DE102008001490A1

DE102008001490A1 - Einstufiges Taumelradgetriebe mit Stirnverzahnung

Info

Publication number: DE102008001490A1
Application number: DE200810001490
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Börner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Ein Taumelradgetriebe (100) besteht aus einem um eine Hauptachse (5) drehbaren Antriebsglied (10), einem Übertragungsglied (120), welches drehbar um eine Taumelachse (6) angeordnet ist, wobei die Taumelachse die Hauptachse unter einem Taumelwinkel (alpha) schneidet und mit dem Antriebsglied um die Hauptachse umläuft, sowie einem Abtriebsglied (130) und einem Abstützglied (40). Hierbei ist an dem Übertragungsglied mindestens eine erste Verzahnung (71) angeordnet, welche mit einer an dem Abstützglied angeordneten zweiten Verzahnung (72) in Eingriff befindlich ist, und das Übertragungsglied (10) ist mittels eines Ausgleichsglieds (150) mit dem Abtriebsglied (130) wirkverbunden, wobei die erste gen ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Taumelradgetriebe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Das Prinzip des Taumelradgetriebes ist bekannt und ermöglicht mit nur wenigen Übersetzungsstufen, und damit einer geringen Anzahl von Bauteilen, sehr hohe Übersetzungsverhältnisse. Das Taumelradprinzip findet insbesondere bei der Reduzierung von hohen Antriebsdrehzahlen auf sehr geringe Abtriebsdrehzahlen seine Anwendung. Hierbei weist ein schnell laufendes, um eine Hauptachse rotierendes Antriebsglied einen zur Hauptachse der Antriebswelle um einen Taumelwinkel gekröpften Abschnitt auf, welcher zentrisch zu einer Taumelachse ist. Innerhalb des gekröpften Abschnitts ist ein Übertragungsglied, welches auch gemeinhin als Taumelrad bezeichnet wird, um eine die Hauptachse schneidende Taumelachse drehbar gelagert. Da die Taumelachse einen Kegelmantel erzeugend mit der Winkelgeschwindigkeit des Antriebsglieds um die Hauptachse rotiert, stellt sich für einen ortsfesten Betrachter eine Taumelbewegung des Übertragungsglieds ein. Auf dem Übertragungsglied sind zwei umlaufende Verzahnungen angebracht, von welchen eine in eine Verzahnung eines Abstützglieds eingreift. Hierdurch führt das Übertragungsglied eine Taumel- oder Präzessionsbewegung um die Hauptachse mit der Drehfrequenz des Antriebsglieds aus. Aufgrund der Taumelbewegung des Übertragungsglieds wandert der Eingriffsbereich der Verzahnungen umlaufend in der Verzahnung des Abstützglieds, wobei bei gleicher Zähnezahl von der Verzahnung auf dem Übertragungsglied und der Verzahnung auf dem Abstützglied das Übertragungsglied seinen Drehwinkel relativ zum Abstützglied nicht verändert und immer wieder die selben Zähne beider Verzahnungen in Kontakt sind. Bei einer Zähnezahldifferenz von einem Zahn wird die höchste Übersetzungsstufe erreicht, da sich das Übertragungsglied pro Umdrehung des Antriebsglieds nur um einen Zahn relativ zum Abstützglied verdreht. Bei einer Zähnezahl von n Zähnen auf dem Übertragungsglied oder dem Abstützglied und einer Zähnezahldifferenz von einem Zahn kommt auf n Umdrehungen des Antriebsgliedes eine Umdrehung des Übertragungsglieds. Hieraus wird deutlich, dass das Übersetzungsverhältnis der Verzahnungspaarung von Zähnezahldifferenz und Zähnezahl abhängt. Um nun die Drehzahl des taumelnden Übertragungsglieds auf ein Abtriebsglied zu übertragen und die Taumelbewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln, ist entweder eine zweite Übersetzungsstufe erforderlich, welche von der zweiten Verzahnung auf dem Übertragungsglied und einer Verzahnung auf dem Abtriebsglied gebildet wird, oder ein als Ausgleichsglied wirksames Koppelmittel, welches den Taumelwinkel ausgleichen und die Drehzahl des Übertragungsglieds auf das Abtriebsglied übertragen kann. Derartige Koppelmittel sind Maschinenelemente wie beispielsweise Kreuzgelenke, Gleichlaufgelenke oder Bogenzahnkupplungen. Das Gesamtübersetzungsverhältnis eines Taumelradgetriebes mit zwei Zahnrad- oder Übersetzungsstufen steigt mit den einzelnen Zähnezahlen aller vier Verzahnungen. Bei der Wandlung der Taumelbewegung in eine Drehbewegung durch ein Ausgleichsglied findet die Drehzahlwandlung des Taumelradgetriebes nur an einer Zahnradstufe statt, so dass die erreichbare Gesamtübersetzung entsprechend geringer ist. Der Wirkungsgrad eines Taumelradgetriebes mit nur einer Zahnradstufe ist hingegen deutlich höher als bei zwei Zahnradstufen, da die Reibverluste aus den gleitenden Anteilen der zweiten Übersetzungsstufe entfallen. Welche Bauart bevorzugt wird, ist somit von den Anforderungen an die Höhe des Übersetzungsverhältnisses abhängig.
