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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung, umfassend ein von einem Antriebsmotor um eine Achse angetriebenes Sonnenrad mit einer Außenverzahnung, eine Anzahl Planetenräder, die radial außerhalb des Sonnenrades angeordnet sind und die mit einer Verzahnung versehen sind, mit der sie mit der Außenverzahnung des Sonnenrades kämmen, ein ortsfestes Hohlrad mit einer Innenverzahnung, wobei die Planetenräder mit ihrer Verzahnung mit der Innenverzahnung des Hohlrads kämmen, und ein um die Achse drehbar angeordnetes Abtriebs-Hohlrad mit einer Innenverzahnung, wobei die Planetenräder mit einem zu ihrer Verzahnung axial versetzt angeordneten weiteren Verzahnung versehen sind, die mit der Innenverzahnung des Abtriebs-Hohlrads kämmt.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine solche Getriebeanordnung wird als Wolfrom-Getriebe (oder auch Wolfrum-Umlaufgetriebe) bezeichnet und ist beispielsweise in der
DE 93 18 360 U1 beschrieben. Eine ähnliche Lösung zeigt die
DE 20 2009 018 547 U1 .
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Bisherige Antriebskonzepte sehen beispielsweise Direktmotoren (Innenläufermotoren) mit Hohlwelle als Antriebselement vor, durch die eine Linearbewegung erzeugt werden kann; hiermit kann ein Aktuator betätigt werden, wie er beispielsweise in einer Hinterradlenkung benötigt wird. Ferner sind achsparallele Antriebe mit Innenläufermotor bekannt, die über ein Stirnradgetriebe oder einen Riemenantrieb ihr Antriebsdrehmoment übertragen. Weiterhin sind koaxiale Antriebe mit Innenläufermotor gebräuchlich, die mit einem angeflanschten Stirnrad- oder Umlaufgetriebe (Planetengetriebe) verbunden sind.
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Die Kombination eines Außenläufermotors mit verschiedenen Getriebetypen, insbesondere mit einem Planetengetriebe, ist beispielsweise in der
DE 44 23 902 A1 beschrieben.
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Wenn das Getriebe eine hohe Übersetzung aufweisen muss, beispielsweise eine Übersetzung von i = 40:1, hat sich das Wolfrom-Getriebe bewährt, wie es als Prinzipskizze in 1 dargestellt ist.
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Die Getriebeanordnung 1 weist einen hier nur angedeuteten Antriebsmotor 2 auf, der ein Sonnenrad 3 um eine Achse a antreibt. Das Sonnenrad hat eine Außenverzahnung 4, die mit einer Anzahl von Planetenrädern 5 kämmt, die eine Verzahnung 6 aufweisen; es können drei oder mehr Planetenräder 5 äquidistant um das Sonnenrad 3 herum angeordnet sein. Ein Hohlrad 7 ist ortsfest angeordnet und hat eine Innenverzahnung 8, die mit der Verzahnung 6 der Planetenräder 5 kämmt. Das Sonnenrad, die Planetenräder – soweit ihre Verzahnung 6 betroffen ist – und das Hohlrad 7 liegen dabei in einer Ebene.
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Die Planetenräder 6 sind allerdings über diese Ebene hinaus axial verlängert und haben einen verzahnten Abschnitt, der eine Verzahnung 11 trägt. Diese Verzahnung kämmt mit einer Innenverzahnung 10, die ein Abtriebs-Hohlrad 9 aufweist. Das Abtriebs-Hohlrad 9 ist konzentrisch um die Achse a drehbar gelagert. Beim Antrieb des Sonnenrads 3 dreht somit das Abtriebs-Hohlrad 9 mit starker Untersetzung ins Langsame.
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Dieses Getriebe ist bereits relativ kompakt aufgebaut und setzt herkömmliche Verzahnungstechniken ein; es wird nur ein Planetensteg benötigt. Reihenplanetengetriebe benötigten indes mehrere Stufen, also auch mehrere Planetenstege.
