DE69406054T2 - Integrierte spielfreie Motor-Getriebe-Einheit - Google Patents

Integrierte spielfreie Motor-Getriebe-Einheit

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft generell Motoren und betrifft insbesondere eine integrierte Getriebe-Motor- Anordnung, in der zwei Motoren und zwei Getriebeanordnungen enthalten sind und die ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment bei minimalem Spiel zur Verwendung in Präzisionsservosystemen bereitstellt.
  • In der Vergangenheit sind hydraulisch gesteuerte Antriebssysteme dazu verwendet worden, ein Antriebssystem bereitzustellen, das einen großen Drehmomentbetrag erzeugt. Solche Antriebssysteme werden bspw. bei Antennensteuersystemen verwendet. Die hydraulischen Antriebssysteme erzeugen inhärenterweise nur ein geringes oder kein Spiel und sind daher genau, wenn sie dazu verwendet werden, die Ausrichtung einer Antenne zu steuern. Herkömmliche hydraulische Antriebssysteme neigen jedoch zu Leckagen, was definitiv einen Nachteil darstellt.
  • Frühere spielarme bzw. spielfreie Antriebssysteme mit Elektromotor erforderten zwei unabhängige Motoren, die auf eine Antriebsanordnung wirken. Das einzige bekannte elektrische Antriebsgerät in einer einzelnen Anordnung, das für Anwendungen mit geringem Spiel entwickelt worden ist, ist ein Motor mit Direktantrieb zur Drehmomenterzeugung. Dieses Gerät stellt jedoch nur ein begrenztes Ausgangsdrehmoment bereit. Ein spielfreier Antrieb mit zwei koaxialen Wellenantrieben ist in der SU-A-727 919 offenbart.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein integriertes elektrisches Getriebe-Motor-System bereitzustellen, in dem zwei Motoren und zwei Getriebeanordnungen enthalten sind, die in einem einzelnen Gehäuse integriert sind, wobei die Anordnung ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment und minimales Spiel bereitstellt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein integriertes Getriebe-Motor-System anzugeben, das entweder zwei Elektromotoren oder zwei Luftmotoren sowie zwei Getriebeanordnungen enthält, die in einem einzelnen Gehäuse integriert sind.
  • Erfindungsgemäß wird ein Getriebe-Motor-System angegeben, wie es nachstehend im Anspruch 1 angegeben ist.
  • Um die obigen und weitere Aufgaben zu lösen, wird ein integriertes Getriebe-Motor-System bereitgestellt, das ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment beim minimalem Spiel erzeugt. Das System kann bspw. elektrische Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren oder Druckluftmotoren enthalten. Bei einer Ausführungsform verwendet das System zwei axial montierte Anordnungen aus einem Elektromotor und einem Getriebe. Die zwei Motor- und Getriebe-Anordnungen sind mit konzentrischen zum Antrieb dienenden Abtriebswellen verbunden und jede Abtriebswelle paßt mit einem jeweiligen Zahnrad einer Anordnung mit verspannten Zahnrädern zusammen. Die Anordnung mit verspannten Zahnrädern ist mit einem Zahnrad der Antriebswelle eines Bauteils gekoppelt, das von der integrierten Getriebe-Motor-Anordnung anzutreiben ist. Ein Tachometer ist zwischen dem ersten Motor und einer Steuereinrichtung angeschlossen, die dazu verwendet wird, die jeweiligen, von den zwei Motoren bereitgestellten Drehmomente zu steuern. Durch Modulieren des relativen, von den zwei Motoren bereitgestellten Drehmomentbetrages entfernt die Anordnung mit verspannten Zahnrädern das Spiel aus den Getriebe- Anordnungen und den Zahnradübergängen zu der Antriebswelle des anzutreibenden Bauteils Das System führt dies als eine integrierte Anordnung aus und ist dazu ausgelegt, eine herkömmliche einzelne Getriebe-Motor-Anordnung oder Hydraulikmotoranordnung zu ersetzen. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Elektromotoren durch Luftmotoren ersetzt.
