DE19900010A1 - Spielfreies Getriebe - Google Patents
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Abstract
Das Getriebe umfasst ein Gehäuse (12), an dem ein Antriebsmotor (10) angeflanscht ist. Dessen Welle (1) trägt ein Sonnenrad (2), auf dem mehrere Planeten (3) abrollen. Die Planeten (3) sind an einem Planetenträger (6) gelagert der starr mit der Abtriebswelle (9) verbunden ist. Die Welle (9) ist im Gehäue (12) koaxial zur Welle (1) gelagert. Am Gehäuse (12) ist ein Flansch (17) eines topfförmigen Hohlrades (8) befestigt. Dessen unterer Reifen (16) hat innen eine Lauffläche (7), auf der die Planeten (3) abrollen. Der Durchmesser der Lauffläche (7) ist geringer als die Summe des Durchmessers des Sonnenrades (2) und des doppelten Durchmessers der Planeten (3), so dass der Reifen (16) elastisch deformiert ist. Die Planeten (3) sind in Umfangsrichtung steif und in Radialrichtung elastisch nachgiebig am Planetenträger (6) gelagert. Durch diese Ausbildung wird ein spielfreies, sehr drehsteifes Getriebe erreicht, mit dem hohe Drehmomente bei ruhigem Lauf übertragen werden können.
Description
Die Erfindung betrifft ein spielfreies Getriebe z. B. für eine
Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, vorzugsweise als Unter
setzungsgetriebe für eine Werkstückspindel einer Verzahnungs
bearbeitungs-Maschine.
Die Bearbeitung von Verzahnungen erfordert eine sehr genaue
und komplizierte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werk
stück, die sich aus mehreren rotativen und linearen Einzelbe
wegungen zusammensetzt. Bei den kontinuierlichen Verzahnungs
bearbeitungsverfahren muss ausser dem Werkstück auch noch das
meist schnell drehende Werkzeug bezüglich seiner Winkelpositi
on zu jedem Zeitpunkt mit den übrigen Relativbewegungsanteilen
koordiniert sein. Waren früher komplizierte und hochgenaue Ge
triebestränge notwendig, um all die verschiedenen Bewegungen
untereinander zu koordinieren, erlaubt die heutige Steuerungs
technik, jeden Bewegungsanteil über eine separate NC-Achse,
meist mit einem direkten Messsystem ausgerüstet, mit beliebi
gen Kopplungsfaktoren zu fahren.
Weil vor allem die Drehwinkelgenauigkeit des Werkstückes wäh
rend der Bearbeitung, und damit die Drehwinkelgenauigkeit der
Werkstückspindel, entscheidend ist für die Qualität der gefer
tigten Verzahnungen, sind Antriebe dafür nur dann geeignet,
wenn sie neben einem sehr ruhigen Lauf eine hohe Drehsteifig
keit und völlige Spielfreiheit aufweisen. In der Vergangenheit
ist auf unterschiedlichste Weise versucht worden, Antriebe für
diese hohen Anforderungen zu bauen. Für Wälzfräsmaschinen sind
häufig spielarm oder spielfrei einstellbare Schneckengetriebe
für diesen Zweck eingesetzt worden, bei Wälzschleifmaschinen
oft spielfreie Stirnradgetriebe oder einfache Reibradgetriebe.
Bei Maschinen, bei welchen nur kleinere Momente an der Werk
stückspindel auftreten, sind auch Direktantriebe über spiel
freie Kupplungen anzutreffen. Ein solcher Direktantrieb hat
viele Vorteile: Einmal ist eine hohe Drehsteifigkeit und
Spielfreiheit zwischen Motor und Werkstückspindel ohne grossen
Aufwand erreichbar, zum anderen ist der bauliche Aufwand im
Verhältnis zu einer Lösung mit Getriebe gering.
Sollen auf einer Maschine aber auch grössere Verzahnungen be
arbeitet werden, sind gewöhnlich erstens die geforderten maxi
malen Werkstück-Drehzahlen geringer und zweitens die durch die
Bearbeitungskräfte verursachten Momente grösser. Aus prakti
schen, aber vor allem aus regelungstechnischen Gründen ist es
in solchen Fällen vorteilhafter, einen kleineren Motor mit
zwischengeschaltetem Getriebe für den Werkstückspindelantrieb
zu verwenden, als einen Direktantrieb mit entsprechend grossem
Motor. Regelungstechnisch ist das deshalb von Bedeutung, weil
durch ein zwischengeschaltetes Getriebe das auf die Werkstück
spindel wirkende Moment linear, das Massenträgheitsmoment des
Werkstückes dagegen im Quadrat der Getriebeuntersetzung redu
ziert wird auf die Motorwelle.
