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Die
Erfindung betrifft ein Reibradgetriebe zur Drehmomentübertragung
mit den drei Baueinheiten Sonnenradwelle, Planetenwälzkörper und
elastisch gestaltetem Außenhohlkörper, wobei
die jeweiligen Paare von Reibkontaktflächen unter einer Anpresskraft
bei Punktberührung
oder Linienberührung
gegeneinander abwälzen.
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Getriebe,
Reibradgetriebe wie auch Zahnradgetriebe, werden für eine Drehmomentübertragung
zwischen Wellen unterschiedlicher Umdrehungsgeschwindigkeit eingesetzt.
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Zahnradgetriebe,
mit einer Kraft-, bzw. Momentübertragung über formschlüssig ineinandergreifende
Zähne erlauben
die Übertragung
vergleichsweise großer
Kräfte
mit hohem Wirkungsgrad, besitzen aber eine Reihe systembedingter
Nachteile, wie einen umso höheren
Geräuschpegel,
je weniger präzise
die einzelnen Getriebeteile gefertigt sind und je größer die
tatsächlich übertragenen
Kräfte
sind.
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Reibradgetriebe
mit kraftschlüssiger
Momentübertragung
erlauben, jeweils bezogen auf ein gleich großes Raumangebot, die Übertragung
von vergleichsweise kleinen Momenten und Kräften, welche durch die auf
die Reibkontaktflächenpaare
zweier Baueinheiten maximal aufbringbare Kontakt-Reibkraft, bzw.
Anpresskraft, als Umfangkraft begrenzt sind. Die nutzbaren Reibkräfte sind
um den Faktor der Reibungszahl μ kleiner
als die nutzbaren Kontakt-Normalkräfte im Falle ineinander greifender Zahnräder. Die
in geschmierten Reibradgetrieben nutzbare Reibungszahl μ liegt erfahrungsgemäß bei maximal
0,07, selbst wenn synthetische Traktionsfluide als Übertragungsfluid
eingesetzt sind. Die Leistungsdichte, bzw. die übertragbare Momentdichte, ist demzufolge
für Reibradgetriebe
vergleichsweise klein.
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Reibradgetriebe
besitzen gegenüber
Zahnradgetrieben indes den Vorteil weitgehender Spielfreiheit zwischen
den Baueinheiten und höhere
Laufruhe.
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An
die Weiterentwicklung beider Getriebearten werden gleichermaßen die
Forderungen nach effizienter, kostengünstiger Fertigung, entsprechender konstruktiver
Auslegung für
eine einfache Montage und Wartung, Verminderung der Verschleißanfälligkeit,
Verbesserung der Betriebssicherheit und Erhöhung der übertragbaren Momente entsprechend
der jeweils verfügbaren
Baugröße gestellt.
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Diese
hohen Ansprüche
lassen sich mit Planetengetrieben, als einer unter mehreren Getriebearten,
in vorteilhafter Weise umsetzen. Das gilt sowohl für Ausführungen
als Zahnrad-, wie auch als Reibradgetriebe, oder auch als Kombination
in gleichzeitiger Anwendung beider Arten von Kraftübertragung.
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Planetengetriebe
sind in bekannter Weise dadurch charakterisiert, dass in ihnen in
der Regel mindestens zwei Planeteneinheiten, bzw. Planetenwälzkörper, um
ein zentral im Getriebe angeordnetes Sonnenrad, bzw. eine Sonnenradwelle,
umlaufen, in eher seltenen Fällen
auch nur eine einzige Planeteneinheit. Die Planeteneinheiten stützen sich
dabei radial nach außen
gegen ein, diese umgebendes Außenhohlrad,
bzw. einen Außenhohlkörper und
nach innen gegen das Sonnenrad ab. Mittels dieser wechselseitigen
Abstützung
wird der für
eine Momentübertragung
unverzichtbare Anpressdruck zwischen Reibkontaktflächenpaaren
hergestellt, ohne dass bei mehr als einem Planeten die Anpresskräfte die
Lager beanspruchen.
