Reibradgetriebe

Die Erfindung betrifft ein Reibradgetriebe zur Drehmomentübertragung mit den drei Baueinheiten Sonnenradwelle, Planetenwälzkörper und Außenhohlkörper, von denen mindestens eine elastisch gestaltet ist und wobei die jeweiligen Paare von Reibkontaktflächen unter einer Anpresskraft bei Punktberührung oder Linienberührung gegeneinander abwälzen.

Getriebe, Reibradgetriebe wie auch Zahnradgetriebe, werden für eine Drehmomentübertragung zwischen Wellen unterschiedlicher Umdrehungsgeschwindigkeit eingesetzt

Zahnradgetriebe, mit einer Kraft-, bzw. Momentübertragung über formschlüssig ineinandergreifende Zähne erlauben die übertragung vergleichsweise großer Kräfte mit hohem Wirkungsgrad, besitzen aber eine Reihe systembedingter Nachteile, wie einen um so höheren Geräuschpegel, je weniger präzise die einzelnen Getriebeteile gefertigt sind und je größer die tatsächlich übertragenen Kräfte sind. Reibradgetriebe mit kraftschlüssiger Momentübertragung erlauben, jeweils bezogen auf ein gleich großes Raumangebot, die übertragung von vergleichsweise kleinen Momenten und Kräften, welche durch die auf die Reibkontaktflächenpaare zweier Baueinheiten maximal aufbringbare Kontakt -Reibkraft, bzw. Anpresskraft, als Umfangkraft begrenzt sind. Die nutzbaren Reibkräfte sind um den Faktor der Reibungszahl μ kleiner als die nutzbaren Kontakt -Normalkräfte im Falle ineinander greifender Zahnräder. Die in geschmierten Reibradgetrieben nutzbare Reibungszahl μ liegt erfahrungsgemäß bei maximal 0,07, selbst wenn synthetische Traktionsfluide als übertragungsfluid eingesetzt sind. Die Leistungsdichte, bzw. die übertragbare Momentdichte, ist demzufolge für Reibradgetriebe vergleichsweise klein.

Reibradgetriebe besitzen gegenüber Zahnradgetrieben indes den Vorteil weitgehender Spielfreiheit zwischen den Baueinheiten und damit höhere Laufruhe.

An die Weiterentwicklung beider Getriebearten werden gleichermaßen die Forderungen nach effizienter, kostengünstiger Fertigung, entsprechender konstruktiver Auslegung für eine einfache Montage und Wartung, Verminderung der Verschleißanfälligkeit, Verbesserung der Betriebssicherheit und Erhöhung der übertragbaren Momente entsprechend der jeweils verfügbaren Baugröße gestellt.

Diese hohen Ansprüche lassen sich mit Planetengetrieben, als einer unter mehreren Getriebearten, in vorteilhafter Weise umsetzen. Das gilt sowohl für Ausführungen als Zahnrad-, wie auch als Reibradgetriebe, oder auch als Kombination in gleichzeitiger Anwendung beider Arten von Kraftübertragung.

Planetengetriebe sind in bekannter Weise dadurch charakterisiert, dass in ihnen in der Regel mindestens zwei Planeteneinheiten, bzw. Planetenwälzkörper, um ein zentral im Getriebe angeordnetes Sonnenrad, bzw. eine Sonnenradwelle, umlaufen, in eher seltenen Fällen auch nur eine einzige Planeteneinheit Die Planeteneinheiten stützen sich dabei radial nach außen gegen ein, diese umgebendes Außenhohlrad, bzw. einen Außenhohlkörper und nach innen gegen das Sonnenrad ab. Mittels dieser wechselseitigen Abstützung wird der für eine Momentübertragung unverzichtbare Anpressdruck zwischen Reibkontaktflächenpaaren hergestellt, ohne dass bei mehr als einem Planeten die Anpresskräfte die Lager beanspruchen. Reibradgetriebe mit Planeteneinheiten sind in großer baulicher Vielfalt bekannt, vor allem was die Vorrichtungen zur Erzeugung und eventuellen Steuerung des

