DE4009647A1 - Spannungswellengetriebeherstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Bewegungsübertragungsvorrichtungen und insbesondere die Spannungswellen (flexispines) für har­ monische Getriebe Diese Anmeldung stellt eine Verbesserung unseres US-Patentes Nr. 48 17 457 dar.

Ein Spannungswellengetriebe benötigt im wesentlichen drei kon­ zentrische Bauteile, um einen hohen mechanischen Wirkungsgrad und eine Untersetzung nach dem Prinzip der Mechanik starrer Körper zu erreichen. Ein elliptischer Wellenerzeuger ist in ein zylindrisches verformbares Getrieberad eingesetzt und bringt das verformbare Getrieberad in eine elliptische Form. Das verformbare Getrieberad hat die Gestalt eines elastischen Rohrstücks, das zu einem Ende hin offen ist und mit außen­ liegenden, sich in Achsrichtung erstreckenden Zähnen versehen ist, die umfangseitig nahe der Öffnung angeordnet sind. Diese Zähne kämmen mit innenliegenden sich in Achsrichtung erstrecken­ den Zähnen eines Zahnkranzes oder kreisrunden Ritzels. Die Zähne­ zahl des Zahnkranzes ist üblicherweise um zwei größer als die Zähnezahl des verformbaren Getrieberades. Da die Zähne des nicht starren, verformbaren Getrieberades und die Zähne des starren kreisförmigen Ritzels ununterbrochen längs der Hauptachse der Ellipse im Eingriff sind, und da das verformbare Getrieberad zwei Zähne weniger als das kreisförmige Ritzel aufweist, er­ zeugt eine Umdrehung des Wellenerzeuger als Eingang eine Re­ lativbewegung zwischen dem verformbaren Getrieberad und dem kreisrunden Ritzel entsprechend den zwei Zähnen. Wenn das kreis­ runde Ritzel festgestellt ist, wird das verformbare Getrieberad in entgegengesetzter Richtung zur Eingangsdrehrichtung drehen, und zwar in einem verminderten Verhältnis entsprechend der durch zwei geteilten Zähnezahl des verformbaren Getrieberades. Auch kann das verformbare Getrieberad den feststehenden Teil bilden und das kreisrunde Ritzel dann den Abtrieb bilden und in der­ selben Richtung drehen wie der Antrieb (Eingang).

Spannungswellengetriebe wurden erstmals in dem am 29.09.1959 erteilten US-Patent Nr. 29 06 143 beschrieben. In dieser Druck­ schrift ist das zylindrische verformbare Getrieberad als mit Zähnen versehenes Teil beschrieben, das typischerweise an ei­ nen dünnerwandigen Rohrteil angeschweißt ist. Die Bedeutung des Membranteils wurde entweder nicht erwähnt oder nur grob ohne Bezug (Verhältnis) dargestellt. Während der Entwicklung von Spannungswellengetrieben durch den Anmelder dieses Patents wurde ein verformbares Getrieberad entwickelt, das drei unter­ schiedliche Wanddicken aufweist. Da gab es einen zylindrischen Teil, der einen ringförmigen glatten Teil des Getrieberades mit einer Dicke, in einer zweilappigen Ausführung von fast stets ein wenig mehr als 2% von D aufweist, wobei D der Teilkreisdurch­ messer des verformbaren Getrieberads ist und der verbleibende übrige Rohrteil eine Dicke von 0,6% von D aufweist. An den zylindrischen Teil wurde zum Abschluß des einen Endes eine Platte oder eine Membran (diaphragm.) angeschweißt, die eine Dicke von 0,8% von D aufweist. Der zylindrische Teil wurde aus einem zy­ lindrischen Rohstück hergestellt. Das Rohstück wurde bearbeitet um diese abgestufte Form zu erhalten und ein großer Radius hatte einen großen Verschnitt im Bereich der rohrförmigen und der glat­ ten Getrieberadteile zur Folge. Die Zahnräder wurden durch den glatten ringförmigen Teil des Getrieberades begrenzt.

