DE19721646C1

DE19721646C1 - Antriebsanordnung mit optimierter Kühlung des Antriebsmotors

Info

Publication number: DE19721646C1
Application number: DE19721646A
Authority: DE
Inventors: Ove Kullborg; Juergen Pescheck
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2017-05-24
Also published as: WO1998053223A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit ei nem Planetengetriebe und einem drehzahlregelbaren Antriebs motor.

Derartige Antriebsanordnungen werden beispielsweise auch in der Handhabungstechnik an Robotergelenkarmen häufig eingesetzt. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung ist es wünschenswert, mit gleich großen Antriebsmotoren (üblicherweise Elektromotoren) die Nutzlast zu steigern oder bei gleichbleibender Nutzlast kleinere Antriebsmotoren einsetzen zu können. Kleinere Antriebsmotoren haben auf grund ihrer kleineren Masse in der Regel eine kleinere Wär mekapazität. Die Verlustwärme kann aufgrund der kleineren Oberfläche schlechter abfließen, so daß kleinere Motoren schneller heiß werden und an ihre thermische Belastbar keitsgrenze kommen. Wenn sich der Motor relativ zur umge benden Luft nicht oder nur langsam bewegt, ist die Wärmeab fuhr an die Luft durch Konvektion nur gering. Dieser Fall tritt beispielsweise bei Bewegungsachsen auf die nahe am Fundament eines Robotergelenkarms liegen.

Grundsätzlich ist es möglich, die Wärmeabfuhr vom An triebsmotor durch den Einsatz von speziellen Kühlkörpern oder durch Kühlrippen aufweisende Motorgehäuse zu verbes sern. Nachteilig dabei ist jedoch das größere Gewicht und der benötigte Bauraum, der die Beweglichkeit von Roboter komponenten einschränken kann.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Antriebsanordnung der eingangs genannten Art mit verbesserter Kühlung des An triebsmotors zu schaffen und die Nachteile bezüglich Ge wicht und Bauraum von herkömmlichen Lösungen zu vermeiden. Die Antriebsanordnung soll darüber hinaus günstig in der Herstellung sein, mit nur wenigen Bauteilen eine große Übersetzung ermöglichen und dabei eine hohe Übertragungs qualität gewährleisten.

Die Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aus gestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß bei einer An triebsanordnung der Antriebsmotor mit seinem Gehäuse wenig stens teilweise in einen im Schmiermittelbereich eines mit flüssigem Schmiermittel befüllten Getriebegehäuses liegen den Hohlraum hineinragt. Gegenüber bekannten Lösungen ist das Gehäuse des Antriebsmotors nicht nur mit der umgebenden Luft in Kontakt, sondern wenigstens mit Teilen seiner wär meabgebenden Oberfläche mit dem Schmiermittel des Getrie bes. Der Wärmeübergang zwischen dem Motorgehäuse und dem flüssigen Schmiermittel ist sehr viel größer als zur umge benden Luft, so daß die schädlichen hohen Temperaturen im Antriebsmotor vermieden werden. Zwar stellt sich im Getrie begehäuse ein etwas höheres Temperaturniveau ein, es steht jedoch die gesamte Oberfläche des Getriebegehäuses zur Küh lung durch Konvektion zur Verfügung. Ein Teil der Wärme fließt außerdem durch Wärmeleitung zu den benachbarten Bau teilen (z. B. Roboterarm), welche auf diese Weise ebenfalls vorteilhaft zur Kühlung des Antriebsmotors beitragen.

Die Anordnung des Antriebsmotors in einem Hohlraum des Ge triebegehäuses ist außerdem sehr platzsparend, so daß ins gesamt eine kompakte Antriebseinheit entsteht.

Mit einem mehrstufigen Getriebe kann eine hohe Ge samtübersetzung erzielt werden. Eine erste Übersetzungsstu fe kann platzsparend als Winkeltrieb im Getriebegehäuse angeordnet werden. Der Winkeltrieb wird gebildet von einem auf der Motorwelle angeordneten Ritzel, welches mit einem größeren getriebeseitigen Kegelrad in Eingriff ist. Der Antriebsmotor ist mit seiner Längsachse im wesentlichen radial zur Getriebehauptachse angeordnet, beispielsweise unter einem Achskreuzungswinkel von 90°. vorteilhaft ist, daß der benötigte axiale Bauraum dadurch gering bleibt. Natürlich kann auch ein Kegelplanrad (Kronrad) für den Win keltrieb verwendet werden.

