DE102011006323A1

DE102011006323A1 - Keilgetriebe

Info

Publication number: DE102011006323A1
Application number: DE201110006323
Authority: DE
Inventors: Thomas Fucks
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Ein Keilgetriebe (100) gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein erstes Bauteil (110) mit einem keilförmigen Abschnitt (220), der schräg verläuft, wobei das erste Bauteil (110) linear beweglich geführt ist, ein zweites Bauteil (120), das linear beweglich gelagert ist und einen ersten (230) und einen zweiten keilförmigen Abschnitt (270) aufweist, wobei das erste (110) und das zweite Bauteil (120) über den keilförmigen Abschnitt (220) des ersten Bauteils (110) und den ersten keilförmigen Abschnitt (230) des zweiten Bauteils (120) zueinander beweglich gelagert sind. Es umfasst ferner ein drittes Bauteil (130), das linear beweglich geführt ist und einen keilförmigen Abschnitt (290) aufweist, wobei das zweite (120) und das dritte Bauteil (130) über den zweiten keilförmigen Abschnitt (270) des zweiten Bauteils (120) und den keilförmigen Abschnitt (290) des dritten Bauteils (130) zueinander beweglich gelagert sind, sodass das dritte Bauteil (130) eine Ausgangskraft ausüben kann, wenn auf das erste Bauteil (110) eine Eingangskraft einwirkt, oder umgekehrt.

Description

Ausführungsbeispiele betreffen Keilgetriebe, die beispielsweise zu einer Kraft/Weg-Übersetzung einsetzbar sind.
In vielen technischen Gebieten werden im Vergleich zu zur Verfügung stehenden Kräften höhere oder auch niedrigere Kräfte benötigt, wobei die Kräfte häufig von mechanischen Aktuatoren, die auch mechanische Aktoren genannt werden, bereitgestellt werden. Diese setzten elektrische Steuersignale, die beispielsweise von einem Steuerrechner oder einer anderen Steuerung oder Regelung bereitgestellt werden, in mechanische Bewegungen um.
Neben mechanischen Aktuatoren, die Drehbewegungen erzeugen, werden in vielen Einsatzgebieten lineare mechanische Aktuatoren verwendet, die eine lineare Bewegung oder eine lineare Kraft entlang einer bestimmten Richtung hervorrufen. Diese werden auch kurz als lineare Aktuatoren oder Linearaktuatoren bezeichnet.
Im Bereich der linearen Bewegungen treten häufig ähnliche Herausforderungen auf, wie dies auch im Fall von Drehbewegungen der Fall ist. So stehen häufig – wie eingangs erwähnt – Kräfte oder auch Amplituden oder Hübe entsprechender linearer Bewegungen nicht allen geforderten Arbeitsbereichen einer entsprechenden Maschine durch den Aktuator zur Verfügung. Eine Übersetzung oder Umsetzung von verschiedenen Kräften oder Wegen in entsprechende Kräfte oder Wege wird daher auch im Bereich der linearen Bewegungen benötigt. Bei manchen Anwendungen können unter Berücksichtigung der entsprechenden Randbedingungen gegebenenfalls auch keine entsprechenden Linearaktuatoren zur Verfügung stehen.
Konventionell werden im Bereich der linearen Bewegungen zur Kraft/Weg-Übersetzung hydraulische Übersetzungen eingesetzt. Manchmal kommen auch einfach entsprechende feste Anschläge zum Einsatz, falls keine andere Lösung bereitsteht.
Diese konventionellen Lösungen erlauben häufig keine oder nur eine unzureichende dynamische Regelbarkeit. Auch können gegebenenfalls hydraulische Lösungen, beispielsweise aufgrund möglicher Undichtigkeiten, unerwünscht sein, wenn Flüssigkeiten (Fluide) in der betreffenden Anwendung unerwünscht sind. In einem solchen Fall stehen kaum oder keine Lösungen zur Verfügung.
Es besteht daher ein Bedarf daran, ein Getriebe zu schaffen, bei der eine Kraft/Weg-Übersetzung zumindest im Wesentlichen ohne ein Fluid erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Keilgetriebe gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Keilgetriebe zur Übersetzung einer Eingangskraft in eine Ausgangskraft ein erstes Bauteil mit einem keilförmigen Abschnitt, der gegenüber einer Kraftübersetzungsrichtung schräg verläuft, wobei das erste Bauteil entlang der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich geführt ist. Es umfasst ferner ein zweites Bauteil, das senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich gelagert ist und einen ersten und einen zweiten keilförmigen Abschnitt aufweist, wobei sich der erste keilförmige Abschnitt parallel zu dem keilförmigen Abschnitt des ersten Bauteils erstreckt, und wobei der zweite keilförmige Abschnitt gegenüber einer Kraftübersetzungsrichtung schräg verläuft. Das erste und das zweite Bauteil sind über den keilförmigen Abschnitt des ersten Bauteils und den ersten keilförmigen Abschnitt des zweiten Bauteils zueinander beweglich gelagert sind. Das Keilgetriebe umfasst ferner ein drittes Bauteil, das entlang der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich geführt ist und einen keilförmigen Abschnitt aufweist, der sich parallel zu dem zweiten keilförmigen Abschnitt des zweiten Bauteils erstreckt, wobei das zweite und das dritte Bauteil über den zweiten keilförmigen Abschnitt des zweiten Bauteils und den keilförmigen Abschnitt des dritten Bauteils zueinander beweglich gelagert sind, sodass das dritte Bauteil entlang der Kraftübersetzungsrichtung die Ausgangskraft ausüben kann, wenn auf das erste Bauteil die Eingangskraft entlang der Kraftübersetzungsrichtung ausgeübt wird, oder sodass das erste Bauteil entlang der Kraftübersetzungsrichtung die Ausgangskraft ausüben kann, wenn auf das dritte Bauteil die Eingangskraft entlang der Kraftübersetzungsrichtung ausgeübt wird.
Ausführungsbeispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Übersetzung einer Eingangskraft in eine Ausgangskraft im Wesentlichen ohne den Einsatz eines Fluids erfolgen kann, indem die Übersetzung mit Hilfe von keilförmigen Abschnitten der Bauteile erfolgt, über die die Bauteile zueinander beweglich gelagert sind. Indem so keilförmige Abschnitte zur Kraft/Weg-Übersetzung verwendet werden, kann das Fluid der hydraulischen Lösungen im Wesentlichen eingespart werden.
Eine bewegliche Lagerung der Bauteile zueinander ermöglicht so entlang einer Bewegungsrichtung eine lineare Bewegung der betreffenden Bauteile, während sie eine Kraftübertragung in wenigstens einer Kraftübertragungsrichtung ermöglicht, die senkrecht zu der Bewegungsrichtung verläuft. Hierbei verläuft die Bewegungsrichtung im Allgemeinen entlang einer Oberfläche des betreffenden Bauteils, während die Kraftübertragungsrichtung senkrecht zu dieser steht. In dem Fall zweier Bauteile, die über keilförmige Abschnitte zueinander beweglich gelagert sind, ermöglicht eine solche bewegliche Lagerung somit eine Bewegung der beiden Bauteile entlang der Oberflächen der keilförmigen Abschnitte, während sie senkrecht zu der Oberfläche eine Kraftübertragung ermöglicht. Anders ausgedrückt sind in diesem Fall die beiden Bauteile entlang einer Oberfläche des keilförmigen Abschnitts zueinander bewegbar oder beweglich, während senkrecht dazu eine Kraft übertragbar ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen unterbindet so die bewegliche Lagerung auch eine Bewegung senkrecht zu der Oberfläche der keilförmigen Abschnitte. Darüber hinaus kann gegebenenfalls auch eine Kraft in einer der Kraftübertragungsrichtung entgegengesetzt verlaufenden Richtung erfolgen.
