DE19900010C2 - Spielfreies Reibradgetriebe - Google Patents
Spielfreies ReibradgetriebeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein spielfreies Reibradgetriebe z. B. für
eine Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, vorzugsweise als Un
tersetzungsgetriebe für eine Werkstückspindel einer Verzahnungs
bearbeitungs-Maschine.
Die Bearbeitung von Verzahnungen erfordert eine sehr genaue und
komplizierte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück,
die sich aus mehreren rotativen und linearen Einzelbewegungen
zusammensetzt. Bei den kontinuierlichen Verzahnungsbearbeitungs
verfahren muss außer dem Werkstück auch noch das meist schnell
drehende Werkzeug bezüglich seiner Winkelposition zu jedem Zeit
punkt mit den übrigen Relativbewegungsanteilen koordiniert sein.
Waren früher komplizierte und hochgenaue Getriebestränge notwen
dig, um all die verschiedenen Bewegungen untereinander zu koor
dinieren, erlaubt die heutige Steuerungstechnik, jeden Bewe
gungsanteil über eine separate NC-Achse, meist mit einem direk
ten Messsystem ausgerüstet, mit beliebigen Kopplungsfaktoren zu
fahren.
Weil vor allem die Drehwinkelgenauigkeit des Werkstückes wäh
rend der Bearbeitung, und damit die Drehwinkelgenauigkeit der
Werkstückspindel, entscheidend ist für die Qualität der gefer
tigten Verzahnungen, sind Antriebe dafür nur dann geeignet,
wenn sie neben einem sehr ruhigen Lauf eine hohe Drehsteifig
keit und völlige Spielfreiheit aufweisen. In der Vergangenheit
ist auf unterschiedlichste Weise versucht worden, Antriebe für
diese hohen Anforderungen zu bauen. Für Wälzfräsmaschinen sind
häufig spielarm oder spielfrei einstellbare Schneckengetriebe
für diesen Zweck eingesetzt worden, bei Wälzschleifmaschinen
oft spielfreie Stirnradgetriebe oder einfache Reibradgetriebe.
Bei Maschinen, bei welchen nur kleinere Momente an der Werk
stückspindel auftreten, sind auch Direktantriebe über spiel
freie Kupplungen anzutreffen. Ein solcher Direktantrieb hat
viele Vorteile: Einmal ist eine hohe Drehsteifigkeit und
Spielfreiheit zwischen Motor und Werkstückspindel ohne grossen
Aufwand erreichbar, zum anderen ist der bauliche Aufwand im
Verhältnis zu einer Lösung mit Getriebe gering.
Sollen auf einer Maschine aber auch größere Verzahnungen bear
beitet werden, sind gewöhnlich erstens die geforderten maxima
len Werkstück-Drehzahlen geringer und zweitens die durch die
Bearbeitungskräfte verursachten Momente größer. Aus prakti
schen, aber vor allem aus regelungstechnischen Gründen ist es
in solchen Fällen vorteilhafter, einen kleineren Motor mit
zwischengeschaltetem Getriebe für den Werkstückspindelantrieb
zu verwenden, als einen Direktantrieb mit entsprechend großem
Motor. Regelungstechnisch ist das deshalb von Bedeutung, weil
durch ein zwischengeschaltetes Getriebe das auf die Werkstück
spindel wirkende Moment linear, das Massenträgheitsmoment des
Werkstückes dagegen im Quadrat der Getriebeuntersetzung redu
ziert wird auf die Motorwelle.
