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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit wenigstens einem zweireihigen
Rollenlager, bei dem zwei Reihen in Umfangsrichtung um die Rotationsachse
angeordnete Rollen längs gleichgerichtet mit der Rotationsachse
des Rollenlagers zueinander benachbart und radial zwischen einem
Getriebeelement und einer Getriebewelle angeordnet sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft demnach alle zweireihigen Rollenlagerungen von
Getriebeelementen und eine Getriebevorrichtung mit mindestens einer
derartigen Rollenlagerung. Die Getriebeelemente sind permanent oder
zeitweise in einem Leistungsfluss von Kraftfahrzeugetrieben Kräften
und Momenten ausgesetzt und sind mittels der Lagerung drehbar auf einer
Getriebewelle, einem Zapfen oder einem Bolzen gelagert.
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Zapfen
sind aus beliebig gestalteten Bauteilen hervorragende zylindrische
Endstücke.
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Bolzen
sind achsenartige Maschinenelemente, auf denen ein oder mehrere
Getriebeelemente um den Bolzen rotierbar gelagert sind.
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Wellen
sind Maschinenteile die selbst zum Zwecke der Übertragung
von mechanischer Energie drehbar sind. Getriebeelemente sind bevorzugt Zahnräder,
die mittels der Lageranordnung auf einer Getriebewelle gelagert
sind und gleichsinnig mit der Getriebewelle und dabei mit gleicher
oder mit Differenzdrehzahl zur Getriebewelle drehen. Alternativ drehen
sich diese gegensinnig zur Getriebewelle oder sind mit dieser drehfest
gekuppelt.
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Die
Lagerungen sind beispielsweise Planetenradlagerungen von Planetenrädern
in Planetengetrieben, Losradlagerungen von Losrädern in Schaltgetrieben
und die Lagerungen von Zwischenzahnrädern.
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Losräder
sind Zahnräder, die mittels der Losradlagerung drehbar
gelagert auf einer Getriebewelle sitzen und die in der Regel in
allen Betriebszuständen des Getriebes im ständigen
kämmenden Zahneingriff mit einem weiteren Zahnrad stehen.
Die Losräder werden im lastfreien Betriebszustand durch das
andere Zahnrad drehend mitgeschleppt und dabei mittels der Losradlagerung
auf und relativ zur Getriebewelle drehend gelagert. Die Losräder
werden nur zum Zwecke der Leistungsübertragung mit der Welle
drehfest gekuppelt. Dabei stützen sich die Losräder über
die in diesen Betriebszuständen nahezu statisch als Stütze
agierenden Losradlagerungen auf der Getriebewelle ab, ohne um die
Getriebewelle um zu laufen.
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Ein
Beispiel einer derartigen Losradlagerung ist in
DE 10 2004 009 472 A1 für
ein Losrad eines Rückwärtsganges beschrieben.
Bei dieser Losradlagerung sind die zwei Reihen mittels eines gemeinsamen
Käfigs geführt. Der Käfig ist ein radial
durchbrochenes und umfangsseitig verbundenes oder durch einen Schlitz
unterbrochenes hohlzylindrisches Element, das zwei längs
zueinander benachbarte Reihen mit Taschen aufweist. Die Anzahl der
Taschen pro Reihe entspricht in der in
DE 10 2004 009 472 A1 beschriebenen
Anordnung der An zahl der Rollen pro Reihe.
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In
DE 10 2004 009 472
A1 wird der Rückwärtsgang als ”mittels
eines Zwischenrades verwirklicht” beschrieben. Zwischenräder
sind demnach Gangräder, die zwecks Leistungsübertragung
zwischen einem antreibenden Zahnrad und einem angetriebenen Zahnrad
angeordnet sind und diese getrieblich kämmend verbinden.
Zwischenräder bewirken Drehrichtungs- und Drehmomentumkehr
und sind deshalb insbesondere für Anordnungen des Rückwärtsganges
geeignet.
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Ein
Beispiel einer gattungsgemäßen Rollenlagerung
für Zwischenräder ist in
DE 100 02 026 A1 beschrieben.
