Getriebe

Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe, insbesondere auf ein Stirnradgetriebe oder ein Winkelgetriebe.

Hintergrund de Erfindung Zur Umrichtung und/oder Übersetzung von Kräften und Bewegungen werde häufig Zahnradgetriebe eingesetzt. Ein solches Zahnradgetriebe umfasst üblicherweise mindestens ein Paar ineinandergreifender Zahnräder oder mindestens ein mit einem sonstigen Zahnkörper (z.B. einer Zahnstange oder eine Spindel kämmendes Zähnrad, Die Zahngeometrie (Zahnkontur) der Zahnräde bzw. sonstigen Zahnkörper ist dabei stetig fortentwickelt worden, um bei möglichst hohen Übertrag baren Kräften eine möglichst gering Reibung zwischen den Zahno erfJächen zu ermöglichen. Dennoch ist der Wirkungsgrad solcher Getriebe aufgrund der auftretenden Reibung limitiert, Eine neuartige Getriebeform ist aus der EP 1 969 254 B1 bekannt. Hierbei rollen Wäizkörper in Rollbahnen, die jeweils zwischen zwei Zähnen eines ersten Zahnkörpers und zwei Zähnen eines zweiten Zahnkörpers gebilde sind. Bei einer Äntrsebsbewegung des zweiten Zahnkörpers rollen nun die Wälzkörper ^• unter Kraft- und Bewegungsübertragung auf den ersten ^■ Zahn Körper entlang der Rollbahnen äb. Die Wälzkörper verringern dabei - im Vergleich zu einem gewöhnliche Zahnradgetriebe ■-· die Reibung zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnkörper. Je nach Form der Rollbahnen wird ^' bei diesem Getrieb eine komplexe Bewegungs- und Kraftübertragung er ögiieht, die ohne die Wäizkörper nu unter erheblichen Reibungsverlusten zu realisieren wäre. Ailer- dings ist die Hersteilung der hier eingesetzten, meist heii fömigeri Rollbahnen auf der Oberfläche der Zahnkörpe aufwändig und dadurch teuer.

Aufgabe der .Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Getriebe mit dennoch hohem Wirkungsgrad anzugeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Äusfuh- ruhgsforme und Weiterentwicklungen der Erfindung sind In den Untera spru- chen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.

Erfindungsgemäß umfasst das Getriebe einen ersten Zahnkörper, der eine Anzahl von ersten Zähne aufweist, und einen zweiten Zahnkörper, der eine Anzahl von zweiten Zähnen aufweist Jeder der ersten Zähne und jeder der zwei- ten Zähne weist dabei jeweils einen Zahnrücken auf. Das Getriebe umfasst weiterhin eine Anzahl von Wäizkörperri, die derart dem ersten und dem zweiten Zahnkorper zwischengeordnet sind, dass an einer Bmgriffspositäon der beiden Zahnkörper mindestens einer der Wäizkörper zur Übertragung einer Steilkraft zwischen den Zahnkörpern formschiüssig zwischen jeweils zwei Zähnen des erste Zähnkörpers und zwei Zähnen des zweite Zahnkörpers einliegt in der Eingriffsposition sind die Zahnrucken der ersten und der zweiten Zähne dabei im Wesentlichen, d.h. exakt oder zumindest näherungsweise, parallel zueinander ausgerichtet. Bei einer Bewegung des ersten Zahnkörpers und des zweiten Zahnkörpers ist in der Eingriffspositiön eine Wälzachse eines jeden Wälzkör- pers _. . parallel oder in einem flachen Winkel zu den Zahnrücken der angrenzenden ersten und zweiten Zähne ausgerichtet. Als Jacher Winkel" wird dabei ein Winket zwischen 0 und 45 Grad bezeichnet. Als„Wälzachse" wird hier und im Folgenden diejenige Achse des Wälzkörpers bezeichnet, um die der Wälzkörper bei der Bewegung der Zahnkörper wälzt, d.h. rollt. Die Bewegungsrichtung eines jeden Wälzkörpers {insbesondere die Bewegungsriehtuhg des Wälzkörperschwerpunkts); die regelmäßig senkrecht auf der Wälzachse steht, ist in der Eingriffsposition wiederum exakt oder zumindest näherungsweise senkrecht zu den Zahnrücken der angrenzenden ersten und zweiten Zähne ausgerichtet.

