Koaxialgetriebe, insbesondere Hohlwellengetriebe für die industrielle Antriebstechnik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koaxialgetriebe, insbesondere Hohlwellengetriebe für die industrielle Antriebstechnik mit hoher Leistungsdichte, mit einem Antriebselement, einem Element und einem Abtriebselement, wobei eine übersetzung sowie eine übertragung eines Antriebsmomentes zwischen Antriebselement und Abtriebselement über eine Mehrzahl von radial bewegbaren Zahnsegmenten erfolgt .

Herkömmliche Getriebe sind in jeglicher Form und Ausführung im Markt bekannt und erhältlich.

Im wesentlichen werden drei unterschiedliche Technologien von Getrieben auf dem Markt verwendet. Zum Einen sind im Markt Planetengetriebe bekannt, bei welchen bspw. innerhalb

eines Hohlrades koaxial eine oder mehrere Planetenräder mittels eines meist zentral angeordneten Sonnenrades zur übertragung eines Momentes auf einem Planetenradträger bzw. Abtriebselement vorgesehen sind.

Bei derartigen Umlauf- oder Planetengetriebe können keine hohen übertragungsgeschwindigkeiten gefahren sowie keine hohen Momente bei generell nur sehr kleinen möglichen Hohlwellendurchmessern übertragen werden. Zudem unterliegen derartige Getriebe einer geringen Steifigkeit und geringen Robustheit, wobei diese eine geringe überlastfähigkeit besitzt .

Ferner ist nachteilig, dass insbesondere bei hohen antriebsseitigen Drehzahlen eine übersetzung bzw. ein übersetzungsverhältnis beschränkt ist.

Ferner sind Exzentergetriebe bekannt, bei welchen meist ein Planetenrad innerhalb eines innen verzahnten Hohlrades zur übertragung der Drehmomenten wie zur Herstellung von übersetzungen vorgesehen ist.

Bei Exzentergetrieben ist von Nachteil, dass diese grosse Trennkräfte und sehr grosse Lagerelemente, insbesondere bei Hohlwellenausführungen, erfordern und nur für Hohlwellenausführungen mit kleinerem Durchmesser geeignet sind. Auch hier weisen diese Exzentergetriebe geringe überlastfähigkeiten und geringe Robustheiten auf.

Zudem sind die übersetzungsbereiche beschränkt auf etwa i=30 bis i=100 und dies nur bei geringen Antriebsdrehzahlen. Bei höheren Antriebsdrehzahlen unterliegen derartige Exzentergetriebe einem hohen Verschleiss und weisen daher eine geringe Standzeit auf, was unerwünscht ist.

Zudem weisen derartige Exzentergetriebe hohe Reibungsverluste und daher geringe Wirkungsgrade auf, wenn Kupplungen od. dgl . an Exzentergetriebe anschliessen, um die exzentrische Abtriebsbewegung auf eine zentrische Bewegung zu verlagern. Daher ist der Wirkungsgrad des Exzentergetriebes sehr niedrig.

Insbesondere bei hohen Drehzahlen treten hohe Schwingungsproblematiken auf, die ebenfalls unerwünscht sind.

Ferner sind Harmonie Drive Getriebe bekannt, die zwar auch als Hohlwellengetriebe ausführbar sind, wobei zwischen einem meist oval ausgebildeten Antriebselement und einem innen verzahnten Hohlrad ein sogenannter Flexspline angeordnet ist, der weich und nachgiebig ausgebildet ist und das entsprechende Moment zwischen Antrieb und Hohlrad überträgt sowie eine übersetzung zulässt.

Der sogenannte Flexspline unterliegt dauerhaften Belastungen und versagt häufig bei hohen Momenten. Zudem ist der Flexspline nicht überlastfähig und reisst häufig bei zu hohen Momenten schnell ab. Das Harmonie Drive Getriebe hat ferner einen schlechten Wirkungsgrad und eine geringe Verdrehsteifigkeit .

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Koaxialgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, welches- die genannten Nachteile der bis jetzt bekannten Koaxialgetriebe, Planetengetriebe, Exzentergetriebe sowie Harmonie Drive Getriebe beseitigt, wobei eine Kraftübertragung zwischen Antriebselement und Zahnsegment deutlich zum übertragen von sehr hohen Kräften verbessert werden soll.

