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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht von einem Stellantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 aus.
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Grundsätzlich besteht
ein Wunsch nach immer leistungsstärkeren und kompakteren Stellantrieben.
In der Kraftfahrzeugindustrie werden diese z.B. zum Antrieb von
Scheibenwischern, Fensterhebern, Sitzen, Schiebedächern oder
dgl. eingesetzt. Insbesondere bei Zweimotoren-Wischanlagen werden Stellantriebe
benötigt,
die ein sehr hohes Moment erzeugen und in einem äußerst beengten Bauraum untergebracht
werden müssen.
Ziel ist es z.B. einen Stellantrieb mit einem Bauvolumen von ungefähr 500 cm3 zu schaffen, der mit einem reversierbaren
Elektromotor mit 60 Zyklen pro Sekunde ein Abtriebsmoment von 35
Nm erzeugt.
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Aus
der
DE 100 03 350
A1 ist eine Verstellvorrichtung zum Verstellen eines zweiten
Teiles gegenüber
einem ersten Teil, insbesondere zum Verstellen von Gelenkteilen
bekannt, wie z.B. Robotergelenkteilen. Die Vorrichtung umfasst einen
Elek tromotor, z.B. einen schnell laufenden Elektromotor kleiner
Baugröße mit einem
geringen Drehmoment, der über
ein Planetengetriebe mit einer hohen Untersetzung das erste Bauteil
zum zweiten Bauteil verstellt. Das Planetengetriebe ist als ein
reduziertes Koppelgetriebe ausgebildet, das auch kurz Wolfrom-Getriebe
genannt wird. Es besitzt zwei Zentralräder, die als Hohlräder mit
Innenverzahnungen ausgebildet sind, und jeweils mit Planetenrädern mit
entsprechenden Außenverzahnungen
kämmen.
Ein Zentralrad ist mit dem ersten Bauteil fest verbunden, während das
andere Zentralrad mit dem zweiten Bauteil fest verbunden und relativ
zum ersten Zentralrad drehbar gelagert ist. In der Regel ist das
erste Bauteil ortsfest, indem es beispielsweise mit einem Gehäuseteil
des Elektromotors verbunden ist. Das erste Zentralrad bildet mit
den ihm zugeordneten Planetenrädern
eine erste Getriebestufe, während
das zweite Zentralrad mit den ihm zugeordneten Planetenrädern eine
zweite Getriebestufe bildet. Die Planetenräder beider Getriebestufen sind
jeweils drehfest miteinander verbunden. Eine der Getriebestufe wird
von der Motorwelle des Elektromotors über ein Sonnenrad angetrieben.
Durch die Wahl der Übersetzungen
der Getriebestufen kann erreicht werden, dass der Abtrieb des Stellantriebs
relativ zum Antrieb eine gleiche oder eine entgegengesetzte Drehrichtung
aufweist. Ferner ergibt sich aus einer hohen Untersetzung des bekannten
Planetengetriebes verbunden mit einem entsprechenden Wirkungsgrad
eine Selbsthemmung, so dass zwar vom Antrieb zum Abtrieb ein Drehmoment übertragen
werden kann, jedoch nicht in umgekehrter Richtung vom Abtrieb zum
Antrieb hin.
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Solche
Planetengetriebe sind ferner aus VDI-Berichte 672, Verein deutscher
Ingenieure „Planetengetriebe,
eine leistungsfähige
Komponente der Antriebstechnik",
VDI-Verlag 1988, bekannt. Auf den Seiten 146, 147 sind in Bild 2
und Bild 3 selbsthemmungsfähige
Planetengetriebe gezeigt und unter Ziffer 3 auf Seite 147 die Bedingungen
für eine
Selbsthemmung definiert.
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Aus
der
US 4 918 344 ist
ferner ein langsam laufender Servoantrieb für Roboter und ähnlich automatisch
steuerbare Maschinen bekannt. Der Antriebsmotor umfasst beispielsweise
einen Gleichstrommotor, einen Wechselstrommotor, Direktantriebsmotor
oder Schrittmotor, der mit einem hoch untersetzenden Planetengetriebe
zusammenarbeitet. Das Planetengetriebe ist ein Reibungsplanetengetriebe,
bei dem die Momente zwischen den Getriebeelementen, den Zentralrädern und
den Planetenrädern
kraftschlüssig
durch Reibung übertragen
werden. Die Zentralräder
und die Planetenräder
sind als Rollen ausgebildet. Durch Schlupf zwischen den Getriebeelementen
ist eine eindeutige Zuordnung der Stellbewegung am Antrieb zur Stellbewegung
am Abtrieb nicht gewährleistet.