Als„Zahnruckeh" wird hier und im Folgenden der ~ spitz zulaufende, abgeflach- te oder abgerundete - Scheitel bezeichnet an dem sieh die Zahnfianken jeweils eines Zahnes treffen. Die Eingriffsposition des ernndungsgerhäßen Getriebes entspricht der Position, bei der di Zahnkörper eines gewöhnlichen Zahnradgetriebes kämmen, bei der also die Zähne dieser Zahnkörper miteinander in formschSüssigen Eingriff stehen. Anders als bei einem gewöhnlichen Zahnradgetriebe stehen die Zahnkörper des erfindungsgemäßen Getriebes allerdings nicht unmittelbar in Eingriff. Vielmehr erfolgt die förmschlüssige Verbindung zwischen den Zahnkörpern an der Eingriffsposition nac Art einer Passfederverbindung mittelbar über den mindestens einen zwischengeordneten Wälzkörper. Dabei greifen bei dem erfindungsgemäßen Getriebe in der Eingriff spösiiio die ersten Zähne des ersten Zahnkörpers nicht zwischen die zweiten Zähne des zweiten Zahnkörpers ein, sondern stehen diesen gegenüber. Dadurc wird in der Eingriffsposition zwischen jeweils zwei Zähnen des ersten Zahnkörpers und des zweiien Zahnkörpers ein Hohlraum gebildet, in dem mindestens einer der Wälzkörper einiiegt. Vorzugsweise liegt dabei in dem zwischen zwei Zähnen des ersten Zahnkörpers und zwei Zähnen des zweiten Zahnkörpers an der Eingriffsposition im Querschnitt genau ein Wälzkörper ein, wobei dieser Waizkörper quer zu seiner Wälzkörperachse eine Dimensio aufweist, die von der Größenordnung her etwa dem Zahnabständ zwischen den Zähnen des ersten Zähnkörpers oder dem Zähnabstand zwischen den Zähnen des zweiten Zahnkörpers entspricht. Die Wäizköper sind somit insbesondere nicht wesentlich kleiner als der jeweilige Zahnabstand des ersten oder zweiten Zahnkörpers. Vielmehr füllt ein Wälzkörper den im Querschnitt gebildeten Zahnzwischenrau des jeweiligen Zahnkörpers exakt oder zumindest nähe- ru ngswe ise vö llstä nd ig: aus,

Dadurch, dass die Kontur der Zahnflanken auf einen Kontakt mit den Wälzkör- pern und nicht auf ein möglichst reibungsfreies Kämmen mit einem gegenüberliegenden Zahn abgestimmt ist, können die erste und zweiten Zähne mit einer vergleichsweise einfachen Zahnkontur ausgeführt und somit kostengünstig hergestellt werden, Zusätzlich führt die zwischen den Zähnen und den - vorzugsweise röfationssymmefräschen - Wälzkörperh auftretende Rollreibung z weitaus geringeren Reibungsverlusten als bei einer Gleitreibung, so dass der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Getriebes gegenüber einem herkömm- iichen Zahnradgetriebe ~ bei gleichzeitig einfacher Gestaltung - erhöht ist.

Grundsätzlich ist es im Rahme der Erfindung denkbar, die Zahnrücken ^er ersten und zweiten Zahne jeweils schräg, insbesondere unter einem gleichen Winkel, zu der Bewegungsrichtung der ersten und zweite Zahne In der Eingriff sposltion anzustellen. In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist allerdings die Bewegungsrichtung der ersten und zweiten Zähne in der Eingriffsposition im Wesentlichen, d.h. exakt oder zumindest näherungsweise, senkrech zu den Zahnrücken ausgerichtet. Mit anderen Worten weist der erste und der zweite Zahnkörper eine Geradverzahnung auf. Dadurch ist eine besonders einfache Hersteilung der ersten und zweiten Zähne gewährleistet.

