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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und befasst sich spezieller mit der Ausbildung von Gelenken bzw. Getrieben zur Übertragung einer Bewegung.
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Vor dem Hintergrund des Standes der Technik liegt damit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe sowie eine Getriebeanordnung zur Übertragung auch von komplexen Bewegungen zu schaffen, mit einer hohen Stabilität und Robustheit zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Dies betrifft zunächst ein Getriebe zur Übertragung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement, wobei Winkellage und/oder Abstand der Anschlusselemente zueinander einstellbar ist.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht ein sogenanntes Multigelenk vor, das neben der Einstellung der Winkellage auch noch eine translatorische Verststellung des Abstandes zwischen zwei Anschlusselementen ermöglicht.
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Der Vorteil eines solchen Getriebes liegt unter anderem darin, dass die Kabeldurchführung durch die Anschlusselemente relativ einfach möglich ist, dies ist insbesondere bei einer Aneinanderreihung einer Vielzahl von Anschlusselementen sinnvoll. Zum anderen kann eine Längenänderung in einem sehr weiten Bereich durchgeführt werden, d. h., dass die Anschlusselemente entweder fast direkt aufeinander geschichtet werden im ”zusammengezogenen” Zustand und einen sehr weiten Abstand haben können im ”auseinandergezogenen” Zustand.
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Ein solches Getriebe ist ein Getriebe zur Übertragung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement, wobei Winkellage und/oder Abstand der Anschlusselemente zueinander einstellbar ist und an dem ersten Anschlusselement einerseits und an dem zweiten Anschlusselement andererseits vorzugsweise drei Schenkelpaare befestigt sind, wobei jedes Schenkelpaar einen ersten sowie einen zweiten Schenkel aufweist, wobei der erste Schenkel über eine erste Kippanordnung mit dem ersten Anschlusselement und der zweite Schenkel über eine zweite Kippanordnung mit dem zweiten Anschlusselement verbunden ist und zwischen erstem und zweitem Schenkel ein Ausgleichsgelenk vorgesehen ist, wobei pro Schenkelpaar wenigstens ein Antrieb zur Verstellung und/oder Fixierung der Winkellage mindestens eines Schenkels des jeweiligen Schenkelpaares gegeben ist.
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Eine vorteilhafte Weitebildung hierzu sieht vor, dass die erste und/oder zweite Kippanordnung als ein oder zwei Kippgelenke oder als ein durchgehendes Scharnier ausgeführt sind. Hierdurch ist eine kostengünstige und stabile Bauart möglich, es gibt hier nur einen rotatorischen Freiheitsgrad.
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Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass die Schwenkachsen der Kippanordnungen im Wesentlichen radial, tangential oder sekantial (d. h. Zwischenpositionen im Sinne einer Sekante) bezüglich eines Kreises sind. Dies heißt z. B., dass bei der radialen Variante die Schwenkachsen der Kippanordnung beispielsweise auf einen zentralen Punkt etwa in der Mitte des jeweiligen Anschlusselements weisen. Der Vorteil an dieser radialen Variante ist, dass insbesondere bei einem Verringern des Abstands zwischen erstem Abstandselement und zweitem Abstandselement die Schenkelpaare im Bereich der Ausgleichsgelenke nicht nach radial außen über die Randlinie der Anschlusselemente hinaus bewegt werden müssen und somit eine kompaktere Bauform möglich ist.
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Bei der tangentialen Variante sind die Scharnierachsen als Tangenten eines Kreises um den Mittelpunkt (Flächenmittelpunkt) des Anschlusselements darstellbar. Diese Variante kommt insbesondere zum Tragen, wenn es um eine besonders hohe mechanische Beanspruchung geht und ausreichend Bauraum vorhanden ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass bei mindestens einem Schenkelpaar ein translatorisch wirkender Antriebsmotor zwischen Ausgleichsgelenk einerseits und Anschlusselement andererseits angeordnet ist. Hier können aufgrund der wirkenden Hebelverhältnisse auch sehr schwere Anschlusselemente zueinander bewegt werden durch verhältnismäßig kleinbauende Linearmotoren bzw. Hydraulikzylinder.
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Eine weitere Bauform sieht vor, dass bei mindestens einem Schenkelpaar ein rotatorisch wirkender Antriebsmotor an einen Schenkel im Bereich der Kippanordnung angreift zur Drehung dieses Schenkels. Beispielsweise kann auf dem Anschlusselement ein Elektromotor mit einem Antriebsritzel vorgesehen sein, der direkt oder über ein Zahnradgetriebe dann ein weiteres Zahnrad auf der Achse der Kippanordnung antreibt, wobei dieses Zahnrad mit einem Schenkel des Schenkelpaares fest verbunden ist und somit die Winkelstellung dieses Schenkelpaares (und damit die Verbindungslänge des Schenkelpaares zwischen den beiden Anschlusselementen) verändert.
