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Getriebe

Ein Baukasten für Evoloid-Planetengetriebe sorgt für höhere Untersetzungen

| Autor/ Redakteur: Hans-Erich Maul / Lilli Bähr

Maul Konstruktionen hat einen speziellen Baukasten für Evoloid-Planetengetriebe mit drei Planeten entwickelt. Damit sollen wesentlich höhere Untersetzungen je Stufe als mit herkömmlichen Planetengetrieben sowie sehr hohe Wirkungsgrade möglich sein.

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Auf dem Bild ist die Geometrie einer Planetenstufe mit i=24:1 zu sehen: Zähnezahl der Planeten(gelb)=11, Zähnezahl der Sonne(blau)=1, Zähnezahl Hohlrad(grau)
Auf dem Bild ist die Geometrie einer Planetenstufe mit i=24:1 zu sehen: Zähnezahl der Planeten(gelb)=11, Zähnezahl der Sonne(blau)=1, Zähnezahl Hohlrad(grau)
(Bild: Maul Konstruktionen)

Aus dem aktuellen Stand der Technik ist ein Planetengetriebe bekannt, welches ein Sonnenrad mit Zähnezahl 1 verwendet. Dieses Getriebe ist jedoch als Standgetriebe mit zwei Planeten angemeldet. Der Nachteil dieser Anordnung ist die geringere Belastbarkeit im Vergleich zu Planetengetrieben mit drei Planeten. Eine Anmeldung über die Lage der Eingriffsgeraden und der Eingriffswinkel ist das Patent DE 10 2014 213 145 A1. In diesem werden Planetengetriebe für den Betrieb ins Schnelle beschrieben. Diese Dimensionierung eignet sich aber nicht für eine Untersetzung ins Langsame.

Um höhere Untersetzungen je Stufe als mit herkömmlichen Planetengetriebe zu ermöglichen, hat Maul Konstruktionen nun einen speziellen Baukasten für Evoloid-Planetengetriebe entwickelt, der drei Planeten verwendet. Die Vorteile sowie die Geometrie, Eingriffe und Dimensionierungen des Baukastens werden im Folgenden beschrieben.

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Vorteile von Evoloid-Planetengetriebe-Baukästen gegenüber bekannten Baukästen:

  • Höhere Untersetzungen je Stufe
  • Gute Wirkungsgrade bei Betrieb ins Langsame und ins Schnelle
  • Gute Statik und damit höchstbelastbar
  • Bis zu hoher Untersetzung rückdrehbar
  • Beliebig kombinierbare Stufen untereinander und mit Antriebs- und Abtriebsadapter
  • Wenige Bauteile
  • Geräuscharm
  • Kostengünstiger als vergleichbare Baukästen

Vorteile von Planetengetrieben gegenüber anderen Getrieben:

  • Kompakte, hochbelastbare Bauweise
  • Gleichzeitiges Tragen vieler Zähne
  • Relativ hohe Untersetzung in einer Stufe
  • Kombinationen mehrerer Stufen durch Hintereinanderschalten möglich

Vorteile von Planetengetrieben mit drei Planeten:

  • Gute Verteilung der Belastung auf bis zu 2 × 3 = 6 Zähne (bei Schrägverzahnung)
  • Symmetrische Kraftecke als gleichseitiges Dreieck
  • Zentrieren der Sonne und des Hohlrades durch die Planetenkräfte

Deshalb werden Planetengetriebe mit drei Planeten bevorzugt gebaut.

Planetengetriebe mit drei Planeten in Evoloidverzahnung

Bei Planetengetrieben mit drei Planeten in Evoloidverzahnung entsteht folgendes Problem: Um eine hohe Untersetzung je Stufe zu erreichen muss die Sonne klein und die Planeten groß werden, denn bei beispielsweise einer Untersetzung von etwa 12:1 stoßen die Planeten aneinander und kollidieren.

Anwendertreff Mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs Mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

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Abhilfe schaffen verkleinerte Planetendurchmesser und eine negative Profilverschiebung. So rücken die Planeten auf den Achsen näher zusammen. Wird zudem noch der Schrägungswinkel der Verzahnung erhöht, sodass eine Überdeckung oberhalb von ca. 2 entsteht, soll die Verzahnung sehr gut lauffähig sein.

Erhält die Sonne außerdem eine große positive Profilverschiebung, sodass diese im Durchmesser größer wird, kann die Zähnezahl der Planeten auf bis zu 11 gesteigert werden. Dies ergibt dann eine Standübersetzung von 23:1 = 23 bei Zähnezahl Hohlrad =23 / Zähnezahl Sonne =1; bei Hohlrad plus 2 × Planetenzähnezahl=11 + Sonnenzähnezahl=1.

Die Umlaufübersetzung beträgt damit 23/1 +1 = 24:1.

Wirkungsgrad bei verschiedenen Getriebestufen

Eine solche Getriebestufe hat bei guter Schmierung und der Verwendung guter Materialien einen Wirkungsgrad oberhalb von 90%.

Ein solches zweistufiges Getriebe hat bei einer Untersetzung von 24 × 24= 576:1 noch einen Wirkungsgrad von oberhalb 80%.

Ein dreistufiges Getriebe hat bei einer Untersetzung von 24 × 24 × 24= 13824:1 bei einem Wirkungsgrad von oberhalb 70%.

