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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung umfassend ein Schrägnadellager, dessen Wälzkörper auf zugehörigen Laufbahnen zwischen einen Außenring und einem Innenring abwälzen und ein Spannungswellengetriebe, mit einem eine nicht-kreisförmige Scheibe umfassenden Wellengenerator, einem starren, eine Innenverzahnung aufweisenden, Außenring und einem elastischen Übertragungselement, wobei auf dem elastischen Übertragungselement eine Außenverzahnung ausgebildet ist, die mit der Innenverzahnung des Außenringes zumindest teilweise im Eingriff steht. Die Erfindung betrifft ferner einen Roboterarm.
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Hintergrund der Erfindung
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Anordnungen mit Wellengetrieben und ergänzenden Komponenten sind im Stand der Technik vielfach beschrieben. In
CN 2 06 539 657 U beispielsweise ist ein harmonisches Untersetzungsgetriebe offenbart. Es besteht aus einem Hauptlager mit Wälzkörpern und Laufbahnen, einem äußeren und einem inneren Ring des Hauptlagers und einem Spannungswellengetriebe mit Wellgenerator, welches einen Außenring mit Innenverzahnung aufweist. Zudem weist das Untersetzungsgetriebe ein elastisches Übertragungselement mit Außenverzahnung auf, wobei sich ein Dichtring am inneren Ring des Hauptlagers befindet und am elastischen Übertragungselement anliegt.
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DE 198 39 485 A1 beschreibt eine Dichtung für eine rotativ- und linearbewegliche Welle. Diese ist angeordnet zwischen einem Gehäuse und einer rotativ-linearbeweglichen Welle mit wenigstens einer nach innen weisenden Dichtlippe, einem Lager und wenigstens einer weiteren Dichtlippe sowie einem Balg und ist mit einer Zusatzdichtung und einer Hülse versehen.
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In
DE 10 2020 107 674 B3 ist eine Spannungswellengetriebeeinrichtung offenbart, welche ein Spannungswellengetriebe mit einem eine erste Verzahnung aufweisenden Zahnrad (Circular Spline), einem eine zweite Verzahnung aufweisenden flexiblen Zahnrad (Flexspline) und einem Wellengenerator (Wave-Generator) mit einem Wave-Generator-Lager zum Auslenken des Flexsplines in radialer Richtung umfasst. Dabei kann die zweite Verzahnung des Flexsplines mit der ersten Verzahnung des Circular Splines in Eingriff gebracht werden.
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Als Untersetzungsgetriebe in den Antrieben von Robotern u.ä. werden üblicherweise Spannungswellengetriebe eingesetzt, die kompakt und leicht sind, ein hohes Untersetzungsverhältnis aufweisen und wenig Spiel haben. Sie werden üblicherweise mit einer für das Spannungswellengetriebe notwendigen Wälzlagerung zu Lageranordnungen baulich zusammengefasst.
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Derartige gattungsbildende Lageranordnungen sind beispielsweise aus
JP 2008 -
39 037 A oder
JP 2017 -
125 597 A vorbekannt.
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Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Lageranordnungen, von denen eine Ausführungsform exemplarisch in der 4 gezeigt ist und nachstehend näher erläutert wird, besteht das Spannungswellengetriebe 100 hauptsächlich aus einem ringförmigen starren Innenzahnrad 200, einem flexiblen Außenzahnrad 300 mit weniger Zähnen als das starre Innenzahnrad 200 und einem Wellengenerator 400 mit elliptischer Kontur. Die flexible Außenverzahnung 300 ist innerhalb der starren Innenverzahnung 200 angeordnet, und die flexible Außenverzahnung 300 wird durch den Wellengenerator 400 radial gebogen, um teilweise an der starren Innenverzahnung 200 einzugreifen.
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Wenn der Wellengenerator 400 durch die Drehung eines Motors oder dergleichen gedreht wird, bewegen sich die Eingriffspositionen der beiden Zahnräder 200 und 300 in Umfangsrichtung, und die beiden Zahnräder 200 und 300 drehen sich relativ zueinander mit einer Drehgeschwindigkeit, die dem Unterschied in der Anzahl der Zähne entspricht.