Schneckengetriebe kommen für diese Aufgabe heute oft nicht
mehr in Frage, weil die benötigten Untersetzungen ins Langsame
zu gross sind für die geforderten Drehzahlbereiche an der
Werkstückspindel. Zudem haben wirklich spielfreie Schneckenge
triebe grosse Reibung, was einen schlechten Wirkungsgrad er
gibt und unerwünschte Erwärmung an empfindlicher Stelle er
zeugt. Stirnradgetriebe haben den Nachteil, dass sie auch bei
noch so sorgfältiger Fertigung immer eine, wenn auch geringe,
Störschwingung von mindestens der Zahneingriffsfrequenz auf
die Werkstückspindel übertragen. Reibradantriebe haben zwar
eine sehr gute Übetragungsqualität, sind aber in der Momenten
übertragung meist begrenzt, weil sie oft nur einen einzigen
Reibkraftübertragungspunkt haben. Zudem sind Massnahmen für
eine Kraftkompensation erforderlich, wenn die Werkstückspin
dellagerung nicht die axiale oder radiale Anpresskraft der
Reibradrolle aufnehmen soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
spielfreies Getriebe anzugeben, das einen ruhigen Lauf hat,
hohe Drehmomente übertragen kann und drehsteif ist. Diese Auf
gabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Werkstückantrieb,
der die Vorteile des Reibradantriebes, nämlich die äusserst
gleichmässige und erschütterungsfreie Drehwinkelübertragung,
aufweist, aber die Nachteile der begrenzten Drehmomentübertra
gung und die Notwendigkeit einer Kraftkompensationseinrichtung
nicht hat und zudem äusserst drehsteif aufgebaut werden kann.
Der erfindungsgemässe Antrieb ist von der Bauart her ein Pla
neten-Getriebe, bei dem das Hohlrad gehäusefest montiert ist
und über eine geeignete Deformation gleichzeitig für die Er
zeugung der Andruckkraft zwischen Hohlrad und Planetenrädern
einerseits und Planetenrädern und Sonnenrad andererseits her
angezogen wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile des Ge
triebes ohne Gehäuse,
Fig. 2 einen Schnitt durch das montierte Getriebe, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Planetenträger mit zur bes
seren Verdeutlichung übertrieben gezeichneter Un
rundheit des Hohlrades.
Auf der Motorwelle 1 sitzt das Sonnenrad 2 mit einer zylindri
schen Lauffläche 21, auf welcher die Planeten 3 abrollen. Die
Planeten 3 sind an ihrer Lauffläche 22 am Umfang vorzugsweise
leicht breitenballig bearbeitet, damit eine einwandfreie Kon
taktstelle mit den Laufflächen 21 und 7 entsteht. Die Plane
ten 3 sind über die Lager 4 und die Lagerzapfen 5 mit dem Pla
netenträger 6 verbunden und rollen auf der im ungespannten Zu
stand zylindrischen Innenfläche 7 des gehäusefesten Hohlra
des 8 ab, welches die Form eines Topfes hat. Die mögliche An
zahl Planeten wird bestimmt durch das gewünschte Unterset
zungsverhältnis bzw. durch das Verhältnis von Hohlraddurchmes
ser zu Sonnenraddurchmesser. Der Planetenträger 6 ist direkt
verbunden mit der Werkstückspindel 9, welche die Abtriebswelle
bildet.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Planetengetriebe im mon
tierten Zustand. Der Antriebsmotor 10 überträgt sein Drehmo
ment über Welle 1 und das Sonnenrad 2 auf die Planeten 3. Von
den Lagerzapfen 5 wird die Umfangskraft auf den Planetenträ
ger 6 und damit direkt auf die Werkstückspindel 9 weitergelei
tet. Die Werkstückspindel 9 ist in den Lagern 11 koaxial zum
Motor 10 im Gehäuse 12 geführt.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Planetenträger 6 einer
Ausführungsform mit drei Planeten 3. Im aus einem Stück beste
henden Planetenträger 6 sind die Planetenachsen 5 in je einem
Lagerträger 13 gehalten, der über biegeweiche Zonen 14 und
Stege 15 mit dem Planetenträger-Grundkörper 19 verbunden ist.
