(57)【要約】      （修正有）【課題】高出力密度を有し、高いねじり剛性を有し、低摩耗で高い弾力を有するトランスミッション、及びそのようなトランスミッションを製造する製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係るトランスミッションは、同軸トランスミッション又は直線的トランスミッションであって、歯部５と、複数の歯状セグメント７１〜７３を歯部５に噛み合わせるように収容し、歯状セグメント７１〜７３を径方向に移動可能に支持するホルダー１１と、歯状セグメント７１〜７３を径方向に駆動させるプロファイル２２を有する駆動要素２０とを備え、初期内部応力を有することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸トランスミッション又は直線的トランスミッションであって、
歯部（５）と、
複数の歯状セグメント（７１〜７３）を前記歯部（５）に噛み合わせるように収容し、前記歯状セグメント（７１〜７３）を径方向に移動可能に支持するホルダーと、
前記歯状セグメント（７１〜７３）を径方向に駆動させるプロファイル（２２）を有する駆動要素（２０）とを備え、
初期内部応力を有することを特徴とするトランスミッション（１）。
【請求項２】
少なくとも前記歯状セグメント（７１〜７３）の一部が剛性を有することを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション（１）。
【請求項３】
フットジョイント及び／又は枢動セグメント（２４）が少なくとも前記歯状セグメント（７１〜７３）と前記プロファイル（２２）との間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のトランスミッション（１）。
【請求項４】
前記歯状セグメント（７１〜７３）のうちの少なくとも１つは、前記枢動セグメント（２４）に緩接続されていることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション（１）。
【請求項５】
前記歯状セグメント（７１〜７３）は、前記ホルダー内に径方向に及び／又は直線的に案内され、及び／又は、前記歯状セグメント（７１〜７３）の回転自由度が前記ホルダーに対してトランスミッション（１）の長軸回りに阻止されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
【請求項６】
前記歯状セグメント（７１〜７３）のうちの少なくとも２つが前記歯部（５）の１つのフランク面と噛み合うことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
【請求項７】
前記歯部（５）に駆動される第１の歯状セグメント（７１）は、歯状セグメント（７１）の前方のフランク面でのみ前記歯部（５）の各フランク面と噛み合い、
前記歯部（５）に駆動される第２の歯状セグメント（７２）は、歯状セグメント（７２）の後方のフランク面でのみ前記歯部（５）の各フランク面と噛み合うことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
【請求項８】
トランスミッション（１）が停止状態で、前記第１の歯状セグメント（７１）が前記第２の歯状セグメント（７２）から初期内部応力を受けることを特徴とする請求項７に記載のトランスミッション（１）。
【請求項９】
オーバーサイズを行うことによって初期内部応力を発生させることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
【請求項１０】
前記駆動要素の最大外径及び／又は前記歯部（５）の直径の０．０００１％以上及び／又は０．２％以下分だけオーバーサイズを行うことを特徴とする請求項９に記載のトランスミッション（１）。
【請求項１１】
前記駆動要素（２０）は、カムディスクを有することを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
【請求項１２】
前記プロファイル（２２）は、１つ、２つ、３つ又は少なくとも４つの凸部を有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
【請求項１３】
初期内部応力がトランスミッション（１）の定格負荷の少なくとも５％に相当することを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか１項に記載のトランスミッション（１）の製造方法であって、
トランスミッション（１）の剛性を決定する工程と、
剛性と所望される初期トルクとの関数としてオーバーサイズを行う寸法を決定する工程と、
オーバーサイズを行ってトランスミッション（１）の構成要素の寸法を選定する工程と、
トランスミッション（１）を組み立てる工程とを含むことを特徴とするトランスミッション（１）の製造方法。
【請求項１５】
オーバーサイズを行う寸法を前記歯状セグメント（７１〜７３）の少なくとも１つと前記歯部（５）との間の相対運動学の関数として決定し、及び／又は、オーバーサイズを行う寸法を前記駆動要素（２０）の前記プロファイル（２２）を研磨することによって調整することを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に係るトランスミッションと、従属項に係るトランスミッションの製造方法又は動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、歯状セグメントを備えるトランスミッションが知られており、歯状セグメントは径方向に移動可能なようにホルダーに取り付けられる。歯状セグメントを駆動するために、プロファイルを有する駆動要素、例えば、カムディスクが用いられる。歯状セグメントの歯は、歯部と噛み合う。このため、歯状セグメントが取り付けられたホルダーと、歯部との間の相対運動が起こる。歯部と歯状セグメントとの間の相対運動は、プロファイルを有する駆動要素の運動より少なくとも１桁小さい。高いトランスミッションレートを得ることができるトランスミッションとして、ドイツ特許出願公開第１０２００７０１１１７５号公報に記載されたトランスミッションを例示できる。
【０００３】
このようなトランスミッションは、非常に高いねじり剛性を有するが、負荷が変化することでねじり遊びが生じる。しかしながら、高精度の装置では、広範囲の負荷に対して高精度に位置調整するために、高いねじり剛性を有し、ねじり遊びがないことが必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１０２００７０１１１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来より知られたトランスミッションに対して、特に高精度の位置調整の観点から、デメリットを解消又は少なくとも減少させたトランスミッションを提供することを目的とする。望ましくは、高出力密度を有し、高いねじり剛性を有し、全体として低摩耗で高い弾力を有するトランスミッションである。さらに、そのようなトランスミッションを製造する製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
斯かる目的は、請求項１に係るトランスミッションや従属項に係るトランスミッションの製造方法により達成される。有利な実施形態は、従属項や本明細書中に見出される。
【０００７】
本発明の実施形態は、特に、同軸トランスミッションに関する。基本的に、本発明に係るトランスミッションは、駆動要素としてプロファイルを有する内部カムディスクと、内部歯部を有するリングギアとを備える。又は、内部プロファイルを有する外部駆動要素と、内部ギアホイールとを備える。又は、外部駆動要素がある場合には、歯部が設けられたギアラックを備える。実施形態の構成は、回転駆動を直線運動に変換する直線的トランスミッションに関する。本発明に係るトランスミッションは、初期内部応力とも称される内部応力を有する。通常、トランスミッションが停止状態で、トランスミッションの個々の構成に互いに応力がかかっていることを意味する。これにより、トランスミッションの最小化、すなわち、トランスミッション内の遊びを無くすことができる。
【０００８】
典型的な実施形態では、歯部は、円周歯である。また、典型的な実施形態では、歯状セグメントの歯又は先端部は、歯部と噛み合っており、歯状セグメントは、ホルダーに対して径方向に直線的に移動可能なように取り付けられている。「径方向に直線的に」とは、歯状セグメントが径方向にのみ移動可能に案内されることを意味する。典型的な実施形態では、歯状セグメントは、その案内によってまさに一方向に直線的に移動可能である。例えば、歯状セグメントの移動方向でのある断面において、ホルダーが歯状セグメント用の開口部を有していてもよい。基本的に、歯状セグメントは、まさに一方向に移動可能なようにホルダー内に支持される。さらに、典型的な実施形態では、ホルダーに対する歯状セグメントの回転自由度がトランスミッションの長軸回りに阻止されている。例えば、ホルダー内で径方向に直線的に歯状セグメントを案内する手段により実現される。結果として、歯状セグメントは、ホルダーと共にトランスミッションの長軸回りに回転するが、ホルダーに対して回転するものではない。
【０００９】
本発明に係るトランスミッションの典型的な実施形態では、少なくとも歯状セグメントの一部が剛性を有するように設計されている。「剛性」とは、技術的に理解されることであり、すなわち、歯状セグメントの材質の剛性に起因して歯状セグメントの曲げが小さくなることである。
【００１０】
剛性を有する歯状セグメントは、金属合金、特に、合金鋼、すなわち、チタン合金、ニッケル合金、その他合金により形成される歯状セグメントからなる。さらに、剛性を有する歯状セグメントは、プラスチックから形成されていてもよく、特に、トランスミッションの場合には、少なくとも以下の部品（リングギア又はギアホイールの歯、ホルダー、駆動要素）のひとつはプラスチックから形成されていてもよい。
【００１１】
本発明の典型的な実施形態では、ホルダーと歯状セグメントとが金属合金から形成されている。好ましくは、歯部と駆動要素とが金属合金から形成されている。そのようなトランスミッションの利点は、大きなねじり剛性を有し、高い弾性を有することである。プラスチックから形成されるトランスミッションは、軽量になるという利点を有する。「剛性」とは、特に、歯状セグメントの横軸についての曲げ剛性を意味する。つまり、歯状セグメントを歯状セグメントの基部から先端部に延びる線と見た場合に、基部と先端部との間で実質的に曲げ変形を防止するような曲げ剛性が存在することを意味する。曲げ剛性により、トランスミッションの高い弾性やねじり剛性を得ることができる。
【００１２】
典型的な実施形態では、フットジョイント（foot joint）が歯状セグメントとプロファイルとの間に配置される。有利な実施形態では、プロファイルを有する駆動要素と少なくともひとつの歯状セグメントとの間のそれぞれに配置される枢動セグメントを備える。枢動セグメントは、フットジョイントを形成するために用いることができる。フットジョイントにより、歯状セグメントがプロファイルに対して、又は、枢動セグメントに対して傾斜可能である。典型的な実施形態では、歯状セグメントは、枢動セグメントに緩接続されている。ここで、「緩接続」とは、歯状セグメントが枢動セグメント上に配置されるだけであり、直接的に配置されていることを意味する。好ましい枢動セグメントは、歯状セグメントが枢動セグメント上で滑ることを防止するような輪郭を有する。又は、枢動セグメントが少なくともある方向に滑ることを防止するような輪郭を有する。よって、枢動セグメントがホルダーに対して周方向に位置するように保持されて、径方向に直線的に歯状セグメントが案内される。そのようなプロファイルは、例えば、凹部に嵌合するビードとすることができる。これにより、歯状セグメントが枢動セグメント上を滑ることがない。従って、枢動セグメントが歯の位置に固定され、その結果、歯状セグメントと枢動セグメントとの間で周方向に相対運動しなくなる。好ましくは、枢動セグメントの輪郭は、周方向に移動することを阻止するように形成されるため、周方向に滑ることを防止する。しかしながら、他の実施形態では、枢動セグメントが歯状セグメントに対して滑ることを防止するように球状のキャップ形状、ボール状、その他の複数の凸部（elevations）がプロファイルに設けられていてもよい。
【００１３】