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Das Spannungswellengetriebe 100 ist mit dem Motor verbunden und um eine hohle Eingangswelle 500 angeordnet, die einen Kurvenscheibenabschnitt 500a aufweist, der an seinem Außenumfang eine ovale Kontur des Wellengenerators 400 hat. Erste und zweite Endplatten 800, 900, die jeweils durch Kugellager 600, 700 gestützt werden, sind um die hohle Eingangswelle 500 herum angeordnet, um die Wellengetriebevorrichtung 100 in axialer Richtung dazwischen zu platzieren, wobei die erste Endplatte 800 an dem flexiblen Außenzahnrad 300 und die zweite Endplatte 900 an dem starren Innenzahnrad 200 befestigt und gesichert ist.
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Da eine der ersten und zweiten Endplatten 800 und 900 mit der Lastseite verbunden ist und die andere so befestigt ist, dass sie sich nicht dreht, wird die Untersetzungsdrehung von der Seite der Endplatte, die mit der Lastseite verbunden ist, ausgegeben und auf die Lastseite übertragen.
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Weiterhin wird in einer solchen Wellengetriebevorrichtung 100 ein momentbelastbares Kreuzrollenlager 1000 oder ein Vierpunkt-Kugellager als Lager verwendet, das das starre Innenzahnrad 200 und das flexible Außenzahnrad 300 in relativer Drehung frei abstützt.
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Ein derartiges Spannungswellengetriebe, wie es vorstehend aus dem Stand der Technik bekannt ist, benötigt eine vergleichsweise große Menge an Schmierfett, um einen vorzeitigen Verschleiß des Wellengetriebes zu verhindern und hohe Standzeiten realisieren zu können. Da es häufig in den Anwendungsszenarien solcher Lageranordnungen, wie beispielsweise im Bereich der medizinischen Robotik, sehr hohe Anforderungen an die Dichtigkeit dieser Lageranordnungen gibt, hat die Dichtung von Spannungswellengetrieben eine hohe praktische Bedeutung.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme hinsichtlich der Dichtigkeit von Lageranordnungen mit Spannungswellengetrieben zu reduzieren oder vollständig zu beseitigen. Es ist ferner die Aufgabe einen verbesserten Roboterarm bereitzustellen
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lageranordnung umfassend ein Schrägnadellager, dessen Wälzkörper auf zugehörigen Laufbahnen zwischen einen Außenring und einem Innenring abwälzen und ein Spannungswellengetriebe, mit einem eine nicht-kreisförmige Scheibe umfassenden Wellengenerator, einem starren, eine Innenverzahnung aufweisenden, Außenring und einem elastischen Übertragungselement, wobei auf dem elastischen Übertragungselement eine Außenverzahnung ausgebildet ist, die mit der Innenverzahnung des Außenringes zumindest teilweise im Eingriff steht, wobei der Innenring des Schrägnadellagers an seiner radial inneren Mantelfläche ein Wälzlager aufweist, dessen Außenring mit dem Innenring des Schrägnadellagers drehfest verbunden ist und dessen Innenring an seiner radial inneren Mantelfläche eine Dichtung aufweist, die an dem elastischen Übertragungselement anliegt.
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Durch Verwendung eines Schrägnadellagers kann zum einen in dessen Innenring genügend radialer Bauraum geschaffen werden, der eine Abdichtung des Spannungswellengetriebes gegenüber dem Schrägnadellagers mittels einer an einem Wälzlager befestigten Dichtung erlaubt. Ferner hat sich die erfindungsgemäße Lageranordnung als äußerst betriebssicher hinsichtlich eines unerwünschten Austritts von Schmiermittel aus der Lageranordnung erwiesen. Auch ist die Zunahme an Reibungswiderstand durch die Dichtung äußerst gering.