In Fig. 3 ist nur einer der drei Lagerträger 13 dargestellt.
Die anderen beiden sind gleich ausgebildet. Die Stege 15 jedes
Lagerträgers 13 sind parallel zueinander, alle gleich lang und
spiegelsymmetrisch zur gemeinsamen Ebene der Achsen des Son
nenrades 2 und des betreffenden Planeten 3 angeordnet. Der La
gerträger 13 ist im Grundriss trapezförmig. Dadurch wird er
reicht, dass die beiden dem Sonnenrad 2 zugewandten Stege 15
weiter auseinander liegen. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit
um die Radialachse erreicht. Die zur Herstellung der gezeigten
Struktur des Lagerträgers 13, der Stege 15 und Biegestellen
erforderlichen Schlitze 23 und Durchbrüche 24 können durch
Ausschneiden z. B. mittels Laser- oder Wasserstrahl, durch Fun
kenerosion oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden.
Das Hohlrad 8 stützt sich mit seiner Innenfläche 7 über die
Planeten 3 ab.
Für eine weitgehend schlupflose Übertragung des Drehmomentes
vom Motor 10 zur Werkstückspindel 9 ist eine hinreichend gros
se Anpresskraft zwischen den Planeten 3 und dem Sonnenrad 2
bzw. dem Hohlrad 8 erforderlich. Erfindungsgemäss wird diese
Anpresskraft erzeugt durch eine elastische Deformation des un
teren Reifens 16 des Hohlrades 8. Dieses ist so gefertigt,
dass der Durchmesser seiner Innenfläche 7 kleiner ist als der
Umkreis um die Planetenräder 3. Das Hohlrad 8 kann also die
Planeten 3 mit seiner Innenfläche 7 nur in leicht vieleckför
mig deformiertem Zustand des Reifens 16 umfassen. In der
Fig. 2 sind beispielhaft drei Planetenräder 3 gezeichnet, des
halb ist der Reifen 16 in diesem Fall leicht dreieckförmig.
Das Bestreben des Reifens 16, im so montierten Zustand seine
ursprüngliche runde Form wieder anzunehmen, erzeugt die erfor
derliche Federkraft, um die Reibräder zum notwendigen festen
Kontakt zu bringen. Mit der Dimensionierung des Querschnittes
des Reifens 16 des Hohlrades 8 und der Grösse der erzwungenen
Unrundheit lässt sich die Anpresskraft in weiten Grenzen vari
ieren und so den Erfordernissen anpassen.
Für eine korrekte Funktion des Planetengetriebes muss das
Hohlrad 8 mit dem Getriebegehäuse 12 möglichst drehsteif ver
bunden sein. Dazu ist es mit seinem verstärkten Flansch 17 am
starren Gehäuse 12 befestigt. An dieser Stelle kann es folg
lich für das Hohlrad keine Deformationen geben. Damit der Rei
fen 16 mit der Innenfläche 7 nun trotzdem die leicht dreiecki
ge Form annehmen kann, ist er mit einer topfförmigen, sehr
dünnwandigen und flexiblen Zone 18 mit dem Flansch 17 verbun
den. Mit dieser Form ist eine hinreichende Flexibilität des
Reifens 16 trotz sehr grosser Drehsteifigkeit gegenüber dem
Gehäuse 12 gegeben.