典型的な実施形態では、枢動セグメントは、セグメント化されたベアリングとすることができる。典型的な実施形態では、枢動セグメント又は板状の他のベアリングのセグメントは、セグメント化ベアリングを形成する。セグメント化ベアリングによれば、駆動要素のプロファイルに適用可能であり、径方向に信頼性のある力の伝達が可能である利点を有する。枢動セグメントと駆動要素との間の相対運動からの摩擦を低減するために、摩擦軸受やころ軸受のような、特に、典型的な実施形態で用いることができる針状ころ軸受や玉軸受のようなベアリングを設けることができる。好ましくは、枢動セグメントは、凸部と凹部とが互いに対向するエッジを有し、例えば、そのエッジは、波状やジグザグ状の形状とされる。これにより、枢動セグメント間に大きな距離があったとしても、枢動セグメントの下に配置される針状ころが枢動セグメントと駆動要素との間の空間で確実に保持されることが可能であるという利点を有する。
【００１４】
歯状セグメントと枢動セグメントとが緩接続されることにより、容易に組み立てることができるという利点を有する。この場合に、「緩接続」とは、特に、歯状セグメントが、枢動セグメントから離間して持ち上げられることを防止しないことを意味する。汎用のトランスミッションでは、歯状セグメントの歯の先端が歯部によって案内されることで、一般に、歯状セグメントは枢動セグメントから離間して持ち上げられることを防止する。
【００１５】
本発明の典型的な実施形態は、プロファイルを有する駆動要素を備える。好ましくは、プロファイルは、非円形状又は非楕円形状の弧の輪郭又は湾曲を有する。非円形状又は非楕円形状の弧の輪郭により、例えば、異なるトランスミッションレートを実現するために任意のプロファイルを用いることができるという利点を有する。この実施形態によれば、たとえ円形状が存在していたとしても、中心軸でなく回転軸のみが偏心器とともに円形状に相当するので、偏心器も円形状又は楕円形状を含む。典型的な実施形態では、ホルダー又は歯部は、円形状に設計されている。このため、ホルダーや歯部の形状が簡単であるという利点を有する。典型的な実施形態では、歯部とホルダーとの間で力がトランスミッションの遅い側（slow side）に伝達される。このため、力を伝達するための経路が極めて短くなるという利点を有し、その結果、非常に高い剛性をもたらす。これらの条件を満足する実施形態は、包括的な実施形態、つまり、駆動用としての内部カムディスクと歯部を有する外部のリングギアとを具備するトランスミッションであって、ホルダーがリングギアとカムディスクとの間に配置され、リングギアに歯部の中心に向かって径方向に移動する歯状セグメントを駆動する外部プロファイルを備える。本発明に係る初期内部応力に関連して、本実施形態は、上述した駆動力を伝達するための力の経路が極めて短いという効果を奏するが、初期内部応力が少なくとも２つの歯の領域にわたるため、初期内部応力が複数の要素と長い距離に亘って伝達される。その結果、初期内部応力に起因する大幅な損失なしに力を伝達するための高い剛性を得ることができる。
【００１６】
そのような実施形態では、通常、トランスミッションが停止状態にあるとき、少なくとも２つの歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの少なくとも２つのサブグループが歯部の一方のフランク面と噛み合う。典型的な実施形態では、少なくとも２つの歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの少なくとも２つのサブグループが、いずれの場合も異なる歯部のフランク面と噛み合う。ここでは、「異なる」とは、例えば、第１のサブグループが第１の回転方向にあるフランク面と噛み合い、第２のサブグループが第１の回転方向と反対の第２の回転方向にあるフランク面と噛み合うことを意味する。その結果、初期内部応力は、２つのサブグループの間に、すなわち、２つの歯状セグメントの間に蓄積する。
【００１７】
本発明に係る典型的な実施形態では、歯部に駆動される第１の歯状セグメントの前方のフランク面のみが歯部の各フランク面と噛み合い、歯部に駆動される第２の歯状セグメントの後方のフランク面のみが歯部の各フランク面と噛み合う。「前方」及び「後方」とは、通常、これらの２つのフランク面が、伝達負荷の異なる方向、すなわち、周方向での異なる方向に相当するという意味であるとして理解される。よって、「前方」及び「後方」とは、ランダムに選択された周方向に対応する。第１の歯状セグメントは歯状セグメントの第１のサブグループともすることができ、第２の歯状セグメントは、歯状セグメントの第２のサブグループともすることができる。典型的な実施形態では、同様のフランク面を有する２以上の隣り合う歯状セグメントは、対応する歯部のフランク面と噛み合う。典型的な実施形態では、トランスミッションが停止状態であるとき、第１の歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの第１のサブグループは、第２の歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの第２のサブグループから初期内部応力を受ける。第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとの間に、少なくとももうひとつの歯状セグメントがあり、そのいずれのフランク面も歯部のフランク面と噛み合わないことが好ましい。さらに、このもうひとつの歯状セグメントが、通常、径方向に遊びを有するように、歯状セグメント、歯部、枢動セグメント又はリングギアの形状が選定されることが好ましい。その結果、摩擦損失を低減する。通常、この中間に配置されたもうひとつの歯状セグメントは、カムディスクの輪郭における最大半径、すなわち、最大外径の位置にある。第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとの間の少なくとも１つの歯状セグメントの歯の先端は、典型的な実施形態では、歯部の基部に相当する湾曲に位置する。ここで、「第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとの間」とは、第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとのより短い周方向での間を意味する。カムディスクの最小輪郭に位置する歯状セグメントはフランク面と噛み合わない。このことは、トランスミッションの回転中に当てはまり、停止状態では、もうひとつの歯状セグメントは前述した位置にある。
【００１８】
典型的な実施形態では、オーバーサイズを行うことによって初期内部応力を発生させることができる。オーバーサイズとは、駆動要素、出力要素、枢動セグメント、複数か全ての歯状セグメント、又は、歯部の寸法を大きくすることである。調和をとって複数の構成要素の寸法を大きくすることも可能である。典型的な実施形態では、公差の繋がり（chain）又はオーバーサイズの繋がりは、所望されたオーバーサイズの寸法となる。
【００１９】
典型的な実施形態では、歯部と歯状セグメントの歯とは、湾曲したフランク面を有する。フランク面の湾曲としては、円筒形状の湾曲、又は、対数螺旋形状の湾曲を例示できる。ドイツ特許出願公開第１０２００７０１１１７５号公報に、対数螺旋形状に形成された湾曲の一実施形態が提案されている。この曲面により、噛み合うフランク面が、線や点だけでなく、表面に対して位置するという利点を有する。その結果、歯部と歯状セグメントとの間に力が伝達されるときに、高い剛性が得られる。
【００２０】
オーバーサイズを行う寸法は、歯部の直径、すなわち、歯部の内径より、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上、さらに好ましくは０．００１％以上の寸法とされる。また、典型的な実施形態では、オーバーサイズを行う寸法は、歯部の直径、すなわち、歯部の内径より、０．２％以下、好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０１％以下の寸法とされる。その設計からトランスミッションの高い剛性が得られることで、弾性要素をなくすことが可能であり、オーバーサイズを行うわずかな量だけで、例えば、トランスミッションの定格トルクの少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも５０％、又は、最大１００％の初期内部応力を得るのに十分である。典型的な実施形態では、ばね要素がない、すなわち、弾性要素がない。典型的な実施形態では、「ばね要素なし」又は「弾性要素なし」とは、トランスミッション、又は、トランスミッションにより伝達される力の経路、例えば、歯部から歯状セグメント、ホルダーを経由して力を出力する構成、すなわち、スラスト軸受に関連する。これにより、高い剛性を得ることができる。本発明に係る実施形態によれば、ばね要素等を必要とせず、極めてわずかにオーバーサイズを行うことで初期内部応力を得ることができるという特有の効果を奏する。その結果、高い剛性で、遊びがなく、低摩耗であることが達成される。典型的な実施形態では、初期内部応力は、トランスミッションの定格負荷の最大５０％、又は最小５０％である。「定格負荷」とは、典型的な実施形態では、トランスミッションにより連続的に伝達可能なトルク、すなわち、直線的トランスミッションが連続的に伝達可能な駆動トルクを意味する。また、典型的な実施形態では、トランスミッションの定格負荷の少なくとも８０％、又は、少なくとも１００％に相当する初期内部応力を有する。その結果、トランスミッションの負荷範囲全体で遊びがないことが達成される。
【００２１】
トランスミッションを製造するための方法及び実施形態では、オーバーサイズにより大きくする寸法は、剛性と所望する初期内部応力との関数として得られる。典型的な実施形態の特別な特徴は、トランスミッションの全ての要素が、駆動、すなわち、力の伝達を促進するための剛性を有するように設計されおり、歯状セグメントを含むこれらの剛性を有するように設計された要素が、非常に静的で（hyperstatic）、予め応力が存在するシステムをもたらす。これは、制約状態（constrained states）を回避するために、初期内部応力と共に多数の静的冗長性（static redundancies）を回避するトランスミッションに関する既存の教示とは対照的である。
【００２２】
セグメント化されたベアリングと湾曲したフランク面の輪郭との組み合わせは、例えば対数螺旋形状で、予め応力が存在するトランスミッションにおいて特に高いトルクを伝達するのに有用であることが証明されている。典型的な実施形態では、枢動セグメント、又は、歯状セグメントのフットジョイントが、それぞれ周方向に相対的に移動する。これにより、歯状セグメントが枢動セグメントにより強制的に案内されない。その結果、初期内部応力と共に過度の拘束力（excessive constraining forces）が回避される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、遊びのないトランスミッションを設計することができ、非常に高い剛性を有するという効果を奏する。歯状セグメントが、リングギア、ギアホイール又はギアラックの歯部に対して両フランク面で噛み合わないことで、初期内部応力がトランスミッションの問題とならない。その結果、他の従来のトランスミッションとは対照的に、制約状態が効果的に回避される。本発明に係るトランスミッションの実施形態によれば、特に、中空設計された駆動要素として外部カムディスク又は内部カムディスクを有することができるという特有の効果を奏する。拘束パラメータ（constraining parameters）は、拘束力を減少するために中空シャフトとしてカムディスクを設計することにより補正することができる。対照的に、歯部による力の伝達は、非常に短く、トランスミッションは、高い伝達剛性をもたらすホルダーに歯状セグメントを横切る方向に剛性を有する。また、適度な、又は、大きな外部負荷が初期内部応力を超えるように初期内部応力を選定することができるという効果を奏する。その結果、外部負荷が初期内部応力よりも大きくなるときに、同じ方向に対向する歯状セグメントのフランク面のみが歯部に噛み合い、これにより高負荷での摩耗を低減し、同時に低負荷でのねじり遊びを排除することができる。本発明によれば、エネルギー効率と費用対効果を高めるために、所定の動作点によって任意の適用先に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の第1の実施形態の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態の概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の方法の実施形態の概略フローチャートである。
