DE29907387U1 - Getriebeeinheit - Google Patents

Description

Dipl.-lng. A. v. Kirschbaum &phgr;

Patentanwalt Telefon: (0S9) 89 42 73 22

Anwaltsakte: DFO-9989

Deutsches Zentrum

für Luft- und Raumfahrt e.V.

53175 Bonn

Getriebeeinheit

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Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit zum Umsetzen einer in beiden Richtungen begrenzten schnellen antriebsseitigen Rotationsbewegung in eine eben solche langsame, abtriebsseitige Rotationsbewegung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine spielfrei arbeitende Getriebeeinheit mit guter Gleichlaufcharakteristik zu schaffen, deren Abtrieb bei gleichbleibender Eingangsdrehzahl nur wenig schwankt und mit welcher zusätzlich entweder Positionen bestimmt oder gegebenenfalls auch Drehmomente bzw. Kräfte erfaßt werden können.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch eine Getriebeeinheit zum Umsetzen einer in beiden Richtungen begrenzten schnellen antriebsseitigen Rotationsbewegung in eine eben solche langsame abtriebsseitige Rotationsbewegung durch die Merkmale im Anspruch 1 oder Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf Anspruch 1 oder 2 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit ist zwischen Antrieb und Abtrieb ein kraftübertragendes Mittel vorgesehen, das auf ein einteiliges, in zwei Segmentabschnitte unterteiltes, schwenkbar gelagertes Zwischenteil einwirkt. Hierbei kann einem inneren Segmentabschnitt des Zwischenteils entweder ein Positionssensor zugeordnet oder zwischen den beiden Segmentabschnitten des Zwischenteils kann ein Drehmomentsensor vorgesehen sein.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht das Zwischenteil aus dem inneren Segmentabschnitt und einem den inneren Segmentabschnitt teilweise umgebenden, etwa uförmigen äußeren Segmentabschnitt. Zwischen den beiden Segmentabschnitten ist ein etwa u-förmig verlaufender Schlitz ausgebildet. Ferner sind in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die beiden Schenkel des u-förmigen äußeren Segmen-

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tabschnitt dünner ausgebildet als ein diese beiden Schenkel verbindender Mittelteil.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit ist als kraftübertragendes Mittel zwischen Antrieb und Abtrieb ein Seil, Band oder dergl. vorgesehen, das mit seinen beiden Enden an dem schwenkbar gelagerten Zwischenteil befestigt ist. Hierbei verläuft das Seil anliegend an dem Zwischenteil an dessen Außenseiten und ist zur Übertragung eines Antriebsmoments einmal oder mehrmals um die Welle des Antriebs, vorzugsweise in Form eines Elektromotors gewickelt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das kraftübertragende Mittel ein an der Antriebswelle vorgesehenes Reibrad, das reibschlüssig an der als Reibfläche ausgebildeten Außenfläche des äußeren Segmentabschnittes des Zwischenteils anliegt. Ferner ist bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit das kraftübertragende Mittel ein auf der Antriebswelle befestigtes Zahnrad, welches formschlüssig mit einer auf dem äußeren Segmentabschnitt ausgebildeten, einer Zahnstange entsprechenden Verzahnung in Eingriff steht.

Gemäß der Erfindung sind dem dem inneren Segmentabschnitt des Zwischenteils zugeordneten Positionssensor auf der einen Seite des inneren Segmentabschnitts ein opto-elektronischer, positionsempfindlicher Detektor und auf dessen anderen Seite eine Lichtquelle zugeordnet. Dazwischen ist ein in dem inneren Segmentabschnitt ausgebildeter Schlitz mit radial veränderlichem, (z.B. spiralförmigem) Verlauf vorgesehen. Hierbei ist die Form des beispielsweise spiralförmigen Schlitzes so gewählt, daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen einer Winkelanderung des Zwischenteils und der Verschiebung des Lichtstrahls auf dem Detektor ergibt.

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Bei einer weiteren Lösung gemäß der Erfindung kann als Alternative an den beiden Segmentabschnitten des Zwischenteils ein Drehmomentsensor vorgesehen sein. Hierzu ist in der Mitte eines Mittelteils des äußeren Segmentabschnitts ein als Drehmomentsensor dienender opto-elektronischer, positionsempfindlicher Detektor angebracht und getrennt durch einen zwischen dem inneren und dem äußeren Segmentabschnitt ausgebildeten Schlitz ist eine Schlitzblende angebracht, hinter welcher eine Lichtquelle angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung ist somit ein mechanisch wirkendes Getriebe geschaffen, welches eine in beiden Richtungen begrenzte schnelle Rotationsbewegung des Antriebs in eine eben solche langsamere Rotationsbewegung des Abtriebs umsetzt, wobei diese Übertragung spielfrei und mit einer guten Gleichlauf chrakteristik erfolgt. Gleichzeitig kann gemäß der Erfindung in der Getriebeeinheit eine Sensorik in Form eines Positionssensors oder stattdessen in Form eines Drehmomentensensors integriert sein. Somit kann bei Vorsehen des Positionssensors die Position bestimmt oder bei Vorsehen des Drehmomentensensors das Drehmoment von An- oder Abtrieb gemessen werden.