Schneckengetriebe kommen für diese Aufgabe heute oft nicht
mehr in Frage, weil die benötigten Untersetzungen ins Langsa
me zu groß sind für die geforderten Drehzahlbereiche an der
Werkstückspindel. Zudem haben wirklich spielfreie Schnecken
getriebe große Reibung, was einen schlechten Wirkungsgrad er
gibt und unerwünschte Erwärmung an empfindlicher Stelle er
zeugt. Stirnradgetriebe haben den Nachteil, dass sie auch bei
noch so sorgfältiger Fertigung immer eine, wenn auch geringe,
Störschwingung von mindestens der Zahneingriffsfrequenz auf
die Werkstückspindel übertragen. Reibradantriebe haben zwar
eine sehr gute Übertragungsqualität, sind aber in der Momenten
übertragung meist begrenzt, weil sie oft nur einen einzigen
Reibkraftübertragungspunkt haben. Zudem sind Maßnahmen für eine
Kraftkompensation erforderlich, wenn die Werkstückspindellage
rung nicht die axiale oder radiale Anpresskraft der Reibradrolle
aufnehmen soll.
Aus der DE-OS 16 50 741 ist ein spielfreies Reibradgetriebe ge
mäss Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Es umfasst ein Gehäu
se. Am Gehäuse ist ein Hohlrad drehfest befestigt, dass eine in
nere erste Lauffläche aufweist. Im Gehäuse ist koaxial zum Hohl
rad eine erste Welle drehbar gelagert. An der ersten Welle ist
ein Planetenträger befestigt, auf welchem mehrere Planetenräder
drehbar gelagert sind. Koaxial zur ersten Welle ist eine zweite
Welle drehbar gelagert, auf der ein Sonnenrad mit einer zweiten
Lauffläche befestigt ist. Die Planetenräder rollen auf der zwei
ten Lauffläche ab. Zwischen den Planetenrädern und der ersten
Lauffläche sind paarweise Zwischenräder angeordnet, die mit Fe
dern gegeneinandergespannt sind. Die Drehachsen der Planetenrä
der sind im Planetenträger in Umfangsrichtung steif und spiel
frei und in Radialrichtung nachgiebig gehalten. Durch eine Keil
wirkung zwischen den Zwischenrollen einerseits und den Planeten
rädern bzw. der ersten Lauffläche wird eine Selbstanpressung er
reicht, so dass die Anpresskraft proportional zum übertragenen
Drehmoment steigt. Dies erfordert allerdings ein in Radialrich
tung äußerst steifes Hohlrad.
Aus der WO 96/30670 A1 ist ein weiteres Planeten-Reibradgetriebe
bekannt. Eine Antriebsachse treibt eine Scheibe, in welcher über
den Umfang verteilt achsparallele Bohrungen angeordnet sind. Ein
Hohlrad hat auf der einen Seite Stifte, die mit Spiel in die
Bohrungen eingreifen. Das Hohlrad ist ein biegeelastischer Ring.
Die Planetenräder rollen auf der Innenfläche des Rings ab. Sie
sind mit Spiel mit axialen Bohrungen auf Zapfen eines gehäusefe
sten Planetenträgers aufgesteckt. Die Planetenräder rollen auf
einem mit der Abtriebswelle verbundenen Sonnenrad ab. Der Innen
durchmesser des Rings ist etwas geringer als die Summe des
Durchmessers des Sonnenrades und des doppelten Durchmessers der
Planetenräder. Der Zweck des Spiels der Stifte und der Zapfen
besteht darin, durch Keilwirkung die Anpresskraft des Ringes auf
die Planetenräder und der Planetenräder auf das Sonnenrad dem zu
übertragenden Drehmoment anzupassen. Dies wird allerdings nur
bei der Drehmomentübertragung von den Planetenrädern auf das
Sonnenrad erreicht. Dem gegenüber schwankt die Anpresskraft der
Planetenräder auf den Ring, weil die Keilwirkung nur in einem
sehr engen Winkelbereich beim Überrollen der Stelle der Stifte
durch die Planetenräder erreicht wird. Wegen des Spiels der
Stifte schwankt daher auch das Drehzahlverhältnis mit derselben
Periode. Das Getriebe ist mit Spiel behaftet. Bei Änderung der
Drehmomentrichtung ist das übertragbare Drehmoment und die Dreh
steifigkeit null.