Die zweireihige Lagerung wird durch zwei zueinander separate Käfige
mit jeweils einer Reihe gebildet oder ist alternativ durch zwei
anfangs separate und dann formschlüssig miteinander verbundene
Käfige gebildet.
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Ein
Beispiel einer zweireihigen Planetenradlagerung ist in
EP 0 274 874 B1 beschrieben.
Planetenradlagerungen lagern das jeweilige Planetenrad auf einem
Planetenradbolzen. Das jeweilige Planetenrad ist mittels der Planetenradlagerung
um die eigene Rotationsachse drehbar gelagert und kann mit dieser
Rollenlagerung auf einer Umlaufbahn um eine weitere Rotationsachse,
beispielsweise um die des Sonnenrades, kreisen. Die beschriebene
Planetenradlagerung ist durch zwei in Längsrichtung zueinander
benachbarte Vollrollensätze gebildet.
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Zahnräder
eines Getriebes werden üblicherweise zu Geräuschminderung
mit einer Schrägverzahnung versehen. Bei einer Schrägverzahnung
sind die Zähne bzw. die Zahnflanken der Zähne
im Gegensatz zur Geradverzahnung nicht parallel zur Rotationsachse
sondern schräg zu dieser ausgerichtet. Die dadurch entstehende
Axialkraftkomponente an der Verzahnung wirkt sich oft nachteilig
auf die Getriebeanordnung aus, da diese durch Maßnahmen zur
Abstützung bzw. Ableitung der Axialkräfte komplizierter
wird. Das quer zur Umfangsrichtung entstehende Kippmoment, welches
durch die Axialkraftkompo nente entsteht, belastet die Lagerungen
der Zahnräder zusätzlich und oft ungleichmäßig.
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Ungleichmäßige
Belastungen der Lagerstelle resultieren auch aus unsymmetrischen
Geometrien der jeweiligen Zahnräder. So zeigt
DE 41 13 526 A1 ein Losrad
mit einer zweireihigen Losradlagerung, welches zwei Verzahnungen
aufweist. Im übrigen sei mit Sicht auf diesen Stand der
Technik vermerkt, dass zur Gattung der betrachteten Rollenlagerung auch
Lagerungen gehören, die auf zylindrischen Außenlaufbahnen
an ansonsten beliebig gestalteten Körpern, die im Weiteren
jedoch als Getriebewellen bezeichnet sind, ablaufen.
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Ungleichmäßige
Belastungen der Lagerungen resultieren auch aus Verformungen der
Getriebewellen und/oder aus Verformungen der Umgebungskonstruktion.
Dies ist insbesondere bei Planetenbolzen und in diesem Fall wiederum
ganz besonders bei einseitig gelagerten Planetenbolzen bzw. bei von
Seite zu Seite ungleich abgestützten Planetenbolzen der
Fall. Hier verformen sich die Planetenbolzen nicht nur aufgrund
der Belastungen aus dem Zahnkräften, sondern aufgrund der
Verformung beispielsweise des Planetenträgers. Auf die
Planetenradlagerungen wirken außerdem noch Fliehkräfte, denen
die Planetenräder ausgesetzt sind, wenn diese beispielsweise
um das Sonnenrad umlaufen.
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Belastungen
der Zahnräder rufen in der Regel elastische Verformungen
der Getriebewellen hervor. Die Lageranordnung mit zwei Wälzkörperreihen wurde
eingeführt, um die aus der Durchbiegung resultierenden
Probleme auf einreihige Lageranordnungen zu mindern. Die Problematik
der Durchbiegung im Zusammenhang mit zweireihigen Lageranordnungen
ist mit der Skizze nach 1 beschrieben. 1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung 10 eines nicht dargestellten
Zahnradgetriebes mit einem Zahnrad 1, dessen Lageranordnung 6 mit
zwei Reihen 2, 3 Wälzkörpern
versehen ist. Die Wälzkörper sind Nadeln gleichen
Typs mit einer gemeinsamen Abmessung. Das Zahnrad 1 ist
auf einem nur teilweise dargestellten Abschnitt einer Getriebewelle 7 gelagert.
