DE102023100033A1

DE102023100033A1 - Planetengetriebe

Info

Publication number: DE102023100033A1
Application number: DE102023100033.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Berger; Stefan Zerobin; Christian Dumanski
Original assignee: Miba Sinter Austria GmbH
Current assignee: Miba Sinter Austria GmbH
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2023-01-02
Publication date: 2023-07-27
Also published as: AT525577B1; AT525577A4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe (7) umfassend eine erste Getriebestufe (19) und eine zweite Getriebestufe (20), die ein schrägverzahntes erstes bzw. zweites Sonnenrad (22, 28), ein schrägverzahntes erstes bzw. zweites Hohlrad (23, 29) und mehrere schrägverzahnte erste bzw. zweite Planetenräder (24, 30) umfasst, wobei die Schrägverzahnungen (25 bis 27) der ersten Getriebestufe (19) einen ersten Schrägungswinkel (34) aufweisen, der entgegensetzt zu einem zweiten Schrägungswinkel (35) der Schrägverzahnungen (31 bis 33) der zweiten Getriebestufe (20) ausgebildet ist, die ersten und zweiten Planetenräder (24, 30) auf einem gemeinsamen Planetenträger (36) angeordnet sind, und das erste und das zweite Sonnenrad (22, 28) auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, und wobei die ersten Planetenräder (24) in Umfangsrichtung (40) relativ zu den zweiten Planetenräder (30) verdrehbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe umfassend eine erste Getriebestufe und eine zweite Getriebestufe, die in der Axialrichtung neben der ersten Getriebestufe angeordnet ist, wobei die erste Getriebestufe ein schrägverzahntes erstes Sonnenrad, ein schrägverzahntes erstes Hohlrad und mehrere schrägverzahnte erste Planetenräder, die mit dem ersten Sonnenrad und dem ersten Hohlrad in kämmenden Eingriff stehen, umfasst, die zweite Getriebestufe ein schrägverzahntes zweites Sonnenrad, ein schrägverzahntes zweites Hohlrad und mehrere schrägverzahnte zweite Planetenräder, die mit dem zweiten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad in kämmenden Eingriff stehen, umfasst, die Schrägverzahnungen der ersten Getriebestufe einen ersten Schrägungswinkel aufweisen, der entgegensetzt zu einem zweiten Schrägungswinkel der Schrägverzahnungen der zweiten Getriebestufe ausgebildet ist, die ersten und zweiten Planetenräder auf einem gemeinsamen Planetenträger angeordnet sind, und das erste und das zweite Sonnenrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, und vorzugsweise das erste und das zweite Hohlrad feststehend angeordnet sind.
Weiter betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung umfassend ein Axialkraftelement und ein Planetengetriebe, wobei das Axialkraftelement eine Axialkraft auf das Planetengetriebe ausübt.
Zudem betrifft die Erfindung ein Exoskelett umfassend ein Gelenk, das mit einer Antriebsvorrichtung verbunden ist oder dieses aufweist.
Bekanntlich ist zwischen kämmenden Zahnrädern normalerweise ein Spiel, das sogenannte Zahnflankenspiel, ausgebildet. In vielen technischen Anwendungen ist dieses nicht störend bzw. verschleißbedingt sogar erwünscht. Es gibt auch anderen technische Anwendungen, bei denen ein Zahnflankenspiel störend ist, weil damit Bewegungen zeitverzögert weitergegeben werden bzw. Drehmomente zeitverzögert übertragen werden. Beispielsweise wäre es wünschenswert bei einem sogenannten Exoskelett eine unmittelbare Drehmomentübertragung in Gelenken zu ermöglichen.
Im Stand der Technik zu Getrieben wurden unter anderem schon Planetengetriebe mit mehreren Stufen schrägverzahnter Zahnräder beschrieben.
So beschreibt beispielsweise die US 2021/348521 A1 einen Turbomotor mit einem Planetengetriebe. Das Planetengetriebe umfasst ein Sonnenrad, eine Vielzahl von Planetenrädern und ein Hohlrad. Jedes dieser Zahnräder ist als Doppelschrägrad mit ersten und zweiten Sätzen von Schrägzähnen, die relativ zueinander in einem spitzen Winkel geneigt sind, ausgebildet. Der Sonnenradsatz ist in axialer Richtung des Planentengetriebes schräg gegen den Hohlradsatz versetzt angeordnet, um damit eine geringere Rückwärtsbiegung der Zähne der Zahnräder zu erreichen und somit das Planetengetriebe mit einem höheren Übersetzungsverhältnis betreiben zu können.
Schrägverzahnte Planetengetriebe mit jeweils zwei Zahnrädern mit entgegengesetzter Schrägverzahnung sind auch aus der US 2021/071752 A1 , der EP 2 809 970 B1 , der CN 111637198 A , der US 2020/067382 A1 , der EP 2 558 744 B1 , der CN 105736644 A , der CN 104141745 A , der CN 203335743 U , der KR 10-2012-0070146 A , der DE 10 2010 046 767 A1 und der DE 12 16 645 B bekannt.