In der DE 29 35 088 A1 ist ferner ein Planeten-Reibradgetriebe
als Stand der Technik beschrieben, bei welchem das Hohlrad als
biegeelastischer Kontaktring ausgebildet ist, auf dessen Innen
fläche die Planeten abrollen. Der Durchmesser der Innenfläche
ist geringer als die Summe des Durchmessers des Sonnenrades und
des doppelten Durchmessers der Planeten. Allerdings ist nicht
erläutert, wie der Kontaktring gegen Verdrehen gegenüber dem Ge
häuse gesichert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
spielfreies Getriebe anzugeben, das einen ruhigen Lauf hat,
hohe Drehmomente übertragen kann und drehsteif ist. Diese Auf
gabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Werkstückantrieb,
der die Vorteile des Reibradantriebes, nämlich die äußerst
gleichmäßige und erschütterungsfreie Drehwinkelübertragung,
aufweist, aber die Nachteile der begrenzten Drehmomentübertra
gung und die Notwendigkeit einer Kraftkompensationseinrichtung
nicht hat und zudem äußerst drehsteif aufgebaut werden kann.
Der erfindungsgemäße Antrieb ist von der Bauart her ein Plane
ten-Getriebe, bei dem das Hohlrad gehäusefest montiert ist und
über eine geeignete Deformation gleichzeitig für die Erzeugung
der Andruckkraft zwischen Hohlrad und Planetenrädern einer
seits und Planetenrädern und Sonnenrad andererseits herangezo
gen wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile des Ge
triebes ohne Gehäuse,
Fig. 2 einen Schnitt durch das montierte Getriebe, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Planetenträger mit zur bes
seren Verdeutlichung übertrieben gezeichneter Un
rundheit des Hohlrades.
Auf der Motorwelle 1 sitzt das Sonnenrad 2 mit einer zylindri
schen Lauffläche 21, auf welcher die Planeten 3 abrollen. Die
Planeten 3 sind an ihrer Lauffläche 22 am Umfang vorzugsweise
leicht breitenballig bearbeitet, damit eine einwandfreie Kon
taktstelle mit den Laufflächen 21 und 7 entsteht. Die Plane
ten 3 sind über die Lager 4 und die Lagerzapfen 5 mit dem Pla
netenträger 6 verbunden und rollen auf der im ungespannten Zu
stand zylindrischen Innenfläche 7 des gehäusefesten Hohlra
des 8 ab, welches die Form eines Topfes hat. Die mögliche An
zahl Planeten wird bestimmt durch das gewünschte Unterset
zungsverhältnis bzw. durch das Verhältnis von Hohlraddurchmes
ser zu Sonnenraddurchmesser. Der Planetenträger 6 ist direkt
verbunden mit der Werkstückspindel 9, welche die Abtriebswelle
bildet.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Planetengetriebe im mon
tierten Zustand. Der Antriebsmotor 10 überträgt sein Drehmo
ment über Welle 1 und das Sonnenrad 2 auf die Planeten 3. Von
den Lagerzapfen 5 wird die Umfangskraft auf den Planetenträ
ger 6 und damit direkt auf die Werkstückspindel 9 weitergelei
tet. Die Werkstückspindel 9 ist in den Lagern 11 koaxial zum
Motor 10 im Gehäuse 12 geführt.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Planetenträger 6 einer
Ausführungsform mit drei Planeten 3. Im aus einem Stück beste
henden Planetenträger 6 sind die Planetenachsen 5 in je einem
Lagerträger 13 gehalten, der über biegeweiche Zonen 14 und
Stege 15 mit dem Planetenträger-Grundkörper 19 verbunden ist.
In Fig. 3 ist nur einer der drei Lagerträger 13 dargestellt.
