Stützring (9) und in einem diesem axial benachbarten Abtriebsring (15), dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Wellgenerator (11) eine Ringscheibe (12) mit im Vergleich zum Außendurchmesser großem Innendurchmesser ihrer zentralen Bohrung vorgesehen ist, die auf wenigstens einer ihrer beiden Oberflächen mit die Eingriffsbereiche (17) be­ stimmenden achsparallelen Bolzen (13) ausgestattet ist, über die hinweg die Flexman­ schette (10) verläuft.

2. Wellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (12) zu­ sätzlich mit zu den Bolzen (13) parallelen Zapfen (19) zum Abfangen einer schwer­ kraftbedingt zur Bohrung der Ringscheibe (12) hin durchhängenden Flexmanschette (10) ausgestattet ist.

3. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikal unterstützenden Zapfen (19) und/oder wenigstens die radial andrückenden Bolzen (13) verdrehbar an der Ringscheibe (12) gehaltert sind oder Rollen (14) tragen.

4. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtriebsring (15) zu einer axial vor den Bolzen (13) und der Flexmanschette (10) gelegenen, jene radial übergreifenden Stirnscheibe (27) abgekröpft ist.

5. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber dem gehäusefesten Stützring (9) verdrehbare Abtriebsring (15) axial an den Stützring (9) gefesselt ist.

6. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentralen, im wesentlichen miteinander fluchtenden Bohrungen in der Ringscheibe (12) und in einer Stirnscheibe (27), mit welcher der Abtriebsring (15) ausgestattet ist, einen zentral durch das Wellgetriebe (8) sich erstreckenden koaxialen Kanal (18) be­ grenzen.

7. Wellgetriebe nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnscheibe (27) an ihrem Innenrand (28) mit einer Profilierung zur Auflage auf die oder zum Eingriff in die im wesentlichen zylindrische Mantelfläche eines im Kanal (18) gelegenen Konstruktionselementes ausgestattet ist.

8. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (12) konstruktiv in Drehverbindung mit einem motorischen Antrieb (20) steht.

9. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (12) konzentrisch zu ihr drehfest mit einem hohlzylindrischen Rotor (23) eines elektrischen Antriebes (20) bestückt ist.

10. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (9) konzentrisch zu ihm drehfest mit einem hohlzylindrischen Stator (25) eines elektrischen Antriebs (20) bestückt ist.

11. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (12) mit einer Transmissions-Riemenscheibe ausgestattet ist.

12. Wellgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (12) als Zahnscheibe ausgelegt ist.