Zudem soll das Koaxialgetriebe eine sehr hohe Kompaktheit und Komplexität bei geringstmöglichem Einbauraum und Gewicht bei einer gewissen Leistungsgrösse aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Merkmale der Kennzeichen der Patentansprüche 1 bis 3.

Bei der vorliegenden Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein Koaxialgetriebe zu schaffen, bei welchem eine Mehrzahl von Zahnsegmenten innerhalb eines Elementes linear radial nach aussen geführt sind.

Die einzelnen Zahnsegmente weisen einends entsprechende Zahnflanken auf, die in entsprechende Zahnlücken eines äusseren Hohlrades eingreifen.

Die Zahnsegmente werden mittels eines Antriebselementes, welches eine äussere Profilierung und eine äussere Kontur besitzt, zur Herstellung einer rotativen übersetzten Bewegung durch eine entsprechende rotative Antriebsbewegung in die Verzahnung des Hohlrades bewegt.

Dabei hat sich als besonders vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung erwiesen, im Fussbereich der Zahnsegmente vergrösserte Auflageelemente zu bilden, um sehr hohe radial wirkende Kräfte des Antriebselementes, insbesondere von dessen Profilierung, auf das Zahnsegment zu übertragen.

Dabei können die Auflageelemente gelenkartig direkt oder indirekt, über Zwischenelemente, Zwischenlager, Gelenke oder direkt einstückig über entsprechende Einschnürungen, Engstellen od. dgl . mit dem Zahnsegment in Verbindung stehen.

Durch eine grossere Länge der Auflageelemente im Verhältnis zur Dicke des Zahnsegmentes wird die Kontaktfläche der Auflageelemente deutlich vergrössert, so dass dort in diesem Bereich eine Mehrzahl von Lagerelementen die Kräfte des Antriebselementes auf das Zahnsegment übertragen. Es erfolgt eine grosse Lastverteilung und somit können auch sehr hohe Drehzahlen des Koaxialgetriebes bei hoher Momentübertragung gewährleistet werden.

Ferner hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die einzelnen zueinander benachbarten Auflageelemente stirnseitig ineinandergreifen und in Umfangsrichtung sowie in radialer Richtung ein gewisses Spiel zulassen.

Ein axiales Spiel jedoch wird durch entsprechendes Eingreifen von stirnseitigen Vorsprüngen in entsprechende benachbarte Ausnehmungen der benachbarten Auflageelemente gewährleistet .

Die Lagerelemente sind vorzugsweise Nadelrollen oder Kugeln, die vollbestückt oder einzeln beabstandet in Käfigen bzw. Abstandhalter zwangsgeführt eingesetzt sein können .

Dabei soll auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, dass bspw. über einen zusätzlichen, elastischen Lageraussenring zwischen einer Unterseite des Auflageelementes und den Lagerelementen eine zusätzliche Verteilung der Kräfte ermöglicht wird.

Insgesamt ist mit der vorliegenden Erfindung ein

Koaxialgetriebe geschaffen, bei welchem äusserst hohe

Kräfte bei sehr hohen Geschwindigkeiten ausgehend vom Antriebselement auf die radiale Bewegung der Zahnsegmente

und somit auf die Verzahnung des Hohlrades übertragen werden können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Figur Ia einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Koaxialgetriebe;

Figur Ib eine perspektivische Draufsicht auf einen Teil des Koaxialgetriebes im Bereich von Antriebselement und Zahnsegmenten;

Figur Ic einen vergrössert dargestellten Teilquerschnitt des Koaxialgetriebes gemäss Figur Ia;

Figur 2 eine schematisch dargestellte perspektivische Darstellung auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Koaxialgetriebes im Bereich von Zahnsegmenten und Antriebselement;

Figuren 3a bis 3c querschnittlich vergrösserte Darstellungen einzelner Zahnsegmente mit unterschiedlichen, direkt oder indirekt verbundenen und anschliessenden Auflageelementen zum Abstützen auf Lageraussenringen oder Nadellagern;

Figur 4 eine schematisch dargestellte perspektivische Darstellung auf ein Teil eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Koaxialgetriebes mit Zahnsegmenten und Auflageelementen;

Figur 5 eine perspektivische Unteransicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Auflageelements zur übertragung der Schubbewegung der Zahnsegmente.

