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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Käfigen von Wälzlagern, insbesondere von Wälzlagern für Harmonic Drives auch als Wellengetriebe bezeichnet.
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Harmonic Drives sind an sich insbesondere aus der
US 4 715 247 A , der
US 4 840 090 A oder auch der
US 2002 / 0 178 861 A1 bekannt. Ein Harmonic Drive enthält im Allgemeinen einen mit einem elliptisch gestalteten zentralen Kern ausgestatteten Wellengenerator, ein mit einer äußeren Verzahnung versehenes nachgiebiges Zahnrad, das mit dem Wellengenerator über ein Wälzlager verbunden ist, und ein starre kreisrundes Hohlrad mit einer nach innen gerichteten Verzahnung. Der ursprüngliche Durchmesser des elastisch verformbaren Zahnrads ist geringfügig kleiner ist als jener des Hohlrades, und das Innenzahnrad weist im Allgemeinen zwei Zähne weniger auf als das Hohlrad. Das nachgiebige Innenzahnrad wird durch den elliptischen Wellengenerator verformt und steht mit der Verzahnung des Hohlrades über die große Ellipsenachse in Eingriff. Wenn der Wellengenerator in Umdrehung versetzt wird, wandert der in Eingriff befindliche Bereich der Verzahnung gemeinsam mit der großen Ellipsenachse. Mit jeder vollständigen Umdrehung des Wellengenerators wird das nachgiebige Innenzahnrad gegenüber dem Hohlrad um einen Winkel verdreht, der zwei Zähnen entspricht. Die Vorteile von Harmonic Drives sind beispielsweise eine präzise Positionierung, ein relativ hohes Drehmoment, ein geringes Spiel in Umfangsrichtung, ein erhebliches Untersetzungsverhältnis und eine gute Torsionssteifigkeit.
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Die in Harmonic Drives verwendeten Wälzlager enthalten einen Außenring, einen Innenring und zwischen den Ringen untergebrachte Wälzkörper. Der axiale Querschnitt wenigstens eines der Ringe ist sehr dünn bemessen, um in radialer Richtung elastisch nachzugeben und das elliptische Profil des Wellengenerators anzunehmen, auf dem er sitzt. Aufgrund der Tatsache, dass die durch die Wälzkörper verfolgten Bahnen nicht wie im Falle eines herkömmlichen Wälzlagers kreisförmig sondern elliptisch sind, werden die Wälzkörper entsprechend ihrer Winkelstellung nicht genau mit derselben Geschwindigkeit in Umfangsrichtung verschoben. Darüber hinaus erfahren die Wälzkörper eine gewisse relative Verschiebung in radialer Richtung gegenüber dem Käfig, der eine im Wesentlichen kreisrunde Gestalt aufweist. Es ist daher erforderlich, den Kugeln ein verhältnismäßig großes Spiel in Umfangs- und Radialrichtung gegenüber den Zellen des Käfigs zu erlauben. Die
US 3 285 099 A beschreibt einen für Wälzlager von Harmonic Drives geeigneten, aus Kunststoff gefertigten Käfig, der für die Trennung der Kugeln in Umfangsrichtung sorgende Zellen ein erhebliches Spiel in Umfangsrichtung zwischen Zelle und Kugel aufweist, wobei der Käfig bezüglich der Kugeln mittels eines äußeren Flansches in axialer Richtung gesichert ist.
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Die
US 4 451 098 A beschreibt einen für Harmonic Drives geeigneten Wälzlagerkäfig, der den Kugeln ein großes Maß an Verschiebbarkeit in den Zellen erlaubt. Der Käfig ist in axialer Richtung an der Reihe von Kugeln durch einen an dem Käfig befestigten zusätzlichen Sicherungsring gesichert. Diese Anordnung ist verhältnismäßig komplex und sperrig, da sie die Befestigung des zusätzlichen Rings an dem Käfig erfordert und zu beiden Seiten der Kugeln ausreichend axialen Raum voraussetzt, um dort auf der einen Seite die ringförmigen Abschnitte des Käfigs und auf der gegenüberliegenden Seite den zusätzlichen Sicherungsring unterzubringen. Die Herstellung und Montage dieser Einrichtung ist dementsprechend kostspielig.
