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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Getriebetechnik und insbesondere ein Planetengetriebe mit Positionsversatz nach Anspruch 1 und eine bevorzugte Verwendung dieses Getriebes für ein Lenksystem nach Anspruch 9.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Aus dem Stand der Technik sind Planetengetriebe mit einem starren Achsabstand der Räder zueinander bekannt, die einen mit Flankenspiel behaftetem Zahneingriff aufweisen. Vereinzelt wird das Flankenspiel durch radiales Anfedern eines Planetenrades zum Sonnenrad reduziert. Ebenso ist ein axiales Anstellen eines Planetenrades relativ zum Sonnenrad und/oder Hohlrad mit leicht kegeliger Verzahnung üblich.
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Allerdings ist das radiale Anfedern mit einer geringen Steifigkeit verbunden. Bei höheren Drehmomenten erfolgt ein Ausfedern mit entsprechender Nachgiebigkeit und Winkelverzögerung des Getriebes. Bei schnellem Richtungswechsel des Moments können zudem Geräusche durch Klappern auftreten.
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Umgekehrt wirkt eine axiale Anstellung entweder nur auf das Sonnenrad oder nur auf das Hohlrad. Beides zugleich stellt eine Überbestimmung des Systems dar. Somit ist keine eindeutige Spieleinengung gewährleistet, wenn ein System aus Sonnen-, Planeten- und Hohlrad verwendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe ist es, ein Planetengetriebe mit einem verbesserten Eingriffsverhalten bereitzustellen, das die vorstehenden Nachteile überwindet und das konstruktiv besonders einfach zu verwirklichen ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche, die in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Vorteile der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung besteht dabei darin, dass wenigstens ein Planetenrad aus seinem idealen Winkelabstand gegenüber den Drehachsen der jeweils benachbarten Planetenräder versetzt ist. Dieser Positionsversatz bewirkt vor allem eine tangentiale Anstellung seiner Achse, bezogen auf einen gedachten Kreis um die zentrale Achse des Hohlrades durch die Drehachsen der Planetenräder. Dadurch wird das Planetenrad über den Steg, das Sonnenrad und das Hohlrad mit seinem jeweiligen Nachbar-Planetenrad verspannt, was den elastischen Anteil im System deutlich reduziert und sich – insbesondere bei höheren Drehmomenten – nicht durch Winkelverzögerung im System bemerkbar macht. Durch die Herausnahme des Spiels aus allen Verzahnungseingriffen (Sonnenrad/Planetenrad und Planetenrad/Hohlrad) erhöht sich auch das Reibmoment nicht zusätzlich. Der ideale Winkelabstand, aus dem das wenigstens eine Planetenrad heraus versetzt angeordnet ist, kann sich dabei z.B. aus einer Teilung des Vollkreises des Hohlrades durch die Anzahl aller Planetenräder ergeben.
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Grundsätzlich kann der Positionsversatz von wenigstens einem der Planetenräder fest vorgegeben sein. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Planetengetriebe aber eine Einstelleinrichtung auf, die zum Einstellen des Positionsversatzes des wenigstens einen Planetenrades ausgelegt ist. Damit ist ein Positionsversatz kontrolliert manipulierbar, was nicht nur die exakte Einstellung des Lenkgetriebes ab Werk, sondern insbesondere auch den Ausgleich betriebsbedingten Verschleißes zulässt.
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Bevorzugt weist die Einstelleinrichtung einen Exzenter auf, der eine weitestgehend starre mechanische Einstellung der Verzahnungseingriffe durch den Positionsversatz des wenigstens einen Planetenrades zulässt. In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist der Exzenter dabei zwischen dem Steg und dem wenigstens einen Planetenrad angeordnet, um die Lage der Drehachse des Planetenrades gegenüber der Lage der Drehachse des Steges und damit der Lage aller anderen Planetenräder zu verändern.
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Zusätzlich oder alternativ kann es aber auch von Vorteil sein, wenn das Planetengetriebe eine Anfedereinrichtung aufweist, die zum Erzeugen des Positionsversatzes des wenigstens einen Planetenrades ausgelegt ist. Zunächst wird dadurch eine leichte Montage des wenigstens einen versetzten Planetenrades ermöglicht, das gegen den Druck der Anfederung ausgerückt in der richtigen Winkellage eingesetzt werden kann. Bei kleinen Drehmomenten ist dessen Verspannung mit einem jeweiligen Nachbar-Planetenrad über den Steg, das Hohlrad und das Sonnenrad mit den bereits genannten Vorteilen gewährleistet. Bei großen Drehmomenten kommt es schließlich zur Ausfederung der Verzahnung, so dass auch in diesem Betriebszustand eine gleichmäßige Lastverteilung im Planetengetriebe gewährleistet ist.