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In einer zweiten Ausführungsform ist ein Getriebe zur Übertragung einer Bewegung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusselement vorgesehen, bei dem lediglich die Winkellage und nicht eine zusätzliche Translation einstellbar ist. Hierbei sind die Anschlusselemente taumelnd gegeneinander bewegbar, wobei zwischen den Anschlusselementen ein Lagerelement vorgesehen ist, das die Anschlusselemente gegeneinander lagert. Zudem ist ein Abstandselement mit festen Abmessungen vorgesehen, das zwischen den Anschlusselementen im Abstand von dem Lagerelement derart gesteuert positionierbar ist, dass die Anschlusselemente unter Abstützung an dem Abstandselement und dem Lagerelement eine gewünschte Winkelposition zueinander annehmen.
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Hier wird gemäß der Erfindung die Position zweier Anschlusselemente, typischerweise durch Scheiben oder Platten gebildet, gegeneinander nicht durch Expansion oder Kompression von Abstandselementen realisiert, sondern durch das gezielte Positionieren eines Abstandselementes an einer Stelle zwischen den Anschlusselementen, wobei der Winkel zwischen den Anschlusselementen durch den eingestellten Abstand der Anschlusselemente am Lagerelement einerseits, den eingestellten Abstand der Anschlusselemente an dem Abstandselement andererseits und den Abstand zwischen dem Lagerelement und dem Abstandselement festgelegt ist.
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Es kann dabei entweder durch das Lagerelement oder durch das Abstandselement ein Freiheitsgrad der Bewegung der Anschlusselemente gegeneinander reduziert bzw. festgelegt werden, indem eines der Elemente beispielsweise durch Vorsehen eines Flansches die Schwenkbarkeit der Anschlusselemente in einer Ebene verhindert. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen den Anschlusselementen derart bemessen ist, dass diese außer an dem Lagerelement und dem Abstandselement auch gegeneinander abgestützt sind.
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Dadurch, dass zumindest das Abstandselement bezüglich seiner Abmaße unveränderlich ist, kann es sehr stabil ausgeführt und damit bei der Wirkung von Gegenkräften auf das Getriebe völlig unnachgiebig sein. Auch das Lagerelement kann längenunveränderlich sein, so dass im Bereich des Lagerelementes der Abstand zwischen den Anschlusselementen festgelegt und stabil gehalten ist.
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Vorteilhaft kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Position des Abstandselementes in Querrichtung zu der Verbindungslinie zwischen dem Abstandselement und dem Lagerelement, insbesondere auf einem Kreisbogen um das Lagerelement, variabel ausführbar ist.
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Mit einem Bewegen des Abstandselementes entlang einer Linie in Querrichtung zu der Verbindungslinie zwischen dem Abstandselement und dem Lagerelement wird eine taumelnde Bewegung der beiden Anschlusselemente gegeneinander ohne Änderung der Neigung der Abstandselemente zueinander möglich.
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Zudem kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Position des Abstandselementes bezüglich des Abstandes zum Lagerelement variable ausführbar ist (d. h., alle Abstände müssen so bemessen sein, dass die Abrollkörper mit den Umfängen im Verhältnis zu ihren Teilkreisdurchmessern stehen; dieses Verhältnis ist einzuhalten und kann variabel ausführbar sein).
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Für eine sinnvolle Bewegung des Abstandselementes auf das Lagerelement zu oder von diesem weg ist vorausgesetzt, dass die Anschlusselemente jeweils im Bereich des Abstandselementes einen anderen Abstand zueinander aufweisen als im Bereich des Lagerelementes. Das Abstandselement sollte daher vorteilhaft feste, jedoch andere Abmessungen aufweisen als das Lagerelement, in Richtung der Verbindungslinie zwischen den Anschlusselementen gesehen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, dass das Abstandselement zwei Abrollelemente aufweist, von denen je eines an je einem der Anschlusselemente abrollt.
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Durch diese Konstruktion ist eine Verschiebung des Abstandselementes zwischen den Anschlusselementen komfortabel möglich, auch wenn die Anschlusselemente gegeneinander mit Druck verspannt sind und somit von beiden Seiten Druck auf das Abstandselement ausüben.
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Die Abrollelemente können beispielsweise als drehbar gelagerte Räder vorgesehen sein, um eine Bewegung in den gewünschten Richtungen zu erlauben.
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Besonders vorteilhaft sind die Abrollelemente als Zahnräder ausgebildet und stehen jeweils mit je einer Zahnstruktur an einem der Anschlusselemente in Eingriff.
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In diesem Fall ist ein Schlupf zwischen den Abrollelementen und den Anschlusselementen bzw. das Abrutschen der Abrollelemente zuverlässig verhindert, und auch unter hohem Druck des Getriebes wird die Position der Anschlusselemente zueinander zuverlässig stabilisiert.
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Wenn die beiden Zahnräder zudem noch miteinander in Eingriff stehen, kann sichergestellt werden, dass das Abstandselement bei einer Bewegung während des Abrollens an jedem der Anschlusselemente dieselbe Strecke zurücklegt und damit in seiner Stellung relativ zu den Anschlusselementen auch bei einer Positionsänderung konstant und unverdreht bleibt. Außerdem ist die Position des Abstandselementes mittels der Zahnstruktur leicht feststellbar und einstellbar.
