DE102011011313B3

DE102011011313B3 - Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotations- in eine Linearbewegung

Info

Publication number: DE102011011313B3
Application number: DE201110011313
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Pöhlau Frank
Original assignee: Harmonic Drive Polymer GmbH
Current assignee: Ovalo GmbH
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2031-02-16

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotations- in eine Linearbewegung mit einem Wellgetriebe vorgeschlagen, bei der das Wellgetriebe auf ein linearbewegliches Stellglied einwirkt, sodass das Wellgetriebe selbsthemmend und das Stellglied nicht selbsthemmend ist. Die Besonderheit besteht darin, dass als Stellglied eine Zahnstange vorgesehen ist, auf deren Verzahnung der Außenzahnring oder der Zwischenzahnring des Wellgetriebes unmittelbar oderüber wenigstens ein von Außenzahnring oder Zwischenzahnring angetriebenes Stirnrad einwirkt. Das wenigstens eine Stirnrad kann dabei eine Verzahnung mit sichüber den Umfang des Stirnrades kontinuierlich veränderndem Radius aufweisen, wobei dann der Querschnitt der Zahnstange entsprechend anzupassen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotations- in eine Linearbewegung mit einem durch einen Motor angetriebenen, einen Außenzahnring, einen Zwischenzahnring sowie einen den Zwischenzahnring umlaufend an den Außenzahnring andrückenden, unrunden Kern aufweisenden, selbsthemmend ausgebildeten Wellgetriebe, welches über ein vom Außenzahnring oder Zwischenzahnring angetriebenes Stirnrad auf die Verzahnung eines von einer Zahnstange gebildeten, linear beweglichen Stellgliedes einwirkt.
Aus der DE 4127487C2 ist eine Vorrichtung mit einem Wellgetriebe bekannt, bei der als linear bewegliches Stellglied eine Spindel dient, die mittels eines mit einem Innengewinde oder einem Kugelgewindetrieb versehenen Übertragungselementes axial verstellt wird. Das Übertragungselement ist mit dem Abtriebselement des Wellgetriebes, bei dem in der DE4127487C2 gezeigten Ausführungsbeispiel dem Außenzahnring des Wellgetriebes, drehfest, z. B. mittels einer Schraubverbindung, verbunden.
Diese bekannte Vorrichtung zeichnet sich zwar durch kompakten Aufbau, weitgehend spielfreien Antrieb, relativ geringe Hysterese und Reibungsverluste sowie gute Positionierbarkeit des Stellgliedes aus, wobei die angefahrenen Positionen auch möglichst exakt gehalten werden. Die bekannte Vorrichtung ist jedoch in der Herstellung vergleichsweise aufwendig, was auch für die Montage gilt. Darüber hinaus ist ihr Wirkungsgrad unbefriedigend und sie lässt sich insbesondere nicht so ausführen, dass die Abtriebskraft abhängig von der Position des Stellgliedes variiert.
Aus der DE 197 48 667 C2 ist eine Lenkkrafthilfe bekannt, die eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotations- in eine Linearbewegung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 umfasst. Bei der bekannten Lenkkrafthilfe wirkt also ein Wellgetriebe über ein vom Außenzahnring oder Zwischenzahnring angetriebenes Stirnrad auf die Verzahnung eines von einer Zahnstange gebildeten, linear beweglichen Stellgliedes ein.
Bei der bekannten Lenkhilfe erfolgt nun die Lagerung der Zahnstange gegenüber dem Stirnrad über eine die Zahnstange gegen das Stirnrad pressende Feder, d. h. ein stationäres Glied, Aufgrund dieser Konstruktion ist es bei der Kombination von Wellgetriebe und Zahnstange als Stellglied gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, die Zahnstange in feinen Stufen mittels des Wellgetriebes positionsgenau zu verschieben. Die Zahnstange wird nämlich mittels einer (stationären) Feder gegen das die Zahnstange antreibende Stirnrad gedrückt und lediglich gleitend geführt. Man muss deswegen damit rechnen, dass vom Wellgetriebe ausgehende Bewegungen der Zahnstange stets zuerst gehemmt sind, was, sofern kleine Bewegungen der Zahnstange erzielt werden sollen, zu möglicherweise wesentlichen Positionsfehlern führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Rotations- in eine Linearbewegung mit einem selbsthemmend ausgebildeten Wellgetriebe als Antrieb und einer Zahnstange als nicht hemmendem Stellglied so auszubilden, dass sie einerseits sehr einfach aufgebaut und infolgedessen leicht zu montieren ist, andererseits aber die bei der Konstruktion gemäß DE 197 48 667 C2 zu erwartenden, vorstehend genannten Mängel nicht auftreten, d. h. die Zahnstange mittels des Wellgetriebes leicht und positionsgenau in jede gewünschte Stellung gebracht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, dass die Zahnstange ein nicht selbsthemmend ausgebildetes Stellglied ist und wenigstens zwei gleichmäßig über ihren Umfang winkelversetzte Verzahnungen aufweist, die jeweils mit einem von mehreren gleichmäßig um die Zahnstange verteilt angeordneten Stellrädern zusammenwirken.