Die Getriebewelle 7 ist aufgrund von Belastungen elastisch
verformt. Die Verfor mung ist durch die Biegelinie 11 symbolisiert,
die den Verlauf der elastischen Auslenkung der Getriebewelle 7 in
einem bestimmten Belastungszustand grafisch abbildet. Die Biegelinie 11 liegt
bei nicht verformter Getriebewelle auf der Rotationsachse 8 und
die Symmetrieachsen 9 der Nadeln sind parallel zur Rotationsachse 8 ausgerichtet.
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Da
die Lageranordnung 6 zweireihig ist, passt diese sich,
vorbehaltlich entstehender Kantenlasten, schon im Wesentlichen der
in 1 übertrieben bogenförmig dargestellten
Biegelinie 11 der Getriebewelle an, da jede einzelne Reihe 2, 3 unabhängig
zur anderen der Verformung durch Verkippen folgt. Beim Verkippen
sind die Symmetrieachsen 9 der Nadeln bestrebt, sich möglichst
parallel zum Verlauf der Biegelinie 11 auszurichten und
stehen somit um einen Betrag schräg zur Rotationsachse 8,
der der jeweiligen Verkippung entspricht. Dieses ist jedoch nur
möglich, wenn die in 1 dargestellte Durchbiegung
und damit der Verlauf der Biegelinie 11 bezogen auf die
Lagermitte 4 symmetrisch ist, d. h. wenn der Umkehrpunkt
des Verlaufs der Biegelinie 11 in etwa auf oder über
der Lagermitte liegt. Wenn jedoch die Belastung und damit die Durchbiegung gemäß dem
Verlauf der Biegelinie 5 (gestrichelte Linie) oder ähnlichen
Verläufen gegenüber der Lagermitte 4 unsymmetrisch
ist, oder wenn sich der Verlauf während des Betriebs verlagert,
ist die vorteilhafte Wirkung der zweireihigen Lageranordnung 6 im
Wesentlichen nachteilig aufgehoben. Die Gesamtlebensdauer der Lageranordnung 6 ist
dann durch den Einfluss der geringeren Lebensdauer und höheren Ausfallwahrscheinlichkeit
der in diesem Fall am höchsten belasteten Reihe 3 wesentlich
geringer als bei symmetrischer Belastung bzw. symmetrischer Biegelinie 11 der
Getriebewelle. Im Vergleich zur Reihe 2 wäre die
Reihe 3 stärker verkippt. Die geforderte Lebensdauer
kann beispielsweise nur durch übermäßig
groß dimensionierte und teure Lageranordnungen erzielt
werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es eine Lageranordnung zu schaffen, mit
der die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß Erfindung
ist die jeweilige Länge der Rollen in einer Reihe größer
als die jeweilige Länge der Rollen in der anderen Reihe.
Es sind demnach in der Lageranordnung zwei zueinander unterschiedlich ausgebildete
Reihen von Rollen/Nadeln vorgesehen. Die eine Reihe weist Rollen
auf, die länger sind als die Rollen der anderen Reihe.
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Weiche
Reihe in der Lageranordnung wo angeordnet ist, bestimmt sich in
Abhängigkeit von der Belastung. So ist beispielsweise die
Reihe mit den kürzeren Rolle auf der Getriebewelle möglichst
nahe der Stelle angeordnet, an der die Biegelinie in einem kritischen
Betriebszustand unter Last am stärksten auslenkt oder am
stärksten abknickt. Die Reihe mit den längeren
Rollen sitzt in diesem Fall auf dem Abschnitt der Lagerstelle, an
der die Durchbiegung der Getriebewelle geringer ist. Der Umkehrpunkt
der Biegelinie liegt in diesem Fall längs zwischen Wirklinien der
Reihen.