Zweckmäßigerweise handelt es sich wenigstens bei einem der beiden Zahn- Körper um ein Zahnrad, Der jeweils andere Zahnkörper kann dabei im Rahmen der Erfindung beispielsweise auch als Zahnstange, Zahnpiatie oder dergleiche ausgebildet sein. Bevorzugt sind allerdings beide Zahnkörper als Zahnrad ausgeführt. Die beiden Zahnräder sind vorzugsweise jeweils mit einer Au&er er- zahnung versehen. Eines der beiden Zahnräder kann alternativ hierzu auch mit einer Innenverzahnung versehen sein, in zweckmäßigen Äusgesiaätungsvarian- ten sind beide Zahnräder - zur Bildung eines Stirnradgetriebes bzw. Winkelge-- triebes - entweder als Stirnzahnrad öder als Kegelzahnrad (im Folgenden kurz: Stirnrad bzw. Kegelrad) ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung können die Zahnräder grundsätzlich aber auch unterscniedlic e Bauformen aufweisen.

Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Wälzkörper sphärisch, d.h. kugelförmig, ausgeführt sind. Um jedoch besonders hohe Kräfte aufnehmen und übertragen zu können, sind die Wälzkörper in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung entlang ihrer Wälzachse gestreckt, d.h. länglich ausgeführt. Die Wälzkörper sind dabei vorzugsweise {kreis-)zylinderförmig oder kege|(slumpf)förmig ausgebildet. Im ersten Fall sind die Zyländerrollen vorzugs- weise als Nadeln ausgebiidet, die gegenüber ihrer Längsausdehnung einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweisen. Im zweiten Fäll weisen die (kegelförmigen) Wälzkörper einen halben ^' Konuswinkel gegenüber der Wäizaehse auf _» desse Betrag zwischen ... und ... Grad liegt (Frage an den Erfinder ^* in welchem Bereich liegen cäte l alben Konuswinke! von Kegelrollen?}

Für den Fall, dass die Wälzkörper des erfind ngsgemaßen Getriebes als Kegelrollen ausgebildet sind, sind die Wälzachsen der Kegelrollen in der Eingriffs- position wie vorstehend beschrieben in ei em flächen. Winkel zu den Zahnrücken der ersten und zweiten Zähne angeordnet.

Westerhin ist es Im Rahmen der Erfindung aber auch denkbar, dass als Wälzkörper beispielsweise- auch sogenannte Tonnenrolien mit konvexer Mantellinie. zum; Einsatz kommen. Diese weisen eine hohe Belastbarkeit gegenüber stoE- förmigen Belastunge auf.

Die (zur Wäizaehse parallele) Längsausdehnung de Wälzkörper entspricht vorzugsweise etw der Länge der Zahnrücken der Zähne des ersten u _. nö ödei zweite Za n körpers . In einer optionalen Ausführung des Getriebes sind di Wälzkörper in einem Käfig geführt. Der Käfi ist dabei insbesondere beweglich gelagert, so dass sich der Käfig mit den Wälzkörpern mit bewegt. Der Einsatz des Käfig ermog- ii ^' eht auf besonders einfache Weise, dass die Wälzkörper nach dem Austritt aus der EsngriffspQsiiiQn zurückgeführt werden, so dass die Wälzkörper wiederholt in die Eingriffsposition eintreten. Ferner ist durch den Käfig auf einfache Weise ermöglicht, dass die ersten und zweiten Zahne beim Eintritt in die Eingriffsposi- tion jeweils zwischen benachbarten Wälzkörpern eingreifen, ohne mit den Zäh- nen zu verhaken oder zu verklemmen. Die Wälzkörper werden somit durch den Käfig in einem dem Zahnabstand entsprechenden Abstand gehalten. At f dies Weise wird durch den Käfig ein besonders ruhiger Lauf des erfindungsgemäßen Getriebes erreicht. Der Käfig kann im Rahmen der Erfindung vergleichbar zu einem herkömmlichen Wälzlagerkäfig, bspw. als Blechstanzteil ausgebildet sein, wobei vorteilhafterweise Äbstandshalter zwischen den Wälzkörpern in den Käfig integriert sind, Bei dem nach Art eines Wäizlagerkäfigs ausgebildeten Käfig sind die Wäizkörper auf einer Kreisbahn geführt. Dabei können die Wälzachsen der einzelnen Wälzkörper i Rahmen der Erfindung parallel zu öder senkrecht auf der Kreisachse des Käfigs stehen. Alternativ ist es im Rahme der Erfindung auch denkbar, dass der Käfig vergieichbar einer Schleppkette flexibel ausgebildet ist, so dass die Wäizkörper mit dem Käfig entlang einer frei gestaltbaren Bahn geführt werden.