Anpressdruckes, bzw. der Anpresskräfte betrifft. Die Mehrzahl bekannter Ausführungen besitzen Kugeln als Planetenwälzkörper, die zwischen entsprechend ausgeformten Innen- und Außenlaufbahnen abwälzen. Die Momentübertragung erfolgt so bauformbedingt über einen Punktkontakt, bzw. eine Punktberührung. Entsprechend beschränkt ist die übertragbare Momentdichte, zumal es bei überhöhtem Anpressdruck zur Anhebung der übertragbaren Momentdichte zur mechanischen, materialbedingten Wälzermüdung der beteiligten Kontaktpartner kommt.

Auf Basis dieser Erkenntnisse ist daher als alternative Maßnahme die Ausgestaltung von Planeten-Reibradgetrieben mit Linienberührung, anstelle von Punktberührung, zur übertragung höherer Momentdichten über Reibkontaktflächen vorgeschlagen worden. Beispielsweise können sich gegeneinander abwälzende, achsparallele Walzen S mit Linienberührung ausgeführt werden und lassen die übertragung vergleichsweise hoher Momentdichte zu. Zur Erzeugung der notwendigen Anpresskraft haben sich in der Praxis u.a. zwei Verfahren besonders bewährt. Zum einen werden tonnenförmige, bauchige Planetenwälzköφer in einen senkrecht zur Rotationsachse geteilten, steifen Außenhohlkörper montiert. Die beiden Körperhälften haben zueinander einen kleinen 0 Abstand, der entweder bei der Montage fest eingestellt, oder drehmomentabhängig gesteuert wird. Durch gesteuerte axiale Kräfte auf die Körperhälften werden mittels Kegelwirkung die notwendigen Anpresskräfte erzeugt. Durch die elastische Deformation der Oberflächen infolge der Anpresskräfte - die Hertzsche Abplattung - ergibt sich sowohl in Umfangsrichtung als auch quer dazu eine parabelförmige Pressungsverteilung S über die Abplattungsfläche, der Maximalwert wird Hertzsche Pressung genannt.

Stimmen die Krümmungsradien der Wälzpartner in ihrer Größe und ihrer Orientierung in Achsrichtung überein, entsteht in Längsrichtung eine Berührlinie der Linienberührung. Derartige bekannte Ausführungen von Planetengetrieben mit Linienberührung haben indes den Nachteil sehr unterschiedlich hoher Hertzscher Pressungen an der 0 Sonnenradwelle und am Außenhohlkörper, wobei die Unterschiede mit zunehmender Getriebeübersetzung zunehmen.

Vorrichtungen und Maßnahmen für einen wesentlichen Abbau dieser lokalen Unterschiede des Anpressdruckes sind nicht bekannt.

5 Eine andere Möglichkeit, die notwendigen Anpresskräfte zwischen den Kontaktpartnern zu erzeugen, wird beispielsweise in DE 19900 010 A1 beschrieben. Das Dokument betrifft ein spielfreies Reibradgetriebe gemäß Oberbegriff des Anspruchs vorliegender Erfindung. Dort wird der nötige Anpressdruck über das Einbringen der Sonnenradwelle mitsamt der um diese umlaufenden Planetenwälzköφer in einen elastischen 0 Außenhohlkörper von geringfügig kleinerem Innendurchmesser als der mathematischen Einhüllenden von Sonnenradwelle und Planetenwälzkörpern erzeugt. Ein Nachteil ist die unkontrolliert und sich allenfalls nur innerhalb kleiner Flächenbereiche ausbildenden Linienberührung.