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Das
Planetengetriebe, das kompakt und leicht gestaltet ist, ist zumindest
teilweise innerhalb eines hohlzylindrischen Rotors des Elektromotors untergebracht.
Der Rotor treibt über
eine Scheibe ein Sonnenrad einer ersten Getriebestufe an, deren
Planetenräder
in kraftschlüssiger
Verbindung mit dem Sonnenrad und einem ersten Hohlrad stehen, das
mit dem Gehäuse
des Elektromotors drehfest verbunden ist. Ein Planetenträger, an
dem die Planetenräder
der ersten Getriebestufe drehbar gelagert sind, ist mit einem weiteren
Sonnenrad gekoppelt, das mit entsprechenden Planetenrädern und
einem zweiten Hohlrad zu einer zweiten Getriebestufe gehört. Ein
zweiter Planetenträger,
an dem die Planeten der zweiten Getriebestufe drehbar gelagert sind,
ist mit der Abtriebswelle des Stellantriebs gekoppelt, während die
Planetenräder
sich kraftschlüssig
an dem zweiten gehäusefesten
Hohlrad abstützen.
Das Planetengetriebe, das auch als einstufiges Getriebe ausgebildet sein
kann, besitzt keine Selbsthemmung.
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In
der älteren
Patentanmeldung
DE 102 43 809.9 ist
ein Stellantrieb mit einem Elektromotor beschrieben, der über ein
Zahnradgetriebe in Planetenbauweise eine Abtriebswelle antreibt.
Das Planetengetriebe umfasst ein erstes gehäusefestes Zentralrad und ein
zweites drehbares, mit dem Abtrieb verbundenes Zentralrad. Beide
Zentralräder
sind gleichartig, z.B. Hohlräder.
Sie bilden jeweils mit mindestens einem Planetenrad Getriebestufen
mit unterschiedlichen Untersetzungen, wobei das zum ersten Zentralrad
gehörige
Planetenrad mit dem zum zweiten Zentralrad gehörigen Planetenrad drehfest
verbunden ist. Die beiden miteinander verbundenen Planetenräder bilden
ein so genanntes Stufenplanetenrad, das an seinen Stufen entsprechend
den Übersetzungen
unterschiedliche Verzahnungen aufweist. Der Elektromotor treibt
den Planetenträger
an, an dem die Planetenräder
drehbar gelagert sind. Als Elektromotor wird bevorzugt ein elektronisch
kommutierter Gleichstrommotor verwendet, dessen Rotor das Planetengetriebe
umgibt. Solche Stellantriebe eignen sich für Stellaufgaben aler Art, u.a.
auch für den
Antrieb von Scheibenwischern von Kraftfahrzeugen. Sie besitzen einen
hohen Wirkungsgrad und beanspruchen nur einen geringen Bauraum.
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Vorteile der
Erfindung
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Nach
der Erfindung ist das Planetenrad als Hohlrad mit einer Innenverzahnung
und einer Außenverzahnung
ausgebildet und auf einem Exzenter drehbar gelagert. Dieser ist
seinerseits in einem Gehäuse
drehbar gelagert, und zwar um eine Drehachse, die koaxial zur Abtriebswelle
verläuft.
Ein Elektromotor treibt über
Exzenter ein Sonnenrad an, das mit seiner Außenverzahnung in die Innenverzahnung des
Planetenrads eingreift. Dieses treibt über seine Außenverzahnung
ein Hohlrad an, das mit einer Abtriebswelle triebmäßig verbunden
ist. Das Wolfrom-Planetengetriebe mit nur einem exzentrisch gelagerten
Planetensatz, der jedoch nicht wie üblich axial, sondern radial
in die Verzahnungen der Zentralräder
eingreift und auf ein innen- und außenverzahntes Hohlrad reduziert
ist, besitzt die für
Planetengetriebe üblichen
Vorteile wie eine hohe Leistungsdichte sowie einen großen Übersetzungsbereich
und ist zudem extrem kurz bauend. Es besteht aus wenigen, einfach
zu tolerierenden und zu fügenden
Teilen und kann durch die Innen-/Außenverzahnungen für den Bauraum
relativ hohe Momente übertragen.
