-
Die Erfindung betrifft ein Zykloidgetriebe umfassend wenigstens eine Taumelscheibe, die exzentrisch um eine Zentralachse drehbar ist und mit einem inneren Abstützring gekoppelt ist und mit ihrem profilierten Rand mit einem äußeren Abstützring kämmt, wobei der Abtrieb über den inneren oder den äußeren Abstützring erfolgt.
-
Derartige Zykloidgetriebe sind bekannt und kommen dort zum Einsatz, wo geringe Drehzahlen, jedoch hohe Momente übertragen werden sollen. Ein Beispiel ist der Automobilsektor, dort insbesondere der Fahrwerksbereich, wo solche Zykloidgetriebe eingesetzt werden können. Dort werden für Stellaufgaben Servomotoren gesucht, die klein, leicht und robust gegen Temperatureinflüsse und Stöße sind und üblicherweise langsam drehen, jedoch hohe Momente übertragen. Durch Kopplung von Elektromotoren mit Untersetzungsgetrieben kann dem Rechnung getragen werden, weil Motoren mit geringem Drehmoment und hohen Drehzahlen klein bauen und in der Regel wenig Bauraum zur Verfügung steht. Vorteilhaft an Zykloidgetrieben der beschriebenen Art ist, dass diese mit einer Stoßbelastung von einem Vielfachen des nominellen Drehmoments belastet werden können. Dies ist insbesondere interessant im Fahrwerksbereich, da die Motor-Getriebe-Kombination für den regulären Betriebsfall ausgelegt werden kann und Missbrauchsfälle kein Problem darstellen.
-
Übliche Zykloidgetriebe umfassen wie beschrieben eine Taumelscheibe, die exzentrisch um eine Zentralachse drehbar ist. Diese Taumelscheibe kämmt zum einen mit ihrer wellenförmig profilierten Außenberandung mit einer in der Regel zapfenförmig ausgeführten „Verzahnung” eines äußeren Abstützrings, wobei die Taumelscheibe weniger „Zähne”, also Wellenberge aufweist als an dem äußeren Abstützring „Zähne”, also rundliche Zapfen vorhanden sind. Mit der Taumelscheibe gekoppelt ist ein innerer Abstützring, der in Ausnehmungen oder Durchbrechungen der Taumelscheibe mit entsprechenden Zapfen eingreift, deren Durchmesser jedoch deutlich kleiner ist als der Durchmesser der taumelscheibenseitig vorgesehen Ausnehmungen oder Durchbrechungen, d. h., dass der innere Abstützring relativ zur Taumelscheibe beweglich ist, jedoch in der Zentralachse bleibt.
-
Die Bewegung der Taumelscheibe erfolgt über einen Exzenterzapfen, der exzentrisch um die Zentralachse dreht und über einen Motor angetrieben wird. Der Exzenterzapfen greift in eine mittige Ausnehmung der Taumelscheibe, die also ringförmig ist, ein. Infolge der Drehung des Exzenterzapfens um die Zentralachse wird die Taumelscheibe bewegt. Aufgrund der unterschiedlichen „Zähnezahl” von Taumelscheibe und äußerem Abstützring kommt es bei einer abwälzenden Bewegung der Taumelscheibe auf dem äußeren Abstützring zur Momentenübertragung. Die Kurvenscheibe wälzt sich also über die Zapfen oder Bolzen des äußeren Abstützrings ab. Mit jeder Umdrehung des Exzenters bewegt sich die Kurvenscheibe und mit ihr der in der Regel abtreibende innere Abstützring um einen Kurvenabschnitt der Taumelscheibe weiter, so dass kleine Drehzahlen entgegen der Antriebsrotationsrichtung entsteht.
-
Nachteilig bei derartigen Zykloid- oder Exzentergetrieben ist, dass zum einen der Motor rotierende Teile aufweist, welche Massenträgheiten besitzen, die sich insbesondere nachteilig auf die Dynamik auswirken, wenn ein Untersetzungsgetriebe dem Motor folgt, was die Regel ist. Weiterhin müssen die motorseitigen Lagerstellen auf die maximale Stoßbelastung bei geringen Toleranzen ausgelegt werden. Schließlich benötigt eine solche Getriebekonfiguration auch nach wie vor einen beachtlichen Bauraum, da dem eigentlichen Getriebe stets zumindest der Motor, gegebenenfalls aber auch das Untersetzungsgetriebe vorgeschaltet ist.
-
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Zykloidgetriebe anzugeben, das demgegenüber kompakter ausgelegt ist.