  • Genauer gesagt kann die Getriebe-Motor-Anordnung einen Teil eines Antriebssystems zum Antreiben eines abtriebsseitigen Bauteils bilden. Das Antriebssystem umfaßt einen ersten und einen zweiten Motor mit einer ersten bzw. einer zweiten Abtriebswelle. Eine erste Getriebeanordnung ist mit der ersten Abtriebswelle des ersten Motors gekoppelt und weist eine erste, zum Antrieb dienende Abtriebswelle auf. Eine zweite Getriebeanordnung ist mit der zweiten Abtriebswelle des zweiten Motors gekoppelt und weist eine zweite, zum Antrieb dienende Abtriebswelle auf, die zu der ersten, zum Antrieb dienenden Abtriebswelle der ersten Getriebeanordnung konzentrisch angeordnet ist. Eine Anordnung mit verspannten Zahnrädern, die einen ersten und einen zweiten Zahnradabschnitt aufweist, ist mit den jeweiligen, zum Antrieb dienenden Abtriebswellen der ersten und der zweiten Getriebeanordnung gekoppelt. Der erste und der zweite Zahnradabschnitt sind mittels eines Antriebszahnrades mit dem abtriebsseitigen Bauteil gekoppelt.
  • Das Antriebssystem kann ferner einen Lagesensor aufweisen, der mit dem Antriebszahnrad gekoppelt ist, um ein Lage- Ausgangssignal bereitzustellen, das die relative Winkellage des Antriebszahnrades angibt und das dazu verwendet wird, den Drehmomentbetrag zu steuern, der von dem Antriebssystem bereitgestellt wird. Ein Tachometer ist mit einem ausgewählten Motor gekoppelt und ist dazu ausgelegt, ein Winkelgeschwindigkeits- Ausgangssignal bereitzustellen, das dazu verwendet wird, den Drehmomentbetrag zu steuern, der von dem Motorsystem bereitgestellt wird. Eine Steuerschaltung ist mit dem Tachometer, dem Lagesensor und mit jedem der Motoren gekoppelt, um den Betrag des Drehmomentes zu steuern, das dem abtriebsseitigen Bauteil von dem Antriebssystem bereitgestellt wird, und zwar in Antwort auf das Lage- und das Geschwindigkeits-Ausgangssignal.
  • Das Antriebssystem stellt daher eine einzelne integrierte Anordnung bereit, die dazu ausgelegt ist, das Spiel eines Getriebezuges zu eliminieren. Das Motorsystem enthält die zwei Motoren und die zwei Getriebeanordnungen in einer einzelnen Anordnung, wodurch Gewichts- und Raumanforderungen vermindert werden. Die Konstruktion erlaubt das Nachrüsten der dualen Motor- und Getriebe-Anordnung in existierenden Antriebssystemen mit einem einzelnen Motor. Herkömmliche spielarme Systeme, die Motoren zur Drehmomenterzeugung verwenden, können nicht das Ausgangsdrehmoment der vorliegenden Getriebe-Motor-Anordnung bereitstellen.
  • Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugsziffern gleiche strukturelle Elemente bezeichnen, und in der:
  • Fig. 1 eine ausgeschnittene Seitenansicht eines Antriebssystems mit einer integrierten Getriebe-Motor-Anordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Anordnung zwei Motoren und zwei Getriebeanordnungen enthält, die ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment bei minimalem Spiel bereitstellen; und
  • Fig. 2 einen Steuerschaltkreis zeigt, der in dem Antriebssystem von Fig. 1 eingesetzt wird.