Ein bekanntes Taumelradgetriebe zeigt die DE 1707499 U . Hierbei ist das Antriebsglied als Antriebswelle ausgeführt, auf welcher eine Buchse mit einer in einem Winkel zur Richtung der Hauptachse ausgerichteten zylindrischen Außenkontur befestigt ist, wodurch ein gekröpfter Wellenabschnitt entsteht, dessen Zentrum von einer zur Hauptachse der Antriebswelle geneigten Taumelachse gebildet wird, um welche ein Übertragungsglied rotiert. Auf den beiden Axialseiten des Übertragungsglieds ist jeweils eine Verzahnung nach Art eines Kegelrads angeordnet, nachfolgend als erste und dritte Verzahnung bezeichnet. Die dritte Verzahnung des Übertragungsglieds ist in Kontakt mit einer vierten Verzahnung, welche an einem Abstützglied, in diesem Falle als feststehender Gehäusedeckel ausgebildet, angeordnet ist. Hierdurch führt das auf der zylindrischen Außenkontur des gekröpften Teils des Antriebsglieds gelagerte Übertragungsglied eine Taumelbewegung aus. Die erste Taumelradverzahnung ist auf der Gegenseite im Eingriff mit einer gleichfalls kegelradähnlichen zweiten Verzahnung, die sich an einem Abtriebsglied befindet. Das Abtriebsglied wird aus einem die zweite Verzahnung aufweisenden Abtriebsrad und der mit dem Abtriebsrad verbundenen Abtriebswelle gebildet und ist wie das Antriebsglied um die Hauptachse drehbar. Die Zähnezahlen der ersten und zweiten Verzahnung und/oder die Zähnezahlen der dritten und vierten Verzahnung sind unterschiedlich, ebenso können die Zähnezahlen der ersten und dritten Verzahnung auf dem Übertragungsglied gleich oder unterschiedlich sein.
Die EP 0078111 B1 zeigt ein Taumelradgetriebe mit ähnlichem Aufbau wie in der DE 1707499 U . Der Gegenstand der Erfindung ist hierbei die besondere Gestaltung der Kegelradverzahnung.
Eine Veröffentlichung der Firma STAM mit dem Titel „Report Spacegear – State of Development" vom Mai 2003 zeigt ein Taumelradgetriebe mit einem Antriebsglied, einem Übertragungsglied, einem Abstützglied und einem Abtriebsglied, wobei ebenfalls alle Verzahnungen axial ausgerichtet sind. Die erste und dritte Verzahnung des Übertragungsglieds sind hierbei jedoch nicht axial gegenüberliegend an den axialen Außenflächen des Übertragungsglieds angeordnet, sondern liegen konzentrisch ineinander und weisen axial zur gleichen Seite. Die in die erste und dritte eingreifende zweite und vierte Verzahnung sind dem entsprechend ebenfalls konzentrisch angeordnet und der ersten und dritten Verzahnung entgegengerichtet.
Allen zweistufigen Taumelradgetrieben gemein sind Nachteile betreffend des Wirkungsgrades aufgrund der zweifachen Drehzahlwandlung und der damit verbunden Reibung.
Ein Taumelradgetriebe mit nur einer Übersetzungsstufe ist aus der DE 3341558 C2 bekannt. Hierbei ist ein als Übertragungsglied wirksames Taumelrad in einer als Antriebsglied wirksamer Antriebstrommel drehbar um eine Taumelachse gelagert, wobei die Taumelachse um einen Taumelwinkel zu einer Hauptachse geneigt ist und mit der Drehfrequenz der schnelldrehenden Antriebstrommel um die Hauptachse rotiert. Eine axial ausgerichtete, kegelradartige Verzahnung des Übertragungsglieds steht mit einer ebensolchen Verzahnung eines gehäusefesten Abstützglieds im Eingriff, wodurch das Übertragungsglied bei der Drehung des Antriebsglieds eine Taumelbewegung ausführt. Eine Zähnezahldifferenz zwischen der Verzahnung des Übertragungsglieds und der Verzahnung des Abstützglieds bewirkt eine Drehzahlwandlung, wodurch sich das Übertragungsglied relativ zum Abstützglied verdreht. Von der Bewegung des taumelnden Übertragungsglieds, welche sich aus der Taumelbewegung und einer Drehbewegung zusammensetzt, wird mittels eines als Ausgleichsglied wirkenden Gleichlaufgelenks die Taumelbewegung ausgeglichen und nur die Drehbewegung auf das Abtriebsglied übertragen. Das Abtriebsglied dreht sich wie das Antriebsglied um die Hauptachse. Hierbei ergibt sich eine Reduktion der hohen Antriebsdrehzahl auf eine geringe Abtriebsdrehzahl, wobei sich das Drehzahlverhältnis aus dem Zähnezahlverhältnis der Verzahnungen an Übertragungsglied und Abstützglied errechnet.
Die axial ausgerichtete Kegelradverzahnung ist aufwändig in der Fertigung. Zudem werden durch die axial ausgerichtete Verzahnung im Betrieb Axialkräfte erzeugt, welche durch eine geeignete Lagerung abgestützt werden müssen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Taumelradgetriebe zu schaffen, dessen Verzahnung einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst.
