DE4341112C1 - Umlaufrädergetriebe mit stufenloser Drehzahlverstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Umlaufrädergetriebe mit stufenlo­ ser Drehzahlverstellung, mit einem Planetenradgetriebe auf einer Hauptachse, das als Planetenradgetriebeteile ein dreh­ bar auf einer koaxial zur Hauptachse vorgesehenen Eingangs­ welle angeordnetes Hohlrad sowie ein fest auf der Eingangs­ welle angeordnetes Sonnenrad aufweist, mit einem Planetenrad in Kämmeingriffen mit dem Hohl- und Sonnenrad und mit einer Abtriebswelle koaxial zur Eingangswelle. Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo vorteilhaft Umlaufrädergetriebe eingesetzt werden, deren Abtriebsdrehzahl stufenlos verstell­ bar ist. Die Einsatzgebiete liegen z. B. in der Verarbei­ tungsindustrie, im Automobilbau oder im Werkzeugmaschinenbau.

Umlaufrädergetriebe finden in vielen Bereichen der Technik ei­ ne immer größer werdende Beachtung, da sie im Gegensatz zu anderen Getriebearten im Hinblick auf die übertragbare Lei­ stung einen wesentlich kleineren Bauraum beanspruchen. Bei sehr hohen Übersetzungsverhältnissen sind nur relativ wenige Zahnräder erforderlich.

In einer bevorzugten Betriebsart, dem sogenannten Drei- Wellen-Betrieb, sind drei im Gleichgewicht stehende Drehmo­ mente vorhanden, die jeweils den drei Wellen zugeordnet wer­ den. Das Getriebegehäuse ist dabei entlastet, d. h. am Ge­ triebegehäuse wirkt kein Drehmoment.

Durch diese Kräfteverzweigung ist es möglich, mit dem Ändern eines der Drehmomente, die Drehmomente der anderen Wellen zu beeinflussen, da das Kräftegleichgewicht immer erhalten bleibt. Dieses Grundgesetz wird ausgenutzt, indem man gezielt die Drehmomentenverhältnisse ändern und so das Drehmoment und damit die Drehzahl der Abtriebswelle verstellen kann.

Aus der DE 37 13 722 A1 ist ein derartiges, stufenlos ver­ stellbares Umlaufrädergetriebe bekannt. Dabei sind drei Pla­ netenradsysteme miteinander kombiniert, wobei je ein Plane­ tenradsystem der Antrieb- bzw. der Abtriebswelle zugeordnet ist und ein Ausgleichs-Planetenradsystem in einem koaxial zur Hauptachse drehbar gelagerten Umlaufgehäuse angeordnet ist. Durch die Kopplung des antriebsseitigen und des abtriebssei­ tigen Planetenradsystemes über die Zentralwelle und die Kopp­ lung dieser beiden Planetenradsysteme mit dem Ausgleichs- Planetenradsystem ergibt sich eine Drehmomentverzweigung. Ein Blockieren des Getriebes kann somit ausgeschlossen werden. Darüber hinaus besteht aber auch die Möglichkeit, bei einem gleichbleibenden Drehmoment auf der Antriebsseite das Getrie­ be durch die Freigabe einer Bremse stufenlos von Stillstand bis auf eine dem Lastmoment entsprechende Drehzahl hochzufah­ ren.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß durch die bremsbedingten Reibungsverluste der Wirkungsgrad herabgesetzt wird. Die Anordnung von drei Planetenradsystemen mit den ent­ sprechenden, konstruktiv bedingten Anordnungen führt überdies zu einer aufwendigen, voluminösen Konstruktion.

Aus der DE 38 06 292 A1 ist eine Lösung bekannt, bei der ein auf einer treibenden Welle angeordnetes Sonnenrad ein Plane­ tenrad antreibt, das mit einem weiteren Planetenrad fest ver­ bunden ist. Dieses zweite Planetenrad steht mit einem auf ge­ triebener Welle angeordneten, weiteren Sonnenrad in Kämmein­ griff. Die beiden miteinander verbundenen Planetenräder sind mit einer Achse auf einem als Umlaufkörper dienenden Träger angeordnet. Dieser ist drehbar auf der angetriebenen Welle gelagert.

In einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Lösung wird das Antriebsmoment über einen Tragkörper auf die Planetenräder übertragen. Der Umlaufkörper ist als Hohlrad ausgebildet, das mit den Planetenrädern in Eingriff steht. Die Umlaufgeschwin­ digkeit des Umlaufkörpers beeinflußt ein Stellgetriebe. Von der Antriebswelle wird über eine Zahnradpaarung ein Drehmo­ ment auf das als Reibradgetriebe ausgebildete Stellgetriebe übertragen. Durch das Reibradgetriebe wird die Drehzahl ein­ gestellt und über ein Schneckenradgetriebe dem Umlaufkörper mitgeteilt. Das heißt, der Umlaufkörper wird abgebremst oder die Drehzahl des Stellgetriebes gezielt verändert. Auf diese Weise kann die Drehzahl auf der Abtriebsseite des Getriebes eingestellt werden.

Auch bei dieser Lösung sind die beträchtlichen Wirkungs­ gradverluste nachteilig, die hier insbesondere durch das Reibradgetriebe bzw. das Abbremsen des Umlaufkörpers verursacht werden.

Allen herkömmlichen getrieblichen Lösungen, die grundsätzlich auf der äußeren Einwirkung auf eines der drei Glieder der Drehmomentverzweigung beruhen, haftet der Nachteil an, daß der Drehmomentzweig, in den von außen zur Drehzahlverstellung des Getriebes eingegriffen wird, im Kraftfluß des Getriebes liegt. Damit müssen Kräfte, d. h. Drehmomente, wie z. B. Bremskräfte, zu der Veränderung des betreffenden Drehmomen­ tenzweiges und damit der Getriebedrehzahl eingebracht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Umlaufrä­ dergetriebe der eingangs genannten Art zu verbessern, derart, daß die stufenlose Drehzahlverstellung praktisch ohne Wir­ kungsgradverluste hinsichtlich der Drehmomentübertragung zwi­ schen Antriebs- und Abtriebsseite des Getriebes erreicht wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Drehzahlverstellungen von Umlaufrädergetrieben sollen keine Drehmomente in den Kraft­ fluß des Getriebes zur Drehzahlverstellung eingeleitet bzw. vom Kraftfluß abgezweigt werden.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei einem Umlaufrädergetriebe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Planetenrad auf einer Flankenlinie sowohl mit dem ei­ nen, einem drehmomentübertragenden Planetenradgetriebeteil, als auch mit einem weiteren Zahnrad in Kämmeingriff ist, das kleiner ist als das auf der gleichen Flankenlinie mit dem Planetenrad kämmende, drehmomentübertragende Planetenradge­ triebeteil, und das exzentrisch zur Hauptachse auf einer Kur­ belachse drehbar gelagert ist, die über eine Kurbel der Ab­ triebswelle zugeordnet ist, wobei das verbleibende, nicht­ drehmomentübertragende Planetenradgetriebeteil Stellorgan ei­ nes Drehzahl-Stellantriebes ist.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß zur Drehzahl­ einstellung des Getriebes nicht in den Kraftfluß des Umlauf­ rädergetriebes eingegriffen wird. Der Drehzahl-Stellantrieb muß lediglich eine minimale Kraft zur Überwindung der inneren Reibung des Getriebes für die Drehzahleinstellung aufbringen.