Der rohrförmige Teil des verformbaren Getrieberades wurde dünn gestaltet um die Kräfte zum Verformen des verformbaren Getrie­ berades gering zu halten, mußte jedoch eine angemessene Dicke aufweisen, um das Ausgangsdrehmoment übertragen zu können und um die Herstellung zu vereinfachen. Die Membran wurde dünn ge­ staltet, um die Beanspruchung durch Auslenkung in Verbindung mit der inherenten Kerbwirkung minimal zu halten, jedoch ent­ sprechend dick um das Ausgangsdrehmoment zu übertragen. Das Erzeugnis wurde dadurch verbessert, daß die Dicke der Membran von 1% auf 2% von D erhöht wurde. Obwohl durch die größer werdende Dicke die Auslenkungsbeanspruchung zusammen mit der axialen Auslenkung oder Einkerbung wuchs, wurde die Bean­ spruchung, die in Verbindung mit dem daraus entstehenden Axial­ kräften resultierte, in einen günstigeren Beanspruchungsbereich gebracht.

Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung von Spannungs­ wellenmechanismen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, ebenso wie sie in der US-PS 48 17 457 beschrieben sind, auf die hiermit Bezug genommen wird.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues ver­ formbares Getrieberad in einem neuen Herstellungsablauf zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen verbesserten harmo­ nischen Spannungswellenantrieb (harmonic drive flexipline) und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen verbesserten flexib­ len Keilwelle, bei der ein gleichmäßig dickes flexibles unbear­ beitetes (blank) Getrieberad zur einem becherförmigen Zylinder tiefgezogen ist, der ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende mit einer Membran aufweist. Die Membran ist ausgehend von ihrer gleichmäßigen Dicke hin zu einer verminderten Dicke von etwa der Hälfte der Dicke des unbearbeiteten Teils nachbear­ beitet, und die Zähne des Getrieberades sind am Außenumfang des offenen Endes herausgearbeitet.

Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die eine bevorzugte Ausführungsform dar­ stellen, welche das Grundprinzip der Erfindung veranschaulichen, wobei

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Spannungswellengetriebes mit seinen drei Grundelementen darstellt,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines verformbaren Getrieberades im Schnitt zeigt und

Fig. 3 in gleicher Darstellung das verformbaren Getrieberades entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung zeigt.

Das Spannungswellengetriebe hat drei wesentliche Bestandteile, die in Fig. 1 dargestellt sind, nämlich ein verformbares Ge­ trieberad 10, das üblicherweise die Form eines an einem Ende geschlossenen Zylinders hat, ein Wellenerzeuger 12 und ein ringförmiges Getrieberad 14. Das offene Ende des verformbaren Getrieberads 10 kann durch den elliptischen Wellenerzeuger 12 zu einer elliptischen Anordnung verformt werden. Die nach aus­ sen gerichteten Zahnradzähne 20 am offenen Ende des verform­ baren Getrieberads 10 kämmen mit den nach innen gerichteten Zahnradzähnen 22 des Ringgetrieberades 14 entlang jeder Seite der Hauptachse der elliptischen Form. Da die Zähnezahl des ver­ formbaren Getrieberads von der Zähnezahl des Ringgetrieberads abweicht, wird durch Drehung des Wellenerzeugers eine Relativ­ bewegung zwischen dem verformbaren Getrieberads 10 und dem Ringgetrieberad 14 hervorgerufen.

Ein verformbares Getrieberad 10 nach dem Stand der Technik des oben erwähnten Patents Nr. 29 06 143, ist in Fig. 2 dargestellt. Das verformbare Getrieberad kann durch spanende Bearbeitung aus einem Stück hergestellt werden, obgleich es bisher regelmäßig durch Anschweißen eines zylind­ rischen Teils 16 an eine flache runde Platte oder Membran 18 hergestellt wurde. Die Membran hatte eine Dicke von 0,008×D. Eine Führungsbohrung 32 und Schraubenlöcher 34 sind zu Befesti­ gungszwecken vorgesehen. Der zylindrische Teil hatte einen kon­ stanten Innendurchmesser über seine gesamte Länge, jedoch wur­ de der Außendurchmesser abgestuft um zwei unterschiedliche Wandstärken zu erzeugen. Ein großer Radius R sorgt für einen allmählichen Übergang zwischen den beiden Durchmessern, auch ein im Durchmesser abnehmender Teil in Form eines abgestumpften Kegels wird dieselbe Funktion erfüllen. Die größere Wanddicke, die 0,02×D überschreitet, erstreckt sich in axialer Richtung etwa über eine Länge von 0,25×D von einem Ende an und bildet den Zahnradbereich 24, in dem die Zahnradzähne 20 ent­ stehen. Von dem zylindrischen Teil verbleibt ein rohrförmiger Teil 16, der eine Wanddicke von 0,006×D aufweist. Die Mem­ bran 18 ist am Ende des zylindrischen Teils an den rohrför­ migen Teil angeschweißt.

Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung, ist das ursprüng­ lich noch unbearbeitete verformbare Getrieberad in eine zylind­ rische (topfartige) flexible und keilwellenartige Form mit einem geschlossenem Ende 35 tiefgezogen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Das auf neue Art geformte keilwellenartige Teil hat eine im wesentlichen gleichmäßige Wanddicke von 0,015 bis 0,03×D. Anschließend wird das vollständig geschlos­ sene Ende oder die Membran durch Bearbeitung auf einer Dreh­ bank fertiggestellt, um die Dicke T auf etwa die Hälfte der Dicke des ursprünglichen unbearbeiteten Teils zu reduzieren, wie diese in Fig. 3 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Dies ist eine Dicke von etwa 0,008 bis zu etwa 0,015×D. Dann wird die Membran 35 gestanzt oder durch Drehen so bearbeitet, daß die Führungsbohrung 32 und die Löcher 34 auf dem Lochkreis ent­ stehen, um eine Befestigungsvorrichtung für die flexible Keil­ welle zu bilden. Die flexible Keilwelle kann dann auf ihre vor­ gesehene axiale Länge L abgelängt werden und die Zahnradzähne 20 können profiliert oder spanabhebend an das offene Ende des Formstücks angrenzend hergestellt werden. Diese dünnere Membran ermöglicht es, den gesamten Bereich der Verhältnisse von 50:1 und größer des vorgenannten US-Patents Nr. 48 17 457 ab­ zudecken.

Wenn die Zahnradzähne 20 durch Hobeln hergestellt werden, sollte die axiale Länge der "Gesamtgetrieberadtiefe" (gear full depth), oder "die gesamte Tiefe des Getrieberads" (full depth of gear) größer als die Länge des im Eingriff stehenden Ringgetrieberades sein. Um jedoch die Elastizität des verformbaren Getrieberades zu steigern, können die Zahnradzähne über eine größere Entfernung längs des glatten Teils des verformbaren Getrieberades ausgebildet sein, und sie können sich auch über die gesamte Länge des ver­ formbaren Getrieberades erstrecken.

Wenn die Zahnradzähne durch ein formgebendes Fertigungsver­ fahren hergestellt werden sollen, wäre ein Absatz 36 auf dem unbearbeiteten verformbaren Getrieberad bzw. direkt hinter den Zähnen 20 notwendig, um zu ermöglichen, daß das Schneid­ werkzeug an dieser Stelle vollständig in seine abgesenkte Lage gebracht werden kann. Die axiale Weite dieses Absatzes sollte so groß sein, daß das Schneidwerkzeug auslaufen kann. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist es, die Wanddicke im Be­ reich des Absatzes an die Wanddicke an jeder der beiden Sei­ ten anzupassen um einen gleichmäßigen Übergang in die neutrale Phase des Teiles, in dem der Spannungshäufungsbeiwert mini­ miert wird, zu erreichen.

Die Zahnradzähne können auch durch Walzen (roll formed) ge­ formt werden, was zu einer leichten Vergrößerung des Außen­ durchmessers des bezahnten Abschnitts führt. Eine Vergrößerung des Außendurchmessers des mit Zähnen versehenen Teils des Zahn­ rades erfolgt ebenfalls wenn die Zähne in einem Gesenk geformt werden, das inwandige Zähne aufweist.