-
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein in der Zentralachse liegender Stator vorgesehen, um den die Taumelscheibe dreht, und der mehrere verteilt angeordnete, ein veränderbares Magnetfeld erzeugende Felderzeugungsmittel aufweist, wobei die Taumelscheibe mit dem Magnetfeld wechselwirkt und über dieses gedreht wird.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Zykloidgetriebe erfolgt der Taumelscheibenantrieb nicht mehr wie im Stand der Technik mechanisch über einen Motor und einen über diesen angetriebenen Exzenterzapfen, der mit der Taumelscheibe zusammenwirkt, sondern allein über ein Wechselmagnetfeld. Hierzu sind Felderzeugungsmittel in das Zykloidgetriebe integriert, d. h., dass im Getriebe ein Stator vorgesehen ist, an dem die Felderzeugungsmittel, also geeignete Spulen nebst Wicklungen, vorgesehen sind. Die Felderzeugungsmittel sind folglich lagefest, entweder zum äußeren Abstützring, wenn der Abtrieb über den inneren Abschnittsring erfolgt, oder zum inneren Abstützring, wenn der Abtrieb über den äußeren Abstützring erfolgt. Über die Felderzeugungsmittel wird nun ein um die Zentralachse drehendes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wechselwirkt mit der Taumelscheibe, die über das Magnetfeld zum Stator hin angezogen wird, was wiederum auf der andere Scheibenseite dazu führt, dass die Taumelscheibenkurvenabschnitte in Eingriff mit den Zapfen oder Bolzen des äußeren Abschnittsrings kommen. Dreht nun das Magnetfeld, so kommt es zur Taumelscheibenrotation.
-
Infolge der Integration des die Scheibenrotation erwirkenden Mittels, nämlich der Felderzeugungsmittel, kann folglich eine wesentlich kompaktere Auslegung des Zykloidgetriebes realisiert werden. Denn es sich lediglich noch entsprechende Ansteuerleitungen zu einer Steuereinrichtung, die den Betrieb der Felderzeugungsmittel steuert, vorzusehen, nicht jedoch sonstige mechanische oder elektromechanische Bauteile, die dem Taumelscheibenantrieb dienen würden.
-
Die Felderzeugungsmittel, zweckmäßigerweise in form separat ansteuerbarer Spulen, sind zweckmäßigerweise in den Stator integriert, so dass sich eine stabile Bauform ergibt. Die Felderzeugungsmittel sind dabei bevorzugt unmittelbar im Bereich der Mantelfläche des Stators vorgesehen bzw. schließen mantelflächig im Wesentlichen bündig ab. Dies ist zweckmäßig, um den Ort der Magnetfelderzeugung möglichst nahe an die Taumelscheibe zu bringen, was für eine gute magnetische Kopplung vorteilhaft ist. Bevorzugt weist der Stator insgesamt eine glatte, zylindrische Mantelfläche auf, alternativ kann die Mantelfläche auch unterbrochen sein.
-
Alternativ zur Integration der Felderzeugungsmittel in den Stator, wie vorstehend beschrieben, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, die Felderzeugungsmittel an dem Stator, der dann letztlich als reiner Spulenhalter ausgeführt ist, anzuordnen respektive zu befestigen, so dass sie vom Stator quasi abstehen. Nachdem die Felderzeugungsmittel respektive der Stator die Taumelscheibe nicht berühren, sondern stets ein wenn möglich geringen Luftspalt verbleibt, ist auch bei einer solchen Ausgestaltung keine Beeinflussung der Magnetfelderzeugungsmittel über die Taumelscheibe möglich.
-
Wie beschrieben kommt es bei dem erfindungsgemäßen Zykloidgetriebe zentral auf die magnetische Wechselwirkung zwischen den Felderzeugungsmitteln respektive dem hierüber erzeugten Magnetfeld und der Taumelscheibe an. D. h., dass über das Magnetfeld eine magnetische Kraft aufgebaut wird, die die Taumelscheibe relativ zum Stator bewegt. Nach einer ersten Erfindungsalternative kann hierfür die Taumelscheibe zumindest im Bereich des Innenrands der vom Stator durchsetzten Durchbrechung, vorzugsweise insgesamt, aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Die Taumelscheibe ist also selbst aus einem Material gebildet, das die magnetische Wechselwirkung ermöglicht. Bevorzugt wird ein Material gewählt, das sehr schnell ummagnetisierbar ist. Wenngleich grundsätzlich die Möglichkeit besteht, die Taumelscheibe insgesamt aus dem ferromagnetischen Material, üblicherweise Metall, auszuführen, ist es jedoch auch grundsätzlich möglich, beispielsweise nur einen dünnen, den Innenrand bildenden Ring aus dem ferromagnetischen Material vorzusehen und den Rest der Taumelscheibe beispielsweise aus Kunststoff zu bilden.