Bei einem Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das erste, das zweite und das dritte Bauteil so ausgestaltet und angeordnet sein, dass eine Ausgangsrichtung der Ausgangskraft und die Kraftübersetzungsrichtung auf einer gemeinsamen Linie liegen. Hierdurch kann gegebenenfalls eine kompaktere Bauweise realisierbar sein, da die Eingangskraft und die Ausgangskraft kollinear bzw. koaxial in das Keilgetriebe einleitbar bzw. entnehmbar sind. Hierdurch kann gegebenenfalls eine seitliche Versetzung der Kräfte entfallen, wodurch gegebenenfalls Bauraum eingespart und/oder ein Wirkungsgrad erhöhbar sein kann.
Bei einem Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann dieses ein weiteres zweites Bauteil mit einem ersten keilförmigen Abschnitt und einem zweiten keilförmigen Abschnitt aufweisen, die bezogen auf die Kraftübersetzungsrichtung zu dem ersten und zweiten keilförmigen Abschnitt des zweiten Bauteils gespiegelt sind, wobei das weitere zweite Bauteil senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich gelagert ist. Das erste Bauteil weist einen weiteren keilförmigen Abschnitt auf, der bezogen auf die Kraftübersetzungsrichtung zu dem keilförmigen Abschnitt des ersten Bauteils gespiegelt ist, wobei das dritte Bauteil einen weiteren keilförmigen Abschnitt aufweist, der bezogen auf die Kraftübersetzungsrichtung zu dem keilförmigen Abschnitt des dritten Bauteils gespiegelt ist. Das weitere zweite Bauteil ist ferner über den ersten und den zweiten keilförmigen Abschnitt linear beweglich zu dem ersten und dem dritten Bauteil gelagert. Durch das Vorsehen eines weiteren zweiten Bauteils kann so eine symmetrischere Belastung wenigstens eines des ersten, des zweiten, des weiteren zweiten oder des dritten Bauteils erzielbar sein, was zu einer Reduzierung von belastenden Kippmomenten und/oder einer Reduzierung von Material schwächenden oder ermüdenden Belastungen führen kann, wodurch eine Lebensdauer und/oder eine Betriebssicherheit des Keilgetriebes erhöhbar sein kann.
Bei einem Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das erste, das zweite, das weitere zweite und das dritte Bauteil bezogen auf eine parallel zu der Kraftübersetzungsrichtung verlaufenden Mittellinie des Keilgetriebes symmetrisch ausgestaltet und angeordnet sein, sodass eine Ausgangsrichtung der Ausgangskraft und die Kraftübersetzungsrichtung auf einer gemeinsamen Linie liegen. Hierdurch kann gegebenenfalls nicht nur die Belastbarkeit und/oder die Kompaktheit des Keilgetriebes verbessert werden, es kann gegebenenfalls ebenso seine Herstellung vereinfacht werden, da eine geringere Anzahl unterschiedlicher Bauteile produziert werden müssen.
Bei einem Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das zweite Bauteil durch Wälzkörper-Linearführungen gelagert sein. Hierdurch kann gegebenenfalls ein Wirkungsgrad aufgrund geringerer Reibung in den Lager erhöht werden.
Bei einem Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der erste keilförmige Abschnitt einen ersten Winkel mit der Kraftübersetzungsrichtung und der zweite Abschnitt einen zweiten Winkel mit einer sich senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung erstreckenden Ebene einschließen, wobei der erste und der zweite Winkel 15° nicht übersteigen. Hierdurch ermöglicht das Zusammenspiel des ersten und des zweiten Bauteils sowie das Zusammenspiel des zweiten und des dritten Bauteils wenigstens eine Kraftänderung, also je nach Betriebsart des Keilgetriebes eine Krafterhöhung oder eine Kraftreduzierung von 1:3.7 bzw. 3.7:1, sodass sich eine Gesamtkraftänderung von 1:13.9 bzw. 13.9:1 ergibt. Um die Notation im Folgenden zu vereinfachen, wird hierbei einheitlich von einer Kraftänderung von 1:13.9 bzw. einem entsprechenden Kraftänderungsverhältnis gesprochen. Die Kraftänderung gibt hierbei ein Verhältnis einer Stärke der Eingangskraft zu einer Ausgangskraft an. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können so der erste und der zweite Winkel einen Wert von 12°, von 10°, von 8°, von 6°, von 4° oder von 3° nicht übersteigen, was – rein rechnerisch unter Vernachlässigung von weiteren Effekten – Kraftänderung zwischen zwei Bauteilen von wenigstens 1:4.7, 1:5.7 1:7.1, 1:9.5, 1:14,3 und 1:19.1 entspricht. Kraftänderungen von 1:4, 1:5, 1:6, 1:8, 1:10, 1:15 und 1:20 entsprechen – rein rechnerisch – Winkeln von 14°, 11.3°, 9.5°, 7.1°, 5.7°, 3.8° und 2.9°.
Ein Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ferner ein Gehäuse mit einem zu der Kraftübersetzungsrichtung senkrechten Abschnitt aufweisen, wobei das zweite Bauteil in dem vollständig in dem Gehäuse angeordnet ist und bezüglich des senkrechten Abschnitts senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung gelagert ist. Hierdurch kann das Keilgetriebe gegebenenfalls gegen ein Eindringen von Fremdkörpern oder Verunreinigungen geschützt werden.
Ein solches Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann einen zu der Kraftübersetzungsrichtung parallelen Abschnitt aufweisen, wobei das erste Bauteil zu dem Gehäuse bezüglich des parallelen Abschnitts parallel zu der Kraftübersetzungsrichtung gelagert ist. Hierdurch kann gegebenenfalls eine Entlastung des ersten Bauteils und damit eine Erhöhung der Lebensdauer des Keilgetriebes erreicht werden, in dem eine Kraftkomponente, die auf das erste Bauteil senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung einwirkt, an das Gehäuse abführbar ist.
Bei einem Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse ein Dichtelement aufweisen, das das Gehäuse gegenüber dem dritten Bauteil abdichtet. Hierdurch kann gegebenenfalls ein Eindringen eines Fremdkörpers oder einer Verunreinigung weiter reduziert werden.
Bei einem Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das erste Bauteil und/oder das dritte Bauteil ein Kopplungsbauteil aufweisen oder mit einem Kopplungsbauteil koppelbar sein, sodass das erste oder das dritte Bauelement die Eingangskraft in der Kraftübersetzungsrichtung von dem Kopplungselement aufnehmen und/oder das erste oder das zweite Bauelement die Ausgangskraft in der Ausgangsrichtung an das Kopplungselement abgeben kann. Hierdurch kann gegebenenfalls eine gezieltere Krafteinleitung bzw. Kraftausleitung erzielbar sein.
