WO2014060974A1 - Zahngeometrien für einen harmonic-pin-ring-antrieb - Google Patents

Zahngeometrien für einen harmonic-pin-ring-antrieb Download PDF

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WO2014060974A1
WO2014060974A1 PCT/IB2013/059408 IB2013059408W WO2014060974A1 WO 2014060974 A1 WO2014060974 A1 WO 2014060974A1 IB 2013059408 W IB2013059408 W IB 2013059408W WO 2014060974 A1 WO2014060974 A1 WO 2014060974A1
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pin
ring
teeth
pins
tooth
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Application number
PCT/IB2013/059408
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English (en)
French (fr)
Inventor
Antonius Georg ROSSBERGER
Original Assignee
Tq-Systems Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Tq-Systems Gmbh filed Critical Tq-Systems Gmbh
Priority to EP13826594.7A priority Critical patent/EP2909510B1/de
Publication of WO2014060974A1 publication Critical patent/WO2014060974A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions

Definitions

  • the present application describes inter alia a novel pin-ring gear, an inner ring and an outer ring for such a transmission and a tooth profile, which is suitable for this transmission.
  • the novel pin ring gear is also referred to below as the "harmonic pin ring drive”.
  • US 2009/0139358 discloses a method for creating a tooth profile for a flat Harmony Drive or a wave gear with a flexible inner toothing and a rigid outer teeth. A tooth form for the internal toothing is given and, based on this, a profile for the external toothing is determined.
  • the present application discloses a harmonic pin-ring gear having at least one outer ring with outer teeth and at least one outer ring with internal teeth, and a pin-ring with pins, which have a circular cross-section and a rotor with a transmitter for squeezing the pins of the Pin rings in the teeth of the outer ring and in the teeth of the inner ring.
  • the inner ring, the rotor and the outer ring are arranged concentrically with each other and the transmitter is arranged within the pin ring.
  • the transmitter and the pin ring are disposed between the inner ring and the outer ring, wherein the transmitter deforms the pin ring so that the outer ring and the inner ring rotate relative to each other, wherein the pins of the pin ring alternately in the teeth of the inner ring and in the teeth of the outer ring be pressed.
  • the shape of the teeth of the outer ring and the shape of the teeth of the inner ring is substantially determined by the envelope of the moving pins, wherein each of the pins is in engagement with the internal teeth of the outer wheel or in engagement with the outer teeth of the inner wheel.
  • the harmonic pin-ring gear may further comprise a three-row construction with a first gear pair of inner ring and outer ring and a second gear pair of inner ring and outer ring, wherein the first and the second gear pair in different first and second Layers are arranged, and wherein a transmitter carrier is arranged with a transmitter in a third plane between the plane of the first gear pair and the plane of the second gear pair.
  • the transmitter carrier may in particular be a rotor and the transmitter may in particular be an elliptically shaped rotor flange.
  • This Harmony pin-ring gearbox is particularly suitable for transmitting large torques due to various properties such as the size of the pins, the tooth form and the distance between the inner and outer wheel.
  • the distance between the inner and outer wheel and the pin size can be dimensioned such that the vertex of a pin center of a pin in the movement of the pin from a tooth root into an adjacent tooth root of a perforation of the inner or outer ring substantially on a pitch circle of the each opposite perforation is located.
  • This causes the pin again engages in the one tooth base of an opposing perforation, when the pin is located on a vertex of Pintraj ektorie between two tooth roots of a perforation.
  • the cross-section of the tooth roots may have the shape of a circular section, and in particular be semicircular.
  • the tooth flanks run into the tooth base perpendicular to the pitch circle of the respective perforation. Due to the steep tooth flanks a good lateral grip for torque transmission is given. In addition, this creates no kink in semicircular tooth base.
  • the transmission may be formed such that the pin trajectory of a pin center point of a pin in the movement of the pin from a tooth root into an adjacent tooth root is given by an ellipse section, in particular a half ellipse, the ellipse section extending from a small half axis an opposite semi-minor axis of the ellipse runs. From this track shape, the tooth shape results in a perforation by the envelope of the pins, as described above.
  • the pin trajectory of a pin center point of a pin in the movement of the pin from a tooth root into an adjacent tooth root is given by a section of a sinusoidal circular shape, in particular by half of a sinusoidal circular shape extending from a small half axis an opposite half-axis of the sinusoidal circular form extends.
  • the pintraj ektorie a pin center point of a pin is given in the movement of the pin from a tooth base in an adjacent tooth base substantially by a compressed along an angular coordinate form of the transmitter, the compression factor may be in particular Z / 2, where Z is the number of teeth is.
  • the angle coordinate is to be understood relative to a polar coordinate representation relative to a center of the transmitter / rotor.
  • the root circle of the teeth of the internal gear may be away from the root circle of the teeth of the external gear by substantially twice the circumference of the pins so as to ensure good engagement of the pins with the teeth.
  • the present application discloses an inner ring with an outer toothing suitable for a Harmony Pin Ring gear having the following characteristics:
  • the gear has a pin-ring with pins having a circular cross-section, a rotor with a Transmitter for squeezing the pins of the pin ring into the teeth of the inner ring, wherein the inner ring and the rotor are arranged concentrically to one another.
  • the transmitter is located within the pin ring, with the transmitter deforming the pin ring such that the inner ring rotates relative to an outer ring that is concentric with the inner ring.
  • the inner ring has regularly spaced tooth roots with nikabitessförmigem profile, and arranged between the teeth grounds teeth with a symmetrical profile, wherein the shape of the teeth is essentially determined by the envelope of the moving pins. It should not fall below a predetermined distance of the tooth surface to the envelope, so that the tooth shape follows substantially the envelope.
  • the profile of the tooth bottoms of the inner ring may have the shape of a semicircle and the tooth flanks may run into the tooth base perpendicular to the pitch circle of the perforation.
  • the present application discloses an outer ring having an outer toothing suitable for a Harmony Pin Ring gear having the following characteristics:
  • the gear has a pin-ring with pins having a circular cross-section, and a rotor with a transmitter for squeezing the pins of the pin ring into the teeth of the inner ring.
  • the outer ring and the rotor are concentric with each other, the transmitter is disposed within the pin ring, the transmitter deforming the pin ring so that the outer ring rotates relative to an inner ring concentric with the outer ring.
  • the outer ring has arranged at regular intervals tooth bases with nikabitessförmigem profile, as well as arranged between the teeth grounds teeth with a symmetrical profile, wherein the shape of the teeth is essentially determined by the envelope of the thereby moving pins.
  • the profile of the tooth roots may have the shape of a semicircle and the tooth flanks may enter the tooth base perpendicular to the pitch circle of the respective teeth.
  • the harmonic pin-ring drive (HPRD) is a special, rotationally symmetrical constructed transmission, which is characterized in particular by the following features: very high power density, thus small space stiffness • with very little play
  • Figure 1 shows an exploded view of an HPRD transmission
  • Figure 2 shows a plan view of the transmission of Fig. 1
  • Figure 3 shows a cross section through the transmission of
  • Figure 4 shows a side view of a pin-ring and a
  • FIG. 5 shows a pin track of an HPRD gear
  • FIG. 6 shows an enlarged detail of FIG. 5
  • FIG. 7 shows a cross section through an HPRD with deflection rollers
  • FIG. 8 shows a plan view of the HPRD with deflecting rollers
  • FIG. 9 shows a first tooth geometry of an internal toothing
  • FIG. 10 shows a first tooth geometry of an outer toothing
  • FIG. 11 shows a movement sequence of the pins
  • Figure 12 shows a pin Traj ektorie according to a second
  • FIG. 13 shows the second tooth geometry of the toothing
  • FIG. 14 illustrates a method for determining a gear geometry.
  • a transmitter which tractors a traction means into an outer wheel or inner wheel or inner ring is realized in the present application by a flange of a rotor or by a pair of deflection rollers.
  • the outer wheel correspond to one or more rings or discs with an external toothing designed as an internal toothing.
  • the inner wheel correspond to one or more rings or discs with an external toothing designed as internal teeth.
  • the traction means corresponds to a pin ring.
  • drive side refers to the side from which the rotor 13 is driven and the “driven side” to the side opposite the drive side.
  • FIG. 1 shows a Harmony Pin Ring Drive (HPRD) 10 according to the application.
  • the HPRD has a rotor 13 on which a ball bearing (not shown here) supports it on a housing.
  • a second molded as internal tooth outer toothing 6 'is on a second outer ring shaped, the mannerlie- on a first side of the constricting side into the cylindrical' is used e housing part.
  • a first internal toothing 5 designed as an external toothing is formed on a periphery of an inner ring 7 and is arranged concentrically within the first outer toothing 6. assigns.
  • a second internal toothing 5 'designed as external toothing is formed on a periphery of a second inner ring 7' and arranged concentrically within the second outer toothing 6 '
  • the inner toothing 5, 5 'and the outer toothing 6, 6' are arranged concentrically to a transmission center axis, wherein the inner toothing 5, 5 'is rotatable about the gear center axis.