-
Alternativ zur Verwendung eines ferromagnetischen Materials kann die Taumelscheibe erfindungsgemäß im Bereich des Innenrands der vom Stator durchsetzten Durchbrechung permanentmagnetische Elemente aufweisen. Die Taumelscheibe ist also im Innenrandbereich mit permanentmagnetischen Elementen bestückt, die eine permanente Magnetisierung mit ausgezeichneter Magnetisierungsrichtung besitzen. Dies bietet die Möglichkeit, über das Magnetfeld die Taumelscheibe aktiv zum Stator hin anzuziehen oder abzustoßen, je nachdem, welche Richtung das Magnetfeld besitzt. Dies ist möglich, da die permanentmagnetischen Elemente wie beschrieben ausgezeichnete Magnetisierungsrichtungen, also Pole besitzen, die in Abhängigkeit der Richtung des Feldvektors des Magnetfelds entweder zum Stator hingezogen oder abgestoßen werden. Damit ist ein Betrieb beispielsweise dergestalt denkbar, dass bei Verwendung jeweils um 180° zueinander versetzter Spulenpaare die eine Spule ein Feld in einer ersten Richtung erzeugt, so dass die Taumelscheibe zu dieser Spule hingezogen wird, während die gegenüberliegende Spule ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld erzeugt, so dass die Scheibe abgestoßen wird, mithin also eine gleichgerichtete, jedoch quasi doppelt starke Scheibenbewegung zum äußeren Abstützring hin realisiert ist.
-
Die permanentmagnetischen Elemente können dabei direkt am Innenrand oder randseitig integriert angeordnet sein. Ist die Taumelscheibe beispielsweise aus Kunststoff, so können ohne Weiteres die Elemente in den Kunststoff beispielsweise randbündig eingebettet sein, sie können dort in entsprechende Aufnahmen eingeklebt werden oder bei der Herstellung der Taumelscheibe gleich umspritzt oder umgossen werden. Diese Ausgestaltung führt zu einem bündigen Innenrand, gleichermaßen ist es aber auch denkbar, die Elemente direkt auf den Innenrand aufzusetzen, so dass diese also nach innen leicht vorstehen.
-
Alternativ hierzu ist es auch denkbar, die permanentmagnetischen Elemente in einem Träger, insbesondere aus Kunststoff, einzubetten, welcher Träger dann am Innenrand der Taumelscheibe angeordnet ist. D. h., dass bei dieser Ausgestaltung der Träger, beispielsweise ein dünnes Kunststoffband, in das die permanentmagnetischen Elemente, selbstverständlich wie bei allen Ausführungsformen mit gleichförmiger Ausrichtung ihrer Polung, eingebettet sind, am Scheibeninnenrand befestigt, bevorzugt angeklebt wird. Auch hierüber kann eine Scheibenkonfiguration, die eine gute magnetische Wechselwirkung ermöglicht, realisiert werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Zykloidgetriebes einer ersten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht,
-
2 eine Aufsicht auf das Zykloidgetriebe aus 1, und
-
3 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Zykloidgetriebes einer zweiten Ausführungsform.
-
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Zykloidgetriebe 1 umfassend eine Taumelscheibe 2, die exzentrisch um eine Zentralachse 3 drehbar ist. Der Rand 4 der Taumelscheibe 2 ist wellig oder kurvenförmig profiliert, so dass sich eine Anzahl an Wellenbergen 5 und eine entsprechende Anzahl an Wellentälern 6 ergeben, mithin also eine zahnartige Kurvenstruktur.
-
Vorgesehen ist ferner ein äußerer Abstützring 7 bestehen aus einer Grundplatte 8 und daran vorspringend ausgebildeten rundlichen Zapfen 9, wobei die Anzahl an Zapfen 9 um wenigstens eins größer ist als die Anzahl der Wellenberge 5 respektive Wellentäler 6. Es sei angenommen, dass der äußere Abstützring 7 im Betrieb lagefest ist.
