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Die Erfindung bezieht sich auf ein Planetengetriebe mit einer mittigen, drehbaren
Eingangsachse, die einen flexiblen Außenring antreibt, der unter elastischer
Deformation wenigstens drei Planetenräder mit einer Form von Walzen umgibt
und radial gegen eine mittig angeordnete Sonnenachse drückt, die sich axial
mittig mit der Eingangsachse erstreckt, wobei die Planetenräder zentrale Löcher
aufweisen und drehbar auf Bolzen angebracht sind, deren Durchmesser kleiner
als die Löcher in den Planetenrädern sind, wobei die Mittellinien der Bolzen
parallel mit der Sonnenachse verlaufen, und die Bolzen durch einen Rahmen
gesichert sind, in Relation zu dem der Außenring, die Planetenräder und die
Sonnenachse sich drehen können.
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Aus der US-Patentveröffentlichung Nr. 1.985.645 ist ein Planetengetriebe mit
einer Antriebssonnenachse bekannt, die drehbar in einem Träger mittels Lagern
angeordnet ist und gegen eine axiale Bewegung durch einen Flansch und eine
Muffe gesichert ist. Ein Antriebselement ist konzentrisch mit einem verlängerten
zylindrischen Teil der Antriebssonnenachse angeordnet und integral mit einer
Welle ausgebildet, durch die das Getriebe mit einer Maschine verbunden werden
kann.
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In Kontakt mit dem zylindrischen Teil der Sonnenachse ist eine erste Reihe von
Planetenrädern in einem gegenseitigen Abstand angeordnet, und radial außen ist
eine zweite Reihe von Planetenrädern angeordnet, die mit der ersten Reihe von
Planetenrädern und dem Innenumfang eines flexiblen Außenrings in Eingriff sind.
Jede Reihe weist vorteilhafterweise eine gerade Anzahl von Planetenrädern auf,
wobei die radial innere erste Reihe den gleichen Durchmesser hat. Die radial
äußere zweite Reihe weist vorteilhafterweise zwei Planetenräder auf, die einen
etwas größeren Durchmesser als die weiteren radial äußeren Planetenräder
aufweisen, die aufgrund der geraden Anzahl von Planetenrädern auf diametral
gegenüberliegenden Seiten der Sonnenachse angeordnet sind. Der
Innendurchmesser des Außenrings ist vorteilhafterweise etwas kleiner als die
Gesamtdimension ausgebildet, die entlang der Planetenräder gemessen ist, wobei
der Außenring im zusammengebauten Zustand ein wenig deformiert ist und die
zwei Planetenräder mit dem etwas größeren Durchmesser zur Mitte der
Sonnenachse drückt, und bewirkt, daß alle verbleibenden Planetenräder in
Reibeingriff miteinander und mit der Sonnenachse treten.
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Der Außenring bildet eine Reibung sicherstellende Oberfläche für das
angetriebene Element und ist in Antriebseingriff hiermit mittels Nuten in dem
angetriebenen Element, wobei die Nuten in Gleiteingriff mit komplementären
Federn an dem Außenring derartig sind, daß die Federn sich radial während der
Drehung des Getriebes in den Nuten bewegen.
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Die Funktionsweise des Planetengetriebes wird derartig erklärt: Der äußere Teil
der Federn des äußeren Ringes, die dem Planetenrad mit dem etwas größeren
Durchmesser gegenüberliegen, werden auf den Grund der entsprechenden Nut
ohne Deformierung des angetriebenen Elementes gedrückt, welches so steif wie
möglich für die korrekte Übertragung der Kraft ausgebildet sein kann, während
die Federn des äußeren Ringes, die gegenüber dem Zwischenraum zwischen zwei
der verbleibenden Planetenrädern liegen, in dem radial äußeren Satz ein wenig
nach innen bewegt werden.
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Wenigstens eines der Planetenrädern mit etwas größerem Durchmesser ist
vorteilhafterweise in drehbarer Weise auf einem festen Träger angebracht, wie z.
B. einem Lager, um die Reaktion des Planetenrades auf das Drehmoment
aufzunehmen bzw. zu absorbieren.
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In der Veröffentlichung ist keine radiale Versetzung des wenigstens einen
Planetenrades beschrieben, daß den etwas größeren Durchmesser aufweist und
auf einem festen Träger angebracht ist. In einer Figur ist ein Schlitz
gleichförmiger Dicke um das Lager für das beschriebene festgetragene
Planetenrad gezeigt, wobei der Schlitz als fälschlicherweise eingezeichnet zu
verstehen ist, da der flexible Außenring versuchen wird, eine kreisförmige Form
anzunehmen und hierdurch das Lager nach innen drückt.