Die Verwendung einer Zahnstange anstelle einer Spindel bewirkt einerseits eine ganz wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades. Andererseits führt der Umstand, dass der Außenzahnring oder der Zwischenzahnring des Wellgetriebes unmittelbar oder über eine entsprechende Getriebestufe weitgehend direkt auf die Zahnstange einwirkt, dazu, dass eine sehr einfache Konstruktion der Vorrichtung möglich ist, die sich auch sehr leicht montieren lässt.
Infolge des Umstandes, dass die Zahnstange wenigstens zwei gleichmäßig über deren Umfang winkelversetzte Verzahnungen aufweist, die jeweils mit einem von mehreren gleichmäßig um die Zahnstange verteilt angeordneten Stirnrädern zusammenwirken, lässt sich die Zahnstange weitgehend reibungsfrei, gleichzeitig jedoch sehr exakt führen und entsprechend genau positionieren.
Im einfachsten Fall werden dabei erfindungsgemäß zwei einander gegenüberliegende Stirnräder vorgesehen sein, die von dem Wellgetriebe gegenläufig synchron angetrieben sind. Es ist aber natürlich auch möglich, eine Zahnstange zu verwenden, die nicht nur zwei gegenüberliegende Verzahnungen sondern gleichmäßig über den Umfang verteilt beispielsweise drei, vier oder fünf Verzahnungen aufweist, wobei dann auch eine entsprechende Anzahl von Führungs-Stirnrädern vorgesehen werden müssen.
Ein besonderer Effekt lässt sich bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch erreichen, dass die Stirnräder eine Verzahnung mit sich über den Umfang der Stirnräder kontinuierlich veränderndem Radius aufweisen und entsprechend der Querschnitt der Zahnstange in den die mit den Stirnrädern kämmenden Verzahnungen tragenden Bereichen entsprechend unterschiedlich ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Vorrichtung lässt sich erreichen, dass die Abtriebskraft der Vorrichtung abhängig von der jeweiligen Position der Zahnstange unterschiedlich ist, gleichzeitig jedoch das Motordrehmoment, bzw. die Motorleistung konstant bleiben kann. Auf diese Weise kann der Motor immer im optimalen Betriebspunkt betrieben werden, wobei sich die Bewegungsgeschwindigkeit der Zahnstange dann – im Hinblick auf das sich ändernde Untersetzungsverhältnis gegenüber dem Motor – abhängig von der erzeugten Linearkraft verständlicherweise verändert. Die positionsabhängige Änderung der vor der Zahnstange aufgebrachten Linearkraft kann beispielsweise ausgenutzt werden, um die sich verändernde Kraft einer Gegenfeder zu kompensieren.
Ein Wellgetriebe wird im Allgemeinen dann verwendet, wenn ausgehend von einem Motor mit relativ hoher Drehzahl eine Bewegung mit vergleichsweise geringer Umfangsgeschwindigkeit erzeugt werden soll. Um das Untersetzungsverhältnis noch weiter zu erhöhen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zwischen Motor und Eingangswelle des Wellgetriebes mindestens eine Getriebevorstufe vorgesehen ist, wobei mindestens eine der (möglicherweise mehreren) Getriebevorstufen von einem Zahnrad, aber auch von einem Zugmittelgetriebe, z. B. einer Kette oder einem Riemen, gebildet sein kann.
Um die Abmessungen der Vorrichtung nach der Erfindung möglichst klein zu halten, wird weiter vorgeschlagen, die mindestens eine Getriebevorstufe innerhalb des Durchmessers des Außenzahnrings anzuordnen, d. h. so, dass sie nicht radial über den Durchmesser des Wellgetriebes vorsteht.