Auch wenn zuvor im Wesentlichen auf die Kraftverhältnisse abgestellt wurde, also insbesondere auf die Eingangskraft und die Ausgangskraft, gelten – unter Vernachlässigung etwaiger Effekte, die den Wirkungsgrad reduzieren könnten – entsprechende „inverse Beziehungen” ebenfalls für die Wege bzw. Hübe, die das erste, das zweite und das dritte Bauteil ausführen. Unter Vernachlässigung von den Wirkungsgrad reduzierenden Effekten (Wirkungsgrad = 1 = 100%) entspricht so das Produkt aus einer Kraft, die auf ein Bauteil einwirkt oder die dieses ausübt, und einem Weg, den ein Bauteil zurücklegt, dem entsprechenden Produkt eines anderen Bauteils, Eine Krafterhöhung von 1:x, wobei x eine reelle Zahl ist, entspricht so einer Wegreduzierung von x:1. Analog entspricht eine Kraftreduzierung von x:1 einer Wegerhöhung von 1:x. Auch hier wird im Folgenden vereinfachend von einer Wegänderung x:1 gesprochen.
Bei Ausführungsbeispielen von Keilgetrieben kann die Kraftübersetzungsrichtung auch einer Einleitungsrichtung der Eingangskraft oder einer Ausgangsrichtung der Ausgangskraft entsprechen.
Nachfolgend werden unter Bezugnahmen auf die beigefügten Figuren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1a zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem ersten Zustand;
1b zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Keilgetriebe aus 1a in einem zweiten Zustand; und
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Keilgetriebe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Bevor im Zusammenhang mit den 1a bis 2 Ausführungsbeispiele näher beschrieben und hinsichtlich ihrer Funktionsweise näher erläutert werden, bietet es sich an, darauf hinzuweisen, dass im Rahmen der vorliegenden Beschreibung zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und andere Entitäten verwendet werden, wenn auf die betreffende Entität an sich, mehrerer entsprechende Entitäten innerhalb eines Ausführungsbeispiels oder innerhalb mehrerer Ausführungsbeispiele oder die betreffende Gattung von Entitäten näher eingegangen wird. Hierdurch ist es möglich, die Beschreibung knapper und kürzer zu halten, da unnötige Wiederholungen vermieden werden können, da Beschreibungen die sich auf eine Entität beziehen, auch auf andere Entitäten in anderen Ausführungsbeispielen übertragbar sind, soweit dies nicht explizit anders angegeben ist oder sich aus dem Zusammenhang ergibt. Im Unterschied hierzu werden, wenn einzelne Entitäten bezeichnet werden, individuelle Bezugszeichen verwendet, die auf den entsprechenden zusammenfassenden Bezugszeichen basieren. Entitäten, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen auftreten, können hierbei bezüglich einiger ihrer technischen Parameter identisch und/oder unterschiedlich ausgeführt werden. Es ist so beispielsweise möglich, dass mehrere Entitäten innerhalb eines Ausführungsbeispiels bezüglich eines Parameters identisch, bezüglich eines anderen Parameters jedoch unterschiedlich ausgeführt sein können.
Die 1a und 1b zeigen jeweils einen schematischen Querschnitt durch ein Keilgetriebe 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei 1a das Keilgetriebe in einem ersten Zustand zeigt, während 1b einen zweiten Zustand des Keilgetriebes 100 illustriert.
Das Keilgetriebe 100 weist ein erstes Bauteil 110, ein zweites Bauteil 120 und ein drittes Bauteil 130 auf. Das Keilgetriebe 100 ist hierbei ausgebildet, um eine Eingangskraft in eine Ausgangskraft zu übersetzen oder umzusetzen. Wie die nachfolgende detailliertere Beschreibung noch zeigen wird, kann hierbei die Eingangskraft wahlweise in das erste Bauteil 110 oder das dritte Bauteil 130 eingeleitet werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann hierbei gegebenenfalls auch eine Einleitungsrichtung 140 der Eingangskraft – und damit auch eine Ausgangsrichtung 150 der Ausgangskraft – hinsichtlich ihrer Orientierung umgekehrt, also um 180° gedreht werden.
Um die nachfolgende Beschreibung jedoch vereinfachen zu können, wird im Weiteren davon ausgegangen, dass die Einganskraft auf das erste Bauteil 110 einwirkt und auf das Keilgetriebe 100 zu gerichtet ist. Die Eingangskraft kann aber auch auf das dritte Bauteil 130 in Richtung des Keilgetriebes 100 einwirken. Ausgestaltungen, die gegebenenfalls auch eine Umkehr (Drehung um 180°) der Einleitungsrichtung 140 ermöglichen, werden später beschrieben.
Das erste Bauteil 110 ist entlang der Einleitungsrichtung 140 linear beweglich geführt. Zu diesem Zweck weist das in den 1a und 1b gezeigte Ausführungsbeispiel eines Keilgetriebes 100 ein optionales Linearlager 160 auf, das Kräfte, die senkrecht zu der Einleitungsrichtung 140 auf das erste Bauteil 110 wirken, an ein erstes Führungsbauteil 170 abgibt, bei dem es sich beispielsweise um ein Gehäuse oder eine andere Komponente des Keilgetriebes 100 oder auch um eine Komponente einer anderen Maschine oder eines anderen Maschinenteils handeln kann. Eine entsprechende Führung kann gegebenenfalls aber auch ohne ein Linearlager 160 realisiert werden, wie das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel noch näher zeigen wird. Das Linearlager 160, das auch als Linearführung bezeichnet wird, ist bei dem in den 1a und 1b gezeigten Keilgetriebe als Gleitlager implementiert, kann aber beispielsweise bei anderen Ausführungsbeispielen auch als Linearwälzlager umgesetzt sein.
Aufgrund der beschriebenen Führung werden so Kraftkomponenten der Eingangskraft, die senkrecht auf der Kraftübertragungsrichtung 140 stehen, auf das erste Führungsbauteil 170 abgeleitet. Diese Kraftkomponenten werden daher nicht in das Keilgetriebe 100 übertragen und tragen daher nicht weiter zur Funktion des Keilgetriebes bei. Daher wird im Folgenden unter der Eingangskraft nur die in der Einleitungsrichtung 140 wirkende Komponente einer auf das erste Bauteil 110 einwirkenden externen Kraft verstanden.
Entsprechend ist auch das dritte Bauteil 130 entlang der Ausgangsrichtung 150 linear beweglich geführt. Das in den 1a und 1b gezeigte Ausführungsbeispiel weist zu diesem Zweck ebenfalls ein optionales weiteres Linearlager 180 bzw. eine optionale weitere Linearführung 180 auf, die ausgebildet ist, um eine Kraftkomponente senkrecht zu der Ausgangsrichtung 150 an ein zweites Führungsbauteil 190 abgibt, welches – erste Führungsbauteil 170 entsprechend – eine Komponente des Keilgetriebes 100 (z. B. eines Gehäuses des Keilgetriebes 100) oder einer anderen Maschine sein kann. Auch hier können jedoch gegebenenfalls Implementierungen ohne eine entsprechende weitere Linearführung 180 realisiert werden. Entsprechend der Führung des ersten Bauteils 110 werden aufgrund der Führung des dritten Bauteils 130 entlang der Ausgangsrichtung 150 ebenfalls keine Kraftkomponenten senkrecht zu dieser Richtung in das Keilgetriebe 100 eingeleitet oder aus diesem an weitere Komponenten weitergeleitet. Daher wird im Folgenden auch unter der Ausgangskraft nur die in der Ausgangsrichtung 150 wirkende Komponente verstanden.