【図４】図４は、本発明の実施形態の概略側面図である。
【図５】図５は、図４に示す実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の典型的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下に述べる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定められる。本実施形態では、異なる図であっても特定の状況においては、同一の要素又は近似した要素に対して、同一の参照符号が使用される。また、異なる実施形態に対しても、説明をより理解し易くするために、同一の参照符号が使用される。しかし、これは本発明の対応する要素がその実施形態に記載された例に限定されることを意味するものではない。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態を概略的に説明する側面図である。図１は、内周に歯部(toothing)５を具備するリングギア３を備えたトランスミッション１の断面図を示す。歯状セグメント（tooth segments）７は、歯部５に噛み合う。図面を明瞭にするため、図１に示された全ての歯状セグメント７に、参照符号７を付しているわけではない。歯状セグメント７は、径方向に移動可能なようにホルダー１１ (tooth holder)内で支持されている。ホルダー１１は、ホルダー１１において歯状セグメント７を径方向に案内するため、径方向に配列され、チャンネル状に丸い（channel-like round）、又は、溝が設けられた開口部１５を有する。開口部１５における径方向の案内により、歯状セグメント７は径方向のみに移動可能であり、長軸周りには回転不可能である。
【００２７】
歯状セグメント７は、中空のカムディスクとして設計されている駆動要素２０によって駆動される。駆動要素２０は、歯状セグメント７を径方向に駆動させるためのプロファイル（profiling）２２を有する。プロファイル２２は、対向する歯状セグメント７が最も延びたときに歯部５の隙間(tooth gap)に到達するように、外周に亘る２つの凸部（elevations）を備えた輪郭を有する。
【００２８】
歯状セグメント７は、ホルダー１１による案内によって、駆動要素２０とリングギア３の歯部５との間でクランプされるように設計されている。これは、歯状セグメント７が歯部５の直径の０．０１％分だけ寸法が大きいことによって生じる。従って、歯状セグメント７は、初期内部応力の条件下では、トランスミッション１内に収容されるのに十分な長さを有するように設計されている。これにより、トランスミッション１内には、初期内部応力が発生する。
【００２９】
図１に記載のトランスミッションにおける歯状セグメント７は、滑り軸受によって、駆動要素２０のプロファイル２２上に配置される。このように、歯状セグメントは、駆動要素のプロファイル上に緩接続すれば十分である。ホルダー内で歯状セグメントは径方向に直線的に案内され、さらに、歯部のフランク面（flanks）に案内されるからである。一般的に、歯状セグメントが固定されることなく、歯状セグメントの基部を移動可能とするこの種のベアリングは、本願において、ルーズベアリング（loose bearing）と称する。このようにして、歯状セグメントの基部は、強制的に径方向にのみ案内される。歯状セグメントが歯部によって駆動要素のプロファイルに押圧されなければ、歯状セグメントが駆動要素のプロファイルから離間できるということが、ルーズベアリングの特徴である。このルーズベアリングによれば、非常に単純な設計が可能である。また、それと同時に、歯状セグメントの基部が周方向に強制的に案内されないので、駆動要素のプロファイルの領域における不必要な初期内部応力の発生を回避することが可能である。
【００３０】
図１に示す実施形態の歯状セグメントは、オーバーサイズされて大きめの寸法で取り付けられている。しかしながら、歯部、駆動要素又はトランスミッションの他の構成要素にオーバーサイズを行って大きめの寸法で取り付けることにより初期内部応力を発生させることも可能である。初期内部応力とは、トランスミッションが停止状態であるとき、すなわち外部駆動又は外部負荷がトランスミッションに作用していない状態のときに存在する初期応力を意味する。
【００３１】
図１の実施形態において、駆動要素は内側に配置されており、歯部は外側に配置されている。このような配置により、歯部を具備するリングギアにおいて又はホルダーにおいて、出力が引き出され（tapped）、いずれの場合も、他の要素は固定されることが特徴である。他の実施形態においては、駆動要素は外側、すなわちホルダーの外側に配置され、歯部は、内側に配置される。内側に配置された歯部から又はホルダーから出力を引き出すことも可能である。開口部を有するホルダーを歯状ケージ（tooth cage）と呼ぶことが可能である。歯状ケージにおいて、歯状セグメントは、移動可能に収容され、径方向に直線的に案内される。
【００３２】
図２は、本発明の他の実施形態に係るトランスミッション１（同軸トランスミッション）の断面図を示す。図２に示す実施形態において、歯状セグメント７１〜７３は、セグメント化されたベアリングで支持されている。図面をより明瞭にするために、図２においては、トランスミッション１における全ての歯に参照符号を付しているのではなく、いくつかの要素に参照符号を付している。セグメント化ベアリングは、複数の枢動セグメント２４を備える。各枢動セグメント２４は、歯状セグメント７１〜７３のビード２６が嵌合する凹部を具備する。枢動セグメント２４は、歯状セグメント７１〜７３のそれぞれに対して設けられている。好ましくは、歯状セグメント７１〜７３は、少なくとも２つの歯を備える。これらの歯は、安定性を増加させるために、軸方向に隣接して配置される。各ビード２６は、歯状セグメント７１〜７３のためのフットジョイント（foot joint）を形成する。これにより、歯状セグメント７１〜７３は、枢動セグメント２４に対して傾斜可能となり、強制的に案内されないことになる。
【００３３】
枢動セグメント２４は、周方向に互いに移動可能である。従って、枢動セグメント２４間の距離は変更可能である。このように、枢動セグメント２４の周方向についての自由度も制限されない。このため、駆動要素２０のプロファイル２２を使用することで、枢動セグメント２４はそれぞれ移動可能になり、それぞれ径方向の駆動が可能になる。針状ころ (needle rollers)２８は、プロファイル２２と枢動セグメント２４との間の摩擦抵抗が最小となるように設けられている。他の実施形態においては、ボール又は他のローラーベアリング(roller bearing)が枢動セグメントを支持するために設けられる。
【００３４】
典型的な実施形態では、枢動セグメント２４は、周方向について、波状又はジグザグ状の形状であるエッジを有する。これにより、各枢動セグメント２４間がかなり離れている場合であっても、針状ころ２８はベアリングの隙間内に保持される。
【００３５】
歯部５は、対数螺旋形状のフランク面(toothing flank)を有する。これは、好ましくは、少なくともフランク面の一部が対数螺旋形状であることを意味する。同様に、典型的な実施形態では、歯状セグメント７１〜７３のフランク面も対応する形状、すなわち対数螺旋形状を有する。また、これにより、歯部５の表面と歯状セグメント７１〜７３の表面とが、噛み合うときに接触可能となる。図２に示す歯状セグメント７１〜７３は、複数のグループに分類できる。第１の歯状セグメント７１の第１のグループは、時計回りの方向に位置するフランク面によって歯部５に常に噛み合う。第２の歯状セグメント７２の第２のグループは、時計回りの方向に位置するフランク面と反対側のフランク面によって歯部５に常に噛み合う。これら２つの歯状セグメント７１、７２のグループの中間に存在するのが、中間の歯状セグメント７３である。歯状セグメント７３は、プロファイル２２が最も外径が大きく変形している位置に存在する。
【００３６】
この歯状セグメント７３のいずれのフランク面も、歯部５と噛み合わず、歯状セグメント７３の先端のみが噛み合う。歯状セグメント７３の先端は、歯部５の対応する隙間の対応する基部に接触する。第１の歯状セグメント７１の第１のグループと第２の歯状セグメント７２の第２のグループとの間に初期内部応力が蓄積している一方、歯状セグメント７１、７２を横切るリングギア３からホルダー１１までの短い経路で力が伝達されるため、トルクの伝達に対する高い剛性が実現されるが、初期内部応力に対する剛性は比較的低い。歯状セグメント７１、７２、７３は、図２に示すトランスミッション１の他の構成要素と同様に、剛性を有し、鋼製である。異なる鋼種や、チタン合金やニッケル合金などの異なる合金を使用することも可能である。さらに、プラスチック製のトランスミッションは、典型的な実施形態である。
【００３７】
図３は、本発明の典型的な方法を示す。この方法では、まず最初に、ステップ１００において、トランスミッションの剛性が決定される。トランスミッションとしては、例えば図１や図２に対応するトランスミッションや、又は本発明に係る上記の典型的な実施形態の一つに記載した他のトランスミッションを例示できる。このようなトランスミッションは、任意の初期内部応力で構成可能であり、剛性は試験台で決定可能である。剛性を決定する他の方法としては、例えば、有限要素法を用いた計算が挙げられる。次のステップ１１０において、トランスミッションに対して所望される初期内部応力が選定される。
【００３８】
所望される初期内部応力は、適用先を分析し、更に適用先が必要とする剛性を分析することにより決定できる。他の可能性として、トランスミッションの使用者や顧客によって指定される要求事項に応じて決定される場合もある。「初期応力」の語句は、力とトルクの両方であると一般的に理解されるであろう。例えば、ステップ１１０において、初期内部応力をトランスミッションの定格負荷の２０％に指定することが可能である。他の例として、５０％や７０％に指定することも可能である。他の初期内部応力も選定可能である。
【００３９】
トランスミッションの相対運動学は、ステップ１２０において決定される。この場合、歯状セグメントの径方向の移動、すなわち、歯状セグメントの拡張と、その結果もたらされるトランスミッションの回転との関係が重要である。この関係は、特に歯部の圧力角によって決定される。典型的な実施形態において、少なくとも歯状セグメントと歯部との間で、圧力角は、実質的に一定のままであり、通常は２０°〜５０°、典型的な実施形態では２５°〜４０°の値を示す。一定の圧力角によって、所望される初期内部応力を得るための寸法（オーバーサイズを行う寸法）を容易に決定可能である。典型的な実施形態では、相対運動学は、解析幾何モデル（analytical geometric model）によって決定されるが、固体シミュレーション（solid body simulation）によっても決定され得る。典型的な実施形態では、歯状セグメントと歯部との間の相対運動学は、特に重要である。これにより、ホルダー内における歯の径方向の移動と、トランスミッションの出力側の回転との関係が、特定の角度によって決定されるからである。直線的トランスミッション(linear transmission)においては、ギアラック等の直線的な移動に対する歯状セグメントの直線的な移動の関係が同様にして決定される。ステップ１３０において、このようにして計算される数値と所望される初期内部応力とによって、歯状セグメントの寸法（オーバーサイズを行う寸法）が決定される。一般的に、トランスミッションの構成要素のいずれか一つの寸法（オーバーサイズを行う寸法）又は構成要素の一つのグループの寸法（オーバーサイズを行う寸法）を決定すれば十分である。オーバーサイズを行うものとしては、例えば、駆動要素、枢動セグメント、針状ころ（利用する場合）、歯状セグメント、歯部又はリングギアを例示できる。さらに、他の構成を有するトランスミッションにおいては、初期内部応力を高めるために、他の構成要素にオーバーサイズを行って大きめの寸法にすることが可能である。歯状セグメント又は枢動セグメントに関しては、上記のステップ１００からステップ１２０において計算された数値を使用することで、歯状セグメントの対応する拡張、すなわち、対応する寸法（オーバーサイズを行う寸法）が設定される。これは、相対運動学に関連する特定の回転角に対応し、剛性図（rigidity diagram）から導かれるこの回転角は、予め選定された初期内部応力にも対応する必要がある。
