Neuartiger Baukasten mehrstufiger Planetengetriebe

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1 Seite 1 von 8 Neuartiger Baukasten mehrstufiger Planetengetriebe In allen Bereichen des Maschinenbaus werden Getriebe eingesetzt. Der Trend zu kompakteren und leistungsstärkeren Getrieben besteht seit langem. Die Fläche eines Kreises wächst mit dem Quadrat des Ø. Die Belastbarkeit von Zahnrädern wächst ebenfalls mit dem Modul quadratisch an. Hier wird gezeigt, dass bei Planetengetrieben das Bauvolumen und die Werkstoffausnutzung durch ineinander legen der Getriebestufen erhebliche Vorteile bietet! Man spart an Bauteile und erhält eine Momenten angepasste Getriebe-Reihe mit weniger Stufen bei gleichzeitig besserer Verteilung der Untersetzung über einen größeren Bereich! Hans-Erich Maul Der Autor ist Technischer Leiter bei Maul Konstruktionen in Aachen Am Beispiel eines Baukastens (Bilder 5 bis 12) soll nun gezeigt werden welche Möglichkeiten eine ineinander gebaute Getriebe-Reihe bietet. Es können Getriebe mit größeren Untersetzungen kompakter und Leistungsstärker gebaut werden. Oft ist es möglich bei mehrstufigen Getrieben eine oder mehrere Stufen einzusparen. Einstufig: Die Innenstufe ist alleine zu verwenden und bietet Untersetzungen bis etwa 10:1, bei Verwendung von Evoloid-Verzahnung bis etwa (15:1). (Die Bilder 6a+b zeigen zwei Radsätze als Beispiel). Zweistufig: (Bild 1; 7+8) Um diese Innenstufe wird die zweite Stufe nun radial herumgebaut. Man erreicht Untersetzungen bis etwa 40:1 (60.1) mit einer immer gleichen Größe des umbauten Getriebes. Dabei findet eine Anpassung an das durch die höhere Untersetzung gestiegene Drehmoment statt ohne eine zweite Ø- Reihe zu bauen. Dreistufig: (Bild 2) Wie bei Zweistufig steigt die Untersetzung und das Drehmoment weiter mit dem Ø. Es sind Untersetzungen bis etwa 120: 1 möglich. Beim hier gezeigten Baukasten ist nur bis zweistufig berücksichtigt! Das Prinzip: Bei bisherigen mehrstufigen Planetengetriebe- Baureihen, zur Untersetzung ins langsame, sind die Stufen in axialer Richtung aneinander gereiht. Deshalb sind Baureihen mit verschiedenen Ø, zur Anpassung an die, mit der Untersetzung ansteigenden Drehmomente erforderlich. Der Nachteil ist, dass immer der Ø der Abtriebs-Stufe mit der höchsten Belastung bestimmend für den Außen-Ø des gesamten mehrstufigen Getriebes ist! Die Lösung dieses Problem ist nun eine Anpassung der Getriebestufen an die Momente mit wachsendem Ø ohne viele verschiedene Ø- Reihen zu bauen, in dem man die Getriebestufen ineinander legt! Bei diesen Getrieben findet der Abtrieb immer am Steg der größten Stufe statt. Bei den Zwischenstufen sind die Hohlräder mit den Sonnenrädern der nächsten Stufe verbunden. Dreistufig (Bild 9; Planeten- mit zwei Stirnradstufen): Nimmt man als Abtrieb jedoch ein Stirnrad, statt des Steges wie bei den ein- und zweistufigen Getrieben, mit dem Antrieb von fünf Planeten, die auf den Achsen der Planeten der zweiten Stufe gesetzt sind, ist es auf einfache Art möglich eine gleichmäßige Steigerung der Untersetzung und damit der Untersetzungs-Reihe, bis etwa 135:1, zu bekommen! Einen besonderen Effekt erzielt man nun indem man ein reduziertes Planeten-Getriebe baut durch einen Wolfrom-Satz.