Aufgrund dieser speziellen Ausbildung des äußeren u-förmigen Segmentabschnitts kann mittels des in der Mitte des äußeren Segmentabschnitts angebrachten, als Drehmomentsensor dienenden elektro-optischen positionsempfindlichen Detektors ein Verbiegen der wie einseitig eingespannte Biegebalken wirkenden beiden Schenkel des u-förmigen äußeren Segmentabschnitts festgestellt werden; dieses Verbiegen entspricht jeweils dem in Antriebs- oder Abtriebsrichtung aufgebrachten Drehmoment, aus dem in bekannter Weise eine entsprechende Kraft berechnet werden kann. Somit ist eine kraftreflektierende Sensorik geschaffen, mit deren Hilfe letztendlich die Kraft bestimmt werden kann, die bei jeder Art von taktilen Vorgängen ausschlaggebend ist.

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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.l in perspektivischer Darstellung eine Vorderansicht auf im wesentlichen ein Zwischenteil einer Getriebeeinheit gemäß der Erfindung;

Fig.2a und 2b ebenfalls in perspektivischer Darstellung eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht auf das Zwischenteil der Getriebeeinheit gemäß der Erfindung mit eingebautem Positionssensor;

Fig.3 in perspektivischer vergrößerter Darstellung eine Draufsicht auf einen Teil des Zwischenteils mit eingebautem Drehmomentsensor;

Fig.4 in perspektivischer Darstellung eine dem rechten Teil von Fig.3 entsprechende Vorderansicht auf das Zwischenteil der Getriebeeinheit gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit eingebautem Drehmomentsensor, und

Fig.5 in perspektivischer Darstellung eine dem rechten Teil von Fig.3 entsprechende Vorderansicht auf das Zwischenteil der Getriebeeinheit gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit eingebautem Drehmomentsensor.

In Fig.l ist in perspektivischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Zwischenteil 3 einer in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichneten Getriebeeinheit dargestellt;das Zwischenteil 3 ist über einen mit ihm eine Einheit bildenden Schwenkzapfen 3 6 in der Wandung eines Gehäuses schwenkbar gelagert, das in keiner der Figuren näher dargestellt ist.

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Das einteilige Zwischenteil 3 ist durch einen Schlitz 34 in einen inneren Segmentabschnitt 31 und einen den Abschnitt 31 zum Teil umgebenden, in Draufsicht etwa u-förmigen, äußeren Segmentabschnitt 32 unterteilt. Ein Mittelteil 323 des äußeren Segmentabschnitts 32 geht in zwei Schenkel 321 und 322 über, welche in Draufsicht erheblich schmaler bzw. im Querschnitt erheblich dünner ausgebildet sind als der sie verbindende Mittelteil 323.

Ferner ist in Fig.l ein Seil 2 angedeutet, das mit einem Ende 21 in einer einstellbaren Spannvorrichtung 23 befestigt ist, während das andere Seilende 22 in einer im oberen Bereich des Zwischenteils 3 angedeuteten Ausnehmung 37 gehalten ist.

Ausgehend von der Spannvorrichtung 23 liegt das Seil 2 an der unteren Außenfläche des Zwischenteils 3 an, ist mit einer, vorzugsweise mehreren Windungen 2 0 (siehe Fig.2a bzw. 3) um eine Welle 41 eines Antriebs 4, vorzugsweise in Form eines Elektromotors, geschlungen und liegt dann wieder an der oberen Außenfläche des Zwischenteils 3 an. Hierbei hängt die Anzahl der Windungen 20, beispielsweise drei in Fig. 2b und 3 von dem zu übertragenden Antriebsmoment ab, welches durch Reib- oder Formschluß auf das Seil 2 wirkt.

Ferner hängt die Größe einer Drehmomentumsetzung von dem Verhältnis der Radien ab, nämlich dem Radius des Zwischenteils 3, ausgehend von der Mitte des Schwenkzapfens 36 bis zum Außenrand des Mittelteils 323 des äußeren Segmentabschnitts 32 in Relation zu dem Radius der Antriebswelle 41. Somit sind die Verhältnisse der Radien der aufeinander abrollenden Flächen von Antrieb und Zwischenteil für die Größe der Drehmomentwandlung verantwortlich.