Gemäss Figur Ia weist ein Koaxialgetriebe Ri ein Hohlrad 1 auf, welches eine innenliegende Verzahnung 2 mit einer

Mehrzahl von Zahnlücken 2' besitzt. Innerhalb des Hohlrades 1 ist ein Element 3 kreisringartig eingesetzt, wobei im kreisringartigen Element 3 eine Mehrzahl von Zahnsegmenten radial nebeneinander und in entsprechende Führungen 4 5 eingesetzt sind. Die Zahnsegmente 5 sind innerhalb der

Führung 4 radial hin und her verschiebbar gelagert und weisen eine Zahnflanke 6 auf.

Innerhalb des Elementes 3 mit aufgenommenen Zahnsegmenten 5 ist ein Antriebselemente 7, ausgebildet als Welle oder als Hohlwelle, vorgesehen, die eine äussere Profilierung 8 aufweist, die bspw. mit einer Kontur 9, als Erhöhung, polygon- oder nockenartig ausgebildet sein kann.

Ebenfalls sind zwischen der äusseren Kontur 9 der

Profilierung 8 des Antriebselementes 7 und den Zahnsegmenten 5 Lagerelemente 10 vorgesehen, wie es insbesondere in den Figuren Ib und Ic angedeutet ist.

Als besonders vorteilhaft hat sich bei der vorliegenden Erfindung, insbesondere beim Koaxialgetriebe Ri, erwiesen, dass sich an das Zahnsegment 5 ein vergrössert ausgebildetes Auflageelement 11 anschliesst.

Wie insbesondere aus den Figuren Ia, Ib und Ic ersichtlich ist, verbindet ein Gelenk 12 gelenkartig das Zahnsegment 5 mit dem Auflageelement 11.

Ferner hat sich als vorteilhaft bei der vorliegenden

Erfindung erwiesen, dass sich im jeweils stirnseitigen

Bereich der Auflageelemente 11 benachbarte Auflageelemente 11 kettenartig oder gliederartig anschliessen lassen, wobei

gleichzeitig ein Spiel in dargestellter Doppelpfeilrichtung x, d. h., bezogen auf die Bewegung der Umfangsflache und einem Spiel in y-Richtung, also in Radialrichtung, wie in Figur Ic dargestellt, möglich ist.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass sich das Auflageelement 11 durch das Gelenk 12 der Kontur 9 der Profilierung 8 anpassen kann und dadurch geleichzeitig an die zwangsgeführte Position des in der Führung 4 eingesetzten Zahnsegmentes 5 gebunden ist.

Somit kann das Auflageelement 11 sich leicht gelenkartig beim Verdrehen bzw. rotativen Bewegen des Antriebselementes 7 gegenüber dem Hohlrad 1 und/oder dem Element 3 an die durch Rotation sich ändernde Kontur 9 des Antriebselementes 7 anpassen.

Die Auflageelemente 11 liegen im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäss den Figuren Ia, Ib und Ic direkt den Lagerelementen 10 auf, die wiederum aussen an der Kontur 9 des Antriebselementes 7 abgestützt sind.

Bevorzugt werden als Lagerelemente 10 eine Mehrzahl von Wälzkörper, insbesondere Nadelrollen oder Kugeln, verwendet.

Betreffend die Funktionsweise des Koaxialgetriebes wird auf die Deutsche Patentanmeldung DE 10 2006 042 786 verwiesen. Dort ist die Funktionsweise exakt beschrieben.

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine weitere Entwicklung und eine Verbesserung der Kinematik zwischen Antriebeselement 7 und Element 3, insbesondere im Bereich der Lagerung der Zahnsegmente 5.