Durch die in den Verzahnungen niedrigen Geschwindigkeiten ist die
zu erwartende Geräuschentwicklung
gering, zumal wenn die Verzahnung in Ausgestaltung der Erfindung
als Schrägverzahnung und/oder
als Hochverzahnung ausgebildet ist. Ferner kann die Geräuschemission
verringert werden, wenn die Zahnräder oder zumindest ihre Verzahnungen aus
Kunststoff hergestellt sind.
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Um
zu vermeiden, dass die Axialkräfte,
die durch die Schrägverzahnung
entstehen, die Lager der Zahnräder
belasten, ist es zweckmäßig, dass
gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Schrägungswinkel der Verzahnungen
zwischen dem ersten Zentralrad und dem Planetenrad so auf den Schrägungswinkel
der Verzahnungen zwischen dem Planetenrad und dem zweiten Zentralrad
abgestimmt sind, dass sich unter Berücksichtigung der unterschiedlichen
Untersetzungsverhältnisse die
aus der Schrägverzahnung
resultierenden Axialkräfte
weit gehend aufheben. Ferner ist es zweckmäßig, die Untersetzungen der
Getriebestufen so zu wählen,
dass das Planetengetriebe Selbsthemmung aufweist. Dadurch wird ohne
großen
Aufwand die jeweilige Stellposition des Stellantriebs gesichert.
Die Zusammenhänge
zwischen den Übersetzungen,
dem Wirkungsgrad und der Selbsthemmung sind z.B. in Konstruktionsbücher, Band
26, „Zahnradgetriebe", Johannes Looman,
Springer Verlag Berlin 1970, Seiten 26 bis 31, für vergleichbare Planetengetriebe
dargestellt.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Stellantrieb
und
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2 eine Variante zu 1.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Ein
Stellantrieb 10 umfasst im Wesentlichen einen Elektromotor 14,
vorzugsweise einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit
einem Stator 16 und einem Rotor 18, und ein Planetengetriebe 26 mit
einem ersten Zentralrad 28 und einem zweiten Zentralrad 30 sowie
einem Planetenrad 32, das das erste Zentralrad 28 mit
dem zweiten Zentralrad 30 triebmäßig verbindet.
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Der
Rotor 18 des Elektromotors 14 treibt über eine
Scheibe 22 einen Exzenter 20 an, der mittels Lager 24 um
eine Rotationsachse 50 im Gehäuse 12 drehbar gelagert
ist.
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Das
erste Zentralrad 28 ist als Sonnenrad ausgebildet und über eine
Achse 46 drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden,
während
das zweite Zentralrad 30, ein Hohlrad mit einer Innenverzahnung 40, eine
Abtriebswelle 44 antreibt, die koaxial zur Rotationsachse 50 verläuft und
durch Lager 42 im Gehäuse 12 drehbar
gelagert ist. Radial zwischen dem ersten Zentralrad 28 und
dem zweiten Zentralrad 30 ist das Planetenrad 32 vorgesehen,
das als Hohlrad ausgebildet ist und mit einer Innenverzahnung 36 mit einer
Außenverzahnung 34 des
ersten Zentralrads 28 sowie mit einer Außenverzahnung 38 mit
der Innenverzahnung 40 des zweiten Zentralrads 30 kämmt. Die
zwei Zahneingriffsstellen zwischen dem Planetenrad 32 und
dem ersten Zentralrad 28 sowie zwischen dem Planetenrad 32 und
dem zweiten Zentralrad 30 liegen diametral zur Drehachse 50 bzw.
zur Abtriebswelle 44.
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Das
Planetenrad 32 ist drehbar auf dem Exzenter 20 gelagert.