Das erfind ungsgemäße Getriebe kann optional mehr als zwei Zahnräder oder sonstige Zahnkörper umfassen. Insbesondere sind im Rahmen der Erfindung auch Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ivlerkmale und Ausführungsformen wie beispielsweise eine Kombination aus Stirnradgetriebe und WinkeSgetriebe denkbar. K rie Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Äusführüngsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig; 1 in perspektivischer Darstellung ein Getriebe mit zwei Stirnrädern und den Stirnrädern zwischengeordneten Wälzkörpern, Fig. 2 in einem Schnitt I i-Ii in Blickrichtung auf die Flachseiten der Stirn- räder das Getriebe gemäß Fig. 1, Fig..3 in einem Schnitt lif-HS gemäß Fig. 2 das Getriebe gemäß Fig. 1, Fig. 4 in perspektivischer Darstellung ein alternative Ausführung des

Getriebes mit zwei Kegelrädern und den Kegelrädern zwischengeordneten Wälzkörpern, und

Fig. 5 in einem Schnitt in der durch die Kegelradachsen aufgespannten

Ebene das Getriebe gemäß Fig. 4,

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.

DetaiJHerte Beschreibung der Zeic nungen

In Fig. 1 ist ein Getriebe 1 dargestellt, das als Zahnkörper ein erstes Zahnrad 2 und ein zweites Zahnrad 3 umfasst. Einem jeden der Zahnräder 2 bzw. 3 ist dabei eine Rotationsachse 4 bzw. 5 zugeordnet. Die Zahnräder 2 und 3 sind als Stirnräder ausgebildet, so dass das Getriebe 1 als Stirnradgetriebe ausgeführt ist Mit anderen Worten weisen das erste Zahnrad 2 eine Anzahl von ersten Zähnen 6, und das zweite Zahnrad 3 eine Anzahl von weiten Zähnen 7 auf, die Jeweils auf einer kreiszylindrischen Außenfläche des ersten Zahnrads 2 bzw. des zweiten Zahnrads 3 ausgebildet sind.

Des Weiteren umfasst das Getriebe 1 eine Anzahl von Wälzkörpem 8, von d e stets eine zwischen dem ersten Zahnrad 2 und dem zweite Zahnrad 3 angeordnet ist. Die Wälzkörper 8 sind dabei als Zylinderrolien ausgebildet Die Zahnräder 2 bzw. 3 sind derart zueinande angeordnet, dass ihre Zähne 6 und 7 nicht wie bei einem herkömmlichen Stirnradgetriebe miteinander kam oder ineinander eingreifen, sondern dass die Zähne 6 und 7 si h in einer Eingriffspositio 9 gegenüber stehen (s. Fig. 2). Dadurch wird in der Eingnffspositi- on 9 zwischen jeweils zwei ernten Zähnen 8 und zwei zweiten Zähnen 7 ein Höhlraum gebildet, in dem einer der Wäizkörper 8 einiiegt.

