Planetenreibradgetriebe mit hoher übersetzung

Die Erfindung betrifft ein Planetenreibradgetriebe mit den Bauelementen, Gehäuse, zentrales Sonnenrad, Planeten und zwei konzentrisch über diesen angeordneten Ringen; der innere ist hochelastisch dünnwandig, der äußere vergleichsweise steif und dickwandig. Der Außendurchmesser des Innenringes ist im Vergleich zum Innendurchmesser des Außenringes um die gewünschte Getriebeübersetzung kleiner und der Innenradius von Innen- und Außenring ist kleiner als der äußere Abrollradius der Planeten.

Die Patentschrift DD 288 202 beschreibt ein derartiges Planetenreibradgetriebe mit zwei konzentrischen Ringen. Der elastische Innenring des Getriebes ist dort vorzugsweise, im einzigen Ausführungsbeispiel mangels brauchbarer Alternativen ausschließlich aus viskoelastischem Material gefertigt, dies mit dem Ziel, hohe Elastizität und hohe Reibungszahlen in den Kontakten zu realisieren. Das Getriebe arbeitet ungeschmiert.

Von den zwei konzentrischen Ringen verschiedener Durchmesser und im elastisch nicht verformten Zustand um eine Spaltbreite voneinander beabstandet, ist der eine mit dem Getriebegehäuse fest verbunden, der andere führt eine Rotationsbewegung aus. Die Rotationsbewegung ergibt sich aus der Anpressung der Planeten an den elastisch verformten Innenring bei gleichzeitiger Anpressung des elastisch verformten Innenrings an den vergleichsweise steifen Außenring. Der Abtrieb des Drehmoments erfolgt vom rotierenden Ring. Die Durchmesserunterschiede der Ringe verursachen

eine Differenzdrehzahl zwischen Innen- und Außenring und sind damit weit überwiegend für die Größe der Gesamtübersetzung des Getriebes bestimmend.

Mit der Rotation der Baueinheit Planetenträger plus darin fest ortsfest eingebrachten Planeten wandert der Spalt, bzw. Spaltraum um die zentrale Getriebeachse. Allein bei ausreichend hoher Elastizität des Innenringes können die umlaufenden Planeten ohne allzu großen Kraftverlust gegen den Außenring pressen. Die Steifigkeit des Außenringes bestimmt die Größe der umlaufenden Anpresskräfte zwischen den beiden Ringen entscheidend mit. Die Anpresskraft zwischen Innen- und Außenring und die dort herrschende Reibungszahl bestimmen das maximal übertragbare Drehmoment.

Wird entsprechend der DD 288 202 als Ringwerkstoff ein Elastomer mit hohen viskoelastischen Eigenschaften, wie z.B. Gummi, gewählt, liegt zwar der Vorteil einer hohen Reibungszahl zwischen den beiden Ringen vor, gleichzeitig steht dem jedoch der entscheidende Nachteil einer sehr niedrigen übertragbaren Anpresskraft entgegen. Weitere Nachteile von Elastomeren als Ringwerkstoff sind die hohen Walk- und Reibungsverluste, insbesondere an den Kontaktstellen zwischen Innenring und Planeten mit der hohen überrollungszahl, welche eine starke Erwärmung und einen schlechten Wirkungsgrad bedingen. Zudem ist das Verschleißverhalten von Elastomeren schlecht.

Es überrascht daher nicht, dass sich bisher bei Planetengetriebe dieser Bauart - mit zwei konzentrisch übereinander angeordneten, gegeneinander rotierenden Ringen -, in der Praxis nur ein formschlüssiges Abwälzen der -Ringe" mittels ineinander greifender Zahnkränze durchsetzen konnte. Die mit Zahnkränzen bestückten Ringe

weisen einen geringen Zähnezahlunterschied zwischen dem Innen- und Außenring auf.

Somit erfüllt bisher nur die formschlüssige Getriebevariante die Anforderung einer hohen, übertragbaren Leistungsdichte, bezogen auf den Getriebebauraum, und nur diese führte dank hinreichend kostengünstige Fertigungskosten bisher zu einer Fertigung in industriellen Stückzahlen.

Formschlüssig abwälzende Getrieben sind wegen des vergleichsweise nur geringem Verschleißes der Getriebebauteile langlebig und sie besitzen eine von der Größe des Drehmoments unabhängige, exakte übersetzung.