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Wenn das gezeigte Planetenrad mit dem etwas größeren Durchmesser bewußt
derartig angeordnet ist, daß es radial versetzt aufgehängt ist, könnte ein
Rampeneffekt nicht erreicht werden, der in dem Folgenden beschrieben wird, da
eine größere Deformation des flexiblen Außenringes - als eine Folge einer
auswärts gerichteten Bewegung des gezeigten Planetenrades - durch eine
kleinere Deformation an den verbleibenden Planetenrädern in dem radial äußeren
Satz von Planetenräder ausgeglichen wird.
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Da der radial innere Satz von Planetenrädern und die verbleibenden Planetenräder
in dem radial äußeren Satz von Planetenrädern komplett ohne irgendwelche
Träger angeordnet sind, wird kein Rampeneffekt hier auftreten, da die Träger,
wie im Folgenden erklärt wird, genau eine Voraussetzung für den Rampeneffekt
sind.
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Es ist offensichtlich, daß die Anordnung der Antriebsteile und angetriebenen
Teile gemäß den Erfordernissen ausgetauscht bzw. geändert werden kann.
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In Abhängigkeit von der Anordnung der Konstruktion wird ein sicheres und
konstantes übertragbares Moment erreicht und unabhängig von der Größe des
angelegten Momentes werden die normalen Kräfte zwischen den Teilen des
Planetengetriebes konstant sein.
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Dies führt zu unnötigem Verschleiß und begrenzt das übertragbare Moment des
Planetengetriebes.
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Darüberhinaus ist das bekannte Planetengetriebe teuer als Folge der zwei Sätze
von Planetenrädern.
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Ein Planetengetriebe der eingangs beschriebenen Art ist aus der US-
Patentveröffentlichung 2.344.078 bekannt, die verwendet wird für den Antrieb
eines Zentrifugalladers für eine Verbrennungsmaschine. Dieses Planetengetriebe
ist einfacher als das oben genannte Planetengetriebe, da es nur einen Satz von
Planetenrädern aufweist und keine Federn auf dem Außenring im Eingriff mit
Nuten des umgebenen Antriebselementes aufweist. Der Durchmesser der
Sonnenachse und der Planetenräder ist derartig, daß das gewünschte
Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangswelle und der Sonnenachse
erreicht wird. Die Bolzen der Planetenräder sind auf einem Antriebslement
angebracht, das fest mit der Eingangswelle verbunden ist, und die Mittellinien
der Bolzen sind auf einem Flankendurchmesser angeordnet, der mit den Achsen
der Planetenräder zusammenfällt, wenn die Planetenräder an der Sonnenachse
liegen. Die Länge der Sonnenachse, die in Kontakt mit den Planetenräder ist, ist
derartig dimensioniert, daß die Reibung zwischen ihnen die Übertragung des
Momentes sicherstellt. Indem die Planetenräder um die festen Bolzen gedreht
werden, wird eine konstante Kraft zwischen den Planetenrädern und der
Sonnenachse erreicht.
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Ein Zentrifugallader erfordert eine steigende Übertragung eines Momentes mit
steigenden Umdrehungen. Bei bekannten Planetenrädern nimmt die Übertragung
des Momentes mit ansteigenden Umdrehungen aufgrund der Zentrifugalkräfte ab,
da die Zentrifugalkräfte auf den Planeträdern bei hohen Umdrehungen das
Außenmaß der zwischen der Sonnenachse und dem Planetenrad verfügbaren
Reibung auf gleiche Weise wie mit dem Planetengetriebe, das oben erläutert
wurde, reduzieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Planetengetriebe zu schaffen, welches mit
seiner speziellen Ausbildung sicherstellt, daß das übertragbare Moment
automatisch gemäß den Erfordernissen abgestimmt bzw. angepaßt wird, auch
bei hohen Umdrehungen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Planetengetriebe der in der Einleitung genannten
Art erreicht, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß Mittellinien
der Bolzen näher an der Sonnenachse als die Achse der Planetenräder
angeordnet sind, wenn die Planetenräder an der Sonnenachse anliegen.