Die anderen beiden sind gleich ausgebildet. Die Stege 15 jedes
Lagerträgers 13 sind parallel zueinander, alle gleich lang und
spiegelsymmetrisch zur gemeinsamen Ebene der Achsen des Son
nenrades 2 und des betreffenden Planeten 3 angeordnet. Der La
gerträger 13 ist im Grundriss trapezförmig. Dadurch wird er
reicht, dass die beiden dem Sonnenrad 2 zugewandten Stege 15
weiter auseinander liegen. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit
um die Radialachse erreicht. Die zur Herstellung der gezeigten
Struktur des Lagerträgers 13, der Stege 15 und Biegestellen
erforderlichen Schlitze 23 und Durchbrüche 24 können durch
Ausschneiden z. B. mittels Laser- oder Wasserstrahl, durch Fun
kenerosion oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden.
Das Hohlrad 8 stützt sich mit seiner Innenfläche 7 über die
Planeten 3 ab.
Für eine weitgehend schlupflose Übertragung des Drehmomentes
vom Motor 10 zur Werkstückspindel 9 ist eine hinreichend große
Anpresskraft zwischen den Planeten 3 und dem Sonnenrad 2 bzw.
dem Hohlrad 8 erforderlich. Erfindungsgemäß wird diese An
presskraft erzeugt durch eine elastische Deformation des unte
ren Reifens 16 des Hohlrades 8. Dieses ist so gefertigt, dass
der Durchmesser seiner Innenfläche 7 kleiner ist als der Um
kreis um die Planetenräder 3. Das Hohlrad 8 kann also die Pla
neten 3 mit seiner Innenfläche 7 nur in leicht vieleckförmig
deformiertem Zustand des Reifens 16 umfassen. In der Fig. 2
sind beispielhaft drei Planetenräder 3 gezeichnet, deshalb ist
der Reifen 16 in diesem Fall leicht dreieckförmig. Das Bestre
ben des Reifens 16, im so montierten Zustand seine ursprüngli
che runde Form wieder anzunehmen, erzeugt die erforderliche
Federkraft, um die Reibräder zum notwendigen festen Kontakt zu
bringen. Mit der Dimensionierung des Querschnittes des Rei
fens 16 des Hohlrades 8 und der Grösse der erzwungenen Unrund
heit lässt sich die Anpresskraft in weiten Grenzen variieren
und so den Erfordernissen anpassen.
Für eine korrekte Funktion des Planetengetriebes muss das
Hohlrad 8 mit dem Getriebegehäuse 12 möglichst drehsteif ver
bunden sein. Dazu ist es mit seinem verstärkten Flansch 17 am
starren Gehäuse 12 befestigt. An dieser Stelle kann es folg
lich für das Hohlrad keine Deformationen geben. Damit der Rei
fen 16 mit der Innenfläche 7 nun trotzdem die leicht dreiecki
ge Form annehmen kann, ist er mit einer topfförmigen, sehr
dünnwandigen und flexiblen Zone 18 mit dem Flansch 17 verbun
den. Mit dieser Form ist eine hinreichende Flexibilität des
Reifens 16 trotz sehr grosser Drehsteifigkeit gegenüber dem
Gehäuse 12 gegeben.
Die gleiche Kraft, die die Innenfläche 7 des Hohlrades 8 auf
die Planeten 3 ausübt, muss auch zwischen den Planeten 3 und
dem Sonnenrad 2 wirken, weil auch die entstehenden Reibkräfte
unter Last des Getriebes an diesen Berührungspunkten gleich
groß sind. Damit aber am Sonnenrad 2 die Planeten 3 mit defi
nierter Kraft anliegen können, müssen diese in radialer Rich
tung in ganz geringem Masse beweglich sein. Diese radiale Be
weglichkeit muss gewährleistet sein trotz größtmöglicher Stei
figkeit und Spielfreiheit der Planeten 3 gegenüber dem Plane
tenträger 6 in Umfangsrichtung, weil sonst die Drehsteifigkeit
des ganzen Getriebes leiden würde. Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst mit einem einstückigen Planetenträger 6, der so
gestaltet ist, dass die Planetenachsen 5 von einem Lagerträger
13 gehalten werden, der über Biegegelenke 14 und Stege 15 in
radialer Richtung elastisch, in Umfangsrichtung aber sehr
steif mit dem Grundkörper 19 des Planetenträgers 6 verbunden
ist.