Andererseits weisen Zahnradgetriebe gegenüber Reibradgetrieben systembedingt ein deutlich höheres Laufgeräusch und eine deutlich höhere Komplexität aller Getriebebauteile auf, was bei vergleichbaren Fertigungsstückzahlen zu höheren, auf das übertragbare Drehmoment bezogenen, zu höheren spezifischen Getriebekosten führt. Eine auch nur kurzzeitige überlastung hat die Zerstörung von Getrieben mit formschlüssiger Drehmomentübertragung zur Folge.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, unter Beibehaltung der oben genannten Vorteile von Planetenreibradgetrieben gemäß dem bekannten Stand der Technik, wie Laufruhe, niedrige Fertigungskosten und überlastungsschutz, deren bislang bestehende Nachteile gegenüber Zahnradgetrieben zumindest weitgehend zu beseitigen. Das erfindungsgemäße Planetenreibradgetriebe soll daher bei jeweils vergleichbar kompakter Bauweise die Leistungsdichte von formschlüssig abwälzenden Getrieben hinsichtlich des übertragbaren Drehmomentes, hoher

Getriebeübersetzung und insbesondere deren hohe Verschleißbeständigkeit und Langlebigkeit erbringen.

Diese Aufgabe wird durch ein Planetenreibradgetriebe der eingangs beschriebenen Art gelöst, das die Merkmale von Anspruch 1 dieser Erfindung besitzt.

Die Unteransprüche verweisen auf besondere Ausgestaltungen der Erfindung.

Basis dieser Erfindung ist die für den Fachmann überraschende und nicht vorhersehbare Erkenntnis, wonach ein dünnwandiger, beim Getriebelauf stark wechselverformter Innenring aus hochfestem, elastischem Material, vorzugsweise aus Stahl, durch dem Einsatz eines, eine niedrige Reibungszahl ergebenden Schmierstoffes bei darauf angepassten Randbedingungen innerhalb dieses Raumes, unter Reibschluss zu bisher nicht für realisierbar erachteten, niedrigen Reibungsveriusten aus Bohr- und Walkarbeit zwischen den Abwälzflächen von Innenring Innenseite und Planeten führt und dabei gleichwohl sicheren Reibschluss zwischen diesen Abwälzflächen gewährleistet. Nur ein dünner und dadurch elastisch gestalteter Innenring aus hochfestem Werkstoff gestattet die Durchleitung der in den Kontakten zwischen Innenring und Außenring erforderlichen hohen Anpresskräfte. Falls bei der entsprechenden Bauausführung angewendet, sind für die Erfindung ebenso entscheidend, die räumliche Beschränkung der Zugabe eines Traktionsfluids auf den Bereich der Kontakt- bzw. Abwälzflächen zwischen Innen- und Außenring, einschließlich geeigneter Maßnahmen zur hermetischen Abdichtung dieses Bereiches gegen andere Räume des Getriebes. Dabei liegt die formal technische Umsetzung dieser Erkenntnis im Bereich des Fachmannes.

Einzelne, in den Ansprüchen verwendete Begriffe, werden mittels nachfolgender Ausführungen vertieft und präzisiert.

Die für einzelne Getriebebauelemente spezifizierten Radien und Durchmesser betreffen entsprechende Werte für die jeweiligen Abwälzflächen im nicht deformierten Zustand.

Der Fachbegriff „Abrollradius der Summe der Planeten" kennzeichnet die Einhüllende aller, d.h. der Summe der in einem Planetenträger um das Sonneπrad rotierenden und dabei gegen Sonnenrad und Innenring abwälzender Planeten. Der Begriff „Reibschluss" in Verbindung mit dem Abwälzen der Kontaktflächen einzelner Bauelemente gegeneinander steht für ein Abwälzen, im Unterschied zu einem solchen Abwälzvorgang, bei dem es zum makroskopischen Rutschen also zu nennenswertem Schlupf der Kontaktflächen gegeneinander kommt. Der Begriff „hermetisch dicht" bezeichnet in diesem Dokument eine Dichtigkeit, gemäß der mittels geeigneter Dichtelemente zwischen einzelnen, einen Raum umschließenden Wandbauteilen verhindert wird, dass aus diesem geschlossenen, mit einem entsprechenden Medium (hier Schmierstoff) gefüllten Raum, bzw.

Teilraum, das Medium austritt.

Der Begriff „Teilraum" besagt, dass nicht zwingend der gesamte freie Raum, hier beispielsweise zwischen Sonnenrad und Innenseite des Innenringes - seitlich begrenzt durch die axialen Seitenwänden des Getriebes -, der Aufnahme des

Schmiermittels dienen muss, wohl aber derjenige Teilraum, der die zu schmierenden

Kontaktflächen umfasst.