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Die
US 4 715 247 A erläutert einen wie in
6 und
7 dargestellten einstückig ausgebildeten Käfig für Wälzlager von Wellengetrieben, der mit Zellen ausgebildet ist, die sphärische Flächen aufweisen, die durch verhältnismäßig dicke Wände getrennt sind. Das Ergebnis ist ein Käfig, dessen Verbringung mit den Wälzkörpern kompliziert ist, und bei dem sich das Spiel der Kugeln in den Zellen in Umfangsrichtung als zu gering erweist, um einen zufriedenstellenden Betrieb des Harmonic Drives zu gewährleisten.
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DE 41 42 433 C1 beschreibt ein Rollen-Kugellager mit einem Käfig für die Rollen und Kogeln. Der Käfig hat Rollentaschen für die Rollen auf. In Umfangsrichtung sind wenigstens drei Kugeltaschen für jeweils eine Kugel zwischen den Rollentaschen angeordnet.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen einfachen und kostengünstigen Käfig, der ein erhebliches Spiel der Wälzkörper in den Zellen des Käfigs zulässt, während die Reibung zwischen dem Käfig und den Wälzkörpern gering ist.
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Die Käfiganordnung für Kugellager von Harmonic Drives ist dazu bestimmt, in einem Kugellager angeordnet zu werden, um den Abstand von Kugeln in Umfangsrichtung zu sichern, und enthält einen Käfig mit mehreren erste Zellen, die mit axialen Haltemitteln des Käfigs für eine Kugel versehen sind, und mehrere zweite Zellen, die nicht mit axialen Haltemitteln des Käfigs für eine Kugel versehen sind. Die Käfiganordnung ist einstückig hergestellt. Der Zusammenbau ist auf diese Weise insbesondere insofern erleichtert, als lediglich ein Teil der Zellen mit axialen Haltemitteln versehen ist. Darüber hinaus ist die Gestalt des Käfigs besonders einfach, da sich der Käfig als einstückiges Element, beispielsweise durch Spritzen herstellen lässt. Das Ergebnis ist ein besonders robuster Käfig.
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In einem Ausführungsbeispiel umfassen die axialen Haltemittel wenigstens eine elastische Zunge. Die elastische Zunge kann mit dem Käfig einstückig ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise beinhalten die axialen Haltemittel zwei elastische Zungen pro erste Zelle. Die beiden elastischen Zungen können auf jeweils einer Seite der ersten Zelle in Umfangsrichtung befestigt sein und jeweils durch eine Wand getragen werden, die die erste Zelle von einer benachbarten Zelle trennt.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die ersten Zellen und die zweiten Zellen gleichmäßig entlang dem Umfang verteilt. Dies ermöglicht einen erleichterten Zusammenbau des Käfigs mittels einer axialen Bewegung und gewährleistet einen zufriedenstellenden axialen Halt des Käfigs an den Kugeln nach der Montage.
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Erfindungsgemäß weisen die zweiten Zellen eine axiale Öffnung auf, die mit zylindrischen Rändern ausgebildet ist. Die zweiten Zellen weisen daher eine erheblich reduzierte Reibung der Kugeln gegenüber dem Käfig auf und erlauben ein größeres Spiel in radialer Richtung und in Umfangsrichtung.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die ersten Zellen mit im Wesentlichen sphärischen Wänden ausgebildet.
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Die zweiten Zellen sind mit zylindrischen Wänden ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft ferner ein für Harmonic Drives geeignetes Kugellager mit zwei Ringen, einer Reihe von zwischen den Ringen angeordneten Kugeln und einer Käfiganordnung mit einem einstückig hergestellten Käfig, der die Beabstandung zwischen den Kugeln in Umfangsrichtung aufrecht erhält, wobei der Käfig mit mehreren ersten Zellen ausgebildet ist, die mit axialen Haltemitteln des Käfigs für eine Kugel versehen sind, und mit mehrere zweiten Zellen ausgebildet ist, die nicht mit axialen Haltemitteln des Käfigs für eine Kugel versehen sind.