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Bevorzugt weist die Anfedereinrichtung wenigstens ein elastisches Element zum Erzeugen des Positionsversatzes auf, was eine definierte Elastizität des Getriebes vorzugeben erlaubt. Aus Gründen der Platzersparnis ist das wenigstens eine elastische Element dabei bevorzugt zwischen dem Steg und dem wenigstens einen Planetenrad angeordnet. Zusätzlich oder alternativ kann das wenigstens eine elastische Element wenigstens bereichsweise auch durch den Steg selbst gebildet ist. Den Steg mit elastischen bzw. federnden Anteilen zu versehen stellt die konstruktiv einfachste und effizienteste Möglichkeit dar, die Drehachse des Planetenrades gegenüber der Drehachse des Steges zu beeinflussen, um einen Positionsversatz des Planetenrades gegenüber den anderen Planetenrädern herbeizuführen.
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Ein elastisches Element kann dabei aus einem rückfedernden Kunststoffbauteil bestehen, wie z.B. einem O-Ring, der an einem exzentrisch angeordneten Einstich in einem Planetenradzapfen gelagert ist. Es kann aber auch als mechanisches Federelement wie eine ringförmige Feder ausgeführt sein. In jedem Fall ist eine vorbestimmte Elastizität des Getriebes erzielbar.
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Aufgrund seines einfachen und robusten Aufbaus sowie seiner praktisch spielfreien Verzahnung soll das erfindungsgemäße Planetengetriebe bevorzugt für ein Lenksystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes;
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2A die erste Ausführungsform des Planetengetriebes der 1;
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2B den Positionsversatz von Planetenrad zu Hohlrad der 2A;
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2C den Positionsversatz von Planetenrad zu Sonnenrad der 2A;
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3A eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes;
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3B die Einstelleinrichtung für das Planetenrad der 3A;
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3C eine geometrische Darstellung des Exzenters der 3B, und
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4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Planetengetriebes.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes P, mit einem Hohlrad 10 und einem sich zentrisch darin erstreckenden Sonnenrad 20. Das Hohlrad 10 und das Sonnenrad 20 sind um eine zentrale Achse 11 gegeneinander verdrehbar gelagert. Drei Planetenräder 30...30’’ stehen einerseits mit dem Sonnenrad 20 und andererseits mit dem Hohlrad 10 in Eingriff. Deren Drehachsen 31...31’’ sind zur gemeinsamen Bewegung über einen Steg 40; 40’ miteinander verbunden. Das Planetenrad 30 soll dabei erfindungsgemäß aus seiner idealen Position heraus gegenüber den anderen Planetenrädern 30’, und 30’’ versetzt angeordnet sein. Das bedeutet, dass es nicht genau in einem Winkelabstand von 120° zu den beiden benachbarten Rädern 30’ und 30’’ steht, sondern so tangential aus dieser Position herausgerückt ist, dass es einen größeren Winkelabstand zum Planetenrad 30’’ und einen kleineren Winkelabstand zum Planetenrad 30’ einhält. Dadurch kommt es zu einer Anstellung der Verzahnung zwischen diesem Planetenrad 30 und dem Hohlrad 10 einerseits und dem Planetenrad 30 und dem Sonnenrad 20 andererseits. In der Folge werden zwei nebeneinander liegende Räder 30...30’’ über den Steg 40 und das Sonnenrad 20 in dem Hohlrad 10 verspannt, wodurch das Spiel in dem Getriebe P deutlich verringert wird. Eine üblicherweise vorhandene Nachgiebigkeit und Winkelverzögerung gleich wie ein Klappern bei einem Drehmomentenwechsel ist dadurch sicher ausgeschlossen, ohne dass der Verschleiß des Getriebes P erhöht wird.
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Die 2A zeigt die erste Ausführungsform des Planetengetriebes P der 1, bei der aus Übersichtsgründen die Bezugszeichen weggelassen wurden. Die Positionen 1...4 bezeichnen die Kontaktpunkte zwischen Planetenrad 30 und Hohlrad 10 (1), zwischen Planetenrad 30 und Sonnenrad 20 (2), zwischen Sonnenrad 20 und Planetenrad 30’ (3) und zwischen Planetenrad 30’ und Hohlrad 10 (4). Das Hohlrad 10 und der Steg 40 werden dabei als verdrehfest angenommen. Der Verstellantrieb erfolgt über die Einstelleinrichtung 50, 50’ relativ zum feststehenden Planetenradzapfen so lange, bis das Getriebe P frei blockiert. Es werden dadurch zwei der Planetenräder 30...30’’ über den Steg 40 miteinander verspannt.
