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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein axiales Spannungswellen-Getriebe
mit einer geradflächig ausgebildeten,
starren Einheit (CS = Circular Spline), auf deren einen Oberseite
eine, um eine, die starre Einheit durchsetzende Drehachse, vollständig umlaufende
und radial zur Drehachse ausgerichtete Verzahnung vorgesehen ist,
einer ebenfalls flächig ausgebildeten
und ebenfalls eine Verzahnung aufweisenden flexiblen Einheit (FS
= Flexspline), die der Verzahnung der starren Einheit (CS), bei
zur Drehachse koaxialer Ausrichtung von CS und FS, axial gegenüberliegend
angeordnet ist, sowie einem Auslenkgenerator (WG = Wavegenerator),
der die flexible Einheit dynamisch verformt.
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Axiale
Spannungswellengetriebe werden bevorzugt als Servogetriebe eingesetzt
und finden in Bereichen der Robotik, Verpackungsmaschinen, Werkzeugmaschinen,
um nur einige Anwendungsbereiche zu nennen, Anwendung, da sie sich
aufgrund ihres geringen Getriebespiels, ihrer hohen Torsionssteifigkeit
sowie geringen Trägheitsmomenten
und damit verbunden durch ihren hohen Wirkungsgrad von Getrieben
anderen Aufbaus und Gattung, wie beispielsweise Stirnradgetriebe,
Planetengetriebe, Schneckenradgetriebe o.ä., besonders auszeichnen.
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Der
Aufbau derartiger Spannungswellengetriebe geht aus der
DE 197 47 566 C1 hervor
und insbesondere unter Bezugnahme auf
1 der
Druckschrift. Das darin dargestellte Spannungswellengetriebe weist
eine radiale Verzahnung auf und besteht aus drei Teilen, einer starren
Einheit, der sogenannten Circular Spline, einer flexiblen Einheit,
der sogenannten Flexspline und einem Auslenkgenerator, dem sogenannten
Wavegenerator, der zugleich das Eingangselement des Getriebes darstellt
und beispielsweise mit der Welle eines Elektromotors verbunden ist.
Der Wave Generator ist im bekannten Falle als elliptisches Kugellager
ausgebildet und koaxial im Inneren der als elastischer Stahltopf
ausgebildeten Flexspline angeordnet: Die Flexspline weist an ihrer
Außenseite
eine Außenverzahnung
auf, die in die Innenverzahnung der, wiederum die Flexspline umgebenden
Circular Spline, die als starrer Ring ausgebildet ist und die Flexspline
zumindest im Bereich ihrer Außenverzahnung
umgibt, eingreift.
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Aufgrund
der elliptischen Formgebung des Wave Generators vermag dieser die
Verzahnung der Flexspline an zwei gegenüberliegenden Bereichen in die
Innenverzahnung der Circular Spline einzupressen. Durch Rotation
des Wave Generators und aufgrund einer vorhandenen Zähnezahldifferenz
zwischen der Außenverzahnung
der Flexspline und der Innenverzahnung der Circular Spline rotiert
die mit der Abtriebswelle verbundene Flexspline langsam entgegen
der Drehrichtung des Wave Generators. Weitere Einzelheiten bezüglich des
mit einer radialen Verzahnung versehenen Spannungswellengetriebes kann
aus der vorstehend zitierten Druckschrift entnommen werden.