Bei Verwendung einer Getriebevorstufe kann es zweckmäßig sein, erfindungsgemäß diese derart auszugestalten, dass die Abtriebswelle des Motors im Wesentlichen koaxial mit der Mittelachse des Wellgetriebes verläuft, wobei der Motor innerhalb des Durchmessers des Zwischenzahnrings angeordnet ist.
Natürlich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Getriebevorstufe mehrstufig sein kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
1 perspektivisch und im Axialschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit feststehendem Zwischenzahnring des Wellgetriebes;
2 eine Explosionsdarstellung zu 1;
3 eine Darstellung entsprechend 2 bei einem zweiten Ausführungsbeispiel mit feststehendem Außenzahnring des Wellgetriebes;
4 eine Explosionsdarstellung zu 3 und
5 eine Draufsicht auf eine Kombination aus Zahnstange und zwei Stirnrädern mit über den Umfang unterschiedlichem Radius bzw. Durchmesser
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung jeweils ein Gehäuse 1, das aus drei Teilen besteht, nämlich einem Unterteil 2 bzw. 2', in dem der Motor 3 untergebracht ist, einem Mittelteil 4, 4', das im Wesentlichen zur Aufnahme von Teilen des Wellgetriebes, z. B. des Außenzahnrings 5 oder des unrunden Kerns 6, vorgesehen ist, sowie einen Deckel 7, indem die Zahnstange 8 mittels entsprechender Stirnräder 9, 9', 10 geführt ist.
Das eigentliche Wellgetriebe umfasst neben dem unrunden Kern 6 jeweils einen aus flexiblem Material bestehenden Zwischenzahnring 11, 11' und einen Außenzahnring 5, 5', wobei der Außenzahnring 5' bei dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4 von einer Innenverzahnung 12 im Bereich des oberen Randes des Unterteils 2' gebildet ist.
Der unrunde Kern 6 umfasst jeweils einen Planetenträger 13, an dem mittels der Achsen 14 Ritzel 15 gelagert sind. Diese Ritzel 15 greifen mit ihrer Verzahnung 16 an einer entsprechenden Innenverzahnung 17 (die in den 1 und 2 nicht im Einzelnen gezeigt ist) des Zwischenzahnrings 11, 11' an und drücken auf diese Weise im entsprechendem Umfangsbereich des Zwischenzahnrings 11, 11' bei Drehung des Planetenträgers 13 um die – mit dem Motor gemeinsame – Mittelachse 18 umlaufend jeweils gegen die entsprechende Innenverzahnung 12 (die in den 1 und 2 nicht gezeigt ist) des Außenzahnrings 5, 5'. Da, wie bei Wellgetrieben üblich, die Zähnezahl der Außenverzahnung 19 (nur in 4 gezeigt) des Zwischenzahnring 11, 11' sich geringfügig von der Zähnezahl der Innenverzahnung 12 (4) des Außenzahnrings 5, 5' unterscheidet, verdrehen sich auch Außenzahnring 5, 5' und Innenzahnring 11, 11' entsprechend gegeneinander, allerdings mit einer gegenüber der Drehzahl der Eingangswelle 20 des Wellgetriebes erheblich verminderten Drehzahl.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist die Konstruktion derart, dass der flexible Zwischenzahnring 11 gegenüber dem Gehäuse 1 feststeht. infolgedessen dreht sich bei Drehung der Eingangswelle 20 der Außenzahnring 5.
Demgegenüber ist die Konstruktion des Ausführungsbeispiels der 3 und 4 derart, dass der Außenzahnring 5' Teil des Gehäuse-Unterteils 2' ist, d. h. feststeht. Infolgedessen bewirkt eine Drehung der Eingangswelle 20 des Wellgetriebes eine stark verlangsamte Drehung des Zwischenzahnrings 11'.
Entsprechend der von dem Motor bewegten Teile ist bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 das Stirnrad 9, welches die Bewegung der Zahnstange 8 erzeugt, drehfest mit dem Außenzahnring 5 verbunden, während bei dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4 das entsprechende Stirnrad 9' drehfest an den (flexiblen) Zwischenzahnring 11' gekoppelt ist.