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Das Abstandselement kann zudem an einem um das Lagerelement schwenkbaren Arm befestigt sein. In diesem Fall findet bei einer Schwenkbewegung des Abstandselementes bei gleich bleibendem Abstand von dem Lagerelement eine symmetrische Taumelbewegung der Anschlusselemente zueinander statt. Vorteilhaft kann das Abstandselement länger ausgebildet sein als das Lagerelement, so dass die Anschlusselemente auf der dem Abstandselement gegenüberliegenden Seite des Lagerelementes ihren geringsten Relativabstand zueinander aufweisen und dort auch über eine gesonderte Lauffläche bzw. Zahnform aneinander abgestützt sein können.
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Dies führt zu einer weiteren Stabilisierung des Getriebes. Bei einer derartigen kreisförmigen Bewegbarkeit des Abstandselementes können die Anschlusselemente jeweils einen Zahnkranz mit einer Stirnverzahnung tragen, die jeweils mit einem der Zahnräder des Abstandselementes in Eingriff steht.
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Um das Getriebe zu stabilisieren, kann vorgesehen sein, dass die Anschlusselemente im Bereich des Lagerelementes, insbesondere mittels eines Spannelementes zusammengehalten werden.
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Als Spannelement kann beispielsweise ein Draht oder ein Seil oder eine Kette vorgesehen sein.
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Um eine gewünschte Bewegung zu übertragen bzw. die Anschlusselemente des Getriebes in eine gewünschte Position zueinander zu bringen, kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens eines der Abrollelemente eines Abstandselementes mittels eines Motors antreibbar ist.
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In diesem Fall kann das entsprechende Abrollelement, also insbesondere ein Zahnrad, auf einer Welle des Motors angeordnet und dadurch antreibbar sein. Damit kann es einerseits das weitere Abrollelement antreiben, wenn die beiden Abrollelemente miteinander in Eingriff stehen, andererseits auch für das Abrollen an einer Zahnstruktur der Anschlusselemente sorgen. Durch eine entsprechende Ansteuerung eines solchen Motors ist damit eine Bewegung des Getriebes genau steuerbar.
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Zur Bildung einer Manipulatoreinrichtung bzw. eines Roboterarms kann vorteilhaft auch die Kombination mehrerer Getriebeeinheiten der oben beschriebenen Art vorgesehen sein. Die Erfindung bezieht sich insofern auch auf eine Getriebeanordnung in Form eines Flexgelenkes oder Roboterarms mit wenigstens zwei Getrieben der erfindungsgemäßen Art, wobei wenigstens zwei Anschlusselemente benachbarter Getriebe starr miteinander verbunden oder zu einem einzigen Anschlusselement zusammengefasst sind.
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Es ergibt sich hierdurch ein aus einzelnen Segmenten bestehender Manipulationsarm, der einem bionisch nachgeformten Rüssel entspricht und die Realisierung auch komplexester Bewegungen durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Segmente erlaubt. Es können dazu zwei, drei, fünf oder zehn solcher Einzelgetriebe zusammengesetzt werden.
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Vorteilhaft kann zur Zusammenfassung der Einzelgetriebe ein gemeinsames Spannelement vorgesehen sein, das mehrere, insbesondere alle Anschlusselemente durchsetzt.
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Es kann zudem eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die wenigstens zwei, insbesondere alle Motoren steuert, die den einzelnen Abstandselementen zugeordnet sind.
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Die einzelnen Motoren können je nach der angestrebten Stellung des Manipulationsarmes und zudem nach bestimmten Bewegungsvorgaben gesteuert werden.
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Die Steuerung kann nahezu beliebige Kombinationen von Stellungen einzelner Segmente realisieren. Dabei kann die Gesamtbewegung beispielsweise im Hinblick auf möglichst geringe Krümmungsdurchmesser des Arms oder auf optimierte Bewegungsgeschwindigkeit hin gesteuert werden. Es kann auch der Gesamtbewegungsaufwand minimiert oder die Belastungsstabilität maximiert werden. Die Außenfläche der Gesamtstruktur des Armes ist beim Taumelgelenk immer gleich groß, daher kann für den Mantel z. B. eine textile Haut verwendet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Dabei zeigt
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1a, 1b bis 1k Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Getriebes,
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1aa bis 1ac kinematische Erklärungsskizzen hierzu,
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2a und 2b Draufsichten mehrerer Varianten der Positionierung von Kippanordnungen auf einem Anschlusselement,
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3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flexgelenks.
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4 einen Roboterarm/Manipulationsarm, der aus einer Vielzahl von Segmenten besteht,
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5 ein einzelnes Getriebe, das als Taumelscheibengetriebe ausgebildet ist,
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6 eine Ansicht des Getriebes aus 5 von einer Seite,
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7 ein Abstandselement eines Getriebes, bestehend aus zwei Zahnrädern, von denen eines antreibbar ist,
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8 eine Seitenansicht eines Getriebes in einem Schnitt und
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9 ein Flexgelenk, bestehend aus zwei Getrieben.
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Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform der Erfindung, nämlich das Multigelenk (”sphärisches Koppelgetriebe”) im Einzelnen erläutert.