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Auch
sind Spannungswellengetriebe bekannt, deren Verzahnungen axial zur
Anordnung der Drehachsen ineinandergreifend angeordnet sind und daher
auch als axiale Spannungswellengetriebe bezeichnet werden. In 1 ist ein bekannter Aufbau eines
derartigen axialen Spannungswellengetriebes dargestellt. Der Auslenkgenerator
oder Wave Generator fehlt in der bildlichen Darstellung gemäß 1, auf die jedoch im weiteren
noch eingegangen wird. In der Darstellung a in 1 ist die Flexspline 1 als elastisch
verformbare Scheibe ausgebildet, deren radialer Außenbereich
eine Axialverzahnung 2 vorsieht. Gemäß der Seitenansicht in 1b ist die Flexspline 1 mit
der Abtriebswelle 3 einstückig verbunden und durchragt
mit der Abtriebswelle 3 die ebenfalls als Scheibe ausgebildete
Circular Spline 4. Die Circular Spline 4 weist,
ebenso wie die Flexspline 1, eine Axialverzahnung 5 an
ihrem radialen Außenbereich
auf, wobei in der koaxialen Anordnung gemäß 1b die Verzahnungen 2, 5 jeweils
nicht in Eingriff stehen, sondern leicht voneinander beabstandet
sind. Eine, zwischen der Flexspline 1 und der Circular
Spline 4 eingebrachte Lagerung 6 sorgt für eine Rotationsbeweglichkeit
der Flexspline 1 realtiv zur feststehenden Circular Spline 4 um
die Abtriebswelle 3. Vermittels eines nicht in der 1c dargestellten Auslenkgenerators,
der als axiales Kugellager mit elliptischer Form ausgebildet sein
kann, wird die Flexspline 1 axial mit einer Kraft F beaufschlagt, wobei
die Flexspline 1 derart deformiert wird, so daß ihre Axialverzahnung 2 in
zwei gegenüberliegenden Stellen
in Eingriff mit der Außenverzahnung 5 der
Circular Spline 4 gebracht wird. In den Bereichen der übrigen Umfangsränder der
Flexspline 1 und Circular Spline 4 sind die Axialverzahnungen 2 und 5,
wie in 1b dargestellt,
voneinander beabstandet.
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Zur
Erzeugung einer Getrieberotation müssen die, relativ zur Axialverzahnung
gegenüberliegenden
Krafteinleitungsbereiche, wie beim vorstehend beschriebenen radialen
Spannungswellengetriebe, um die Abtriebswelle rotieren, so daß sich die Zähne der
Axialverzahnungen 2 und 5 aufeinander abwälzen können. In 1c sind die beiden relativ zur
Abtriebswelle 3 gegenüberliegenden
Bereiche der in Eingriff befindlichen Axialverzahnungen 2 und 5 dargestellt.
Die Krafteinleitungspfeile sollen die weitgehend punktuellen Berührstellen
des nicht weiter dargestellten Auslenkgenerators an der Flexspline 1 darstellen.
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Nachteilig
an einem axialen Spannungswellengetriebe ist die Tatsache, daß ein Kompromiß zwischen
der Torsionssteifigkeit der Flexspline und dem Wirkungsgrad, mit
dem ein derartiges Spannungswellengetriebe betrieben werden kann,
eingegangen werden muß.
Wird einerseits die Flexspline sehr steif ausgeführt, so besitzt das axiale
Spannungswellengetriebe zwar eine hohe Torsionssteifigkeit, jedoch
ist eine sehr große
Kraft zur Durchbiegung der Flexspline erforderlich, die der Auslenkgenerator
aufzubringen hat. Dies wiederum führt zu hohen Lagerbelastungen
und damit verbunden zu hohen Reibungsverlusten, wodurch wiederum
der Wirkungsgrad verschlechtert wird.
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Wählt man
hingegen die Flexspline als dünne
Scheibe, die sich leichter durchbiegen läßt, so besitzt das Spannungswellengetriebe
eine sehr geringe Torsionssteifigkeit, wodurch die Übertragung
größerer Kraftmomente über das
Getriebe nicht möglich
ist. Aus diesen Gründen
ist von einer weiteren Entwicklung von axialen Spannungswellengetrieben
bisweilen abgesehen worden.
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Aus
der
DE 39 26 512 C2 geht
ein Motorgetriebe hervor, das zwei gegenüberliegend angeordnete Abstützflächen, die
einen Spalt einschließen, sowie
einen zwischen den Abstützflächen, d.h.
im Spalt, angeordneten flachen elastischen Formkörper aufweist. Sowohl die Abstützflächen als
auch der Formkörper
besitzen ineinander greifbare Verzahnungen. Dem Formkörper wird
durch äußere Krafteinwirkung
eine wellenförmige,
dynamische Verformung aufgeprägt.