Um eine besonders langsame Drehbewegung der die Zahnstange 8 antreibenden Stirnräder 9, 9' zu erreichen, sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen dem Wellgetriebe zwei, jeweils von Ritzelpaaren gebildete Getriebestufen vorgeschaltet. Zu diesem Zweck ist auf der Ausgangswelle 21 des Motors 3 drehfest ein relativ kleines Ritzel 22 angeordnet, welches ein auf einer Welle 23 drehbar gelagertes Doppelritzel 24 im Bereich seines großen Durchmessers antreibt. Der Bereich mit kleinem Durchmesser des Doppelritzels 24 treibt seinerseits ein Ritzel 25 mit vergleichsweise großem Durchmesser an, welches auf der Ausgangswelle 21 des Motors 3 frei drehbar gelagert ist und ein Ritzel kleineren Durchmessers bildenden Ansatz 26 trägt, der mit den Verzahnungen am Umfang der Ritzel 15 des unrunden Kerns 6 kämmt und somit bei Drehung auch eine entsprechende Drehung des unrunden Kerns 6 bewirkt.
Eine Getriebevorstufe kann nicht nur von Ritzelpaaren 22, 24 gebildet sein, sondern – insbesondere zur Geräuschverminderung – auch von einem Zugmitteltrieb, z. B. einer Kette oder vorzugsweise einem Riemen. Auf die Darstellung eines entsprechenden Ausführungsbeispiels wurde hier verzichtet.
Besonders günstig für eine kompakte Konstruktion ist bei den gezeigten Ausführungsbeispielen, dass – wie die Zeichnungen erkennen lassen – die von den Ritzeln 22, 24 gebildete Getriebevorstufe innerhalb des Durchmessers des jeweiligen Außenzahnringes 5, 5' angeordnet ist. Zu einer geringen Baugröße trägt auch bei, wenn, wie die Zeichnungen erkennen lassen, der Motor 3, dessen Abtriebwelle 21 im wesentlichen koaxial mit der Mittelachse 18 des Wellgetriebes verläuft, innerhalb des Durchmessers des Zwischenzahnrings 11, 11' angeordnet ist.
Zur Lagerung und zum Antrieb der Zahnstange 8 sind, wie bereits erwähnt, zwei Stirnräder 9, 9', 10 vorgesehen. Diese sind in entsprechendem Abstand (siehe 2 und 4) zwischen Deckel 7 und Mittelteil 4 des Gehäuses gelagert.
Das eine Stirnrad 9, 9' wird jeweils direkt von dem Außenzahnring 5 bzw. Zwischenzahnring 11' angetrieben. Um eine gleichmäßige Drehung der beiden Stirnräder 9, 9' bzw. 10 und damit eine gleichmäßige Längsverschiebung der Zahnstange 8 zu erreichen, ist auch ein mit der Bewegung des ersten Stirnrades 9, 9' synchroner Antrieb für das zweite Stirnrad 10 vorgesehen. Hierzu sind die Stirnräder 9, 9', 10 jeweils einstückig mit einem axial gegenüber den Stirnrädern 9, 9', 10 versetzten Stirnrad 27 bzw. 28. Diese Stirnräder 27, 28 haben jeweils gleichen Durchmesser und gleiche Zahn-Teilung, sodass sich die Stirnräder 9, 9', bzw. 10 synchron drehen. Der Durchmesser der Stirnräder 27, 28 ist um soviel größer als der Durchmesser der Stirnräder 9, 9', 10, dass die Zahnstange 8 mit ihren beidseitigen Verzahnungen exakt zwischen den Verzahnungen der Stirnräder 9, 9' einerseits und 10 anderseits geführt ist.
Eine Besonderheit der gezeigten Ausführungsbeispiele besteht nun darin, dass die Stirnräder 9, 9' und 10 Verzahnungen aufweisen, deren Radius sich über den Umfang der Stirnräder kontinuierlich verändert, sodass sich der Durchmesser der Stirnräder 9, 9' und 10 entlang ihres Umfanges kontinuierlich verändert, was zur Folge hat, dass der Umfang der Stirnräder 9, 9', 10 jeweils eine Stufe 30 bildet (siehe insbesondere 5).
Entsprechend der Veränderung des Durchmessers bzw. Radius der Stirnräder 9, 9', 10 ändert sich auch der Abstand zwischen deren Umfangsflächen bzw. Verzahnungen 31. Dementsprechend muss sich auch der Abstand zwischen den einander gegenüber liegenden Verzahnungen 29 der Zahnstange 8 ändern, was dadurch erreicht wird, dass sich die Breite der Zahnstange 8 über ihre Länge entsprechend verändert, wie dies den 2, 4 und 5 entnommen werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtungen gemäß der Erfindung besteht in deren einfacher Montage, die im wesentlichen dadurch erfolgt, dass die Teile nacheinander (in der in den 2 und 4 gezeigten Reihenfolge) in die Unterteile 2, 2' axial eingesetzt werden. Lediglich die Ritzel 24 müssen vor dem Aufbringen des Mittelteils 4, 4' auf das Unterteil 2, 2' von der Seite her durch die Schlitze 32 eingeführt und dann mittels der – ebenfalls axial einsteckbaren – Welle 23 positioniert werden.