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Es handelt sich hierbei um einen ”Tripod-Aufbau”. Alle drei ”pods” sind als zweigliedrige Koppelgetriebe ausgeführt und verbinden die Anschlusselemente der Gestell- und Abtriebsseiten. Durch Verstellung der Seiten ist eine Schubbewegung oder Flexion möglich, die Feststellung der Koppelgetriebe erfolgt beispielsweise mit Linearantrieben, wobei hier Variationsmöglichkeiten der Antriebe (fluidisch, elektrisch) gegeben sind. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass gute Schubeigenschaften und eine gute Flexion um zwei Achsen gewährleistet werden. Allerdings ist hier eine komplexe Aufbereitung der Sensorinformation notwendig, die mechanische Nachgiebigkeit ist etwas stärker als bei der vorgenannten Taumelgetriebe-Variante. Vorteilhaft wiederum ist allerdings eine gute Durchführbarkeit von Kabeln, was insbesondere bei aneinandergereihten Anordnungen dieses Getriebes vorteilhaft ist.
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1a beschreibt ein erfindungsgemäßes Getriebe 100, das, welches ein erstes Anschlusselement 105 sowie ein zweites Anschlusselement 106 aufweist. Zwischen diesen Anschlusselementen sind drei Schenkelpaare über den Umfang der Anschlusselemente rotationssymmetrisch verteilt. Die Schenkelpaare bestehen einerseits jeweils aus einem Schenkel 101, der an dem ersten Anschlusselement über zwei Kippgelenke gelenkig angeschlossen ist. Dieser Schenkel ist vorliegend im Wesentlichen flächig und dreieckig angeordnet, kann allerdings auch andere Ausführungsformen haben. Dieser Schenkel ist in seinem oberen Bereich mit einem Ausgleichsgelenk 108 versehen, das eine gelenkige Anbindung an den zweiten Schenkel 102 bildet, der wiederum über Kippgelenke 104a, 104b (diese sind im Aufbau gleich wie die Kippgelenke 103a, 103b) mit dem zweiten Anschlusselement 106 verbunden ist. Der Schenkel 101 weist außerdem im Bereich des Ausgleichgelenks eine Anbindung an einen translatorisch wirkenden Motor 107 auf, die andere Seite dieses translatorisch wirkenden Motors ist (vorzugsweise gelenkig) am Anschlusselement 105 befestigt. Der Motor kann hierbei vorzugsweise als hydraulischer Antrieb oder als elektrischer Linearantrieb ausgestaltet sein.
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In 1a ist das Getriebe in einer Position gezeigt, bei der das obere Anschlusselement 106 stark winklig gegenüber dem Anschlusselement 105 verschoben ist. Es ist gut zu sehen, wie beispielsweise bei dem rechten vorderen Schenkel 101, welcher fast waagerecht auf derselben Ebene wie das Anschlusselement 105 liegt, ein lediglich einachsiger Bewegungszustand gegenüber dem Anschlusselement 105 gegeben ist. Dies liegt daran, dass die Gelenke 103a, 103b lediglich in einer Ebene drehbar sind. Dies ermöglicht allerdings auch eine sehr stabile Ausführung. Mögliche Ausgleichsbewegungen erfolgen durch die zweiachsigen Ausgleichsgelenke 108 zwischen den Schenkeln 101 und 102. Diese Gelenke ermöglichen zunächst einmal eine Drehung entsprechend den Gelenken 103a bzw. 103b. Zusätzlich ermöglichen sie allerdings noch eine Verdrehung der Schenkel 101 und 102 (beispielsweise bei gestreckten Schenkeln 101, 102, die also axial fluchtend angeordnet sind, eine Drehung um diese axiale Achse). Hierdurch ist einerseits eine sehr stabile Anordnung gegeben, andererseits aber auch immer der nötige Ausgleich möglich, damit es zu keinen Beschädigungen durch mechanische Verspannungen des Multigelenks, selbst bei einer starken Verstellung der Winkellage, kommt. Dies wird durch die 1aa bis 1ac verdeutlicht. 1aa zeigt eine Draufsicht eines Schenkelpaares 101, 102, bei dem entsprechend des dargestellt Pfeils die Schenkel 101, 102 zueinander drehbar sind. Dasselbe gilt für die entsprechende Seitenansicht gemäß 1ab. Schließlich zeigt 1ac noch die gegenseitige Verdrehung der Schenkel 101, 102 durch die dargestellte strichlinierte Achse.
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1b zeigt einen weiteren Verschiebungszustand zwischen den Anschlusselementen 105 und 106. Hierbei ist zu sehen, dass der Abstand zwischen beiden Anschlusselementen relativ gering ist, eine Winkelverschiebung erfolgt fast nicht, primär eine translatorische und parallele Annäherung beider Anschlusselemente.
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In 1c ist ein entsprechender Zustand gezeigt, bei dem die Anschlusselemente 105, 106 wiederum parallel sind, allerdings maximalen Abstand voneinander haben.