In anderen Fällen ist es erstrebenswert, den radialen Bauraum möglichst klein zu halten. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn eine erste Übersetzungsstufe ein Stirn trieb ist, welcher von einem mit der Motorwelle verbundenen Ritzel und einem größeren getriebeseitigen Stirnrad gebil det ist. Der Antriebsmotor ist dabei achsversetzt und im wesentlichen parallel zur Getriebehauptachse ausgerichtet. Wenn der Motor dabei den selben axialen Bauraum einnimmt, wie das Getriebe ist auch der benötigte axiale Bauraum nur so groß wie die längere der beiden Komponenten Motor und Getriebe.

Eine zweite Übersetzungsstufe ist vorteilhaft als Pla netenradsatz ausgebildet, bei dem ein erstes und ein zwei tes, jeweils innenverzahntes Hohlrad, von denen das erste feststeht und das zweite drehbar gelagert ist, den Abtrieb bildet und gegenüber dem ersten Hohlrad einen geringen Zäh nezahlunterschied aufweist. Dabei sind Planetenräder in einem Planetenträger in der Weise gelagert, daß sie in ständigem Zahneingriff mit den beiden Hohlrädern sind. Mit dieser Räderanordnung, die von den Wolfrom Getrieben be kannt ist, läßt sich vorteilhaft eine hohe einstufige Über setzung erzielen. Vorteilhaft ist weiterhin, daß nur wenige Bauteile benötigt werden und sich eine hohe Steifigkeit und Momentendichte erzielen läßt. Sehr hohe Übersetzungen las sen sich erzielen, wenn ein zentrales Sonnenrad angetrieben wird, welches mit den Planetenrädern in Eingriff ist.

In vielen Fällen ist jedoch eine Übersetzung ausrei chend, die sich ergibt, wenn -unter Wegfall des zentralen Sonnenrads- das größere Rad der ersten Übersetzungsstufe (Kegelrad, Stirnrad) drehfest mit dem Planetenträger ver bunden ist. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung der Erfin dung ist, daß für den Planetenträger und das damit verbun dene größere Rad der ersten Übersetzungsstufe ein gemeinsa mes Lager verwendet werden kann, und der Bereich der Ge triebehauptachse frei bleibt.

Wenn die beiden innenverzahnten Hohlräder konisch aus gebildet sind und gleiche Konusrichtung aufweisen, ist das Verzahnungsspiel der zweiten Übersetzungsstufe einfach und exakt einstellbar. Hierzu ist die axiale Position der bei den Hohlräder zueinander und die axiale Position des Plane tenträgers gegenüber den Hohlrädern mittels entsprechender Distanzelemente wie z. B. Einstellscheiben einstellbar.

In einer alternativen Ausgestaltung sind die beiden Hohlräder konisch mit entgegengesetzter Konusrichtung aus gebildet. Die Planetenräder sind dabei als doppelkonische Stufenplaneten ausgebildet. Sie sind vorzugsweise auf zur Getriebehauptachse parallelen Planetenachsen gelagert. Vor teilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, daß die axiale Posi tion der Planetenräder zwischen den entgegengesetzten Konen der beiden Hohlräder selbsteinstellend ist, und die Plane tenlager keine Axialkräfte aufnehmen müssen. Als Planeten lager können platzsparende Nadellager eingesetzt werden. Das Verzahnungsspiel ist durch die Einstellung des axialen Abstands der beiden Hohlräder einstellbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebsanordnung einen zentralen längs ausgerichteten Mittendurchlaß auf, der von einer Ringwandung umgeben ist. Diese Ringwandung hat die Funktion eines Gehäuseteils der Antriebseinrichtung und schließt das Gehäuse nach innen ab. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die wärmeabgebende Ge häuseoberfläche vergrößert. Darüber hinaus ist es möglich, Komponenten eines Roboters, wie beispielsweise Kabelstränge durch diesen Mittendurchlaß hindurchzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung mit bezug auf die bei liegende Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungs gemäße Antriebsanordnung.