Weiter ist aus dem Stand der Technik zu Getrieben bekannt, ein Planetengetriebe mit einer Axialflussmaschine zu kombinieren. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2019 129 277 A1 ein Untersetzungsgetriebe mit einem Motor und einer Drehzahluntersetzungsanordnung. Der Motor kann eine Axialflussmaschine sein und weist eine erste Drehwelle und eine zweite Drehwelle auf, welche sich um eine Mittelachse drehen, einen ersten und einen zweiten Rotor, einen Stator und ein erstes Motorgehäuse. Die Drehzahluntersetzungsanordnung weist ein erstes Zahnrad, ein zweites Zahnrad, ein drittes Zahnrad und eine Ausgangswelle auf, welche von dem dritten Zahnrad angetrieben wird.
Aus der DE 44 12 898 A1 ist ein Planetengetriebe mit integriertem Elektromotor bekannt, der ein Axialfluss-Ringmotor mit axial nebeneinander liegendem Stator und Läufer ist, wobei der Läufer das Getriebe antreibt und die Planetenräder des Getriebes im Wesentlichen innerhalb des Stators rotieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Drehmomentübertragung eines Getriebes an sich und insbesondere auch in einem Exoskelett zu verbessern.
Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Planetengetriebe dadurch gelöst, dass die ersten Planetenräder in Umfangsrichtung relativ zu den zweiten Planetenräder verdrehbar sind.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit der eingangs genannten Antriebsvorrichtung gelöst, bei der das Planetengetriebe erfindungsgemäß ausgebildet ist.
Zudem wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Exoskelett gelöst, das mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ausgestattet ist.
Von Vorteil ist dabei, dass durch die Verdrehbarkeit der Planetenräder bei Anliegen einer Axialkraft an der Eingangswelle des Planetengetriebes dieses spielfrei betrieben werden kann. Je nach Größe des Schrägungswinkels und der Axialkraft kann der Punkt des Durchlaufs des Drehflankenspiels verändert werden. Unter der Normalbedingungen wird dieser Punkt nicht erreicht. Somit ist das Getriebe als spielfrei anzusehen. Bei konstanter Drehzahl der Sonnenräder und mit wechselndem Abtriebs Moment von z.B. ±150 Nm (je nach Auslegung des Getriebes) kommt es zu keinem Durchlaufen des Drehflankenspiels. Das an der Eingangswelle des Planetengetriebes anliegende Drehmoment kann also unmittelbar, d.h. ohne Verzögerung aufgrund eines Drehflankenspiels, auf die Ausgangswelle des Planetengetriebes übertragen werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann zur Erhöhung des übertragbaren Drehmoments vorgesehen sein, dass der Absolutwert des ersten Schrägungswinkel und/oder des zweiten Schrägungswinkels ausgewählt ist aus einem Bereich von 1° bis 45°.
Bevorzugt kann nach weiteren Ausführungsvarianten vorgesehen sein, dass der Absolutwert des ersten Schrägungswinkels um maximal ± 0,5° vom Absolutwert des zweiten Schrägungswinkels abweicht, bzw. dass der erste Schrägungswinkel genau gegengleich zum zweiten Schrägungswinkel ausgebildet ist. Es kann damit bei einem Richtungswechsel des Drehmoments und/oder der Drehzahl die Lastverteilung innerhalb der beiden Planetengetriebestufen verbessert werden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Sonnenrad und/oder das zweite Sonnenrad in der Axialrichtung verschiebbar angeordnet ist/sind. Es kann damit erreicht werden, dass bei einem Antrieb des Planetenträgers (mit einem zu großen Drehmoment, z.B. mit einem Drehmoment von größer 150 Nm), ein Flankenwechsel im Planetengetriebe erfolgt, das Drehflankenspiel durchlaufen und eine Axialbewegung des Sonnenrades/der Sonnenräder mit der Eingangswelle (Motorwelle) des Planetengetriebes erfolgt. Mit dieser Ausführungsvariante kann also dem Planetengetriebe eine höhere Ausfallsicherheit verliehen werden. Die Gesamtaxialbewegung kann durch das maximale Summendrehflankenspiel des Planetengetriebes bestimmt werden. Auf das Summendrehflankenspiel kann auch über die relative Position der beiden Hohlräder zueinander Einfluss genommen werden.