Wenn bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit das beidseitig eingespannte Seil 2 zur Kopplung der Antriebswelle 41 und dem aus zwei Segmentabschnitten 31, 32 gebildeten Zwischenteil 3 verwendet wird,

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ist ein spielfreies Getriebe mit hohem Wirkungsgrad und sehr guten Gleichlaufeigenschaften geschaffen.

In Fig.2a und 2b sind in Vorderansicht bzw. in Draufsicht der in Fig.l rechte Teil des Zwischenteils 3 sowie der Antriebsmotor 4 mit seiner Antriebswelle 41 dargestellt. Darüber hinaus ist in Fig. 2a und 2b ein in seiner Gesamtheit mit 5 bezeichneter Positionssensor dargestellt, der gebildet ist aus einem opto-elektronischen, positionsempfindlichen Detektor 51, der auf der einen Seite, in Fig.2a der Vorderseite des Zwischenteils 3 angeordnet ist, und aus einer auf der anderen Seite, in Fig.2b der Rückseite des Zwischenteils 3 angeordneten Lichtquelle 53.

Zwischen dem als Positionssensor 5 dienenden optoelektronischen, positionsempfindlichen Detektor 51 und der Lichtquelle 53 ist ein Spiralschlitz 52 so ausgebildet, daß der jeweils in den Bereich des Positionssensors gelangende Teil des Spiralschlitzes etwa geradlinig ist, obwohl er sich während der Schwenkbewegung radial verlagert.

Durch diese spezielle Ausbildung des Schlitzes 52 ist erreicht, daß sich bei einer Schwenkbewegung des Zwischenteils 3 um den Schwenkzapfen 3 6 der Schlitz 52 geradlinig vor dem als Positionssensor 5 dienenden, opto-elektronischen, positionsempfindlichen Detektor 51 senkrecht zu dessen Längsachse hin- und herbewegt wird.

Ferner sind sowohl in Fig.l als auch in Fig.2a Ausnehmungen 35 in dem Zwischenteil 3 zu erkennen, in welchen, wie nachstehend in Verbindung mit Fig.3 noch im einzelnen ausgeführt wird, ein Drehmomentsensor 6 untergebracht werden kann.

Fig.3 ist lediglich eine vergrößerte Wiedergabe des in Fig.l rechten Teils der beiden Segmentabschnitte 31 und 32 des Zwischenteils 3 und des Antriebs 4; ferner ist im Unterschied zu Fig.l in der Ausnehmung 35 ein Drehmomentsensor 6 vorgesehen.

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8'

Hierbei weist der Drehmomentsensor 6 eine Lichtquelle 63 und einen opto-elektronischen, positionsempfindlichen Detektor 61 auf, der in der Mitte des Mittelteils 323 des äußeren Segmentabschnitts 32 angebracht ist. Zwischen den beiden Elementen 61 und 63 ist eine am inneren Segmentabschnitt 32 angebrachte Schlitzblende 62 vorgesehen. Ferner sind, wie auch in Fig.2a dargestellt, beispielsweise drei Windungen 20 des um die Motorwelle 41 gewundenen Seils 2 schematisch angedeutet.

In Fig.4 ist in perspektivischer Darstellung eine dem rechten Teil der Fig.3 entsprechende Vorderansicht auf das Zwischenteil 3' einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Getriebeeinheit gemäß der Erfindung mit eingebautem Drehmomentsensor 6 wiedergegeben. Hierbei sind in Fig. 4 alle die Teile, welche bereits anhand der Fig.l bis 3 beschrieben worden sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden daher nachstehend nicht nochmals beschrieben. Die zweite Ausführungsform in Fig.4 unterscheidet sich von der in den Fig.l bis 3 wiedergegebenen Ausführungsform dadurch, daß als kraftübertragendes Mittel statt des Seils 2 ein an der Antriebswelle 41' vorgesehenes Reibrad 42 verwendet ist, welches reibschlüssig an der als Reibfläche ausgebildeten Außenfläche 324 des Mittelteils 323' des äußeren Segmentabschnitt 32' des Zwischenteils 3¹ anliegt.

Die in Fig.5 dargestellte dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist im Unterschied zu Fig.4 als kraftübertragendes Mittel ein auf der Antriebswelle 41 befestigtes Zahnrad 43 auf, das formschlüssig in kämmendem Eingriff mit einer auf dem Mittelteil 323" des äußeren Segmentabschnitt 32" ausgebildeten, einer Zahnstange entsprechenden Verzahnung 325 steht.