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Die 2B zeigt den Positionsversatz V von Planetenrad 30 zu Hohlrad 10 der 2A, der mit einer (hier nicht näher beschriebenen) Einstelleinrichtung 50 vorgenommen werden soll. Die Drehachse des Planetenrads 30 soll hier um einen tangentialen Anstellweg a gegenüber dem Momentanpol M zwischen Planetenrad 30 und Sonnenrad 20 versetzt sein. Das Verdrehspiel J_t am Wälzkreis Planetenrad/Hohlrad (Pl/HR), also in Position 1 wird dabei minimiert.
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Die 2C zeigt den Positionsversatz V von Planetenrad 30 zu Sonnenrad 20 der 2A, der mit der Einstelleinrichtung 50 vorgenommen werden soll. Die Drehrichtung beider Räder ist hier umgekehrt wie die in 2B, wodurch das Verdrehspiel J_t am Wälzkreis Sonnenrad/Planetenrad (So/Pl), also in Position 2, 3 und 4 dann J_t max/min 0,25/0,11 beträgt.
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Ein Verdrehspiel in der Position 1 ergibt sich damit zu a1 = ½·J_tPl/HR
= 0,5·0,29
= 0,145 und ein Verdrehspiel in Positionen 2, 3 und 4 mit J_t234 = J_tPl/HR + 2·J_tSo/Pl
= 0,29 + 2·0,25
= 0,79 zu a234 = ½·J_t234
= 0,5·0,79
= 0,395 was in der Summe zu einem maximalen tangentialen Anstellweg von amax/min = a1 + a234
= 0,145 + 0,395
= 0,54; 0,26 führt. Es sei hier angemerkt, das eine Schwankung des Verdrehflankenspiels auf Grund von Achsabstandstoleranzen, Teilungsfehlern und Zahndickenschwankungen nicht berücksichtigt wird.
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Die 3A zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes P’ mit einer erfindungsgemäßen Anstellung der Verzahnung. Die Drehachsen 31...31’’ der Planetenräder 30...30’’ sind auf einem gedachten Kreis K um die zentrale Achse 11 des Hohlrades 10 herum angeordnet. Das Planetenrad 30 weist dabei einen Positionsversatz V auf, so dass dessen Drehachse 31 annähernd auf dem Kreis K um einen definierten Winkelfehler versetzt ist, bei dem das Planetengetriebe P’ frei blockiert. Über den Steg 40, das Sonnenrad 20 und das Hohlrad 10 sind die beiden benachbarten Planetenräder 30’, 30’’ gegen das versetzte Planetenrad 30 verspannt, womit die Verzahnung spielfrei angestellt ist, was den elastischen Anteil im System deutlich reduziert und sich – insbesondere bei höheren Drehmomenten – nicht durch Winkelverzögerung im System bemerkbar macht. Durch die Herausnahme des Spiels aus allen Verzahnungseingriffen (Sonnenrad 20/Planetenrad 30 und Planetenrad 30/Hohlrad 10) erhöht sich auch das Reibmoment nicht zusätzlich. Der ideale Winkelabstand, aus dem das Planetenrad 30 heraus versetzt angeordnet ist, ergibt sich hier z.B. aus einer Teilung des Vollkreises des Hohlrades 10 durch die Anzahl aller Planetenräder zu 120°. Der ideale Winkelabstand der Planetenräder 30...30’’ ist abhängig von der Anzahl dieser Räder 30...30’’ und den Zähnezahlen aller im Getriebe P, P’ vorhandenen Räder. Die theoretisch ideale Auslegung des Getriebes P, P’ kann auch ungleiche Teilungen der Planetenräder 30...30’’ zueinander vorsehen.
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Die 3B zeigt die Einstelleinrichtung 51 für das Planetenrad 30 der 3A, dessen Stellung unter 0° dargestellt ist. Die Einstelleinrichtung 50 weist dabei einen Exzenter 51 mit einer Exzenterhülse 32 auf, in der ein Planetenradzapfen 33 aufgenommen ist. Das Planetenrad 30 selbst ist drehbar an einem Lagerinnenring 34 gehalten, welcher wiederum die Exzenterhülse 32 aufnimmt. Eine Achse des Planetenradzapfens soll hier um R = 2 mm radial nach innen versetzt sein, so dass – abhängig von der Winkellage der Exzenterhülse 32 – unterschiedliche Positionsversätze V des Planetenrades 30 einstellbar sind.