Zum Ende des Zusammenbaus wird dann die Zahnstange 8 seitlich, d. h. in ihrer Längsrichtung, in den Deckel 7 eingeführt, wobei darauf zu achten ist, dass sich zu diesem Zeitpunkt die Stirnräder 9, 9' und 10 in der richtigen Position befinden, d. h. die Stufen 30 jeweils aufeinander zu weisen und die Zahnstange 8 mit ihrem schmäleren Ende voraus eingeführt wird. Zweckmäßig geschieht dies vor dem Aufsetzen des Deckels 7, um einerseits die genaue Lage gut kontrollieren und andererseits ggf. die Stirnräder 9, 9', 10 hinsichtlich ihres Drehwinkels exakt positionieren zu können.
Da die Stirnräder 9, 9', 10 eine Stufe 30 aufweisen, kann mit der Vorrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen die Zahnstange 8 nur axial um eine Strecke bewegt werden, die maximal einer Umdrehung der Stirnräder 9, 9', 10 entspricht, wobei die Bewegungsstrecke der Zahnstange 8 abhängig vom Durchmesser der Stirnräder 9, 9', 10 vergrößert bzw. verkleinert werden kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich – und so wird die Vorrichtung in der Praxis wohl meist ausgebildet sein – die Stirnräder 9, 9', 10 als einfache Ritzel auszubilden und entsprechend eine Zahnstange vorzusehen, deren Breite über die gesamte Länge gleich ist. In diesem Falle kann die Zahnstange natürlich über einen größeren Bereich axial bewegt werden, weil sich die zum Antrieb der Zahnstange dienenden Stirnräder durchaus auch mehrfach während der Axial-Verschiebung der Zahnstange drehen können.

Claims

Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotations- in eine Linearbewegung mit einem durch einen Motor (3) angetriebenen, einen Außenzahnring (5, 5'), einen Zwischenzahnring (11, 11') sowie einen den Zwischenzahnring (11, 11') umlaufend an den Außenzahnring (5, 5') andrückenden, unrunden Kern (6) aufweisenden, selbsthemmend ausgebildeten Wellgetriebe, welches über ein vom Außenzahnring (5, 5') oder Zwischenzahnring (11, 11'') angetriebenes Stirnrad (9, 9') auf die Verzahnung (29) eines von einer Zahnstange (8) gebildeten, linear beweglichen Stellgliedes einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (8) ein nicht selbsthemmend ausgebildetes Stellglied ist und wenigstens zwei gleichmäßig über ihren Umfang winkelversetzte Verzahnungen (29) aufweist, die jeweils mit einem von mehreren gleichmäßig um die Zahnstange (8) verteilt angeordneten Stirnrädern (9, 9'; 10) zusammenwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander gegenüberliegende Stirnräder (9, 9', 10) von dem Wellgetriebe gegenläufig synchron angetrieben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnräder (9, 9'; 10) eine Verzahnung (31) mit sich über den Umfang der Stirnräder (9, 9'; 10) kontinuierlich veränderndem Radius aufweisen und der Querschnitt der Zahnstange (8) in den die mit den Stirnrädern kämmenden Verzahnungen tragenden Bereich(en) entsprechend unterschiedlich ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Motor (3) und Eingangswelle (20) des Wellgetriebes mindestens eine Getriebevorstufe (24, 25) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Getriebevorstufen (24, 25) von einem Zahnradgetriebe gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Getriebevorstufen von einem Zugmittelgetriebe (Kette/Riemen) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Getriebevorstufe (24, 25) innerhalb des Durchmessers der Außenzahnrings (5, 5') angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Getriebevorstufe (24, 25) vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, dass die Abtriebswelle (21) des Motors (3) im wesentlichen koaxial mit der Mittelachse (18) des Wellgetriebes verläuft, wobei der Motor (3) innerhalb des Durchmessers des Zwischenzahnrings (11, 11') angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebevorstufe (24, 25) mehrstufig ist.