Der in der Eingriffsposition 9 zwischen den Zahnrädern 2 und 3 angeordnete Wälzkörper 8 Ist mit seiner Wälzachse 10 auf der Verbindungsgeraden 11 zws- schön den Rotationsachsen 4 und 5 angeordnet. Die Wäizachse 10 entspricht dabei der Längsachse bzw. de Symmetrieachse des rotationssymmeiriseheti Wäizkorpers 8. Jeder Zahn S bzw. 7 weist einen abgeflachten Zahnröcken 12 bzw. 13 auf, an dem die Zahnflanken jeweils eines Zahnes 6 bzw. 7 aufeinander treffen. Anders als bei einer herkömmlichen Verzahnung (bspw. einer Evolventen- Verzahnung) ist zwischen zwei Zahnen 6 bzw. 7 jeweils ein Tal 14 bzw. 15 gebildet, das rund ausgeformt ist. Die Täler 14 und 15 gehen dabei glatt, d.h. karv ten- und stuferttös sowie Insbesondere mit konstanter Krümmung in die angrenzenden Zahnflanken über, per Radius, mit dem die Täler 14 bzw. 15 ausgeformt sind, entspricht dabei vorteilhafterweise im Wesentlichen dem Radius der Wälzkörper 8. Die Zahnrücken 12 und 13 sind im dargestellten AusfDh- rungsbeispiel gerade, d.h. entSang ihrer Längserstreckung ungekrümmt, ausge- führt, sowie parallel zu den Rotationsachsen 4 und 5 der jeweiligen Zahnräder 2 bzw. 3 ausgerichtet Der Wälzkörper 8 ist in der Eingriffsposition 9 mit seiner Wälzachse 10 wiederum päraiiei zu den Zahnrücken 12 bzw. 13 ausgerichtet (s. Fig. 2 und Fig. 3). Bei einer Drehung des Zahnrads 2 in Rotationsrichtung 20 wird eine Stellkraft bzw. ein Drehmoment des Zahnrads 2 über den in der Eingriffsposttion 9 einliegenden Walzkörper 8 auf das Zahnrad 3 übertragen. Der Wälzkörper wirkt dabei in der Eingriffsposition 9 wie eine Passfeder und stellt einen mittelbaren Formschluss zwischen dem Zahnrad 2 und dem Zahnrad 3 her. In de Ein- griffsposifion 9 weisen die Zähne 6 und 7 sowie der Wälzkörper 8 die gleiche Beweg ungsrichtyng 21 auf, Die Bewegungsrichtung 2 steht hierbei senkrecht auf der Verbindungsgeraden 1 1 zwische den Rotationsachseti 4 und 5 der Zahnräder 2 und 3. Mit anderen Worten werden in der Eingriffsposition 9 die Wätekörper 8 quer zu den Zahnrücken 12 bzw. 13 transportiert,

Der Wälzkörper 8 rolit in der Eingriffsposition 9 an den Zahnflanken bzw. Zahn- täfem 14 und 15 der Zähne 6 bzw. 7 ab. Somit kommt es zu keiner Gleitreibung zwische den Zähnen 6 und 7, sondern lediglich zu einer Rollreibung zwischen den Zähnen 6 und 7 bzw. dem jeweils zwischengeordnefen Wälzköper 8. Aufgrund der gegenüber der Gleitreibung zwischen den Zähnen 6 und 7 niedrigeren Rollreibung weist das Getriebe 1 einen besonders hohe Wirkungsgrad auf,

Um einerseits den Abstand der Wälzkörper 8 aui den Abstand zwischen zwei benachbarten Zähnen 8 des Zahnrades 2 bzw. zwischen zwei benachbarten Zähnen des Zahnrades 3 anzupassen, sowie um andererseits einen einfachen Rücktransport der Wälzkörper 8 nach dem Austritt aus der Eingriffspösiti- on 0 zurück in die Eingriffsposätion § zu ermöglichen, sind die Wälzkörper 8 in einem Käfig 24 geführt. Der Käfig 24 ist dabei derart gelagert dass er sich mit den Wäfzkörpern 8 bewegen kann {nicht näher dargestellt). Dabei ist der Käfig 24 in einem OväS um das Zahnrad 3 geführt. Um den Käfig 24 in dem Oval führen zu können, ist der Käfig 24 in sich beweglich ausgeführt. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der Käfig 24 nach Art einer Schleppkette aus einer Vielzahl von untereinander beweglicher! Gliederstucken zusammengesetzt ist. Alternativ kann der Käfig 24 auch aus einem besonders leicht ver- fermbare Kunststoff oder Gummi gefertigt sein, so dass das Oval mittels elastischer Deformation des Käfigs 24 ausgebildet werden kann.