Ein Taumelradgetriebe besteht aus einem Antriebsglied, einem Übertragungsglied, einem Abstützglied, einem Ausgleichsglied und einem Abtriebsglied, welche nachfolgend zusammenfassend als Getriebeglieder bezeichnet werden. Das Antriebsglied ist hierbei um eine Hauptachse drehbar angeordnet und weist einen Abschnitt auf, welcher zentrisch zu einer Taumelachse ist. Die Taumelachse schneidet die Hauptachse unter einem Taumelwinkel und läuft mit dem Antriebsglieds mit diesem um die Hauptachse um. Das Übertragungsglied ist drehbar um die Taumelachse angeordnet und weist mindestens eine erste Verzahnung auf, welche mit einer auf einem Abstützglied angeordneten zweiten Verzahnung im Eingriff befindlich ist, wobei die erste und zweite Verzahnung eine Zähnezahldifferenz aufweisen. Das Übertragungsglied ist außerdem mittels des Ausgleichsglieds mit dem Abtriebsglied gekoppelt, wobei das Abtriebsglied wie das Antriebsglied um die Hauptachse drehbar ist. Das Ausgleichsglied wandelt die Taumelbewegung in eine Rotation um die Hauptachse mit der Drehzahl des Übertragungsglieds relativ zum Abstützglied um.
Erfindungsgemäß sind die erste und zweite Verzahnung als Stirnverzahnungen ausgebildet. Stirnverzahnungen sind einfacher in Herstellung als die aus dem Stand der Technik bekannten Kegelradverzahnungen. Beispielsweise ist die Verwendung von Werkzeugen zur Fertigung von Evolventen-Verzahnungen möglich. Zudem sind die bei der radial ausgerichteten Stirnverzahnung auftretenden Axialkräfte deutlich geringer als bei einer axial ausgerichteten Kegelradverzahnung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgleichsglied als Gleichlaufgelenk ausgeführt. Ein Gleichlaufgelenk weist nur geringe bis keine Drehungleichförmigkeiten auf.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgleichsglied als Kreuzgelenk ausgeführt.
Eine weitere alternative Ausführungsart ist ein Ausgleichsglied nach der Art einer Bogenzahnkupplung.
In einer anderen Alternative ist das Ausgleichsglied als so genanntes Tripoden-Gelenk ausgestaltet, wobei radial nach außen weisende Mitnahmezapfen fest an dem Abtriebsglied angeordnet sind. Diese greifen in eine am Übertragungsglied ausgebildete Innenkontur ein und übertragen so die Drehbewegung des Übertragungsglieds. Die axiale Bewegungskomponente des Übertragungsglieds aufgrund von dessen Taumelbewegung wird nicht weitergeleitet, da sich die die Mitnahmezapfen innerhalb der Innenkontur am Übertragungsglied axial frei bewegen können.
Es wird als besonders vorteilhaft beurteilt, dass mindestens die erste oder die zweite Verzahnung als eine evolventische Stirnverzahnung mit einer über der Zahnbreite veränderlichen Profilverschiebung ausgebildet ist. Diese Verzahnungsform, auch als Beveloid-Verzahnung bezeichnet, ist für den Ausgleich von Schrägstellungen infolge nichtparalleler Achsen in Stirnradstufen geeignet, da derart gestaltete Zahnräder aufgrund der Änderung des Zahnfuß- und Zahnkopfdurchmessers über der Breite eine konische Außenkontur haben.
In diesem Zusammenhang sieht eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung vor, dass die am Übertragungsglied angeordnete erste Verzahnung als Außenverzahnung und die am Abstützglied angeordnete zweite Verzahnung als Innenverzahnung ausgeführt ist.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist auf dem Übertragungsglied zusätzlich zur ersten Verzahnung eine dritte Verzahnung angeordnet, welche mit einer an dem Abstützglied zusätzlich zur zweiten Verzahnung angeordneten vierten Verzahnung in einem zweiten Zahneingriff befindlich ist. Ein erster Zahneingriff, gebildet aus der ersten und zweiten Verzahnung, ist um 180° zu dem zweiten Zahneingriff versetzt. Hierdurch werden die Komponenten aus Radialkraft bzw. Umfangskraft aus den in den beiden Eingriffen auftretenden Verzahnungskräften kompensiert.
Die Bedingung für ein einwandfreies Abwälzen bzw. einen klemmfreien Lauf der beiden Zahneingriffe ist ein identisches Zähnezahl- bzw. Übersetzungsverhältnis in beiden Zahnradpaarungen, das heißt dass das Zähnezahlverhältnis zwischen der ersten und zweiten Verzahnung gleich dem Zähnezahlverhältnis zwischen der dritten und vierten Verzahnung ist. Dies erreicht man beispielsweise dadurch, dass die erste und dritte Verzahnung symmetrisch bezüglich einer ersten Ebene und die zweite und vierte Verzahnung symmetrisch bezüglich einer zweiten Ebene ausgebildet sind. Das heißt, dass die dritte Verzahnung aus der ersten Verzahnung durch Spiegelung an der ersten Ebene hervorgeht und somit identisch bezüglich Zähnezahl und Verzahnungsgeometrie ist. Eine übereinstimmende Ausrichtung der Zähne um den Umfang ist nicht zwingend erforderlich, kann aber fertigungstechnische Vorteile mit sich bringen, insbesondere wenn die beiden Verzahnungen in einem Arbeitsgang herstellbar sind. Die erste Ebene beinhaltet den Schnittpunkt von Taumelachse und Hauptachse und wird senkrecht von der Taumelachse durchstochen. Die Abstände der ersten Verzahnung und der dritten Verzahnung zur ersten Ebene sind gleich. Das gleiche gilt für die vierte Verzahnung betreffend ihrer Spiegelbildlichkeit zur zweiten Verzahnung bezüglich der zweiten Ebene. In der zwei ten Ebene liegt ebenfalls der Schnittpunkt von Taumelachse und Hauptachse, allerdings wird diese von der Hauptachse senkrecht durchstochen. Eine Symmetrie der Zahngeometrie bedeutet weiterhin, dass bei der Ausführung der ersten Verzahnung als eine Verzahnung mit über der Zahnbreite veränderlicher Profilverschiebung die dritte Verzahnung ebenfalls eine über der Zahnbreite veränderlicher Profilverschiebung aufweist, wobei die kegelstumpfförmige Außenkontur beider Verzahnungen spiegelbildlich ist. Das gleiche gilt für die Ausführung der zweiten und vierten Verzahnung. Die sich aus der Symmetrie ergebenden gleichen Verzahnungen haben den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit.