  • the outer toothing 6, 6 'or the outer and the inner toothing can be rotatable about the transmission center axis, depending on which toothing the output or, in a translation, the drive takes place.
  • a flexible thin-race ball bearing 2 is clamped on a specially shaped flange 4 of the rotor 13.
  • the flange can be formed, for example, as an oval or as a sinusoidal circular shape.
  • a flexible pin-retaining ring 3 is arranged between the flexible thin-race ball bearing 2 and the outer toothing 6, 6 '.
  • the flexible pin-retaining ring 3 has on an inner side grooves for receiving pins 1, which are arranged on the pin-retaining ring 3 at equal intervals and held rigidly by the pin-retaining ring 3.
  • FIG. 2 shows a plan view of the HPRD 10 from an output side and FIG. 3 shows a cross section through the HPRD 10 along the cross-section line A-A.
  • the first inner toothing 5 is supported by a ball bearing on the rotor 13, that for the sake of simplicity in Fig. 2 and 3 is not shown.
  • the second inner toothing 5 ' is attached to the output shaft, also not shown here, which is supported to the outside via ball bearings.
  • the outer one Gearing 6, 6 ' is fixedly mounted on a housing, not shown here.
  • the inner toothing 5, 5 'stationary while the outer toothing 6, 6' forms an output.
  • both the inner toothing 5, 5 'and the outer toothing 6, 6' each form an output.
  • FIG. 4 shows the flexible ball bearing 2 and the pin retaining ring 3 with the pins 1.
  • the pin retaining ring together with the pins 1 is also referred to as a pin ring.
  • the flexible Dünnring- ball bearing has a flexible inner ring 14, a flexible outer ring 23 and balls 26 arranged therebetween.
  • the pins 1 are inserted into receiving grooves 41 of the pin retaining ring 3 and are held by the contact pressure of the pin retaining ring 3 against the thin-ring ball bearing 2.
  • manual assembly may be accomplished by first placing the pin retaining ring around the thin-race ball bearing 2. Subsequently, pins 1 are inserted at widely spaced positions, so that the distance between the thin-race ball bearing 2 and pin retaining ring 3 is defined. Subsequently, the remaining pins are filled in the interstices.
  • Figures 7 and 8 illustrate a pin track 10 and relationships derived therefrom.
  • the pintraj ektorie refers to the movement of a single pin in a predetermined reference frame.
  • the Pintraj ektorie runs along the pin track 10.
  • the perforations are not shown for reasons of clarity.
  • the pin track 10 is formed.
  • This track has a small axis 11 of length 2b and a large axis 12 of length 2a offset at right angles.
  • a is the length of the semi-minor axis and b is the length of the semi-major axis of the ellipse.
  • the small axis and the large axis form the basis of the pitch circles of the toothings 5, 5 'and 6, 6', wherein the minor axis corresponds to a diameter of a pitch circle of the inner toothing 5, 5 'and the major axis corresponds to a diameter of a pitch circle of the teeth outer toothing 6 corresponds.
  • the pitch circle of a perforation runs through the flank lines which delimit the tooth flanks from the tooth root. Assuming certain tooth shapes of the teeth 5, 5 'and 6, 6' can now map the transmission function.
  • the internal toothing 5, 5 ' is held static and rotates the rotor 13, the result is a wave motion of the arrangement of the pins 1.
  • the number of all pins 1 must be two more than the number of teeth of the internal teeth 5, 5 ', or by two less than the number of teeth of the outer teeth 6, 6 'be.
  • the Tooth difference of the teeth 5, 5 'and 6, 6' is thus four. In principle, tooth differences of a multiple of four would also be possible.
  • R denotes the revolution period of the rotor 13
  • F the revolution period of the flex drive 7
  • A the revolution period of the external gear
  • I the revolution period of the internal gear
  • Zi the number of teeth of the internal gears 5, 5 '
  • Za the number of teeth of the outer teeth 6, 6'.
  • the inner wheel and the flex ring rotate in opposite directions to the rotor.
  • the inner wheel rotate in opposite directions and the outer wheel in the same direction to the rotor.
  • each pin track as described above, each offset at right angles a small axis x and a large axis y, the ratio of which corresponds to the number of teeth of the teeth 5, 5 'and 6, 6'.
  • the pitch of the pins 1 used in the pin retaining ring 3 must correspond to the pitch of the teeth 5, 5 'and 6, 6'.
  • the elliptical track is defined by its two half-axes, wherein the semi-minor axis of the pitch radius of the Internal toothing 5, 5 'and the large semi-axis corresponds to the pitch circle radius of the external toothing 6, 6'
  • the sinusoidal circular shape is very similar to the elliptical track and differs only slightly from small differences in axis. It is defined as follows: The central axis of a small circle with diameter according to the half value of the difference between the major axis minus the minor axis rotates on the large circular path of the center circle between the two pitch circles of the teeth 5, 5 'and 6, 6' and thereby rotates during one revolution around the gear center axis twice around its own axis. If one projects a point of the small circle and derives a path therefrom, the sinusoidal superimposed circle forms.
  • the double eccentric track is a special form that can be used, for example, if an elastic deformation of the ball bearing 2 is undesirable or due to a large difference between the two axes of the pin track is no longer possible. In this case, the arrangement of the pins
  • FIGS. 7 and 8 show a plan view of two embodiments of an HPRD with deflecting rollers 15, 15 '.
  • the sectional plane is offset to the rear in the right half, so that the toothings 5 ', 6' become visible.
  • a ball bearing 16 is further shown, on which the guide roller 15 is mounted and a ball bearing 17, on which a disc 18 is mounted, which has the internal teeth 5.
  • elongate shaped adjusting slots 19 are shown. By moving along the adjusting slots 19, the pulleys 15, 15 'can be stretched.
  • the pin track 10 bears against an inner contact area 20 against a pitch circle of the inner toothing 5, and the pin track 10 abuts a pitch circle of the outer toothing 6 at an outer contact area. In an intermediate region 22, the pin track 10 is approximately straight. Overall, there are two inner contact areas 20, two outer contact areas 21 and four intermediate areas, so that the pin track is composed of four circular section-shaped and four straight sections. This pin track 10 is also referred to as a double eccentric pin track 10.
  • the bearing of the pulleys takes in place of the flexible ball bearing described above, the slip of the pin ring relative to the rotor 13.
  • the eccentric offset d is shown in FIG.
  • the pulleys can be made flat and have recesses to keep the weight of the pulleys low.
  • the doctor blade can be shaped so that a contact surface between doctor blade and pin ring extends over several pins.
  • FIGS. 9 and 10 show an embodiment of the tooth geometries for the inner toothing and the outer toothing according to the application.
  • the tooth geometry results from the movement of a pin 1 in a reference system in which the teeth are at rest.
  • the tooth geometry is that around the radius value of the pin 1 offset contour 25 of the running center of the pin 1, which, here on the example of the internal toothing 5, 5 ', in the center of a tooth base 24 starts.
  • the center of a tooth base 24 is located at the intersection of the axis of symmetry 29 of a tooth base 24 with the pitch circle 30 of the internal teeth. 5
  • the Pintraj ektorie 25 cuts halfway exactly the pitch circle 40 of the outer teeth 6, 6 'and at the same time the line of symmetry 27 of the tooth, and in turn runs symmetrically to the previous course to the end point, the center of the adjacent tooth root 24.
  • the tooth shape is through the inner Envelope of the pin profile 28 determined.
  • a top circle 32 of the outer toothing 6 is drawn in to illustrate the spacing of the teeth.
  • FIG. 10 shows the analogous configuration of the teeth of the external gear toothing 6. Elements corresponding to those in FIG. 9 are identified by a reference number shifted by 10. For example, the contour is identified by the reference numeral 35.
  • a design of an HPRD according to the present application comprises the following steps, which are also shown in FIG.
  • the circumference of the ball bearing 2 corresponds to the inner envelope curve of the pins 1 arranged uniformly on the calculated track geometry.
  • the further design of the ball bearing 2, in particular with regard to wall thicknesses and material selection of the bearing inner and outer ring, must be such that they have elasticity and Alternating load over the required period are sufficiently stable.
  • the initial geometry on the rotor flange 4 is the corresponding inwardly offset geometry depending on the cross section of the ball bearing 2 and the diameter of the pin - here, for example, the calculated elliptical track geometry, the values of the half-axes respectively the diameter of the pins 1 and the half of the difference from the outside - And inner diameter of the ball bearing 1 are deducted.
  • the pin retaining ring 3 must be designed so that all pins 1 tangentially on the outer ring of the ball bearing 2 and keeps them evenly distributed.
  • the further design of the pin retaining ring 3, in particular with respect to wall thickness and material selection must be done so that they are sufficiently stable in terms of elasticity and alternating load over the required duration.
  • the tooth shape can be determined by means of the main normal vector of the accompanying tripod as follows.