Bei den in Fig.4 und 5 dargestellten zweiten und dritten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit hängt die Größe einer Drehmomentumsetzung auch wiederum von dem Verhältnis der Radien ab, nämlich von dem Radius des Zwi-

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schenteils 3, der von der Mitte des in Fig.4 und 5 nicht dargestellten Schwenkzapfens bis zum Außenrand des Mittelteils 323' bzw. 323" des äußeren Segmentabschnitts 32' bzw. 32" reicht in Relation zu dem Radius des Reibrades 42 bzw. des Wälzkreisdurchmessers des auf der Antriebswelle 41 befestigten Zahnrads 43. Somit sind auch hier die Verhältnisse der Radien der aufeinander abrollenden Flächen bzw. in Eingriff stehenden Verzahnungen von Antrieb 4 und Zwischenteil 3' bzw 3 " für die Größe der Drehmomentwandlung verantwortlich.

Wenn das Zwischenteil 3 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird, werden bei dieser Schwenkbewegung die beiden Schenkel 321 und 322 des äußeren Segmentabschnitts 3, welche jeweils als einseitig, d.h. am inneren Segmentabschnitt 31 gehaltene bzw. eingespannte Biegebalken betrachtet werden können, in Fig. 3 bis 5 nach unten "gebogen" bzw. bei einer Schwenkbewegung im Uhrzeigersinn nach oben "gebogen".

Bei einem solchen Biegevorgang wandert der durch die Schiitzblende 62 des Drehmomentsensors hindurchtretende Lichtstrahl bei einer Schwenkbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig.3 bis 5 nach oben bzw. bei einer Schwenkbewegung im Uhrzeigersinn in Fig.3 bis 5 nach unten. Diese Bewegung des Lichtstrahls aufgrund der Relativbewegung der Schlitzblende 62 bezüglich des opto-elektronischen, positionsempfindlichen Detektors 61 des Drehmomentsensors 6 wird von letzterem erfaßt, und dadurch wird die Position des auftreffenden Lichtstrahls gemessen.

Aus der Veränderung der Position des Lichtstrahls auf dem Detektor 61 und der Geometrie der wie Biegebalken wirkenden beiden Schenkel 321 und 322 kann das Drehmoment von An- und Abtrieb abgeleitet werden.

Gemäß der Erfindung kann somit in die Mechanik eines spielfrei arbeitenden Getriebes, das eine sehr gute Gleichlaufcharakteristik aufweist, entweder ein Positionssensor oder ein

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Drehmomentsensor integriert sein. Mit der Erfindung kann daher ein ausgesprochen preiswertes und genaues, analog arbeitendes, optisches Meßsystem geschaffen werden, das in kompakter Weise in die Getriebeeinheit integriert ist, wobei entweder Position oder Drehmoment gemessen werden kann.

Gemäß der Erfindung kann die Getriebeeinheit 1 mit der integrierten Sensorik entweder in Form eines Positionssensors 5 oder in Form eines Drehmomentsensors 6 zur Erfassung von taktilen Vorgängen verwendet werden.

Ferner kann gemäß der Erfindung eine Getriebeeinheit 1 dazu verwendet werden, ein Gaspedal mit einer Kraft zu beaufschlagen, wobei dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs beispielsweise bei Passieren eines Ortsschilds, dessen Position in einem Fahrbahnleitsystem erfaßt ist, über das Gaspedal eine dessen Betätigung entgegenwirkende Kraft taktil übermittelt. Auf diese Weise wird dem Fahrzeuglenker taktil ein deutlicher Hinweis gegeben, bei Passieren des Ortsschilds seine Geschwindigkeit zu verringern.

Auch kann gemäß der Erfindung eine Getriebeeinheit 1 zum Beaufschlagen eines eine Kraft rückmeldenden Bremspedals verwendet werden. Ferner kann eine Getriebeeinheit 1 dazu verwendet werden, um eines eine Kraft rückmeldenden Lenkrads zu beaufschlagen.

Ferner können gemäß der Erfindung eine oder mehrere Getriebeeinheiten zum Verstellen der Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Darüber hinaus ist gemäß der Erfindung die Verwendung von mindestens einer Getriebeeinheit mit integrierter Sensorik als Robotergelenk vorgesehen.

Ferner können gemäß der Erfindung zwei Getriebeeinheiten so verbunden und geschaltet werden, daß dadurch ein Kräfte reflektierender Steuerknüppel eines Fluggeräts geschaffen ist.