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Reibradgetriebe
mit Planeteneinheiten sind in großer baulicher Vielfalt bekannt,
vor allem was die Vorrichtungen zur Erzeugung und eventuellen Steuerung
des Anpressdruckes, bzw. der Anpreßkräfte betrifft. Die Mehrzahl
bekannter Ausführungen
besitzen Kugeln als Planetenwälzkörper, die
zwischen entsprechend ausgeformten Innen- und Außenlaufbahnen abwälzen. Die
Momentübertragung
erfolgt so bauformbedingt über
einen Punktkontakt, bzw. eine Punktberührung. Entsprechend beschränkt ist
die übertragbare
Momentdichte, zumal es bei überhöhtem Anpressdruck
zur Anhebung der übertragbaren Momentdichte
zur mechanischen, materialbedingten Wälzermüdung der beteiligten Kontaktpartner kommt.
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Auf
Basis dieser Erkenntnisse ist daher als alternative Maßnahme die
Ausgestaltung von Planeten-Reibradgetrieben mit Linienberührung, anstelle von
Punktberührung,
zur Übertragung
höherer
Momentdichten über
Reibkontaktflächen
vorgeschlagen worden.
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Beispielsweise
können
sich gegeneinander abwälzende,
achsparallele Walzen mit Linienberührung ausgeführt werden
und lassen die Übertragung vergleichsweise
hoher Momentdichte zu. Zur Erzeugung der notwendigen Anpresskraft
haben sich in der Praxis u. a. zwei Verfahren besonders bewährt. Zum einen
werden tonnenförmige,
bauchige Planetenwälzkörper in
einen senkrecht zur Rotationsachse geteilten, steifen Außenhohlkörper montiert.
Die beiden Körperhälften haben
zueinander einen kleinen Abstand, der entweder bei der Montage fest
eingestellt wird, oder drehmomentabhängig gesteuert wird. Durch
gesteuerte axiale Kräfte
auf die Körperhälften werden
mittels Kegelwirkung die notwendigen Anpresskräfte erzeugt. Durch die elastische
Deformation der Oberflächen
infolge der Anpresskräfte – die Hertzsche
Abplattung – ergibt
sich sowohl in Umfangsrichtung als auch quer dazu eine parabelförmige Pressungsverteilung über die
Abplattungsfläche, der
Maximalwert wird Hertzsche Pressung genannt.
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Stimmen
die Krümmungsradien
der Wälzpartner
in ihrer Größe und ihrer
Orientierung in Achsrichtung überein,
entsteht in Längsrichtung
eine Berührlinie
der Linienberührung.
Derartige bekannte Ausführungen
von Planetengetrieben mit Linienberührung haben indes den Nachteil
sehr unterschiedlich hoher Hertzscher Pressungen an der Sonnenradwelle
und am Außenhohlkörper, wobei
die Unterschiede mit zunehmender Getriebeübersetzung zunehmen.
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Vorrichtungen
und Maßnahmen
für einen wesentlichen
Abbau dieser lokalen Unterschiede des Hertzschen Druckverlaufes
sind nicht bekannt.
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Eine
andere Möglichkeit,
die notwendigen Anpresskräfte
zwischen den Kontaktpartnern zu erzeugen, wird beispielsweise in
DE 199 00 010 A1 beschrieben.
Das Dokument betrifft ein spielfreies Reibradgetriebe gemäß Oberbegriff
des Anspruchs vorliegender Erfindung. Dort wird der nötige Anpressdruck über das
Einbringen der Sonnenradwelle mitsamt der um diese umlaufenden Planetenwälzkörper in
einen elastischen Außenhohlkörper von
geringfügig
kleinerem Innendurchmesser als der mathematischen Einhüllenden
von Sonnenradwelle und Planetenwälzkörpern erzeugt.
Ein Nachteil ist die unkontrolliert und sich allenfalls nur innerhalb
kleiner Flächenbereiche ausbildenden
Linienberührung.