  • Fig. 1 zeigt eine ausgeschnittene Seitenansicht eines Antriebssystems 10 mit einer integrierten Getriebe-Motor- Anordnung 11 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die integrierte Getriebe-Motor-Anordnung 11 enthält zwei Motoren und zwei Getriebeanordnungen, um das von dem System 10 erzeugte Spiel zu minimieren. Die integrierte Getriebe-Motor- Anordnung 11 umfaßt ein Gehäuse 24, das aus Metall oder Kunststoff oder dgl. bestehen kann. Ein erster Motor 12, der bspw. aus einem Elektromotor ähnlich einem Elektromotor vom Typ 3439129 bestehen kann, der von MPC hergestellt wird, weist eine abtriebsseitige Welle 16 auf, die mit einer ersten Getriebeanordnung 13 gekoppelt ist. Die erste Getriebeanordnung 13 kann bspw. eine Getriebeanordnung vom Typ 3439129 sein, wie sie von MPC hergestellt wird. Die erste Getriebeanordnung 13 weist eine erste abtriebsseitige Welle 18 auf, die gegenüber einer Öffnung 25 in dem Gehäuse 24 vorsteht. Die erste abtriebsseitige Welle 18 der ersten Getriebeanordnung 13 hat einen ersten Durchmesser, der z.B. 9,52 mm (0,375 Zoll) betragen kann. Der erste Motor 12 kann alternativerweise aus einem Luftmotor bestehen.
  • Ein zweiter Motor 14, der bspw. aus einem Elektromotor bestehen kann, und der für die vorliegende Erfindung einzigartig ist, ist mit einer zweiten Getriebeanordnung 15 mittels einer zweiten abtriebsseitigen Welle 17 gekoppelt. Der zweite Motor 14 kann alternativerweise aus einem Luftmotor bestehen. Die zweite Getriebeanordnung 15 ist ebenfalls einzigartig für die vorliegende Erfindung und ist dazu ausgelegt, mit dem zweiten Motor 14 zusammenzupassen und mit dem ersten Motor 13 und dessen abtriebsseitiger Welle 18 zusammenzuwirken. Die Einzigartigkeit des zweiten Motors 14 bezieht sich auf eine Öffnung 26 in seiner Mitte, die es erlaubt, daß die erste abtriebsseitige Welle 18 des ersten Motors 12 hierdurch vorsteht, und in seiner abtriebsseitigen Welle 17. Die Einzigartigkeit der zweiten Getriebeanordnung 15 bezieht sich auf eine Öffnung 28 in ihrer Mitte, die es erlaubt, daß die erste und die zweite abtriebsseitige Welle 17, 18 hierdurch vorstehen.
  • Die zweite Getriebeanordnung 15 weist eine zweite abtriebsseitige Welle 19 auf, die ebenfalls gegenüber der Öffnung 25 in dem Gehäuse 24 vorsteht. Die zweite abtriebsseitige Welle 19 der zweiten Getriebeanordnung 15 ist in der Form eines Rohrs mit einem Innendurchmesser gebildet, durch den sich die erste abtriebsseitige Welle 18 erstreckt. Die zweite abtriebsseitige Welle 19 der zweiten Getriebeanordnung 15 weist einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser der ersten abtriebsseitigen Welle 18 der ersten Getriebeanordnung 13 und der bspw. 9,83 mm (0,387 Zoll) betragen kann. Der Außendurchmesser der abtriebsseitigen Welle der zweiten Getriebeanordnung 15 kann bspw. 19 mm (0,75 Zoll) betragen.
  • Die erste und die zweite abtriebsseitige Welle 18, 19 der Getriebeanordnungen 13, 15 können sich frei drehen, ohne sich gegenseitig zu stören. Der zweite Motor 14 ist ebenfalls von der ersten Getriebeanordnung 13 getrennt und weist in seiner Mitte die Öffnung 26 auf, durch die die erste abtriebsseitige Welle 18 der ersten Getriebeanordnung 13 vorsteht.
