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Getriebe
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Die Erfindung betrifft ein Getriebe zur Übertragung von Drehbewegungen,
insbesondere für mittlere und hohe Ubersetzungsverhältnisse, mit einem innenverzahnten
Hohlrad, mit dessen Innenzähnen die Außenzähne eines Ringelementes kämmen, sowie
mit einer von innen gegen das Ringelement drückenden, Drehmoment übertragenden Drehscheibe,
deren Welle mit der mathematischen Achse des Hohlrades fluchtet, wobei die Zähnezahlen
des Hohlrades und des Ringelementes verschieden sind.
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Ein derartiges Getriebe ist aus der deutschen Patentschrift 1 135
259 sowie einem Prospekt Harmonic Drive", Druck-Nr. 5000/9/71 bekannt. Hält man
bei diesem bekannten Getriebe eines der drei Bauelemente - Hohlrad, Ringelement
oder Drehscheibe - fest, so kann man von den beiden anderen wahlweise das eine oder
andere zum An- oder Abtrieb verwenden und somit insgesamt sechs verschiedene Über-
und Untersetzungen realideren. In allen Fällen verformt die Drehmoment übertragende
Drehscheibe (im Prospekt ,wave generator" genannt) das Ringelement (im Prospekt
"flex spline" genannt), welches aus diesem Grunde dünn und elastisch ausgebildet
sein muß.
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Das Ringelement ist als längliche Büchse ausgebildet, deren Länge
so groß sein muß, daß dort, wo das Drehmoment abgenommen oder aufgegeben wird, die
Verformungen abgeklungen sind. Diese bekannte Konstruktion hat verschiedene Nachteile:
1. Ein erster Nachteil des bekannten Getriebes besteht in großen baulichen Abmessungen
der länglichen Büchse.
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2. In allen Betriebsarten wird von dem Ringelement ein Drehmoment
übertragen, entweder auf ein Lager oder auf eines der beiden anderen Bauelemente.
Das übertragbare Drehmoment
ist dadurch begrenzt, daß das Ringelement,
der Verformbarkei wegen, dünn und elastisch ausgebildet ist. Die Begrenzung des
Drehmomentes ist ein weiter Nachteil des bekannten Getriebes.
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3. Ein dritter Nachteil ist darin zu sehen, daß die Verformungen des
Ringelementes einen Verschleiß bewirken, da sie unter Belastung (Drehmoment) erfolgen.
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4. Weiterhin ermöglicht das bekannte Getriebe Übersetzungen ins Schnelle,
ist also nicht "selbstsperrend". Da Übersetzungen ins Schnelle bei Übersetzungsverhältnissen
über 50 kaum sinnvoll sind, ist das Fehlen einer Selbstsperrung ein vierter Nachteil
des bekannten Getriebes. Unter einer "Selbstsperrung" soll hierbei verstanden werden,
daß ein auf die Abtriebswelle wirkendes Drehmoment nicht die Antriebswelle drehen
kann; die "Sperrung" bezieht sich also auf ein von der Abtriebsseite eingeleitetes
Drehmoment. Nur von der Antriebsseite her kann ein Drehmoment eingeleitet und der
Abtriebswelle mitgeteilt werden. Bekannte Getriebe erreichen dies nur mit hohem
technischen Aufwand und/oder unvollkommen.
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5. Beim bekannten Getriebe sind ca. 15 % der Zähne miteinander im
Eingriff; dies ist insofern ein Nachteil des bekannten Getriebes, als ein höherer
Prozentsatz das Ringelement und die Zähne weniger beanspruchen würde.
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6. Schließlich kann beim bekannten Getriebe ein geringes Zahnflankenspiel
nur durch erhöhte Fertigungsgenauigkeit erreicht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, das eingangs angegebene
Getriebe dahingehend zu verbessern, daß die vorstehend genannten sechs Nachteile
des Standes der Technik vermindert oder vermieden werden.