Nach weiteren Ausführungsvarianten kann vorgesehen sein, dass eine Breite der ersten Getriebestufe in der Axialrichtung gleich groß oder ungleich groß ist, zu einer Breite der zweiten Getriebestufe in der Axialrichtung. Das Planetengetriebe kann damit hinsichtlich der Festigkeiten und des Gewichts der Getriebestufen besser an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
Innerhalb einer Stufe kann gemäß bevorzugter Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein, dass Breiten der Verzahnungen des ersten Sonnenrads, des ersten Hohlrades und der ersten Planetenräder um maximal ± 5 % abweichen, insbesondere gleich groß sind und/oder dass Breiten der Verzahnungen des zweiten Sonnenrads, des zweiten Hohlrades und der zweiten Planetenräder um maximal ± 5 % abweichen, insbesondere gleich groß sind. Es kann damit die Ausbildung der Spielfreiheit des Planetengetriebes verbessert werden.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest eines von den ersten Planetenrädern und den zweiten Planetenrädern ausschließlich mit einem Radiallager gelagert ist, womit der Verschleiß innerhalb des Planetengetriebes reduziert werden kann. In der Anwendung des Planetengetriebes in einer Axialflussmaschine kann damit der Vorteil erreicht werden, dass die Axialflussmaschine kein Axiallager am Rotor benötigt, womit der Wirkungsgrad der Axialflussmaschine verbessert werden kann. Die Axialkraft kann dabei im Planetengetriebe aufgenommen werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Antriebsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Axialkraftelement ein Federelement oder eine Axialflussmaschine ist, womit die Antriebsvorrichtung mit an dem Planetengetriebe permanent anliegender Axialkraft ausgebildet werden kann. Das Planentengetriebe kann damit permanent vorgespannt (also spielfrei) vorliegen, womit das Anliegen eines Eingangsdrehmoments unmittelbar in ein Ausgangsdrehmoment übertragen wird.
Zur Reduktion der Baugröße der Antriebsvorrichtung kann nach weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein, dass das Axialkraftelement und das Planetengetriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und/oder dass die Axialflussmaschine eine Welle aufweist, auf der ein Rotor der Axialflussmaschine angeordnet ist, und das erste Sonnenrad und das zweite Sonnenrad des Planetengetriebes auf dieser Welle der Axialflussmaschine angeordnet sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:

1 ein Exoskelett;
2 eine Ausführungsvariante eine Antriebsvorrichtung in Seitenansicht geschnitten;
3 ein Planetengetriebe in Schrägansicht;
4 ein Planetengetriebe in Seitenansicht, teilweise geschnitten;
5 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des Planetengetriebes;
6 eine Draufsicht auf eine Sonnenradpaar;
7 eine Ausführungsvariante einer Antriebsvorrichtung.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In 1 ist eine Ausführungsvariante eines (künstlichen bzw. maschinellen) Exoskeletts 1 dargestellt.
Ein Exoskelett (auch als Außenskelett bezeichenbar) im Sinne der Erfindung ist eine (mechanische) Stützstruktur, die u.a. Meschen (bzw. allgemein Organismen, also beispielsweise auch Tiere) bei der Verrichtung von Tätigkeiten bzw. Bewegungen unterstützen bzw. diese verstärken. Das Einsatzgebiet von Exoskeletten ist sehr weitreichend und umfasst neben medizinischen auch militärischen Einsatzmöglichkeiten sowie Einsatzmöglichkeiten bei der Verrichtung von Arbeiten, wie z.B. das Heben von schweren Lasten.
Es sei darauf hingewiesen, dass die in 1 dargestellte Form eines Exoskeletts 1 nur beispielhaften Charakter hat. Das Exoskelett 1 kann auch anders als dargestellt aussehen bzw. aufgebaut sein.
Zudem sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch für andere Zwecke verwendet werden kann, insbesondere in Anwendungen, für die eine unmittelbare, also nicht zeitverzögerte, Übertragung von Drehbewegungen bzw. Drehmomenten wünschenswert ist, wie beispielsweise in Aktuatoren, Anwendungen im Bereich der Robotik generell, Präzisionsgetriebe, Positioniervorrichtungen, etc. Die Erfindung ist also nicht auf Exoskelette 1 beschränkt.
Das Exoskelett 1 umfasst eine Stützstruktur 2 bzw. besteht daraus. Die Stützstruktur umfasst ein oder mehrere Profilelemente 3. Zumindest einzelne oder alle Profilelemente sind über ein Gelenk 4 mit einem der weiteren Profilelemente 3 der Stützstruktur 2 verbunden, sodass beispielsweise die Bewegung eines Armes teilweise nachgeahmt werden kann. Das Gelenk 4 oder die Gelenke 4 (es können im Rahmen der Erfindung ein gelenk 4 oder mehrere Gelenke 4 strukturell gleich aufgebaut sein) ist mit einer Antriebsvorrichtung 5 verbunden oder weist eine Antriebsvorrichtung 5 auf. Eine Ausführungsvariante der Antriebsvorrichtung 5 ist in 2 dargestellt.
Die Antriebsvorrichtung 5 umfasst ein Axialkraftelement 6 und ein Planentengetriebe 7 bzw. besteht daraus. Das Axialkraftelement 6 ist mit dem Planentengetriebe 7 wirkungsverbunden, sodass es eine Axialkraft 8 auf das Planetengetriebe 7 ausübt, wie dies in 2 mit dem Pfeil angedeutet ist.