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Nachteilig
sind auch dort die sich an den verschiedenen Reibkontaktflächen bildenden
unterschiedlichen Hertzschen Pressungen. Das diesbezüglich schwächste Glied
in der Moment -Übertragungskette,
die Reibkontaktfläche
zwischen Planetenwälzkörper und
Außenhohlkörper, begrenzt
die maximal übertragbaren
Momente und beschränkt
die übertragbare
Momentdichte auf unbefriedigend kleine Werte. Die Erklärung dafür ist, dass
die für
die Momentübertragung
nutzbare Reibungszahl μ bei
geringeren Hertzschen Pressungen geringer ist als bei hohen Hertzschen
Pressungen.
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Der
bei jenem Getriebe als Vorteil genannte, ruhige Lauf trifft nur
für vergleichsweise
niedrige Anpresskräfte
und damit für
nur kleine Hertzsche Pressungen zu. Mit einer Erhöhung der
Anpresskräfte
zur Ermöglichung
der Übertragung
höherer
Momentdichten setzt ein höchst
unerwünschtes ”stick-slip”-Verhalten,
ein in kurzen Intervallen ein- und aussetzendes Ruckgleiten der
Reibkontaktflächen
ein, was zu unerwünschten
Vibrationen im Getriebe führt.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die für
Reibradgetriebe unverzichtbaren Anpresskräfte gesteuert zu erzeugen,
wird in der
CH 173 838 beschrieben.
Dort werden die Anpresskräfte
zwischen den Reibkontaktflächen über eine
axiale Anfederung auf einzelne Baueinheiten aufgebracht. Für das gezielte
Einstellen der Anpresskräfte
sind dort die Sonnenradwelle und die Planetenwälzkörper als Funktionseinheit in Achsrichtung
gegen den unverrückbar
starren, nicht federnden, konischen Außenradkörper verschiebbar. In den Ausführungsbeispielen
ist der Außenhohlkörper ausnahmslos
kegelförmig
gestaltet.
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Bei
derartigen Getrieben kann für
das Reibflächenpaar
Sonnenradwelle und Planetenwälzkörper gleichermaßen und
unkontrolliert Punkt- oder Linienberührung vorliegen. Maßnahmen
zu einer gezielten Einstellung äquivalenter
Hertzscher Pressung und/oder äquivalenter
Momentübertragung
in den verschiedenen Reibkontaktflächenpaaren sind nicht vorgesehen.
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Ein
Nachteil dieser Anordnung ist außerdem die Erfordernis von
speziellen Drucklagern, welche die sich mit der Verriegelung auf
Sonnenradwelle und Planetenwälzkörper einseitig
aufbauenden Druckkräfte
aufnehmen.
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Aufgabe
vorliegender Anmeldung ist es daher, die für bekannte Reibradgetriebe
oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen und unter Beibehaltung
der bekannten Vorteile, wie hoher Laufruhe, geringe Umkehrspiele
und geringe Verschleißanfälligkeit,
eine hohe Momentdichte übertragen
zu können, welche
derjenigen für
Zahnradgetriebe in etwa entspricht. Ein solches Reibradgetriebe
soll kostengünstig
herstellbar sein und hohe Funktions- und Betriebssicherheit aufweisen.
Es soll insbesondere dort in Form von Kleinmotoren mit integriertem
Getriebe als Verstellantrieb verwendbar sein, wo hohe Komfortanforderungen
gestellt sind, Beispielsweise im Kraftfahrzeugbau.
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Diese
Aufgabe wird bei Reibradgetrieben gemäß einleitender Charakterisierung
erfindungsgemäß durch
Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Die
Unteransprüche
nennen bevorzugte Ausgestaltungsmerkmale vorliegender Erfindung.
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Die
Erfindung umfasst Planeten-Reibradgetriebe aller Baugrößen und
ist nicht auf einzelne technischen Ausgestaltungen beschränkt. Die
bevorzugte Anwendung liegt im Bereich von Komfortgetrieben zur Übertragung
eher mittlerer und kleiner Momente bei gleichwohl hoher Momentdichte.
Solche Anwendungen liegen zum Beispiel auf dem Gebiet der Stellantriebe,
insbesondere in der unmittelbaren Umgebung zum Menschen. In diesen
Anwendungen wird das erfindungsgemäße Getriebe bevorzugt in Form einer
integrierten Baueinheit gemeinsam mit einem Elektromotor ausgeführt sein.