  • Die zwei abtriebsseitigen Wellen 18, 19 der ersten und der zweiten Getriebeanordnung 13, 15 sind konzentrisch zueinander angeordnet und jede abtriebsseitige Welle 18, 19 paßt mit einem jeweiligen Zahnrad 21, 22 einer Anordnung 20 mit verspannten Zahnrädern zusammen. Die Anordnung 20 mit verspannten Zahnrädem ist mit einem Antriebszahnrad 29 einer Antriebswelle 27 eines abtriebsseitigen Bauteils 30 gekoppelt, das von der integrierten Getriebe-Motor-Anordnung 11 oder dem Antriebssystem 10 anzutreiben ist. Ein Tachometer 23 ist an einem Ende des Gehäuses 24 angeordnet und ist mit dem ersten Motor 12 gekoppelt. Der Tachometer 23 kann bspw. aus einem Tachometer bestehen, wie er an dem Motor vom Typ 3439129 verwendet wird, der von MPC hergestellt wird. Der Tachometer 23 ist ebenfalls mittels einer Steuereinrichtung 31 mit internen Steuerschaltungen von jedem der Motoren 12, 14 gekoppelt und ist dazu ausgelegt, den Betrag des von diesen erzeugten Drehmomentes zu steuern, das an das abtriebsseitige Bauteil 30 gekoppelt wird.
  • Fig. 2 zeigt einen Steuerschaltkreis mit der Steuereinrichtung 31, der in dem Antriebssystem 10 von Fig. 1 verwendet wird. Die Steuereinrichtung 31 ist zwischen dem Tachometer 23 und internen Steuerschaltungen der Motoren 12, 14 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 31 umfaßt eine Wechselspannungsquelle 33, die mit jedem der Motoren 12, 14 gekoppelt ist. Ein Lage-Decodierer 32 ist mittels eines optionalen ersten phasenempfindlichen Detektors 34 mit einer formenden Verstärkerschaltung 35 gekoppelt. Die formende Verstärkerschaltung 35 umfaßt einen formenden ("forming") Verstärker 36 und ein erstes und ein zweites Filter 37, 38, die jeweils einen Widerstand und einen Kondensator aufweisen. Der Ausgang des formenden Verstärkers 36 ist mit einem Eingang eines Summierverstärkers 41 gekoppelt, dessen Ausgang mittels eines ersten Steuerverstärkers 42 mit der internen Steuerschaltung des ersten Motors 12 gekoppelt ist. Der zweite Eingang des Summierverstärkers 41 ist angeschlossen, um ein Drehmomentvorbelastungs- Eingangssignal entgegenzunehmen, das von einer Drehmomentvorspannungsquelle 46 abgeleitet wird. Das Drehmomentvorbelastungs-Eingangssignal ist eine feststehende Spannung, die eine gewünschte Drehmomentdifferenz zwischen den abtriebsseitigen Wellen 18, 19 des ersten und des zweiten Motors 12, 14 erzeugt. Der Ausgang des formenden Verstärkers 36 ist ebenfalls mittels eines zweiten Steuerverstärkers 43 mit der internen Steuerschaltung des zweiten Motors 14 gekoppelt. Der Tachometer 23 ist mittels eines optionalen zweiten phasenempfindlichen Detektors 44 und einer dritten Filterschaltung 45 mit dem Eingang der formenden Verstärkerschaltung 35 gekoppelt.