Wird der Exzenter 20 vom Elektromotor 14 angetrieben,
dreht sich das Planetenrad 32 um seine zentrische Symmetrieachse,
die ihrerseits um die Rotationsachse 50 kreist. Dabei ist
die Exzentrizität
des Exzenters 20 auf die Zähnezahlen und Verzahnungsgeometrien
der Verzahnungen 34, 36, 38, 40 so
abgestimmt, das der Zahneingriff zwischen den Zahnrädern 28, 30, 32 während des
Betriebs gewährleistet
ist. Durch die Wahl der Zähnezahlen
lässt sich
ein extrem breiter Untersetzungsbereich erreichen. Die Untersetzung
berechnet sich für ein
stehendes erstes Zentralrad 28 und den Abtrieb über das
zweite Zentralrad 30 mit n2 =
n2' =
nS(Z2 – Z1)/Z1 = nS(Z2/Z1 – 1) n3 = nS(Z3 – Z2')/Z2' – nS(Z2 – Z1)/Z1 = nS(Z3/Z2' – 1) – nS(Z2/Z1 – 1) = nS(Z3/Z2' – Z2/Z1) i = nAntrieb/nAbtrieb = nS/n3 = 1/((Z3/Z2') – (Z2/Z1))wobei
n2 = Drehzahl der Außenverzahnung 38 des
Planetenrads 32,
n2' = Drehzahl der Innenverzahnung 36 des
Planetenrads 32,
nS = Drehzahl
des Exzenters 20,
Z1 = die
Zähnezahl
der Außenverzahnung 34,
Z2 = die Zähnezahl
der Innenverzahnung 36,
Z2' = die Zähnezahl
der Außenverzahnung 38,
Z3 = die Zähnezahl
der Innenverzahnung 40,
i = die Übersetzung des Planetengetriebes 26
ist.
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Je ähnlicher
die Verzahnung Z1 zu Z2 und
Z2' zu
Z3 ausfallen, also Z2/Z1 ≈ Z3/Z2'desto ähnlicher
wird das Verhältnis
(Z1Z2'/Z2Z3) zu 1 und damit die Untersetzung 1:∞. Um eine
Untersetzung von 1:63 zu erreichen, wie sie häufig für Stellantriebe in Kraftfahrzeugen
eingesetzt wird, kann z.B. die Zahlenkombination
Z1 =
29
Z2 = 33
Z2' = 39
Z3 = 45
verwendet werden. Weitere Kombinationen
lassen sich leicht z.B. mit Hilfe einer Tabellenkalkulation ermitteln.
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Grundsätzlich kann
frei gewählt
werden, welches der Zentralräder 28, 30 im
Gehäuse 12 festgehalten
wird. Da aus geometrischen Gründen
beim vorgeschlagenen radialen Aufbau die Beträge der Zähnezahlen |Z3| > |Z2'|, |Z2| > |Z1|
sein müssen,
ist es, um hohe Untersetzungen zu erreichen, notwendig, das innere
Zahnrad festzuhalten und das äußere Hohlrad
als Abrieb zu verwenden und nicht, wie denkbar und vor allem konstruktiv
einfacher ausführbar,
die umgekehrte Zahnradkette auszuführen. Bildlich gesprochen wird
durch das Abwälzen
des Planetenrads 32 eine Drehung erzeugt, die ins Langsame untersetzt
werden muss, was nur erreicht werden kann, indem man die Außenverzahnung 38 auf
einem größeren Durchmesser
der Innenverzahnung 40 und nicht die Innenverzahnung 36 auf
einen kleineren Durchmesser der Außenverzahnung 34 abwälzt.
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Die
Verzahnungen 34, 36, 38, 40 können aus Kunststoff
hergestellt werden, indem sie auf einen metallischen Träger aufgespritzt
werden oder indem die zugehörigen
Zahnräder 28, 30, 32 aus
Kunststoff hergestellt werden. Die Verzahnungen 34, 36, 38, 40 können ferner
aus Geräusch-
oder Festigkeitsgründen
als Schrägverzahnung
und/oder Hochverzahnung ausgebildet werden. Zum Ausgleich der exzentrisch
um die Drehachse 50 rotierenden Massen des Planetenrads 32 wird
zweckmäßigerweise
eine Ausgleichsmasse 48 vorgesehen.
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Bei
der Ausführung
nach 1 ist das Planetengetriebe 26 innerhalb
des Rotors 18 des Elektromotors angeordnet. Es ergibt sich
dadurch eine sehr flache Bauweise.
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Bei
der Ausführung
nach 2 ist das Planetengetriebe 26 axial
versetzt zum Elektromotor 14 angeordnet. Diese Bauweise
ist besonders interessant, wenn der Bauraum innerhalb des Rotors
für das Planetengetriebe 26 nicht
ausreicht oder eine maximale zulässige
radiale Erstreckung nicht überschritten
werden darf. Ferner lässt
diese Ausführung
einen Abtrieb durch die Motormitte auf beiden Seiten des Elektromotors 14 zu.
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Besonders
geeignet sind zum Aufbau des erfindungsgmäßen Stellantriebs 10 Blechstanzteile und
Blechumformteile, wodurch sich die Baulänge des Getriebes auf wenige
Millimeter reduzieren lässt.