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In einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Ring in radialer Richtung verformbar. Es können zwei Ringe in radialer Richtung verformbar sein. Der besagte Ring kann eine relativ geringe radiale Wandstärke aufweisen, während er aus einem zähen Material beispielsweise Stahl hergestellt ist. Das Maß der Ovalisierung der Ringe (große Ellipsenachse - kleiner Ellipsenachse / Durchmesser * 100) kann in der Größenordnung von 2 bis 5 % des Durchmessers im nicht montierten Zustand sein. Die radiale Wandstärke des Rings kann in der Größenordnung von 1 bis 5 % des Durchmessers im nicht befestigten Zustand sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Harmonic Drive mit einem Wellengenerator, einem Hohlrad, einem mit dem Hohlrad in Eingriff befindlichen nachgiebigen Innenzahnrad und einem zwischen dem nachgiebigen Innenzahnrad und dem Wellengenerator angeordneten Kugellager. Das Kugellager enthält einen Innenring, einen Außenring, eine Reihe von zwischen den Ringen angeordneten Kugeln und einer Käfiganordnung mit einem Käfig zum Halten der Kugeln, wobei der Außenring an dem nachgiebigen Innenzahnrad befestigt ist, und der Innenring an dem Wellengenerator angebracht ist. Der einstückig hergestellte Käfig weist erste Zellen, die mit axialen Haltemitteln des Käfigs für eine Kugel versehen sind, und zweite Zellen auf, die nicht mit axialen Haltemitteln des Käfigs für eine Kugel versehen sind. Jede der ersten Zellen kann von der folgenden durch mehrere zweite Zellen getrennt sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nach dem Lesen der detaillierten Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele verständlicher, die in keiner Weise als beschränkend zu bewerten sind und anhand der nachstehenden Zeichnungen veranschaulicht werden:
- 1 zeigt in perspektivischer Ansicht ein nachgiebiges Kugellager, im Schnitt;
- 2 veranschaulicht das Kugellager nach 1 von der gegenüberliegenden Seite her, in perspektivischer Ansicht;
- 3 stellt den Käfig des Kugellagers nach 1 und 2 in perspektivischer Ansicht dar; und
- 4 zeigt eine detaillierte Ansicht gemäß 3.
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Wie am besten in den 1 und 2 zu sehen, enthält das Kugellager 1 für Harmonic Drives einen Innenring 2, einen Außenring 3, einen Kranz von Kugeln 4, und einen Käfig 5, der für den Abstand der Wälzkörper 4 in Umfangsrichtung sorgt. Der Innenring 2 hat die Gestalt eines Rings mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt geringer radialer Wandstärke und ist auf seiner Außenfläche mit einer torusförmigen Lagerlauffläche 6 versehen. Der Außenring 3 weist, ähnlich wie der Innenring 2, eine torusförmige Lagerlauffläche 7 an seinem Innenumfang auf. Die radialen Stirnflächen des Innenrings 2 und des Außenrings 3 sind im Wesentlichen fluchtend angeordnet. Die Ringe 2 und 3 können beide einstückig durch maschinelle Bearbeitung eines Stahlrohlings hergestellt werden.
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Der einstückig hergestellte und in Umfangsrichtung nicht unterbrochene Käfig 5 ist in radialer Richtung zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 angeordnet. Zu dem Käfig 5 gehören ein kreisrunder ringförmiger Abschnitt 8, der, wie in 1 zu sehen, in axialer Richtung neben einer Seite der Wälzkörper 4 angeordnet ist, und Trennfinger 9, die, wie in 2 zu sehen, zwischen den Kugeln 4 stecken. Die Trennfinger 9 sind mit dem kreisrunden Abschnitt 8 einstückig hergestellt und begrenzen zwischen sich zweite Zellen 10, in denen Kugeln 4 angeordnet sind.