In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante der Antriebsvorrichtung 5 ist das Axialkraftelement eine Axialflussmaschine, also ein Elektromotor. Diese weist in der Axialrichtung 9 (in der auch die Axialkraft 8 wirkt) nebeneinander liegende zumindest einen Stator 10 mit elektrischen Wicklungen 11 und zumindest einen Rotor 12 mit Permanentmagneten 13 auf. Es gibt auch Ausführungsvarianten von Axialflussmaschinen, bei denen ein Stator 10 zwischen zwei Rotoren 12 angeordnet ist bzw. ist auch eine Ausführung mit einer (abwechselnden) Abfolge von Statoren 10 und Rotoren 12 in der Axialrichtung 9 möglich. Da Axialflussmaschinen an sich aus dem hierfür einschlägigen Stand der Technik bekannt sind, sei zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich weiterer Einzelheiten dazu auf diesen Stand der Technik verwiesen. Wie voranstehend ausgeführt, kann sich die Axialflussmaschine aber dadurch vom Stand der Technik unterscheiden, dass diese am Rotor kein Axiallager aufweist.
Bevorzugt ist in der Axialrichtung 9 dem Rotor 12 nachfolgend das Planetengetriebe 7 angeordnet, sodass also der Rotor 12 zwischen dem Planetengetriebe 7 und dem Stator 10 angeordnet ist. Ein Abstand 14 zwischen dem Rotor 12 und dem Planetengetriebe 7 kann beispielsweise zwischen 0,5 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm, betragen.
Der zumindest eine Stator 10 und der zumindest eine Rotor 12 sind bevorzugt in einem Gehäuse 15 angeordnet, das gegebenenfalls mit einem oder mehreren Lagerelementen 16, wie beispielsweise Kugellager bzw. generell Wälzlager oder Gleitlager, drehgelagert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Antriebsvorrichtung 5 ist auch das Planetengetriebe 7 in dem Gehäuse 15 des Axialkraftelementes 6 angeordnet, also in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante in dem Gehäuse 15 der Axialflussmaschine. Das Planetengetriebe 7 muss jedoch nicht zwingenderweise in Gehäuse aufweisen bzw. kann in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein.
Der Rotor 12 bzw. die Rotoren 12 ist/sind auf einer Welle 17 drehfest angeordnet, sodass sich der Rotor 12 oder die Rotoren 12 unter dem Einfluss der magnetischen Wechselpole der elektromagnetischen Wicklung 11 drehen können. Die Welle 17 ist mit zwei oder mehreren Lagerelementen 18 (beispielsweise Kugellager bzw. generell Wälzlager oder Gleitlager) drehbar gelagert angeordnet. Die Lagerelemente 18 können im Gehäuse 15 abgestützt angeordnet sein. Durch die Drehbewegung des zumindest einen Rotors 12 wird die Welle 17 angetrieben. Diese Drehbewegung bewirkt in weiterer Folge den Antrieb des Planetengetriebes 7.
Das Planetengetriebe 7 ist besser aus den 3 und 4 ersichtlich.
Das Planetengetriebe 7 ist als sogenanntes zweistufiges Getriebe ausgeführt und umfasst eine erste Getriebestufe 19 und eine zweite Getriebestufe 20. Die zweite Getriebestufe 20 ist in der Axialrichtung 9 neben der ersten Getriebestufe 19 angeordnet. Ein Abstand 21 zwischen der ersten und der zweiten Getriebestufe 19, 20 kann zwischen 0,2 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 5 mm, betragen.
Die erste Getriebestufe 19 umfasst ein erstes Sonnenrad 22, ein erstes Hohlrad 23 und mehrere erste, vorzugsweise symmetrisch angeordnete, Planetenräder 24. In der konkret dargestellten Ausführungsvariante sind drei erste Planetenräder 24 vorgesehen. Es können aber auch weniger oder mehr als drei erste Planetenräder 24 vorgesehen werden, beispielsweise nur zwei oder vier oder fünf, etc.
Das erste Sonnenrad 22 ist das radial innerste Zahnrad und ist von den ersten Planetenrädern 24 umgeben. Die ersten Planetenräder 24 sind von dem ersten Hohlrad 23 umgeben, wie dies aus den 3 und 4 ersichtlich ist.
Das erste Sonnenrad 22 weist an einer äußeren Mantelfläche eine Schrägverzahnung 25 auf. Die ersten Planentenräder 24 weisen jeweils an einer äußeren Mantelfläche eine Schrägverzahnung 26 auf. Das erste Hohlrad 23 weist an einer inneren Mantelfläche eine Schrägverzahnung 27 auf. Damit steht das erste Sonnenrad 22 über die Schrägverzahnung 25 in kämmenden Eingriff mit den Schrägverzahnungen 26 der ersten Planetenräder 24. Die Schrägverzahnungen 26 der ersten Planetenräder 24 stehen in kämmenden Eingriff mit der Schrägverzahnung 27 des ersten Hohlrades 23. Die Schrägverzahnungen 26 der ersten Planetenräder 24 sind gegengleich, insbesondere genau gegengleich, verlaufend ausgebildet, wie die Schrägverzahnungen 26, 28 des ersten Sonnenrades 22 und des ersten Hohlrades 23.