Die Einleitungsrichtung 140 und die Ausgangsrichtung 150 stimmen hierbei überein und werden daher im Folgenden zusammenfassend als eine „Kraftübertragungsrichtung” bezeichnet. Anders ausgedrückt wird davon ausgegangen, dass die Einleitungsrichtung 140 der Eingangskraft und die Ausgangsrichtung 150 der Ausgangskraft der Kraftübertragungsrichtung entspricht, sodass diese Begriffe synonym verwendet werden können.
Sie sind jedoch bei dem in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiel eines Keilgetriebes 100 parallel zueinander versetzt. So wird die Eingangskraft entlang einer ersten Geraden 200 in das erste Bauteil 110 eingeleitet, während die Ausgangskraft entlang einer zweiten Geraden 210 wirkt, wobei die beiden Geraden 200, 210 zwar parallel entlang der Kraftübertragungsrichtung verlaufen, jedoch räumlich, nämlich senkrecht zu der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 zueinander versetzt sind. Richtungen im Sinne der vorliegenden Beschreibung sind daher – mathematischen Vektoren vergleichbar – bezüglich ihres Ausgangspunktes räumlich verschiebbar, während Geraden durch eine Richtung und einen Punkt eindeutig festgelegt sind.
Das erste Bauteil 110 umfasst einen keilförmigen Abschnitt 220, der bezogen auf die Kraftübertragungsrichtung 140, 150 der Eingangskraft eine um einen ersten Winkel α₁ geneigte Oberfläche aufweist, sodass der keilförmige Abschnitt 140 zumindest an dieser Oberfläche schräg zu der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 verläuft.
Aufgrund der zuvor beschriebenen Vertauschbarkeit von Eingangskraft und Ausgangskraft, mit der auch eine Umkehrung oder Drehung der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 um 180° einhergeht, werden im Folgenden als Winkel, die zwei körperliche oder unkörperliche Entitäten (z. B. Geraden, Ebenen, Richtungen) miteinander einschließen, diejenigen verstanden, die zwischen 0° und 90° liegen. So bezeichnet der Winkel α₁ den Winkel zwischen der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 und der Oberfläche des keilförmigen Abschnitts im Bereich zwischen 0° und 90°, während die Oberfläche mit der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 natürlich ebenfalls einen Winkel von (180° – α₁) einschließt, der im Bereich zwischen 90° und 180° liegt. Anders ausgedrückt kann die Kraftübertragungsrichtung 140 auch um 180° gedreht werden.
Das zweite Bauteil 120 weist entsprechend einen ersten keilförmigen Abschnitt 230 auf, der sich parallel zu dem keilförmigen Abschnitt 220 des ersten Bauteils 110 erstreckt. Beide Abschnitte 220, 230 sind einander zugewandt. Das erste und das zweite Bauteil 110, 120 sind über den keilförmigen Abschnitt 220 des ersten Bauteils 110 und den ersten keilförmigen Abschnitt 230 des zweiten Bauteils 120 zueinander beweglich gelagert.
Zu diesem Zweck weisen das erste Bauteil 110 und das zweite Bauteil 120 im Bereich der keilförmigen Abschnitte 220, 230 ein Linearlager oder eine Linearführung 240 auf, das eine Kraftübertragung von dem ersten Bauteil 110 auf das zweite Bauteil 120 entlang einer Flächennormalen der Oberfläche des keilförmigen Abschnitts 220 ermöglicht. Ebenso ermöglicht das Linearlager 240 eine Kraftübertragung von dem zweiten Bauteil 120 auf das erste Bauteil 110 entlang einer Flächennormalen einer Oberfläche des zweiten Bauteils 120 im Bereich des ersten keilförmigen Abschnitts 230 des zweiten Bauteils 120, wobei die Flächennormalen jeweils auf den betreffenden Oberflächen senkrecht stehen und von einem Inneren der betreffenden Bauteile weggerichtet sind. Anders ausgedrückt ist das Linearlager 240 senkrecht zu den Oberflächen der Abschnitte 230, 240 wenigstens auf Druck belastbar. Senkrecht hierzu ermöglicht das Linearlager 240 wenigstens eine lineare Bewegung der beiden Bauteile 110, 120 in der Zeichenebene der 1a und 1b zueinander. Eine solches Linearlager kann beispielsweise als Gleitlager oder auch als Wälzlager ausgeführt sein.
Bei anderen Ausführungsbeispielen eines Keilgetriebes 100 kann das Linearlager bzw. die Linearführung 240 auch so ausgebildet sein, dass diese auch eine auf Zug gerichtete Kraftübertragung zwischen den beiden Bauteilen 120, 130 ermöglicht. Anders ausgedrückt kann das Linearlager 240 auch eine Kraftübertragung von dem ersten Bauteil 110 auf das zweite Bauteil 120 in der der Flächennormalen der Oberfläche des Abschnitts 220 entgegengesetzten Richtung ermöglichen, sowie eine entsprechende Kraftübertragung von dem zweiten Bauteil 120 auf das erste Bauteil 110 in der der Flächennormalen der Oberfläche des Abschnitts 230 entgegengesetzten Richtung. Zu diesem Zweck kann das Linearlager beispielsweise eine T-förmige Struktur an einem der beiden Abschnitte 220, 230 aufweisen, die in eine entsprechende Gegenstruktur eingreift, sodass eine Kraftübertragung in beide Richtungen senkrecht zu einem Querbalken der T-Struktur erfolgen kann. An diesem Querbalken sowie der entsprechenden Gegenstruktur können dann zu beiden Seiten beispielsweise Laufflächen von linearen Wälzlagerelementen oder Gleitflächen von linearen Gleitlagerelementen vorgesehen werden.
Als Gleitlager kommen hierbei grundsätzlich sowohl geschmierte als auch ungeschmierte Ausführungsformen infrage. Im Falle geschmierter Ausführungsformen kann es beispielsweise ratsam sein, das erste und/oder das zweite Bauteil 110, 120 wenigstens Teile einer Schmiermittelversorgung (z. B. Schmiermittelkanälen) vorzusehen, sofern nicht eine „For-Life-Schmierung” (Schmierung für die ganze projizierte Lebensdauer) zum Einsatz kommen kann.
Dies gilt ebenso lineare Wälzlager. Bei diesen können unterschiedliche Wälzkörperformen zum Einsatz kommen. Neben Kugeln können so auch tonnenförmige, nadelförmige oder kegelstumpfförmige Wälzkörper verwendet werden.