Diesbezüglich sieht eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung vor, dass die am Übertragungsglied angeordnete erste und dritte Verzahnung als Außenverzahnungen und die am Abstützglied angeordnete zweite und vierte Verzahnung als Innenverzahnungen ausgeführt sind.
Aufgrund der Symmetrie der Verzahnungen eines Zahnradpaares ist in einer Ausgestaltung der Erfindung mindestens ein Verzahnungspaar auf einem Getriebeglied durchgehend bearbeitet, so dass zwei Verzahnungen als eine durchgehende Verzahnung ausgebildet sind.
Grundsätzlich ist es möglich, dass das Abtriebsglied und das Abstützglied ihre Funktionen tauschen können. Allerdings zu beachten, dass sich hierbei die Gesamtübersetzung des Taumelradgetriebes bzw. die Drehrichtung des Abtriebsglieds ändert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Abstützglied feststehend und somit das Taumelradgetriebe als Standgetriebe ausgebildet.
In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass das Abstützglied antreibbar und somit das Taumelradgetriebe als Überlagerungsgetriebe ausgebildet ist.
Alle Lagerungen zwischen den Getriebegliedern bzw. einem Gehäuse können als Wälzlager oder als Gleitlager ausgebildet sein.
Alle genannten Varianten der Ausgleichsglieder sind auch in Taumelradgetrieben mit Kegelradverzahnungen als Koppelmittel zwischen zwei Getriebegliedern denkbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe, bei welchem zwischen dem Übertragungsglied und dem Abtriebsglied ein als Gleichlaufgelenk ausgestaltetes Ausgleichsglied angeordnet ist;
2 einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe, bei welchem zwischen dem Übertragungsglied und dem Abtriebsglied ein als Kreuzgelenk ausgestaltetes Ausgleichsglied angeordnet ist;
3 einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe, bei welchem zwischen dem Übertragungsglied und dem Abtriebsglied ein in der Art einer Bogenzahnkupplung ausgestaltetes Ausgleichsglied angeordnet ist;
4 einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe, bei welchem zwischen dem Übertragungsglied und dem Abtriebsglied ein in der Art eines Tripoden-Gelenks ausgestaltetes Ausgleichsglied angeordnet ist;
5 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts von einem Zahneingriff eines außenverzahnten Stirnrades mit über der Zahnbreite veränderlicher Profilverschiebung und einem Hohlrad mit konstanter Profilverschiebung und
6 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch ein außenverzahntes Stirnrad mit über der Zahnbreite veränderlicher Profilverschiebung und einer Darstellung der Zahnform über der Breite.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe 100 mit Stirnverzahnungen, bestehend aus einem Antriebsglied 10, einem Übertragungsglied 120, einem Abstützglied 40, einem Ausgleichsglied 150 und einem Abtriebsglied 130, wobei das Abstützglied 40 aus einem Gehäuse 41, einem ersten Lagerdeckel 42 und einem zweiten Lagerdeckel 43 gebildet wird. Das Antriebsglied 10 ist mittels eines ersten Lagers 81 in einem ersten Lagerdeckel 42 eines Abstützglieds 40 drehbar um eine Hauptachse 5 angeordnet, wobei sich das erste Lager 81 zwischen einer ersten Innenkontur 91 des Abstützglieds 40 und einer ersten Außenkontur 92 des Antriebsglieds 10 befindet. Das Antriebsglied 10 weist eine taumelnde Außenkontur 98 auf, deren Zentrum von einer Taumelachse 6 gebildet wird, welche um einen Taumelwinkel α zur Hauptachse 5 geneigt ist. Die Taumelachse 6 schneidet die Hauptachse 5 in einem Schnittpunkt S und dreht sich mit der taumelnden Außenkontur 98 des Antriebsglieds 10 um die Hauptachse 5. Zwischen der taumelnden Außenkontur 98 und einer vierten Innenkontur 97 des Übertragungsglieds 120 ist ein zweites Lager 82 angeordnet, mittels welchem das Übertragungsglied 120 um die Taumelachse 6 drehbar ist. Das Übertragungsglied 120 weist eine erste Verzahnung 71 auf, welche als Außenverzahnung ausgebildet ist und mit einer am Abstützglied 40 angeordneten innenverzahnten zweiten Verzahnung 72 im Eingriff steht. Bei Stirnverzahnungen mit nicht parallelen Achsen muss mindestens eine der beiden Verzahnungen eine Zahnform mit einer über der Zahnbreite veränderlichen Profilverschiebung aufweisen, um die Abwälzbewegung der unter einem Taumelwinkel α zueinander geneigten Stirnverzahnungen zu ermöglichen. In diesem Falle ist die erste Verzahnung 71 als Evolventenverzahnung mit einer über der Zahnbreite veränderlichen Profilverschiebung ausgeführt. Bei der Drehung des Antriebsglieds 10 führt das Übertragungsglied 120 eine Taumelbewegung aus, wobei es sich aufgrund eines Zähnezahlunterschieds zwischen der ersten 71 und zweiten Verzahnung 72 relativ zum Abstützglied 40 verdreht.
