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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationsscheibe, insbesondere
eine Ausgestaltung der Zähne
und der Zahnlücken
der Rotationsscheibe. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung
eine Antriebsvorrichtung mit mindestens einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe
und ein Umschlingungsgetriebe mit mindestens einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe.
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Hintergrund
der Erfindung
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Antriebssysteme
auf der Basis von kraftübertragenden
Endloselementen, wie bspw. Riemen oder Ketten, und Zahnrädern sind
in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Insbesondere in Verbrennungsmotoren
werden solche Antriebssysteme bspw. zur Übertragung eines Moments von
der Kurbelwelle auf die Nockenwellen verwendet.
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Neben
der Nockenwelle und der Kurbelwelle können auch weitere Komponenten,
wie bspw. Wasser- oder Kraftstoffpumpen durch Riemen oder Ketten
ange trieben sein. Als Oberbegriff für Riemen- und Kettentriebe
spricht man von so genannten Umschlingungsgetrieben.
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Bei
derartigen Antriebssystemen bzw. Umschlingungsgetrieben treten so
genannte Trumschwingungen auf. Bei solchen Trumschwingungen kann
es sich um Transversal-, Longitudinal- oder Torsionsschwingungen
des kraftübertragenden
Endloselements handeln, die durch zyklische Motorbewegungen erregt
werden. Die zyklische Erregung der Trumschwingung erfolgt in der
Regel durch ein ungleichförmiges
Antriebselement des Verbrennungsmotors.
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Wesentlich
sind insbesondere die Torsionsschwingungen bzw. Drehwinkelschwankungen
der einzelnen angetriebenen Bauteile gegeneinander. Dabei tritt
ein sogenannter „timing
error" auf, d.h.
ein Verdrehwinkel der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Wenn
dieser Winkelfehler zu groß ist,
entstehen beim Betrieb des Motors Emissionen jenseits der zugelassenen
Schadstoffgrenzwerte.
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Darüber hinaus
tritt bei Zahnriemen aufgrund der Drehwinkelschwankungen eine ungleichmäßige Belastung
auf, die Zahnriemenrisse fördert
und die Lebensdauer des verwendeten Zahnriemens verringert.
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Daher
wurden unrunde Zahnräder
vorgeschlagen, um diese Trumschwingungen und Drehwinkelschwankungen
auszugleichen. Unter unrunden Zahnrädern sind dabei solche Zahnräder zu verstehen,
die keinen kreisförmigen
Umfangsquerschnitt aufweisen und bei denen die Wirkkurve bzw. der
Umschlingungsbogen des kraftübertragenden Endloselements
nicht kreisförmig
ist.
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So
beschreibt die Offenlegungsschrift DE 10 2004 048 629 A1 eine unrunde
Rotationsscheibe eines Steuertriebs. Die Rotationsscheibe weist
dabei einen Rotationsscheibenradius auf, der funktional von dem
Drehwinkel und einem mittleren Radius abhängt, wobei der mittlere Radius
so gewählt
ist, dass eine umlaufende Bogenlänge
einer Rotationsscheibenumschlingungskurve gleich dem Produkt aus dem
vorgegebenen Abstand der Mittelpunkte benachbarter Zähne und
der Anzahl der Zähne
ist.
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Des
weiteren beschreibt die Gebrauchsmusterschrift
DE 202 20 367 U1 eine Synchronantriebsvorrichtung
mit einer Mehrzahl von Rotoren, die mittels eines kraftübertragenden
Endloselements miteinander gekoppelt sind, wobei einer der Rotoren
ein nicht-kreisförmiges
Profil mit mindestens zwei vorstehenden Abschnitten aufweist, die
sich mit rückstehenden
Abschnitten abwechseln, wobei die Winkelpositionen der vorstehenden
und rückstehenden
Abschnitte des nicht-kreisförmigen
Profils und das Ausmaß der
Exzentrizität
des nicht-kreisförmigen Profils derart
sind, dass das nicht-kreisförmige
Profil ein entgegengesetztes schwankendes korrigierendes Drehmoment
an das kraftübertragende
Endloselement anlegt, das ein schwankendes Belastungsdrehmoment
eines Belastungsaufbaus verringert oder im wesentlichen aufgehoben
wird.
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Im
Betrieb dieser vorgeschlagenen Rotationsscheiben bzw. der vorgeschlagenen
Synchronantriebsvorrichtungen zeigte sich, dass die Drehwinkelschwankungen
zwar im wesentlichen ausgeglichen werden können, trotz allem jedoch ein
hoher Riemenverschleiß auftritt.
Der hohe Riemenverschleiß wiederum
macht kurze Serviceintervalle notwendig und führt zu hohen Wartungskosten
der betreffenden Anlagen.
