DE19943021C1 - Getriebemotore - Google Patents
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Abstract
Ein einfach zu montierender und wegen besonders flacher Bauweise auch in schmalen Einbauräumen vielfältig einsetzbarer Getriebemotor weist auf einer Seite eines radförmigen Gehäusegrundkörpers einen Scheibenläufermotor und gegenüberliegend konzentrisch damit ein Untersetzungsgetriebe auf, bei dem es sich bevorzugt um ein Wellgetriebe mit seinem einzigen, unter radialer Verformung umlaufenden Übertragungselement zwischen Antrieb und Abtrieb handelt.
Description
Die Erfindung betrifft flachbauende Getriebemotore gemäß den Oberbegriffen der Ansprü
che 1 bzw. 6.
Die gattungsbildenden Maßnahmen sind aus der DE 22 10 243 B2 bei elektrischen, insbe
sondere zur Fensterverstellung in Kraftfahrzeugen bestimmten Antriebsvorrichtungen be
kannt, die auf einer Seite einer Zwischenwand mit einem Elektromotor, dessen Scheiben
anker in einem ebenen Luftspalt rotiert, und gegenüberliegend mit einem Umlaufräderge
triebe in Form einer Planetenrad-Anordnung mit Seiltrommel ausgestattet sind. Die Lage
rung des Ankers und des Getriebes erfolgt in der Zwischenwand sowie in als Lagerträger
dienenden hutförmigen Außenwänden, deren Umfänge durch einen verstärkten Rand der
Zwischenwand hindurch miteinander und mit einem tragenden Bauteil verschraubt sind.
Nachteilig bei einer solchen Antriebsvorrichtung ist allerdings der hohe Fertigungs- und
Montageaufwand sowie der vergleichsweise nur mäßige Wirkungsgrad des Umlaufräder
getriebes, aber auch die komplizierte Formgebung der als Lagerträger zu dimensionieren
den Gehäuseaußenwände.
Ferner ist aus der DE 296 22 874 U1 ein Getriebemotor mit Scheibenläufer und Umlauf
rädergetriebe bekannt, der hier die Besonderheiten aufweist, daß auf der Platine für die
Ansteuerelektronik auch Flachspulen für den Rotor ausgebildet sind und daß das Getriebe
auch als Exzentergetriebe mit einem zentral gelagerten exzentrischen Zahnrad für umlau
fenden Eingriff in die nebeneinander gelegenen Innenverzahnungen von Hohlrädern aus
gestattet sein kann. Auch ein solches Getriebe bedingt noch erhebliche Anforderungen an
Fertigungs- und Montagepräzision, und es weist wegen der umlaufenden Exzentrizität der
Lastübertragung einen noch schlechteren getriebetechnischen Wirkungsgrad bei nur mäßi
gem Untersetzungsverhältnis auf.
Als die klassische Lösung eines flachbauenden Getriebemotors ist es bekannt, die Ab
triebswelle eines stangenförmigen, also dünnen und dementsprechend langen Elektromo
tors mit einer Schnecke auszustatten, die mit einer Stirnverzahnung zu einem Abtriebsrad
tangential in Eingriff steht. Weil dadurch zwei Drehachsen quer zueinander ausgerichtet
sind, bedarf es aber eines vergleichbar großvolumigen Gehäuses für die Integration dieser
beiden rotierenden Komponenten "Motor" und "Getriebe" zum einteilig handhabbaren
Getriebemotor. Außerdem läßt der Wirkungsgrad eines solchen Schneckengetriebes mit
großer Untersetzung sehr zu wünschen übrig; und vor allem ist der herstellungsseitige
Aufwand beträchtlich, weil Abstand und Orientierung der quer zu einander gelegenen
Wellenlager kritisch sind und die rotierenden Komponenten in unterschiedlichen Richtun
gen in das gemeinsame Gehäuse eingebaut werden müssen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, flachbauende Getriebemotore der ein
gangs gewürdigten Art, wie sie sich insbesondere zum Einbau in flache Umgebungen wie
schmale Wandungs-Hohlräume im Leichtbau, aber auch in Funktionsteile wie Gehäu
se-Hohlwände und insbesondere Sockelräume von vergleichsweise langsam drehverstell
baren oder rotierenden Einrichtungen, etwa für Werbezwecke (Rotationsdisplays), für die
Unterhaltungselektronik (Drehteller), für Sitz- und Liegemöbel (Neigungs- und Niveauver
stellung) oder für den Laborbedarf (Probenkarussell, Rührwerk) eignen, dahingehend zu
verbessern, daß sie sich durch einfacheren Aufbau und günstigere kinetische Verhältnisse
auszeichnen.