Welche Form der Lagerung zum Einsatz kommt, hängt von vielen Parametern ab, beispielsweise von den dem geplanten Einsatzgebiet, aber auch von weiteren Randbedingungen.
Das zweite Bauteil 120 ist ferner senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung 140, 150 linear beweglich gelagert. Zu diesem Zweck kann es beispielsweise ein Linearlager 250 aufweisen, welches eine Bewegung senkrecht zu der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 ermöglicht, das zweite Bauteil 120 gegebenenfalls aber in anderen Richtungen an einer entsprechenden Bewegung hindert. Hierbei kann es insbesondere ratsam sein, das zweite Bauteil 120 an einer Bewegung entlang der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 zu hindern. Das Linearlager 250, das beispielsweise wie das Linearlager 240 ausgeführt sein kann, aber auch in anderer Form implementiert sein kann, überträgt hierbei Kräfte, die geeignet wären, das zweite Bauteil 120 in eine Richtung zu bewegen, an der dieser jedoch gehindert werden soll, auf ein drittes Führungsbauteil 260, bei dem es sich um eine Komponente des Keilgetriebes 100 oder auch einer anderen Maschine handeln kann.
Neben der in den 1a und 1b gezeigten Variante, bei der das Linearlager 250 auf dem zweiten weiteren Bauteil 260 angeordnet ist, kann dieses das zweite Bauteil auch beispielsweise mittels einer Ausnehmung in dem zweiten Bauteil 120 durchdringen.
Das zweite Bauteil 120 weist ferner einen zweiten keilförmigen Abschnitt 270 auf, der gegenüber der Kraftübersetzungsrichtung 140, 150 ebenfalls schräg verläuft. Hierbei schließt der zweite keilförmige Abschnitt 270 einen zweiten Winkel α₂ mit einer senkrecht zu der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 stehenden Ebene 280 ein.
Das dritte Bauteil 130 weist ebenfalls einen keilförmigen Abschnitt 290 auf, der sich parallel zu dem zweiten keilförmigen Abschnitt 270 des zweiten Bauteils 120 erstreckt. Das zweite und das dritte Bauteil 120, 130 sind über ein Linearlager 300 im Bereich des zweiten keilförmigen Abschnitts 270 des zweiten Bauteils 120 und den keilförmigen Abschnitt 290 des dritten Bauteils 130 zueinander beweglich gelagert sind. Auch das Linearlager 300 kann entsprechend der oben im Zusammenhang mit dem Linearlager 240 erörterten Möglichkeiten implementiert sein.
Da das dritte Bauteil 130 entlang der Kraftübersetzungsrichtung 140, 150 linear geführt ist, kann es entlang der Kraftübersetzungsrichtung 140, 150 die Ausgangskraft ausüben, wenn auf das erste Bauteil 110 die Eingangskraft entlang der Kraftübersetzungsrichtung 140, 150 ausgeübt wird. Um dies näher zu illustrieren, zeigt 1a den ersten Zustand, bei dem das erste Bauteil 110 an einem unteren Anschlag anliegt, der bei dem in 1a gezeigten Keilgetriebe durch das erste Führungsbauteil 170 definiert ist. Entsprechend zeigt 1b den zweiten Zustand, bei dem das erste Bauteil 110 an einem oberen Anschlag anliegt, der durch das zweite Führungsbauteil 190 definiert wird.
Ausgehend von dem ersten Zustand wird durch das Einleiten der Eingangskraft in das erste Bauelement 110 dieses entlang der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 bewegt. Aufgrund der schrägen Ausgestaltung der keilförmigen Abschnitte 220, 230 wird hierdurch das zweite Bauteil 120 senkrecht zu der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 bewegt. Hierbei bestimmt der erste Winkel α₁ die Übersetzung gemäß a₁ = s₂/s₁ = tanα₁, (1) wobei s₁ den Weg oder den Hub der Bewegungsrichtung bezeichnet, den das erste Bauteil 110 zurücklegt, s₂ den Weg oder den Hub der Bewegungsrichtung bezeichnet, den des zweiten Bauteils 120 zurücklegt, und a₁ die erste Übersetzung. Die Bewegung des zweiten Bauteils 120 wird aufgrund der keilförmigen Abschnitte 270, 290 des zweiten und des dritten Bauteils 120, 130 auf das dritte Bauteil 130 übertragen, das sich gemäß a₂ = s₃/s₂ = tanα₂, (2) wobei s₃ den Weg oder den Hub der Bewegungsrichtung bezeichnet, den das dritte Bauteil 130 zurücklegt, und a₂ die zweite Übersetzung. Somit ergibt sich eine Gesamtübersetzung von a_g = s₃/s₁ = tanα₁·tanα₂, (3) wobei a_g die Gesamtübersetzung ist, die auch mit dem Formelzeichen I abgekürzt wird.
Unter Vernachlässigung von den Wirkungsgrad reduzierenden Effekten, wie etwa Reibung verhalten sich die Kräfte entsprechend invers zu den zurückgelegten Wegen der betreffenden Bauteile. Es ergibt sich somit eine Kraftänderung von F₃/F₁ = (tanα₁·tanα₂)–1, (4) wobei F₃ und F₁ die Ausgangs- und die Eingangskraft darstellen.
Übersteigen der erste und der zweite Winkel α₁ und α₂ einen Wert von 15°, von 12°, von 10°, von 8°, von 6°, von 4° oder von 3° nicht, ergeben sich so je Paar von keilförmigen Abschnitten eine Übersetzung von wenigstens 1:3.7, 1:4.7, 1:5.7 1:7.1, 1:9.5, 1:14,3 und 1:19.1. Kraftänderungen von 1:4, 1:5, 1:6, 1:8, 1:10, 1:15 und 1:20 entsprechen – rein rechnerisch – Winkeln von 14°, 11.3°, 9.5°, 7.1°, 5.7°, 3.8° und 2.9°. Die Gesamtkraftänderung ergibt sich dann durch Multiplikation der beiden einzelnen Kraftänderungen (Übersetzungen). Übersetzen beispielsweise so die beiden Paare keilförmiger Abschnitte 220, 230 und 270, 290 jeweils die Kraft im Verhältnis 1:8, ergibt sich so eine Gesamtübersetzung von 1:64. Aus diesen Gründen werden der erste und der zweite Winkel α₁ und α₂ auch als Übersetzungswinkel 1 und Übersetzungswinkel 2 bezeichnet.
Je nach konkreter Ausgestaltung eines Keilgetriebes 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel können so Wirkungsgrade erzielt werden, die in einem Bereich der verwendeten Linearlager und Führungen liegen. Kommt es nicht zu elastischen oder plastischen Verformungen der Bauteile 110, 120, 130, und sind keine zusätzlichen, eine Reibungskraft hervorbringenden Komponenten (z. B. Dichtelemente) implementiert, können so gegebenenfalls Wirkungsgrade von mehr als 90% oder von mehr als 95% erzielbar sein. In manchen Fällen können Wirkungsgrade von bis zu 97% erzielt werden, wenn beispielsweise im Bereich der linearen Wälzlager kein Schlupf auftritt.
Selbstverständlich kann auch über das dritte Bauteil 130 die Eingangskraft in das Keilgetriebe 100 eingeleitet werden. In diesem Fall übt das erste Bauteil 110 entlang der Kraftübersetzungsrichtung 140, 150 die Ausgangskraft aus.