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Die vorbekannten Antriebskonzepte bzw. das bekannte Wolfrom-Getriebe haben allerdings auch Nachteile:
Beim Antrieb mittels eines Direktmotors mit Hohlwelle ist der Motor relativ groß bzw. überdimensioniert und somit schwer und teuer. Der Materialaufwand ist hoch. Bei achsparallelen Antrieben ergeben sich meist schwierige Bauraumbedingungen. Weiterhin ist hier eine hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich. Im Falle von koaxialen Antrieben mit angeflanschtem Getriebe liegt eine ungünstige Ausnutzung des radialen Bauraums vor.
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Die Kombination eines Außenläufermotors mit einem einfachen Planetengetriebe kann keine hohe Übersetzung in einer Stufe realisieren. Die Reihenschaltung mehrerer Stufen erhöht den Bauaufwand erheblich, da mehr Teile und Lagerstellen erforderlich sind.
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Mit Blick auf das beschriebene Wolfrom-Getriebe ist als nachteilig zu vermerken, dass radial ein relativ großer Bauraum benötigt wird. Ferner ist der Wirkungsgrad des Getriebes nicht besonders hoch. Der Wirkungsgrad fällt mit steigender Gesamtübersetzung bei diesem Getriebetyp erheblich ab. Dies liegt daran, dass im Nebengetriebe (Teil der Planetenräder mit der Verzahnung 11 und Abtriebs-Hohlrad 9) prinzipbedingt durch Koppelblindleistung ein schlechter Leistungsfluss vorherrscht. Je höher der Übersetzungsanteil im Nebengetriebe ist, desto schlechter wird der Wirkungsgrad. Demgemäß gilt, dass sich der Wirkungsgrad erhöht, wenn der Übersetzungsanteil im Hauptgetriebe (Sonnenrad 3, Planetenräder mit ihrer Verzahnung 6 und Hohlrad 7) steigt. Um die Übersetzung im Hauptgetriebe zu erhöhen, müsste allerdings nachteilig der Planetenraddurchmesser erhöht werden. Der ohnehin schon relativ große radiale Bauraum würde so noch größer werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Getriebeanordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass eine kompaktere Bauweise erreicht werden kann. Dabei soll ein koaxiales Antriebskonzept weise erreicht werden kann. Dabei soll ein koaxiales Antriebskonzept vorgeschlagen werden, bei dem sowohl der axiale als auch der radiale Bauraum optimiert werden. Weiterhin soll der Wirkungsgrad des Getriebes im Vergleich mit vorbekannten Lösungen und insbesondere verglichen mit dem bekannten Wolfrom-Getriebe erhöht werden.
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Die Getriebeanordnung soll insbesondere als kombinierte Motor-Getriebe- Einheit beispielsweise zum Antrieb eines elektromechanischen Aktuators einer Hinterradlenkung optimiert sein. Natürlich sind aber auch andere Anwendungen der Anordnung denkbar.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder mit drei Verzahnungen versehen sind, die jeweils in axiale Richtung versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die erste Verzahnung den Zahneingriff zwischen Sonnenrad und Planetenrad bildet und in einer ersten Ebene liegt, wobei die zweite Verzahnung den Zahneingriff zwischen ortsfestem Hohlrad und Planetenrad bildet und in einer zweiten Ebene liegt, wobei die dritte Verzahnung den Zahneingriff zwischen Abtriebs-Hohlrad und Planetenrad bildet und in einer dritten Ebene liegt, wobei alle drei Ebenen axial versetzt zueinander angeordnet sind.
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Die erste Ebene liegt dabei bevorzugt zwischen der zweiten Ebene und der dritten Ebene.
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Die Planetenräder bestehen bevorzugt aus einem einstückig ausgebildeten Grundkörper, in den die drei Verzahnungen eingearbeitet sind.
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Die Verzahnungen der Planetenräder haben bevorzugt alle unterschiedliche Teilkreisdurchmesser. Bevorzugt ist der Teilkreisdurchmesser der ersten Verzahnung größer als der Teilkreisdurchmesser der zweiten Verzahnung; der Teilkreisdurchmesser der dritten Verzahnung ist bevorzugt kleiner als der Teilkreisdurchmesser der ersten Verzahnung; schließlich ist bevorzugt der Teilkreisdurchmesser der dritten Verzahnung kleiner als der Teilkreisdurchmesser der zweiten Verzahnung.