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Diese Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Kennzeichens des
Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhaft ist hierbei entweder die Teilung der virtuellen
dritten Zahnreihe gemäß Anspruch 2 und 3 konstant (wobei vorteilhaft gemäß Anspruch
4 alle Zahnflanken eben sind), oder die Außenzähne des Ringelementes sind gemäß
Anspruch 5 in Umfangsrichtung verschiebbar.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabenstellung,
ebenfalls ausgehend von der Konstruktion der deutschen Patentschrift 1 135 259 und
des eingangs genannten Prospektes, ist in Anspruch 7 angegeben.
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Vorteilhaft kann man hierbei das elliptische Ringelement starr ausbilden,
wobei dann seine Außenzähne auf ihm in Umfangsrichtung verschiebbar angeordnet sind.
Andererseits ist es auch möglich, das elliptische Ringelement verformbar auszubilden,
wie dies im Prinzip aus der deutschen Patentschrift 1 135 259 bekannt ist. Die erfindungsgemäße
Konstruktion hat dann allerdings nicht die Nachteile, die die Konstruktion der deutschen
Patentschrift 1 135 259 aufweist, da erfindungsgemäß das Ringelement kein Drehmoment
überträgt. Aus diesem Grunde kann das elliptische Ringelement dünn ausgebildet sein,
wie dies für die Verformbarkeit erforderlich ist, ohne daß hierdurch der Anwendungsbereich
in Richtung auf hohe Drehmomente begrenzt wäre.
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Auch ist es nicht erforderlich, das elliptische Ringelement als längliche
Büchse auszubilden, denn es werden ja keine Drehmomente
übertragen;
die baulichen Abmessungen bleiben somit klein.
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Schließlich bewirkt die Verformung des Ringelementes bei der erfindungsgemäßen
Konstruktion nur einen minimalen Verschleiß, da die Verformung nicht, wie bei der
Konstruktion der deutschen Patentschrift 1 135 259 und des eingangs genannten Prospektes.
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mit einer Drehmoment-Übertragung einhergeht.
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Vorteilhaft ist, wie dies an sich aus dem eingangs genannten Prospekt
bekannt ist, das Ringelement mit Walzen oder Kugeln auf der Drehscheibe gelagert.
Hierdurch werden bei schnell laufenden Getrieben die Reibungsverluste herabgesetzt;
bei Stellgetrieben ist eine derartige Lagerung nicht unbedingt erforderlich.
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Besonders einfach läßt sich das Ringelement aus einem Blech durch
zick-zack-förmiges Biegen herstellen (Anspruch 12). Das zick-zack-förmig gebogene
Blech wird einfach um die Drehscheibe herumgelegt. Ein Verschweißen an der Stoßstelle
ist nicht erforderlich, da das zick-zack-förmige Blech in Richtung des Umfanges
keine Kräfte zu übertragen braucht.
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Bei Stellgetrieben genügt es, wenn das zick-zack-förmige Blech, welches
in diesem Fall allein das Ringelement bildet, direkt auf der Drehscheibe sitzt.
Die bei einem Stellgetriebe geringfügige Verschiebung zwischen der Drehscheibe und
dem das Ringelement bildenden zick-zack-förmigen Blech verursacht nur geringe Reibungskräfte,
welche nicht stören. Bei schneller laufenden Getrieben dagegen sitzt vorteilhaft
das zick-zack-förmige Blech auf einem Ring, welcher mit Walzen oder Kugeln auf der
Drehscheibe gelagert ist.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in
den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Getriebe
längs der Linie I - I der Fig. 3, mit einer virtuellen Zahnreihe gemäß Anspruch
3, Fig. 2 die Überlappung der Zähne beider Hohlräder zur virtuellen dritten Zahnreihe,
gemäß Anspruch 2, Fig. 3 einen Längsschnitt des Getriebes der Fig. 1, Fig. 4 bis
6 die Anordnung eines Zahnes des Ringelementes zwischen benachbarten Zähnen der
Hohlräder, Fig. 7 und 8 Abbildungen einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Getriebes, entsprechend den Fig. 1 und 2, wobei Fig. 7 ein Schnitt längs der
Linie VII - VII durch den Gegenstand der Fig. 8 ist, Fig. 9 bis 13 die verschiebbare
Anordnung von Zähnen auf dem Ringelement, Fig. 14 und 15 die Ausbildung des Ringelementes
nach Anspruch 11 und 12, Fig. 16 eine Tabelle zur Erläuterung der Ubersetzungsverhältnisse.