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Keilgetriebes 100, das auch als Kraft-Übersetzer oder – aufgrund seiner spiegelsymmetrischen Ausgestaltung – als „koaxiales” Keilgetriebe bezeichnet wird, da bei diesem nicht nur die Einleitungsrichtung 140 und die Ausgangsrichtung übereinstimmen, sondern ebenso auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Abgesehen von gegebenenfalls integrierten Wälzkörpern ist ein solches Keilgetriebe 100 trotz seiner Bezeichnung „koaxial” nicht auf eine Rotation seiner Komponenten, beispielsweise seiner Bauteile 110, 120, 130 angewiesen, um die Übersetzung zu realisieren.
Entsprechend sind diese bei Weitem nicht zwingen als Rotationskörper ausgestaltet, sondern können grundsätzlich in beliebigen Formen (z. B. kubisch, eckig) gefertigt werden.
Das in 2 gezeigt Keilgetriebe 100 weist starke strukturelle Ähnlichkeiten zu dem in den 1a und 1b gezeigten Keilgetriebe 100 auf, weshalb auf die ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den 1a und 1b verwiesen wird. Bei dem in 2 gezeigten Keilgetriebe werden jedoch ausschließlich lineare Wälzlager eingesetzt, was in 2 durch schematisch dargestellte Kugeln bzw. Tonnen illustriert wird, wie beispielsweise die Linearlager 240 und 250 zeigen.
Darüber hinaus weist das Keilgetriebe ferner ein weiteres zweites Bauteil 120' auf, der zu dem zweiten Bauteil 120 spiegelbildlich ausgeführt und in dem Keilgetriebe 100 angeordnet ist. Die Kraftübertragungsrichtung 140, 150 definiert hierbei die Lage der Spiegelebene. Entsprechend weist auch das weitere zweite Bauteil 120' einen ersten und zweiten keilförmigen Abschnitt 230' und 270' auf, denen entsprechende keilförmige Abschnitte 220' und 290' des ersten und des dritten Bauteils 110, 130 parallel ausgerichtet gegenüberliegen. Zwischen diesen ist jeweils ein lineares Wälzlager 240' und 300' angeordnet.
Da die Übersetzungsverhältnisse von den beiden Winkeln α₁ und α₂ abhängen, wird es in vielen Ausführungsbeispielen ratsam sein, diese auch im Bereich der keilförmigen Abschnitte 230', 270' des weiteren zweiten Bauteils 120' und bei den keilförmigen Abschnitten 240', 290' des ersten und des dritten Bauteils 110, 130 zu implementieren. Allerdings kann es bei einigen Anwendungsfällen durchaus ratsam sein, das zweite Bauteil 120 und das weitere zweite Bauteil 120' nicht spiegelsymmetrisch auszugestalten, auch wenn dadurch gegebenenfalls mehrere verschiedene Einzelteile des Keilgetriebes 100 zu fertigen sind. So kann eine asymmetrische Ausgestaltung beispielsweise eine leichtere Zuführung eines Schmiermittels für die verwendeten Linearlager ermöglichen.
Das Keilgetriebe 100 weist ein Gehäuse 310 auf, das zweiteilig mit einem Gehäusekörper 320 und einem Gehäusedeckel 330 ausgeführt ist, die miteinander verschraubt sind. Sowohl das erste Bauteil 110, als auch das zweite und Bauteil 120 sind vollständig in einem Gehäusevolumen angeordnet, weshalb diese auch als linear verschiebbare Innenteile mit (innenliegenden) Linearführungen bezeichnet werden. Das dritte Bauteil 130 ist zumindest teilweise in dem Gehäusevolumen angeordnet und wird daher ebenfalls als linear verschiebbares Innenteil mit Linearführungen bezeichnet.
Der Gehäusedeckel 330 weist eine Öffnung auf, durch die das dritte Bauteil 130 geführt ist. Dieses ist gegen den Gehäusedeckel 330 durch ein oder mehrere Dichtelemente 340 gegen ein Eindringen von Fremdkörpern von außen und ein Austreten von Schmierstoffen oder anderen Betriebsstoffen abgedichtet. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind so Dichtungen 340 dargestellt, die die Dichtung und Führung des dritten Bauteils 130 übernehmen bzw. unterstützen. Anders ausgedrückt wird bei dem Keilgetriebe 100 das dritte Bauteil 130 durch das Gehäuse 310 bzw. seinen Gehäusedeckel 330 und die Dichtung 340 geführt.
Das Gehäusevolumen kann hierbei grundsätzlich in jeder technisch sinnvollen Art und Form ausgestaltet sein. So können neben rotationssymmetrischen Formen auch eckige Formen verwendet werden, da das Keilgetriebe 100 – abgesehen von gegebenenfalls implementierten Wälzkörpern – nicht auf eine Rotation seiner Bauteile angewiesen ist. Das Gehäuse 310 kann daher beispielsweise als raumfestes Gehäuse, fallweise mit innenliegenden Linearführungen ausgeführt sein. Selbstverständlich kann es jedoch auch als nicht raumfestes Gehäuse, beispielsweise als Teil einer sich bewegenden Komponente einer Maschine ausgeführt sein.
Das zweite Bauteil 120 und das weitere zweite Bauteil 120' sind hierbei über ein gemeinsames drittes Führungsbauteil 260 linear beweglich über das Linearlager 250 und ein Linearlager 250' gelagert. Das dritte Führungsbauteil 260 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Teil des Gehäuses 310 in Form einer Platte ausgeführt. Die Platte weist Ausnehmungen 340 auf, durch die sich das erste Bauteil 110 mit seinen vertikal verlaufenden Abschnitten, also insbesondere den keilförmigen Abschnitten 220, 220' hindurch erstreckt.
Das Keilgetriebe 100 weist darüber hinaus zwischen dem Gehäuse 310, genauer gesagt zwischen dem Gehäusekörper 320, und dem ersten Bauteil 110 jeweils ein Linearlager 345, 345' auf, welche als Wälz- oder als Gleitlager ausgeführt sein können und gegebenenfalls eine Abstützung des ersten Bauteils 110 an dem Gehäuse 310 ermöglichen. Die beiden Linearlager 345, 345' sind hierbei jeweils an einem zu der Kraftübertragungsrichtung 140, 150 parallelen Abschnitt 347, 347' des Gehäuses 310 angeordnet. Um die Kräfte, die zwischen dem ersten Bauteil 110 und dem zweiten Bauteil 120 herrschen, gegebenenfalls wenigstens teilweise an das Gehäuse 310 abgeben zu können, sind die beiden parallelen Abschnitte 347, 347' wenigstens teilweise oder auch vollständig auf Höhe der ersten keilförmigen Abschnitte 230, 230' der zweiten Bauteile 120 angeordnet.
Auch bei Ausführungsbeispielen von Keilgetrieben 100, die nicht über ein weiteres zweites Bauteil 120 verfügen, kann ein entsprechendes Linearlager 345 an einem entsprechenden parallelen Abschnitt 347 angeordnet sein, der an der beschriebenen Stelle angeordnet ist. Auch hier kann dadurch gegebenenfalls eine abstützende Wirkung bezüglich von Kräften erreicht werden, die von dem zweiten Bauteil 120 auf das erste erste Bauteil 110 abgegeben werden.