Nachteilig sind auch dort die sich an den verschiedenen Reibkontaktflächen bildenden, unterschiedlichen Hertzschen Pressungen. Das diesbezüglich schwächste Glied in der Moment -übertragungskette, die Reibkontaktfläche zwischen Planetenwätzkörper und Außenhohlkörper, begrenzt die maximal übertragbaren Momente und beschränkt die übertragbare Momentdichte auf unbefriedigend kleine Werte. Die Erklärung dafür ist, dass die für eine Momentübertragung nutzbare Reibungszahl μ bei geringeren Hertzschen Pressungen geringer ist als bei hohen Hertzschen Pressungen. Der bei jenem Getriebe als Vorteil genannte, ruhige Lauf trifft nur für vergleichsweise niedrige Anpresskräfte und damit für nur kleine Hertzsche Pressungen zu. Mit einer Erhöhung des Anpresskräfte zur Ermöglichung der übertragung von höheren

Momentdichten setzt ein höchst unerwünschtes "stick - slip" -Verhalten, ein in kurzen Intervallen ein- und aussetzendes Durchrutschen der Reibkontaktflächen ein, was zu unerwünschten Vibrationen im Getriebe führt.

Eine weitere Möglichkeit, die für Reibradgetriebe unverzichtbaren Anpresskräfte gesteuert zu erzeugen, wird in der CH 173 838 beschrieben. Dort werden die Anpresskräfte zwischen den Reibkontaktflächen über eine axiale Anfederung auf einzelne Baueinheiten aufgebracht. Für das gezielte Einstellen der Anpresskräfte sind dort die Sonnenradwelle und die Planetenwälzkörper als Funktionseinheit in Achsrichtung gegen den unverrückbar starren, nicht federnden, konischen

Außenradkörper verschiebbar. In den Ausführungsbeispielen ist der Außenhohlkörper ausnahmslos kegelförmig gestaltet.

Bei derartigen Getrieben kann für das Reibflächenpaar Sonnenradwelle und Planeteenwälzkörper gleichermaßen und unkontrolliert Punkt- oder Linienberührung vorliegen. Maßnahmen zu einer gezielten Einstellung äquivalenter Hertzscher Pressung und / oder äquivalenter Momentübertragung in den verschiedenen Reibkontaktflächenpaaren sind dort nicht vorgesehen.

Ein Nachteil dieser Anordnung ist außerdem die Erfordernis von speziellen Drucklagern, welche die sich mit der Verriegelung auf Sonnenradwelle und Planetenwälzkörper einseitig aufbauenden Druckkräfte aufnehmen.

Aufgabe vorliegender Anmeldung ist es daher, die für bekannte Reibradgetriebe oben

beschriebenen Nachteile zu beseitigen und unter Beibehaltung der bekannten Vorteile, wie hohe Laufruhe, geringe Umkehrspiele und geringe Verschleißanfälligkeit, eine hohe Momentdichte übertragen zu können, welche derjenigen für Zahnradgetriebe in etwa entspricht. Ein solches Reibradgetriebe soll kostengünstig herstellbar sein und hohe Funktions- und Betriebssicherheit aufweisen. Es soll insbesondere dort in Form von Kleinmotoren mit integriertem Getriebe als Verstellantrieb verwendbar sein, wo hohe Komfortanförderungen gestellt sind, beispielsweise im Kraftfahrzeugbau.

Diese Aufgabe wird bei Reibradgetrieben gemäß einleitender Charakterisierung erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.

Die Unteransprüche nennen bevorzugte Ausgestaltungsmerkmale vorliegender Erfindung.