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Gemäß den Fig. 1 und 3 weist das Getriebe zwei innenverzahnte Hohlräder
2 und 4 auf. Gemäß der Schnittführung I - I durch Fig. 3 liegt das innenverzahnte
Hohlrad 2 hinter dem innenverzahnten Hohlrad 4. Aus diesem Grunde sind die Flanken
der Zähne des Hohlrades 2 zum Teil durch die Zähne des Hohlrades 4 verdeckt und
insoweit in Fig. 1 nur gestrichelt angedeutet.
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Im rechten oberen Viertel der Fig. 1 sind nur die Zähne des innenverzahnten
Hohlrades 4 dargestellt.
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In der Darstellung der Fig. 1 erkennt man, daß die von den Flanken
der Zahnreihen 2 und 4 gebildeten Zick-zack-Linien sich derart überlappen, daß eine
virtuelle dritte Zahnreihe entsteht. Die Zahnlückenspitzen 12 und 14 der Hohlräder
2 und 4 liegen auf einem Kreis 18 mit dem Mittelpunkt 16, welcher der Durchstoßpunkt
der gemeinsamen mathematischen Achse der beiden Hohlräder durch die Zeichenebene
ist. Die Zahnlückenspitzen 20 der virtuellen dritten Zahnreihe dagegen liegen auf
einem Kreis 22, dessen Mittelpunkt 24 gegenüber dem Mittelpunkt 16 des Kreises 18
versetzt ist.
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In Fig. 1 erkennt man weiterhin, daß in die "Zahnlücken" der virtuellen
dritten Zahnreihe die Außenzähne 7 des Ringelementes 6 derart eingreifen, daß die
Spitzen der Zähne 7 des Ringelementes 6 bis in die Zahnlückenspitzen 20 der virtuellen
Zahnlücken vordringen. Die Höhe der Zähne 7 des Ringelementes 6 ist doppelt so groß
wie der Abstand zwischen den Mittelpunkten 16 und 24.
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Innerhalb des Ringelementes 6 ist die Drehscheibe 8 angeordnet; zwischen
der Drehscheibe und dem Ringelement sind Walzen 25 vorgesehen, um eine Drehung des
Ringelementes 6 gegenüber der Drehscheibe 8 zu ermöglichen.
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Gemäß Fig. 1 hat das hintere Hohlrad 2 nur 78 Zähne 13, wogegen das
vordere Hohlrad 4 geringfügig mehr, nämlich 80 Zähne 15 trägt. Das außenverzahnte
Ringelement 6 trägt 79 Zähne 7, deren Breite gemäß der unteren Hälfte der Fig. 3
so groß ist, daß sie mit den Zahnreihen der beiden Hohlräder 2 und 4 kämmen. Gemäß
Fig. 3 ist das innenverzahnte Hohlrad 2 festgehalten. Gemäß der Tabelle der Fig.