Diese Aufgabe ist durch die in den Hauptansprüchen angegebenen wesentlichen Merkmale
der Erfindung gelöst.
Danach wird auf der einen Seite eines etwa rad- oder flach H-förmigen Gehäu
se-Grundkörpers z. B. einer der als solchen handelsüblichen elektrischen Motore mit schei
benförmiger Läufergeometrie drehstarr befestigt. Aufgrund der nicht ring- oder walzen
förmigen sondern scheibenförmigen Geometrie dreht deren Rotor zwar relativ langsam,
aber er zeichnet sich durch ein großes Drehmoment in Zusammenwirken mit großer
Schwungmasse aus.
Durch eine zentrale Öffnung in der Radscheibe des Gehäuse-Grundkörpers hindurch steht
solch ein Motor mit einem ebenfalls axial flachbauenden Untersetzungs-Getriebe in Dreh
verbindung. Teil dieses Getriebes ist ein längs der Innenperipherie der Radfelge koaxial
dazu umlaufender Abtriebsring, der seinerseits Teil einer flachen Glockenschale mit einem
zum Motor koaxialen Abtriebsstutzen etwa zur Aufnahme eines Abtriebsritzels sein kann.
Der Abtriebsring kann aber auch, stattdessen oder zusätzlich zum Glocken-Zapfen, auf
seiner Außenmantelfläche je nach dem anzuwendenden Übertragungsmittel als Riemen
scheibe, als Kettenrad oder als Seiltrommel ausgestattet sein. Dann ist der Abtriebsring für
das Übertragungsmittel, etwa für einen Riemen, von außen durch Gehäuseöffnungen in der
das Getriebe umgebenden Hälfte der Felge hindurch zugänglich.
Der Abtriebsring kann schließlich auch im Bereich seiner Peripherie mit wenigstens einem
ferromagnetischen Teil ausgestattet sein, vorzugsweise mit einem Permanentmagneten.
Dessen Bewegung um die Getriebeachse nimmt dann aufgrund magnetischer Wechselwir
kung ein komplementär ausgestattetes drehbares Element außerhalb des Getriebegehäuses
mit. Eine solche berührungslose Kopplung zur Kraftübertragung ermöglicht den Einsatz
eines gegen Umgebungseinflüsse hermetisch dicht gekapselten Gehäuses für die gesamte
Einheit des scheibenförmigen Getriebemotors.
Im Zentrum des Getriebes trägt die in das Getriebe eingreifende Motorwelle ein Triebele
ment, und in einem Ringraum zwischen diesem und dem Abtriebsring dreht sich wenig
stens ein Übertragungselement. Zweckmäßiger da einfacher aufgebaut als ein Planetenrad
getriebe ist ein Taumelradgetriebe. Mit noch einfacherem Aufbau eine wesentlich größere
Untersetzung bei wesentlich günstigeren kinetischen Verhältnissen liefert ein hier bevor
zugt eingesetztes Wellgetriebe mit seinem exzentrischen sogenannten Wavegenerator als
dem seinerseits vom Motor angetrieben Triebelement, das in der elastisch Verformbaren
Nabe des hier einzig vorhandenen, peripher radial verformbaren Übertragungselementes,
dem sog. Stößelrad, gedreht wird; wie etwa in der DE 197 08 310 A1 näher erläutert.
