Exploiting the complementary strengths of Orbitless and Planetary drives

Abstract

An Orbitless drive is a novel fixed-ratio epi-cyclic drive which includes a second carrier in place of a ring gear. This fundamental difference has been shown to have superior efficiency to a Planetary drive, and is shown here to produce less vibration in the audible frequency spectrum at the expense of reduced torque capacity. A similar trade-off has made a plastic primary stage a standard approach for reducing noise in a multi-stage drive unit. A prototype 16 mm Orbitless drive is constructed and compared to an off-the-shelf Planetary drive to demonstrate the predicted audible outputs. Frequency spikes that appears around the tooth engagement frequency of the Planetary drive are absent from the FFT of the Orbitless drive. A high quality 32 mm Orbitless drive is constructed to evaluate it in a multi-stage environment. Sound levels are measured and analyzed for both stand-alone Orbitless and multi-stage Orbitless/Planetary configurations. Improvements in both amplitude and sound quality are demonstrated and it is verified that the primary stage is the dominant noise source. It is concluded that an Orbitless primary stage is a new opportunity that may be used in conjunction with plastic gears and other conventional techniques to minimize NVH levels in multi-stage gear drives.

Zusammenfassung

Ein Orbitless-Getriebe ist ein neuartiges Umlaufgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis, welches anstelle eines Hohlrades ein zweites Trägerrad enthält. Es hat sich gezeigt, dass durch diesen grundlegenden Unterschied ein höherer Wirkungsgrad als bei einem konventionellen Planetenantrieb erreicht wird. Darüber hinaus werden Vibrationen im hörbaren Frequenzspektrum reduziert, jedoch auf Kosten einer geringeren Drehmomentkapazität. Ein ähnlicher Ansatz verwendet eine plastische Primärstufe zur Geräuschreduzierung in einer mehrstufigen Antriebseinheit. Um die vorhergesagten hörbaren Leistungen zu beweisen, wurde ein Prototyp eines 16 mm Orbitless-Antriebs gebaut und mit einem handelsüblichen Planetenantrieb verglichen. Frequenzspitzen, welche im Bereich der Zahneingriffsfrequenz des Planetenantriebs auftreten, sind in der FFT des Orbitless-Antriebs nicht vorhanden. Um einen solchen Antrieb in mehrstufigen Umgebung zu analysieren, wurde ein hochwertiger 32 mm Orbitless-Antrieb gebaut. Die Schallpegel wurden sowohl für eigenständige Orbitless- als auch für mehrstufige Orbitless-/Planetenkonfigurationen gemessen und analysiert. Es konnten sowohl in der Amplitude als auch in der Klangqualität Verbesserungen nachgewiesen werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Primärstufe die dominante Geräuschquelle ist. Daraus folgt, dass eine Orbitless-Primärstufe eine neuartige Alternative ist, welche in Verbindung mit Kunststoffgetrieben und anderen konventionellen Techniken genutzt werden kann, um das NVH-Niveau in mehrstufigen Getrieben zu senken.