Zusätzlich zur ersten Verzahnung 71 ist auf dem Übertragungsglied 120 eine ebenfalls außenverzahnte dritte Verzahnung 73 angeordnet, welche mit einer innenverzahnten vierten Verzahnung 74, welche am Abstützglied 40 angeordnet ist, im Eingriff steht. Ein erster Zahneingriff 61 der ersten 71 und zweiten Verzahnung 72 und ein zweiter Zahneingriff 62 der dritten 73 und vierten Verzahnung 74 liegen um 180° zueinander versetzt, wodurch die Radialkräfte aus den beiden Zahneingriffen 61 und 62 einander entgegen wirken und sich somit kompensieren. Zudem kann über mehrere Zahneingriffe ein höheres Gesamtmoment übertragen werden. Die erste 71 und zweite Verzahnung 72 weisen als Bedingung für ein einwandfreies Abwälzen bzw. einen klemmfreien Lauf das gleiche Zähnezahl- bzw. Übersetzungsverhältnis wie die dritte 73 und vierte Verzahnung 74 auf. Die erste 71 und dritte Verzahnung 73, welche beide am Übertragungsglied 120 angeordnet sind zur Erfüllung dieser Abwälzbedingung und aus Gründen einer einfachen Herstellbarkeit identisch ausgeführt. Das Gleiche gilt für die am Abstützglied 40 angeordnete zweite 72 und vierte Verzahnung 74. Hierbei weisen die erste 71 und dritte Verzahnung 73 eine Symmetrie bezüglich einer ersten Ebene 7 auf, d. h. beide Verzahnungen ha ben die gleiche Zähnezahl, die gleiche Verzahnungsgeometrie in spiegelbildlicher Form bezüglich der ersten ebene 7 und den gleichen Abstand zur ersten Ebene 7. Zudem zeigen die erste 71 und dritte Verzahnung 73 eine über der Zahnbreite veränderliche Profilverschiebung und sind mit Werkzeugen zu Herstellung von Evolventen-Verzahnungen herstellbar. Die erste Ebene 7 steht senkrecht zur Taumelachse 6 und beinhaltet den Schnittpunkt S von Taumelachse 6 und Hauptachse 5. Die zweite 72 und vierte Verzahnung 74 sind entsprechend symmetrisch bezüglich einer zweiten Ebene 8, in welcher ebenfalls der Schnittpunkt S liegt und welche von der Taumelachse 6 senkrecht durchstochen wird. Die zweite 72 und vierte Verzahnung 74 weisen eine einfache Evolventen-Verzahnung auf.
Da die Verzahnungen und deren Eingriffsverhältnisse in den 2, 3 und 4 gleich sind wie in 1, werden diese in den jeweiligen Ausführungsbeispielen nicht noch einmal beschrieben.
Das Abtriebsglied 130 ist mittels eines dritten Lagers 83 und eines vierten Lagers 84 drehbar um die Hauptachse 5 gelagert. Hierbei ist das dritte Lager 83 zwischen einer zweiten Außenkontur 92 am Abtriebsglied 130 und einer zweiten Innenkontur 93 am zweiten Lagerdeckel 43 des Abstützglieds 40 angeordnet. Das vierte Lager 84 ist zwischen einer dritten Außenkontur 96 am Abtriebsglied 130 und einer dritten Innenkontur 95 am Antriebsglied 10 angeordnet. Zur Übertragung der Drehbewegung des Übertragungsglieds 120 an das Abtriebsglied 130 ist zwischen dem Übertragungsglied 120 und dem Abtriebsglied 130 ein Ausgleichsglied 150 angeordnet, welches die Drehung des Übertragungsglieds 120 weiterleitet und den Winkel aus der Taumelbewegung ausgleicht. In dem Ausgleichsglied 150 findet keine Drehzahlwandlung statt.
In dieser Ausführung ist zwischen einer fünften Innenkontur 122 am Übertragungsglied 120 und einer als Mitnahmeprofil 131 ausgebildeten Außenkontur des Abtriebsglieds 130 ein als Gleichlaufgelenk oder homokinetisches Gelenk ausgeführtes Ausgleichsglied 150 angeordnet. Hierbei ist an der am Übertragungsglied 120 ausgebildeten fünften Innenkontur 122 ein Außenkörper 151 des Ausgleichsglieds 150 angeordnet, welcher mit mindestens einem Befestigungselement 154 an dem Übertragungsglied 120 befestigt ist. An der Innenseite des Außenkörpers 151 sind mindestens zwei erste Nuten 155 angeordnet. Auf dem Mitnahmeprofil 131 ist ein Innenkörper 153 des Ausgleichsglieds 150 verdrehfest gegenüber dem Abtriebsglied 130 angeordnet und weist eine kugelförmige Außenkontur 157 auf, in welcher mindestens zwei zweite Nuten 156 angeordnet sind. Die verdrehfeste und winkelausgleichende Verbindung zwischen Außenkörper 151 und Innenkörper 153 erfolgt mittels mindestens zweier Kugeln 152, welche zu einem Teil in der ersten Nut 155 und zu einem anderen Teil in der zweiten Nut 156 geführt sind. Hierdurch verbindet die Kugel 152 den Außenkörper 151 verdrehfest mit dem Innenkörper 153 und lässt gleichzeitig durch einen Freiheitsgrad in axialer Richtung eine Winkelbeweglichkeit zu. Die Anzahl der Nuten 155 und 156 und Kugeln 152 ist gleich. Die Kugeln 152 sind in einem Käfig 158 geführt.