  • a tangential vector to the orbit is given by:
  • This vector is to be normalized on the radii of the pin and added to a point of the pintraj ektorie in order to obtain a point on the tooth geometry or on the inner envelope of the pins from a point of the pintraj ektorie.
  • the vector normalized to 1 is also called the main normal vector of the traj ectorie.
  • the za. nform is through the endpoints determines the normal vectors normalized to the radius of the pins. These endpoints describe an equidistant of the pintraj ectorie at the distance of the pin radius. For self-intersections of the curve, the curve section furthest from the pintraj ektorie should be chosen.
  • boundary conditions for example supporting points, are derived from the pin trajectory, in order to determine a pintraj ectorie therefrom.
  • the tooth shape can then be determined from this type of pintra, for example using the main normal vector.
  • a determination of the tooth profile according to the application can be made as follows with reference to FIGS. 9 and 10.
  • Semicircular tooth roots are arranged at a distance of the pitch angle whose radius corresponds to the pin radius.
  • Two interpolation points are determined by the circle centers of two adjacent tooth bases.
  • Another interpolation point is determined by the intersection of the midline between the adjacent tooth roots with a perimeter about the rotor axis, the perimeter marking the maximum deflection of the pins.
  • one half of an ellipse, a parabola, or another quadratic polynomial can be placed through these three vertices.
  • an ellipse half of the tooth shape runs vertically into the tooth base, so that no kink arises at this point.
  • the long axis of the ellipse is oriented along the symmetry axis between the adjacent tooth bottoms so that the vertices th corresponding to the semi-minor axes and an end point of a large semi-axis.
  • the tooth form shown in FIGS. 9 and 10 is particularly suitable for pins that are so large that the track swept by the circular cross-sections of the pins overlaps with itself, as shown in FIGS. 9 and 10. This is especially the case when the diameter of the pins is comparable to the half pin stroke.
  • the Pinhub is in Fig. 9, the distance between the pitch circle 40 of the outer toothing and the pitch circle 30 of the inner toothing.
  • the teeth of the outer ring 6 are arranged so close to each other, so that the distance of two radially opposite tooth bottoms corresponds approximately to twice the circumference of the pins. Among other things, this ensures that all pins are constantly engaged.
  • the pin 1 is pressed into an opposite tooth base when it is above the tip of a tooth. This situation is shown in FIG. In Fig. 11, a direction of movement of the inner ring 5 is indicated by an arrow 43, a direction of movement of the outer ring by an arrow 42 and a movement of a pin 1 from tooth base to tooth bottom by arrows 44 schematically.
  • the tooth shape is determined quasi experimentally with the aid of a suitable CAD simulation program. Accordingly, a parameterized curve is specified for the tooth form above a semicircular tooth base. The parameters of this curve are then adjusted until, in the CAD simulation, the largest distance of a pin from the surface of a tooth during the movement of a tooth To the tooth base to the next a predetermined threshold, such as 10 ⁇ , does not exceed.
  • a predetermined threshold such as 10 ⁇
  • the parameters can also be adjusted so that for all pins the greatest distance from a surface of a nearest tooth during a period of the CAD simulation does not exceed a predetermined threshold value, such as 10 ⁇ . This ensures that each of the pins is in contact with one of the teeth at all times.
  • r 0 - r ep is the radius of the small envelope circle and r o + r ep is the radius of the large envelope circle.
  • the sinusically superimposed circular form is also obtained by a Taylor expansion of the ellipse equation according to the square of the eccentricity up to the first power. From this one obtains:
  • the trajectory of the pins in polar coordinate representation now results from the following consideration.
  • T is the period of revolution of the rotor 13
  • r (t) results in the pin track.
  • a pin 1 travels from one tooth root to the next within half a revolution of the rotor 13. So t goes through the values 0 to T / 2 within the division angle.
  • the angular velocity of the pins is constant to a good approximation. For an even more accurate approximation, a sinusoidally oscillating correction term in the angular velocity is to be taken into account, which, however, accounts for only a few percent in the teeth number ratios considered above.
  • FIG. 11 A part of this Pintraj ektorie and the associated movement of the pins is shown in Figure 11 for an elliptical transmitter form.
  • the envelope curve of the pins was calculated numerically using the main normal vector. This envelope defines the tooth geometry.
  • the length units in FIGS. 11 and 12 are chosen to be the same in arbitrary units but for both axes. In these units, the pin radius for Fig. 12 is greater than one and for Fig. 13 is one.
  • the flanks of the tooth base have a pitch less than 90 degrees.

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Abstract

Die vorliegende Beschreibung offenbart ein Harmonic-Pin-Ring Getriebe, das mindestens einen Innenring (7) mit Außenverzahnung und mindestens einen Außenring (9) mit Innenverzahnung aufweist, sowie einen Pin-Ring (3) mit Pins, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und einen Rotor mit einem Transmitter (4) zum Rakeln der Pins des Pin-Rings (3) in die Zähne des Außenrings und in die Zähne des Innenrings. Die Form der Zähne des Außenrings (9) und die Form der Zähne des Innenrings (7) ist im Wesentlichen durch die Hüllkurve der sich dabei bewegenden Pins (1) festgelegt, wobei jeder der Pins (1) im Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrads (9) oder im Eingriff mit der Außenverzahnung des Innenrads (7) ist.

Description

ZAHNGEOMETRIEN FÜR EINEN HARMONIC-PIN-RING-ANTRIEB
Die vorliegende Anmeldung beschreibt unter anderem ein neuartiges Pin-Ring-Getriebe, einen Innenring und einen Außenring für ein solches Getriebe sowie ein Zahnprofil, das für dieses Getriebe geeignet ist. Das neuartige Pin Ring Getriebe wird im Folgenden auch als "Harmonic-Pin-Ring-Drive" bezeichnet.
Die US 2009/0139358 offenbart eine Methode zum Erstellen eines Zahnprofils für einen flachen Harmonie Drive bzw. ein Wellgetriebe mit einer flexiblen inneren Verzahnung und einer starren äußeren Verzahnungen. Ein Zahnform für die innere Verzahnung wird vorgegeben und davon ausgehend ein Profil für die äußere Verzahnung bestimmt.
Die vorliegende Anmeldung offenbart ein Harmonic-Pin-Ring Getriebe, das mindestens einen Innenring mit Außenverzahnung und mindestens einen Außenring mit Innenverzahnung aufweist, sowie einen Pin-Ring mit Pins, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und einen Rotor mit einem Transmitter zum Rakeln der Pins des Pin-Rings in die Zähne des Außenrings und in die Zähne des Innenrings. Der Innenring, der Rotor und der Außenring sind konzentrisch zueinander angeordnet und der Transmitter ist innerhalb des Pinrings angeordnet.
Der Transmitter und der Pinring sind zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet, wobei der Transmitter den Pinring so verformt, dass sich der Außenring und der Innenring relativ zueinander drehen, wobei die Pins des Pinrings abwechselnd in die Zähne des Innenrings und in die Zähne des Außenrings gedrückt werden. Die Form der Zähne des Außenrings und die Form der Zähne des Innenrings ist im Wesentlichen durch die Hüllkurve der sich dabei bewegenden Pins festgelegt, wobei jeder der Pins im Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrads oder im Eingriff mit der Außenverzahnung des Innenrads ist.
Das Harmonic-Pin-Ring Getriebe kann des Weiteren einen dreireihigen Aufbau mit einem ersten Zahnrad-Paar aus Innenring und Außenring und einem zweiten Zahnrad-Paar aus Innenring und Außenring aufweisen, wobei das erste und das zweite Zahnrad-Paar in voneinander verschiedenen ersten und zweiten Ebenen angeordnet sind, und wobei ein Transmitterträger mit einem Transmitter in einer dritten Ebene zwischen der Ebene des ersten Zahnrad-Paars und der Ebene des zweiten Zahnrad-Paars angeordnet ist. Hierbei kann der Transmitterträger insbesondere ein Rotor und der Transmitter kann insbesondere ein elliptisch ausgeformter Rotorflansch sein.
Dieses Harmonie Pin-Ring Getriebe ist auf Grund verschiedener Eigenschaft wie der Größe der Pins, der Zahnform und dem Ab- stand zwischen Innen und Außenrad besonders gut zur Übertra- gung großer Drehmomente geeignet .
Insbesondere kann der Abstand zwischen Innen- und Außenrad und die Pingröße so dimensioniert sein, dass der Scheitelpunkt eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei der Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benachbarten Zahngrund einer Zähnung des Innen- oder Außenrings im Wesentlichen auf einem Teilkreis der jeweils gegenüberliegenden Zähnung liegt. Dies bewirkt, dass der Pin schon wieder in den einen Zahngrund einer gegenüberliegenden Zähnung eingreift, wenn der Pin sich auf einem Scheitelpunkt der Pintraj ektorie zwischen zwei Zahngründen einer Zähnung befindet. Zur Aufnahme der Pins, die einen kreisförmigen Querschnitt haben, kann der Querschnitt der Zahngründe die Form eines Kreisausschnitts haben und zwar insbesondere halbkreisförmig sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel laufen die Zahnflanken senkrecht zum Teilkreis der jeweiligen Zähnung in den Zahngrund ein. Durch die steilen Zahnflanken ist ein guter seitlicher Halt zur Drehmomentübertragung gegeben. Zudem entsteht so bei halbkreisförmigem Zahngrund kein Knick.