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In dem erfindungsgemäßen Planetengetriebe wird sich die Kontaktlinie eines
Planetenrades und der Sonnenachse - die in der Leerlaufposition in einer Ebene
durch die Zentralachse bzw. Mittenachse des Getriebes und der Achse der
Planetenräder liegt - während der Drehung weg von der Mittelachse des
Getriebes entlang der Oberfläche der Bolzen bewegen, wenn die Sonnenachse
den Drehwiderstand vergrößert, da die Kontaktlinie mit größerem Widerstand
weiter weg von der Mittellinie versetzt wird. Da die Oberflächen zwischen Bolzen
und der Innenseite des Planetenrades durch die vergrößerte Normalkraft
zwischen Planetenrad und Sonnenachse in der Nähe der Kontaktlinie eine
ansteigende Rampe bilden, wird somit eine selbstverstärkende Übertragung des
Momentes erreicht, der im Vorangegangenen und im Folgenden als Rampeneffekt
bezeichnet wird. Da die Sonnenachse unter dem Einfluß der Normalkraft
deformiert wird, wird ein ansteigender Abstand zwischen dem Bolzen und der
Innenfläche des Planetenrades zu der Mitte auftreten, dessen Größe abhängen
wird von dem Ausmaß, um den die Kontaktlinie nach außen bewegt worden ist.
Dies wird detaillierter im folgenden speziellen Teil der Beschreibung ausgeführt.
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Die zusätzliche Normalkraft, stellt zusammen mit dem Öl, mit dem der
Getriebekasten gefüllt ist, eine vorteilhafte Reibung zwischen den Komponenten
des Planetengetriebes sicher.
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In dem erfindungsgemäßen Planetengetriebe ist die Sonnenachse darüberhinaus
frei aufgehängt und nur durch die Planetenräder gesichert, wobei Lager für die
Sonnenachse vermieden werden. Das Planetengetriebe gemäß der Erfindung ist
somit auf eine einfachere Weise als bekannte Planetengetriebe aufgebaut, und es
ist daher weniger teuer in der Herstellung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Eingangswelle ein
scheibenförmiges Antriebselement auf, das hiermit fest verbunden ist, dessen
Seiten versehen sind mit kreisförmig-zylindrischen Löchern für den Eingriff der
kreisförmig-zylindrischen Stifte, die an dem flexiblen Außenring vorgesehen sind,
wobei die Löcher an einem Teilkreisdurchmesser vorgesehen sind, der kleiner ist
als der Teilkreisdurchmesser für die Stifte des äußeren Ringes in dem Stillstand
des äußeren Ringes.
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Bei dieser Ausführungsform, wenn die Stifte die Kontaktlinie des äußeren Ringes
mit den Planetenrädern überschreiten, werden sie den äußeren Ring zur Mitte hin
beeinflussen und somit den Rampeneffekt bewirken. Wenn dementsprechend die
Stifte zwischen zwei aufeinanderfolgende Planetenräder in Richtung der Rotation
gelangen, werden sie nach außen beeinflußt, wodurch der äußere Ring weiter
nach oben gezwängt wird mit einer nachfolgend erhöhten Normalkraft in der
Kontaktlinie.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Antriebselement
derartig ausgebildet, daß die radiale Außenseite des äußeren Ringes umgeben
wird und Trägerelemente in Form von Stiften oder Walzen, deren Position an
dem Außenring an einem Teilkreisdurchmesser vorgesehen ist, der geringer ist
als der Außendurchmesser des äußeren Ringes in dem Rohzustand des äußeren
Ringes.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Planetengetriebes gemäß der
Erfindung ist die innere, ringförmige Oberfläche des äußeren Ringes mit Nuten
versehen, wobei eine Ölfilmbildung zwischen dem äußeren Ring und dem
Planetenrad vermieden wird.
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In dem Planetengetriebe gemäß der Erfindung werden die Bolzen durch einen
Rahmen gesteuert, in Relation zu dem das Antriebselement, der äußere Ring, die
Planetenräder und der Sonnenachszapfen rotieren können. Hierdurch wird ein
kompakter und robuster Aufbau des Planetengetriebes erreicht.
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Es wird aus dem Aufbau ersichtlich, daß die Verwendung der Eingangswelle und
des Sonnenachszapfens umgedreht werden kann, so daß ein
Untersetzungsgetriebe erreicht wird.
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Das Planetengetriebe gemäß der Erfindung wird detaillierter mit Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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Fig. 1 einen Schnitt durch ein Planetengetriebe gemäß der Erfindung
entlang der Linie I-I in Fig. 3 zeigt;
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Fig. 2 die Kräfte zwischen dem äußeren Ring, einem Planetenrad und den
Sonnenachszapfen in dem Planetengetriebe gemäß der Erfindung
zeigt;
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Fig. 3 ein Bild des äußeren Ringes und der Planetenräder in dem
Planetengetriebe gemäß der Erfindung wiedergibt.
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In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Planetengetriebe gemäß der Erfindung gezeigt.