Die Erfindung umfasst Planeten -Reibradgetriebe aller Baugrößen und ist nicht auf einzelne technischen Ausgestaltungen beschränkt. Die bevorzugte Anwendung liegt im Bereich von Komfortgetrieben zur übertragung eher mittlerer und kleiner Momente bei gleichwohl hoher Momentdichte. Solche Anwendungen liegen zum Beispiel auf dem Gebiet der Stellantriebe, insbesondere in der unmittelbaren Umgebung zum Menschen. In diesen Anwendungen wird das erfindungsgemäße Getriebe bevorzugt in Form einer integrierten Baueinheit gemeinsam mit einem Elektromotor ausgeführt sein. Dabei wird ein einteiliges Bauteil sowohl die Funktionsmerkmale einer Motorwelle als auch die einer Sonnenradwelle aufweisen. Die Sonnenradwelle wird dabei im Reibradgetriebe radial allseitig über die Planetenwälzkörper abgestützt und gelagert. Es bedarf daher in der Regel nur einer zusätzlichen radialen Motorwellenlagerung am anderen Wellenende.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Reibradgetriebes ergeben sich aus der Kombination der einzelnen Merkmalgruppen des kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1. Dabei liegt es im Wissensbereich eines Durchschnittsfachmannes die damit gegebenen Anleitungen umzusetzen.

Bereits im einleitenden Teil dieses Dokumentes sind die Begriffe des Anspruchswortlautes, wie Punkt- und Linienberührung, aber auch der Begriff .übliche Nutzung" (der vorhandenen Wälzfestigkeit und Reibungszahl) in ihrer Bedeutung für Reibradgetriebe angesprochen worden. Der Begriff „übliche Nutzung" ist gegen nicht übliche Nutzung durch die Grenzen für die angeführten Materialeigenschaften charakterisiert, bei deren über- oder Unterschreitung es bekanntermaßen zu Störungen der Getriebefunktion, wie Materialermüdung, nicht mehr tolerierbare Reibungsverluste, starker Anstieg von Getriebegeräuschen und Durchrutschen der Reibkontaktflächen eine Paares kommt.

Das Wissen um die Auswahl der jeweiligen Werkstoffe aus dem gegebenen Verfügungsbereich zur erforderlichen Abstimmung von Bauteilelastizität Anpresskräften, Wälzfestigkeit, Reibungszahl und Größe der Abwälzflächen entsprechend der gegebenen Linienberührung für die einzelnen Reibkontaktflächen liegt beim Durchschnittsfachmann.

Der Begriff "in ihrer Grundform zylindrische Reibkontaktfläche" umfasst neben Baueinheiten mit mathematischer Zylinderform auch solche Formen von Reibkontaktflächen, bei denen die Zylinderfläche beispielsweise Ringnuten oder abschnittsweise Abweichungen von der Zylinderform, wie Balligkeiten, Tonnenform und Endrücknahmen in nur kleinen Randbereichen der Reibkontaktfläche besitzt. Die Grundform zylindrisch ist für die Reibkontaktfläche einer Baueinheit dann gegeben, wenn für diese eine Bewegung in ihrer Axialrichtung, und zwar relativ zu der an ihrer Reibkontaktfläche abwälzenden weitere Baueinheit, ohne eine Pressungsänderung gegeben ist.

Der Fachmann weiß bei der rechnerisch zu ermittelnden geometrischer Bauteilform und der erforderlichen Querkrümmung der jeweiligen Reibkontaktfläche den Einfluss durch elastische Verformung infolge von außen auf die elastischen Baueinheiten aufgebrachte Kräfte angemessen zu berücksichtigen. Es ist ihm bekannt, dass eine zu niedrige

Elastizität in einem Bauteil eine nur sehr beschränkte Formänderung unter dem Einfluss von außen aufgebrachter Kräfte zulässt, insbesondere auch nicht innerhalb kleiner, lokal aneinandergrenzender Oberflächenbereichen der Reibkontaktflächen. In diesen

Fällen ist eine zwischen Reibkontaktflächen erwünschte gleichmäßige Pressungsverteilung als Folge elastischer Verformung nicht, oder nur ansatzweise erreichbar.

Zur Erreichung einer gleichmäßigen Pressungsverteilung, bei gleichzeitiger Erfüllung der weiteren Anspruchsmerkmale, wäre bei Verwendung von Werkstoffen mit geringer Elastizität somit eine entsprechend präzisere Bauteilfertigung erforderlich, was ihrerseits mit höheren Fertigungskosten gleichzusetzen ist.