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1d zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung (siehe hierzu auch weiter unten 2b zur Verdeutlichung), die von den Gelenkanordnungen her identisch ist, allerdings sind diese Gelenkanordnungen anders auf den entsprechenden Anschlusselementen positioniert. Es handelt sich hier um eine Anordnung, bei der die Achsen 103a, 103b bzw. 104a, 104b so angeordnet sind, dass ihre Fluchtlinien radial im Wesentlichen auf die Mitte des jeweiligen Anschlusselementes zulaufen.
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Eine verkippte Stellung ist in 1e gezeigt, hierbei ist sowohl ein erhöhter translatorischer Abstand als auch eine Verkippung zwischen den Anschlusselementen 105, 106 festzustellen.
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1f zeigt schematisch eine Draufsicht auf das Anschlusselement 105 mit den daran befestigten Antrieben 107, wobei allerdings nur die Schenkel 101 und deren Gelenke 103a, 103b gezeigt sind und nicht der Rest des Schenkelpaares.
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In 1g ist eine flache Stellung der entsprechenden Motoren gezeigt. Hier ist gut zu sehen, wie am oberen Ende der Schenkel 101 (also auf der den Gelenken 103a, 103b abgewandten Seite) ein einachsig drehbarer Bolzen angeordnet ist, der eine Bohrung aufweist, in die der entsprechende Teil des Ausgleichsgelenks 108 eingreifen kann, um somit die Schenkel 101 und 102 axial zusätzlich gegeneinander verdrehen zu können und somit einen geometrischen Ausgleich bei beliebigen Translations- und Winkelverstellungen zu gewährleisten.
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1h zeigt entsprechend zur 1g eine Seitenansicht. Insbesondere ist hier gut zu sehen, wie flachbauend die Antriebe 107 sind.
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1i zeigt eine entsprechende Seitenansicht mit aufgestellten Motoren 107.
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1j zeigt ergänzend das obere Anschlusselement 106, passend zu den dargestellten restlichen Elementen in 1g, 1h, 1i. Hierbei ist zu sehen, wie im Bereich des Ausgleichsgelenkes 108 der zu dem Ausgleichsgelenk gehörende drehbare Achsbolzen 113 (siehe 1g) mit dem Drehgelenk 114 verbindbar ist durch einen entsprechenden Bolzen, der hier nicht dargestellt ist (dieser Bolzen würde durch das in 1g gezeigte Loch im Teil 113 durchgeführt werden sowie auch durch die Löcher im Teil 114, welches in 1j gezeigt ist, um das entsprechende Ausgleichsgelenk zu bilden). In 1j ist außerdem gut zu sehen, dass das Teil 114, wie durch die Pfeilrichtung verdeutlicht, um die eigene Achse drehbar ist.
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Schließlich zeigt 1k eine zusammengebaute Form der Teile (z. B. wie in 1g und 1j dargestellt), wobei ein primär translatorischer Verschiebungszustand gezeigt ist.
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Die in 1a bis 1k gezeigten Multigelenke haben mechanisch sehr wünschenswerte Eigenschaften. Zum einen können mehrere dieser Multigelenke hintereinander gekoppelt werden, aufgrund des einfachen Einbaus ist auch eine Skalierung einzelner Multigelenke möglich. So kann die Größe der hintereinander gekoppelten Gelenkeinheiten verändert werden, so dass diese zur Rüsselspitze hin abnimmt. So wäre es beispielsweise möglich, Anschlusselemente 111 und 112 vorzusehen, welche ebenfalls dieselbe Größe haben, wobei allerdings die Anschlusselemente 105 und 106 deutlich größer sind als die Anschlusselemente 111 und 112. Dasselbe gilt für die Abstände der jeweiligen Gelenke 103a, 103b bzw. die Längen der Schenkel 101, 102 zwischen den jeweiligen Anschlusselementen. Das heißt, dass eine ”geschrumpfte” Version eines Multigelenks an der Rüsselspitze durch die Anschlusselemente 111 und 112 sowie die dazwischen befindliche Kinematik gegenüber der größeren Version der Anschlusselemente 105, 106 und der dazwischen befindlichen Kinematik aufgebaut wird. Die Skalierung kann fortlaufend geschehen, d. h., dass beispielsweise die Anschlusselemente 109, 110 eine Zwischengröße bezüglich der Größen 105, 106 einerseits und 111, 112 andererseits bilden. Mit diesem Aufbau wird insgesamt eine einerseits mechanisch belastbare und andererseits nicht zu schwere bzw. auch in engere Öffnungen hineinreichende Kette gebildet.
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Die Anordnung von einachsigen Gelenken zwischen Schenkel 101, 102 und den Anschlusselementen 105, 106 ist mechanisch vorteilhaft. Die einachsigen Drehlager haben lediglich einen Freiheitsgrad und können sehr stabil, auch als einteiliges Scharnier, ausgestaltet sein. Die Verbindung der Schenkel 101, 102 erfolgt, wie oben beispielhaft beschrieben, dann über ein entsprechendes Ausgleichsgelenk mit den in den 1aa bis 1ac gezeigten Eigenschaften. Hierdurch ist es möglich, sehr stabile Antriebe bereitzustellen, die lediglich eine Winkeldrehung eines Schenkels bezüglich des jeweiligen Anschlusselementes erlauben. Dies bedeutet einerseits eine hohe mechanische Stabilität des Antriebs und andererseits auch einen flachbauenden Aufbau, der insbesondere bei der Erzielung geringer translatorischer Abstände zwischen den Anschlusselementen 105, 106 vorteilhaft ist. Dies wäre nicht möglich, wenn beispielsweise ein Kardangelenk zwischen dem als Grundplatte ausgeführten Anschlusselement 105 und dem Schenkel 101 gegeben wäre.