-
Am äußeren Abstützring 7 bzw. seiner Grundplatte 8 ist ein Stator 10 vorgesehen, der bei Ausführung des äußeren Abstützrings beispielsweise aus Kunststoff einstückig daran angeformt ist, bei einer Metallausführung des Abstützrings 7 kann der Stator gleichermaßen ein separat befestigtes Kunststoffbauteil oder ein Metallbauteil sein. Der Stator ist symmetrisch bezüglich der Zentralachse 3 angeordnet. An ihm sind Felderzeugungsmittel 11 in Form von im gezeigten Beispiel insgesamt sechs einzelnen Spulen 12 umfassend jeweils einen Kern nebst Wicklungen, welche Spulen äquidistant verteilt angeordnet sind, vorgesehen. Andere Spulenanzahlen sind möglich. Im gezeigten Beispiel ragen die Spulen 12, die jeweils paarweise um 60° versetzt angeordnet sind, aus dem Stator 10 hervor. Sie befinden sich ersichtlich in einer mittigen Ausnehmung 13 der Taumelscheibe 2. Die Spulen 12 sind über nicht näher gezeigte Ansteuermittel separat ansteuerbar, sie dienen dazu, ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit der Taumelscheibe 2 wechselwirkt. Zu diesem Zweck ist die Taumelscheibe 2 im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem ferromagnetischen Material gebildet, so dass über das Magnetfeld eine Kraft auf die Taumelscheibe 2 ausgeübt werden kann, die die Taumelscheibe 2 in Richtung des Stators respektive der jeweiligen bestromten und das Magnetfeld erzeugenden Spule 12 zieht. Hieraus resultiert, dass die Spule mit ihrer Kurvenberandung 4 an der gegenüberliegenden Seite gegen den Außenring 7 respektive die dortigen Zapfen 9 anliegt bzw. geführt wird.
-
Vorgesehen ist des Weiteren ein innerer Abstützring 14, der aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nur gestrichelt gezeichnet ist, da er ansonsten die Taumelscheibe 2 und den Stator 10 überdecken würde. Der Abstützring 14 ist quasi von vorne auf die Taumelscheibe aufgesetzt. Am inneren Abstützring 14 sind zur Taumelscheibe 2 hin vorspringende weitere Zapfen 15 runden Querschnitts vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen 16 der Taumelscheibe eingreifen. Der Durchmesser der Zapfen 15 ist deutlich kleiner als der Durchmesser der Taumelscheibenausnehmungen 16. Der innere Abstützring 14 ist der Abtrieb, der bei Drehung der Taumelscheibe 2 gedreht wird und über den das Drehmoment auf ein nachgeschaltetes Bauteil übertragen wird. Infolge des Durchmesserunterschiedes der Zapfen 15 zu den Ausnehmungen 16 ist sichergestellt, dass der über nicht näher gezeigte Lagermittel drehgelagerte innere Abstützring 14 um die Zentralachse 3 dreht, wenngleich die Taumelscheibe 2 diesbezüglich eine exzentrische Bewegung vornimmt. Der Abtrieb erfolgt über einen am inneren Abstützring 14 vorgesehenen, nur gestrichelt gezeigten Zapfen.
-
Der Betrieb des Zykloidgetriebes 1 erfolgt allein aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen der Taumelscheibe 2 und dem über die Felderzeugungsmittel 11 erzeugten Magnetfeld. Zu diesem Zweck steuert die nicht näher gezeigte Ansteuereinrichtung die einzelnen Spulen 12 der Reihe nach kurzzeitig an, so dass je nach gewünschter Bewegungsgeschwindigkeit ein umlaufendes, sich also drehendes Magnetfeld ergibt, das auf die Taumelscheibe 2 wirkt. Über dieses Magnetfeld wird die Taumelscheibe 2 folglich umlaufend in Richtung des Stators 10 bewegt. Diese Anziehungsbewegung verbunden mit der kontinuierlichen Feldänderung führt dazu, dass die Taumelscheibe 2 über ihre kurvige Berandung 4 auf den Zapfen 9 abwälzt. Infolge der zahlenmäßigen Differenz zwischen Wellenbergen 5/Wellentälern 6 und Zapfen 9 kommt es zu einer übersetzten Bewegung, die auf dem mit der Taumelscheibe 2 zwangsläufig bewegten inneren Abstützring 14, der den Abtrieb darstellt, übertragen wird. Die Taumelscheibenbewegung 2 erfolgt hiermit also allein auf elektromagnetischem Wege, mechanische Komponenten sind hierfür nicht erforderlich.