Der Begriff „Außenraum'' bezeichnet sowohl die nicht als Raum A und B definierten

Räume im Getriebeinneren, als auch den das Getriebegehäuse umgebenden Außenraum -Stichwort: Wellendichtung gegen den Außenraum.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Getriebes bestehen gleichermaßen Reibschluss und (hohe) Hertzsche Pressungen, zum einen zwischen den das geringere Drehmoment übertragenden Kontaktflächen von Planeten und Innenseite des Innenringes, zum anderen zwischen den das hohe Drehmoment übertragenden Kontaktflächen von Außenseite des Innenringes und Innenseite des Außenringes.

Dieser bevorzugte Betriebszustand des Getriebes wird beim erfindungsgemäßen Getriebeaufbau in Umsetzung eines durchschnittlichen Fachwissens zur Festlegung aller wesentlichen, hierauf Einfluss nehmenden Faktoren geschaffen, wie Werkstoffauswahl für die Bauelemente, deren Oberflächenbearbeitung,

Bauteilgeometrie und Verformungsgrad beim Getriebezusammenbau, aber auch der Wahl des Schmierstoffes mit einem geeigneten Reibungsverhalten in den Kontakten.

Der Begriff „Hertzsche Pressung" besagt, dass sich zwischen den abwälzenden Oberflächen infolge der hohen Anpresskräfte und der vorhandenen Bauteilelastizität Berührflächen ausbilden, wobei deren Größe, Gestalt und die Pressungsverteilung innerhalb der Berührflächen nach den von Hertz vorgestellten Gleichungen berechnet werden.

Bei Getrieben vom Typ mit zwei konzentrischen Ringen über den Planeten und dem Abtrieb des Drehmomentes über wahlweise einen der beiden Ringe, ist für eine Festsetzung des Bauteile - Anforderungsprofils die Erkenntnis bedeutsam, dass die Anpresskraft zwischen Innen- und Außenring um den Verformungswiderstand des Innenrings in radialer Richtung reduziert ist. Je niedriger aber die Anpresskraft zwischen zwei Kontaktflächen mit für diese gegebener Reibungszahl ist, um so niedriger liegt das maximal übertragbare Drehmoment. Der systembedingte Nachteil

dieser erniedrigten Anpresskraft erfordert in Verbindung mit der für hohe übertragbare Drehmomente erforderlichen hohen Reibkraft die Bereitstellung eines möglichst hohen Reibungszahlniveaus an den Kontaktflächen zwischen Innen- und Außenring. Deshalb wird im Kontakt zwischen Innen- und Außenring Trockenlauf oder eine Schmierung mit Schmierstoffen mit, unter elastohydrodynamischen

Betriebsbedingungen sehr hohen Reibungszahlen gewählt (Traktionsfluide oder - fette), wobei zur Verschleißminderung und/oder zur Vermeidung von Tribokorrosion, sowie zur Erhöhung der Reibungszahl vorzugsweise mindestens eine der beiden Reibflächen mit einem Reibbelag beschichtet ist. Als Beläge eignen sich alle Belagarten, wie sie in ungeschmierten und/oder geschmierten Reibkupplungen mit hoher Flächenpressung, wie z.B. in Lamellenkupplungen und Synchronringen, eingesetzt werden

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der dünnwandige, hochelastische Innenring aus Stahl, wahlweise besitzt die Außenseite des Innenrings und fallweise zudem die Innenseite des Außenrings einen Streusinterreibbelag, um damit eine hohe

Reibungszahl an dieser Kontaktfläche zu gewährleisten.

Außer dem Innenring sind aber auch die übrigen gegeneinander abwälzenden

Bauteile des Getriebes vorzugsweise aus dem Werkstoff Stahl unterschiedlicher Zusammensetzung und Wärmebehandlung, bzw. Aushärtung gefertigt.

Die Anfertigung und Erprobung von Planetenreibradgetrieben gemäß vorliegender Erfindung hat das Erreichen der angestrebten, aufgabenspezifischen Ziele und Vorteile bestätigt. Die Fertigungskosten eines erfindungsgemäßen Planetenreibradgetriebes liegen auch bei Schaffung von hermetisch gegeneinander abgegrenzten, geschmierten

Räumen unter den Fertigungskosten von formschlüssigen Zahnradgetrieben vergleichbarer Leistungsdichte und übersetzung. Die erreichbare Baudichte ist mit derjenigen von Zahnradgetrieben vergleichbar. Während die übertragbare Leistung eines Zahnradgetriebes diejenige eines Reibradgetriebes bei vergleichbarer Baugröße und Drehzahl, bzw. übersetzung, bisher um etwa den Faktor 5 übertraf, so liegen diese Werte jetzt dicht beieinander . Die Verschleißbeständigkeit und Lebensdauer liegen ebenfalls etwa gleich auf, während das Getriebe gemäß Erfindung gattungsbedingt ein Zahnradgetriebe hinsichtlich Geräuschverhalten und kurzzeitiger überlastbarkeit ganz wesentlich übertrifft.