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Durch
diese Maßnahme sind asymmetrischen Belastungen durch die
Lageranordnung optimal zumindest in den Betriebszuständen
aufgenommen, in denen die Lageranordnung am höchsten oder
am häufigsten belastet ist. Die Rollen der jeweiligen Reihe
sind innerhalb der jeweiligen Reihe vorzugsweise zueinander gleich
lang. Die Durchmesser der Rollen in einer Reihe untereinander sind
gleich. Der Durchmesser der Rollen einer Reihe kann sich aber vom
Durchmesser der Rollen der anderen Reihe unterscheiden oder gleich
groß wie dieser sein.
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Die
längeren Rollen sind nach einer Ausgestaltung der Erfindung
jeweils um mindestens 10% der Länge der Rollen der anderen
Reihe länger.
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Vorteilhaft
ist, wenn ein Zweifaches eines Verhältnisses von einem
absoluten Betrag (mathematischer Betrag einer reellen Zahl) zu einer
Summe mindestens dem Wert 0,1 entspricht:
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Der
Betrag ist der Betrag einer der Differenz aus einer gemeinsamen
Länge l1, die alle Rollen der einen
Reihe aufweisen und einer Länge l2,
die alle Rollen der anderen Reihe aufweisen. Die Summe ist die Summe
der Länge l1 der Rollen der einen
Reihe und der Länge l2 der Rollen
der anderen Reihe.
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Unter
dem Begriff ”zweireihige Lageranordnung” ist eine
Lageranordnung mit zwei Reihen Wälzkörpern zu
verstehen. Die Lageranordnung ist zumindest für die Aufnahme
von radialen Kräften, d. h. von zur Rotationsachse quer
gerichteten Kräften vorgesehen. Die Reihen sind längs
mit der Rotationsachse des zu lagernden Getriebeelements gleichgerichtet
nebeneinander angeordnet und hinsichtlich ihrer radialen Stützwirkung
parallel geschaltet. Dabei sind Hüllkreisdurchmesser einer
Lagerreihe im Vergleich zu andere Lagerreihe der zweireihigen Lageranordnung
gleich oder die eine Reihe weist einen anderen Hüllkreisdurchmesser
auf als die andere Reihe. Der Hüllkreis ist ein gedachter
Kreis, der außen umfangsseitig berührend um die
Wälzkörper einer Reihe gelegt werden kann, wenn
die Wälzkörper radial innen umfangsseitig an einem
Nenndurchmesser der zylindrischen Laufbahnen der Getriebewelle anliegen.
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Unter
zweireihig sind sowohl in voneinander in separaten Käfigen
geführte Reihen als auch die in einem gemeinsamen Käfig
geführten Reihen zu verstehen.
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Käfige
sind einteilig ausgebildete oder zusammengesetzte Führungselemente
aus Blech oder aus Kunststoff mit umfangsseitig benachbarten Taschen,
die in Umfangsrichtung durch sogenannte Käfigstege voneinander
getrennt sind. In den Taschen ist jeweils mindestens einer der Wälzkörper
umfangsseitig zu einem weiteren Wälzkörper der
Reihe in der umfangsseitig nächsten Tasche geführt.
Betroffen sind auch Anordnungen mit sogenannten Vollrollensätzen.
In einem vollrolligen Satz sind die Wälzkörper umfangsseitig
nicht durch Stege eines Käfigs voneinander getrennt, sondern
können sich in der Reihe umfangsseitig einander berühren.
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Die
Wälzkörper der Rollenlagerungen sind rollenartig
im Wesentlichen zylindrisch oder von ihrer Rotationsachse weg nach
außen leicht ballig oder auch stark ballig wie z. B. tonnenförmig
ausgebildet und werden als Rollen bzw. Nadeln bezeichnet. Unter Nadeln
versteht der Fachmann rollenartig ausgebildete Wälzkörper,
deren Länge mindestens dem Dreifachen ihres Nenndurchmessers
entspricht. Rollen sind dementsprechend Wälzkörper,
deren Nenndurchmesser mehr als einem Drittel ihrer Länge
entspricht.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung mit wenigstens einem Getriebelement,
welches mit der Lageranordnung auf einer Getriebewelle gelagert ist.