Insbesondere kann das Getriebe so ausgeformt sein, dass die Pin-Traj ektorie eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei der Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benachbarten Zahngrund durch einen Ellipsenabschnitt gegeben ist, insbesondere eine Halbellipse, wobei der Ellipsenabschnitt von einer kleinen Halbachse zu einer gegenüberliegenden kleinen Halbachse der Ellipse verläuft. Aus dieser Bahnform ergibt sich die Zahnform einer Zähnung durch die Hüllkurve der Pins, wie oben beschrieben.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Pin-Traj ektorie eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei der Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benachbarten Zahngrund durch einen Ausschnitt einer sinusüberlagerten Kreisform gegeben, insbesondere durch die Hälfte einer sinusüberlagerten Kreisform, die von einer kleinen Halbachse zu einer gegenüberliegenden Halbachse der sinusüberlagerten Kreisform verläuft.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Pintraj ektorie eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei der Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benachbarten Zahngrund in Wesentlichen durch eine entlang einer Winkelkoordinate gestauchten Form des Transmitters gegeben ist, wobei der Stauchungsfaktor insbesondere Z/2 betragen kann, wobei Z die An- zahl der Zähne ist. Die Winkelkoordinate ist dabei bezüglich einer Polarkoordinatendarstellung relativ zu einem Mittelpunkt des Transmitters/Rotors zu verstehen.
Des Weiteren kann der Fußkreis der Zähne des Innenrads von dem Fußkreis der Zähne des Außenrads im Wesentlichen um den doppelten Umfang der Pins entfernt sein, so dass ein guter Eingriff der Pins in die Zähnung gewährleistet wird.
Des Weiteren offenbart die vorliegende Anmeldung einen Innen- ring mit einer Außenverzahnung der für ein Harmonie Pin Ring Getriebe geeignet ist, das die folgenden Eigenschaften hat: Das Getriebe weist einen Pin-Ring mit Pins auf, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, einen Rotor mit einem Transmitter zum Rakeln der Pins des Pin-Rings in die Zähne des Innenrings, wobei der Innenring und der Rotor konzent- risch zueinander angeordnet sind. Der Transmitter ist inner- halb des Pinrings angeordnet, wobei der Transmitter den Pin- ring so verformt, dass sich der Innenring relativ zu einem Außenring dreht, der konzentrisch zu dem Innenring angeordnet ist .
Der Innenring weist in regelmäßigen Abständen angeordnete Zahngründe mit kreisabschnittsförmigem Profil auf, sowie zwischen den Zahngründen angeordnete Zähne mit symmetrischem Profil, wobei die Form der Zähne im Wesentlichen durch die Hüllkurve der sich dabei bewegenden Pins festgelegt ist. Dabei soll ein vorgegebener Abstand der Zahnoberfläche zur Hüllkurve nicht unterschritten werden, so dass die Zahnform im Wesentlichen der Hüllkurve folgt.
Insbesondere kann das Profil der Zahngründe des Innenrings die Form eines Halbkreises haben und die Zahnflanken können senkrecht zum Teilkreis der Zähnung in den Zahngrund einlaufen .
In ähnlicher Weise offenbart die vorliegende Anmeldung einen Außenring mit einer Außenverzahnung, das für ein Harmonie Pin Ring Getriebe geeignet ist, das die folgenden Eigenschaften aufweist: Das Getriebe weist einen Pin-Ring mit Pins auf, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sowie einen Rotor mit einem Transmitter zum Rakeln der Pins des Pin-Rings in die Zähne des Innenrings. Der Außenring und der Rotor sind konzentrisch zueinander angeordnet sind, der Transmitter ist innerhalb des Pinrings angeordnet, wobei der Transmitter den Pinring so verformt, dass sich der Außenring relativ zu einem Innenring dreht, der konzentrisch zu dem Außenring angeordnet ist .
Der Außenring weist in regelmäßigen Abständen angeordnete Zahngründe mit kreisabschnittsförmigem Profil aufweist, sowie zwischen den Zahngründen angeordnete Zähne mit symmetrischem Profil, wobei die Form der Zähne im Wesentlichen durch die Hüllkurve der sich dabei bewegenden Pins festgelegt ist.
Insbesondere kann das Profil der Zahngründe die Form eines Halbkreises haben und die Zahnflanken können senkrecht zum Teilkreis der jeweiligen Zähnung in den Zahngrund einlaufen.
Der Harmonic-Pin-Ring-Drive (HPRD) gemäß der vorliegenden Anmeldung ist ein spezielles, rotationssymmetrisch aufgebautes Getriebe, das sich insbesondere durch folgende Merkmale auszeichnet : sehr hohe Leistungsdichte, dadurch kleiner Bauraum Steifigkeit • mit sehr geringem Spiel
• sehr große Bandbreite hinsichtlich Unter- bzw.
Übersetzungen
• Hohlwellenbauform möglich
Diese Getriebe können sowohl einstufige als auch mehrstufige Drehzahländerungen abbilden und können als Ausgleichsgetriebe verwendet werden. Des Weiteren sind auch Drehrichtungsänderungen und Schaltungen möglich.
Der Gegenstand der Anmeldung wird untenstehend unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren weiter erläutert. Figur 1 zeigt eine Explosionsansicht eines HPRD Getriebes, Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf das Getriebe von Fig. 1, Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch das Getriebe von
Fig.l,
Figur 4 zeigt eine Seitenansicht eines Pin-Rings und eine
Ausschnittvergrößerung davon,
Figur 5 zeigt eine Pin-Laufbahn eines HPRD Getriebes, Figur 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 5, Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch ein HPRD mit Umlenkrollen,
Figur 8 zeigt eine Aufsicht auf das HPRD mit Umlenkrollen, Figur 9 zeigt eine erste Zahngeometrie einer inneren Verzahnung,
Figur 10 zeigt eine erste Zahngeometrie einer äußeren Verzahnung,
Figur 11 zeigt einen Bewegungsablauf der Pins,
Figur 12 zeigt eine Pin-Traj ektorie gemäß einer zweiten
Zahngeometrie einer Verzahnung, Figur 13 zeigt die zweite Zahngeometrie der Verzahnung, und Figur 14 illustriert eine Methode zur Bestimmung eine Getriebegeometrie .
Ein Transmitter, der ein Zugmittel in ein Außenrad bzw. Außenring oder Innenrad bzw. Innenring rakelt, ist in der vorliegenden Anmeldung durch einen Flansch eines Rotors oder auch durch ein Paar von Umlenkrollen verwirklicht. Dem Außenrad entsprechen ein oder mehrere Ringe bzw. Scheiben mit einer als Innenverzahnung ausgeführten äußeren Verzahnung. Dem Innenrad entsprechen ein oder mehrere Ringe bzw. Scheiben mit einer als Außenverzahnung ausgeführten inneren Verzahnung. Dem Zugmittel entspricht ein Pinring.
Im Folgenden ist mit "Antriebsseite" die Seite gemeint, von der aus der Rotor 13 angetrieben wird und mit "Abtriebsseite" die der Antriebsseite gegenüberliegende Seite.
Figur 1 zeigt einen Harmonie Pin Ring Drive (HPRD) 10 gemäß der Anmeldung. Der HPRD weist einen Rotor 13 auf der über ein hier nicht gezeigtes Kugellager auf einem Gehäuse abgestützt ist. Ein Außenring 8 eines zylindrisches Gehäuseteil 9, das konzentrisch außerhalb des Rotors 13 angeordnet ist, weist eine erste als Innenverzahnung ausgeformte äußere Verzahnung 6 auf einer ersten Seite auf. Eine zweite als Innenverzahnung ausgeformte äußere Verzahnung 6 ' ist auf einem zweiten Außen- ring ausgeformt, der auf einer der ersten Seite gegenüberlie- genden Seite in das zylindrisch'e Gehäuseteil 9 eingesetzt ist .
Eine als Außenverzahnung ausgeführte erste innere Verzahnung 5 ist auf einer Peripherie eines Innenrings 7 ausgeformt und konzentrisch innerhalb der ersten äußern Verzahnung 6 ange- ordnet. In ähnlicher Weise ist eine als Außenverzahnung ausgeführte zweite innere Verzahnung 5' auf einer Peripherie eines zweiten Innenrings 7 ' ausgeformt und konzentrisch innerhalb der zweiten äußeren Verzahnung 6 ' angeordnet
Die innere Verzahnung 5, 5' und die äußere Verzahnung 6, 6' sind konzentrisch zu einer Getriebemittelachse angeordnet, wobei die innere Verzahnung 5, 5' um die Getriebemittelachse rotierbar ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann die äußere Verzahnung 6, 6' oder auch die äußere und die innere Verzahnung um die Getriebemittelachse rotierbar sein, je nachdem über welche Verzahnung der Abtrieb oder, bei einer Übersetzung, der Antrieb erfolgt.