Darin ist mit 4 das Planetengetriebe und mit 2 der radial zur Getriebehauptachse angeordnete Antriebsmotor bezeichnet. Der Antriebsmotor 2 ist am Bund 7 des Antriebs motorgehäuses 6 mit der Flanschfläche 9 des Getriebegehäu ses 14 durch nicht dargestellte Befestigungselemente ver bunden. Die Verbindung an dieser Flanschfläche ist dicht ausgebildet, so daß der vom Gehäuse 14 umschlossene Hohl raum durch den Antriebsmotor abgeschlossen wird. Der Bund 7 teilt das Antriebsmotorgehäuse 6 in einen äußeren Teil 6a und einen inneren Teil 6b. Er ist gegenüber der ritzelsei tigen Stirnfläche des Antriebsmotorgehäuses deutlich nach hinten versetzt, so daß der größte Teil 6b des Antriebsmo torgehäuses im Schmiermittelbereich des Getriebegehäuses 14 liegt. Als Schmiermittelbereich im erfindungsgemäßen Sinn wird der wenigstens teilweise mit flüssigem Schmiermittel befüllte, vom Getriebegehäuse 14 umschlossene Hohlraum ver standen. Je nach räumlicher Lage der Antriebsanordnung sind Teile des Antriebsmotorgehäuses 6b in das Schmiermittel eingetaucht, oder wenigstens in (thermischem) Kontakt mit Tröpfchen des Schmiermittels (Ölnebel).

Das Ritzel 10 und das Kegelrad 12 bilden eine erste Übersetzungsstufe. Das kegelige Ritzel 10 ist mit der An triebsmotorwelle 8 verbunden. Das große Kegelrad 12 wird vom Ritzel 10 angetrieben und ist durch das Lager 16 im Getriebegehäuse 14 gelagert.

Der Planetenträger 20 ist mittels der Schrauben 18 drehfest mit dem großen Kegelrad 12 verbunden. Das Lager 16 des großen Kegelrades 12 dient also auch als Lager für den Planetenträger 20. Es ist durch den Sprengring 22 axial im Gehäuse 14 fixiert. Zwischen dem Lager 16 und dem Spreng ring 22 bzw. dem Gehäuse 14 sind Einstellscheiben 24 zum Einstellen der axialen Position des Planetenträgers 20 und des großen Kegelrades 12 gegenüber dem Getriebegehäuse 14 vorgesehen. Die gleichmäßig am Umfang verteilten Planeten räder 26, von denen in der Schnittdarstellung nur eines dargestellt ist, sind mittels der Planetenlager 28 drehbar im Planetenträger 20 gelagert. Sie sind in ständigem Zahn eingriff mit den beiden Hohlrädern 30, 32, welche einen geringen Zähnezahlunterschied aufweisen.

Bei einer vollen Umdrehung des Planetenträgers 20 füh ren die beiden Hohlräder 30, 32 eine dem Zähnezahlunter schied entsprechende Relativdrehung aus.

In der dargestellten Ausführungsform ist das Hohl rad 30 das Stützglied und mittels der Schrauben 46 drehfest mit dem Getriebegehäuse 14 verbunden. Die gleichmäßig am Umfang des Hohlrads 30 und des Lagerrings 34 verteilten Durchgangsbohrungen 40 dienen zum Befestigen der An triebsanordnung, beispielsweise an einem Fundament mittels nicht dargestellter Schrauben. Das Hohlrad 32 bildet den Abtrieb.

Die Gewindebohrungen 42 im Hohlrad 32 dienen zum Befe stigen eines anzutreibenden Teils, wie z. B. des Gelenkarms eines Roboters. Das Hohlrad 32 ist durch das Lager 36 dreh bar im Lagerring 34 gelagert. Um eine kompakte Bauform zu erzielen, sind die Lagerlaufbahnen des Lagers 36 direkt in das Hohlrad 32 bzw. den Lagerring 34 eingearbeitet. Die axiale Position der beiden Hohlräder zueinander läßt sich mittels Einstellscheiben 38, welche zwischen Hohlrad 30 und Lagerring 34 angeordnet sind, einstellen.

Die beiden Hohlräder 30, 32 sind konisch ausgebildet und weisen die gleiche Konusrichtung auf. Die Planetenrä der 26 sind zylindrisch ausgebildet. Sie sind auf gegenüber der Getriebehauptachse radial geneigten Planetenachsen ge lagert. Der Neigungswinkel ist an die Konizität der beiden Hohlräder angepaßt.

Das Verzahnungsspiel der Verzahnungen zwischen den Planetenrädern 26 und den beiden Hohlrädern 30, 32 läßt sich bei der Montage durch entsprechende Wahl der Einstell scheiben 38, 24 einstellen. Die in der dargestellten Aus führungsform zylindrisch ausgeführten Planetenräder weisen den Vorteil auf, daß sich eine axiale Verschiebung entlang ihrer radial geneigten Planetenachsen nicht auf das Verzah nungsspiel auswirkt.

Ebenso können natürlich aber auch andere Ausgestaltun gen von Planetenrädern (z. B. Stufenplaneten, mit konischen oder zylindrischen Stufenrädern) oder Hohlrädern (z. B. zy lindrische Hohlräder oder konische Hohlräder mit entgegen gesetzter Konusrichtung) verwendet werden.