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Stattdessen erfolgt der Antrieb beispielsweise durch einen Linearantrieb, der zwischen Anschlusselement und Ausgleichsgelenk 108 gegeben ist. Dies bietet den Vorteil einer günstigen Kraft-Weg-Kennlinie für den Antrieb, da der Antrieb direkt auf das Gelenk zwischen den beiden Schenkeln 101, 102 wirken kann.
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Außerdem ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Multigelenks eine hohe Verdreh- und Kippsicherheit, da die Anschlusselemente 105, 106 nicht ohne Bewegung der Motoren gegeneinander translatorisch oder winklig bewegt werden können. Dies ist ein gravierender Vorteil bezüglich anderen denkbaren Anordnungen, bei denen in einem Schenkelpaar 101, 102 beispielsweise mehrere Kardangelenke vorgesehen wären.
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Vorzugsweise sind, wie in den obigen Ausführungsformen gezeigt, drei Schenkelpaare vorgesehen mit identischem Aufbau, es sind hier allerdings auch andere Anordnungen denkbar, beispielsweise eine abweichende Anzahl von Schenkelpaaren oder auch gemischte Anordnungen, bei denen einige Schenkelpaare linear angetrieben sind und andere rotatorisch (siehe unten).
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2a zeigt eine Draufsicht auf das Anschlusselement 105 in schematischer Weise. Hier sind gestrichelt jeweils Scharnierachsen gezeigt, die durch die jeweiligen Gelenke 103a, 103b fluchtend verlaufen. Es ist zu sehen, dass diese gestrichelten Linien ein gleichschenkliges Dreieck bilden bzw. Tangenten eines Kreises darstellen, wobei dieser Kreis vorliegend ein Kreis um einen Flächemittelpunkt des Anschlusselements 105 bildet.
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Der Antrieb der Schenkel kann, wie in 1a–1k gezeigt, durch translatorisch wirkende Motore 107 erfolgen. Es ist allerdings auch möglich, dass dies über einen rotatorisch wirkenden Motor 115 erfolgt, der ein Antriebsritzel aufweist, welcher ein weiteres Zahnrad 116, das drehfest mit dem Schenkel 101 verbunden ist, antreibt. Auf diese Weise kann ein besonders flachbauender Antrieb erzielt werden.
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2b zeigt eine alternative Anordnung der Schenkelpaare an, wobei hier die Verbindungsachsen der Gelenke 103a', 103b' eine sternförmige Anordnung bilden, d. h. (idealisiert) im Flächenmittelpunkt des alternativen Anschlusselements 105' zusammenlaufen. Auch bei dieser Anordnung ist alternativ ein translatorisch wirkender Motor 107, der auf das Schenkelpaar im Bereich des Ausgleichsgelenks 108 wirkt, oder alternativ ein rotatorisch wirkender Motor 115 möglich, der ein drehfest mit dem Schenkel 101 verbundenes Zahnrad antreibt. Es sei angemerkt, dass statt ”Zahnrad” in der vorliegenden Anmeldung auch beliebige andere form- bzw. reibschlüssige Anordnungen möglich sind, solange diese das nötige Drehmoment zum Antrieb und zur Fixierung des Schenkel bereitstellen können.
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3 zeigt eine erweiterte Anordnung eines Gelenks, bei dem die Anschlusselemente 105 und 106 gezeigt sind; zusätzlich sind weitere identische Anordnungen (106–109, 109–110, 110–111 sowie 111–112) vorgesehen. Dieser Aufbau mit vielen Elementen erlaubt eine größtmögliche Beweglichkeit. Die Segmentierung dieses Manipulators ist individuell durch die Ansteuerung einzelner Gelenke einstellbar. Eine gewünschte Nachgiebigkeit in den Gelenken ist mechanisch vorzusehen oder auch durch zusätzliche, zwischengeschaltete Module oder eine nachgiebige Verbindung der Segmente möglich.
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Die 4 stellt einen Roboterarm dar, der aus neun segmentartig aneinander gereihten Einzelgetrieben besteht, wobei jedem der Getriebe zwei Anschlusselemente 5, 6 in Form von Scheiben zugeordnet sind und wobei zwischen benachbarten Anschlusselementen jeweils Abstandselemente (3, 4) in Form von Zahnradpaaren angeordnet sind.