Dort steht mit der Innenverzahnung am Abtriebsring die Stirnverzah
nung dieses unter Radialverformung rotierenden Übertragungselementes in Eingriff, und
gleichzeitig auch axial neben dem Abtriebsring mit der Innenverzahnung etwas größerer
Zähnezahl an einem von der Felge rippenförmig oder von der Radscheibe manschettenartig
koaxial vorstehenden, gehäusefesten Stützring.
Ein ähnliches Wellgetriebe ist aus der Arbeit "The Harmonic Drive Electromechanical Actuator" von V. O'Gorman in
Control Engineering (Dezember 1964, Seiten 69 bis 72) als zylindrischer Antrieb mit dem
Verhalten eines hochdynamischen Synchronmotors ebenso wie eines leistungsfähigen
Schrittmotors bekannt.
Die an der Peripherie der Radscheibe umlaufende Felge wirkt als ringförmige, also etwa
annähernd hohlzylindrische, axial kurze Gehäusewand. Stirnseitig auf die Felge montierte
Gehäusedeckel dienen zugleich als axiale Anschläge für die sich drehenden Teile und er
forderlichenfalls auch, im Zentrum entsprechend verstärkt, als Lagerschild z. B. für den
Abtriebszapfen; sie komplettieren damit also den Aufbau des im wesentlichen kreisschei
benförmigen, im Verhältnis zum Durchmesser sehr flachen, erfindungsgemäßen Schei
ben-Getriebemotors.
Zu näherer Erläuterung der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen bzw. Ab
wandlungen wird auf die Einzelheiten der Zeichnung und ihre nachfolgende Beschreibung
verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Scheiben-Getriebemotor in bevorzugter Ausführung, unter
Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht ganz maßstabsge
recht im Axial-Längsschnitt skizziert, und
Fig. 2 den Getriebemotor mit einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Auskopplung der unter
setzten Drehbewegung.
Zum Erstellen des erfindungsgemäßen Getriebemotors 10 ist ein radförmiger, nicht unbe
dingt runder Gehäuse-Grundkörper 11 mit der einen Hälfte seiner im Vergleich zum
Durchmesser axial sehr kurzen Felge 12 über einen gekapselten, vorzugsweise autark
funktionstüchtig vormontierten Scheibenläufermotor 13 gestülpt, wie er beispielsweise
unter der Typenbezeichnung GDM 12 Z/N von der Firma Baumüller in Nürnberg angebo
ten wird. Eine verdrehsichere Festlegung in diesem Gehäuse kann sich schon daraus erge
ben, daß der Umfang des Scheibenläufermotors 13 und dementsprechend auch die Innen
peripherie der radial benachbarten Felgenhälfte unrund sind; andernfalls erfolgt eine ge
sonderte Verdrehsicherung im Übergangsbereich zwischen Scheibenläufermotor 13 und
Felge 12 etwa mittels achsparallel oder radial in entsprechende Aussparungen eingelegter
Klemmstifte (nicht dargestellt).
Falls der Motor 13 nicht wie vereinfacht skizziert abtriebsseitig zur Radscheibe 14 hin
flach scheibenförmig begrenzt ist, sondern etwa aufgrund seiner Lagerkonstruktion für die
Antriebswelle 16 dort eine stumpfwinklig kegelstumpfförmige Gestalt aufweist, ist auch
die benachbarte Radscheibe 14 nicht eben, sondern zum Zentrum hin entsprechend hohl
kegelstumpfförmig oder sonstwie konvex (also etwa tellerförmig) ausgebuchtet, um innig
an die benachbarte dreidimensionale Oberfläche des Motorgehäuses angeschmiegt sein zu
können. Ferner muß die Radscheibe 14 nicht flächig geschlossen sein, es würde für die
Funktion des Gehäuse-Grundkörpers 11 auch eine speichenförmige starre Halterung der
Felge 12 an einer von der Motorwelle 16 durchragten Nabe ausreichen. Grundsätzlich muß
der Grundkörper 11 auch kein von anderen Gehäusen getrennte Konstruktionsteil sein;
zweckmäßigerweise werden sogar für die Massenfertigung insbesondere das Motorgehäuse
und der Grundkörper einstückig im Kunststoff oder Metallspritzguß oder im Blechtief
zieh- oder -preßverfahren hergestellt.