2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe 200 mit Stirnverzahnungen, dessen Aufbau und Wirkungsweise dem unter 1 beschriebenen Taumelradgetriebe 100 entspricht und sich von diesem nur hinsichtlich der Ausgestaltung eines Ausgleichsglieds 250 und der entsprechenden Anpassung an ein Übertragungsglied 220 und ein Abtriebsglied 230 unterscheidet.
In dieser Ausführung ist das Ausgleichsglied 250 als Kreuzgelenk ausgeführt. Hierbei ist ein ringförmiger Gelenkträger 253 um das Abtriebsglied 230 angeordnet. Durch die Mittelachse des ringförmigen Gelenkträgers 253 ist eine erste Bohrung 256 ausgebildet welche den Gelenkträger 253 radial gerichtet über den gesamten Durchmesser durchdringt. In den aus ringförmigem Gelenkträger 253 und der ersten Bohrung 256 gebildeten beiden Innenkonturen ist jeweils ein Gelenklager 252 angeordnet. In den Gelenklagern 252 der ersten Bohrung 256 ist ein erster Gelenkbolzen 251 angeordnet, dessen Mittelachse senkrecht die Hauptachse 5 schneidet und welcher fest mit dem Abtriebsglied 230 verbunden ist. Hierdurch ist der Gelenkträger 253 um die Mittelachse des Gelenkbolzens 251 schwenkbar.
Um 90° zu der ersten Bohrung 256 versetzt und ebenfalls radial durch den Mittelpunkt des ringförmigen Gelenkträgers 253 gerichtet durchdringt eine zweite Bohrung 258 den ringförmigen Gelenkträger 253 und bildet zwei zu einer Achse zentrische Innenkonturen, in welche jeweils ein Gelenklager 252 eingesetzt ist.
An dem Übertragungsglied 220 sind sich radial gegenüberliegend und radial gerichtet eine dritte 222 und eine vierte Bohrung 223 ausgebildet, wobei in der dritten Bohrung 222 ein zweiter Gelenkbolzen 254 und in der vierten Bohrung 223 ein dritter Gelenkbolzen 255 fest angeordnet ist. Hierbei ragen der zweite Gelenkbolzen 254 und der dritte Gelenkbolzen 255 nach innen in die Gelenklager 252 der Bohrungen, welche vom Gelenkträger 253 und der zweiten Bohrung 258 gebildet werden. Hierdurch ist der Gelenkträger 253 zusätzlich zur Schwenkbarkeit um die Mittelachse des ersten Gelenkbolzens 251 auch um die 90° hierzu versetzte Achse des zweiten 254 und dritten Gelenkbolzens 255 schwenkbar. Mittels dieser kardanischen Aufhängung kann das kreuzgelenkartige Ausgleichsglied 250 der Taumelbewegung des Übertragungsglieds 220 folgen und in eine Drehbewegung am Abtriebsglied 230 wandeln.
Die Beschreibung der Ausgestaltung der Verzahnungen und deren Eingriffsverhältnisse sind der Beschreibung von 1 zu entnehmen.
3 zeigt einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe 300 mit Stirnverzahnungen, dessen Aufbau und Wirkungsweise den unter 1 und 2 beschriebenen Taumelradgetrieben 100 und 200 entspricht und sich von diesem nur hinsichtlich der Ausgestaltung eines Ausgleichsglieds 350 und der entsprechenden Anpassung an ein Übertragungsglied 320 und ein Abtriebsglied 330 unterscheidet.
In dieser Ausführung ist das Ausgleichsglied 350 nach der Art einer Bogenzahnkupplung ausgestaltet. Hierbei ist an einer fünften Innenkontur 322 des Übertragungsglieds 320 eine axial in Richtung der Taumelachse 6 ausgerichtete Mitnahmeverzahnung 351 ausgebildet. Eine Bogenverzahnung 352, welche an einer vierten Außenkontur 331 des Abtriebsglieds 330 angeordnet ist, steht im Eingriff mit der Mitnahmeverzahnung 351. Während der Taumelbewegung ändert sich der Winkel zwischen dem Übertragungsglied 320 und dem Abtriebsglied 330, wobei jedoch aufgrund der kugeligen Form der Bogenverzahnung 352 diese immer mit der Mitnahmeverzahnung 351 in Eingriff bleibt und so die Taumelbewegung ausgleicht und diese in eine Drehbewegung wandelt.
Die Beschreibung der Ausgestaltung der Verzahnungen und deren Eingriffsverhältnisse sind der Beschreibung von 1 zu entnehmen.
4 zeigt einen Längsschnitt durch ein Taumelradgetriebe 400 mit Stirnverzahnungen, dessen Aufbau und Wirkungsweise den unter 1 bis 3 beschriebenen Taumelradgetrieben 100, 200 und 300 entspricht und sich von diesem nur hinsichtlich der Ausgestaltung eines Ausgleichsglieds 450 und der entsprechenden Anpassung an ein Übertragungsglied 420 und ein Abtriebsglied 430 unterscheidet.