Durch Kontaktierung des elastischen Formkörpers mit den jeweiligen Innenverzahnungen
der starren Abstützflächen, ergibt
sich die Getriebefunktion des Motorgetriebes.
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Aus
der
DE 20 36 129 A1 geht
ein Spannungswellengetriebe hervor, das aus zwei koaxialen, relativ
zueinander drehbaren und miteinander in Eingriff stehenden Ringen
besteht. Einer der Ringe ist dabei bezüglich des anderen im Reibschluss
ausbiegbar. Ein schlupfloser, geräuscharmer Getriebelauf auch
bei höheren Drehmoneten
wird dadurch erreicht, dass einer der Ringe im Bereich der Ausbiegung
mit einer rauhen Oberfläche
und der andere Ring mit einer elastischen, federnd nachgiebigen Oberflächenschicht
im Eingriffsbereich versehen ist.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein axiales Spannungswellengetriebe
der vorstehend erläuterten
Gattung trotz der dargelegten Problematik weiter zu entwickeln,
da axiale Spannungswellengetriebe kompakte Getriebeformen darstellen,
die es gilt, in ihrem Wirkungsgrad zu steigern. Insbesondere soll
die Torsionssteifigkeit erhöht
werden, um damit die Möglichkeit
der Übertragung
größerer Kraftmomente
zu schaffen. Hierbei sollen die Lagerbelastungen sowie die damit
verbundenen Reibungsverluste gering gehalten werden.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 dargestellt.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung nebst Zeichnungen zu entnehmen.
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Bei
der Darlegung und näheren
Beschreibung des Erfindungsgedankens werden die deutschen Begriffe
für die
in der Beschreibungseinleitung eingeführten Begriffe Wave Generator
(= Auslenkgenerator), Flexspline (= flexible Einheit) sowie Circular Spline
(= starre Einheit) verwendet.
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Erfindungsgemäß ist ein
axiales Spannungswellengetriebe gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs
1 dadurch weitergebildet, daß die
flächig ausgebildete,
flexible Einheit ohne äußere Krafteinwirkung
im Bereich ihrer Verzahnung eine Umfangskontur aufweist, die wenigstens
zwei, senkrecht zur Scheibenebene erhabene Ausformungen aufweist. Die
flexible Einheit ist als Scheibe oder Ring ausgebildet, mit einem
konstanten Außenradius
R und einem Außenumfang
U mit U > 2 π R. Die Verzahnungen
der flexiblen und starren Einheit sind koaxial zur Drehachse angeordnet,
wobei die Verzahnung der flexiblen Einheit in zwei getrennten Bereichen,
die jeweils im Bereich ihrer erhabenen Ausformungen liegen, in die
Verzahnung der starren Einheit eingreift. Ferner tritt der Auslenkgenerator
mit der flexiblen Einheit unter Einwirkung von, im wesentlichen
parallel zur Ebene der starren Einheit gerichteten Kräfte in Wirkverbindung,
so daß die
verzahnten Bereiche entlang den Verzahnungen umlaufen.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Idee ist die eigenständige Formgebung
der flexiblen Einheit derart, daß durch axiales Montieren der
flexiblen Einheit mit der starren Einheit die flexible Einheit in
der vorgeschilderten Weise mit der Axialverzahnung der starren Einheit
in zwei Bereichen in Eingriff steht, ohne daß der Auslenkgenerator durch
axial wirkende Kräfte
auf die flexible Einheit einwirkt. Zum Antrieb des axialen Spannungswellengetriebes
ist es nicht erforderlich, daß der
Auslenkgenerator axial auf die flexible Einheit einwirkt, sondern
es gilt die der flexiblen Einheit inne wohnenden Ausformungen, aufgrund derer
die Bereiche der jeweiligen Verzahnungen in Eingriff stehen, entsprechend
dem Verlauf der Verzahnungen weiter zu drehen. Hierfür sind jedoch
im wesentlichen parallel zur Ebene der starren Einheit wirkende
Kräfte
erforderlich, wodurch die, eine axiale Scheibendurchbiegung verursachende
Kraftkomponente vollständig
entfällt,
die für
hohe Lagerverluste und einen schlechten Wirkungsgrad verantwortlich ist.