Die zweite Getriebestufe 20 umfasst ein zweites Sonnenrad 28, ein zweites Hohlrad 29 und mehrere zweite, vorzugsweise symmetrisch angeordnete, Planetenräder 30. In der konkret dargestellten Ausführungsvariante sind drei zweite Planetenräder 30 vorgesehen. Es können aber auch weniger oder mehr als drei zweite Planetenräder 30 vorgesehen werden, beispielsweise nur zwei oder vier oder fünf, etc.
Das zweite Sonnenrad 28 ist das radial innerste Zahnrad und ist von den zweiten Planetenrädern 30 umgeben. Die zweiten Planetenräder 30 sind von dem zweiten Hohlrad 29 umgeben, wie dies aus den 3 und 4 ersichtlich ist.
Das zweite Sonnenrad 28 weist an einer äußeren Mantelfläche eine Schrägverzahnung 31 auf. Die zweiten Planentenräder 30 weisen jeweils an einer äußeren Mantelfläche eine Schrägverzahnung 32 auf. Das zweite Hohlrad 29 weist an einer inneren Mantelfläche eine Schrägverzahnung 33 auf. Damit steht das zweite Sonnenrad 28 über die Schrägverzahnung 31 in kämmenden Eingriff mit den Schrägverzahnungen 32 der zweiten Planetenräder 30. Die Schrägverzahnungen 32 der zweiten Planetenräder 30 stehen in kämmenden Eingriff mit der Schrägverzahnung 33 des zweiten Hohlrades 29. Die Schrägverzahnungen 33 der zweiten Planetenräder 30 sind gegengleich, insbesondere genau gegengleich, verlaufend ausgebildet, wie die Schrägverzahnungen 31, 33 des zweiten Sonnenrades 28 und des zweiten Hohlrades 29.
Die (alle) Schrägverzahnungen 25 - 27 der ersten Getriebestufe 19 weisen einen ersten Schrägungswinkel 34 auf, der entgegensetzt zu einem zweiten Schrägungswinkel 35 der (aller) Schrägverzahnungen32 - 34 der zweiten Getriebestufe 20 ausgebildet ist. Es ist damit gemeint, dass das erste und das zweite Sonnenrad 22, 28 einen ersten bzw. zweiten Schrägungswinkel 34, 35 aufweisen, die entgegensetzt sind, die ersten und die zweiten Planetenräder 24, 30 einen ersten bzw. zweiten Schrägungswinkel 34, 35 aufweisen, die entgegensetzt sind, und die ersten und zweiten Hohlräder 23, 29 einen ersten bzw. zweiten Schrägungswinkel 34, 35 aufweisen, die entgegensetzt sind. Somit bilden jeweils zusammengehörende Zahnräder der ersten und der zweiten Getriebestufe 19, 20 eine Pfeilverzahnung aus, also beispielsweise das erste Sonnenrad 22 mit dem zweiten Sonnenrad 28.
Der Absolutwert des ersten Schrägungswinkel 34 und/oder des zweiten Schrägungswinkels 35 kann ausgewählt ist aus einem Bereich von 1° bis 45°. In der bevorzugten Ausführungsvariante ist der Absolutwert des ersten Schrägungswinkel 34 und/oder des zweiten Schrägungswinkels 35 ausgewählt ist aus einem Bereich von 5° bis 30°.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Planetengetriebes 7 kann vorgesehen sein, dass der Absolutwert des ersten Schrägungswinkels 34 um maximal ± 0,5°, insbesondere um maximal ± 0,1°, vom Absolutwert des zweiten Schrägungswinkels 35 abweicht. Besonders bevorzugt ist nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Planetengetriebes der erste Schrägungswinkel 34 genau gegengleich zum zweiten Schrägungswinkel 35 ausgebildet.
Die ersten und zweiten Planetenräder 24, 30 sind auf einem gemeinsamen Planetenträger 36 angeordnet. An dem Planetenträger 36 sind Planetenachsen 37 angeordnet. Der Anzahl an Planetenachsen 37 entspricht der Anzahl an Paaren aus ersten und zweiten Planetenrädern 24, 30, sodass also pro Planetenachse 37 ein erstes Planetenrad 24 und ein zweites Planetenrad 30 angeordnet ist, die zusammen wieder eine Pfeilverzahnung ausbilden.
Wie besser aus 2 zu ersehen ist, sind die ersten Planetenräder 24 mit jeweils einem ersten Lagerelement 38 auf jeweils einer der Planetenachsen 37 und die zweiten Planetenräder 30 mit einem zweiten Lagerelement 39 auf jeweils einer der Planetenachsen 37 drehbar gelagert. Die ersten Lagerelemente 38 und die zweiten Lagerelemente 39 können Gleitlager oder Kugellager bzw. generell Wälzlager sein.