In dieser Ausführung ist das Ausgleichsglied 450 nach der Art eines so genannten Tripoden-Gelenks ausgestaltet. Hierbei sind drei zylinderförmige Mitnahmezapfen 451 mit radialer Ausrichtung um 120° versetzt fest an einem Abtriebsglied 430 angeordnet. In einer fünften Innenkontur 422 des Übertragungsglieds 420 sind drei Ausnehmungen in Form von Längsnuten 423 ausgebildet, in die jeweils ein Mitnahmezapfen 451 eingreift. Bei der Taumelbewe gung und der damit verbundenen Drehung des Übertragungsglieds 420 wird die Drehung mittels der Mitnahme der Mitnahmezapfen 451 durch die Längsnuten 423 an das Abtriebsglied 430 übertragen. Während der Taumelbewegung wandert eine Längsnut 423 relativ zu dem zugehörigen Mitnahmezapfen 451 in axialer Richtung, so dass die Axialkomponente der Taumelbewegung nicht übertragen wird. Zur Verringerung von Reibung zwischen dem Mitnahmezapfen 451 und der Innenkontur 422 des Übertragungsglieds 420 ist an einer vierten Außenkontur 452 der Mitnahmezapfen 451 jeweils ein Rollkörper 453 angeordnet.
Die Beschreibung der Ausgestaltung der Verzahnungen und deren Eingriffsverhältnisse sind der Beschreibung von 1 zu entnehmen.
In 5 ist die Ausführung der Verzahnung für eine Stirnradstufe 500 mit nicht parallelen Achsen anhand eines schematischen Schnittes dargestellt. Hierbei steht ein außenverzahntes erstes Rad 501 mit einem innenverzahnten zweiten Rad 504 im Eingriff. Eine erste Achse 503, um welche das erste Rad 501 drehbar ist, ist um einen Winkel α zu einer zum zweiten Rad 504 zentrischen Achse 506 geneigt. Hierdurch würden sich fehlerhafte Eingriffsverhältnisse ergeben, die jedoch mittels einer Änderung der Verzahnungsgeometrie an mindestens einem der Räder 501 und 504 berichtigt werden können. In diesem Falle ist die am zweiten Rad 504 angeordnete zweite Verzahnung 505 als gerade Innenverzahnung ausgeführt. Die Zahnform der ersten Verzahnung 502 weist eine über die Zahnbreite b_A veränderliche Profilverschiebung auf. Aufgrund der veränderlichen Profilverschiebung ist ein erster Kopfkreisdurchmesser d_a_1 auf einer ersten Seite 511 des ersten Rades 501 größer als ein zweiter Kopfkreisdurchmesser d_a_2 auf einer zweiten Seite 512 des ersten Rades 501. Ebenso verhält sich ein erster Fußkreisdurchmesser d_f_1 zu einem zweiten Fußkreisdurchmesser d_f_2. Hierdurch ergibt sich eine kegelstumpfförmige Hüllkontur im Bereich des Kopfkreises und des Fußkreises und gleicht somit den störenden Einfluss des Winkels α für den Zahneingriff aus. Im Falle eines Taumelradgetriebes wird die erste Achse 503 als Taumelachse bezeichnet, da diese dann eine Drehbewegung um die zweite Achse 506 ausführt und das erste Rad 501 relativ zur ersten Achse 503 eine Drehbewegung und relativ zu einem raumfesten Punkt eine Taumelbewegung ausführt.
6 zeigt in einem schematischen Längsschnitt die Zahnform eines außenverzahnten Rades 601, welches eine Verzahnung 602 mit einer über einer Zahnbreite b_A veränderlichen Profilverschiebung aufweist. Augrund der veränderlichen Profilverschiebung ist ein erster Kopfkreisdurchmesser d_a_1 auf einer ersten Seite 611 des Rades 601 größer als ein zweiter Kopfkreisdurchmesser d_a_2 auf einer zweiten Seite 612 des Rades 601. Ebenso verhält sich ein erster Fußkreisdurchmesser d_f_1 zu einem zweiten Fußkreisdurchmesser d_f_2. Hierdurch entsteht eine kegelstumpfförmige Hüllkontur im Bereich des Kopfkreises und des Fußkreises. Wie sich die die Zahnform über die Zahnbreite b_A verändert, ist anhand von drei Zahnquerschnittsformen an den beiden Außenflächen und in der Mitte dargestellt.