Das Getriebegehäuse 14 ist durch die Ringwandung 48 gegenüber dem zentralen Mittendurchlaß abgeschlossen. Der zentrale Mittendurchlaß 47 vergrößert die Oberfläche des Getriebegehäuses und verbessert dadurch die Wärme ab fuhr der Antriebsanordnung. Außerdem ist der zentrale Mittendurch laß 47 geeignet, um Komponenten, wie beispielsweise Kabel stränge oder dergleichen, durchzuführen. Der vom Getriebe gehäuse umschlossene Hohlraum, der wenigstens teilweise mit Schmiermittel befüllt ist, ist im Bereich der Ringwan dung 48 durch die Dichtungen 54 und 56 abgedichtet. Die Gehäuseverschlußschrauben 50, 52 schließen den vom Getrie begehäuse 14 umschlossenen Hohlraum nach außen ab.

Durch die Anordnung von Teilen der wärmeabgebenden Außenkontur (innerer Teil des Gehäuses 6b) des Antriebsmo tors 2 im Schmiermittelbereich des Getriebegehäuses 14 wird eine gute Wärmeabfuhr der Verlustwärme des Antriebsmotors 2 erzielt, so daß schädliche hohe Temperaturen im Antriebsmo tor vermieden werden. Für die Wärmeabgabe an die umgebende Luft steht die sehr viel größere Gesamtoberfläche des Ge triebegehäuses 14 zu Verfügung.

Bezugszeichenliste

2

Antriebsmotor

4

Planetengetriebe

6a

Antriebsmotorgehäuse äußerer Teil

6b

Antriebsmotorgehäuse innerer Teil

7

Bund

8

Antriebsmotorwelle

9

Flanschfläche

10

Ritzel

12

Kegelrad

14

Getriebegehäuse

16

Lager

18

Schrauben

20

Planetenträger

22

Sprengring

24

Einstellscheiben

26

Planetenrad

28

Planetenlager

30

Hohlrad

32

Hohlrad

34

Lagerring

36

Lager

38

Einstellscheiben

40

Durchgangsbohrung

42

Gewindebohrung

44

Dichtung

46

Schraube

47

zentraler Mittendurchlaß

48

Ringwandung

50

Gehäuseverschlußschraube

52

Gehäuseverschlußschraube

54

Dichtung

56

Dichtung

Claims

1. Antriebsanordnung mit einem Planetengetriebe (4) und einem drehzahlregelbaren Antriebsmotor (2) dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (2) mit seinem Gehäuse (6) wenigstens teilweise in einen im Schmiermittelbereich des Getriebegehäuses (14) liegenden Hohlraum hineinragt.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Übersetzungsstu fe ein im Getriebegehäuse (14) angeordneter Winkeltrieb mit einem drehfest mit der Motorwelle (8) verbundenen Rit zel (10) des im wesentlichen radial zur Getriebehauptachse ausgerichteten Antriebsmotors (2) und einem größeren ge triebeseitigen Kegelrad (12) ist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Übersetzungsstu fe ein im Getriebegehäuse (14) angeordneter Stirntrieb mit einem drehfest mit der Motorwelle verbundenen Ritzel des achsversetzten und im wesentlichen parallel zur Getriebe hauptachse ausgerichteten Antriebsmotors und einem größeren getriebeseitigen Stirnrad ist.

4. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Übersetzungsstufe gebildet ist durch ein erstes (30) und ein zweites (32), jeweils innenverzahntes Hohlrad, von de nen das erste feststeht und das zweite drehantreibbar gela gert ist, den Abtrieb bildet und gegenüber dem ersten Hohl rad (30) einen geringen Zähnezahlunterschied aufweist, und Planetenrädern (26), die in einem Planetenträger (20) in der Weise gelagert sind, daß sie in ständigem Zahneingriff mit den beiden Hohlrädern (30, 32) sind.

5. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das größere Rad (12) der ersten Übersetzungsstufe drehfest mit dem Pla netenträger (20) verbunden ist.

6. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden innenverzahnten Hohlräder (30, 32) konisch ausgebildet sind und gleiche Konusrichtung aufweisen.

7. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden innenverzahnten Hohlräder (30, 32) konisch ausgebildet sind und entgegengesetzte Konusrichtung aufweisen.

8. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die An triebsanordnung einen zentralen, längs ausgerichteten Mit tendurchlaß (47) aufweist, der von einer Ringwandung (48) umgeben ist.