2 Seite 2 von 8 Dies geschieht im einfachsten Fall so: Es werden zwei axial hintereinander liegende Planeten mit unterschiedlicher Zähnezahl miteinander verbunden und als Abtrieb wird ein zweites (das gleiche, oder ein zweites) Hohlzahnrad verwendet. Einen solchen Wolfrom-Satz kann man an jeder Abtriebs-Getriebestufe anbringen und erhält eine wesentliche Vergrößerung der Untersetzung um einen Faktor von bis zu zirka 50:1 (oder noch größer). Vergleich der Technischen Daten: Es wurden einige Getriebe des Baukastens dimensioniert mit Abmessungen der Ersten Stufe von Ø65mmx 55mm Zweiten Stufe von Ø245 x 55mm, und Abmessungen der Stufe mit Wolfrom- Satz etwa gleich bleibend mit der zweiten Stufe. Diese Getriebe wurden mit den Drehmomenten und Volumina anderer Planetengetriebe Hersteller am Markt verglichen. Bei gleichem Drehmoment und gleicher Untersetzung haben Getriebe am Markt etwa Ø200mm und 300mm Gehäuselänge. Die Daten des Getriebes sind: Planetengetriebe einstufig: Drehmoment bis 40Nm bei i= 10:1 (15:1). Planetengetriebe zweistufig: Drehmoment 750Nm bei i= 40:1 (60:1), Planetengetriebe zweistufig mit Abtriebs- Stirnradstufe: Drehmoment bis 750Nm bei i= 81:1 (135:1), Planetengetriebe zweistufig erweitert um einen Wolfrom-Satz: Drehmoment 750Nm bei i= bis 420:1 Drehmoment 1000Nm bei i= bis 3000:1. Ergebnis: Die Volumina sind beim einstufigen Getriebe etwa gleich. Beim zweistufigen um zirka ein 1/2 kleiner! Beim zweistufigen Getriebe mit Stirnradstufe und beim zweistufigem Getriebe mit Wolfromsatz fällt der Vergleich sogar erheblich schlechter aus, für die Getriebe am Markt, da die Abmessungen dabei fast gleich der dem zweistufigen Getriebe sind. Der Ø des Bau-Raums entspricht dem, den das Getriebe, wegen der großen Dimensionierung infolge der Belastung, sowieso einnehmen würde. Dieses bedeutet auch wesentlich leichtere Getriebe um den Faktor der Volumina- Verkleinerung. Wirkungsgrad: Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit. Mit steigenden Kräften steigt auch der Anteil der Reibkraft an und somit der Verluste! Die radial ineinander gebauten Getriebe haben kleinere Kräfte aber größere Hebelarme. Die relative Gleitgeschwindigkeit der Verzahnung bleibt gleich. Deshalb sinkt auch der Anteil der Reibungsverluste und der Wirkungsgrad wird besser! Je größer die Untersetzung desto günstiger werden die Vorteile ineinander gebauter Getriebe! Spiel im Getriebe: Es gibt verschiedene Möglichkeiten das Spiel im Getriebe klein zu halten. Beim gezeigten Baukasten werden verschiedene Prinzipien angewendet um besonders das Spiel der Abtriebs-Stufe klein zu halten bzw. vollständig zu eliminieren. Wir weisen darauf hin, dass ein Spezialgebiet unseres Konstruktions-Büros Spielfreie Verzahnungen sind und wir sogar einen Katalog: Prinzipien Spielfreier Zahnradgetriebe zum Kauf anbieten. Wegen der größeren Planeten ist es leicht möglich sehr spiel-arm zu konstruieren und man erhält sehr Spielarme Getriebe mit um den Faktor zirka 10 kleinere Abtriebs-Spiele als vergleichbare Planetengetriebe am Markt. Drehwinkelfederkonstante in Nm/ : Der belastungsabhängige Drehwinkel nimmt mit der Steifigkeit des Getriebes und mit wachenden Ø ab. Zudem wird die Federkonstante größer wenn mehr Planeten eingebaut werden. Dies ist aber bei größerem Ø eher möglich. Deshalb sind ineinander gebaute Getriebe besonders bei den

3 Seite 3 von 8 größerem Momenten der höher untersetzten Stufen günstiger! Vergleich von Aufwand und Kosten: Anzahl Bauteile: Bei axial hintereinander angeordneten Stufen wird zwischen jeder Stufe ein Steg benötigt, dieser entfällt, da bei ineinander gebauten Getrieben, die Hohlräder verbunden werden und die Planeten, der ersten Stufen, im Gehäuse befestigt sind. Bei dem untersuchten Baukasten wurde besonders darauf geachtet wenige Bauteile zu benötigen und trotzdem eine lückenlos gleichmäßig geometrisch steigende Untersetzungs-Reihe, ähnlich einer Norm-Zahlen- Reihe, zu bekommen. Weiterhin steigt mit der Stufe auch das Drehmoment, sodass bei axialer Anordnung verschieden stark ausgebildete Stufen und Stege erforderlich sind. Dies ist bei ineinander gebauten Stufen nicht erforderlich, da hierbei mit der Stufe der Radius größer wird und sich so dem erhöhten Drehmoment anpasst! Bei axialer Anordnung steigen mit der Stufenzahl auch die Gehäuseanzahl und der Aufwand an Verbindungen. Beim hier vorgestellten System sind nur zwei verschiedene Gehäuse nötig um den gesamten Untersetzungs- und Drehmoment- Bereich abzudecken. Kosten: Im vorgenannten wurde gezeigt das der Aufwand geringer ist bei radialer Anordnung der Stufen. Selbstverständlich entsteht dadurch auch proportional eine Verringerung der Herstellkosten des Baukastens. Beim radialen System sind die Bauteile lastabhängiger in der Größe gefertigt und die Werkstoffausnutzung ist besser, dies führt zu kostengünstigeren Bauteilen. Kombinierte Planeten- mit Exzenter- Getrieben: Bei Exzentergetrieben ist es schwierig kleine Untersetzungen kleiner zirka 20:1 einstufig und größer als 200:1 einstufig zu bauen. Dadurch entsteht bei den kompakteren Exzentergetrieben eine Lücke bei zweistufigen Exzenter-Getrieben. (20x20= bereits 400). Abhilfe schafft hier die Kombination ineinander gebauter Planetengetriebe mit Exzentergetrieben. (3x20 = 60; 4x50= 200; 8x50=400). Die Bilder 14 bis 16 zeige Beispiele von ineinander gebauten kombinierten Planeten- Exzentergetrieben. Mit solchen Getriebe ist fast jede Untersetzung und auch fast jede Belastungsgröße kompakt zu bauen! Die mehrstufigen ineinander gebauten Planeten- und Exzentergetriebe sind zum Patent angemeldet. Es werden Lizenznehmer und Anwender der gezeigten Systeme gesucht. Solche Getriebe können für Sie konstruiert und auch als Sonderkonstruktion geliefert werden. Wir bitten um Anfragen!