Das erste und das zweite Sonnenrad 22, 28 sind auf einer gemeinsamen Welle drehfest angeordnet. Insbesondere kann dies die Welle 17 der Axialflussmaschine sein, sodass der zumindest eine Rotor 12 (siehe 2) das erste und das zweite Sonnenrad 22, 28 direkt antreibt. Das erste und das zweite Sonnenrad 22, 28 können aber auch auf einer gesonderten gemeinsamen Welle drehfest angeordnet sein.
Weiter sind das erste und das zweite Hohlrad 23, 20 vorzugsweise feststehend angeordnet. Insbesondere können das erste und das zweite Hohlrad 23, 20 im Gehäuse 15 der Axialflussmaschine oder in einem davon gesondert vorgesehenen Getriebegehäuse fixiert angeordnet sein.
Es ist nun vorgesehen, dass die ersten Planetenräder 24 in einer Umfangsrichtung 40 relativ zu den zweiten Planetenräder 30 verdrehbar sind. Es wird damit bei Anliegen einer Axialkraft an dem Planetengetriebe 7 eine im Betrieb spielfreie Ausführung des Planetengetriebes 7 erreicht, wie dies bereits voranstehend ausgeführt wurde. Die Spielfreiheit kann insbesondere auch bei einer Umkehr der Drehrichtung (Bewegungsrichtung des Gelenks 4 des Exoskeletts 1, siehe 1) erreicht werden.
Betreffend die Ausbildung Spielfreiheit sei auf die 5 und 6 verwiesen. In 5 sind getrennt die erste Getriebestufe 19 mit dem ersten Sonnenrad 22, einem ersten Planetenrad 24 und dem ersten Hohlrad 23 und die zweite Getriebestufe 20 mit dem zweiten Sonnenrad 28, einem zweiten Planetenrad 30 und dem zweiten Hohlrad 29 schematisch dargestellt.
Die Zähne (in 5 ist zur besseren Übersichtlichkeit jeweils nur ein Zahn der jeweiligen Zahnräder dargestellt) der Schrägverzahnung 25 des ersten Sonnenrades 22 liegen an den bezogen auf eine Drehrichtung 41 jeweiligen rückwärtigen Zahnflanken der Zähne der Schrägverzahnung 26 der ersten Planetenräder 24 an. Die jeweils in der Drehrichtung 41 vorderen Zahnflanken der Schrägverzahnung 26 der ersten Planetenräder 24 liegen an den rückwärtigen Zahnflanken der Zähne der Schrägverzahnung 27 des ersten Hohlrades 23 an.
Zum Unterschied dazu ermöglicht die relative Verdrehbarkeit der ersten zu den zweiten Planetenräder 24, 30 die spielfreie (gleichzeitige) Anlage der Zähne der Schrägverzahnungen 33 der zweiten Planentenräder 30 auf den jeweils anderen Zahnflanken der Schrägverzahnung 31 des zweiten Sonnenrades 28 und der Schrägverzahnung 33 des zweiten Hohlrades 29. Mit anderen Worten stehen gleichzeitig im Betrieb die Schrägverzahnungen 25 - 27 der ersten Getriebestufe 19 miteinander und die die Schrägverzahnungen 31 - 33 der zweiten Getriebestufe 20 miteinander im kämmenden Eingriff.
Zur Verdeutlichung der Spielfreiheit sei auch auf die 6 verwiesen, in der ebenfalls nur ein Zahn der Schrägverzahnung 26 eines ersten Planetenrades 24 an einer Zahnflanke der Schrägverzahnung 25 des ersten Sonnenrades 22 und nur ein Zahn der Schrägverzahnung 32 eines zweiten Planetenrades 28 an einer Zahnflanke der Schrägverzahnung 31 des zweiten Sonnenrades 28 dargestellt sind. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich ist, liegen die Zähne des ersten und des zweiten Planetenrades 24, 28 an jeweils verschiedenen (bezogen auf die Drehrichtung 41) Zahnflanken der jeweils zusammengehörenden Zähnen der die Pfeilverzahnung ausbildenden Zähne der Schrägverzahnungen 25, 31 des ersten und zweiten Sonnenrades 22, 28 an.
Die relative Verdrehung der ersten zu den zweiten Planetenräder 24, 30 erfolgt bei Anliegen eine Axialkraft an dem Planentengetriebe 7, womit die Schrägverzahnungen 25 - 27 und 31 - 33 der ersten und zweiten Getriebestufe 19, 20 (selbständig) verspannt werden.
Von Vorteil ist dabei auch, dass das erste Sonnenrad 22, das sich auf der gemeinsamen Welle mit dem zweiten Sonnenrad 28 befindet, nicht so stark verspannt bzw. belastet wird, da das zweite Sonnenrad 28 unterstützend für das erste Sonnenrad 22 wirkt.