【００４０】
このように、ステップ１３０において、オーバーサイズを行う寸法が決定される。最後に、ステップ１４０において、歯状セグメントに対応する寸法が選定され、さらにトランスミッションの組立品に対応する歯状セグメントが選定される。他の典型的なオプションとして、特定の寸法（オーバーサイズを行う寸法）に調整するために、カムディスクのプロファイルを研磨することが挙げられる。この場合、特定の寸法に調整することが容易である。製造方法の実施形態において、典型的な実施形態では、個々の構成要素の公差を検討する必要がある。公差は、相互によく調和する歯状セグメントの分類を形成することによって、選定可能である。カムディスクを研磨する際、正確な幾何形状を得るため、測定した構成要素の寸法を考慮するのが通常である。次に、ステップ１５０において、トランスミッションは組み立てられる。オーバーサイズを行う構成要素として歯状セグメントに関する例を挙げたが、他の構成要素、特に上述した典型的な構成要素についても同様にオーバーサイズを行うことができる。
【００４１】
図４は、トランスミッション１の概略的な側面図を示す。図４に示すトランスミッション１は、回転運動を直線運動に変換する、あるいは、直線運動を回転運動に変換する典型的な実施形態である。トランスミッション１は、その中間領域に歯部５を具備する内部ロッド２０３を備える。図４に示すロッド２０３の歯部５は、ねじ付きロッドの歯部と同種のものである。しかしながら、ロッド２０３の歯部５は、ねじとして使用されない。ロッド２０３の回転自由度は阻止されている。すなわち、ロッド２０３は、回転不能に取り付けられている。
【００４２】
図４に示す典型的な実施形態は、ロッド２０３に対して同心状に配置されたホルダー１１を備える。ホルダー１１は、同じくロッド２０３に対して同心状に配置された駆動ブーツ(drive boot)２２０内に入れられている。この駆動ブーツ２２０は、回転可能に取り付けられている。これと対照的に、ホルダー１１の軸方向回りの回転自由度は阻止され、固定されている。すなわち、ホルダー１１はロッド２０３に対して回転しない。
【００４３】
駆動ブーツ２２０は、ホルダー１１に収容された歯を駆動するためのプロファイルを具備する内部カムディスク（図４には図示せず）を囲繞している。前記歯が径方向に直線的に移動可能なようにホルダー内に取り付けられることで、前記歯はロッド２０３に噛み合うように整列する。駆動ブーツ２２０が回転するとき、ロッド２０３は、トランスミッション１の長軸２３０方向に、ホルダー１１に対して直線的に移動する。ホルダー１１を固定した状態で取り付け、駆動ブーツ２２０を回転させることで、ロッド２０３を直線的に移動させる、すなわち、ロッド２０３から推力（thrust）を引き出すことが可能である。リニアスラストについて、比較対象となる他のトランスミッションよりも優れた特有の利点は、ホルダー１１とロッド２０３とが回転するように取り付けられる必要がないということである。これにより、トランスミッション１は、コンパクトであるにも関わらず、強い推力と、高い剛性とを有することが可能になる。図４と図５に示されるトランスミッション１の歯は、初期内部応力を有するように、オーバーサイズを行った大きめの寸法で製造されている。
【００４４】
図５は、図４に示すトランスミッションの長軸に沿った部分的な断面図を示す。図５においても、同一の要素又は近似した要素に対して、同一の参照符号が使用されており、既出の参照符号が使用されている要素については、必ずしも詳細には説明しないこととする。
【００４５】
円周方向に延びる４列の開口部１５がホルダー１１内に配置され、この４列の開口部１５内に、４つの歯付きディスクにおける歯７が収容されている。この歯７は、ロッド２０３の歯部５と噛み合う。ロッド２０３の歯部５と歯７とは、歯７のフランク面と歯部５のフランク面とが同一視できるように、断面に対してわずかな角度を成すように配置されている。図５に示す断面において、歯７の先端が歯部５の先端に接するように配置されるために、図に示すトランスミッション１の位置では、図に示す歯７は完全に引き抜かれている。図に示す歯７は、ちょうど真ん中に位置する。
【００４６】
ホルダー１１の外周の他の位置に配置されている他の歯は、完全に引き抜かれることはなく、異なる位置に位置する。具体的には、他の歯は、歯部５の基部（ちょうど真ん中の底部）に完全に挿入されるか又はフランク面と噛み合わされる。
【００４７】
カムディスクの形態である駆動要素２０を駆動することで、歯７は径方向に移動する。前述したカムディスク状の駆動要素２０は、外周に亘って変化するプロファイルを有する。歯７は、２つの群に分けられ、各群では、長軸２３０方向に互いに隣接する２つの歯７が１つの枢動セグメント２４に収容されている。枢動セグメント２４は、駆動要素２０内で針状ころ２８によって支持される。駆動要素２０により、２列の歯が配置され、周方向に連続的に設けられた枢動セグメント２４が駆動される。１つの枢動セグメント２４で２つの歯７を支持することにより、枢動セグメント２４がねじりに抗して固定され、これにより枢動セグメント２４がトランスミッション１の径方向での回転に対して定まった位置に固定されるという利点が得られる。典型的な実施形態では、枢動セグメント２４は凹部を有する。この凹部は、対応する形状を有する基部が歯７のビードに嵌合する部分である。
【００４８】
ホルダー１１上のボールベアリング２６０によって、カムディスクは駆動ブーツ２２０と共に取り付けられる。ホルダー１１は、ねじを用いて定常的に固定されるためのブラインドホール（blind hole）２６２を備える。ホルダー１１が定常的に固定される一方、ロッド２０３は回転を阻止されるのみであり、２つのベアリングスリーブ２６４によって軸方向に移動可能に取り付けられる。しかしながら、ロッド２０３は、軸方向に連続した複数の歯７付きディスクによって支持されている。
【００４９】
トランスミッション１が駆動ブーツ２０で駆動され、これに応じてプロファイルを有する駆動要素としてのカムディスクが回転すると、カムディスクの位置及び各歯７の位置に応じて、歯７は、駆動要素２０によって径方向内側に向けて駆動されるか、歯部５によって径方向外側に向けて駆動される。これにより、ロッド２０３は、ホルダー１１に対して直線的に移動する。
【００５０】
典型的な実施形態では、ロッドは、平坦なベアリングブッシュ (bearing bush)によって、軸方向に移動可能に支持される。このベアリングブッシュは、ベアリングスリーブとも称される。好ましくは、ベアリングスリーブは、ロッドの歯部の先端でのみ滑動する。これにより、組立が容易となる。他の典型的な実施形態では、ロッドは少なくとも一端で支持される。これは、ベアリング用の十分な領域を確保するためにはロッドをできるだけ長くする必要があるものの、安定性を高めることが可能であることを意味する。
【００５１】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明の範囲は、添付する特許請求の範囲によって定められる。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・トランスミッション
３・・・リングギア
５・・・歯部
７・・・歯状セグメント
１１・・・ホルダー
１５・・・開口部
２０・・・駆動要素
２２・・・プロファイル
２４・・・枢動セグメント
２６・・・ビード
２８・・・針状ころ
７１・・・歯状セグメントの第１のグループ
７２・・・歯状セグメントの第２のグループ
７３・・・中間歯状セグメント
１００〜１５０・・・方法のステップ
２０３・・・ロッド
２２０・・・駆動ブーツ
２６０・・・ボールベアリング
２６２・・・ブラインドホール
２６４・・・ベアリングスリーブ
【図１】
2013242042.tif 000003
【図２】
2013242042.tif 000004
【図３】
2013242042.tif 000005
【図４】
2013242042.tif 000006
【図５】
2013242042.tif 000007
【外国語明細書】
Transmission
Field of the invention
The invention relates to a transmission according to claim 1 and a method for manufacturing or operating a transmission according to the independent claim.
Prior art
Transmissions are known from the prior art that comprise tooth segments, which are mounted in a tooth holder in a radially shiftable manner. To drive the tooth segments, drive elements with a profiling are used, such as cam discs. The teeth of the tooth segments engage in a toothing, thus causing a relative movement between the tooth holder with the tooth segments and the toothing. The relative movement between the toothing and the tooth segments is less than the movement of the drive element with the profiling by at least one order of magnitude. High transmission ratios can be achieved in this manner; an example of such a transmission is disclosed in DE 10 2007 011 175 A1.
Although such transmissions possess a very high torsional stiffness, torsional play can arise under changing loads. With highly precise drives, both high torsional stiffness and freedom from play are required, however, in order to ensure precise positioning over a broad range of loads.
Disclosure of the invention
The object of the invention is to present a transmission that is an improvement over transmissions known from the prior art, wherein the disadvantages are eliminated or at least attenuated, especially in terms of the precision of positioning. Desirable are a high power density, a high torsional stiffness and generally a high resilience with low wear. It is furthermore the object of the invention to present a manufacturing method for manufacturing such a transmission.
This object is achieved with a transmission according to claim 1 and a method for manufacturing a transmission according to the independent claim. Advantageous developments in embodiments are found in the dependent claims and in this description.