Ein flexibles Dünnring-Kugellager 2 ist auf einem speziell ausgeformten Flansch 4 des Rotors 13 aufgespannt. Der Flansch kann beispielsweise als Oval oder als sinusüberlagerte Kreisform ausgeformt sein. Ein flexibler Pin-Haltering 3 ist zwischen dem flexiblen Dünnring-Kugellager 2 und der äußeren Verzahnung 6, 6' angeordnet. Der flexible Pin-Haltering 3 weist an einer Innenseite Rillen zur Aufnahme von Pins 1 auf, die auf dem Pin-Haltering 3 in gleichmäßigen Abständen angeordnet und durch den Pin-Haltering 3 starr gehalten sind.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf das HPRD 10 von einer Abtriebsseite her und Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den HPRD 10 entlang der Querschnittline A-A.
Die erste innere Verzahnung 5 ist durch ein Kugellager auf dem Rotor 13 abgestützt, dass der Einfachheit halber in Fig. 2 und 3 nicht gezeigt ist. Die zweite innere Verzahnung 5' ist an hier ebenfalls nicht gezeigte Abtriebsachse befestigt, die nach außen über Kugellager abgestützt ist. Die äußere Verzahnung 6, 6' ist stationär an einem hier nicht gezeigten Gehäuse befestigt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die innere Verzahnung 5, 5' stationär während die äußere Verzahnung 6, 6' einen Abtrieb bildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden sowohl die innere Verzahnung 5, 5' als auch die äußere Verzahnung 6, 6' je einen Abtrieb.
Figur 4 zeigt das flexible Kugellager 2 und den Pin-Haltering 3 mit den Pins 1. Der Pin-Haltering zusammen mit den Pins 1 wird auch als Pin-Ring bezeichnet. Das flexible Dünnring- Kugellager weist einen flexiblen Innenring 14, einen flexiblen Außenring 23 und dazwischen angeordnete Kugeln 26 auf.
Die Pins 1 sind in Aufnahmerillen 41 des Pin-Halterings 3 eingesetzt und werden durch den Anpressdruck des Pin- Halterings 3 gegen das Dünnring-Kugellager 2 festgehalten. Ein manueller Zusammenbau kann zum Beispiel so erfolgen, dass zuerst der Pin-Haltering um das Dünnring-Kugellager 2 herumgelegt wird. Anschließend werden an weit auseinanderliegenden Positionen Pins 1 eingesteckt, so dass der Abstand zwischen Dünnring-Kugellager 2 und Pin-Haltering 3 definiert wird. Anschließend werden die restlichen Pins in die Zwischenräume eingefüllt.
Die Figuren 7 und 8 illustrieren eine Pin-Laufbahn 10 und daraus abgeleitete Beziehungen. Von der Pin-Laufbahn 10 zu unterscheiden ist die Pintraj ektorie , die die Bewegung eines einzelnen Pins in einem vorher festgelegten Bezugssystem bezeichnet. Für ein mit dem Rotor 4 mitrotierendes Bezugssystem verläuft die Pintraj ektorie entlang der Pin-Laufbahn 10. In den Figuren 7 und 8 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Zähnungen nicht gezeigt.
Legt man eine Bahn durch die Mittelachsen aller Pins (2), entsteht die Pin-Laufbahn 10. Diese Bahn besitzt rechtwinklig versetzt eine kleine Achse 11 der Länge 2b und eine große Achse 12 der Länge 2a. Bei einer Ellipsenform des Transmit- ters ist a die Länge der kleinen Halbachse und b die Länge der großen Halbachse der Ellipse.
Die kleine Achse und die große Achse bilden die Basis der Teilkreise der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6', wobei die kleine Achse einem Durchmesser eines Teilkreises der inneren Verzah- nung 5, 5' und die große Achse einem Durchmesser eines Teilkreises der äußeren Verzahnung 6 entspricht. Bei dem HPRD verläuft der Teilkreis einer Zähnung durch die Flankenlinien, die die Zahnflanken von dem Zahngrund abgrenzen. Unter Annahme bestimmter Zahnformen der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' lässt sich nun die Getriebefunktion abbilden.
Hält man beispielsweise die Innenverzahnung 5, 5' statisch und dreht den Rotor 13, so entsteht eine Wellenbewegung der Anordnung der Pins 1. Daraus resultiert eine Relativbewegung der äußeren Verzahnung 6, 6', welche sich in gleicher Drehrichtung relativ zu dem Rotor 13 untersetzt dreht. Hält man die äußere Verzahnung 6, 6' statisch, dreht sich die innere Verzahnung 5, 5' entgegengesetzt und untersetzt zum Rotor 13. Die Anzahl aller Pins 1 muss um zwei mehr als Anzahl der Zähne der inneren Verzahnung 5, 5', bzw. um zwei weniger als die Anzahl der Zähne der äußeren Verzahnung 6, 6' sein. Die Zahndifferenz der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' ist somit vier. Grundsätzlich wären auch Zahndifferenzen eines Vielfachen von vier möglich. Im den folgenden Gleichungen (1) - (3) bezeichnet R die Umlaufperiode des Rotors 13, F die Umlaufperiode des Flexab- triebs 7, A die Umlaufperiode des Außenrads, I die Umlaufperiode des Innenrads, Zi die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 5, 5', Za die Anzahl der Zähne der äußeren Verzahnung 6, 6'. Gemäß der Gleichungen (1) - (3) sich die Drehzahluntersetzungen zwischen den einzelnen Komponenten wie folgt zusammen :
Wenn das Innenrad stationär gehalten wird, gilt
A/R = Za/(Za-Zi) bzw. F/R = 2* (Za/ (Za-Zi) ) (1)
Hierbei drehen sich alle Elemente gleichläufig.
Wenn das Außenrad stationär gehalten wird, gilt
I/R = Zi/ (Za-Zi) bzw. F/R = 2* (Zi/ (Za-Zi) ) (2) Hierbei drehen sich das Innenrad und der Flexring gegenläufig zum Rotor.
Wenn der Flexring stationär gehalten wird, gilt
A/R = 2* (Za/ (Za-Zi) ) bzw. I/R = 2* (Zi/ (Za-Zi) ) (3) Hierbei drehen sich das Innenrad gegenläufig und das Außenrad gleichläufig zum Rotor.
Im Folgenden nun eine Beispielberechnung zu den möglichen Untersetzungsstufen, wobei in diesem Fall der Rotor 13 immer die Eingangsdrehzahl vorgibt. Die Zähnezahl der Innenverzahnung sei 156 und die Zähnezahl der Außenverzahnung sei 160, woraus sich die Anzahl der Pins zu 158 ergibt. Wenn das Innenrad stationär gehalten wird, gilt
A/R = 160/(160-156) = 40 bzw. F/R = 2* (160/ (160-156) ) = 80
Wenn das Außenrad stationär gehalten wird, gilt
I/R = 156/(160-156) =39 bzw. F/R = 2* (156/ (160-156) ) = 78
Wenn der Flexring stationär gehalten wird, gilt
A/R = 2* (160/ (160-156) ) = 80 bzw. I/R = 2* (156/ (160-156) ) =
78
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Pin-Laufbahn zu definieren. Grundsätzlich besitzt jede Pin-Laufbahn, wie oben beschrieben, jeweils rechtwinklig versetzt eine kleine Achse x und eine große Achse y, deren Verhältnis dem der Zähnezahlen der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' entspricht.
Somit gilt x/y = Zi/Za
Des Weiteren muss die Teilung der in den Pin-Haltering 3 ein- gesetzten Anordnung der Pins 1 der Teilung der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' entsprechen. Die Pin-Laufbahn ist somit auch über ihre Bogenlänge definiert. Für die Bogenlänge s jeder beliebigen Pin-Laufbahn gilt: s = Anzahl Pins 1 * Teilung
Der Umfang der Pin-Laufbahn abzüglich des Umfangs eines Pins 1 muss also exakt dem Umfang des Kugellagers 2 entsprechen. Im Folgenden werden drei Laufbahnvarianten dargestellt:
1. Die Elliptische Laufbahn wird durch ihre beiden Halbachsen definiert, wobei die kleine Halbachse dem Teilkreisradius der Innenverzahnung 5, 5' und die große Halbachse dem Teilkreisradius der Außenverzahnung 6, 6' entspricht
2. Die sinusüberlagerte Kreisform ist der elliptischen Laufbahn sehr ähnlich und unterscheidet sich bei kleinen Achsunterschieden nur äußerst gering von dieser. Sie ist folgendermaßen definiert: Die Mittelachse eines kleinen Kreises mit Durchmesser gemäß dem halben Wert der Differenz aus große Achse minus kleine Achse rotiert auf der großen Kreisbahn des Mittelkreises zwischen den beiden Teilkreisen der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' und dreht sich dabei während eines Umlaufs um die Getriebemittelachse zweimal um seine eigene Achse. Projiziert man einen Punkt des kleinen Kreises und leitet daraus eine Bahn ab, entsteht die sinusüberlagerte Kreis- Form .