4 Planetengetriebe Seite 4 von 8 Bild 1: zeigt zwei Getriebestufen radial ineinander gebaut. Bild 2: zeigt drei Getriebestufen radial ineinander gebaut. Bild 3: zeigt drei Getriebestufen zwei radial ineinander gebaut und eine axial hintereinander gebaut. Bild 4: zeigt vier Getriebestufen zwei radial ineinander und axial hintereinander gebaut.

5 Seite 5 von 8 Bild 5: zeigt die Tabelle der Untersetzungen des Beispiel-Baukastens ineinander bebauter Planetengetriebe. In der ersten Stufe sind nur zwei verschiedene Innenzahnkränze Z=45 und Z=36 erforderlich. Bild 6a: zeigt den Radsatz des einstufigen Planetengetriebe mit i= 10:1. Bild 6b: zeigt den Radsatz des einstufigen Planetengetriebe mit i= 16:1. Bild 7: zeigt ein zweistufiges Planetengetriebe (ohne Abtriebs-Steg) die Getriebe-Untersetzung ist i= 60:1 Es ist ein sehr spiel-arm gebautes Getriebe mit Doppelplaneten und hoher Drehmoment-Federkonstanten (Nm/ ). Bild 8: zeigt ein zweistufiges Planetengetriebe (ohne Abtriebs-Steg) die Getriebe-Untersetzung ist i= 60:1 Es ist ein sehr spiel-arm gebautes Getriebe mit Dehnbaren Planeten und hoher Drehmoment-Federkonstanten (Nm/ ).

6 Seite 6 von 8 Bild 9: zeigt ein einstufiges Planeten-getriebe mit umbauten fünffachem Stirnradgetriebe ( Steg stillstehend) mit Stirnrad-Abtriebs-Stufe. Es ist bis zirka i=135:1 zu bauen und man benötigt nur das doppelte Innenzahnrad zwischen den Stufen. Bild 10: zeigt ein zweistufiges Planetengetriebe mit Stufenplaneten (Wolfromsatz) und Abtrieb durch ein zweites Innenzahnrad für eine Untersetzung bis i=420:1. Es ist als spiel-armes Getriebe mit Doppelzahnrädern konstruiert! Bilder 11 (links)+12 (rechts): zeigen ein zweistufiges Planetengetriebe mit Stufenplaneten (Wolfromsatz) und Abtrieb durch ein zweites (gleiches) Innenzahnrad für eine Untersetzung bis i=3000:1. Es ist als spiel-armes Getriebe mit Doppelzahnrädern konstruiert! (Bild 12 Schnittdarstellung vereinfacht).

7 Seite 7 von 8 Bilder 13: zeigt ein zweistufiges Planetengetriebe mit Stufenplaneten (Wolfromsatz) und Abtrieb durch ein zweites (gleiches) Innenzahnrad für eine Untersetzung bis i=694:1. Es ist einfach aufgebaut mit zwei gleichen Innenzahnrädern in der zweiten Planeten-Stufe und der Wolfrom- Stufe. Es ist ein sehr großes Getriebe mit Modul 5 in der Abtriebs-Stufe und zirka 1000mm Ø für ein extrem hohes Drehmoment. Leicht verändert ist es auch mit neun oder zehn Planeten zu bauen! Solche Getriebe können z.b. in Seilwinden ihre Anwendung finden! Kombinierte Planeten-Exzentergetriebe Bilder 14: zeigt ein zweistufiges kombiniertes Planeten-Exzentergetriebe wie es z.b. in Lenkgetrieben zur Verstärkung des Drehmomentes verwendet werden kann. Der Antrieb erfolgt elektromotorisch außen am Exzenter des Exzentergetriebes. Die Untersetzung ist zirka 30:1. Das Sonnenrad der Planetenstufe ist mit der Lenksäule verbunden.

8 Seite 8 von 8 Bilder 15: zeigt ein zweistufiges kombiniertes Planeten-Exzentergetriebe im Axialschnitt und Radialschnitt und ein einstufiges Exzentergetriebe im Radialschnitt. Beide Getriebe können im baugleichen Gehäuse montiert werden. Bilder 16: zeigt ein dreistufiges kombiniertes Planeten-Exzentergetriebe im Axialschnitt und Radialschnitt und ein zweistufiges Exzentergetriebe und ein einstufiges Exzentergetriebe im Radialschnitt. Alle Getriebe können im baugleichen Gehäuse montiert werden.