Dabei wird ein einteiliges Bauteil sowohl die Funktionsmerkmale
einer Motorwelle als auch die einer Sonnenradwelle aufweisen. Die
Sonnenradwelle wird dabei im Reibradgetriebe radial allseitig über die
Planetenwälzkörper abgestützt und
gelagert. Es bedarf daher in der Regel nur einer zusätzlichen
radialen Motorwellenlagerung am anderen Wellenende.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Reibradgetriebes
ergeben sich aus der Kombination der einzelnen Merkmalgruppen des
kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1. Dabei liegt es im Wissensbereich
eines Durchschnittsfachmannes die damit gegebenen Anleitungen umzusetzen.
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Bereits
im einleitenden Teil dieses Dokumentes sind die Begriffe des Anspruchswortlautes,
wie Punkt- und Linienberührung,
aber auch der Begriff „übliche Nutzung” (der vorhandenen
Wälzfestigkeit und
Reibungszahl) in ihrer Bedeutung für Reibradgetriebe angesprochen
worden. Der Begriff „übliche Nutzung” ist gegen
nicht übliche
Nutzung durch die Grenzen für
die angeführten
Materialeigenschaften charakterisiert, bei deren Über- oder
Unterschreitung es bekanntermaßen
zu Störungen
der Getriebefunktion, wie Materialermüdung, nicht mehr tolerierbare Reibungsverluste,
starker Anstieg von Getriebegeräuschen
und Durchrutschen der Reibkontaktflächen eines Paares kommt.
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Das
Wissen um die Auswahl der jeweiligen Werkstoffe aus dem gegebenen
Verfügungsbereich zur
erforderlichen Abstimmung von Bauteilelastizität, Anpresskräften, Wälzfestigkeit,
Reibungszahl und Größe der Abwälzflächen entsprechend
der gegebenen Linienberührung
für die
einzelnen Reibkontaktflächen
liegt beim Durchschnittsfachmann.
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Der
Begriff ”in
ihrer Grundform zylindrische Reibkontaktfläche” umfasst neben Baueinheiten
mit mathematischer Zylinderform auch solche Formen von Reibkontaktflächen, bei
denen die Zylinderfläche beispielsweise
Ringnuten oder abschnittsweise Abweichungen von der Zylinderform,
wie Balligkeiten, Tonnenform und Endrücknahmen in nur kleinen Randbereichen
der Reibkontaktfläche
besitzt. Die Grundform zylindrisch ist für die Reibkontaktfläche einer
Baueinheit dann gegeben, wenn für
diese eine Bewegung in ihrer Axialrichtung, und zwar relativ zu der
an ihrer Reibkontaktfläche
abwälzenden
weitere Baueinheit, ohne eine Pressungsänderung gegeben ist.
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Der
Fachmann weiß bei
der rechnerisch zu ermittelnden geometrischer Bauteilform und der
erforderlichen Querkrümmung
der jeweiligen Reibkontaktfläche
den Einfluss durch elastische Verformung infolge von außen auf
die elastischen Baueinheiten aufgebrachte Kräfte angemessen zu berücksichtigen.
Es ist ihm bekannt, dass eine zu niedrige Elastizität in einem
Bauteil eine nur sehr beschränkte
Formänderung
unter dem Einfluss von außen
aufgebrachter Kräfte
zulässt,
insbesondere auch nicht innerhalb kleiner, lokalaneinandergrenzender
Oberflächenbereichen
der Reibkontaktflächen.
In diesen Fällen
ist eine zwischen Reibkontaktflächen
erwünschte
gleichmäßige Pressungsverteilung
als Folge elastischer Verformung nicht, oder nur ansatzweise erreichbar.
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Zur
Erreichung einer gleichmäßigen Pressungsverteilung,
bei gleichzeitiger Erfüllung
der weiteren Anspruchsmerkmale, wäre bei Verwendung von Werkstoffen
mit geringer Elastizität
somit eine entsprechende präzisere
Bauteilfertigung erforderlich, was ihrerseits mit höheren Fertigungskosten gleichzusetzen
ist.