Die Funktionsweise des Spannungswellengetriebes entspricht ansonsten
einem herkömmlichen
axialen Spannungswellengetriebe, wobei die Zahnanzahl der Axialverzahnung
auf der flexiblen Einheit wenig geringer ist, als die Zahnanzahl
der Axialverzahnung auf der starren Einheit. Auf diese Weise ist ein
entsprechendes Übersetzungsverhältnis zwischen
der, mit dem Auslenkgenerator verbundenen Antriebswelle zu der,
mit der flexiblen Einheit verbundenen Abtriebswelle gegeben.
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Die
vorzugsweise scheiben- oder ringförmig ausgebildete flexible
Einheit weist eine entsprechende Form auf, die vorzugsweise als
zwei senkrecht zur Scheiben- oder Ringebene erhabene Ausformungen, beispielsweise
zwei Wellenberge ausgebildet ist. Diese Wellenberge sind aufgrund
einer vorhandenen Mindestfestigkeit des Materials, aus der die flexible Einheit
gefertigt ist, eigenstabil und behalten ihre Form auch in einem,
mit der Axialverzahnung der starren Einheit in Eingriff befindlichen
Zustand bei.
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Andererseits
weist die flexible Einheit eine Mindestelastizität auf, wodurch die Wellenberge
relativ zur feststehenden Oberfläche
der flexiblen Einheit um den Scheiben- oder Ringmittelpunkt durch
entsprechende Krafteinwirkung parallel in Scheibenebene, wandern
können.
Geeignete Materialien, aus denen die flexible Einheit hergestellt
werden kann, sind beispielsweise dünnwandige Bleche oder Metallscheiben
(z. B. Federstahl), sowie auch aus Kunststoff gefertigte Scheiben- oder Ringformen.
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Um
die als Wellenberge ausgebildeten Ausformungen in das Scheibenmaterial
einzubringen, sind grundsätzlich
mehrere Methoden denkbar:
So kann in ein flach ausgebildetes
Scheibenmaterial die Kontur der axialen Verzahnung eingearbeitet
werden, beispielsweise durch einen Fräsvorgang. Anschließend kann
mit Hilfe einer entsprechenden Form die mit einer Axialverzahnung
versehene Scheibe gepreßt
werden, so daß das
Scheibenmaterial die Form einer Sattelfläche mit zwei sich überlagernden
Scheitelpunkten aufweist. Auch sind Herstellverfahren im Rahmen
eines Sinterprozesses mit geeigneten Matrizen denkbar.
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Die
einfachste Möglichkeit,
die Ausformungen in eine Scheibe oder einen Ring einzubringen, besteht
durch Hinzufügen
von Scheiben- oder Ringmaterial entlang eines Sektorbereiches, in
Art eines „Kuchenstückes", wodurch die Scheibe
an ihrem Außenumfang
eine Kontur annimmt, die dem Verlauf in etwa zweier Sinuswellenzüge entspricht.
Im übrigen kann
diese Erscheinung leicht mit Hilfe einer Papierscheibe verifiziert
werden, die an einem Radius bis zum Scheibenmittelpunkt aufgeschnitten
und ein zusätzlicher
Papiersektor zwischen beiden radialen Schnittkanten eingefügt wird.
Die Papierscheibe nimmt automatisch eine flächige Wellung an, die zu zwei
Wellenbergen auf der Scheibenoberfläche führt. Durch diese Maßnahme weist
die Scheibe nach wie vor einen konstanten Außenradius auf, erhält jedoch durch
die Ergänzung
durch einen zusätzlichen
Sektorbereich einen größeren Umfang,
der größer 2 π R ist.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1a,
b, c Darstellungen zum Stand der Technik eines axialen Spannungswellengetriebes,
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2a, b Gegenüberstellung eines bekannten
axialen Spannungswellengetriebes mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten.