Der Begriff Getriebewelle steht für alle zu einem Gehäuse
des Kraftfahrzeuggetriebes drehbar, verschiebbar oder fest gelagerte
Elemente wie Bolzen, Wellen oder Zapfen, die entweder selbst die
zylindrischen Laufbahnen aufweisen, oder die geeignet sind, einen
oder mehrere Innenringe der Lageranordnung aufzunehmen.
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Getriebeelemente
sind in diesem Sinne alle Elemente die geeignet sind, durch Form-
und/oder Reibschluss mit weiteren Getriebeelementen und Rotation
um die eigene Rotationsachse Drehzahlen und Drehmomente zu übertragen.
Das Getriebeelement ist vorzugsweise ein Zahnrad, das im verzahnenden
Eingriff mit mindestens einer Gegenverzahnung steht, und das bevorzugt
eine Schrägverzahnung vorzugsweise mit einem Schrägungswinkel
von mindestens 5° aufweist.
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In
der Lageranordnung sind jeweils eine zylindrische äußere
Laufbahn pro Reihe, an einem Innenring oder an der Getriebewelle
selbst ausgebildet und eine zylindrische innere Laufbahn pro Reihe
in einem zentralen zylindrischen Loch des Zahnrads ausgebildet.
Denkbar ist auch, dass beide Reihen auf gemeinsamen Innen- bzw.
Außenlaufbahnen ablaufen. Im zuerst genannten Fall sind die
Durchmesser der Laufbahnen der Reihen zueinander gleich oder unterscheiden
sich voneinander. Im zuletzt genannten Fall sind die Durchmesser
der Laufbahnen der Reihen einer Lageranordnung gleich und beispielsweise
in einer gemeinsamen Durchgangsbohrung des Zahnrads bzw. auf einem
gemeinsamen Wellenabsatz der Getriebewelle verwirklicht.
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Radialspiel
in der Lageranordnung ist Voraussetzung für deren Montage
und Funktion. An sich sind Getriebewelle und Zahnradbohrung hinsichtlich ihrer
Mittelachsen konzentrisch zueinander angeordnet. Sind die Getriebewelle
und das Zahnrad so zueinander ausgerichtet, so ist zwischen den
zylindrischen Laufbahnen innen und der jeweilig radial gegenüberliegenden
Laufbahn außen ein hohlzylindrischer Luftspalt ausgebildet.
Die Wandstärke dieses Luftspalts muss mindestens dem Durchmesser
der Rollen der jeweiligen Reihe zuzüglich der Hälfte
des Radialspiels entsprechen. Das Radialspiel ist damit ein Wert,
der sich für die jeweilige Reihe dadurch errechnet, dass
von dem Laufbahndurchmesser innen am Zahnrad der Durchmesser der
Laufbahn außen sowie das Zweifache des Durchmessers der
Rollen der jeweiligen Reihe abgezogen wird. Mit einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, dass dieses Radialspiel mindesten
4% des Wertes des Durchmessers der Rollen in dieser Reihe entspricht.
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Axialspiel/Längsspiel
zwischen den Wälzkörpern der Reihen und zwischen
Längsanschlägen ist ebenso Voraussetzung für
die Montage und Funktion der Lageranordnung. Unter Axialspiel ist
derjenige Spalt zwischen den Wälzkörpern und Längsanschlägen
zu verstehen, um den die Wälzkörper zwischen den
Längsanschlägen beweglich sind. Eine Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, dass zwischen den Reihen und den Längsanschlägen
insgesamt ein Längsspiel ausgebildet ist, welches mindestens
5% des Durchmessers der Rollen mit aus einer Reihe der Lageranordnung
mit dem kleinstem Nenndurchmesser entspricht.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnung
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 12 mit einer Lageranordnung 13. Die
Lageranordnung 13 weist ein zweireihige Rollenlager 14 auf,
dass durch zwei zueinander separate sogenannte Nadelkränze 15 und 16 gebildet
ist. Jeder der Nadelkränze 15 bzw. 16 weist
einen Käfig 17 bzw. 18 und jeweils eine
Reihe 19 bzw. 20 Rollen 22 bzw. 23 auf.