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Das Schrägnadellager kann ein- oder mehrreihig ausgebildet sein.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass der Innenring des Schrägnadellagers aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein kann. Es ist grundsätzlich ferner denkbar, den Innenring des Schrägnadellagers einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Schrägnadellagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben. Die Innenringlaufbahn kann zur Aufnahme und/oder Führung von Wälzkörpern eine Profilierung aufweisen. Hierdurch werden die Wälzkörper beispielsweise in einer definierten Weise in bzw. auf der Innenringlaufbahn geführt. Ferner können durch die geometrische Ausgestaltung der profilierten Innenringlaufbahn die axiale und radiale Kraftaufnahme des Schrägnadellagers beeinflusst werden.
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Grundsätzlich ist es ebenfalls möglich, dass der Außenring des Schrägnadellagers aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein kann. Es ist grundsätzlich ferner denkbar, den Außenring des Schrägnadellagers einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Schrägnadellagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben. Die Außenringlaufbahn kann zur Aufnahme und/oder Führung von Wälzkörpern eine Profilierung aufweisen. Hierdurch werden die Wälzkörper beispielsweise in einer definierten Weise in bzw. auf der Außenringlaufbahn geführt. Ferner können durch die geometrische Ausgestaltung der profilierten Außenringlaufbahn die axiale und radiale Kraftaufnahme des Schrägnadellagers beeinflusst werden.
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Die Nadelrollen des Schrägnadellagers sind geometrisch als Kreiszylinder ausgebildet, die über eine sehr große Länge im Verhältnis zum Wälzkörperdurchmesser verfügen. In der Regel spricht man bei einem Längen-/Durchmesserverhältnisses einer kreiszylindrischen Wälzkörperrolle >2,5 von einer Nadelrolle.
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Das Schrägnadellager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig ist so ausgebildet, dass die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst gering gehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Das Schrägnadellager kann eine oder mehrere Dichtungen aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Schrägnadellagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elastische Übertragungselement drehfest mit dem Außenring des Schrägnadellagers verbunden ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Dichtung einen ersten Schmiermittelkanal mit einem ersten Schmiermittel und einen zweiten Schmiermittelkanal mit einem zweiten Schmiermittel voneinander trennt, wobei das erste Schmiermittel und das zweite Schmiermittel voneinander verschieden sind und der erste Schmiermittelkanal mit der Außenverzahnung sowie der Innenverzahnung verbunden ist und der zweite Schmiermittelkanal mit den Laufbahnen des Schrägnadellagers verbunden ist.
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Es kann hierdurch erreicht werden, dass sowohl das Schrägnadellager als auch das Spannungswellengetriebe mit speziell auf sie abgestimmten Schmiermitteln betrieben werden können, wodurch die Reibung minimiert und die Langlebigkeit der Lageranordnung weiter optimiert werden kann.
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Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass das erste Schmiermittel eine höhere Viskosität als das zweite Schmiermittel aufweist. Ganz besonders bevorzugt weist das erste Schmiermittel eine (Base-Oil) Viskosität >100 mm2/s bei 40°C gemessen nach DIN 51562-1 auf und das zweite Schmiermittel eine (Base Oil) Viskosität <100 mm2/s bei 40°C gemessen nach DIN 51562-1.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das elastische Übertragungselement flanschartig ausgeformt ist, mit einem in radialer Richtung zumindest abschnittsweise elastisch verformbaren sich in Axialrichtung erstreckenden Zylinderabschnitt und einem sich in radialer Richtung erstreckenden Ringscheibenabschnitt. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass die Dichtung an dem Ringscheibenabschnitt anliegt, wodurch die Dichtigkeit der Lageranordnung weiter verbessert werden kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Zylinderrollenlager als ein zweireihiges Schrägnadellager ausgeführt ist, dessen in einem Käfig geführte Lagernadeln Drehachsen aufweisen, die unter einem Winkel α geneigt auf den entsprechenden Laufbahnen zwischen dem Außenring und dem Innenring abwälzen.
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Um eine integrierte Positions- und/oder Rotationsbestimmung innerhalb der Lageranordnung zu realisieren, kann es bevorzugt sein, dass auf der dem Schmiermittelkanal abgewandten Seite des Ringscheibenabschnitts elektrische Leiterbahnen ein- und/oder aufgebracht sind, welche insbesondere zu einem Positions- oder Rotationssensor gehören.