Die Erfindung ermöglicht es, die Drehzahl der Abtriebswelle außerordentlich exakt einzustellen, da im Gegensatz zu her­ kömmlichen Drehzahlverstellungen, bei denen schwer quantifi­ zierbare Größen, wie zum Beispiel Reibkräfte, Einfluß nehmen, hier eine direkte und reproduzierbare Beziehung zwischen der Drehzahl des Drehzahl-Stellantriebes und der Drehzahl der Ab­ triebswelle vorhanden ist. Der Verstellbereich ist sehr groß und kann von der Nenndrehzahl bis auf den Wert Null vermin­ dert werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das Umlaufrädergetriebe nach der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und einer zugehö­ rigen Zeichnung näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 ein Umlaufrädergetriebe in Schnittdarstellung mit dargestelltem Kraftfluß in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt A-A nach Fig. 1, und

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung des Getriebeschemas des Umlaufrädergetriebes nach Fig. 1.

Wie aus Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 2 hervorgeht, ist koa­ xial zu einer fiktiven Hauptachse 1 eine Sonnenradwelle 2 an­ geordnet, die getriebeseitig ein Sonnenrad 3 trägt und auf der anderen Seite ein Stellantriebsrad 4 des Drehzahl- Stellantriebes aufweist. Das Stellantriebsrad 4 steht mit ei­ nem hier nicht dargestellten Antrieb für die Drehzahlverstel­ lung in Verbindung.

Ebenfalls koaxial zur Sonnenradwelle 2 ist ein Hohlrad 5 als Teil des das Sonnenrad 2 aufweisenden Planetenradgetriebes angeordnet, wobei die Sonnenradwelle 2 zentrisch und drehbar in einer Nabe 6 des Hohlrades 5 gelagert ist. Drehfest auf der Nabe 6 ist ein Koppelrad 7 angeordnet, das über ein An­ triebsrad 8 mit einer Antriebswelle 9 verbunden ist, wobei das Umlaufrädergetriebe über diese Antriebswelle 9 mit dem zu übertragenden Drehmoment beaufschlagt wird.

In einem inneren Zahnkranz 10 des Hohlrades 5 läuft minde­ stens ein Sub-Planetenrad 11.1, das Teil eines vorzugsweise zweiteiligen Planetenrades 11 ist. Das Planetenrad 11 besteht aus den fest miteinander verbundenen Sub-Planetenrädern 11.1 und 11.2 und ist drehbar auf einer Planetenradachse 11.3 ge­ lagert. Das andere Sub-Planetenrad 11.2 greift in eine Innen­ verzahnung (Zahnkranz) 14 ein, der in einen Innenring eines Wälzlagers 13 eingepaßt ist. Das Wälzlager 13 wiederum ist in einem Hohlradträger 15 aufgenommen.

Wesentlich hierbei ist, daß der Eingriff der Sub- Planetenräder 11.1 und 11.2 in das Hohlrad 5 bzw. in den Zahnkranz 14 auf der gleichen Flankenlinie erfolgt. Das be­ deutet, daß die Zahnradpaarungen der hinsichtlich ihrer geo­ metrischen Abmessungen gleichen Sub-Planetenräder 11.1 und 11.2 in axialer Richtung gesehen deckungsgleich angeordnet sind.

Wie insbesondere auf Fig. 2 deutlich wird, ist der Körper des Hohlradträgers 15 koaxial zur Hauptachse 1 gelagert, die In­ nenverzahnung (Zahnkranz) 14 jedoch in Verbindung mit dem Wälzlager 13 exzentrisch zur Hauptachse 1 angeordnet, so daß sich im Prinzip ein auf einer exzentrischen Achse angeordne­ tes weiteres Hohlrad ergibt, das über eine Kurbel, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den Hohlradträger 15 realisiert ist, mit der Abtriebswelle 16 fest verbunden ist. Ein Abstand a zwischen einer Kurbelachse 20 und der Hauptach­ se 1 ist das Naß für die Exzentrizität des zweiten Hohlrades, gebildet durch die frei drehbare, exzentrisch in dem Hohl­ radträger 15 gelagerte Innenverzahnung 14. Die Planetenrad­ achse 11.3 ragt durch eine Bohrung 17 des Hohlradträgers 15 hindurch nach außen und ist in einem drehbar auf der Ab­ triebswelle 16 gelagerten Stützring 19 befestigt.