Die stirnseitig von der Felge 12 umgebene Radscheibe 14 des Gehäuse-Grundkörpers 11
bildet die Trennwand zwischen dem Raum zur Aufnahme des Scheibenläufermotors 13
und einem innerhalb der anderen Hälfte der Felge 12 koaxial benachbarten Raum zur Auf
nahme eines axial flachbauenden Untersetzungs-Getriebes 15. Das kann extern vormontiert
sein, oder es wird im Zuge des Einsetzens seiner Teile in den Raum vor der Radscheibe 14
komplettiert. Das Getriebe 15 übergreift im Zentrum die Welle 16 des Scheibenläufermo
tors 13, die durch eine zentrale Öffnung 17 der Radscheibe 14 in den Getriebe-Raum hin
einragt und dort mit einem Triebelement 18 des Getriebes 15 drehfest in Eingriff steht.
Dieses motorisch angetriebene Triebelement 18 bewegt über wenigstens ein Übertragungs
element 19 einen zur Motorwelle 16 konzentrisch drehenden Abtriebsring 20, der als Hohl
rad mit Innenverzahnung 28 radial innerhalb der Felge 12 geführt ist.
Der Abtriebsring 20 kann als Kronrad oder gemäß Fig. 1 als Stirnrand der äußere Teil einer
axial flachen Glockenschale 30 sein, deren zentraler Abtriebsstutzen 31 koaxial zur Mo
torwelle 16 in einem Gehäuseschild 32 gelagert ist und jenseits des Lagers z. B. mit einem
Ritzel 33 zur Übermittlung der untersetzten Drehbewegung nach außen versehen ist. Die
Auskopplung der gegenüber der Motordrehung untersetzten Drehbewegung kann aber
auch von der Mantelfläche 21 des längs der Zylinderinnenwandung der Felge 12 umlau
fend gelagerten Abtriebsringes 20 aus erfolgen, etwa wie symbolisch in Fig. 2 berücksichtigt
mittels eines Seiles oder einer Riemenschlaufe über Durchlässe 22 durch die Felge 12
hindurch.
Das Getriebe 20 kann als Taumelgetriebe ausgelegt sein. Vorzugsweise ist es aber ein
Wellgetriebe, das sich durch extrem hohe Untersetzung bei sehr geringer Anzahl an Ein
zelteilen und günstigen Fertigungsmöglichkeiten in Kunststoff-Spritzgußtechniken aus
zeichnet. Bei dieser Auslegung des Getriebes 15 dient ein sogenanntes Stößelrad als längs
seines Umfanges radial elastisch verformbares Übertragungselement 19 mit stirnseitigem
Zahnkranz 25, dem sog. Flexband. Das wird von einem in der ebenfalls elastisch verform
baren Nabe 23 des Übertragungselementes 19 umlaufenden formstabil exzentrischen, vor
zugsweise ellipsenförmigen Triebelement 18, dem sog. Welt- oder Wavegenerator gedreht.