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Die Dichtwirkung der Dichtung lässt sich in bevorzugter Weise weiter verbessern, indem die Dichtung eine sich in axialer Richtung aus einem Dichtungskörper herauserstreckende Dichtlippe aufweist, welche einen sich in radialer Richtung zum ersten Schmiermittelkanal erstreckenden Dichtabschnitt besitzt, der an dem Ringscheibenabschnitt anliegt.
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In bevorzugter Weise kann ferner der Außenring des Wellengenerators an dem Innenring des Schrägnadellagers unter Zwischenschaltung einer O-Ringdichtung anliegen, was eine kostengünstige und sichere Dichtung zwischen diesen Bauteilen der Lageranordnung erlaubt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch einen Roboterarm mit mindestens einem antreibbaren Armelement, welches über eine Lageranordnung nach einem der Ansprüche bis 1-9 angekoppelt ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine Lageranordnung in einer perspektivischen Teilschnittansicht,
- 2 eine Lageranordnung in einer Axialschnittdarstellung,
- 3 eine Detailansicht der Dichtung
- 4 eine aus dem Stand der Technik vorbekannte Lageranordnung in einer Axialschnittdarstellung, und
- 5 eine Querschnittsansicht des Wellengenerators.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 und 2 zeigen eine Lageranordnung 1 umfassend ein Schrägnadellager 2, dessen Wälzkörper 4 auf zugehörigen Laufbahnen 6 zwischen einen Außenring 7 und einem Innenring 8 abwälzen und ein Spannungswellengetriebe 9, mit einem eine nicht-kreisförmige Scheibe 10 umfassenden Wellengenerator 11, einem starren, eine Innenverzahnung 12 aufweisenden, Außenring 13 und einem elastischen Übertragungselement 14, wobei auf dem elastischen Übertragungselement 14 eine Außenverzahnung 15 ausgebildet ist, die mit der Innenverzahnung 12 des Außenringes 13 zumindest teilweise im Eingriff steht.
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Die Funktionsweise des als solchen bereits aus dem Stand der Technik bekannten Wellengenerators 11 kann anhand der 5 nachvollzogen werden. Der Wellengenerator 11 besitzt die nicht-kreisförmige Scheibe 10, welche über Wälzkörper an einer ellipsoiden Umfangsfläche gelagert ist. Ferner weist der Wellengenerator 11 den starren, eine Innenverzahnung 12 aufweisenden, Außenring 13 auf, wobei in radialer Richtung das elastische Übertragungselement 14 zwischen der Scheibe 10 und dem Außenring 13 angeordnet ist. Auf dem elastischen Übertragungselement 14 ist eine Außenverzahnung 15 ausgebildet, die mit der Innenverzahnung 12 des Außenringes 13 zumindest teilweise im Eingriff steht. Die nicht-kreisförmige Scheibe 10 verformt im Betrieb des Wellengenerators 11 das elastische Übertragungselement 14 an der Kontaktstelle lokal radial nach Außen, so dass das elastische Übertragungselement 14 seinerseits getrieblich mit dem Außenring 13 gekoppelt wird. Das elastische Übertagungselement 14 wird gelegentlich auch als FlexSpline bezeichnet.
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Das elastische Übertragungselement 14 ist drehfest mit dem Außenring 7 des Schrägnadellagers 2 verbunden und der Außenring 13 ist über eine nicht bezeichnete Schraubverbindung an dem Innenring 8 des Schrägnadellagers 2 befestigt. In der gezeigten Ausführungsform der 2 ist der Außenring 7 zweiteilig ausgeführt, wobei die beiden Außenringteile durch eine nicht bezeichnete Schraubverbindung miteinander verbunden sind.
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Das Zylinderrollenlager ist als ein zweireihiges Schrägnadellager 2 ausgeführt, dessen in einem Käfig geführte Lagernadeln 4 Drehachsen aufweisen, die unter einem Winkel α geneigt auf den entsprechenden Laufbahnen 6 zwischen dem Außenring 7 und dem Innenring 8 abwälzen.