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Wie insbesondere in den 3 und 4 gezeigt ist, weisen die Trennfinger 9 die Gestalt von Zapfen auf, die gegenüber dem ringförmigen Abschnitt 8 axial vorstehen, wobei die Zapfen in radialer Richtung durch eine zylindrischen Innenfläche mit dem Innendurchmesser des ringförmigen Abschnitts 8 und außen durch eine Außenfläche mit dem Außendurchmesser des ringförmigen Abschnitts begrenzt sind, und somit fluchtend in den ringförmigen Abschnitt 8 übergehen. Die Trennfinger 9 weisen seitliche Flächen auf, die die zweiten Zellen 10 mit im Wesentlichen zylindrischen Wänden bilden, wobei der Durchmesser des die Wände der zweiten Zellen 10 definierenden Zylinders größer ist als jener der Kugeln 4, so dass den Kugeln 4 ein erhebliches Spiel ermöglicht wird, um ihre Position gegenüber den zweiten Zellen 10 in radialer und in Umfangsrichtung verändern zu können. Der Boden der zweiten Zellen 10 wird durch den kreisrunden Abschnitt 8 gebildet und ist im Wesentlichen radial.
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Der Käfig 5 enthält darüber hinaus mehrere gemischte/zusammengesetzte Trennfinger 11, die erste Zellen 12 definieren, die mit axialen Haltemitteln für Kugeln 4 versehen sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Käfig drei erste Zellen 12 und sechs gemischte Trennfinger 11 auf, während die Anzahl der zweiten Zellen 10 sechzehn beträgt. Die ersten Zellen 12 weisen eine im Allgemeinen im Wesentlichen sphärische Gestalt auf, die geeignet ist, die Kugeln 4, mit denen sie versehen sind, einzuhüllen. Die ersten Zellen 12 sind entlang dem Umfang im Wesentlichen gleichmäßig verteilt, um einen einwandfreien axialen Halt des Käfigs 5 an den Kugeln 4 sicherzustellen. Die gemischten Trennfinger 11 sind außerdem in radialer Richtung durch den zylindrischen Innenraum und die Außenfläche des kreisrunden Abschnitts 8 begrenzt. Ein gemischter Trennfinger 11 weist an der einen Seite eine zylindrische Fläche 11a auf, um, zusammen mit einem benachbarten Trennfinger 9, die eine von den zu der ersten Zelle 12 benachbarten zweiten Zellen 10 zu bilden, und weist auf der anderen Seite eine sphärische Fläche auf, um mit dem anderen benachbarten gemischten Trennfinger 11 die erste Zelle 12 selbst zu bilden. Der komplexe Trennfinger 11 weist eine Klaue 13 auf, die von dem ringförmigen Abschnitt 8 axial wegsteht ist, und deren freies Ende sich in Umfangsrichtung in Richtung auf die Klaue 13 zu erstreckt, die auf der anderen Seite dieselbe Zelle 12 begrenzt und entgegengesetzt zu dem benachbarten gemischten Trennfinger 11 angeordnet ist.
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Mit anderen Worten, die beiden zu einer Zelle 12 gehörenden Klauen 13 wölben sich einander entgegen, wobei ihre freien Enden in einem Abstand angeordnet sind, der kleiner ist als der Durchmesser der Kugeln 4. Hierdurch sind die Klauen 13 einer Zelle 12 in der Lage, den axialen Halt des Käfigs 5 an dem in der Zelle 12 angeordneten Kugel 4 zu gewährleisten. Die konkave Innenfläche der Klaue 13 bildet einen Teil der sphärischen Fläche der Zelle 12. Auf der entgegengesetzten Seite weist die Klaue 13 eine konvexe Fläche auf. Die Wand der Zelle 12 bildet eine einseitig offene Kugelzone.