Das erste Bauteil 110 ist darüber hinaus mit einem Kopplungsbauteil 350 in Form eines Schubrohrs bzw. einer Kolbenstange gekoppelt, sodass das erste Bauteil 110 die Eingangskraft in der Kraftübersetzungsrichtung 140, 150 von diesem aufnehmen kann oder – bei umgekehrter Kraftrichtung – die Ausgangskraft über dieses abgeben kann. Das Kopplungsbauteil 350 ist über ein Gewinde 360 mit dem ersten Bauteil 110 mechanisch verbunden, während es über eine Gewindespindelmutter 370 mit einer Gewindespindel 380 mechanisch gekoppelt ist. Anstelle des Gewindes 360 können aber auch andere lösbare und nicht lösbare Verbindungen zum Einsatz kommen, also beispielsweise Verschweißungen, Verklebungen, Passungen oder andere kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindungen.
Die Gewindespindelmutter 370 und die Gewindespindel 380 sind zumindest teilweise in einem Hubzylindergehäuse 390 angeordnet ist. Das Hubzylindergehäuse 390 ist hierbei mit dem Gehäusekörper 320, und damit mit dem Gehäuse 310, verschraubt.
Das Kopplungsbauteil 350 ist jedoch ein optionales Bauteil. Ebenso kann dieses nur mit dem ersten Bauteil 110 koppelbar sein, sodass das erste Bauteil 110 ausgebildet ist, um mit dem Kopplungsbauteil 350 verbindbar zu sein, es also eine entsprechende Vorrichtung zur Aufnahme des Kopplungsbauteils 350 aufweist.
Ein Kopplungsbauteil 350 kann optional auch mit dem dritten Bauteil 130 gekoppelt werden oder entsprechend koppelbar sein, indem beispielsweise ein Gewinde oder eine andere Verbindungsmöglichkeit geschaffen wird, sodass das dritte Bauteil 130 die Ausgangskraft über dieses abgeben oder die Eingangskraft über dieses aufnehmen kann. Auch bei diesem handelt es sich um ein optionales Bauteil.
Die Gewindespindel 380 bildet zusammen mit der Gewindespindelmutter 370 und einem in 2 nicht gezeigten Motor der Gewindespindel 380 einen mechanischen Aktuator, der mit dem Keilgetriebe 100, genauer gesagt mit dem ersten Bauteil 110 über das Gewinde 360 mechanisch gekoppelt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können neben mechanischen Aktuatoren natürlich auch Hydraulik-, Pneumatikaktuatoren verwendet werden, bei denen beispielsweise ein Medium oder Fluid in einem Zylinder die entsprechende Eingangskraft in das Keilgetriebe 100 einleitet.
Aber auch andere Aktuatoren können im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen verwendet werden.
Hinsichtlich der Funktionsweise unterscheidet sich das Keilgetriebe 100 aus 2 von dem aus den 1a und 1b nicht sehr. So zeigt auch 2 eine koaxiale Kraft-Wegübersetzung mittels nichtrotatorischer Elemente, bei dem die eingeleitete Kraft (Eingangskraft) von einem elektromechanischen Hubzylinder erzeugt wird, der in 2 jedoch nicht dargestellt ist.
Das raumfeste Hubzylindergehäuse 390 umfasst das linear verfahrende Schubrohr 350, welches an der Gewindespindelmutter 370 der rotierenden Gewindespindel 380 befestigt ist. Das Schubrohr 350 bewegt das Innenteil bzw. das erste Bauteil 110 linear in der Kraftübertragungsrichtung 140, 150, die in 2 auch als Richtung s₁ bezeichnet ist. Durch die um den Winkel α₁ schräg angeordneten Linearführungen 240, 240' wird das Innenteil bzw. das zweite Bauteil 120 linear senkrecht zu der Richtung s₁, also in einer in 2 als Richtung s₂ bezeichneten Richtung verschoben.
Das zweite Bauteil 120 verfügt über Linearführungen 300, 300', die um den Winkel α₂ geneigt sind. Bewegt sich also das zweite Bauteil 120 um den Weg s₂, so wird das dritte Bauteil 130 um den Weg s₃ verschoben. Die Gesamtübersetzung a_g (= I) ergibt sich somit aus dem Produkt der beiden Einzelübersetzungen, also a₁·a₂. Die Krafteinleitung bzw. Eingangskraft F₁ und Abtriebskraft bzw. Ausgangskraft F₂ sind koaxial, mindestens jedoch parallel.
Selbstverständlich ist auch dieses Keilgetriebe 100 hinsichtlich seiner Funktion reversibel. Mit dem System können so auch koaxiale Wegübersetzungen realisiert werden, wenn also Eingangs- und Ausgangskraft vertauscht werden (Einleitung F₂, S₃ und Ausleitung F₁, S₁ in 2).
Je nach Einsatzgebiet können unterschiedliche Materialien für das Keilgetriebe verwendet werden. Keilgetriebe 100 gemäß Ausführungsbeispielen können hierbei durchaus sehr hohe Kräfte erzeugen, was sich in einer entsprechenden Materialwahl widerspiegeln kann. So können diese beispielsweise vollständig oder teilweise aus hoch belastbaren Materialien, Stahl oder faserverstärkten Materialien (z. B. Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)) oder anderen Verbundwerkstoffen gefertigt sein. So können auch hybride Materialien zum Einsatz kommen.
Wie das in 2 gezeigte Keilgetriebe 100 zeigt, können Ausführungsbeispiele eine koaxiale mechanische Kraft-Weg-Übersetzung ohne rotative Komponenten ermöglichen, mit der beispielsweise hohe Kräfte mit kleinen Hüben erzeugbar sein können. Sie können so in der Aktuatorik hoher Energiedichten eingesetzt werden. Sie können gegebenenfalls eine sehr präzise Regelung mit hohen Energiedichten ermöglichen. Ebenso können sie als „trockene Systeme” umgesetzt werden, bei denen – im Unterschied zu hydraulischen Systemen – die Kraftübertragung nicht über ein Fluid (Flüssigkeit) erfolgt.
Sie können beispielsweise für Blech-Tiefziehmaschinen, Pressen, zur Walzenjustage (dynamische Nachführung von Walzen) und für Hybridaktuatoren verwendet werden, bei denen beispielsweise ein Keilgetriebe 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem nicht-mechanischen Aktuator (z. B. Hydraulik- oder Pneumatikaktuator) gekoppelt wird, bei dem also zwei unterschiedliche Systeme zu einem gekoppelt werden.
Beispielsweise müssen bei Blech-Tiefziehanlagen sehr hohe Kräfte über einen kleinen Weg von wenigen Millimeter (z. B. 1–2 mm) sehr dynamisch verstellt und geregelt werden. Für diese Aktuatorik steht häufig sehr wenig Platz zur Verfügung.