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Bezüglich des
in den 1a, b und c dargestellten, bekannten
axialen Spannungswellengetriebes wird auf die vorstehend erläuterte Beschreibungseinleitung
verwiesen.
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2a zeigt in der Querschnittsdarstellung ein
bekanntes axiales Spannungswellengetriebe, bei dem eine eben ausgebildete
flexible Einheit 1 durch axial auf diese, an zwei gegenüberliegenden
Stellen einwirkende Kraft F in Richtung der starren Einheit 4 verformt
wird. Unmittelbar unter der Querschnittsdarstellung ist perspektivisch
eine an sich bekannte, durch axiale Krafteinwirkung verformte flexible
Einheit 1 dargestellt, bei der zwei peripher gegenüberliegende
Randbereiche aus der Scheibenebene in Richtung der Abtriebswelle 3 gebogen
sind. Die Durchbiegung der flexiblen Einheit 1 erfolgt
einzig und allein durch einen nicht in der 2a dargestellten
Auslenkgenerator, der, wie eingangs erwähnt, als ein axiales Kugellager
mit elliptischer Form ausgebildet ist.
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Im
Unterschied dazu weist die flexible Einheit 1 gemäß Bilddarstellung 2b in
ihrer Scheibenfläche eine
vordeformierte Welle auf, die ohne äußere Krafteinwirkung in der
flexiblen Einheit 1 verbleibt. Die flexible Einheit 4 ist
nicht, wie im Falle des in 2a gezeigten
axialen Spannungswellengetriebes durch eine äußere Krafteinwirkung hervorgerufene
relativ zur Biegeachse a deformiert, sondern weist zwei sich überlagernde
Deformationen um die Achsen a und b auf, die jeodch Materialimmanent
sind. Dies führt
zu einer Sattelfläche
mit zwei in einem Punkt befindlichen Scheitelpunkten.
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Betrachtet
man die erfindungsgemäß ausgebildete
flexible Einheit 4 von ihrer Seite, so weist ihr Umfangsrand
in etwa die Kontur einer doppelten Sinuswelle auf, wobei jeweils
die Berge der Sinuswelle nach Zusammenfügung mit der starren Einheit 4 gemäß oberer
Querschnittsdarstellung in 2b mit der
starren Einheit 4 in Kontakt treten. Um die Berührflächen zwischen
der flexiblen Einheit 1 und der starren Einheit 4 entlang
dem Verlauf ihrer axialen Verzahnungen umlaufen zu lassen, bedarf
es lediglich eines Auslenkgenerators, der die Wellenberge um die
Drehachse D entlang der Axialverzahnungen bewegt. Hierfür ist lediglich
ein, im wesentlichen parallel zur Ebene der starren Einheit 4 wirkender
Krafteintrag erforderlich, um die Wellenberge quasi vor sich her
zu schieben.
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Der
Auslenkgenerator kann, wie im vorstehend bekannten Fall geschildert,
als axiales Kugellager mit elliptischer Form ausgebildet sein, wobei
der axial in Richtung der flexiblen Einheit ausgelenkte Bereich
der Auslenkeinheit keine oder nur vernachlässigbare Kräfte axial auf die flexible
Einheit ausübt, sondern
lediglich in einer vorgebbaren Drehrichtung wirkende Kräfte auf
die flexible Einheit überträgt.
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Der
Auslenkgenerator kann in einer einfachen Ausgestaltung auch eine
Rolle aufweisen, vorzugsweise ein Rollenpaar, die die Wellenberge
der vordeformierten flexiblen Einheit entlang des Verlaufs der Axialverzahnungen
vor sich her schieben.
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Wesentlich
ist, daß der
Auslenkgenerator keine oder nur vernachlässigbar kleine axiale Kräfte auf
das Spannungswellengetriebe ausübt,
wodurch die Lagerbelastung sowie Reibungsverluste erheblich minimiert
werden können.
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- 1
- Flexspline,
flexible Einheit
- 2
- Axialverzahnung
der flexiblen Einheit
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- Circular
Spline, starre Einheit
- 5
- Axialverzahnung
der starren Einheit
- 6
- Lagerung