3. Die Doppelexzenter-Laufbahn ist eine Sonderform, die beispielsweise eingesetzt werden kann, wenn ein elastisches Verformen des Kugellagers 2 unerwünscht oder aufgrund eines zu großen Unterschiedes der beiden Achsen der Pin-Laufbahn nicht mehr möglich ist. In diesem Fall wird die Anordnung der Pins
1 über zwei Umlenkrollen vom Teilkreis der Innenverzahnung 5, 5' in den Teilkreis der Außenverzahnung 6, 6' gelenkt. Die Drehachsen der beiden Umlenkrollen befinden sich bezüglich einer gedachten Ellipse symmetrisch zur kleinen Achse auf der großen Achse.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Aufsicht auf zwei Ausführungsformen eines HPRD mit Umlenkrollen 15, 15'. In Figur 7 ist die Schnittebene in der rechten Hälfte nach hinten versetzt, so dass die Verzahnungen 5', 6' sichtbar werden. In Fig. 8 ist weiterhin ein Kugellager 16 gezeigt, auf dem die Umlenkrolle 15 gelagert ist und ein Kugellager 17, auf dem eine Scheibe 18 gelagert ist, die die Innenverzahnung 5 aufweist. Weiterhin sind länglich ausgeformte Stellschlitze 19 gezeigt. Durch ein Verschieben entlang der Stellschlitze 19 können die Umlenkrollen 15, 15' gespannt werden.
An eine, inneren Berührbereich 20 liegt die Pinlaufbahn 10 an einem Teilkreis der inneren Verzahnung 5 an und an einem äu- ßeren Berührbereich liegt die Pinlaufbahn 10 an einem Teilkreis der äußeren Verzahnung 6 an. In einem Zwischenbereich 22 ist die Pinlaufbahn 10 annähernd gerade. Insgesamt gibt es zwei innere Berührbereiche 20, zwei äußere Berührbereiche 21 und vier Zwischenbereiche, so dass sich die Pinlaufbahn aus vier kreisabschnittsförmigen und vier geraden Bereichen zusammensetzt. Diese Pinlaufbahn 10 wird auch als Doppelexzenter-Pinlaufbahn 10 bezeichnet.
Die Umlenkrollen 15, 15' sind um eine Drehachse durch ihren Mittelpunkt drehbar gelagert. Das Lager der Umlenkrollen nimmt an Stelle des oben beschriebenen flexiblen Kugellagers den Schlupf des Pinrings gegenüber dem Rotor 13 auf. Die Drehachsen der Umlenkrollen 15, 15' sind exzentrisch zur Mittelachse angeordnet. Der exzentrische Versatz d ist in Figur 8 gezeigt.
Es ist vorteilhaft, den Radius der Umlenkrollen möglichst groß zu wählen, um eine große Kontaktfläche zum Pinring und damit eine gleichmäßige Kraftverteilung zu erreichen. Gemäß der Anmeldung können die Umlenkrollen flach gebaut sein und Aussparungen aufweisen, um das Gewicht der Umlenkrollen gering zu halten. Statt der Umlenkrollen können auch zwei Rakel mit Rollen an der Oberfläche der Rakel verwendet werden, wobei das Rakel starr an dem Rotor 13 befestigt ist. Insbesondere kann das Rakel so geformt sein, dass sich eine Berührfläche zwischen Rakel und Pinring über mehrere Pins erstreckt.
Da die Kraftübertragung beim HPRD von Pins 2 mit kreisförmigen Querschnitten übernommen wird und sich diese bei der Be- wegung auf der durch den Rotorflansch 4 bestimmten Umlaufbahn geringfügig um ihre Mittelachse drehen, bleibt der Abstand zwischen der tangential anliegenden Fläche am jeweiligem Zahn der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' und der Drehachse des jeweiligen Pins 1 immer konstant.
Somit ist es möglich, die Zahnform unabhängig von der gewählten Pin-Laufbahn so zu konstruieren bzw. zu berechnen, dass alle Pins 1 ständig im Eingriff eines Zahnes mindestens einer der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' sind und das gesamte Drehmo- ment auf alle Pins 2 verteilt werden kann. Aufgrund dieser
Tatsache ist die Flächenpressung an allen Pins 2 und den Verzahnungen 5 und 6 sehr gering. Dies ermöglicht wiederum hohe Wirkungsgrade, geringen Verschleiß, eine sehr große Leistungsdichte und damit eine äußerst kompakte Bauform.
Die Figuren 9 und 10 zeigen eine Ausgestaltung der Zahngeometrien für die innere Verzahnung und die äußere Verzahnung gemäß der Anmeldung. Die Zahngeometrie ergibt sich aus dem Bewegungsablauf eines Pins 1 in einem Bezugssystem, in dem die Verzahnung in Ruhe ist. Die Zahngeometrie ist die um den Radiuswert des Pins 1 versetzte Kontur 25 des ablaufenden Mittelpunktes des Pins 1, welche, hier am Beispiel der Innenverzahnung 5, 5', im Mittelpunkt eines Zahngrundes 24, startet. Der Mittelpunkt eines Zahngrundes 24 liegt im Schnittpunkt der Symmetrieachse 29 eines Zahngrundes 24 mit dem Teilkreis 30 der inneren Verzahnung 5.
Die Pintraj ektorie 25 schneidet auf halbem Wege genau den Teilkreis 40 der äußeren Verzahnung 6, 6' und zugleich die Symmetrielinie 27 des Zahnes, und verläuft wiederum symmetrisch zum bisherigen Verlauf zum Endpunkt, dem Mittelpunkt des benachbarten Zahngrundes 24. Die Zahnform ist durch die innere Hüllkurve des Pinprofils 28 bestimmt. Des Weiteren ist in Fig. 9 ein Kopfkreis 32 der äußeren Verzahnung 6 einge- zeichnet, um den Abstand der Zähne zu veranschaulichen.
Figur 10 zeigt die analoge Gestaltung der Zähne der Außenrad- verzahnung 6. Elemente, die denen in Figur 9 entsprechen, sind mit einer um 10 verschobenen Bezugsziffer gekennzeich- net . Beispielsweise ist die Kontur mit der Bezugsziffer 35 gekennzeichnet .
Ein Entwurf eines HPRD weist gemäß der vorliegenden Anmeldung die folgenden Schritte auf, die auch in Fig. 14 gezeigt sind.
1) Festlegung der gewünschten Untersetzung, zum Beispiel 1:36
2) Festlegung der Komponente, welche die Ausgangsdrehzahl erhalten soll
- Auswahl der Außenverzahnung 6, 6'. Es können in diesem
Fall wahlweise eine der Verzahnungen 5, 5' oder 6, 6' - bei einem HPRD-MULTI auch der Flexabtrieb 7 - sein. 3) Bestimmung der Zähnezahlen der inneren Verzahnung 5, 5' und der äußeren Verzahnung 6, 6'
-Ergebnis gemäß der Untersetzungsformeln:
Zi = 140 und Za = 144
4) Bestimmung der Anzahl der Pins 1
-Ergebnis gemäß der Untersetzungsformeln : 142 Pins 1
5) Festlegung des Durchmessers der Pins 1
-Beispiel 02mm
Die Auslegung des Pin-Durchmessers ist maßgebend für die übertragbaren Drehmomente, welche im Gegenzug von der Auswahl der Materialien und Verzahnungsbreiten abhängig sind. Je nach Anforderungen müssen die Dimensionen aller Komponenten im Getriebe ausgelegt und aufeinander abgestimmt werden
6) Festlegung der Teilung der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' sowie des Pin-Halterings
- Beispiel: 2,8mm.
Die Teilung in einem HPRD ist üblicherweise Durchmesser des Pins 1 mal Teilungs-Faktor 1,4 ± 7%, also hier 2mm x 1,4 = 2,8mm. Anzahl und Durchmesser der Pins 1 ergeben in Abhängigkeit der gewählten Teilung eine definierte Länge der Pin- Laufbahn, welche genau zum äußeren Umfang des Kugellagers 2 passen muss.
7) Berechnung der Bogenlänge s der Laufbahn der Pin-Anordnung 1 wie weiter oben beschrieben.
- Berechnung: s = Anzahl Pins (1) * Teilung, s=142 * 2,8 mm = 397,6 mm
8) Festlegung der Laufbahnvariante der Pin-Anordnung 1 - Beispiel: Ellipse
9) Berechnung der Laufbahngeometrie der Pin-Anordnung 1
- Hier ist eine Ellipsengeometrie zu berechnen, deren Halb- achsenverhältnis gemäß dem Verhältnis der Zähnezahlen der
Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' entspricht, und deren Umfang gleich der in 7) errechneten Bogenlänge s = 397,6 mm ist.