5: Hauptachse
6: Taumelachse
7: erste Ebene
8: zweite Ebene
10: Antriebsglied
40: Abstützglied
41: Gehäuse des Abstützglieds
42: erster Lagerdeckel des Abstützglieds
43: zweiter Lagerdeckel des Abstützglieds
44: erstes Verbindungselement
61: erster Zahneingriff
62: zweiter Zahneingriff
71: erste Verzahnung
72: zweite Verzahnung
73: dritte Verzahnung
74: vierte Verzahnung
81: erstes Lager, zwischen Antriebsglied und Abstützglied
82: zweites Lager, zwischen Übertragungsglied und Antriebsglied
83: drittes Lager, zwischen Abtriebsglied und Abstützglied
84: viertes Lager, zwischen Antriebsglied und Abtriebsglied
91: erste Innenkontur, am Abstützglied
92: erste Außenkontur, am Antriebsglied
93: zweite Innenkontur, am Abstützglied
94: zweite Außenkontur, am Abtriebsglied
95: dritte Innenkontur, am Antriebsglied
96: dritte Außenkontur, am Abtriebsglied
97: vierte Innenkontur, am Übertragungsglied
98: taumelnde Außenkontur, am Antriebsglied
100: Taumelradgetriebe
120: Übertragungsglied
122: fünfte Innenkontur, am Übertragungsglied
130: Abtriebsglied
131: Mitnahmeprofil
150: Ausgleichsglied
151: Außenkörper
152: Verbindungskörper
153: Innenkörper
154: Befestigungselement
155: erste Nut
156: zweite Nut
157: kugelförmige Außenkontur des Innenkörpers
158: Käfig
200: Taumelradgetriebe
220: Übertragungsglied
222: dritte Bohrung
223: vierte Bohrung
230: Abtriebsglied
250: Ausgleichsglied
251: erster Gelenkbolzen
252: Gelenklager
253: Gelenkträger
254: zweiter Gelenkbolzen
255: dritter Gelenkbolzen
256: erste Bohrung
258: zweite Bohrung
300: Taumelradgetriebe
320: Übertragungsglied
322: fünfte Innenkontur, am Übertragungsglied
330: Abtriebsglied
331: vierte Außenkontur, am Abtriebsglied
350: Ausgleichsglied
351: Mitnahmeverzahnung
352: Bogenverzahnung
400: Taumelradgetriebe
420: Übertragungsglied
422: fünfte Innenkontur, am Übertragungsglied
423: Längsnut
430: Abtriebsglied
450: Ausgleichsglied
451: Mitnahmezapfen
452: vierte Außenkontur, am Mitnahmezapfen
453: Rollkörper
501: erstes Rad
502: erste Verzahnung
503: erste Achse
504: zweites Rad
505: zweite Verzahnung
506: zweite Achse
500: Stirnradstufe
511: erste Seite
512: zweite Seite
601: Rad mit Außenverzahnung
602: Verzahnung
611: erste Seite
612: zweite Seite
b_A: Zahnbreite
d_a_1: erster Kopfkreisdurchmesser
d_a_2: zweiter Kopfkreisdurchmesser
d_f_1: erster Fußkreisdurchmesser
d_f_2: kleiner Fußkreisdurchmesser
S: Schnittpunkt zwischen Hauptachse und Taumelachse
α: Taumelwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 1707499 U [0003, 0004]
- EP 0078111 B1 [0004]
- DE 3341558 C2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Report Spacegear – State of Development” vom Mai 2003 [0005]

Claims

Taumelradgetriebe (100, 200, 300, 400), bestehend aus einem um eine Hauptachse (5) drehbaren Antriebsglied (10), einem Übertragungsglied (120, 220, 320, 420), welches drehbar um eine Taumelachse (6) angeordnet ist, wobei die Taumelachse die Hauptachse unter einem Taumelwinkel (α) schneidet und mit dem Antriebsglied um die Hauptachse umläuft, sowie einem Abtriebsglied (130, 230, 330, 430) und einem Abstützglied (40), wobei an dem Übertragungsglied mindestens eine erste Verzahnung (71) angeordnet ist, welche mit einer an dem Abstützglied angeordneten zweiten Verzahnung (72) im Eingriff befindlich ist und wobei das Übertragungsglied über ein Ausgleichsglied (150, 250, 350, 450) mit dem Abtriebsglied wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (71) und zweite Verzahnung (72) als Stirnverzahnungen ausgebildet sind.
Taumelradgetriebe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsglied (150) als Gleichlaufgelenk ausgeführt ist.
Taumelradgetriebe (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsglied (250) als Kreuzgelenk ausgeführt ist.
Taumelradgetriebe (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsglied (350) nach der Art einer Bogenzahnkupplung ausgeführt ist.
Taumelradgetriebe (400) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsglied (450) von an dem Abtriebsglied (430) angeordneten Mitnahmezapfen (451), welche radial nach außen weisen, und einer am Übertragungsglied (420) ausgebildeten Innenkontur (422) gebildet wird, wobei die Mitnahmezapfen (451) mit der am Übertragungsglied (420) ausgebildeten Innenkontur (422) im Eingriff befindlich sind.
Taumelradgetriebe (100, 200, 300, 400) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste (71) oder die zweite Verzahnung (72) als eine evolventische Stirnverzahnung mit einer über der Zahnbreite veränderlichen Profilverschiebung ausgebildet ist.
Taumelradgetriebe (100, 200, 300, 400) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Übertragungsglied (420) angeordnete erste Verzahnung (71) als Außenverzahnung und die am Abstützglied (440) angeordnete zweite Verzahnung (72) als Innenverzahnung ausgeführt ist.
Taumelradgetriebe (100, 200, 300, 400) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der aus den Verzahnungen resultierenden Kräfte auf dem Übertragungsglied (120, 220, 320, 420) zusätzlich zur ersten Verzahnung (71) eine dritte Verzahnung (73) angeordnet ist, welche mit einer an dem Abstützglied (140, 240, 340, 440) zusätzlich zur zweiten Verzahnung (72) angeordneten vierten Verzahnung (74) in einem zweiten Zahneingriff (62) befindlich ist und wobei ein erster Zahneingriff (61) zwischen der ersten (71) und zweiten Verzahnung (72) um 180° zu dem zweiten Zahneingriff (62) am Umfang versetzt ist, und wobei das Zähnezahlverhältnis zwischen der ersten (71) und zweiten Verzahnung (72) gleich dem Zähnezahlverhältnis zwischen der dritten (73) und vierten Verzahnung (74) ist.