Die Reihen 19 und 20 sind längs, also
gleichgerichtet mit der Rotationsachse 21, zueinander benachbart.
Wie aus den 3 und 4, die Details
der Käfige 17 und 18 darstellen, hervorgeht,
sind die jeweiligen Rollen 22 bzw. 23 in Umfangsrichtung
zueinander benachbart und in Taschen 26 durch Stege 24 bzw. 25 der
Käfige 17 bzw. 18 auf Distanz gehalten
und geführt.
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Die
Lageranordnung 13 ist zur Lagerung eines Getriebeelements 36 in
Form eines Zahnrads 27 auf, das als Planetenrad vorgesehen
ist. Das Zahnrad 27 weist eine Schrägverzahnung 35 und
eine zentrale Durchgangsbohrung 28 auf. Die Durchgangsbohrung 28 ist
zumindest im Bereich der Reihen 19 und 20 zu einer
innenzylindrischen Laufbahn 29 ausgebildet, an der die
Rollen 22 und 23 außen abwälzen.
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Die
Reihen 19 und 20 sind radial zwischen der Laufbahn 29 und
einer außenzylindrischen Laufbahn 30 auf der Getriebewelle 31 angeordnet.
An der Laufbahn 30 wälzen die Rollen 22 und 23 außen
ab. Die Getriebewelle 31 ist als Planetenbolzen 32 ausgebildet.
Der Planetenbolzen 32 weist eine zentrales Sackloch 33 auf.
Das Sackloch 33 ist für die Versorgung der Lageranordnung 13 mit
Schmieröl vorgesehen. Deshalb gehen von dem Sackloch 33 Querbohrungen 34 zwischen
die Reihen 19 und 20 ab, durch die Schmieröl
in die Lageranordnung 13 geführt werden kann.
Der Planetenbolzen 32 weist weiterhin einen Bund 34 auf,
mit dem dieser an einem nicht dargestellten Planetenträger
eines Planetentriebs aufgenommen ist.
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Die
Rollen
22 bzw.
23 einer Reihe
19 bzw.
20 weisen
in der Reihe jeweils die gleiche Länge l
1 bzw. l
2 auf Die Länge l
1 der
Rollen
22 ist größer als die Länge
l
2 der Rollen
23. In diesem Fall
sind die Rollen
22 mindestens um ein Dreifaches länger
als die Rollen
23. Es gilt somit:
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Das
Radialspiel lässt sich für die jeweilige Reihe
dadurch errechnen, dass von dem Durchmesser Di der
Laufbahn 29 innen am Zahnrad 27 der Durchmesser
Da der Laufbahn 30 außen sowie das Zweifache des
Durchmessers dR der Rollen der jeweiligen
Reihe 19 bzw. 20 abgezogen wird.
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- 1
- Zahnrad
- 2
- Reihe
Wälzkörper
- 3
- Reihe
Wälzkörper
- 4
- Lagermittelpunkt
- 5
- Biegelinie
- 6
- Lageranordnung
- 7
- Getriebewelle
- 8
- Rotationsachse
der Lageranordnung
- 9
- Symmetrieachse
der Nadeln
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Biegelinie
- 12
- Vorrichtung
- 13
- Lageranordnung
- 14
- Rollenlager
- 15
- Nadelkranz
- 16
- Nadelkranz
- 17
- Käfig
- 18
- Käfig
- 19
- Reihe
Rollen
- 20
- Reihe
Rollen
- 21
- Rotationsachse
- 22
- Rolle
- 23
- Rolle
- 24
- Steg
des Käfigs
- 25
- Steg
des Käfigs
- 26
- Tasche
- 27
- Zahnrad
- 28
- Durchgangsbohrung
- 29
- Laufbahn
- 30
- Laufbahn
- 31
- Getriebewelle
- 32
- Planetenbolzen
- 33
- Sackloch
- 34
- Bund
- 35
- Schrägverzahnung
- 36
- Getriebeelement
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004009472
A1 [0008, 0008, 0009]
- - DE 10002026 A1 [0010]
- - EP 0274874 B1 [0011]
- - DE 4113526 A1 [0013]