Die Verzahnungen sind mit ziehender Reibung am Hohlrad und stoßender Reibung an der Sonne gestaltet und die Lagerungen in Radialrichtung mit Nadellager kompakt ausgeführt. Die Sonne erhält eine aus der Feinwerktechnik bekannte Spitzenlagerung, welches das Getriebe reibungsarm macht und rückdrehbar ist bis hin zu sehr hohen Untersetzungen.

Systembaukasten mit unterschiedlichen Untersetzungen

Die Gestaltung ist als Systembaukasten mit unterschiedlichen Untersetzungen ausgeführt. Die Stufen können kombiniert werden. Die Weiterleitung der Drehbewegung auf die nächste Stufe ist als Oldhamkupplung ausgeführt, wobei die Sonne Schlüsselflächen zur Übertragung des Drehmomentes erhält. Ein Austauschen der Planeten aus Stahl gegen Planeten aus Kunststoff in der ersten Stufe, wirkt der Geräuschbildung entgegen.

Ein solches Planetengetriebe kann größere Abtriebsmomente erzeugen und auch bei kleinem Bauraum standhalten. Das Planetengetriebe hat einen Durchmesser von etwa 65 mm und ein Modul von 1,75 mm. Der Faktor der Drehmomentsteigerung je Stufe beträgt 24 × 90% = 21,6 mal dem Motormoment und ist damit größer als bei bisher bekannten Planetengetrieben.

Weitere Dimensionierung im gleichen Bauraum

Eine weitere Dimensionierung ist ein Planetengetriebe mit i=6:1 in den gleichen Bauraum wie das Planetengetriebe mit 24:1. Dieses ist das Planetengetriebe mit der geringsten Untersetzung welches mit einer Sonne mit Zähnezahl gleich 1 und gleichmäßiger Anordnung von 3 Planeten gebaut werden kann.

Die Zähnezahlen sind: Sonne = 1; Planeten = 2; Hohlrad = 5. Damit wird die Umlaufuntersetzung = 6:1.

Das Planetengetriebe mit i=6:1 kann nun im Modul bis auf 5,5mm vergrößert werden, wodurch die Belastungsfähigkeit des Getriebes steigt. Werden nun vier Planetengetriebestufen gebaut und zu einem Bausatz in drei Stufen kombiniert, so können mit nur vier unterschiedlichen Planetengetriebestufen fast alle Untersetzungen nach der arithmetischen Zahlenreihe mit Stufung 6 von i=6:1 bis i=13848:1 erreicht werden. Die Baubedingungen für Planetengetriebe mit drei Planeten erfüllen folgende Untersetzungen: 6:1; 12:1; 18:1; 24:1.

Die Zähnezahlen für folgende Untersetzungen lauten:

  • i=6:1 => (Zähnezahl Sonne) ZS=1; (Zähnezahl Planet) ZP=2; (Zähnezahl Hohlraum) ZH=5;
  • i =12:1 => ZS = 1; ZP = 5; ZH = 11;
  • i=18:1 => ZS = 1; ZP = 8; ZH = 17;
  • i=24:1 => ZS = 1; ZP = 11; ZH = 23

Symmetrische Gestaltung für gleichbleibenden Wirkungsgrad

Durch die symmetrische Gestaltung der Verzahnungsparameter liegt bei diesen Getrieben der Eingriff der Zahnräder des Hohlrads und der Planeten hinter dem Wälzpunkt; und der Zahnräder der Sonne und der Planeten vor dem Wälzpunkt.

Bei Antrieb von der Sonne begünstigt der vor dem Wälzpunkt liegende Eingriff die Drehung der Planeten durch die stoßende Reibung und der am Hohlrad hinter dem Eingriff liegende Wälzpunkt begünstigt das Ablaufen der Planeten am Hohlrad durch die ziehende Reibung.

Bei Antrieb am Steg begünstigt der vor dem Wälzpunkt liegende Eingriff die Drehung der Sonne durch die stoßende Reibung und der am Hohlrad hinter dem Eingriff liegende Wälzpunkt begünstigt das Ablaufen der Planeten am Hohlrad durch die ziehende Reibung.

Durch die symmetrische Gestaltung der Summen der Profilverschiebungen und damit der Betriebseingriffswinkel wird erreicht, dass der Wirkungsgrad des Planetengetriebes in beiden Betriebsarten (Antrieb an der Sonne und Antrieb am Steg) gleich ist. Dadurch entstehen Verzahnungen die leicht ins Schnelle übersetzt werden können. Versuche mit Planetengetrieben mit zwei Stufen mit i=24:1 also i=576:1 konnten laut Maul relativ leicht, mit dem nicht bestromten Antriebsmotor an der Antriebsseite von der Abtriebsseite her, zurückgedreht werden. Der Baukasten ist nun so in den Anschlussmaßen gestaltet, dass die einzelnen Stufen beliebig miteinander kombiniert werden können. Motorseitige Elemente und Abtriebsadapter passen an jede Stufe.

Die Planetengetriebebaureihe ist zum Patent angemeldet. Maul Konstruktionen sucht Partner zum Bau der Getriebe.

* Geschäftsführer der Maul Konstruktionen GmbH

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