Embodiments of the invention relate in particular to coaxial transmissions. Normally, transmissions according to the invention comprise an interior cam disc with profiling as the drive element and a ring gear having interior toothing, or an exterior drive element with inner profiling and an interior gear wheel, or an interior gear rack that provides the toothing when there is an exterior drive element. The configurations of embodiments relate to linear transmissions for converting rotation into a linear movement. Transmissions according to the invention possess initial stress which can also be termed inner initial stress. Typically, this means that individual components of the transmission strain against each other in an unloaded state. The minimization or elimination of play in the transmission is thereby achieved.
The toothing is typically a circumferential toothing. The teeth or tooth tips of the tooth segments engage in the toothing, wherein the tooth segments are typically mounted so as to be shiftable in a linearly radial manner relative to the tooth holder. "Linearly radial" normally means that a guide in the radial direction exists which only allows the tooth segment to move in the radial direction. Typically, the tooth segment can be shifted linearly in precisely one direction by the guide; this can be achieved if for example the tooth segment has a constant cross-section in the direction of the shift over a specific section, wherein the tooth holder also has an opening for the tooth segment with an constant cross-section. Normally, the tooth segments are mounted in the tooth holder so as to be shiftable in precisely one direction. Furthermore in typical embodiments, the rotational degree of freedom of the tooth segments relative to the tooth holder is blocked about the longitudinal axis of the transmission. This can, for example, be achieved by means of a linear tooth segment guide in the radial direction in the tooth holder. As a result, the tooth segments with the tooth holder rotate about the longitudinal axis of the transmission but, however, not relative to the tooth holder.
In typical embodiments of the transmission according to the invention, at least part of the tooth segments is designed to be rigid. The term "rigid" is typically to be understood in a technical manner, that is, the bending of the tooth segments is so small due to the rigidity of the tooth segment material that it is at least substantially irrelevant to the kinematics of the transmission. Rigid tooth segments comprise in particular tooth segments that are made of a metal alloy, in particular steel or a titanium alloy, a nickel alloy or other alloys. Furthermore, rigid tooth segments can also be provided that are of plastic, especially in the case of transmissions in which at least one of the following parts is also made of plastic: Toothing on a ring gear or a gear wheel, tooth holder and drive element. In typical embodiments of the invention, the tooth holder and tooth segments are made of a metal alloy, or additionally the toothing, or additionally the drive element are made of a metal alloy. The advantage of such transmissions is that they are extremely torsionally rigid and highly resilient. Transmissions made of plastic have the advantage of low weight. The expression "rigid" means in particular flexural rigidity about a transverse axis of the tooth segment. This means in particular that, when the tooth segment is viewed as a bar extending from a tooth foot to a tooth tip, flexural rigidity exists that substantially prevents flexural deformation between the tooth tip and tooth foot. The flexural rigidity yields extremely high resilience and torsional rigidity for the transmission.
In typical embodiments, a foot joint is arranged between the tooth segment and profiling. Advantageous embodiments comprise a pivoting segment that is arranged between the drive element with the profiling, and at least one tooth segment in each case. The pivoting segment can be employed to form the foot joint. The foot joint allows the tooth segment to tilt relative to the profiling, or relative to the pivoting segment. Typically, the tooth segment is loosely connected to the pivoting segment. "Loose connection" in this context preferably means that the tooth segment is only placed on the pivoting segment, and normally placed directly. Preferred pivoting segments comprise a contour that prevents the tooth segment from slipping off the pivoting segment, or prevent the pivoting segment from slipping in at least in one direction. It should be noted that the pivoting segment is thereby held in its position in the peripheral direction relative to the tooth holder by the radially and linearly guided tooth segments. Such a profile can for example be a bead that engages in a recess. This guarantees that the tooth segment does not slide across the pivoting segment. This accordingly causes the pivoting segment to be fixed at the position of the tooth, thereby excluding relative movement in the peripheral direction between the tooth segment and pivoting segment. The contour is preferably disposed to block shifting in a peripheral direction, thus preventing sliding off in a peripheral direction. In other embodiments, however, spherical cap-shaped, ball-shaped or other elevations can be provided that prevent the pivoting segments from slipping relative to the tooth segments.