In einem anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist der Drehzahl-Stellantrieb dem Hohlrad 5 des Plane­ tenradgetriebes und der das zu übertragenden Drehmoment in das Umlaufrädergetriebe einleitende Antrieb mit dem Sonnenrad 2 verbunden. In diesem Fall gelangt die Innenverzahnung (Zahnkranz) 14 dann allerdings nicht mehr (wie in Fig. 3 ge­ zeigt) von unten her mit dem zweiten Sub-Planetenrad 11.2 in Kämmeingriff, sondern (flankengleich zum Sonnenrad 3) um 180° versetzt von oben her unter entsprechender Veränderung der Kurbelverhältnisse.

Zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung:
In Fig. 1 sind Pfeile eingetragen, die den Kraftfluß durch das Umlaufrädergetriebe erläutern sollen. Zur Erläuterung wird ferner auf Fig. 3 verwiesen.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die An­ triebswelle 9 mit einer konstanten Drehzahl angetrieben und vermittelt ihr Drehmoment dem Hohlrad 5 des Planetenradge­ triebes. Das Hohlrad 5 kämmt das Sub-Planetenrad 11.1, das wiederum mit dem Sonnenrad 3 in Kämmeingriff ist. Wenn das Sonnenrad 3 nicht angetrieben wird, hat es keinen Einfluß auf die Getriebeübersetzung. Das Drehmoment wird nun von dem Hohlrad 5 auf das Sub-Planetenrad 11.1 und weiter in umge­ kehrter Richtung vom gleich großen Sub-Planetenrad 11.2 auf das zweite, kleinere Hohlrad (Innenverzahnung) 14 übertragen.

Wie oben beschrieben, erfolgt die Übertragung des Drehmomen­ tes auf der gleichen Flankenlinie, so daß beide Sub- Planetenräder 11.1 und 11.2 einen einseitigen Doppelhebel bilden. Unter dieser Bedingung ist es möglich, das Sub- Planetenrad 11.1 im Hohlraum 5 langsamer umlaufen zu lassen, ohne daß in den Drehmomentenfluß eingegriffen wird. Das Sub- Planetenrad 11.1 dreht sich nun entsprechend der gegebenen Übersetzungsverhältnisse um seine eigene Achse und wird gleichzeitig innerhalb des Hohlrades 5 auf einer kreisförmi­ gen Umlaufbahn bewegt. Die gleichen Bewegungen muß auch das mit dem Sub-Planetenrad 11.1 fest verbundene Sub-Planetenrad 11.2 ausführen. Dieses gibt die Bewegung an den Zahnkranz 14 weiter. Der Zahnkranz 14 mit dem Innenring des Wälzlager 13 dreht sich somit um seine eigene Achse, die Kurbelachse 20, und bewegt sich gleichzeitig auf einer kreisförmigen, auf die Hauptachse 1 bezogene Umlaufbahn im Abstand A um die Ab­ triebswelle 16. Diese kreisende Umlaufbewegung ist gleichzei­ tig die Abtriebsdrehzahl des Umlaufrädergetriebes.