In Figur Ib ist perspektivisch ein Teil des Koaxialgetriebes Ri dargestellt. Dort ist entnehmbar wie die einzelnen Auflageelemente 11 nebeneinander stirnseitig über entsprechende Vorsprünge 13 und Ausnehmungen 14 ineinander greifen und wie in Figur Ic dargestellt, in x- und y-Richtung ein Spiel zulassen. Durch das Ineinandergreifen des Vorsprunges 13 des einen Auflageelementes 11 in die Ausnehmung 14 der benachbarten Auflageelemente 11 ist eine gute Führung und gleichzeitig eine Lagerung und ein Halt in Axialrichtung gewährleistet.

Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch auch, dass durch die vergrösserten Auflageelemente 11 diese über eine Mehrzahl von einzelnen Lagerelementen 10, insbesondere Nadellager, abgestützt und abgefangen werden, so dass sehr hohe radiale Kräfte über die Verzahnung 2 zum Betrieb des Koaxialgetriebes Ri aufgenommen werden können.

Bei der vorliegenden Erfindung hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, dass, wie hier nicht näher dargestellt und lediglich in Figur 3a angedeutet, zwischen dem Auflageelement 11 und dem Lagerelement 10 oder direkt zwischen Auflageelement 11 und einer Kontur 9 des Antriebselementes 7 ein Lageraussenring 15 dazwischen eingesetzt sein kann. Der Lageraussenring 15 ist elastischer Art und unterstützt eine Kraftverteilung zwischen Auflageelement 11 und Lagerelement 10 bzw. eine Kraftverteilung zwischen den Auflageelementen 11 und der äusseren Kontur 9 des Antriebselementes 7.

Im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss Figur 2 ist ein Koaxialgetriebe R ₂ aufgezeigt, bei welchem zwischen den Auflageelementen 11 und dem Antriebselement 7, insbesondere dessen Konturen 9 und zwischen einzelnen benachbarten Lagerelementen 10, insbesondere Nadelrollen,

Abstandhalter 16 vorgesehen sind. Die Abstandhalter 16 greifen jeweils radial und stirnseitig an die Lagerelemente 10 vorzugsweise beidseitig an und beabstanden diese zueinander ketten- bzw. gliederartig.

Auf diese Weise können die einzelnen Nadelrollen zueinander radial um die Kontur 9 des Antriebselementes 7 beabstandet werden, wobei jeweils seitlich noch eine Führung der einzelnen Auflageelemente 11 gewährleistet wird.

In Figur 3a ist vergrössert ein Zahnsegment 5 mit einem Auflageelement 11 dargestellt, wobei in einer Ausnehmung 17 im Fussbereich des Zahnsegmentes 5 eine entsprechende Profilierung 18 des Auflageelementes 11 vorgesehen ist, so dass noch eine gelenkartige Bewegung der Auflageelemente 11 gegenüber dem Zahnsegment 5 gewährleistet wird.

Wie in Figur 3c dargestellt, kann auch daran gedacht sein, die entsprechende Profilierung 18 aus dem Fussbereich des Zahnsegmentes 5 zu bilden, die dann gelenkartig mit einer entsprechenden Ausnehmung 17 des Auflageelementes 11 zusammenwirkt .

Wird bspw. auf die Verwendung eines Lageraussenrings 15, wie er in Figur 3a dargestellt ist, verzichtet, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Auflageelemente 11 an ihrer zum Lagerelement 10 gerichteten Unterseite 19 insbesondere in den stirnseitigen Bereichen Einführungsphasen 20 aufweisen.

Auf diese Weise lässt sich bspw. ohne zwischengelagerten Lageraussenring 15 die Last über die Lagerelemente 10 direkt auf das Auflageelement 11 und somit direkt auf das Zahnsegment 5 übertragen.

Ferner ist von Vorteil bei der vorliegenden Erfindung, dass stirnseitig die Auflageelemente 11 entsprechende überlappungen 13, 14 beispielsweise als Vorsprung 13 oder Ausnehmung 14 oder auch als Rücksprung aufweisen, um in Umfangsrichtung als segmentierter Lageraussenring eine Führung der Lagerungen 10 in Umfangsrichtung zu gewährleisten .