Typical pivoting segments enable a segmented bearing. In typical embodiments, the pivoting segments, or other bearing segments such as plates, form a segmented bearing. The advantage of the segmented bearing is that it can adapt to the profiling of the drive element, and it also enables a reliable transmission of force in a radial direction. In order to reduce friction from the relative movement between the pivoting segments and drive element, a bearing can be provided such as a friction bearing or roller bearing, wherein in particular, needle roller bearings or ball roller bearings can be used in typical embodiments. The pivoting segments preferably have edges that face each other with elevations and recesses, for example in the shape of a wave or a zigzag shape. This has the advantage that needle rollers which are arranged under the pivoting segments can be reliably held in the space between the pivoting segments and the drive element, even when there is a large distance between the pivoting segments.
The loose connection between the tooth segment and pivoting segment has the advantage of easy assembly. In this case, a "loose connection" means in particular that the tooth segments are not protected from being lifted off of the pivoting segments. In generic transmissions, the tooth segments are generally prevented from lifting off of the pivoting segments in that the tooth tips of the tooth segments are guided by the toothing.
Typical embodiments of the invention comprise a drive element with profiling. The profiling preferably has a non-circular or non-ellipsoid arc shape or curve. The advantage of the non-circular or non-ellipsoid arc shape is that any profiling can be used in order, for example, to establish different transmission ratios. According to this application, eccentrics also include circular or ellipsoid shapes since with eccentrics, only the rotational axis and not the central axis corresponds to the shape of a circle, even though a circular shape still exists. In typical embodiments, the tooth holder or the toothing is designed circular. This offers the advantage of a simple tooth holder and toothing geometry. Typically, force is transmitted to the slow side of the transmission between the toothing and tooth holder. The advantage is that the path for transmitting force is extremely short, thereby yielding extremely high rigidity. Embodiments that satisfy these conditions comprise in a nonexclusive embodiment: Transmission with an interior cam disc as a drive and exterior ring gear with toothing, wherein the tooth holder is arranged between the ring gear and cam disc; exterior profiling on a ring gear for driving the radially moving tooth segments inward toward a toothing that is arranged on a ring gear or a gear rack. In conjunction with the initial stress according to the invention, the embodiments offer the particular advantage that the above-described path of force for transmitting the drive force is extremely short, however, the initial stress is transmitted across a plurality of elements and a large distance since the initial stress extends across at least two tooth spaces. High rigidity for transmitting force is thereby achieved without significant loss due to the initial stress.
Normally in such embodiments, at least two of the tooth segments, or at least two subgroups of tooth segments, engage in the toothing with precisely one toothing flank when the transmission is in an unloaded state. Typically, at least two tooth segments, or at least two subgroups of tooth segments, engage with different toothing flanks in each case. "Different" in this case means, for example, that a first subgroup engages with tooth flanks in a first direction of rotation, and the second subgroup engages with tooth flanks in a second direction of rotation opposite the first direction of rotation. Initial stress thereby accumulates between the two subgroups, or between the two tooth segments.
In embodiments according to the invention, typically only the front tooth flank of a first tooth segment driven into the toothing engages with a respective toothing flank of the toothing, and only the rear tooth flank of a second tooth segment driven into the toothing engages with a respective toothing flank of the toothing. The terms "front" and "rear" are normally to be understood as meaning that these tooth flanks correspond to different directions of load transmission, or different directions in the peripheral direction. "Front" and "rear" therefore refer to a randomly selected peripheral direction. The first tooth segment can also be first subgroup of the tooth segments, and the second tooth segment can also be a second subgroup of tooth segments. Typically, two or more neighboring tooth segments with the same tooth flank alignment engage with the corresponding toothing flanks. When the transmission is in an unloaded state, typically the first tooth segment, or first subgroup of tooth segments, is subject to stress from the second tooth segments, or the second subgroup of tooth segments. Between the first tooth segment and the second tooth segment, there is preferably at least one other tooth segment, and neither of its tooth flanks engage with the toothing flanks. Furthermore, the geometries of the tooth segment, toothing, pivoting segment or ring gear are chosen so that the additional tooth segment typically has play in the radial direction. This reduces friction loss. Normally, this intermediately arranged additional tooth segment is at the maximum radius or distance of the contour of the cam disc. The tip of the tooth tip of the at least one tooth segment between the first tooth segment and second tooth segment typically lies in the corresponding curve at the base of the tooth. "Between" in this case means the shorter peripheral direction between the first and second tooth segment. No tooth flank is engaged even of the tooth segment that lies beyond the minimum contour of the cam disc. These considerations apply to an instant during the rotation of the transmission; at other times, other tooth segments assume the described positions.
Typical embodiments achieve initial stress by oversizing. The oversizing can relate to the drive element, the output element, a pivoting segment, a plurality or all of the tooth segments, or the toothing. A plurality of components can also be oversized in a harmonized manner. In typical embodiments, the tolerance chain or oversizing chain has the desired oversizing.
The toothing and the teeth of the tooth segments typically have curved flanks. Examples of flank curvatures are a cylindrical curvature, or a curvature in the shape of a logarithmic spiral. Reference is made to DE 10 2007 011 175 A1 for one possible embodiment of a curvature in the form of a logarithmic spiral. The advantage of the curved surface is that the engaged flanks lie against surfaces and not only a line or point. Extreme rigidity is thereby achieved when transmitting force between the toothing and tooth segments.
The oversizing is preferably at least 0.0001%, or at least 0.0005%, or at least 0.001% of the diameter, or the inner diameter, of the toothing. The maximum oversizing is typically 0.2%, or a maximum 0.05%, or a maximum 0.01% of the diameter of the toothing, or the inner diameter of the toothing. Given the high rigidity of the transmission resulting from the design, and possibly also from the lack of resilient or elastic elements, a slight amount of oversizing is sufficient to achieve initial stress of, for example, at least 10%, at least 20%, at least 50% or a maximum of 100% of the nominal torque of the transmission. Typical embodiments are free of spring elements, or free of elastic elements. Typically, "free of spring elements" or "free of elastic elements" relates to the transmission or the components along the path of force transmitted by the transmission, i.e., from the toothing via the tooth segments, the tooth holder, to an output or to a thrust bearing. This yields the advantage of high rigidity. The particular advantage of embodiments according to the invention is that initial stress can be achieved with extremely slight oversizes without necessitating spring elements or the like. High rigidity, freedom from play and low wear is thereby achieved. In typical embodiments, the initial stress is a maximum of 50%, or a minimum of 50%, of the nominal load of the transmission. The expression "nominal load" typically means the torque continuously transmissible by the transmission, or the continuously transmissible drive torque of a linear transmission. Additional typical embodiments have an initial stress that corresponds to at least 80%, or at least 100% of the nominal load of the transmission. Freedom from play is thereby achieved over the entire load range of the transmission.
In typical methods and embodiments for manufacturing a transmission, an oversize is provided as a function of the rigidity and a desired initial stress. A special feature of typical embodiments is that all the elements of the transmission are designed rigid to promote the drive or transmission of force; these rigidly designed components, including the tooth segments, yield a hyperstatic, prestressed system. This contrasts with the existing teaching regarding transmissions which avoids multiple static redundancies in conjunction with initial stress to avoid constrained states.
The combination of segmented bearing and a curved tooth flank contour, for example in the form of a logarithmic spiral, has proven to be useful in transmitting particularly high torque in a prestressed transmission. In embodiments, pivoting segments or foot joints of the tooth segments are typically mobile relative to each other in a peripheral direction. This enables unforced guidance of the tooth segments and pivoting segments. Excessive constraining forces in conjunction with initial stress can thereby be avoided.
The advantages of the invention are extremely high rigidity in combination with the ability to design the transmission free of play. The initial stress is unproblematic for the transmission since the tooth segments never lie against the toothing of the ring gear, gear wheel or a gear rack with both flanks. In contrast to other prior art transmissions, constrained states are thereby effectively avoided. Embodiments of transmissions according to the invention are particularly advantageous that possess an exterior cam disc or an interior cam disc as a drive which, in particular, is designed hollow. Constraining parameters can be compensated by designing the cam disc as a hollow shaft to reduce constraining force. In contrast, the transmission of force by the toothing is extremely short and rigid across the tooth segment to the tooth holder which yields high transmission rigidity. Additional advantages can be achieved by choosing initial stress that is exceeded by moderate or large external loads. Consequently when an external load is greater than the initial stress, only flanks of tooth segments facing the same direction lie on the toothing, and this reduces wear under high loads and simultaneously eliminates torsional play under low loads. Another advantage of the invention is that the initial stress can be adjusted to any application by means of predetermined operating points in order to enhance energy efficiency and cost-effectiveness.
Brief description of the drawings
The invention will be further explained below with reference to the accompanying drawings; the figures depict the following:
Fig. 1 Schematically portrays a sectional view of a first embodiment of the invention;
Fig. 2 A sectional view of another embodiment;
Fig. 3 A schematic flowchart of an embodiment of a method;
Fig. 4 Portrays a schematic side view of an embodiment; and
Fig. 5 Portrays a section of the embodiment from Fig. 4.