Durch ein Keilgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel mit seiner doppelten Keilanordnung können so Kräfte koaxial übersetzt werden. Die Keile (die ersten, zweiten und dritten Bauteile 110, 120, 130) sind untereinander gelagert oder wälzgelagert, sodass eine quasi stick-slipfreie Regelung (Ruckgleiten) Regelung möglich sein kann. Ebenso können natürlich „invertierte” Lösungen verwendet werden, bei denen große Kräfte mit geringen Hüben in entsprechend große Hübe bei kleineren Kräften übersetzt werden.
Bezugszeichenliste

100: Keilgetriebe
110: erstes Bauteil
120: zweites Bauteil
130: drittes Bauteil
140: Einleitungsrichtung bzw. Kraftübersetzungsrichtung
150: Ausgangsrichtung
160: Linearlager
170: erstes Führungsbauteil
180: weiteres Linearlager
190: zweites Führungsbauteil
200: erste Gerade
210: zweite Gerade
220: keilförmiger Abschnitt
230: erster keilförmiger Abschnitt
240: Linearlager
250: Linearlager
260: drittes Führungsbauteil
270: zweiter keilförmiger Abschnitt
280: Ebene
290: keilförmiger Abschnitt
300: Linearlager
310: Gehäuse
320: Gehäusekörper
330: Gehäusedeckel
340: Ausnehmung
345: Linearlager
347: paralleler Abschnitt
350: Kopplungsbauteil
360: Gewinde
370: Gewindespindelmutter
380: Gewindespindel
390: Hubzylindergehäuse
α₁: erster Winkel
α₂: zweiter Winkel
s₁: erster Hub
s₁: zweiter Hub
s₁: dritter Hub

Claims

Keilgetriebe (100) zur Übersetzung einer Eingangskraft in eine Ausgangskraft, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Bauteil (110) mit einem keilförmigen Abschnitt (220), der gegenüber einer Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) schräg verläuft, wobei das erste Bauteil (110) entlang der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich geführt ist; einem zweiten Bauteil (120), das senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich gelagert ist und einen ersten (230) und einen zweiten keilförmigen Abschnitt (270) aufweist, wobei sich der erste keilförmige Abschnitt (230) parallel zu dem keilförmigen Abschnitt (220) des ersten Bauteils (110) erstreckt, wobei der zweite keilförmige Abschnitt (270) gegenüber einer Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) schräg verläuft; und wobei das erste (110) und das zweite Bauteil (120) über den keilförmigen Abschnitt (220) des ersten Bauteils (110) und den ersten keilförmigen Abschnitt (230) des zweiten Bauteils (120) zueinander beweglich gelagert sind; und einem dritten Bauteil (130), das entlang der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich geführt ist und einen keilförmigen Abschnitt (290) aufweist, der sich parallel zu dem zweiten keilförmigen Abschnitt (270) des zweiten Bauteils (120) erstreckt, wobei das zweite (120) und das dritte Bauteil (130) über den zweiten keilförmigen Abschnitt (270) des zweiten Bauteils (120) und den keilförmigen Abschnitt (290) des dritten Bauteils (130) zueinander beweglich gelagert sind, sodass das dritte Bauteil (130) entlang der Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) die Ausgangskraft ausüben kann, wenn auf das erste Bauteil (110) die Eingangskraft entlang der Kraftübersetzungsrichtung ausgeübt wird, oder sodass das erste Bauteil (110) entlang der Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) die Ausgangskraft ausüben kann, wenn auf das dritte Bauteil (130) die Eingangskraft entlang der Kraftübersetzungsrichtung ausgeübt wird.
Keilgetriebe (100) nach Anspruch 1, bei dem das erste (110), das zweite (120) und das dritte Bauteil (130) so ausgestaltet und angeordnet sind, dass eine Ausgangsrichtung der Ausgangskraft und die Kraftübersetzungsrichtung auf einer gemeinsamen Geraden liegen.
Keilgetriebe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein weiteres zweites Bauteil (120') mit einem ersten keilförmigen Abschnitt (220') und einem zweiten keilförmigen Abschnitt (270') aufweist, die bezogen auf die Kraftübersetzungsrichtung zu dem ersten (230) und zweiten keilförmigen Abschnitt (270) des zweiten Bauteils (120) gespiegelt sind, wobei das weitere zweite Bauteil (120') senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung linear beweglich gelagert ist, wobei das erste Bauteil (110) einen weiteren keilförmigen Abschnitt (220') aufweist, der bezogen auf die Kraftübersetzungsrichtung zu dem keilförmigen Abschnitt (220) des ersten Bauteils (110) gespiegelt ist, wobei das dritte Bauteil (130) einen weiteren keilförmigen Abschnitt (290') aufweist, der bezogen auf die Kraftübersetzungsrichtung zu dem keilförmigen Abschnitt (290) des dritten Bauteils (130) gespiegelt ist, und wobei das weitere zweite Bauteil (120') ferner über den ersten (220') und den zweiten keilförmigen Abschnitt (270') linear beweglich zu dem ersten (110) und dem dritten Bauteil (130) gelagert ist.
Keilgetriebe (100) nach Anspruch 3, bei dem das erste (110), das zweite (120), das weitere zweite (120') und das dritte Bauteil (130) bezogen auf eine parallel zu der Kraftübersetzungsrichtung verlaufenden Mittellinie des Keilgetriebes (100) symmetrisch ausgestaltet und angeordnet sind, sodass eine Ausgangsrichtung der Ausgangskraft und die Kraftübersetzungsrichtung auf einer gemeinsamen Geraden liegen.
Keilgetriebe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Bauteil (120) durch Wälzkörper-Linearführungen (240, 300) gelagert ist.
Keilgetriebe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste keilförmige Abschnitt (220) einen ersten Winkel (α₁) mit der Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) und der zweite Abschnitt (230) einen zweiten Winkel (α₂) mit einer sich senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) erstreckenden Ebene (280) einschließen, wobei der erste und der zweite Winkel 15° nicht übersteigt.
Keilgetriebe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein Gehäuse (310) mit einem zu der Kraftübersetzungsrichtung senkrechten Abschnitt aufweist, wobei das zweite Bauteil (120) in dem vollständig in dem Gehäuse (310) angeordnet ist und bezüglich des senkrechten Abschnitts senkrecht zu der Kraftübersetzungsrichtung gelagert ist.
Keilgetriebe (100) nach Anspruch 7, bei dem das Gehäuse (320) einen zu der Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) parallelen Abschnitt (347) aufweist, wobei das erste Bauteil (110) zu dem Gehäuse (310) bezüglich des parallelen Abschnitts (347) parallel zu der Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) gelagert ist.
Keilgetriebe (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem das Gehäuse (310) ein Dichtelement (340) aufweist, das das Gehäuse (310) abdichtet.
Keilgetriebe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (110) und/oder das dritte Bauteil (130) ein Kopplungsbauteil (350) aufweist oder mit einem Kopplungsbauteil koppelbar ist, sodass das erste (110) oder das dritte Bauelement (130) die Eingangskraft in der Kraftübersetzungsrichtung (140, 150) von dem Kopplungsbauteil (350) aufnehmen und/oder das erste oder das dritte Bauelement (130) die Ausgangskraft in der Ausgangsrichtung an das Kopplungsbauteil (350) abgeben kann.