-
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Zykloidgetriebes 1, wobei hier nur die Taumelscheibe sowie der Stator 10 gezeigt sind. Der äußere Abstützring 7 entspricht dem Abstützring 7 aus den 1 und 2.
-
Bei dieser Ausgestaltung sind die Magnetfelderzeugungsmittel 11, hier also die Spulen 12, vollständig in den Stator 10 integriert, d. h., sie schließen im Wesentlichen randbündig ab, stehen also nicht wie bei den Ausführungsformen nach 1 und 2 hervor. Auch sind hier insgesamt acht Spulen 12, mithin also vier Spulenpaare vorgesehen, was einer besseren Auflösung förderlich ist, nachdem der Winkel zwischen zwei benachbarten Spulen 45° anstelle von 60° bei dem Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 beträgt.
-
An der Taumelscheibe 2 ist an ihrem Innenrand 17 im gezeigten Beispiel ein Träger 18 beispielsweise aus Kunststoff angeordnet, vorzugsweise aufgeklebt, in den eine Vielzahl einzelner permanentmagnetischer Elemente 19 eingebettet sind. Die permanentmagnetischen Elemente sind allesamt mit gleicher Polausrichtung angeordnet. Im gezeigten Beispiel sei angenommen, dass der Südpol S vom Stator entfernt und der Nordpol N statornah ist. Die permanentmagnetischen Elemente 19 sind bündig respektive vollständig im Träger 18 eingebettet.
-
Diese Ausgestaltung lässt nicht nur ein aktives „Anziehen” der Taumelscheibe 2 an den Stator respektive die bestromte Spule 12 zu, sondern an der gegenüberliegenden Seite durch Bestromen der zweiten Spule des Spulenpaars auch ein aktives Abstoßen der Taumelscheibe. Diese zweite Spule 12 erzeugt ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld wie die gegenüberliegende erste Spule 12 des Spulenpaars. Infolge der gleichen Polausrichtung der Elemente 19 an der Taumelscheibe 2 erfolgt an dieser Seite folglich eine Abstoßung, d. h., dass die magnetische Wechselwirkung zwischen beiden bestromten Spulen und der Taumelscheibe 2 in die gleiche Richtung wirkt. Dies führt dazu, dass die Relativbewegung der Taumelscheibe gegen den äußeren Abstützring 7 verbessert respektive verstärkt werden kann.
-
Auch bei dieser Ausgestaltung wird zum Rotieren der Taumelscheibe kontinuierlich die Bestromung der einzelnen Spulen 12 respektive der Spulenpaare geändert, so dass insgesamt ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird.
-
Selbstverständlich ist es möglich, die permanentmagnetischen Elemente 19 auch unmittelbar in die Taumelscheibe 2, die dann beispielsweise aus Kunststoff ist, zu integrieren, wozu entsprechende Ausnehmungen oder dergleichen an der Taumelscheibe vorgesehen sind, in die die permanentmagnetischen Elemente 19 beispielsweise eingeklebt sind. Auf einen separaten Träger kann dann verzichtet werden.
-
Sofern keine Permanentmagnete eingesetzt werden, können Elemente bestehend aus weichmagnetischen Metallplättchen oder Ähnlichem verwendet werden, die beispielsweise ähnlich wie in 3 gezeigt äquidistant am Innenumfang der Taumelscheibe angeordnet sind. Über diese Metallbleche z. B. aus Eisen (Trafoblech), die wiederum schnell ummagnetisierbar sind, kann die Taumelscheibenbewegung über das rotierende Magnetfeld erzeugt werden.
-
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass bei dem erfindungsgemäßen Zykloidgetriebe die Taumelbewegung der Taumelscheibe und mithin das Getriebe ausschließlich durch die Wechselwirkung der Taumelscheibe, sei es das diese komplett aus weichmagnetischem Material besteht, dass sie weichmagnetische Elemente integriert hat oder dass permanentmagnetische Elemente vorgesehen sind, mit dem über die Magnetfelderzeugungsmittel am Stator erzeugten Magnetfeld erfolgt und es so zu einer Kraftübertragung kommt. Durch die Rotation des elektrischen Feldes, also Veränderung der Bestromung der Spulen, kommt es zur Rotation des Magnetfelds, woraus die Taumelbewegung resultiert und die Taumelscheibe über den Umfang „weiterdreht”, also auf dem äußeren Abstützring abwälzt. Ein Exzenter, ein Untersetzungsgetriebe und ein Motor sind hier nicht erforderlich. Der Aufbau ist auch wesentlich kompakter als bei bisher bekannten Zykloidgetrieben.