Description of exemplary embodiments
In the following, typical embodiments of the invention will be described with reference to the figures. The invention is not restricted to the exemplary embodiments; rather, the scope of the invention is established by the claims. In the description of the embodiment, the same reference numbers will be used for the same or similar parts in certain circumstances in different figures and for different embodiments to make the description more understandable. This does not mean however that the corresponding parts of the invention are restricted to the versions depicted in the embodiments.
Fig. 1 schematically portrays a side view of an exemplary embodiment. Fig. 1 shows a section of a transmission 1 having a ring gear 3 with internal, peripheral toothing 5. Tooth segments 7 engage in the toothing 5. For the sake of clarity, not every tooth segment 7 in Fig. 1 is provided with the reference number 7. The tooth segments 7 are mounted in a tooth holder 11 in a radially shiftable matter. In this case, the tooth holder 11 has radially aligned, channel-like round or slotted openings 15 to ensure the radial guidance of the tooth segments 7 in the tooth holder 11. Due to the radial guidance in the openings 15, the tooth segments 7 can only move in a radial direction; in particular, rotation about a longitudinal axis of the transmission 7 is impossible.
The tooth segments 7 are driven by a drive element 20 that is designed as a hollow cam disc. The drive element 20 has profiling 22 to drive the tooth segments 7 in a radial direction. The profiling 22 has a contour with two elevations over the perimeter such that opposing tooth segments 7 extend furthest into the tooth gaps of the toothing 5.
The tooth segments 7 are designed to be clamped between the drive element 20 and the toothing 5 of the ring gear 3 under the effect of guidance by the tooth holder 11. This occurs because the tooth segments 7 are oversized by 0.01% of the diameter of the toothing 5. The tooth segments 7 are hence designed long enough to be accommodated in the transmission 1 under initial stress. This generates inner initial stress in the transmission 1.
The tooth segments in the transmission portrayed in Fig. 1 are arranged with a plain bearing on the profiling of the drive element. Such a loose placement of the tooth segments on the profiling of the drive element is enough due to the radial, linear guidance of the tooth segments in the tooth holder and the guidance of the tooth segments on the flanks of the toothing. In general, a bearing of this type that permits the feet of the tooth segments to move in a peripheral direction without the tooth segments being fixed is described as a loose bearing in this application. The feet of the tooth segments are hence only forcefully guided in a radial direction. It is typical of the loose bearing that the tooth segments can lift off of the profiling of the drive element if they have not been pressed against the profiling of drive element by the toothing. This loose bearing enables a particularly simple design and simultaneously allows unnecessary initial stress to be avoided in the region of the drive element profiling since the feet of the tooth segments are not forcibly guided in the peripheral direction.
The tooth segments in the exemplary embodiment in Fig. 1 have been installed oversized. It is also possible, however, to install the toothing, or the drive element, or other components of the transmission oversized to achieve the inner initial stress. The inner initial stress describes initial stress that exists when the transmission is in a resting state, i.e., without an external drive or external load acting on the transmission.
In the exemplary embodiment in Fig. 1, the drive element is arranged inside, and the toothing is arranged outside. With such a configuration, the output is tapped at the ring gear with the toothing, or at the tooth holder, wherein the other element is fixed in each case. In other embodiments, the drive element is arranged outside, i.e., outside the tooth holder, and the toothing is arranged inside. It is also possible to tap the output from the inner toothing or from the tooth holder. The tooth holder with its openings can also be termed a tooth cage in which tooth segments are shiftably accommodated and guided in a radially linear manner.
Fig. 2 shows a section of another embodiment of a transmission 1 according to the invention in the form of a coaxial transmission. In the embodiment in Fig. 2, tooth segments 71-73 are borne with a segmented bearing. Not all of the teeth, as well as several parts, of the transmission 1 are provided with reference numbers in Fig. 2 for the sake of greater clarity. The segmented bearing comprises pivoting segments 24 which each have a recess in which a bead 26 of the tooth segment 71-73 engages. A pivoting segment 24 is provided for each of the tooth segments 71-73. A tooth segment 71-73 preferably comprises at least two teeth which are arranged axially next to each other to increase stability. The beads 26 each form foot joints for the tooth segments 71-73 so that the tooth segments 71-73 can tilt relative to the pivoting segments 24 to ensure unforced guidance. The pivoting segments 24 can shift relative to each other in a peripheral direction, thus allowing the distances between the pivoting segments 24 to change. In this manner, the degree of freedom in the peripheral direction of the pivoting segments 24 is also unrestricted. This enables substantially unforced guidance and substantially unforced radial driving of the pivoting segments 24 by means of the profiling 22 of the drive element 20. Needle rollers 28 are provided to minimize frictional resistance between the profiling 22 and the pivoting segments 24. In other embodiments, balls or other roller bearings are provided to bear the pivoting segments.
In a peripheral direction, the pivoting segments 24 typically have an edge with shapes such as a wavy or zigzag edge so that the needle rollers 28 can be held in the bearing gap even when there is a significant distance between the pivoting segments 24.
The toothing 5 has toothing flanks that possess the shape of a logarithmic spiral. This preferably means that at least part of the toothing flanks have the shape of a logarithmic spiral. Likewise, the flanks of tooth segments 71-73 typically have a corresponding shape, i.e., that of a logarithmic spiral. This also allows the surfaces of the toothing 5 and the tooth segments 71-73 to contact when they engage. The tooth segments 71-73 in Fig. 2 can be divided into groups. A first group of first tooth segments 71 always engages with the toothing 5 by means of tooth flanks that lie in a clockwise direction. The second group of second tooth segment 72 always engages with the toothing 5 by means of opposing flanks. In the middle between these two groups of tooth segments 71, 72 is a middle tooth segment 73 that is at the maximum deformation of the profiling 22. Neither of the flanks of this tooth segment 73 engages with the toothing 5, only its tip engages. The tip of tooth segment 73 contacts the corresponding tooth base of the corresponding tooth gap of the toothing 5. Since the initial stress has accumulated between the first group of first tooth segments 71 and the second group of second tooth segments 72, whereas force is transmitted across a short path between the ring gear 3 across the tooth segments 71, 72 to the tooth holder 11, high rigidity is achieved for the transmission of torque, but the rigidity for the initial stress is comparatively low. The tooth segments 71, 72, 73 are rigid and made of steel like the other components of the transmission 1 shown in Fig. 2. Different types of steel or different metal alloys such as titanium or nickel alloys can also be used; in addition, plastic transmissions are typical embodiments.
Fig. 3 shows a typical method of the invention. In this method, first the rigidity of a transmission is determined in a step 100, for example corresponding to the embodiments in Fig. 1 or 2, or another transmission in one of the above-described typical embodiments according to the invention. Such a transmission can be constructed free of initial stress, and the rigidity can be determined on a test bench. Another way to determine rigidity is by a calculation, for example using finite elements. In a following step 110, a desired initial stress is chosen for the transmission. The desired initial stress can be determined by analyzing the application and the rigidity behavior that it requires. Another possibility are requirements that are specified by a transmission user or customer. The expression "initial stress" is to be generally understood as both a force and torque. For example, in step 110, you can specify the initial stress to be 20% of the nominal load of the transmission; other examples are 50% or 70%. Other initial stresses can also be selected. The relative kinematics of the transmission is determined in step 120. In this case, the relationship between a radial movement of a tooth segment, or an extension of a tooth segment, and a resulting rotation of the transmission is of interest. This relationship is determined in particular by the pressure angle of the toothing. In typical embodiments, the pressure angle remains at least substantially constant between the tooth segments and toothing, wherein usual values are between 20° and 50° and typically between 25° and 40°. The constant pressure angle makes it easier to determine the oversizing for a desired initial stress. The kinematics are typically determined in an analytical geometric model, but a solid body simulation is also possible. The relative kinematics between a tooth segment and the toothing is typically of particular interest since a relationship is thereby determined between a radial shift of the tooth in the tooth holder and a rotation of the output side of the transmission by a specific angular amount. In a linear transmission, a relationship is correspondingly determined between a linear shift of a tooth segment relative to a linear shift of a gear rack or the like. An oversizing of the tooth segments is determined in a step 130 from the values calculated in this matter and the desired initial stress. In general, it is sufficient to determine the oversizing of one of the components, or a group of components, of the transmission such as, for example, the drive element, the pivoting segments, the needle rollers (if available), the tooth segments or the toothing or ring gear. Furthermore in other transmission designs, other components can be oversized to build up inner initial stress. With reference to the example of tooth segments or the example of pivoting segments, a corresponding extension or corresponding oversizing of the tooth segments is provided using the values calculated above in steps 100 to 120, and this corresponds to a specific rotational angle with reference to the kinematics, wherein this rotational angle from the rigidity diagram should in turn correspond to the preselected initial stress. Oversizing is determined in step 130 in this manner. Finally, in step 140, a corresponding dimension for the tooth segments is selected, and corresponding tooth segments for the assembly of the transmission are selected. Another typical option is to grind the profiling of the cam disc to correspond to the specified oversizing. Adaptation is easy in this manner. In manufacturing embodiments, typically the tolerances of the individual components need to be considered. They can be selected by forming classes of tooth segments that are well harmonized with each other. When grinding the cam disc, normally the measured component sizes are taken into consideration to obtain a precise geometry. The transmission is then assembled in step 150. The example was described with reference to the tooth segments as an oversized component; the same is also possible for other components, especially for the above-described exemplary components.