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Die Verzahnungs-Moduln der drei Verzahnungen können gleichermaßen nicht alle gleich sein. Bevorzugt sind die Moduln der drei Verzahnungen alle unterschiedlich groß. Es kann natürlich aber auch vorgesehen werden, dass die Moduln der drei Verzahnungen gleich groß sind.
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Die Planetenräder können von einem Planetenträger gehalten werden. Der Antriebsmotor ist bevorzugt als Außenläufermotor ausgebildet, wobei der Rotor des Antriebsmotors fest mit dem Sonnenrad verbunden ist.
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Die Erfindung stellt also auf den Gedanken ab, dass das Hauptgetriebe (Sonnenrad, Planetenrad und ortsfestes Hohlrad) mit Stufenplanetenrädern versehen wird. So kann der Übersetzungsanteil im Hauptgetriebe erhöht werden, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes erhöht. Ferner baut das vorgeschlagene Konzept – verglichen mit der vorbekannten Lösung – radial kleiner.
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Die axial etwas größere Bauweise ist bei vielen Anwendungsfällen unbeachtlich, beispielsweise bei Aktuatoren für eine Hinterradlenkung, da der Elektromotor hier ohnehin länger baut. Das vorgeschlagene Konzept erfordert vorteilhaft keine zusätzliche Lagerstelle, da es – wie beim konventionellen Wolfrom- Getriebe – nur einen gemeinsamen Planetensteg gibt.
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Gemäß der vorgeschlagenen Lösung wird ein Außenläufermotor genutzt und dieser direkt in das Getriebe integriert. So kann auf eine angeflanschte Lösung verzichtet werden.
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Ein schwerer und teurer Direktmotor, der als Antriebslösung in Betracht kommt, wird mit der vorliegenden Erfindung durch eine Motor-Getriebe-Kombination ersetzt.
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Das vorgeschlagene Getriebekonzept erlaubt eine hohe Übersetzung – bevorzugt im Bereich von i = 40:1 –, die mit minimalem Bauaufwand realisiert werden kann.
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Sowohl der benötigte Bauraum als auch der Wirkungsgrad des Getriebes sind optimiert. Somit liegt ein kleines und leistungsstarkes Antriebskonzept vor.
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Die vorgeschlagene Getriebekonzeption eignet sich in besonderer Weise – aber nicht ausschließlich – für den Einsatz in einem elektromechanischen Aktuator, der beispielsweise in einer Hinterradlenkung eines Fahrzeugs benötigt wird. Generell empfiehlt sich der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung überall dort, wo große Drehmomente durch kleine Elektromotoren erzeugt werden müssen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 schematisch das Getriebekonzept eines Wolfrom-Getriebes gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematisch das Getriebekonzept gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 den Radialschnitt durch eine konstruktiv umgesetzte Getriebeanordnung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und
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4 in perspektivischer Darstellung die Getriebeanordnung nach 3.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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In 2 ist das Prinzipbild der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung 1 skizziert. Der hier nur angedeutete Antriebsmotor 2 treibt direkt das Sonnenrad 3 mit seiner Außenverzahnung 4 an. Das Sonnenrad 3 kämmt mit den Planetenrädern 5, von denen zumeist mindestens drei um den Umfang des Sonnenrades 3 angeordnet sind.
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Die Planetenräder 5 sind als Stufenplaneten ausgebildet, d. h. sie haben drei Verzahnungen 6‘, 6‘‘ und 11, die in drei verschiedenen Ebenen E1, E2 und E3 liegen, die jeweils axial, d. h. in Richtung der Achse a gesehen, gegeneinander versetzt sind.
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Wie weiter zu sehen sind, sind die drei Teilkreisdurchmesser D1, D2 und D3 der drei Verzahnungen 6‘, 6‘‘ und 11 unterschiedlich groß. Die Verzahnung 6‘ hat den größten Teilkreisdurchmesser D1; die Verzahnung 6‘‘ weist einen kleineren Teilkreisdurchmesser D2 auf; den kleinsten Teilkreisdurchmesser D3 hat die Verzahnung 11.