Die radial ausbeulbare Nabe 23 trägt den radial ausbeulbaren Zahnkranz 25 über in Längs
richtung, also am Übertragungselement 19 radial, starre Stößel oder Speichen 24. Wegen
der elliptischen Verformung stehen nur zwei einander diametral gegenüberliegende Teilbe
reiche des Zahnkranzes 25 mit einer gehäusefesten Innenverzahnung 27 in Eingriff, und
diese beiden Teilbereiche laufen mit dem Triebelement 18 um. Der Zahnkranz 25 steht
dabei über einen Teil seiner axialen Breite in Eingriff mit der Kron- oder Innenverzahnung
26 eines von der Felge 12 rippenförmig (Fig. 1) oder von der Radscheibe 14 zwischen Fel
ge 12 und Übertragungselement 19 manschettenförmig (Fig. 2) koaxial in den Getrie
be-Raum hineinragenden, formstabil starren Stützrings 27. Gleichzeitig kämmt der axial
benachbarte Bereich des radial leicht verformbaren Zahnkranzes 25 mit der ebenfalls da
gegen formstabil starren Innenverzahnung 28 des Abtriebsringes 20. Die Drehzahlunterset
zung resultiert daraus, daß z. B. die Zähnezahl des gehäusefesten Stützringes 27 geringfü
gig größer als die Zähnezahl des darauf unter Radialverformung abwälzenden Zahnkranzes
25 ist, der seinerseits den Abtriebsring 20 mit gleicher oder abermals untersetzter Drehge
schwindigkeit antreibt.
Mit Drehen der Motorwelle 16 rotiert also das im Querschnitt beispielsweise ovale Trie
belement 18 und bewirkt in der umgebenden Nabe 23 eine peripher umlaufende radiale
Ausbuchtung, die nach Art einer Wellenbewegung die Folge der Speichen 24 nacheinander
gegen das Innere des Zahnkranzes 25 stemmt. Dadurch wird der Zahnkranz 25 über die
Speichen 24 an einander diametral gegenüberliegenden, peripher beschränkten Umfangs
bereichen ausgebeult, also gemäß der Schnittdarstellung der Zeichnung momentan in die
Innenverzahnungen 26/28 hineingedrückt, während dessen Zahnperipherie im übrigen
radial von den Innenverzahnungen 26/28 abhebt, weil quer zur Großachse des ovalen
Exzenters keine radiale Speichenverschiebung nach außen auftritt. Wegen der unterschied
lichen Zähnezahl erfolgt das Abrollen des Zahnkranzes 25 an der gehäusefesten Innenver
zahnung 26 langsamer, als die Rotation des Triebelementes 18 auf der Motorwelle 16, und
der Abtriebsring 20 wird mit seiner Innenverzahnung 28 (bei z. B. gleicher Zähnezahl) ent
sprechend verlangsamt vom Zahnkranz 25 mitgenommen.
Nachdem das, vorzugsweise für die Weltfunktion ausgelegte, Getriebe 15 in die Gehäuse
schale des Grundkörpers 11 eingesetzt ist, wird der so komplettierte Scheiben-Getriebemo
tor 10 mittels Gehäuse-Deckeln 29 stirnseitig verschlossen, die im in Fig. 1 dargestellten
Beispielsfalle abtriebsseitig auch Lagerfunktionen, nach Fig. 2 aber nur axiale Begren
zungsfunktionen ohne Lagerwirkung zu erfüllen haben.
Dieser flache und kompakte, elektrisch steuerbare Gleichstrom-Getriebemotor 10 mit z. B.
einer von einer Seiltrommel auf dem Abtriebsring 20 getragenen Drahtschleife, wie inso
weit beispielhaft aus Fig. 2 der Zeichnung ersichtlich, eignet sich besonders zum Einbau in
flach begrenzte Umgebungen, etwa zur Betätigung von Schiebern, Weichen und Klappen
in Förder- oder Lüftungssystemen oder eines Schiebedaches im Himmel eines KFZ-Fahr
gastraumes, und bei einer rotierenden Bewegungsausgabe etwa gemäß Fig. 1 insbesondere
zum Einbau in flache Sockel unter rotierenden Geräteteilen wie Rührwerken, Labor- oder
Bestückungstischen bzw. in Sitz- oder Liegemöbel zum Realisieren etwa von Komfortein
stellungen. Da eine Ausführung des erfindungsgemäßen Getriebemotors 10 typisch axial
nur ca. 45 Millimeter mißt, bei einem Durchmesser, der dann etwa das Dreifache der ge
samten Dicke beträgt, läßt er sich auch leicht nachträglich außen an Lüftungskanälen etwa
zur Drosselklappenverstellung einsetzen, zumal die geringe axiale Dicke des Getriebemo
tors 10 bei flach anliegender äußerer Kanalapplikation noch nicht über die Begrenzungs
maße von Verbindungsflanschen hinaus und in den Verkehrsraum hinein ragt.