  • Die Steuereinrichtung 31 und das System 10 arbeiten wie folgt und werden unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Im Betrieb und dann, wenn man für die Motoren 12, 14 bspw. Wechselstrommotoren verwendet, werden der erste und der zweite Motor 13, 14 von einer Wechselspannung mit Leistung versorgt, die von einer Wechselspannungsquelle 33 (AC-Power) bereitgestellt wird. Die jedem Motor bereitgestellten Steuerspannungen sind unabhängig voneinander. Ein Lageumsetzer oder -sensor 32, bspw. ein Codierer oder ein Drehmelder, liefern Lagedaten von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Motor 13, 14. Zusätzlich wird der Tachometer 23 dazu verwendet, Geschwindigkeitsdaten von sowohl dem ersten als auch dem Motor 13, 14 über ihre jeweiligen Motorwellen 18, 19 bereitzustellen. Die Lage- und die Geschwindigkeitsdaten werden unter Verwendung von Leistungstechniken kombiniert, um für einen stabilen Betrieb die gesamte Servoschleife zu kompensieren. Dies wird durch den formenden Verstärker 36 und die zugeordneten Komponenten desselben erreicht. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Servokonstruktion wird der Ausgang des formenden Verstärkers auf zwei unabhängige Ausgänge geleitet. Der Steuerverstärker für den zweiten Motor weist eine herkömmliche Servokonstruktion auf, der Ausgang für den zweiten Motor 13 weist jedoch einen zusätzlichen Summierverstärker auf, der einen gewünschten Pegel für das Drehmoment zur Bereitstellung der Spielfreiheit bereitstellt. Das Drehmoment zur Bereitstellung der Spielfreiheit kann jede Polarität besitzen, da ihm immer das Drehmoment von dem zweiten Motor 14 entgegenwirkt. Der erste und der zweite Motor 13, 14 drehen sich zu jeder Zeit mit derselben Geschwindigkeit, da sie durch die Anordnung 20 mit verspannten Zahnrädern miteinander verriegelt sind, die mit dem Antriebszahnrad 28 und der zum Antrieb dienenden Abtriebswelle 27 des Systems gekoppelt ist.
  • Es ist für das System 10 nur ein Tachometer 23 erforderlich, da die Geschwindigkeit von jedem der Motoren 12, 14 identisch ist. Die Geschwindigkeiten sind dieselben, da die abtriebsseitigen Wellen 18, 19 der Motoren 12, 14 mittels des Antriebszahnrades 29 miteinander verriegelt sind. Die von den jeweiligen Motoren 12, 14 erzeugten Drehmomente unterscheiden sich im Vorzeichen, da statistisch jedes das andere ausgleicht.
  • Obwohl die obige Beschreibung auf die Verwendung von Gleichstrommotoren 12, 14 fokussiert ist, versteht sich, daß alternativerweise Gleichstrommotoren und Luftmotoren verwendet werden können, je nach Situation und Anwendung. Es versteht sich demgemäß, daß die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ von Motor oder Steuereinrichtung 31 begrenzt ist.
  • Das Antriebssystem 10 der vorliegenden Erfindung verwendet somit axial montierte Motoren 12, 14 und Getriebeanordnungen 13, 15. Die zwei Motoren 12, 14 und Getriebeanordnungen 13, 15 sind an konzentrischen Wellen 18, 19 montiert und jede Welle 18, 19 paßt mit der Anordnung 20 mit verspannten Zahnrädern zusammen. Die Anordnung 20 mit verspannten Zahnrädern ist mit der Antriebswelle 27 des anzutreibenden Bauteils 30 gekoppelt. Der Tachometer 23 ist mit der Antriebswelle 16 des ersten Motors 12 gekoppelt, um Geschwindigkeitsdaten hiervon abzuleiten.
  • Indem das von jedem der zwei Motoren 12, 14 bereitgestellte Drehmoment gesteuert wird, entfernt die Anordnung 20 mit verspannten Zahnrädern das von den Getriebeanordnung 13, 15 erzeugte Spiel und stellt eine Schnittstelle zwischen den Zahnrädem 21, 22 und dem Antriebszahnrad 29 und der Antriebswelle 27 des anzutreibenden Bauteils 30 bereit. Die vorliegende Erfindung vollzieht dies als integrierte Anordnung 11 und ist dazu ausgelegt, einen herkömmlichen einzelnen Getriebe-Motor wie bspw. den Motor vom Typ 3439129 von MPC zu ersetzen.