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Wie zu sehen ist, liegt in der Ebene E1 das Sonnenrad 3 und der Teil der Planetenräder 5, der die Verzahnung 6' aufweist. Axial versetzt, nämlich in der Ebene E2 angeordnet, ist der Teil der Planetenräder 5 mit der Verzahnung 6‘‘ sowie das ortsfest angeordnete Hohlrad 7. Wiederum axial versetzt hierzu, nämlich in der Ebene E3 angeordnet, ist der Abschnitt der Planetenräder 5 mit der Verzahnung 11 sowie die Innenverzahnung 10 des Abtriebs-Hohlrades 9.
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Abhängig von der Wahl der Teilkreisdurchmesser D1, D2 und D3 in Verbindung mit den Teilkreisdurchmessern der Verzahnung 4 des Sonnenrades 3, der Verzahnung 8 des Hohlrades 7 und der Verzahnung 10 des Abtriebs-Hohlrades 9 ergibt sich die Gesamtübersetzung der Getriebeanordnung 1 bei hohem Wirkungsgrad.
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Eine Möglichkeit der konstruktiven Umsetzung des Getriebekonzepts nach 2 ist in 3 und in 4 dargestellt (3 zeigt die Getriebeanordnung gemäß 2 in gespiegelter Anordnung).
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Der Antriebsmotor ist als permanent erregter Motor ausgebildet und besteht aus einem Stator 14 und einem von diesem angetriebenen Rotor 13. Der Rotor 13 ist axial und drehfest mit dem Sonnenrad 3 verbunden. Axial neben dem Sonnenrad 3 ist hinreichend Raum zur Aufnahme anderer Elemente, wie beispielsweise eines Winkellagegebers 15; analog können andere Motorsteuerungskomponenten untergebracht werden.
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Die Planetenräder 5 sind als hülsenförmige Körper ausgebildet, die einen Grundkörper aufweisen, auf dessen Außenumfang die drei Verzahnungen 6‘, 6‘‘ und 11 eingearbeitet sind (die Verzahnungen sind nicht näher dargestellt). Die Planetenräder 5 sind axial durchbohrt, so dass in die Bohrung ein zylindrischer Trägerabschnitt eines Planetenträgers 12 eintreten kann. Ein Planetenträger 12 ist allerdings nicht zwingend; es kann auch mit fliegend gelagerten Planetenrädern 5 gearbeitet werden.
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Nicht dargestellt ist, dass das Hohlrad 7 in einem nicht dargestellten Gehäuseelement der Getriebeanordnung befestigt ist. Hierzu wird das Hohlrad 7 an seiner äußeren zylindrischen Fläche in einem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses aufgenommen. Hierdurch wird das nötige Gegenmoment aufgebracht. Das Abtriebsdrehmoment wird vom Abtriebs-Hohlrad 9 abgegriffen.
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Die Innenverzahnung 10 im Abtriebs-Hohlrad 9 kann direkt in einen hohlzylindrischen Abschnitt des Abtriebs-Hohlrades 9 eingearbeitet sein; es ist aber auch genauso möglich, dass ein Zahnrad mit der Verzahnung 10 separat gefertigt und dann in das Abtriebs-Hohlrad 9 eingesetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeanordnung
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Sonnenrad
- 4
- Außenverzahnung
- 5
- Planetenrad
- 6
- Verzahnung
- 6‘
- Verzahnung (erste Verzahnung des Planetenrads)
- 6‘‘
- Verzahnung (zweite Verzahnung des Planetenrads)
- 7
- Hohlrad
- 8
- Innenverzahnung
- 9
- Abtriebs-Hohlrad
- 10
- Innenverzahnung
- 11
- Verzahnung (dritte Verzahnung des Planetenrads)
- 12
- Planetenträger
- 13
- Rotor
- 14
- Stator
- 15
- Winkellagegeber
- E1
- erste Ebene
- E2
- zweite Ebene
- E3
- dritte Ebene
- D1
- Teilkreisdurchmesser
- D2
- Teilkreisdurchmesser
- D3
- Teilkreisdurchmesser
- a
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 9318360 U1 [0002]
- DE 202009018547 U1 [0002]
- DE 4423902 A1 [0004]