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Die Zahnradpaare 3, 4 sind dabei bei einzelnen Getrieben unterschiedlich positioniert, so dass sich insgesamt für den Roboterarm/Manipulationsarm ein teilweise gerader und am oberen Ende gekrümmter Verlauf ergibt. Je nach der gewünschten Länge eines solchen Roboterarms und nach dem Bewegungsspielraum, der für den praktischen Einsatz erforderlich ist, kann die notwendige Anzahl von Einzelgetrieben zum Aufbau eines derartigen Roboterarms kombiniert werden. Außer den Zahnradpaaren 3, 4, die jeweils die Abstandselemente bilden, sind die Anschlusselemente 5, 6 eines Getriebes auch mittels eines Lagerelementes 7 verbunden. Auf die Gestalt des Lagerelementes 7 wird weiter unten noch genauer eingegangen. Die Lagerelemente können jeweils den Anschlusselementen zugewandte kugelige Endflächen aufweisen, auf denen entsprechende Lagerschalen liegen und die eine Durchgangsöffnung aufweisen, die jeweils in Längsrichtung des Roboterarms weist, so dass alle Lagerelemente des Roboterarms insgesamt mittels eines Spannelementes verbunden sind.
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Das in der 4 unten dargestellte Getriebe 1 kann beispielsweise an einer Basis eines Roboters befestigt sein, während das an dem freien Ende des Arms angeordnete letzte Getriebe 8 beispielsweise ein Werkzeug oder einen Sensor oder auch eine Kamera, trägt. Die einzelnen Abstandselemente sind mittels einer Mehrzahl von Motoren, von denen jeder einem Getriebe zugeordnet ist, derart antreibbar, dass der Arm gezielt bewegbar und positionierbar ist.
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5 zeigt detaillierter ein einzelnes Getriebe mit einem ersten Anschlusselement 5 in Form einer ersten Anschlussscheibe sowie einem zweiten Anschlusselement 6 in Form einer zweiten Anschlussscheibe 6, die über das Lagerelement 7 miteinander in Verbindung stehen. Die Anschlussscheiben 5, 6 weisen Ausnehmungen 9, 10 in Kreisform auf, die zur Einsparung von Material und zur Masseersparnis dienen, um den Arm schneller beschleunigen und bewegen zu können. Zudem können die Öffnungen den Luftaustausch und damit die Motorkühlung der einzelnen Motoren begünstigen und der Durchführung von Leitungen dienen.
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An dem Lagerelement 7, das um die Verbindungsachse zwischen den Anschlussscheiben 5, 6 drehbar ist, ist ein Arm 11 befestigt, der damit um eine Mittelachse der Anschlussscheiben 5, 6 schwenkbar ist. Die beiden in einer Endplatte 12 des Arms 11 drehbar gelagerten Zahnräder 13, 14, die vorzugsweise identisch gestaltet sind, greifen in zwei stirnseitige Zahnkronen 15, 16 der Anschlussscheiben 5, 6 ein. Die Zahnkronen 15, 16 sind kreisförmig zentrisch um das Lagerelement 7 herum angeordnet. Das Zahnrad 14 ist zudem mit der Welle eines Antriebsmotors 17 verbunden, der als Elektromotor ausgebildet ist. Der Motor kann jedoch auch als pneumatischer Motor ausgebildet sein.
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Wird der Motor 17 in Betrieb genommen, so treibt er das Zahnrad 14 an, das gleichzeitig das Zahnrad 13 antreibt und eine Relativbewegung zu dem Zahnkranz 15 erzeugt. Das Zahnrad 13 rollt zudem an der Zahnkrone 16 ab, so dass sich das Abstandselement 13, 14 auf dem Umfang der beiden Anschlussscheiben 5, 6 bewegt. Da die Abmessungen des Abstandselementes 13, 14 unveränderlich sind, wird dort, wo es jeweils positioniert ist, ein lokaler Abstand zwischen den Anschlussscheiben 5, 6 erzwungen, der den Abmessungen des Abstandselementes entspricht. In Zusammenhang mit den Abmessungen des Lagerelementes 7 ist damit ein Winkel zwischen den Anschlussscheiben 5, 6 festgelegt. Damit ergibt sich die relative Position der beiden Anschlussscheiben 5, 6 zueinander eindeutig aus der Position des Abstandselementes, im Falle des gezeigten Ausführungsbeispiels allein aus der Winkelposition in Bezug auf das Lagerelement 7.
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Die Motoren einzelner Getriebe sind mittels elektrischer oder pneumatischer Leitungen mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden. Die entsprechenden Leitungen können beispielsweise durch die Öffnungen 9, 10 entlang des Roboterarms geführt werden.
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6 zeigt im Detail eine Seitenansicht eines Getriebes teilweise im Schnitt mit den Anschlussscheiben 5, 6, deren Zahnkränze 15, 16 an der dem Abstandselement 13, 14 gegenüberliegenden Seite in Bezug auf das Lagerelement 7 ineinander greifen, so dass sich die Anschlussscheiben 5, 6 dort gegeneinander abstützen. Es ist zudem in der 6 der Arm 11 zu erkennen, mittels dessen das Abstandselement 13, 14 an dem Lagerelement 7 befestigt ist, sowie die Endplatte 12. Es ist detailliert dargestellt, dass das Lagerelement als weitgehend zylindersymmetrischer hohler Bolzen mit kugelig abgerundeten Enden 7a, 7b ausgebildet ist. Auf den kugeligen Enden 7a, 7b sind hohlkugelförmig ausgeführte Lagerschalen 18, 19 allseitig drehbar und verschiebbar angeordnet. Diese Lagerschalen sind mit je einer der Anschlussscheiben 5, 6 verbunden.