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Die
gewünschte
Elastizität über den
Werkstoff, z. B. über
die Verwendung eines Elastomers zu erreichen, ist wegen der geringen
Wälzfestigkeit
derartiger Werkstoffe bei hoher Momentdichte, die hohe Anpresskräfte erfordert,
nur allenfalls unzureichend möglich.
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Es
war nun völlig
unerwartet und durch den bekannten Stand der Technik nicht nahegelegt,
dass sich über
die Ausgestaltung von gegeneinander wälzenden Reibflächenpaaren
mit in Bezug auf die Bautelachse quergekrümmten u/o konischen Oberflächen, und
einem Bohr/Wälzverhältnis von
0,001 bis 0,2 das bei Reibradgetrieben gefürchtete ”stick-slip”-Verhalten ausschalten lässt, ohne
die von der Bohrbewegung zusätzlich
verursachten Reibungsverluste merklich zu erhöhen. Es kommt nicht zu Vibrationen
im Getriebe. Das Ergebnis ist eine sehr hohe Laufruhe. Dieses Merkmal
der erfinderischen Lösung
erhält
noch zusätzliches
Gewicht durch Maßnahmen
zur Kompensation der unvermeidlich in Axialrichtung wirkenden Kräfte, eine
andere Lösung
als mittels die Axialkräfte
aufnehmender, die Herstellkosten wesentlich steigernder Wellenendlager.
Die stick-slip hemmende Wirkung wird bereits bei kleinsten Bohr-Wälzverhältnissen
von 0,001– bis
0,2, z. B. mittels kegelförmiger
Planetenwälzkörper erreicht.
Die dabei entstehenden, geringen Axialkräfte lassen sich ohne nennenswerte
zusätzliche
Reibungsverlust allein durch eine Zweiteilung der Reibkontaktflächen in
spiegelbildlicher Anordnung kompensieren, wobei die Spiegelebene senkrecht
zur Achse der Sonnenradwelle ausgestaltet ist.
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Überraschender
Vorteil von Reibradgetrieben gemäß Erfindung
ist weiterhin die hohe, tatsächlich
erreichbare Moment-Übertragungsdichte,
welche mit mittleren Momentdichten von Zahnradgetrieben vergleichbar
ist. Dafür
ist die Anwendung von einheitlich hohen Anpresskräften für alle Reibkontaktflächenpaare
maßgebend,
ohne dass in einzelnen Flächenbereichen
mit Linienberührung
durch zu hohe Hertzsche Pressungen bei der Momentübertragung vorzeitige
Wälzermüdung eintritt.
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Dafür ist gleichermaßen die
erfindungsgemäße geometrische
Ausgestaltung des Getriebes zur Erreichung eines hohen Grades an
Linienberührung,
vor allem im beanspruchungskritischen Kontakt Sonnenradwelle/Planetenwälzkörper, aber
auch die Erreichung zumindest ähnlich
hoher Hertzscher Pressungen im Reibkontaktflächenpaar Außenhohlkörper/Planetenwälzkörper verantwortlich,
beides unverzichtbar für
die Übertragbarkeit
gleich hoher Momente in jedem Reibkontaktflächenpaar, oder anders ausgedrückt, die übertragbare
Momentdichte erreicht so ihr Maximum.
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Schließlich lassen
sich hohe Momentdichten nur über
Oberflächen
mit günstiger
Oberflächenbeschaffenheit
und hoher Reibzahlen μ erreichen.
Mit der Bereitstellung und Einbringung von geeigneten Schmierstoffen
als Traktionshilfe in Form synthetischer Traktionsölen oder
-fetten lassen sich Reibungswerte μ von 0,04–0,07 nutzen.
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Ungeschmierte
Reibkontaktflächen
besitzen demgegenüber
um den Faktor 5–10
höhere
Reibungszahlen, weisen aber die bekannten Nachteile, wie geringeren Übertragungskomfort
und höhere Laufgeräusche auf.
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Einzelne,
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den 1–4 näher beschrieben.