Die gewünschte Elastizität über den Werkstoff, z.B. über die Verwendung eines Elastomers zu erreichen, ist wegen der geringen Wälzfestigkeit derartiger Werkstoffe bei hoher Momentdichte, die hohe Anpresskräfte erfordert, nur allenfalls unzureichend möglich.

Es war nun völlig unerwartet und durch den bekannten Stand der Technik nicht nahegelegt, dass sich über die Ausgestaltung von gegeneinander wälzenden Reibflächenpaaren mit in Bezug auf die Bauteilachse quergekrümmten u/o konischen Oberflächen und einem Bohr / Wälzverhältnis von 0,001 bis 0,2 das bei Reibradgetrieben gefürchtete "stick - slip " -Verhalten ausschalten lässt, ohne die von der Bohrbewegung zusätzlich verursachten Reibungsverluste merklich zu erhöhen.. Es kommt nicht zu Vibrationen im Getriebe. Das Ergebnis ist eine sehr hohe Laufruhe. Dieses Merkmal der erfinderischen Lösung erhält noch zusätzliches Gewicht durch Maßnahmen zur Kompensation der unvermeidlich in Axialrichtung wirkenden Bohrkräfte, anders als mittels die Axialkräfte aufnehmender, die Herstellkosten wesentlich steigernder Wellenendlager. Die stick - slip hemmende Wirkung wird bereits bei kleinsten Bohr-Wälzverhältnissen von 0,001 - 0,2 , z.B. mittels kegelförmiger Planetenwälzkörper erreichen. Die dabei entstehenden, geringen Axialkräfte lassen sich ohne nennenswerte zusätzliche Reibungsverlust allein durch eine Zweiteilung der Reibkontaktflächen in spiegelbildlicher Anordnung kompensieren, wobei die Spiegelebene senkrecht zur Achse der Sonnenradwelle ausgestaltet ist.

überraschender Vorteil von Reibradgetrieben gemäß Erfindung ist weiterhin die hohe, tatsächlich erreichbare Moment-übertragungsdichte, welche mit mittleren Momentdichten von Zahnradgetrieben vergleichbar ist. Dafür ist die Anwendung von einheitlich hohen Anpresskräften für alle Reibkontaktflächenpaare maßgebend, ohne

dass in einzelnen Flächenbereichen mit Linienberührung durch zu hohe Hertzsche Pressungen bei der Momentübertragung vorzeitige Wälzermüdung eintritt. Dafür ist gleichermaßen die erfindungsgemäße geometrische Ausgestaltung des Getriebes zur Erreichung eines hohen Grades an Linienberührung, vor allem im beanspruchungskritischen Kontakt Sonnenradwelle / Planetenwälzkörper, aber auch die Erreichung zumindest ähnlich hoher Hertzscher Pressungen im Reibkontaktflächenpaar Außenhohlkörper / Planetenwälzkörper verantwortlich, beides unverzichtbar für die übertragbarkeit gleich hoher Momente in jedem Reibkontaktflächenpaar, oder anders ausgedrückt die übertragbare Momentdichte erreicht so ihr Maximum. Schließlich lassen sich hohe Momentdichten nur über Oberflächen mit günstiger

Oberflächenbeschaffenheit und hoher Reibungszahl μ erreichen. Mit der Bereitstellung und Einbringung von geeigneten Schmierstoffen als Traktionshilfe in Form synthetischer Traktionsölen oder -fetten lassen sich Reibungswerte μ von 0,04 - 0,07 nutzen. Ungeschmierte Reibkontaktflächen besitzen demgegenüber um den Faktor 5 -10 höhere Reibungszahlen, weisen aber die bekannten Nachteile, wie geringeren übertragungskomfort und höhere Laufgeräusche auf.

Einzelne, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Figuren 1-4 näher beschrieben. Die Figuren zeigen jeweils die Ausgestaltung und Anordnung von Sonnenradwelle,

Planetenwälzkörper und Außenhohlrad in einem Reibradgetriebe als Schnitt durch dessen zentrale Längsachse.