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Das Getriebe wird durch ein nicht dargestelltes Spannelement zusammengehalten, das sowohl die Lagerschalen 18, 19 als auch einen Hohlraum 20 des Lagerelementes 7 durchsetzt.
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7 zeigt in einem vergrößerten Detail die Baueinheit, bestehend aus dem Lagerelement 7, dem an diesem befestigten Arm 11 mit der Endplatte 12, den Zahnrädern 13, 14 und dem Motor 17. Es ist ein abgerundetes Ende 7a des Lagerelementes 7 sowie die Durchtrittsöffnung 20 des Lagerelementes zu erkennen. Dieses kombinierte Bauteil kann insgesamt vorgefertigt und beim Aufbau eines Getriebes als Ganzes zwischen zwei Anschlussscheiben eingebracht werden. Hierdurch vereinfacht sich der Montagevorgang beträchtlich.
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Die 8 zeigt einen Längsschnitt durch ein Getriebe mit den Anschlussscheiben 5, 6 und dem Lagerelement 7 sowie dem Abstandselement 13, 14.
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Durch den Kreis 21 ist angedeutet, dass die kugelförmigen Abrundungen 7a, 7b des Lagerelementes 7 in eine gemeinsame Kugel einbeschrieben sind, ebenso wie die hohlkugelförmigen Lagerschalen 18, 19.
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Mit A1 bezeichnet, ist gestrichelt die Symmetrieachse des Lagerelementes 7 eingezeichnet, um die der nicht dargestellte Arm 11 des Abstandselementes schwenkbar gelagert ist.
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A2 bezeichnet die Symmetrieachse der Anschlussscheibe 6, während A3 die Symmetrieachse der Anschlussscheibe 5 bezeichnet. Mit M ist der Mittelpunkt bezeichnet, in dem sich die Symmetrieachsen A1, A2 und A3 schneiden. Mit R1 ist der Radius bezeichnet, auf dem sich das Abstandselement 13, 14 um die Mittelachse des Lagerelementes 7 bewegt, während R2 den Radius der Anschlussscheibe 5 bezeichnet.
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W bezeichnet den zwischen den beiden Anschlussscheiben 5, 6 eingeschlossenen Winkel, während Tk den Durchmesser eines der Zahnräder 13, 14 bezeichnet.
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In 9 ist eine aus zwei Getrieben bestehende Getriebeanordnung dargestellt, wobei ein erstes Getriebe demjenigen gleicht, das in den 5–8 dargestellt ist. Die entsprechenden Anschlussscheiben 5, 6 sind wie in den oben genannten Figuren bezeichnet. Die beiden Getriebe haben die Anschlussscheibe 5 gemeinsam. Diese trägt auf beiden Seiten jeweils einen Zahnkranz 15, 22.
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Alternativ könnten auch zwei einzelne Getriebe jeweils vollständig aufgebaut werden, und darauf könnten zwei benachbarte Anschlussscheiben fest miteinander verbunden werden. Der hier dargestellte Aufbau hat jedoch die Einsparung von Material und Verbindungsvorrichtungen zur Folge. Dadurch können die Gesamtkosten gesenkt werden.
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Durch die kombinierte Getriebeanordnung mit den Anschlussscheiben 5, 6, 23 können einerseits verschiedene Taumelpositionen eingestellt werden, andererseits kann durch entsprechende Kombination von Positionsänderungen beider Abstandselemente 13, 14 einerseits und 24, 25 andererseits auch Neigungswinkel in gewissen Grenzen eingestellt werden.
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Die Motoren 17, 26 sind zu diesem Zweck mit einer gemeinsamen Motorsteuereinrichtung 27 verbunden. Die einzelnen Motoren 17, 26 sind vorteilhaft als Schrittmotoren ausgebildet, so dass ihre Stellung/Position jederzeit eindeutig festgelegt und bestimmbar ist.
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Je nach der gewünschten Länge eines entsprechenden Flexgelenks oder Roboterarms kann eine gewünschte Anzahl von Einzelgetrieben segmentweise in Reihe geschaltet und miteinander verbunden werden, so dass mit minimalem Aufwand und mit gleichartigen Getriebeelementen verschiedenartige Roboterarme/Manipulatorarme aufgebaut werden können.
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Die Darstellung in 9 zeigt als Spannelement eine die Lagerelemente durchsetzenden flexiblen Strang, der eine Anschlagmutter 28 sowie eine Feder 29 aufweist, die an der Anschlagmutter einerseits und einer Anschlussscheibe 6 andererseits abgestützt ist und die im Zusammenwirken mit einem weiteren Abschlussstück 30 einen axialen Druck auf die Getriebeanordnung ausübt und somit die Anschlussscheiben 5, 6, 23 zusammenhält.