Die beschriebene Konstruktion erlaubt es, trotz Verwendung von
normalen Fertigungstoleranzen beim Sonnenrad 2, den Planeten 3
und der Hohlradlauffläche 7 ein Reibradgetriebe herzustellen,
das höchste Drehsteifigkeit und vollständige Spielfreiheit
aufweist, eine genau definierte Anpresskraft für die Reibkon
taktstellen gewährleistet, keinerlei Querkräfte ausübt auf die
Abtriebswelle 9 und, bezogen auf den Umlaufradius der Plane
tenachsen, doppelt so viele Reibkraftübertragungspunkte hat,
wie es Planeten besitzt. Das Getriebe hat einen sehr ruhigen
Lauf.
Claims (8)
1. Spielfreies Reibradgetriebe, umfassend ein Gehäuse (12), ein
am Gehäuse (12) drehfest befestigtes Hohlrad (8) das eine innere
erste Lauffläche (7) aufweist, eine im Gehäuse (12) koaxial zum
Hohlrad (8) drehbar gelagerte erste Welle (9), an welcher ein
Planetenträger (6) befestigt ist, mehrere am Planetenträger (6)
drehbar gelagerte Planetenräder (3), eine koaxial zur ersten
Welle (9) drehbar gelagerte zweite Welle (1), auf der ein Son
nenrad (2) mit einer zweiten Lauffläche (21) befestigt ist, wo
bei die Planetenräder (3) auf der zweiten Lauffläche (7, 21) ab
rollen, und wobei die Drehachsen (5) der Planetenräder (3) im
Planetenträger 86) in Umfangsrichtung des Planetenträgers (6)
steif und spielfrei und in Radialrichtung nachgiebig gehalten
sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lauffläche (7) an
einem biegeelastischen Reifen (16) des Hohlrades (8) ausgebildet
ist, der über einen biegeelastischen Zwischenbereich (18) mit
einem starren, am Gehäuse (12) befestigten Befestigungsflansch
(17) verbunden ist, dass die Planetenräder (3) auf der ersten
Lauffläche (7) abrollen, und dass der Durchmesser der ersten
Lauffläche (7) im ungespannten Zustand geringer ist als die Sum
me des Durchmessers der zweiten Lauffläche (21) und des doppel
ten Durchmessers der Planetenräder (3).
2. Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Planetenachsen (5) über
Biegegelenke (14) in Umfangsrichtung des Planetenträgers (6)
steif mit diesem verbunden sind.
3. Getriebe nach Anspruch 2, wobei jede Planetenachse (5) in
einem Lagerträger (13) angeordnet ist, der an zwei gegenüberlie
genden Seiten über je zwei Stege (15) mit dem Planetenträger-
Grundkörper (19) verbunden ist, wobei alle Stege (15) ein und
desselben Lagerträgers (13) parallel zueinander sind.
4. Getriebe nach Anspruch 3, wobei die Stege (15) an beiden En
den über biegeelastisch Dünnstellen (14) mit dem Grundkörper
(19) bzw. dem Lagerträger (13) verbunden sind.
5. Getriebe nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Grundkörper (19),
die Stege (15) und die Lagerträger (13) einstückig ausgebildet
sind.
6. Getriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Lager
träger (13) im Grundriss trapezförmig ausgebildet sind und alle
Stege (15) gleich lang sind.
7. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Plane
tenräder (3) oder beide Laufflächen (7, 21) ballig ausgebildet
sind.
8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite
Welle (1) eine mit einem Motor (10) verbundene Antriebswelle und
die erste Welle (9) die Abtriebswelle des Getriebes sind.
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