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Auf der Seite der zu der Klaue 13 entgegengesetzt angeordneten zylindrischen Fläche 11a setzt sich der geteilte Trennfinger 11 weiter in einen im Allgemeinen axial gestalteten Vorsprung 14 fort, der nicht in der Lage ist, einen axialen Halt bezüglich einer Kugel zu sichern, die in der der Zelle 12 benachbarten Zelle 10 angeordnet ist. Der Vorsprung 14, dessen axiale Länge wenigstens gleich derjenigen der Klaue 13 ist, ermöglicht es, die Klaue 13 während der dem Zusammenbau des Kugellagers 1 vorausgehenden Handhabungen des Käfigs 5 zu schützen. Selbstverständlich ist es möglich, einen Käfig 5 vorzusehen, der ohne einen axialen Vorsprung 14 ausgebildet ist. Der axiale Vorsprung 14 und die Klaue 13 sind in einer geeigneten Weise durch eine Einbuchtung 15 so getrennt, dass die Klaue 13 in Umfangsrichtung eine verhältnismäßig geringe anguläre Dicke aufweist und daher über eine gewisse Elastizität verfügt, die das Einrasten des Käfigs 5 auf Kugeln 4 erlaubt, indem die Klauen 13 in Umfangsrichtung gespreizt werden, während eine axiale Druckkraft auf den kreisrunden Abschnitt 8 des Käfigs 5 in Richtung der Kugeln 4 ausgeübt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel ähneln die sphärisch gestalteten Verankerungszellen (erste Zellen 12) jenen, die in den herkömmlichen starren Wälzlagerkäfigen mit einer einfachen Reihe von Kugeln verwendet werden, weisen allerdings ein wesentlich größeres Spiel zwischen den Kugeln und den ersten Zellen 12 auf, um die radiale Ortsänderung der Kugel in der Verankerungszelle zu ermöglichen. Die Verankerungszelle ist auf ihrer Innenfläche und auf ihrer Außenfläche offen und ist außerdem in axialer Richtung auf der dem kreisrunden Abschnitt 8 abgewandten Seite offen, um das Einrasten des Käfigs zu ermöglichen. Die zylindrischen zweiten Zellen 10 mit ebenem Boden, die hinterschneidungsfrei sind und die nicht mit axialen Haltemitteln des Käfigs 5 für die Kugeln versehen sind, können zwischen dem radialen ebenen Boden und den zylindrischen Flächen mit einer Verbindungsfläche ausgebildet sein, wobei die Verbindungsfläche eine Krümmung aufweist, die größer ist als diejenige der Kugeln 4. Die zylindrischen zweiten Zellen 10 sind ebenfalls an ihren Innen- und Außenflächen und an einem gegenüber dem kreisrunden Abschnitt 8 entgegengesetzten axialen Ende offen. Der Durchmesser der zylindrischen Wände 11a ist größer als jener der Kugeln 4.
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Auf diese Weise ist ein für ein Kugellager eines Harmonic Drives geeigneter Käfig geschaffen, der sich ohne Weiteres durch Einrasten an den Kugeln befestigten lässt und aufgrund seiner entsprechenden Mittel an Ort und Stelle auf den Kugeln bleibt, wobei die Gefahr eines unbeabsichtigten Auseinanderfallens sehr gering ist, während eine erhebliche relative Verschiebung der Kugeln und des Käfigs in Umfangsrichtung und in radialer Richtung während des Betriebs des Kugellagers in dem Harmonic Drive möglich ist. Der Käfig zeigt außerdem eine geringe Reibung zwischen dem Käfig und den Kugeln.
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In einem Harmonic Drive ist der Innenring
2 des Kugellagers
1 an einem Wellengenerator angebracht, der einen ovalen/elliptischen Umriss aufweist. Der Ring
2 nimmt folglich nach dem Einstecken eine ovale/elliptische Gestalt an und bewirkt ferner eine Ovalisierung des Außenrings
3. Der Innenring
2 und Außenring
3 können aus einem Stahl hergestellt sein, der geeignet ist, eine derartige Verformung zu tolerieren. Der Außenring
3 trägt ein in radialer Richtung nachgiebiges Innenzahnrad, dessen zylindrischer Innenraum auf der Außenfläche des Außenrings
3 sitzt. Die auf diese Weise gebildete Einheit ist in einem kreisrunden Hohlrad angeordnet, das eine in radialer Richtung nach innen zeigende Verzahnung enthält, die im Allgemeinen an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen mit dem nachgiebigen Innenzahnrad kämmt. Es wird auf die
US 4 715 247 A , die
US 4 840 090 A oder auch die
US 2002 / 0 178 861 A1 verwiesen, deren Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Zufolge der Erfindung kann der Käfig problemlos in dem Kugellager eines Harmonic Drives angebracht werden und ermöglicht es den Kugeln, in dem Käfig mit einem angemessenen Spiel in radialer Richtung und in Umfangsrichtung und mit geringer Reibung zu laufen. Hieraus ergeben sich eine kostengünstige Montage, ein zufriedenstellender Betrieb, ein reduzierter Verschleiß und ein geringer Energieverbrauch.