Das verformbare noch nicht bearbeitete Getrieberad mit gleich­ mäßiger Wanddicke kann aus jedem geeigneten Material gefertigt werden. Da jedoch die meisten Werkstoffe in einem ohne da­ zwischenliegende Wärmebehandlung geformt werden und daher ge­ ringe mechanische Eigenschaften aufweisen, kann es erstrebens­ wert sein, das fertig bearbeitete verformbare Getrieberad einer Wärmebehandlung oder einer anderen Behandlung auszusetzen, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

Claims (10)

1. Spannungswellengetriebe mit einem Ringgetrieberad, daß in­ nenliegende, sich in Achsrichtung erstreckende Zähne auf­ weist,
mit einen becherförmigen verformbaren Getrieberad, das aus einem glatten verformbaren Getrieberad mit einer gleich­ mäßigen Dicke von etwa 0,015×D bis etwa 0,03×D herge­ stellt ist, wobei D der Innendurchmesser des becherförmigen Getrieberades ist;
mit außenliegenden sich in Achsrichtung erstreckenden Zahn­ mitteln, die um das offene Ende des zylindrischen Teils des verformbaren glatten Getrieberades angeordnet sind und die zum Eingriff mit den innenliegenden Zähnen des besagten Ring­ getrieberads vorgesehen sind, wobei die Anzahl der außenlie­ genden Zähne an dem verformbaren Getrieberad von der Zahl der innenliegenden Zähne an dem Ringgetrieberad abweicht; und mit einem geschlossenen Endteil der eine Membran auf­ weist mit einer fertig bearbeiteten Dicke von etwa der hal­ ben Dicke des zylindrischen Teils;
mit Befestigungsmitteln,die in dem Membranteil des verform­ baren Getrieberads vorgesehen sind;
und mit einem Wellenerzeuger, der in bezug auf das verform­ bare Getrieberad angrenzend dazu angeordnet ist, und der zum rotatorischen Antrieb relativ zum verformbaren Getriebe­ rad angepaßt ist, wobei eine Drehbewegung zwischen den ver­ formbaren und dem Ringgetrieberad erzeugt wird.

2. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, bei dem die außen­ liegenden, sich in Achsrichtung erstreckenden Zähne des ver­ formbaren Getrieberades durch Walzen (roll forming) herge­ stellt sind.

3. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, bei dem die außen­ liegenden, sich in axialer Richtung erstreckenden verform­ baren Zähne durch Hobeln hergestellt sind.

4. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, bei dem die außen­ liegenden, sich in Achsrichtung erstreckenden Zähne durch Umformen (shaping) hergestellt sind.

5. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, bei dem die außen­ liegenden, sich in axialer Richtung erstreckenden Zähne des verformbaren Getrieberades durch ein Gesenk mit innenliegen­ den Zähnen geformt sind.

6. Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei dem die fertig bearbeitete Dicke des Membran­ teils durch spanabhebende Dickenverminderung ausgehend von der gleichmäßigen Dicke des unbearbeiteten verformbaren Ge­ trieberades erreicht ist.

7. Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei dem das verformbare Getrieberad mit Ausnahme des mit Zähnen versehenen Teils und des Membranteils, dessen Dicke durch nachfolgende spanabhebende Bearbeitung von der ursprünglichen unbearbeiteten Dicke verändert wird, eine gleichmäßige Dicke aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Spannungswellengetriebes, das zur Übertragung von Drehbewegungen über eine elastische Wand des Getriebes vorgesehen ist, bestehend aus folgenden Ver­ fahrensschritten:
Tiefziehen eines gleichmäßig dicken unbearbeiteten verform­ baren Getrieberades zu einen becherförmigen Zylinder mit einem geschlossenen membranartigen Ende und einem offenen Ende, wobei die Dicke des unbearbeiteten Getrieberades zwischen dem 0,015-fachen und dem 0,03-fachen des Durchmessers der Zylinderbohrung liegt;
Formen der Zahnradzähne auf dem Außenumfang des offenen Endes; und
spanabhebende Bearbeitung der Dicke des geschlossenen Mem­ branendes von der ursprünglich gleichmäßigen Dicke zu einer dazu verminderten Dicke.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das folgende Verfahrensschritte beinhaltet:
Spanabhebende Bearbeitung der Membrandicke zur Verminderung auf etwa die Hälfte der unbearbeiteten Dicke nach Abschluß des Tiefziehvorgangs.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das folgende Verfahrens­ schritte beinhaltet:
Herstellung von Befestigungslöchern in der Membran verminder­ ter Dicke zur Befestigung der Vorrichtung.