16, die später noch im Einzelnen besprochen werden wird, kommt in diesem Falle nur
ein Antrieb der Drehscheibe 8 über die Antriebswelle 10 infrage. Eine Abtriebswelle
könnte
mit dem Ringelement 6 verbunden sein, doch ist in der Konstruktion der Fig. 3 die
andere in der Tabelle der Fig. 16 genannte Möglichkeit gewählt, das Hohlrad 4 mit
der Abtriebswelle 26 zu verbinden. Die Drehung der Drehscheibe 8 bewirkt eine Drehung
des Ringelementes 6, dessen Zähne 7 sich dabei in den Zähnen 13 des festgehaltenen
innenverzahnten Hohlrades 2 abstützt. Die Zahnzahldifferenz zwischen dem Ringelement
6 und dem innenverzahnten Hohlrad 4 beträgt 1, bei einer Zahnzahl des Hohlrades
4 von 80. Es ergibt sich hieraus, gemäß der Tabelle der Fig. 16, ein Untersetzungsverhältnis
von 39, d.h. bei 39 Umläufen der Antriebswelle 10 macht die Abtriebswelle 26 einen
Umlauf.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Getriebe mit einem Untersetzungsverhältnis
von 39 liegen gemäß Anspruch 3 (der für große Übersetzungen gilt) zur Erzielung
iner konstanten Teilung (Abstand der Zahnlückenspitzen 20) der virtuellen dritten
Zahnreihe die Zahnlückenspitzen der beiden Hohlräder auf einem einzigen Kopfkreis
18. Bei einem kleineren Untersetzungsverhältnis jedoch, wie es in Figur 2 dargestellt
ist, sind die Zähne der beiden Hohlräder in ihrer Höhe derart unterschiedlich, daß
ein gemeinsamer Kopfkreis 18 zu größeren Fehlern in den Winkeln der Zahnflanken
führen würde. In diesem Fall sind, gemäß Anspruch 2, zur Erzielung einer konstanten
Teilung der virtuellen dritten Zahnreihe die Zahnreihen der beiden Hohlräder derart
angeordnet, daß beide in der Höhe von einem Kreis 19 halbiert werden. Hierdurch
wird auch bei kleineren Untersetzungsverhältnissen der Fehler der Zahnflankenwinkel
in den Grenzen der Fertigungstoleranzen gehalten.
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In Fig. 4 ist perspektivisch und schematisch ein Zahn 7 des Ringelementes
6 dargestellt. Dieser Zahn kämmt mit den angedeuteten Zahnflanken 12a und 14a der
Zähne 13 und 15.
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Fig. 5 zeigt in Aufsicht den Gegenstand der Fig. 4. Die dem Zahn 7
anliegenden Bereiche der Zahnflanken 12a und 14a sind mit Kreuzchen bezeichnet.
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Fig. 6 zeigt schematisch ein Detail von Fig. 1. Der Zahn 7 des Ringelementes
6 berührt einerseits die Flanke des Zahnes 15 des Hohlrades 4 und andererseits die
entsprechende Flanke des Zahnes 13 des Hohlrades 2. Die beiden Zahnreihen bilden
miteinander die virtuelle dritte Zahnreihe, deren Zahnlückenspitze 20 mit der Spitze
des Zahnes 7 übereinstimmt - soweit diese Spitze nicht in üblicher Weise abgeflacht
ist.
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Die Zähne 13 und 15 wirken auf den Zahn 7 mit den durch Pfeile 30
und 32 angedeuteten Kräften. Diese Kräfte wurden in die peripheren Komponenten 34
und 36 und in die radialen Komponenten 38 zerlegt. Man erkennt, daß die peripheren
Komponenten 36 und 34 sich aufheben, was zur Folge hat, daß auf den Zahn 7 keine
Kräfte in Umfangsrichtung wirken. Dies bewirkt einerseits die Selbstsperrung und
hat andererseits zur Folge, daß das Ringelement 6 in Umfangsrichtung keine Kräfte
zu übertragen braucht und daher - sollte dies erforderlich sein -dünn und elastisch
ausgebildet sein kann, ohne daß dadurch die Übertragbarkeit von Drehmomenten und
die Lebensdauer beeinträchtigt würden. Auf den Zahn 7 wirken nur die radialen Kraftkomponenten
38, welche den Zahn auf das Ringelement 6 drücken. Diese radialen Kraftkomponenten
werden über die Walzen 25 auf die Drehscheibe 8 übertragen und durch die Kraft 17
aufgehoben.