Das Getriebe weist ein kreisförmiges, scheibenförmiges Antriebselement 1 auf,
dessen eine Seite eine vorstehende Achszapfenverbindung 1a hat, der einen
Eingangsachszapfen bildet, dessen Drehung zu der Drehung einer Sonnenachse 2
konvertiert wird, wobei ein Ende des Sonnenachszapfens 2 sich aus dem
Getriebe erstreckt, derartig, daß der Sonnenachszapfen axial in Linie mit der
Eingangsachszapfenverbindung 1a ist.
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Im gleichförmigen Abstand nahe dem Umfang des Antriebselementes 1 sind eine
Anzahl von Löcher 3 verteilt. Die Anzahl dieser Löcher ist beispielhaft in Fig. 3
mit 12 wiedergegeben. Es ist auch ein flexibler Außenring 4 vorhanden, der an
der Seite, die dem Antriebselement 1 gegenüberliegt, eine Anzahl von Stiften 5
aufweist, die der Anzahl von Löchern 3 entspricht, und die in die Löcher
eingreifen.
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Die Stifte 5 haben einen kleineren Durchmesser als die Löcher 3, so daß der
flexible Außenring 4 bewegt werden kann und in Relation zu dem
Antriebselement 1 leicht deformiert werden kann. Wenn die Stifte 5 in den
Löchern 3 in Eingriff sind, wird der Außenring 4 durch das Antriebselement 1
angetrieben, wenn dieses gedreht wird.
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Der Außenring 4 umgibt drei Planetenräder 6, die als steife Buchsen oder Walzen
ausgebildet sind, die nach oben gegen die Sonnenachse 2 liegen, die zentral
zwischen den Planetenrädern 6 angeordnet ist.
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Die Planetenräder 6 haben mittige Löcher und sind lose auf Bolzen 7 angebracht,
die einen etwas kleineren Außendurchmesser als die Löcher in den
Planetenrädern 6 haben. Die Mittellinien der jeweiligen Bolzen 7 für die
Planetenräder 6 sind somit parallel, aber nicht zusammenfallend, mit den Achsen
der Planetenräder 6.
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Die Bolzen 7 werden in einem Rahmen 8 gesteuert bzw. festgehalten, der aus
einem ersten Rahmenteil 8a und einem zweiten Rahmenteil 8b besteht, wobei
auch die Planetenräder 6 innerhalb des flexiblen Außenrings 4 gesteuert bzw.
festgehalten werden.
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Die zwei Rahmenteile 8a, 8b sind mittels Führungsbolzen 9 zusammengesetzt,
deren zylindrische Schäfte dicht in Bohrungen in den Rahmenteilen passen, um
ihre gegenseitige präzise Position sicherzustellen. Um die axiale Position des
Sonnenachszapfens 2 in dem Getriebe sicherzustellen, hat das Ende des
Sonnenachszapfens 2, der sich in das Getriebe erstreckt, eine Einfassung. Diese
Einfassung liegt mit ihrer Seite nach oben gegen die eine Oberfläche einer
Gleitscheibe 10, die entgegengesetzte zweite Seitenfläche von ihr liegt nach
oben gegen die axialen, inneren Enden der Planetenräder 6.
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Hierbei ist festzustellen, daß keine anderen Formen von Lagern für die Kontrolle
des Sonnenachszapfens 2 vorgesehen sind.
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Vor dem Zusammenbau ist der Innendurchmesser des äußeren Ringes 4 ein
wenig kleiner als der Durchmesser des Kreises, der tangential zu den drei
Planetenrädern 6 verläuft. Es ist zu verstehen, daß der Außenring 4 während
seiner elastischen Deformation die Planetenräder 6 gegen den zentral
angeordneten Sonnenachszapfen 2 drückt.
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Radiale Kräfte entstehen hierdurch zwischen dem Außenring 4, den
Planetenrädern 6 und den Sonnenachszapfen 2. Diese normalen Kräfte stellen
zusammen mit den Traktionsöl, mit dem das Getriebe gefüllt ist, eine Reibung
zwischen den Komponententeilen des Getriebes dar, wobei der
Sonnenachszapfen 2 zur Rotation gebracht werden kann, wenn der Außenring 4
durch das Antriebselement 1 gedreht wird.
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Fig. 2 zeigt die Kräfte zwischen einem Außenring 4, einem Planetenrad 6 und
einem Sonnenachszapfen. Die Situation, in dem das Getriebe nicht rotiert und
alles in Gleichgewichtzustand ist, ist mit durchgängigen Linien wiedergegeben.