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Die in der 1 gezeigte Ausführungsform weist keine Dichtung zwischen dem Spannungswellengetriebe 9 und dem Schrägnadellager 2 auf. Um hier eine verbesserte Dichtwirkung realisieren zu können, ohne eine allzu große konstruktive Anpassung an der Lageranordnung 1 vornehmen zu müssen, weist der Innenring 8 des Schrägnadellagers 2 an seiner radial inneren Mantelfläche 16 ein Wälzlager 17 auf, dessen Außenring 18 mit dem Innenring 8 des Schrägnadellagers 2 drehfest verbunden ist und dessen Innenring 19 an seiner radial inneren Mantelfläche 20 eine Dichtung 21 besitzt, die an dem elastischen Übertragungselement 14 anliegt, so wie es exemplarisch in der 2 gezeigt ist. Die Dichtung 21 kann beispielsweise an der Mantelfläche 20 des Innenrings 19 angeklebt oder aufgespritzt sein.
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Die Dichtung 21 trennt einen zweiten Schmiermittelkanal 22 mit einem zweiten Schmiermittel 23 und einen ersten Schmiermittelkanal 24 mit einem ersten Schmiermittel 25 voneinander. Das zweite Schmiermittel 23 und das erste Schmiermittel 25 sind voneinander verschieden. Der erste Schmiermittelkanal 24 ist mit der Außenverzahnung 15 sowie der Innenverzahnung 12 und der zweite Schmiermittelkanal 22 ist mit den Laufbahnen 6 des Schrägnadellagers 2 verbunden. Somit kann ein auf die speziellen Erfordernisse des Spannungswellengetriebes 9 und des Schrägnadellagers 2 angepasste Schmierung bereitgestellt werden. Der Außenring 13 des Wellengenerators 11 liegt an dem Innenring 8 des Schrägnadellagers 2 unter Zwischenschaltung einer O-Ringdichtung 31 an und dichtet so den ersten Schmiermittelkanal 24 gegenüber der Umgebung ab.
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Wie in der 2 dargestellt, ist das elastische Übertragungselement 14 flanschartig ausgeformt, mit einem in radialer Richtung zumindest abschnittsweise elastisch verformbaren sich in Axialrichtung erstreckenden Zylinderabschnitt 26 und einem sich in radialer Richtung erstreckenden Ringscheibenabschnitt 27, an dem die Dichtung 21 anliegt. Auf der dem Schmiermittelkanal 22 abgewandten Seite des Ringscheibenabschnitts 27 sind elektrische Leiterbahnen ein- und/oder aufgebracht, welche insbesondere zu einem nicht dargestellten Positions- oder Rotationssensor gehören können.
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Wie aus der Detaildarstellung der 3 erkennbar ist, weist die Dichtung 21 eine sich in axialer Richtung aus einem Dichtungskörper 29 herauserstreckende Dichtlippe 28 auf, welche einen sich in radialer Richtung zum ersten Schmiermittelkanal 24 erstreckenden Dichtabschnitt 30 besitzt, der an dem Ringscheibenabschnitt 27 anliegt. Hierdurch kann insbesondere bei einer zentrifugalkraftbewirkten Druckerhöhung durch an der Dichtlippe 28 anliegendes Schmiermittel 25 noch eine gute Dichtwirkung der Dichtung 21 sichergestellt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- Schrägnadellager
- 4
- Wälzkörper
- 6
- Laufbahnen
- 7
- Außenring
- 8
- Innenring
- 9
- Spannungswellengetriebe
- 10
- Scheibe
- 11
- Wellengenerator
- 12
- Innenverzahnung
- 13
- Außenring
- 14
- Übertragungselement
- 15
- Außenverzahnung
- 16
- Mantelfläche
- 17
- Wälzlager
- 18
- Außenring
- 19
- Innenring
- 20
- Mantelfläche
- 21
- Dichtung
- 22
- Schmiermittelkanal
- 23
- Schmiermittel
- 24
- Schmiermittelkanal
- 25
- Schmiermittel
- 26
- Zylinderabschnitt
- 27
- Ringscheibenabschnitt
- 28
- Dichtlippe
- 29
- Dichtungskörper
- 30
- Dichtabschnitt
- 31
- O-Ringdichtung