Wird die Sonnenradwelle 2 nicht angetrieben, d. h. die Dreh­ zahl-Verstelleinrichtung ist außer Betrieb, so wirkt das Um­ laufrädergetriebe als Übersetzungsgetriebe mit dem durch die Dimensionierung vorgegebenen Übersetzungsverhältnis. Das Ge­ triebe ist dabei kraft- und formschlüssig. Mit steigender Drehzahl der Sonnenradwelle 2 verringert sich die Drehzahl der Abtriebswelle 16, so daß diese stufenlos bis zum Still­ stand gebracht werden kann. Ist der drehmomentübertragende Antrieb nach der weiteren, vorstehend erläuterten und hier nicht dargestellten Ausführungsform der Sonnenradwelle 2 zu­ geordnet, so erfolgt der Kraftfluß dann über das Sonnenrad 3, das Planetenrad 11 zum Hohlrad 14. Der erfindungsgemäße, durch den flankengleichen Eingriff des Planetenrades 11 mit dem Sonnenrad 3 und dem (bezogen auf Fig. 3 oberen) Bereich des Hohlrades 14 erfolgt dann in entgegengesetzter Richtung. Das Drehmoment wird durch das exzentrisch gelagerte Hohlrad abgenommen und auf die Abtriebswelle 16 übertragen.

Natürlich ist auch eine kinematische Bewegungsumkehr möglich, d. h., daß die Antriebsseite mit der Abtriebsseite vertauscht werden kann.

Claims (6)

1. Umlaufrädergetriebe mit stufenloser Drehzahlverstellung, mit einem Planetenradgetriebe auf einer Hauptachse, das als Planetenradgetriebeteile ein drehbar auf einer koaxial zur Hauptachse vorgesehenen Eingangswelle angeordnetes Hohlrad sowie ein fest auf der Eingangswelle angeordnetes Sonnenrad aufweist, mit einem Planetenrad in Kämmeingriffen mit dem Hohl- und Sonnenrad und mit einer Abtriebswelle koaxial zur Eingangswelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenrad (11) auf einer Flankenlinie sowohl mit dem einen, ein Drehmo­ ment übertragenden Planetenradgetriebeteil als auch mit einem weiteren Zahnrad (14) in Kämmeingriff ist, das kleiner ist als das auf der gleichen Flankenlinie mit dem Planetenrad (11) kämmende, drehmomentübertragende Planetenradgetriebeteil und das exzentrisch zur Hauptachse auf einer Kurbelachse (20) drehbar gelagert ist, die über eine Kurbel (15) der Abtriebs­ welle (16) zugeordnet ist, wobei das verbleibende, nicht­ drehmomentübertragende Planetenradgetriebeteil Stellorgan ei­ nes Drehzahl-Stellantriebes ist.

2. Umlaufrädergetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das drehmomentübertragende Planetenradgetriebeteil das Hohlrad (5) ist, mit dem ein Drehmomentantrieb (7, 8, 9) verbunden ist, während das nicht-drehmomentübertragende Pla­ netenradgetriebeteil das Sonnenrad (3) als Stellorgan des Drehzahl-Stellantriebes (2, 4) ist.

3. Umlaufrädergetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das drehmomentübertragende Planetenradgetriebeteil das Sonnenrad ist, das mit einem Drehmomentantrieb verbunden ist, während das nicht-drehmomentübertragende Planetenradge­ triebeteil das Hohlrad als Stellorgan des Drehzahl- Stellantriebes ist.

4. Umlaufrädergetriebe nach zumindest einem der vorhergehen­ den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plane­ tenrad (11) zweiteilig ausgeführt ist, bestehend aus Sub- Planetenrädern (11.1, 11.2), die, fest miteinander verbunden, auf einer Planetenradachse (11.3) drehbar gelagert sind.

5. Umlaufrädergetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Lagerung des Planetenrades (11) die Planetenra­ dachse (11.3) einseitig durch eine Bohrung (17) eines Hohl­ radträgers (15) nach außen ragt und fest in einem Stützring (19) aufgenommen ist, der seinerseits drehbar auf der Hauptachse (1) gelagert ist.

6. Umlaufrädergetrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Sub-Planetenrad (11.1) mit einer Innenver­ zahnung (10) des Hohlrades (5) und das zweite Sub-Planetenrad (11.2) mit einer Innenverzahnung (14) kämmt, die in einen In­ nenring eines Wälzlagers (13) eingepaßt und exzentrisch zur Hauptachse (1) durch den Hohlradträger (15) gelagert ist.