Während des Betriebes wird das Planetenrad 6 zu einer Position gelangen, die
mit unterbrochenen Linien wiedergegeben ist. Es ist klar erkennbar, daß das
Planetenrad 6 gegen den Sonnenachszapfen 2 durch die Verformung des
flexiblen Außenringes 4 gedrückt wird, und daß das Loch in dem Planetenrad 6
größer als der Durchmesser des Bolzen 7 ist, obwohl zur Klarheit diese Differenz
in Fig. 2 etwas übertrieben dargestellt ist.
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Aufgrund der Verformung des flexiblen Außenringes 4 entstehen verschiedene
Komponenten, die in Fig. 2 wie folgt bezeichnet sind:
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Fnr = Normalkraft auf das Planetenrad von dem Außenring,
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Fns = Normalkraft auf das Planetenrad von dem Sonnenachszapfen,
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Ftr Tangentialkraft zwischen dem Planetenrad und dem Außenring, und
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Fts = Tangentialkraft zwischen dem Planetenrad und dem
Sonnenachszapfen.
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Das das Gleichgewicht der Kräfte für ein Planetengetriebe erfüllt sein muß, muß
die resultierende Komponente in Richtung der Normalkräfte (Fn) gleich der
Summe der Normalkräfte (Fnr, Fns) sein, und die resultierende Komponente in
Richtung der Tangentialkräfte (Ft) muß gleich der Summe der Tangentialkräfte
(Ftr, Fts) sein.
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Es gibt keine rotierenden Zentripetalkräfte, wobei der Grund hierfür darin liegt,
daß die Planetenräder lose auf festen Bolzen 7 angebracht sind.
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Im folgenden wird die Beziehung zwischen den zwei Kraftkomponenten
wiedergegeben:
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Oder, da
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Fts ∼ Ftr
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Fns ∼ tangent v 2Ftr + FNr
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Unter Berücksichtigung der Kraftkomponenten in Fig. 2 ist ersichtlich, daß die
Radialposition des Bolzens 7 in Relation zu dem Planetenrad 6 zu der
Bestimmung des übertragenden Momentes führt, da die Reibkraft proportional
der Normalkraft ist.
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Wenn die Mittellinie des Bolzens 7 nach außen bewegt wird, so daß sie
zusammenfällt mit der Mittellinie des Planetenrades 6, dann ist v = 0, was
bedeutet, daß Fns = Fnr und somit kein Rampeneffekt auftritt.
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Fig. 3 ist ein Bild des Antriebselementes 1 und des flexiblen Außenringes 4 in
der Ruheposition. Es ist ersichtlich, daß während der Drehung die Löcher 3 in
dem Antriebselement 1 in Position (A) radial nach innen gegen die Stifte 5 in
dem Außenring 4 drücken und daß während der Drehung die Löcher 3 des
Antriebselementes in Position (B) auf den Stiften 5 in dem Außenring 4 nach
außen gezogen werden.
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Das genannte zweite Rahmenteil 8b kann als eine Aufhängung für das Getriebe
dienen, wenn dieses Rahmenteil 8b auf eine geeignete Weise an dem in den
Zeichnungen nicht gezeigten Rahmen gesichert ist.
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Der Durchmesser des Sonnenachszapfens 2 und der Durchmesser der
Planetenräder 6 sind derartig dimensioniert, daß ein gewünschtes
Übertragungsverhältnis zwischen der Anzahl der Umdrehungen der
Eingangsachszapfenverbindung 1a und des Sonnenachszapfens 2 erreicht wird.
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Der Teil der Oberfläche des Sonnenachszapfens 2, der in Kontakt mit den
Planetenrädern 6 ist, kann möglicherweise mit einer Beschichtung versehen sein,
die die Reibung erhöht.
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Die radiale Innenseite des Außenringes 4 kann vorteilhafterweise mit
ringförmigen Nuten 11 versehen sein, die eine Ölfilmbildung während hoher
Drehzahlen verhindert, so daß eine Möglichkeit für die Verwendung von Ölen
verschiedener unterschiedlicher Typen besteht.
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In einer zweiten Ausführungsform, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist das
Antriebselement 1 derartig ausgebildet, daß es die radiale Außenseite des
Außenringes 4 umgibt, so daß das Antriebselement mit einer Einfassung
versehen ist, die sich entlang des Außenringes 4 erstreckt. Die radiale Innenseite
der Einfassung trägt die Elemente in der Form von Stiften 5 oder Walzen, deren
Position auf dem Außenring 4 auf einem Teilkreisdurchmesser angeordnet ist, der
kleiner ist als der Außendurchmesser des Außenringes 4, wenn der Außenring 4
im Ruhezustand ist.