Bestimmung der Geometrie der Komponenten. Nach Definition der Laufbahngeometrie lässt sich nun die Geometrie aller weiteren Teile ableiten
10) Geometrie des Kugellagers 2
- Der Umfang des Kugellagers 2 entspricht der inneren Hüll- kurve der gleichmäßig auf der errechneten Laufbahngeometrie angeordneten Pins 1. Die weitere Auslegung des Kugellagers 2, insbesondere in Bezug auf Wandstärken und Materialauswahl von Lagerinnen- und Außenring muss so geschehen, dass diese hinsichtlich Elastizität und Wechselbelastung über die geforder- te Laufzeit ausreichend stabil sind.
11) Geometrie des Rotors 13
- Die Ausgangsgeometrie am Rotorflansch 4 ist die entsprechend nach innen versetzte Geometrie abhängig vom Querschnitt des Kugellagers 2 und des Durchmessers des Pins - hier beispielsweise die berechnete elliptische Laufbahngeometrie, wobei den Werten der Halbachsen jeweils der Durchmessers der Pins 1 und die Hälfte der Differenz von Außen- und Innendurchmesser des Kugellagers 1 abzuziehen sind.
12) Geometrie des Pin-Halterings 3
- Der Pin-Haltering 3 muss so konstruiert werden, dass er alle Pins 1 ständig tangential am Außenring des Kugellagers 2 und diese gleichmäßig verteilt hält. Die weitere Auslegung des Pin-Halterings 3, insbesondere in Bezug auf Wandstärken und Materialauswahl muss so geschehen, dass diese hinsichtlich Elastizität und Wechselbelastung über die geforderte Laufzeit ausreichend stabil sind.
13) Geometrie der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6'
- Die nominalen Zahnformen der Verzahnungen 5, 5' und 6, 6' ergeben sich aus den entsprechenden Hüllkurven nach Abrollen der Pins 1 gemäß obenstehendem Schritt 7) .
Aus der Pintraj ektorie des einzelnen Pins kann die Zahnform mit Hilfe des Hauptnormalenvektors des begleitenden Dreibeins wie folgt bestimmt werden. Ein Tangentialvektor an die Bahn ist gegeben durch:
Figure imgf000021_0001
wobei s die Bogenlänge entlang der Bahn bedeutet und wobei für r(cp) die jeweilige Abhängigkeit einzusetzen ist, also zum Beispiel die Gleichung für eine Ellipse oder für eine sinusüberlagerte Kreisform. Ein zum Krümmungsmittelpunkt weisender Normalenvektor n auf der Pintraj ektorie ist gegeben durch das Kreuzprodukt:
Figure imgf000021_0002
Dieser Vektor ist auf den Radi' s des Pins zu normieren und zu einem Punkt der Pintraj ektorie zu addieren, um aus einem Punkt der Pintraj ektorie einen Punkt auf der Zahngeometrie bzw. auf der inneren Hüllkurve der Pins zu erhalten. Der auf 1 normierte Vektor n wird auch als Hauptnormalenvektor der Traj ektorie bezeichnet. Die Za. nform ist durch die Endpunkte der Normalenvektoren bestimmt, die auf den Radius der Pins normiert wurden. Diese Endpunkte beschreiben eine Äquidistan- te der Pintraj ektorie im Abstand des Pinradius. Bei Selbstüberschneidungen der Kurve ist der Kurvenabschnitt zu wählen, der am weitesten von der Pintraj ektorie entfernt liegt.
Gemäß einer ersten Methode zur Bestimmung des Zahnprofil, die in Fig. 9 und 10 illustriert ist, werden aus der Pintrajekto- rie Randbedingungen wie zum Beispiel Stützpunkte abgeleitet, um daraus eine Pintraj ektorie zu bestimmen. Aus dieser Pintraj ektorie kann dann gemäß der Anmeldung die Zahnform, zum Beispiel unter Verwendung des Hauptnormalenvektors, bestimmt werden .
Eine Bestimmung des Zahnprofils gemäß der Anmeldung kann unter Bezug auf die Figuren 9 und 10 wie folgt geschehen. Im Abstand des Teilungswinkels werden halbkreisförmige Zahngründe angeordnet, deren Radius dem Pinradius entspricht. Es werden zwei Stützpunkte durch die Kreismittelpunkte zweier benachbarter Zahngründe bestimmt. Ein weiterer Stützpunkt wird durch den Schnittpunkt der Mittellinie zwischen den benachbarten Zahngründen mit einem Umkreis um die Rotorachse bestimmt, wobei der Umkreis die maximale Auslenkung der Pins markiert .
Durch diese drei Stützpunkte kann zum Beispiel eine Hälfte einer Ellipse, eine Parabel oder ein anderes quadratisches Polynom gelegt werden. Bei Verwendung einer Ellipsenhälfte läuft die Zahnform senkrecht in den Zahngrund, so dass an dieser Stelle kein Knick entsteht. Die lange Achse der Ellipse ist entlang der Symmetrieachse zwischen den benachbarten Zahngründen orientiert, so dass die Stützpunkte den Endpunk- ten der kleinen Halbachsen und einem Endpunkt einer großen Halbachse entsprechen.
Die in Fig. 9 und 10 gezeigte Zahnform ist insbesondere für Pins geeignet, die so groß sind, dass sich die von den kreisförmigen Querschnitten der Pins überstrichene Spur mit sich selbst überschneidet, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Durchmesser der Pins vergleichbar mit dem halben Pinhub ist. Der Pinhub ist in Fig. 9 der Abstand zwischen dem Teilkreis 40 der äußeren Verzahnung und dem Teilkreis 30 der inneren Verzahnung.
Gemäß der vorliegenden Anmeldung sind die Zähne des Außenrings 6 so dicht beieinander angeordnet, so dass der Abstand von zwei radial gegenüberliegenden Zahngründen ungefähr dem doppelten Umfang der Pins entspricht. Unter anderem dadurch wird erreicht, dass sich alle Pins ständig im Eingriff befinden. Während einer Bewegung eines Pins 1 wird der Pin 1 in einen gegenüberliegenden Zahngrund gedrückt, wenn er sich über der Spitze eines Zahns befindet. Diese Situation ist in Fig. 11 gezeigt. In Fig. 11 ist eine Bewegungsrichtung des Innenrings 5 ist durch einen Pfeil 43, eine Bewegungsrichtung des Außenrings durch einen Pfeil 42 und eine Bewegung eines Pins 1 von Zahngrund zu Zahngrund durch Pfeile 44 schematisch angedeutet.
Gemäß einer weiteren Methode wird die Zahnform quasi experimentell unter Zuhilfenahme eines geeigneten CAD Simulations- Programms bestimmt. Demgemäß wird für die Zahnform oberhalb eins halbkreisförmigen Zahngrundes eine parameterisierte Kurve vorgegeben. Die Parameter dieser Kurve werden dann solange angepasst, bis in der CAD Simulation der größte Abstand eines Pins von der Oberfläche eines Zahns bei der Bewegung von ei- nem Zahngrund zum nächsten einen vorgegebenen Schwellwert, wie zum Beispiel 10 μιτι, nicht überschreitet. Insbesondere können die Parameter auch so angepasst werden, dass für alle Pins der größte Abstand von einer Oberfläche eines nächstgelegenen Zahns während einer Periode der CAD Simulation einen vorgegebenen Schwellwert, wie zum Beispiel 10 μιτι, nicht über schreitet. Somit ist sichergestellt, dass jeder der Pins zu jedem Zeitpunkt mit einem der Zähne in Berührung steht.
Eine weitere Zahnform erhält man, wenn man eine Randbedingun zu Grunde legt, der zu Folge die Pins sich auf der Pinlaufbahn gleichförmig bewegen, wenn der Antrieb gleichförmig rotiert. Für einen ovalen Transmitter ergibt sich dann eine Pintraj ektorie, die in Fig. 12 gezeigt ist und eine Zahnform die in Fig. 13 gezeigt ist. Ein Bereich eines Innenrings mit dieser Zähnung ist mit 5' bezeichnet. Die Formeln für die ovale und die sinusüberlagerte Pin-Laufbahn sind unten angegeben. Die Radien der Hüllkurven, also die freien Parameter und b bzw. r0— rep und r0 + rep sind gemäß dem Schritt 7) zu bestimmen .
Für die Ellipsenform ergibt sich für den Abstand der Pinlauf bahn vom Mittelpunkt bei einem festen Winkel:
Figure imgf000024_0001
wobei im Argument der Kosinusfunktion der Phasenwinkel steht und e die Exzentrizität, also den Quotient b/a bedeutet. Mit ω ist die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 13 bezeichnet. Bei Messung von außen auf den Mittelpunkt zu ist entsprechend r' (t) = r0 - r(t) zu verwenden. Für die sinusüberlagerte Kreisform ergibt sich: r(t) = r0 - r * cos(2(wt - φ0))
Hierbei ist r0— rep der Radius des kleinen Hüllkreises und ro + rep der Radius des großen Hüllkreises. Die sinusüberlagerte Kreisform erhält man auch durch eine Taylorentwicklung der Ellipsengleichung nach dem Quadrat der Exzentrizität bis zur ersten Potenz. Daraus erhält man:
Figure imgf000025_0001
Entwicklungen der Ellipsengleichung bis zu höheren Potenzen sind ebenfalls geeignet, eine Transmitterform gemäß der An- meidung festzulegen.