  • Es ist somit ein neues und verbessertes Antriebssystem beschrieben worden, das eine integrierte Getriebe-Motor-Anordnung aufweist, die zwei Motoren und zwei Getriebeanordnungen enthält, die ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment bei minimalem Spiel bereitstellen. Es versteht sich, daß im Rahmen der beigefügten Ansprüche Modifikationen möglich sind.

Claims (9)

1. Getriebe-Motor-System (11) zum Antreiben eines abtriebsseitigen Bauteils (30), wobei das Motorsystem (11) aufweist:
einen ersten Motor (12) mit einer ersten Abtriebswelle (16);
eine erste Getriebeanordnung (13), die mit der Abtriebswelle (16) des ersten Motors (12) gekoppelt ist und die eine erste, zum Antrieb dienende Abtriebswelle (18) aufweist;
einen zweiten Motor (14) mit einer zweiten Abtriebswelle (17);
eine zweite Getriebeanordnung (15), die mit der zweiten Abtriebswelle (17) des zweiten Motors (14) gekoppelt ist und die eine zweite, zum Antrieb dienende Abtriebswelle (19) aufweist, die zu der ersten, zum Antrieb dienenden Abtriebswelle (18) der ersten Getriebeanordnung (13) konzentrisch angeordnet ist; und
eine Anordnung (20) mit verspannten Zahnrädern mit einem ersten (21) und einem zweiten (22) Zahnradabschnitt, die mit den jeweiligen, zum Antrieb dienenden Abtriebswellen (18, 19) der ersten und der zweiten Getriebeanordnung (13, 15) gekoppelt sind und wobei der erste (21) und der zweite (22) Zahnradabschnitt mittels eines Antriebszahnrades (29) mit dem abtriebsseitigen Bauteil gekoppelt sind.
2. Motorsystem nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist:
einen Tachometer (23), der mit einem ausgewählten Motor (12) gekoppelt und dazu ausgelegt ist, ein Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal bereitzustellen, das dazu verwendet wird, den Drehmomentbetrag zu steuern, der von dem Motorsystem (11) bereitgestellt wird.
3. Motorsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das weiterhin aufweist:
einen Lagesensor (32), der mit dem Antriebszahnrad (29) gekoppelt ist, um ein Lage-Ausgangssignal bereitzustellen, das die relative Winkellage des Antriebszahnrades (29) angibt und das dazu verwendet wird, den Drehmomentbetrag zu steuern, der von dem Motorsystem bereitgestellt wird.
4. Motorsystem nach Anspruch 3, das weiterhin aufweist:
eine Steuerschaltung (31), die mit dem Tachometer (23), mit dem Lagesensor (32) und mit jedem der Motoren (12, 14) gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung (31) in Antwort auf das Lage- und das Geschwindigkeits-Ausgangssignal den Betrag des Drehmomentes steuert, der dem abtriebsseitigen Bauteil (30) von dem Motorsystem bereitgestellt wird.
5. Antriebssystem (10) mit: einem Gehäuse (24); und
einem Getriebe-Motor-System (11) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste, zum Antrieb dienende Abtriebswelle (18) gegenüber einer Öffnung (25) in dem Gehäuse (24) vorsteht und wobei die zweite, zum Antrieb dienende Abtriebswelle (19) gegenüber der Öffnung in dem Gehäuse (24) vorsteht, wobei die zweite, zum Antrieb dienende Abtriebswelle (19) konzentrisch mit der ersten, zum Antrieb dienenden Abtriebswelle (18) angeordnet ist.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste (12) und der zweite (14) Motor durch Elektromotoren gebildet sind.
7. System nach Anspruch 6, wobei der erste (12) und der zweite (14) Motor durch elektrische Wechselstrommotoren gebildet sind.
8. System nach Anspruch 6, wobei der erste (12) und der zweite (14) Motor durch elektrische Gleichstrommotoren gebildet sind.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste (12) und der zweite (14) Motor durch Druckluftmotoren gebildet sind.
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