Das Planetengetriebe 7 kann bis zu einem vordefinierbaren Wert an übertragbarem maximalen Drehmoment, beispielswiese bis 150 Nm, spielfrei eingestellt werden, sodass bei Überschreiten dieses Wertes die Spielfreiheit verloren geht. Es kann damit eine Sicherheit für das Planetengetriebe 7 gegen Überlastung erreicht werden. Die Höhe des maximalen Drehmoments kann über die Größe der Schrägungswinkel 34, 35 und/oder über die Zahnform eingestellt werden. Beispielsweise kann mit kleiner werdendem Schrägungswinkel 34, 35 das spielfreie Maximalmoment bei konstanter Axialkraft erhöht werden. Mit größer werdenden Wälzkreisdurchmesser (also der Veränderung der Zahnform) des ersten Sonnenrades 22 und/oder des zweiten Sonnenrades 28 kann ebenfalls das spielfreie Maximalmoment bei konstanter Axialkraft erhöht werden.
Nach einer Ausführungsvariante des Planetengetriebes 7 kann zur Vereinfachung des Einbaus des Planetengetriebes 7 vorgesehen sein, dass während des Einbaus das erste Hohlrad 23 und das zweite Hohlrad 29 in Umfangsrichtung relativ zueinander verdrehbar sind.
Nach einer anderen Ausführungsvariante des Planetengetriebes 7 kann auch vorgesehen sein, dass das erste Sonnenrad 22 und/oder das zweite Sonnenrad 28 in der Axialrichtung 9 verschiebbar angeordnet ist/sind. Erreicht wird dies durch eine schwimmende Lagerung, d.h. durch eine fehlende Festlagerung der Sonnenradwelle.
Eine Breite 42 der ersten Getriebestufe 29 in der Axialrichtung 9 kann gleich groß oder unterschiedlich zu einer Breite 43 der zweiten Getriebestufe 20 in der Axialrichtung 9 ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Breite 42 der ersten Getriebestufe 19 zwischen 5 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 15 mm, betragen. Die Breite 43 der zweiten Getriebestufe 20 kann zwischen 5 mm und 15 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 15 mm, betragen. Durch das Vorsehen von ungleichen Breiten 42, 43 der Getriebestufen 19, 20 können ungleich hohe Momente am Antrieb berücksichtigt werden.
Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, sind Breiten der Schrägverzahnungen 25 - 27 des ersten Sonnenrads 22, des ersten Hohlrades 23 und der ersten Planetenräder 24 in der Axialrichtung 9 bevorzugt um maximal ± 5 %, insbesondere um maximal ± 1 %, zueinander unterschiedlich, insbesondere jedoch gleich groß, und/oder Breiten der Schrägverzahnungen 31 - 33 des zweiten Sonnenrads 28, des zweiten Hohlrades 29 und der zweiten Planetenräder 30 in der Axialrichtung 9 bevorzugt um maximal ± 5 %, insbesondere um maximal ± 1 %, zueinander unterschiedlich, insbesondere jedoch gleich groß, ausgeführt.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Lagerelemente 38 der ersten Planetenräder 24 und/oder die Lagerelemente 39 der zweiten Planetenräder 30 ausschließlich der radialen Abstützung dieser Zahnräder dienen, also keine Axiallager vorgesehen sind.
Wie bereits voranstehend ausgeführt, kann das Axialkraftelement 6 auch anders ausgebildet sein, beispielsweise als Federelement 44, wie dies in 7 vereinfacht dargestellt ist. Das Federelement 44 kann eine Einzelfeder, z.B. Blattfeder, Spiralfeder, Hydraulikfeder, etc., oder ein Federpaket aus mehreren Einzelfedern sein. Das Federelement 44 ist so vorgespannt, dass auf das Planentengetriebe 7, insbesondere das erste Sonnenrad 22, eine Axialkraft 8 wirkt.
Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente in den Figuren nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

1: Exoskelett
2: Stützstruktur
3: Profilelement
4: Gelenk
5: Antriebsvorrichtung
6: Axialkraftelement
7: Planetengetriebe
8: Axialkraft
9: Axialrichtung
10: Stator
11: Wicklung
12: Rotor
13: Permanentmagnet
14: Abstand
15: Gehäuse
16: Lagerelement
17: Welle
18: Lagerelement
19: Getriebestufe
20: Getriebestufe
21: Abstand
22: Sonnenrad
23: Hohlrad
24: Planetenrad
25: Schrägverzahnung
26: Schrägverzahnung
27: Schrägverzahnung
28: Sonnenrad
29: Hohlrad
30: Planetenrad
31: Schrägverzahnung
32: Schrägverzahnung
33: Schrägverzahnung
34: Schrägungswinkel
35: Schrägungswinkel
36: Planententräger
37: Planetenachse
38: Lagerelement
39: Lagerelement
40: Umfangsrichtung
41: Drehrichtung
42: Breite
43: Breite
44: Federelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2021348521 A1 [0006]
US 2021071752 A1 [0007]
EP 2809970 B1 [0007]
CN 111637198 A [0007]
US 2020067382 A1 [0007]
EP 2558744 B1 [0007]
CN 105736644 A [0007]
CN 104141745 A [0007]
CN 203335743 U [0007]
KR 1020120070146 A [0007]
DE 102010046767 A1 [0007]
DE 1216645 B [0007]
DE 102019129277 A1 [0008]
DE 4412898 A1 [0009]

Claims

Planetengetriebe (7) umfassend eine erste Getriebestufe (19) und eine zweite Getriebestufe (20), die in der Axialrichtung (9) neben der ersten Getriebestufe (19) angeordnet ist, wobei - die erste Getriebestufe (19) ein schrägverzahntes erstes Sonnenrad (22), ein schrägverzahntes erstes Hohlrad (23) und mehrere schrägverzahnte erste Planetenräder (24), die mit dem ersten Sonnenrad (22) und dem ersten Hohlrad (23) in kämmenden Eingriff stehen, umfasst, - die zweite Getriebestufe (20) ein schrägverzahntes zweites Sonnenrad (28), ein schrägverzahntes zweites Hohlrad (29) und mehrere schrägverzahnte zweite Planetenräder (30), die mit dem zweiten Sonnenrad (28) und dem zweiten Hohlrad (29) in kämmenden Eingriff stehen, umfasst, - die Schrägverzahnungen (25 bis 27) der ersten Getriebestufe (19) einen ersten Schrägungswinkel (34) aufweisen, der entgegensetzt zu einem zweiten Schrägungswinkel (35) der Schrägverzahnungen (31 bis 33) der zweiten Getriebestufe (20) ausgebildet ist, - die ersten und zweiten Planetenräder (24, 30) auf einem gemeinsamen Planetenträger (36) angeordnet sind, - und das erste und das zweite Sonnenrad (22, 28) auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, - und vorzugsweise das erste und das zweite Hohlrad (23, 29) feststehend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Planetenräder (24) in Umfangsrichtung (40) relativ zu den zweiten Planetenräder (30) verdrehbar sind.
Planetengetriebe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutwert des ersten Schrägungswinkel (34) und/oder des zweiten Schrägungswinkels (35) ausgewählt ist aus einem Bereich von 1 ° bis 45 °.
Planetengetriebe (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutwert des ersten Schrägungswinkels (34) um maximal ± 0,5 ° vom Absolutwert des zweiten Schrägungswinkels (35) abweicht.
Planetengetriebe (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schrägungswinkel (34) genau gegengleich zum zweiten Schrägungswinkel (35) ausgebildet ist.
Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sonnenrad (22) und/oder das zweite Sonnenrad (28) in der Axialrichtung (9) verschiebbar angeordnet ist/sind.
Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (42) der ersten Getriebestufe (19) in der Axialrichtung (9) gleich groß ist, wie eine Breite (43) der zweiten Getriebestufe (20) in der Axialrichtung (9).
Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (42) der ersten Getriebestufe (19) in der Axialrichtung (9) ungleich groß ist, zu einer Breite (20) der zweiten Getriebestufe (20) in der Axialrichtung (9).
Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Breiten der Verzahnungen des ersten Sonnenrads (22), des ersten Hohlrades (23) und der ersten Planetenräder (24) um maximal ± 5 % abweichen, insbesondere gleich groß sind.
Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Breiten der Verzahnungen des zweiten Sonnenrads (28), des zweiten Hohlrades (29) und der zweiten Planetenräder (30) um maximal ± 5 % abweichen, insbesondere gleich groß sind.
Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines von den ersten Planetenrädern (24) und/oder den zweiten Planetenrädern (30) ausschließlich mit einem Radiallager gelagert ist.
Antriebsvorrichtung (5) umfassend ein Axialkraftelement (6) und ein Planetengetriebe (7), wobei das Axialkraftelement (6) eine Axialkraft auf das Planetengetriebe (7) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialkraftelement (6) ein Federelement (44) oder eine Axialflussmaschine ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialkraftelement (6) und das Planetengetriebe (7) in einem gemeinsamen Gehäuse (15) angeordnet sind.
Antriebsvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflussmaschine eine Welle (17) aufweist, auf der ein Rotor (12) der Axialflussmaschine angeordnet ist, und dass das erste Sonnenrad (22) und das zweite Sonnenrad (28) des Planetengetriebes (7) auf dieser Welle der Axialflussmaschine angeordnet sind.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialkraftelement (6) eine Axialflussmaschine ist und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor ausschließlich mit zumindest einem Radiallager gelagert ist.
Exoskelett (1) umfassend ein Gelenk (4), das mit einer Antriebsvorrichtung (5) verbunden ist oder dieses aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 11 bis 15 ausgebildet ist.