In den Figuren 1 - 4 sind der Außenhohlkörper (1) und der oder die

Planetenwälzköφerπ (2) , sowie der, die Welle (3) des den Planetenwälzkörper käfigförmig umgebenden Planetenträgers (Käfig im Schnittbild nicht sichtbar) gekennzeichnet. Im Zentrum des rotationssymmetrisch gestalteten

Reibradgetriebes ist die Sonnenradwelle (4) ausgestaltet, über welche das zu übertragende Moment eingetrieben wird.

Figur 1 betrifft eine Anordnung, bei der die Sonnenradwelle eine, in ihrer Grundform zylindrische Reibkontaktfläche besitzt und bei der jeweils Paare spiegelbildlich gestalteter und damit zweigeteilter Planetenwälzkörper so ausgestaltet sind, dass die durch das Bohr- / Wälzverhältnis unvermeidlich auftretenden Axialkräfte vollständig

kompensiert werden, ohne das hierfür Wellenendlager vorzusehen sind. Das zu übertragende Moment wird über die Sonnenradwelle eingebracht und über einen, den Planetenwälzkörper käfigartig umgebenden Planetenträger mit Welle ausgebracht.

Fig.2 betrifft eine zu Fig. 1 ähnliche Ausgestaltung, mit dem einzigen Unterschied, dass dort kein Paar spiegelbildlich angeordneter Planetenwälzkörper, sondern nur der Halbkörper auf einer Seite der Spiegelebene ausgestaltet ist und dass die auf dem Halbkörper erzeugte Axialkraft über eine Schulter auf der Sonnenradwelle aufgenommen wird. Wie weiter vorn ausgeführt, lassen die nur geringen Axialkräfte auch diese Ausgestaltung zu, ohne wesentliche Reibungsverluste zu verursachen. In den Figuren 1 und 2 lässt sich durch einen entsprechend geformten, dünnwandigen Außenhohlkörper erreichen, dass im Kontakt Außenhohlkörper / Planetenwälzkörper, wie auch im Kontakt Planetenwälzkörper / Sonnenradwelle ein vergleichbares Verhältnis von aus Festigkeitsgründen noch vertretbarer Hertzscher Pressung (Wälzfestigkeit) zur tatsächlich gegebenen Hertzschen Pressung vorliegt.

Fig.3 betrifft eine Anordnung, bei welcher der Außenhohlkörper in seiner Grundform eine zylindrische Reibkontaktfläche aufweist und bei welcher der Planetenwälzkörper tonnenförmig ausgebildet und die Sonnenradwelle in seiner Querkrümmung auf den Planetenwälzkörper abgestimmt ist.

Das über die Sonnenradwelle eingebrachte Moment wird über die Welle des den Planetenwälzkörper umgebenden Planetenträgers ausgebracht.

In Fig. 3 und Fig. 4 werden durch die Gestaltung der Planetenwälzkörper zum einen die angestrebten Bohr/Wälzverhältnisse zur Verhinderung von stick - slip eingestellt und zum anderen durch die Anpassung der Querkrümmung der Sonne auf die Planeten in dem Kontakt Sonne/Planeten ähnliche Verhältnisse von ertragbarer Hertzscher Pressung (Wälzfestigkeit) zur vorhandenen Hertzschen Pressung wie sie im Kontakt Planeten/Hohlrad herrschen, eingestellt. Gleichzeitig wird zur Einstellung der gewünschten Pressungsrelation zwischen den Eingriffen Planet/Hohlrad und Planet/Sonne die Elastizität des dünnwandigen Hohlrades mit genutzt. In Fig. 4 ist zudem eine andere Ausgestaltung des Planetenträgers zur Führung der Planeten und der Abnahme des Drehmomentes zu sehen. Die Planetenwälzkörper (2)

werden auf Bolzen (5) geführt, die mit der achsparallelen Welle (6) fest verbunden sind.