Die Trajektorie der Pins in Polarkoordinatendarstellung ergibt sich nun aus folgender Überlegung. Wenn t die Werte 0 bis T durchläuft, wobei T die Umlaufperiode des Rotors 13 ist, ergibt sich aus r(t) die Pinlaufbahn. Ein Pin 1 wandert innerhalb eines halben Umlaufs des Rotors 13 von einem Zahngrund in den nächsten. Also durchläuft t innerhalb des Teilungswinkels die Werte 0 bis T/2. Die Winkelgeschwindigkeit der Pins ist in guter Näherung konstant. Für eine noch genauere Näherung ist ein sinusförmig oszillierender Korrekturterm in der Winkelgeschwindigkeit zu berücksichtigen, der aber bei den oben betrachteten Zähne- zahlverhältnissen nur wenige Prozent ausmacht. Mit dem Tei- lungswinkel φτ = 2π/Ζ , wobei Z die Anzahl der Zähne ist, ergibt sich <p(t) = t/(T/2)* <pT und somit t(<p) = φ * Τ/2φτ . Wenn r(t) durch eine Funktion f ( a)t — φ0) bestimmt ist, ergibt sich die Pintraj ektorie r(<p) eines einzelnen Pins als
(<p) = f (a> * <p * - <p0) = / (<P *f ~ <Po ) bzw. mit cpo = 0 als eine um den Faktor Z/2 gestauchte Pinlauf- bahn .
Ein Teil dieser Pintraj ektorie sowie die zugehörige Bewegung der Pins ist in Figur 11 für eine elliptische Transmitterform gezeigt. Für Figur 12 wurde die Hüllkurve der Pins mit Hilfe des Hauptnormalenvektors numerisch ausgerechnet. Diese Hüllkurve legt die Zahngeometrie fest. Die Längeneinheiten in Fig. 11 und 12 sind in willkürlichen Einheiten aber für beide Achsen gleich gewählt. In diesen Einheiten ist der Pinradius für Fig. 12 größer als eins und für Fig. 13 gleich eins ge- wählt.
Wegen der gewählten Größe der Pins ergibt sich auch gemäß dieser Methode eine spitze Zahnform, jedoch haben die Flanken des Zahngrundes eine geringere Steigung als 90 Grad.
BezugsZiffern
1 Pins
2 Dünnring-Kugellager
3 Pin-Haltering
4 Rotor-Flansch, Transmitter
5 innere Verzahnung
5 ' innere Verzahnung
6 äußere Verzahnung
6' äußere Verzahnung
7 Innenring
7 ' Innenring
8 Außenring
8 ' Außenring
9 zylindrisches Gehäuseteil
10 HPRD Getriebe
11 kleine Achse
12 große Achse
13 Rotor
14 flexibler Innenring
15 Umlenkrolle
15 ' Umlenkrolle
16 Kugellager
17 Kugellager
18 Scheibe, Innenring
19 Stellschlitze
20 innerer Berührbereich
21 äußerer Berührbereich
22 Zwischenbereich
23 flexibler Außenring
24 Zahngrund
25 Pintrajektorie Kugeln
Symmetrielinie des Zahnes
Pinprofil
Symmetrieachse des Zahngrunds
Teilkreis der inneren Verzahnung
Kopfkreis der äußeren Verzahnung
Zahngrund der äußeren Verzahnung
Pintrajektorie
Teilkreis der äußeren Verzahnung
Aufnahmerille
Bewegung des Außenrings
Bewegung des Innenrings
Bewegung des Pins

Claims

Patentansprüche
Harmonic-Pin-Ring Getriebe, das aufweist
- mindestens einen Innenring mit Außenverzahnung und
- mindestens einen Außenring mit Innenverzahnung,
- einen Pin-Ring mit Pins, die einen kreisförmigen Quer schnitt aufweisen,
- einen Rotor mit einem Transmitter zum Rakeln der Pins des Pin-Rings in die Zähne des Außenrings und in die Zähne des Innenrings,
wobei der Innenring, der Rotor und der Außenring konzentrisch zueinander angeordnet sind, der Transmitter innerhalb des Pinrings angeordnet ist, und wobei der Transmitter und der Pinring zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, wobei der Transmitter de Pinring so verformt, dass sich der Außenring und der In nenring relativ zueinander drehen,
wobei ferner die Form der Zähne des Außenrings und die Form der Zähne des Innenrings im Wesentlichen durch die Hüllkurve der sich dabei bewegenden Pins festgelegt ist und wobei jeder der Pins im Eingriff mit der Innenverzahnung des Außenrads oder im Eingriff mit der Außenver zahnung des Innenrads ist.
Harmonic-Pin-Ring Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei der Scheitelpunkt eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei der Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benachbarten Zahngrund einer Zähnung des Innen- oder Außenrings auf einem Teilkreis der jeweils gegenüberliegende Zähnung liegt. Harmonic-Pin-Ring Getriebe gemäß Anspruch 2, wobei der Querschnitt der Zahngründe die Form eines Kreisausschnitts hat.
Harmonic-Pin-Ring Getriebe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnflanken senkrecht zum Teilkreis der jeweiligen Zähnung in den Zahngrund einlaufen.
Harmonic-Pin-Ring Getriebe gemäß Anspruch 1, wobei die Pin-Traj ektorie eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei der Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benachbarten Zahngrund durch einen Ellipsenabschnitt gegeben ist.
Ring gemäß Anspruch 1, wobei die Pin-Traj ektorie eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei der Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benachbarten Zahngrund durch einen Ausschnitt einer sinusüberlagerten Kreisform gegeben ist.
Harmonic-Pin-Ring Getriebe gemäß Anspruch 1 , wobei di
Pintraj ektorie eines Pin-Mittelpunkts eines Pins bei
Bewegung des Pins von einem Zahngrund in einen benach barten Zahngrund in Wesentlichen durch eine entlang e ner Winkelkoordinate gestauchten Form des Transmitter gegeben ist.
Harmonic-Pin-Ring Getriebe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fußkreis der Zähne des Innenrads von dem Fußkreis der Zähne des Außenrads im Wesentlichen um den doppelten Umfang der Pins entfernt ist. Innenring mit einer Außenverzahnung für ein Harmonie Pin Ring Getriebe, das einen Pin-Ring mit Pins aufweist, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, einen Rotor mit einem Transmitter zum Rakeln der Pins des Pin-Rings in die Zähne des Innenrings, wobei der Innenring und der Rotor konzentrisch zueinander angeordnet sind, der Transmitter innerhalb des Pinrings angeordnet ist, wobei der Transmitter den Pinring so verformt, dass sich der Innenring relativ zu einem Außenring dreht, der konzentrisch zu dem Innenring angeordnet ist,
wobei der Innenring
- in regelmäßigen Abständen angeordnete Zahngründe mit kreisabschnittsförmigem Profil aufweist, sowie
- zwischen den Zahngründen angeordnete Zähne, wobei die Form der Zähne im Wesentlichen durch die Hüllkurve der sich dabei bewegenden Pins festgelegt ist.
10. Innenring gemäß Anspruch 9, wobei der das Profil der Zahngründe die Form eines Halbkreises hat.
Innenring gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Zahnflan ken senkrecht zum Teilkreis der jeweiligen Zähnung in den Zahngrund einlaufen.
Außenring mit einer Außenverzahnung für ein Harmonie Pm Ring Getriebe, das einen Pin-Ring mit Pins aufweist, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, einen Rotor mit einem Transmitter zum Rakeln der Pins des Pin-Rings in die Zähne des Innenrings, wobei der Außenring und der Rotor konzentrisch zueinander angeordnet sind, der Transmitter innerhalb des Pinrings angeordnet ist, wobei der Transmitter den Pinring so verformt, dass sich der Außenring relativ zu einem Innenring dreht, der konzent risch zu dem Außenring angeordnet ist,
wobei der Außenring
- in regelmäßigen Abständen angeordnete Zahngründe mit kreisabschnittsförmigem Profil aufweist, sowie
- zwischen den Zahngründen angeordnete Zähne, wobei die Form der Zähne im Wesentlichen durch die Hüllkurve der sich dabei bewegenden Pins festgelegt ist.
Innenring gemäß Anspruch 12, wobei der das Profil der Zahngründe die Form eines Halbkreises hat.
Innenring gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Zahnflanken senkrecht zum Teilkreis der jeweiligen Zähnung in den Zahngrund einlaufen.
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