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Da das Ringelement 6 von allen Zähnen 7 und somit aus allen Radialrichtungen
rundherum ähnliche Kräfte aufzunehmen hat,
heben sich diese Kräfte
weitgehend auf, so daß die Antriebswelle 10 der Drehscheibe 8 nur geringfügig auf
Biegung beansprucht wird.
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Die Fig. 1 bis 3 betreffen Getriebe gemäß den Ansprüchen 1 Es 6, wobei
das eine Hohlrad zwei Zähne mehr hat als das andere Hohlrad. Fig. 7 und 8 dagegen
zeigen ein Getriebe gemäß den Ansprüchen 7, 8 und 9, wobei die Differenz der Zähnezahlen
4 beträgt.
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In der linken oberen Hälfte der Fig. 7 sind die beiden(36 bzw. 40
Zähne tragenden)Hohlräder 102, 104 dargestellt, deren Zahnreihen sich unter Bildung
der virtuellen dritten Zahnreihe überlappen. Die (auf dem Ringelement 106 verschiebbaren)
Zähne 107 sind nicht dargestellt, um die Zeichnung nicht zu überlasten. Entsprechend
wären in Fig. 1 rechts oben die Sahne -13 einzuzeichnen, um - ohne die Zähne 7 -
die virtuelle Zahnreihe erkennen zu können.
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Bei Fig. 7 liegen die Zahnlückenspitzen 120 der virtuellen dritten
Zahnreihe auf einer Ellipse (entsprechend dem Kreis 22 der Fig. 1). In die Zahnlückenspitzen
der virtuellen dritten Zahnreihe eingreifend und mit dieser kämmend sind die Zähne
107 des Ringelementes 106 angeordnet. Dieses Ringelement 106 ist, entsprechend der
genannten Ellipse, elliptisch ausgebildet.
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Ebenso wie bei Fig. 1 ist im Inneren des Ringelementes 106 eine Drehscheibe
108 angeordnet, und zwischen der Drehscheibe 108 und dem Ringelement 106 sind Walzen
125 vorgesehen.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 7 und 8 ist die Zahnteilung (Abstand
der Zahnlückenspitzen 120) der virtuellen Zahnreihe
ungleichmäßig.
Aus diesem Grunde muß entweder, wie dies in der rechten Hälfte der Fig. 7 dargestellt
ist, das Ringelement elastisch und biegsam ausgebildet sein, oder die Zähne 107
müssen (linke Hälfte der Fig. 7) auf dem Ringelement etwas gegeneinander verschiebbar
sein. Zwei Möglichkeiten einer verschiebbaren Anordnung der Zähne auf dem Ringelement
sind in den Fig. 9, 10 und 11 einerseits und in Fig. 12 und 13 andererseits dargestellt:
Gemäß Fig. 10 und 11 weist das Ringelement 106 seitliche Führungen 152 und 154 auf,
welche Vorsprünge 156 und 158 des Zahnes 107 übergreifen. Die in Fig. 9 perspektivisch
dargestellten Zähne 107 sind somit in Umfangsrichtung des Ringelementes 106 verschiebbar.
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Eine andere Möglichkeit ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
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Gemäß Fig. 12 weist das Ringelement 106 Durchbrechungen 159 auf, in
welchen - mit seitlichem Spiel 157 - die Füße 160 von Zähnen 107 stecken. Fig. 13
zeigt einen Abschnitt des Ringelementes 106 mit vier Durchbrechungen 159, wobei
in die drei linken Durchbrechungen Zähne 107 mit ihren Füßen 160 eingesetzt sind.
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Diese Zähne 107 haben seitlich durch das Spiel 157 eine hinreichende
Bewegungsmöglichkeit in peripherer Richtung.