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Die
Figuren zeigen jeweils die Ausgestaltung und Anordnung von Sonnenradwelle,
Planetenwälzkörper und
Außenhohlrad
in einem Reibradgetriebe als Schnitt durch dessen zentrale Längsachse.
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In
den 1–4 sind
der Außenhohlkörper (1)
und der oder die Planetenwälzkörper (2),
sowie der Käfig
(3) des den Planetenwälzkörper käfigförmig umgebenden
Planetenträgers
(Welle des Planetenträgers
nicht dargestellt) gekennzeichnet. Im Zentrum des rotationssymmetrisch
gestalteten Reibradgetriebes ist die Sonnenradwelle (4)
ausgestaltet, über
welche das zu übertragende
Moment eingetrieben wird.
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1 betrifft
eine Anordnung, bei der die Sonnenradwelle eine, in ihrer Grundform
zylindrische Reibkontaktfläche
besitzt und bei der jeweils Paare spiegelbildlich gestalteter und
damit zweigeteilter Planetenwälzkörper so
ausgestaltet sind, dass die durch das Bohr-/Wälzverhältnis unvermeidlich auftretenden
Axialkräfte
vollständig kompensiert
werden, ohne das hierfür
Wellenlager vorzusehen sind. Das zu übertragende Moment wird über die
Sonnenradwelle eingebracht und über
einen, den Planetenwälzkörper käfigartig
umgebenden Planetenträger
mit Welle (nicht dargestellt) ausgebracht.
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2 betrifft
eine zu 1 ähnliche Ausgestaltung, mit
dem einzigen Unterschied, dass dort kein Paar spiegelbildlich angeordneter
Planetenwälzkörper, sondern
nur der Halbkörper
auf einer Seite der Spiegelebene ausgestaltet ist und dass die auf dem
Halbkörper
erzeugte Axialkraft über
eine Schulter auf der Sonnenradwelle aufgenommen wird. Wie weiter
vorne ausgeführt,
lassen die nur geringen Axialkräfte
auch diese Ausgestaltung zu, ohne wesentliche Reibungsverluste zu
verursachen.
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In
den 1 und 2 lässt sich durch einen entsprechend
geformten, dünnwandigen
Außenhohlkörper erreichen,
dass im Kontakt Außenhohlkörper/Planetenwälzkörper, wie
auch im Kontakt Planetenwälzkörper/Sonnenradwelle
ein vergleichbares Verhältnis
von aus Festigkeitsgründen
noch vertretbarer Hertzscher Pressung (Wälzfestigkeit) zur tatsächlich gegebenen
Hertzschen Pressung vorliegt.
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3 betrifft
eine Anordnung, bei welcher der Außenhohlkörper in seiner Grundform eine
zylindrische Reibkontaktfläche
aufweist und bei welcher der Planetenwälzkörper tonnenförmig ausgebildet und
die Sonnenradwelle in seiner Querkrümmung auf den Planetenwälzkörper abgestimmt
ist.
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Das über die
Sonnenradwelle eingebrachte Moment wird über die Welle des den Planetenwälzkörper umgebenden
Planetenträgers
ausgebracht.
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In 3 und 4 werden
durch die Gestaltung der Planetenwälzkörper zum einen die angestrebten
Bohr/Wälzverhältnisse
zur Verhinderung von stick-slip eingestellt und zum anderen durch
die Anpassung der Querkrümmung
der Sonne auf die Planeten in dem Kontakt Sonne/Planeten ähnliche Verhältnisse
von ertragbarer Hertzscher Pressung (Wälzfestigkeit) zur vorhandenen
Hertzschen Pressung, wie sie im Kontakt Planeten/Hohlrad herrschen,
eingestellt. Gleichzeitig wird zur Einstellung der gewünschten
Pressungsrelation zwischen den Eingriffen Planet/Hohlrad und Planet/Sonne
die Elastizität
des dünnwandigen
Hohlrades mit genutzt.
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In 4 ist
zudem eine andere Ausgestaltung des Planetenträgers zur Führung der Planeten und der
Abnahme des Drehmomentes zu sehen. Die Planetenwälzkörper (2) werden auf
Bolzen (5) geführt,
die mit der achsparallelen Welle (6) fest verbunden sind.