In Fig. 4 ist ei aStematives Ausfuhrungsbeispiel des Getriebes 1 dargestellt. Das Getriebe 1 ist hierbei als Winkeigetriebe ausgeführt. Dabei sind die Zahnräder 2 und 3 des Getriebes 1 als Kegelräder ausgeführt, deren Rotationsachsen 4 und 5 senkrecht aufeinander stehen. Aufgrund der Anordnung der Zähne 6 bzw. 7 auf einer konisch ausgebildeten Außenfläche 26 bzw. 27 der kege!- stum fförmigen Zahnräder 2 und 3, sind die benachbarten Zahnrücken 12 des Zahnrades 2 ebenso wie die benachbarten Za nrücken 13 des Zahnrades 3 jeweils in einem Sachen Winke! zueinander ausgerichtet. Aufgrund der Kegeäform der Wäizkörrjer 8 rollen diese nicht entlang einer Geraden sonder auf einem Kreisboge ab. Der kreisbogenförmigen Roiikurve entsprechend ist der Käfig 24 im dargesfeilte Äusführühgsbeispiel als Ringscheibe ausgebildet D aizkorper 8 werden durch den Käfig 24 somit iri ei~ ner Ebene 30 geführt, die in der EingnffspositiQn 9 tangential .zu beiden Außenflächen 26 und 27 der Zahnräder 2 und 3 ausgerichtet ist (s. Fig. 4 und Fig 5). Die Wälzachse 10 aller Wälzkörper 8 stehen hierbei senkrecht auf einer Drehachse 31 des Käfigs 24,

Bei der in Fig, 5 dargestellte Drehung des Zahnrades 2 in Röiaiionsnchtun 20 uberträgt der in der Eingriffsposition 9 hinter dem Wälzkörper 8 Hegende Zahn 6 die Stelikraft auf .den Wälzkörper 8 und der wiederum auf den (nicht dargestellten) Zahn 7, der in Bewegungsrichtung 21 vor dem Wälzkörper 8 liegt. Daraus resultiert die Drehriehtung 22 des Zahnrades 3. Der Wälzkörper 8 rolit in: der Eingr spösitiön 9 auf den Zahnflanken bzw. Tälern 12 und 13 beider Zahnräder 2 und 3 ab.

Wi in Fig. 4 zu erkennen ist, sind die Zahnröcken 14 und 15 zu den Zahrcflän- ken bzw. Tälern 12 und 13 hin abgeschrägt (angefast). Dadurch wird ein vergleichsweise„weicher" Kontakt zwischen dem Zahn 6 bzw. 7 und dem Wälzkörper 8 erreicht, so das letzterer nicht durc eine scharfe Kante der Zähne 6 bzw. 7 beschädtgi wird, Der ©egenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus- führungsbeispieSe beschränkt. Vielmehr können weitere Äusführungsförme der Erfindung von dem Fachmann aus der vorsiehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungs- beispieie beschriebenen Einzelmerkrnale der Erfindung und deren Ausgestai- tungsvarianten auch irrstri jerer Weise miteinander kombiniert werden. B©z u gsze i ch e πί ste i Getriebe

2 Zahnrad

3 Zahnrad

4 Rotationsachse

5 Rotationsachse

6 Zahn

7 Zahn

8 Wälzkörper

9 Eingriffsposition

10 Wälzachse

11 Verbi nd u ngsge rade

12 Zah röcken

13 Zah n rücken

4 Tal

15 Tal

20 Rötailonsrichtung

21 Bewegungsrichtung

22 Drehrichtung

24 Käfig

26 Außenfläche

27 Außenfläche

30 Ebene

3 Drehachse