Die gleiche Kraft, die die Innenfläche 7 des Hohlrades 8 auf
die Planeten 3 ausübt, muss auch zwischen den Planeten 3 und
dem Sonnenrad 2 wirken, weil auch die entstehenden Reibkräfte
unter Last des Getriebes an diesen Berührungspunkten gleich
gross sind. Damit aber am Sonnenrad 2 die Planeten 3 mit defi
nierter Kraft anliegen können, müssen diese in radialer Rich
tung in ganz geringem Masse beweglich sein. Diese radiale Be
weglichkeit muss gewährleistet sein trotz grösstmöglicher
Steifigkeit und Spielfreiheit der Planeten 3 gegenüber dem
Planetenträger 6 in Umfangsrichtung, weil sonst die Drehstei
figkeit des ganzen Getriebes leiden würde. Erfindungsgemäss
wird diese Aufgabe gelöst mit einem einstückigen Planetenträ
ger 6, der so gestaltet ist, dass die Planetenachsen 5 von ei
nem Lagerträger 13 gehalten werden, der über Biegegelenke 14
und Stege 15 in radialer Richtung elastisch, in Umfangsrich
tung aber sehr steif mit dem Grundkörper 19 des Planetenträ
gers 6 verbunden ist.
Die beschriebene Konstruktion erlaubt es, trotz Verwendung von
normalen Fertigungstoleranzen beim Sonnenrad 2, den Planeten 3
und der Hohlradlauffläche 7 ein Reibradgetriebe herzustellen,
das höchste Drehsteifigkeit und vollständige Spielfreiheit
aufweist, eine genau definierte Anpresskraft für die Reibkon
taktstellen gewährleistet, keinerlei Querkräfte ausübt auf die
Abtriebswelle 9 und, bezogen auf den Umlaufradius der Plane
tenachsen, doppelt so viele Reibkraftübertragungspunkte hat,
wie es Planeten besitzt. Das Getriebe hat einen sehr ruhigen
Lauf.
Claims (9)
1. Spielfreies Getriebe, umfassend ein Gehäuse (12), ein
am Gehäuse (12) drehfest befestigtes Hohlrad (8) mit einem
Reifen (16), der eine innere erste Lauffläche (7) aufweist,
eine im Gehäuse (12) koaxial zum Hohlrad (8) drehbar gelagerte
erste Welle (9), an welcher ein Planetenträger (6) befestigt
ist, mehrere am Planetenträger (6) drehbar gelagerte Planeten
räder (3), eine koaxial zur ersten Welle (9) drehbar gelagerte
zweite Welle (1), auf der ein Sonnenrad (2) mit einer zweiten
Lauffläche (21) befestigt ist, wobei die Planetenräder (3) auf
der ersten und zweiten Lauffläche (7, 21) abrollen, wobei der
Durchmesser der ersten Lauffläche (7) im ungespannten Zustand
geringer ist als die Summe des Durchmessers der zweiten Lauf
fläche (21) und des doppelten Durchmessers der Planetenrä
der (3), und wobei die Drehachsen (5) der Planetenräder (3) im
Planetenträger (6) in Umfangsrichtung des Planetenträgers (6)
steif und spielfrei und in Radialrichtung nachgiebig gehalten
sind.
2. Getriebe nach Anspruch 1, wobei das Hohlrad (8) die
Form eines Topfes hat mit dem biegeelastisch ausgebildeten
Reifen (16), der über einen biegeelastischen Zwischenbe
reich (18) mit einem starren Befestigungsflansch (17) verbun
den ist, welcher am Gehäuse (12) befestigt ist.
3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Planetenach
sen (5) über Biegegelenke (14) in Umfangsrichtung des Plane
tenträgers (6) steif mit diesem verbunden sind.
4. Getriebe nach Anspruch 3, wobei jede Planetenachse (5)
in einem Lagerträger (13) angeordnet ist, der an zwei gegen
überliegenden Seiten über je zwei Stege (15) mit dem Planeten
träger-Grundkörper (19) verbunden ist, wobei alle Stege (15)
ein und desselben Lagerträgers (13) parallel zueinander sind.
5. Getriebe nach Anspruch 4, wobei die Stege (15) an bei
den Enden über biegeelastische Dünnstellen (14) mit dem Grund
körper (19) bzw. dem Lagerträger (13) verbunden sind.
6. Getriebe nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Grundkör
per (19), die Stege (15) und die Lagerträger (13) einstückig
ausgebildet sind.
7. Getriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die
Lagerträger (13) im Grundriss trapezförmig ausgebildet sind
und alle Stege (15) gleich lang sind.
8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Planetenräder (3) oder beide Laufflächen (7, 21) ballig ausge
bildet sind.
9. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die
zweite Welle (1) eine mit einem Motor (10) verbundene An
triebswelle und die erste Welle (9) die Abtriebswelle des Ge
triebes sind.
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