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Die Figuren 14 und 15 dienen der Illustration der Ansprüche 11 und
12: Fig. 14 zeigt eine Abbildung ähnlich der oberen Hälfte der Fig. 1. Fig. 15 zeigt
einen Abschnitt aus einem zick-zackförmig gebogenen Blech. Die einzelnen nach oben
vorstehenden Zacken dieses Bleches bilden die Zähne 207 des Ringelementes 206 (Fig.
14 rechts), wenn man das zick-zack-förmig gebogene Blech
um die
Drehscheibe 208 legt. Die Zähne 207 greifen dann, wie die Zähne 7 der Fig. 1, in
die virtuelle dritte Zahnreihe.
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Die direkte Anordnung des zick-zack-förmig gebogenen Bleches auf der
Drehscheibe 208 ist bei Stellantrieben möglich, da in diesem Falle die aufgrund
der relativen Drehbewegung der Teile zueinander auftretende Reibung vernachlässigbar
ist. Bei schnelleren Drehbewegungen wählt man jedoch vorteilhaft die in der linken
Hälfte der Fig. 14 dargestellte Anordnung. Das zick-zack-förmige Blech sitzt auf
einem Ring 305 und bildet mit diesem zusammen das Ringelement 306. Der Ring 305
ist mittels Walzen 325 auf der Drehscheibe 308 derart gelagert, daß bei einer Relativbewegung
des Ringes 305 gegenüber der Drehscheibe 308 nur eine minimale Reibung auftritt.
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Ein zick-zack-förmig gebogenes Blech gemäß den Fig. 14 und 15 hat
die gleichen Vorteile wie das elastisch und biegsam ausgeführte Ringelement der
rechten Hälfte der Fig. 7. Bei ungleichmäßiger Teilung der virtuellen dritten Zahnreihe
bietet somit das zick-zack-förmige Blech nicht nur den Vorteil, leicht und billig
herstellbar zu sein, sondern auch darüber hinaus die ungleichmäßige Teilung der
virtuellen dritten Zahnreihe auszugleichen.
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Fig. 16 zeigt schematisch, ähnlich wie Fig. 3 und 8, die gegenseitige
Zuordnung der vier erfindungswesentlichen Bauteile, nämlich der beiden Hohlräder
3 und 4, des Ringelementes 6 und der Drehscheibe 8. In der Tabelle ist angegeben,
welcher Teil (8 bzw. 2 bzw. 4) angetrieben, welcher Teil (2 bzw. 4 bzw. 6 bzw. 8)
festgehalten und welcher Teil (2 bzw. 4 bzw. 6) mit der Abtriebswelle verbunden
werden kann.
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Man entnimmt beispielsweise der Tabelle, daß bei einem Antrieb des
einen Hohlrades nur das andere Hohlrad mit der Abtriebswelle
verbunden
sein kann; wegen der Selbstsperrung ist keine Drehmomentübertragung auf das Ringelement
6 möglich, so daß bei Antrieb eines der Hohlräder weder das Ringelement 6 noch die
Drehscheibe 8 mit der Abtriebswelle verbunden sein können.
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Durch einen Pfeil ist in der Spalte Antrieb die Drehrichtung angegeben.
In der Spalte "Untersetzung " findet man außer dem Übersetzungsverhältnis die Drehrichtung
der Abtriebswelle, ebenfalls durch einen Pfeil bezeichnet; ist dieser Pfeil gleich
gerichtet mit dem Pfeil in der Spalte "Antrieb", so wird im gleichen Drehsinne abgetrieben,
ist der Pfeil in der Spalte "Untersetzung" dem Pfeil in der Spalte "Antrieb" entgegen
gerichtet, so wird in entgegen gesetztem Drehsinne abgetrieben.
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Bei der Berechnung der in der Spalte "Untersetzung" angegebenen Untersetzungsverhältnisse
wurde von den folgenden Zähnezahlen ausgegangen: Hohlrad 2 Z2 = 80 Hohlrad 4 Z4
= 78 Ringelement 6 Z6 = 79
L e e r s e i t e