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Die 3C zeigt eine geometrische Darstellung des Exzenters 51 der 3B. Hierbei ist die Winkellage der Exzenterhülse 32 um den Winkel α verdreht. Die Position der Drehachse 31 des Planetenrades 30 wandert dabei um den Anstellweg a = 0,5 mm tangential nach rechts und gleichzeitig um den Wert x nach unten. Die Achse 31 beschreibt bei der Verstellbewegung eine Kreisbahn um die Mitte des Planetenradzapfens 33 mit Radius 2 mm. Die Verstellbewegung weicht dabei von der Idealbahn des Kreises K ab. Bei kleinen Verstellwinkeln α hält sich der unerwünschte Verstellwert x in Grenzen der Achsabstands-Toleranz. Bei einem Anstellweg von a = ca. 0,5 bis ca. 0,25 mm und einer Exzentrizität von R = 2 mm ergibt sich ein Verdrehwinkel von α = arctan(a/R)
= ca. 14,03° bis ca. 7,13° und ein radialer Anstellweg von x = R – R·cosα = ca. 0,06 bis ca. 0,015 mm.
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Die Exzentrizität R und der Anstellweg a können so gewählt werden, dass ein radiales Einrücken des versetzten Planetenrads 30, also dessen radialer Anstellweg x im Mittel minimiert wird. Dies kann dadurch geschehen, dass im vorliegenden Beispiel der Achsabstand des Planetenradzapfens 33 des Planetenrades 30 von vornherein fertigungstechnisch um ca. 0,035 mm korrigiert wird, wobei der Verstellfehler des Exzenters 51 im Mittel etwa ausgeglichen wird.
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Die 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Planetengetriebes P’’, das eine Anfedereinrichtung 60 zum Erzeugen eines Positionsversatzes V aufweist, die ein elastisches Element 61 in Form eines federnden Steges 40’ umfasst. Ein entsprechender Positionsversatz V, also ein definierter Winkelfehler der Drehachse 31 des Planetenrades 30 muss dabei bereits in der Fertigung berücksichtigt werden, damit der Planetenträger-Federarm in Neutralstellung federnd ausgelenkt werden kann. Bei kleinen Drehmomenten ist dessen Verspannung mit einem jeweiligen Nachbar-Planetenrad 30’, 30’’ über den Steg 40’, das Hohlrad 10 und das Sonnenrad 20 spielfrei gewährleistet. Bei großen Drehmomenten kommt es zur Ausfederung der Verzahnung, so dass auch in diesem Betriebszustand eine gleichmäßige Lastverteilung im Planetengetriebe P’’ gewährleistet ist.
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Durch den erfindungsgemäßen Positionsversatz wenigstens einer Drehachse der Planetenräder kommt es in jeder der vorstehenden Ausführungsformen zu einer Anstellung der Verzahnung der Räder in dem Getriebe. Das Flankenspiel der Verzahnung wird dadurch deutlich verringert und in der Folge eine bei bekannten Getrieben vorhandene Nachgiebigkeit und Winkelverzögerung gleich wie ein Klappern bei einem Drehmomentenwechsel sicher ausgeschlossen, ohne dass ein Verschleiß des Getriebes erhöht wird.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich der besseren Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- a
- Anstellweg
- K
- Kreis
- M
- Momentanpol
- P, P‘, P‘‘
- Planetengetriebe
- V
- Positionsversatz
- 1
- Kontaktpunkt Hohlrad/Planetenrad
- 2
- Kontaktpunkt Planetenrad/Sonnenrad
- 3
- Kontaktpunkt Sonnenrad/Planetenrad
- 4
- Kontaktpunkt Planetenrad/Hohlrad
- 10
- Hohlrad
- 11
- Zentrale Achse des Hohlrades
- 20
- Sonnenrad
- 32
- Exzenterhülse
- 33
- Planetenradzapfen
- 34
- Lagerinnenring
- 30...30’’
- Planetenräder
- 31...31’’
- Drehachsen
- 40, 40’
- Steg
- 50, 50’
- Einstelleinrichtung
- 51, 51‘
- Exzenter
- 60
- Anfedereinrichtung
- 61
- Elastisches Element