Ein einfach zu montierender und wegen besonders flacher Bauweise auch in schmalen
Einbauräumen vielfältig einsetzbarer Getriebemotor 10 weist also erfindungsgemäß auf
einer Seite eines radförmigen GehäuseGrundkörpers 11 einen Scheibenläufermotor 13 und
gegenüberliegend konzentrisch dazu ein flachbauendes Untersetzungsgetriebe 15 auf, bei
dem es sich bevorzugt um ein Wellgetriebe mit nur einem umlaufenden Übertragungsele
ment 19 zwischen der antreibenden Motorwelle 16 und der abtriebsseitigen Innenverzah
nung 28 handelt.
Claims (6)
1. Flachbauender Getriebemotor (10) als Baueinheit von Motor und Getriebe in einem
Gehäuse mit einem axial kurzen Gehäuse-Grundkörper (11), der auf einer Seite einer
Radscheibe (14) mit einem Motor (13) mit scheibenförmiger Läufergeometrie und ge
genüberliegend mit einem Getriebe (15) bestückt ist, das durch die Radscheibe (14)
hindurch vom Motor (13) angetrieben und mit einem koaxial umlaufenden Abtriebs
ring (20) ausgestattet ist, wobei der Abtriebsring (20) mit einer Innenverzahnung (28)
ausgestattet ist, die axial neben der Innenverzahnung (26) eines gehäusefesten Stütz
ringes (27) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein rad- oder H-förmiger Gehäu
se-Grundkörper (11) innerhalb seiner die speichenförmig durchbrochene oder flächig
geschlossene Radscheibe (14) umgebenden Felge (12) mit einem Wellgetriebe ausge
stattet ist, von dem der Abtriebsring (20) ein Teil ist, wobei beide Innenverzahnungen
(28, 26) gleichzeitig je mit einem Teil des Zahnkranzes (25) eines radial flexiblen
Übertragungselementes (19) kämmen, das eine von einem motorgetriebenen Exzenter
umlaufend aufgeweitete Nabe (23) aufweist.
2. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Schei
benläufermotors einstückig mit dem Gehäuse-Grundkörper (11) ausgebildet ist.
3. Getriebemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverzahnung
(28) Teil eines flach glockenförmigen Abtriebsringes (20) ist, der mit einem Abtriebs
stutzen (31) koaxial zur Motorwelle (16) dieser axial gegenüber in einem Gehäuse
schild (32) gelagert ist.
4. Getriebemotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abtriebsring (20) mit wenigstens einem Magneten bestückt ist, der mit einem
außerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten, wenigstens teilweise ferromagnetischen
oder ferromagnetisch bestückten Abtriebselement berührungslos gekoppelt ist.
5. Getriebemotor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der
innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerte und mit wenigstens einem Magneten be
stückte Abtriebsring (20) in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse umläuft.
6. Flachbauender Getriebemotor (10) als Baueinheit von Motor und Getriebe in einem
Gehäuse mit einem axial kurzen Gehäuse-Grundkörper (11), der auf einer Seite einer
Radscheibe (14) mit einem Motor (13) mit scheibenförmiger Läufergeometrie und ge
genüberliegend mit einem Getriebe (15) bestückt ist, das durch die Radscheibe (14)
hindurch vom Motor (13) angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein rad- oder
H-förmiger Gehäuse-Grundkörper (11) innerhalb seiner die speichenförmig durchbro
chene oder flächig geschlossene Radscheibe (14) umgebenden Felge (12) mit einem
Taumelradgetriebe ausgestattet ist, von dem der Abtriebsring (20) ein Teil ist.
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