Fig. 4 shows a schematic side view of a transmission 1 as an exemplary embodiment of converting a rotational movement into a linear movement or vice versa. The transmission 1 comprises an interior rod 203 having toothing 5 in a middle region. The toothing 5 of the rod 203 in Fig. 4 is similar to the toothing of a threaded rod, however the toothing 5 of the rod 203 is not used as a thread. The rotational degree of freedom of the rod 203 is blocked, i.e., it is mounted so as to be non-rotatable.
The exemplary embodiment in Fig. 4 furthermore comprises a tooth holder 11 that is arranged concentric to the rod 203. The tooth holder 11 is in turn encased by a drive boot 220 that is also arranged concentric to the rod 203. The drive boot 220 is rotatably mounted; in contrast, the rotational degree of freedom of the tooth holder 11 is blocked and fixed axially, that is, it does not rotate relative to the rod 203. The drive boot 220 surrounds an interior cam disc with profiling for driving the teeth accommodated in the tooth holder 11 (not shown in Fig. 4). The teeth are mounted in the tooth holder to be shiftable in a linearly radial manner so that they are aligned for engaging with the rod 203. When the drive boot 220 is rotated, the rod 203 shifts linearly relative to the tooth holder 11 in the direction of the longitudinal axis 230 of the transmission 1. It is possible to fixedly mount the tooth holder 11, rotate the drive boot 220, and tap a linear movement or a thrust from the rod 203. The particular advantage over other comparable transmissions for a linear thrust is that the tooth holder 11 and the rod 203 do not have to be mounted so as to rotate; hence the transmission can have a strong thrust and high rigidity while the dimensions of the transmission 1 are compact. The teeth of the transmission 1 in Fig. 4 and 5 are manufactured oversized so that the transmission 1 has inner initial stress.
Fig. 5 shows a partial sectional view along the longitudinal axis of the transmission from Fig. 4. Again, the same reference numbers are used for equivalent or similar parts, and not all of these parts are described again in detail.
Arranged in the tooth holder 11 are four circular peripheral rows of openings 15 in which teeth 7 are accommodated in four toothed discs. The teeth engage in the toothing 5 of the rod 203. The toothing 5 of the rod 203 and teeth 7 are arranged as at a slight angle relative to the sectional plane so that parts of the flanks of the teeth 7 and toothing 5 can also be identified. In the section portrayed in Fig. 3, the displayed teeth 7 are completely withdrawn in the displayed position of the transmission 1 so that the tooth tip7 are arranged on the heads of the toothing 5. The displayed teeth 7 are at a dead center. Other teeth that are disposed at other locations on the perimeter of the tooth holder 11 are not completely withdrawn but are instead in different positions, such as inserted completely to the tooth base of the toothing 5 (bottom dead center), or engaged with a flank.
The radial movement of the teeth 7 is generated by the drive with a drive element 20 in the form of a cam disc. The drive element 20 of the cam disc, as previously explained, has profiling that changes over the perimeter. The teeth 7 are combined into sets of two, wherein two teeth 7 which neighbor each other in a longitudinal direction 230 are accommodated in one pivoting segment 24. The pivoting segments 24 are borne by needle rollers 28 in the drive element 20. The drive element 20 drives a peripheral series of pivoting segments to 24 in which two rows of teeth are arranged. The advantage of two teeth 40 being borne in one pivoting segment 24 is that the pivoting segments 24 are secured against twisting and are hence fixed in a defined position with respect to rotating in the radial direction of the transmission 1. The pivoting segments 24 typically have recesses in which the correspondingly shaped feet engage with beads of the teeth 7.
The cam disc is mounted together with the drive boot 20 by means of ball bearings 260 on the tooth holder 11. The tooth holder 11 is provided with a blind hole 262 for stationery fixation by means of screws. The tooth holder 11 is stationarily fixed, whereas the rod 203 is only blocked against rotation and is mounted with two bearing sleeves 264 to be shiftable in an axial direction. However, the rod 203 is already borne by the plurality of toothed discs of teeth 7 sequentially in an axial direction. When the transmission 1 is driven at the drive boot 20 and the cam disc as a drive element with profiling is correspondingly rotated, the teeth 7 are driven radially inward by the drive element 20 or radially outward by the toothing 4 depending on the position of the cam disc 50 and the position of the respective tooth 7, and this consequently generates a linear movement of the rod 203 relative to the tooth holder 11.
In typical embodiments, the rod is borne to be shiftable in an axial direction by means of a plane bearing bush, also termed a bearing sleeve. The bearing sleeve preferably glides exclusively on the tooth tips or tooth tips of the toothing of the rod. This makes assembly easy. In other exemplary embodiments, the rod is borne at least at one end. This means that the rod has to be longer to create enough area for the bearing, but it can increase stability.
The invention is not restricted to the above-described embodiment; rather, the scope of the invention is established by the accompanying claims.
Reference signs
1 Transmission
3 Ring gear
5 Toothing
7 Tooth segments
11 Tooth holder
15 Opening
20 Drive element
22 Profiling
24 Pivoting segment
26  Bead
28 Needle rollers
71 First group of tooth segments
72 Second group of tooth segments
73 Middle tooth segment
100 to 150 Steps of the method
203 Rod
220 Boot
260  Ball bearing
262  Blind hole
264 Bearing sleeve
1. A transmission (1), in particular a coaxial transmission or linear transmission, comprising:
a toothing (5),
a tooth holder in which a plurality of tooth segments (71-73) are accommodated to engage with the toothing (5), wherein the tooth segments (71-73) are borne to be radially shiftable relative to the tooth holder,
a drive element (20) having a profiling (22) for radially driving the tooth segments (71-73) borne in a radially shiftable manner,
characterized in that
the transmission (1) has inner initial stress.
2. The transmission (1) according to claim 1, characterized in that at least a part of the tooth segments (71-73) is rigid.
3. The transmission (1) according to claim 1 or 2, characterized in that foot joints and/or pivoting segments (24) are arranged between at least the tooth segments (71-73) and the profiling (22).
4. The transmission (1) according to claim 1, characterized in that at least one tooth segment (71-73) is loosely connected to a pivoting segment (24).
5. The transmission (1) according to one of the prior claims, characterized in that the tooth segments (71-73) are guided radially and/or linearly in the tooth holder, and/or the rotational degree of freedom of the tooth segments (71-73) is blocked relative to the tooth holder about the longitudinal axis of the transmission (1).
6. The transmission (1) according to one of the prior claims, characterized in that at least two of the tooth segments (71-73) lie on precisely one toothing flank of the toothing (5).
7. The transmission (1) according to one of the prior claims, characterized in that a first tooth segment (71) driven into the toothing (5) engages with a respective toothing flank of the toothing (5) exclusively with its front tooth flank, and a second tooth segment (72) driven into the toothing (5) engages with a respective toothing flank of the toothing (5) exclusively with its rear tooth flank.
8. The transmission (1) according to claim 7, characterized in that the first tooth segment (71) is stressed by the second tooth segment (72) when the transmission (1) is in an unloaded state.
9. The transmission (1) according to one of the prior claims, characterized in that the initial stress is generated by oversizing.
10. The transmission (1) according to claim 9, characterized in that the oversizing is at least 0.0001% and/or a maximum of 0.2% of the maximum outer diameter of the drive element and/or the diameter of the toothing (5).
11. The transmission (1) according to one of the prior claims, characterized in that the drive element (20) comprises a cam disc.
12. The transmission (1) according to one of the prior claims, characterized in that the profiling (22) comprises one, two, three or at least four elevations.
13. The transmission (1) according to one of the prior claims, characterized in that the initial stress corresponds to at least 5% of a nominal load of the transmission (1).
14. A method for manufacturing a transmission (1) having a plurality of components, especially a transmission (1) according to one of claims 1 to 13, comprising:
- determining a rigidity of the transmission (1),
- determining an oversizing as a function of the rigidity and a desired preload torque,
- selecting the size of a component of the transmission (1) with the oversizing, and
- assembling the transmission (1).
15. The method according to claim 14, characterized in that the oversizing is also determined as a function of relative kinematics between at least one of the tooth segments (71-73) and the toothing (5), and/or that the oversizing is adjusted by grinding a profiling (22) of a drive element (20).
1. Abstract
A transmission (1), in particular a coaxial transmission or linear transmission, comprising a toothing (5), a tooth holder in which a plurality of tooth segments (71-73) are accommodated to engage with the toothing (5), wherein the tooth segments (71-73) are borne to be radially shiftable relative to the tooth holder, a drive element (20) having a profiling (22) for radially driving the tooth segments (71-73) borne in a radially shiftable manner, wherein the transmission (1) has inner initial stress.
2. Representative Drawing
Fig. 1
【図１】
2013242042.tif 000008
【図２】
2013242042.tif 000009
【図３】
2013242042.tif 000010
【図４】
2013242042.tif 000011
【図５】
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