Das erfindungsgemäße Getriebe weist damit die Nachteile bekannter Planetenreibradgetriebe gemäß aufgezeigtem Stand der Technik, vor allem hinsichtlich maximal übertragbarer Drehmomentdichte bei hoher Drehzahl und hoher übersetzung nicht mehr oder in nur noch geringem Umfang auf.

Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.

Fig.1 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Getriebes für einen in radialer Ausdehnung beschränkten Bauraum in einem Schnitt durch die zentrale Achse. Die Figur zeigt das Sonnenrad (1), das gleichzeitig als Teil der Welle des dem Getriebe vorgeschalteten Antriebsmotors dient. Die Planeten (2), welche ebenfalls als Teil des Motorlagers dienen können, werden vom Sonnenrad (1) reibschlüssig angetrieben und übertragen das Antriebsmoment auf den dünnwandigen, hochelastischen Innenring (3). Der Planetenträger (4) ist als Käfig ausgebildet und führt die Planeten (2). Der Innenring (3) ist drehmomentfest über eine als Gummi-Metall-Konstruktion ausgebildete Drehmomentabstützung (5)

umfangssymmetrisch, elastisch mit dem Getriebegehäuse (6) verbunden. Ein gleitendes Dichtelement (7) und ein statisches Dichtelement (8) schließen den schmierstoffgefüllten Raum A (9) ab. Der steife Außenring (10) nimmt die Radialkräfte auf und wird über axiale Führungen (11) gegen axiales Verschieben gesichert. Das im Vergleich zum Antriebsmoment vergleichsweise hohe Abtriebsmoment wird über eine nicht dargestellte, drehmomentübertragende, form- oder reibschlüssige Verbindung abgenommen. Die Kontakt-, bzw. gegeneinander wälzenden Flächen von Innenring (3) und/oder der Außenring (10) können einen in der Darstellung nicht gezeigten Reibbelag tragen. Nach einer in der Figur ebenfalls nicht konkret dargestellten Konstruktionsvariante kann der Außenring (10) festgehalten und das Drehmoment am Innenring (3) abgenommen werden.

Die Anpresskräfte zwischen Sonnenrad und Planeten, Planeten und Innenring und Innenring gegen Außenring werden über die Durchmesser der beteiligten Bauteile und deren Elastizität erzeugt. Sie werden im Wesentlichen über deren geometrische Gestaltung beeinflusst. Alle Bauteile innerhalb der Innenwand des Innenringes sind geschmiert mit einem Schmierstoff, der ein geringes Reibungszahlniveau bei den entsprechenden Betriebsbedingungen der reibkraftübertragenden Kontakte aufweist und der gleichzeitig den Verschleiß minimiert. Das Sonnenrad und die Planeten sind in ihren Krümmungen quer zur Umfangsrichtung, bzw. zur Schnittebene der Figur so ausgebildet, dass sich im Zusammenwirken mit der Elastizität des Gesamtsystems an den Berührstellen elastohydrodynamische Kontakte mit hoher Hertzscher Pressung ergeben. In diesen Flächen wird der nicht verdrängte Schmierstoff so stark komprimiert, dass eine Kraftübertragung durch Reibung, bzw. über Reibschluss ermöglicht wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung für einen kleinen axial verfügbaren Bauraum zeigt Fig. 2. Darin ist 1 das Sonnenrad (1) gezeigt, das gleichzeitig Bestandteil der Motorwelle sein kann und die Aufgabe einer Motorlagerung übernimmt. Die Planeten (2), die geführt werden vom Planetenträger (4), der aus zwei Hälften( 4 a) und (4 b) besteht, wird durch das Sonnenrad (1) reibschlüssig angetrieben. Der elastisch und hochfest gestaltete, dünnwandige Innenring (3) ist drehmomentfest mit dem nicht dargestellten Getriebegehäuse verbunden. Eine als Dichtelement elastisch gestaltet

Deckscheibe (7) dichtet den mit Schmierstoff gefüllten Teilraum (9) des Raumes A ab. Der Abtrieb des Drehmoments erfolgt im dargestellten Beispiel über den dickwandigen Außenring (10). Wird alternativ, aber nicht dargestellt, der Außenring (10) festgehalten, so kann der Abtrieb auch über den Innenring (3) erfolgen.

Die Erfindung ist nicht auf die explizit beschriebenen und dargestellten Ausführungen beschränkt.