Zudem stellt sich ein definierter Spalt 26 zwischen zwei stirnseitig beabstandeten Auflageelementen 11 in Abhängigkeit der Kontur 9 bzw. Profilierung 8 des Antriebselementes 7 ein, um unterschiedliche Radien des Antriebselementes 7 bei einer Drehbewegung beim Zusammenwirken mit den Auflageelementen 11 auszugleichen.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3b ist dargestellt, dass Auflageelement 11 und Zahnsegment 5 einstückig ausgebildet sind, wobei im Fussbereich des Zahnsegmentes 5 eine Einschnürung 21 als Verjüngung ausgebildet ist, um ein gelenkiges bzw. ein gelenkartiges Schwenken der Auflageelemente 11 gegenüber dem Zahnsegment 5, wie in Doppelpfeilrichtung angedeutet, zuzulassen.

Wichtig ist jedoch bei der vorliegenden Erfindung, wie es auch deutlich in den Figuren 3a bis 3c dargestellt ist, dass eine Länge L der Auflageelemente 11 grösser ist, als eine Dicke D des Zahnsegmentes 5.

Die Länge L der Auflageelemente 11 kann die 1,5 bis 4-fache Dicke D des Zahnsegmentes 5 betragen. Dies soll ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.

Ferner hat sich als besonders vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung erwiesen, wie insbesondere aus dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 4 ersichtlich ist, dass

eine Mehrzahl von Auflageelementen 11 radial und nebeneinander beabstandet auf einer äusseren Kontur 9 des Antriebselementes 7 angeordnet sind. Dabei sind die Lagerelemente 10 in einer Lagernut 23 aussen in der Kontur 9 bzw. Profilierung 8 eingelassen, so dass diese axial weder in die eine noch in die andere Richtung austreten können.

Auf die Lagerelemente 10 sind eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Auflageelementen 11 aufgelegt, die ebenfalls an ihrer Unterseite entsprechende Lagernuten

24 besitzen, so dass stirnseitig entsprechende Flansche 25, wie in Figur 5 dargestellt, die Lagerelemente 10 übergreifen, so dass das Auflageelement 11 axial gesichert auf den Lagerelementen 10, insbesondere den Nadelrollen, gehalten ist und radial eine optimale Lagerung zulässt.

Seitlich besitzt das Auflageelement 11 einen Vorsprung 13, der vorzugsweise dreieckartig und als stumpfes Dreieck ausgeformt ist, welcher in eine entsprechende passende Ausnehmung 14 eines benachbarten Auflageelements 11 eingreift. Das Auflageelement besitzt einerseits einen entsprechenden Vorsprung 13 und anderseits eine entsprechende Ausnehmung 14, die dem Eingreifen des Vorsprunges 13 des benachbarten Auflageelements 11 dient.

Ferner ist die entsprechende Ausnehmung 17 vorzugsweise durchgehend ausgebildet, so dass zumindest ein Zahnsegment 5 in seinem Fussbereich 22 dort eingreifen kann.

Bei der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Mehrzahl von einzelnen Auflageelementen 11 mit Lagerelementen 10 segmentartig auszubilden, die als segmentartige Lageraussenringe das eigentliche Antriebselement 7, insbesondere dessen

Profilierung 8, umfangen. Gleichzeitig dient das Auflageelement 11 der Verteilung der Kräfte auf die Zahnsegmente 5, wobei die Zahnsegmente 5 innerhalb der Auflageelemente 11 separat gelagert bzw. abgestützt sind. Ein derartig segmentierter Lageraussenring, gebildet aus einer Mehrzahl von segmentartigen Auflageelementen 11, ist sehr steif und kann sehr hohe Kräfte bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten auf die einzelnen Zahnsegmente übertragen .

Es hat sich als vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung erwiesen, in Axialrichtung eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei, nebeneinander angeordnete zylindrisch ausgebildete Zahnsegmente 5 in das Element 3, insbesondere in das Abtriebselement, in entsprechende passende zylindrische Führung 4 einzusetzen, die dann gemeinsam in einem Auflageelement 11 abgestützt sind.

DR. PETER WEISS & DIPL . -FORSTW . PETRA ARAT

Patentanwälte European Patent Attorney

Aktenzeichen: P 3617 /PCT Datum: 25.02.2008 DA/ST

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