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Durch Verwenden von mindestens einer Getriebeeinheit kann • ferner gemäß der Erfindung ein Kräfte rückmeldendes Eingabe- und Steuergerät geschaffen werden, mit welchem Montagevorgänge beispielsweise in Form von Fügevorgängen, durchgeführt werden können.

Mindestens eine Getriebeeinheit gemäß der Erfindung kann auch als ein Kräfte rückmeldendes Eingabe- und Steuergerät verwendet werden, mit welchem beispielsweise Rollstühle von Behinderten steuerbar gemacht werden können.

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Claims (10)

1. Getriebeeinheit zum Umsetzen einer in beiden Richtungen begrenzten, schnellen antriebsseitigen Rotationsbewegung in eine eben solche langsame, abtriebseitige Rotationsbewegung mittels eines zwischen Antrieb und Abtrieb vorgesehenen kraftübertragenden Mittels (2; 42, 324; 43, 325) das auf ein einteiliges, in zwei Segmentabschnitte (31; 32, 32', 32") unterteiltes, schwenkbar gelagerten Zwischenteil (3; 3', 3") einwirkt, wobei einem inneren Segmentabschnitt (31) des Zwischenteils ein Positionssensor (5) zugeordnet ist.

2. Getriebeeinheit zum Umsetzen einer in beiden Richtungen begrenzten, schnellen antriebsseitigen Rotationsbewegung in eine eben solche langsame, abtriebseitige Rotationsbewegung mittels eines zwischen Antrieb und Abtrieb vorgesehenen kraftübertragenden Mittels (2; 42, 324; 43, 325) das auf ein einteiliges, in zwei Segmentabschnitte (31; 32, 32', 32") unterteiltes, schwenkbar gelagerten Zwischenteil (3; 3', 3") einwirkt, wobei zwischen den beiden Segmentabschnitten des Zwischenteils ein Drehmomentsensor (6) vorgesehen ist.

3. Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (3, 3', 3") aus dem inneren Segmentabschnitt (31) und einem den inneren Abschnitt (31) teilweise umgebenden, etwa u-förmigen äußeren Segmentabschnitt (32, 32', 32") besteht, wobei zwischen den beiden Segmentabschnitten ein etwa u-förmig verlaufender Schlitz (34) ausgebildet ist.

4. Getriebeeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schenkel (321, 322) des etwa u-förmigen äußeren Segmentabschnitts (32, 32', 32") dünner ausgebildet sind als ein diese verbindender Mittelteil (323, 323', 323").

5. Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftübertragende Mittel ein Seil oder Band (2) ist, das mit seinen beiden Enden (21, 22) an dem schwenkbar gelagerten Zwischenteil (3) befestigt ist, anliegend an dem Zwischenteil entlang dessen Außenseiten verläuft und zur formschlüssigen Übertragung eines Antriebsmoments um die Welle (41) des Antriebs (4) gewickelt ist.

6. Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftübertragende Mittel ein an der Antriebswelle (41') vorgesehenes Reibrad (42) ist, das reibschlüssig an der als Reibfläche ausgebildeten Außenfläche (324) des äußeren Segmentabschnitts (32') des Zwischenteils (3') anliegt.

7. Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftübertragende Mittel ein auf der Antriebswelle (41) befestigtes Zahnrad (43) ist, das formschlüssig mit einer an dem äußeren Segmentabschnitt (324) ausgebildeten, einer Zahnstange entsprechenden Verzahnung (325) in Eingriff steht.

8. Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Mittelteils (32, 323', 323") des äußeren Segmentabschnitts (32, 32', 32") ein als Drehmomentsensor (6) dienender opto-elektronischer, positionsempfindlicher Detektor (61) und getrennt durch den Schlitz (34) genau gegenüberliegend an dem inneren Segmentabschnitt (31) eine Schlitzblende (62) vorgesehen sind, hinter der eine Lichtquelle (63) angeordnet ist.

9. Getriebeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des inneren Segmentabschnitts (31), welchem der Positionssensor (5) zugeordnet ist, ein Schlitz (52) mit radial veränderlichem Verlauf ausgebildet ist, welchem auf der einen Seite des inneren Segmentabschnitts (31) ein als Positionsgeber (5) dienender, opto-elektronischer, positionsempfindlicher Detektor (51) und auf der anderen Seite des Segmentabschnitts (31) eine Lichtquelle (53) zugeordnet sind.

10. Getriebeeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende (21) des Seils (2) an der dem Drehmomentsensor (6) gegenüberliegenden Seite des Zwischenteils (3) eine einstellbare Seilspannvorrichtung (23) untergebracht ist.