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Für eine Momentenkompensation
und zum Ausgleichen der Drehwinkelschwankungen reichen die bisher
eingesetzten Unrundheiten nicht aus. Es bedarf also einer Scheiben-
bzw. Zahnauslegung, die Belastungsspitzen vermeidet und ein möglichst gleichmäßiges „Tragbild" im Umschlingungsbogen, d.h.
dem Kontaktbereich zwischen Riemen und Scheibe, bereitstellt.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationsscheibe bzw.
eine Antriebsvorrichtung oder ein Umschlingungsgetriebe bereitzustellen,
bei dem Drehwinkelschwankungen ausgeglichen werden und dabei ein
wesentlich verringerter Verschleiß des kraftübertragenden Endloselements
auftritt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch eine Rotationsscheibe gemäß Anspruch 1, einer Antriebsvorrichtung
gemäß Anspruch
6 und ein Umschlingungsgetriebe gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Rotationsscheibe
ist um einen Drehwinkel um eine Rotationsachse rotierbar und umfasst
eine Anzahl von an einem Umfang der Rotationsscheibe angeordneten
Zähnen
sowie zwischen den Zähnen
befindliche Zahnlücken,
wobei die Zahnlücken
jeweils zu einer Zahnlückensymmetrieachse
symmetrisch sind, und einen Rotationsscheibenradius, der funktional
von dem Drehwinkel und einem bestimmten mittleren Radius abhängt, und
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnlückensymmetrieachsen jeweils
im wesentlichen auf den lokalen Krümmungsmittelpunkt des Umfangs
der Rotationsscheibe ausgerichtet sind.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Ursache für den hohen Verschleiß der kraftübertragenden
Endloselemente bei den Rotationsscheiben des Standes der Technik
von großen
Kraftspitzen hervorgerufen wird, die von den Zahnradzähnen auf
das Endloselement ausgeübt
werden. Der Grund hierfür
ist die Ausrichtung und Profilierung der kreisrunden Zahnräder des Standes
der Technik.
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Bei
einem kreisrunden Zahnrad sind die zwischen den Zähnen befindlichen
Zahnlücken
jeweils zu einer sogenannten Zahnlückensymmetrieachse symmetrisch.
Bei kreisrunden Zahnrädern
verläuft jede
Zahnlückensymmetrieachse
durch die Rotationsachse bzw. den Mittelpunkt dieses kreisrunden Zahnrads.
Der Abschnitt des Zahnrads zwischen zwei solchen Zahnlückensymmetrieachsen
wird im Rahmen dieser Beschreibung Sektor genannt.
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Bei
einem kreisrunden Zahnrad sind alle Sektoren identisch. Durch Aneinandersetzen
der Sektoren erhält
man ein kreisrundes Zahnrad. Dabei weisen die Zahnlücken eine
kontinuierliche Oberfläche
ohne mit tangentialen Übergängen versehenen Unstetigkeiten
zwischen den Sektoren auf.
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Bei
den nicht-kreisförmigen
Zahnrädern
des Standes der Technik wurde bisher bei der Auslegung ebenfalls
festgesetzt, dass sämtliche
Zahnlückensymmetrieachsen
durch die Rotationsachse des Zahnrades verlaufen müssen. Bei
derartigen Zahnrädern
können
jedoch nicht einfach identische Sektoren aneinandergesetzt werden.
Vielmehr müssen
die Sektoren um ein gewisses Maß verzerrt
werden, um die einzelnen Sektoren entlang des nicht-kreisförmigen Umfangs
aneinanderzusetzen.
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An
den Zahnlückensymmetrielinien
weisen die Zahnlücken
jedoch nun keine Übergänge zwischen
den Sektoren wie bei einem kreisförmigen Zahnrad auf, sondern
sind in diesem Bereich stärker gekrümmt oder
weisen sogar eine Unstetigkeit an der Zahnlückensymmetrieachse auf. Daher
weisen die Zähne
in einem größeren Winkel
auseinander als bei einem kreisförmigen
Zahnrad.
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Die
Zahnlückenkonturen
des Standes der Technik sind so verzerrt, dass sie im Zahngrund
des kraftübertragenden
Endloselements eine erhöhte
Belastung erzeugen. Darüber
hinaus tritt an derartigen Konturen ein erhöhter Verschleiß auf.
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Erfindungsgemäß sind die
Zahnlückensymmetrieachsen
jedoch nicht alle auf die Rotationsachse ausgerichtet, sondern sind
jeweils im wesentlichen auf den lokalen Krümmungsmittelpunkt des Umfangs
der Rotationsscheibe gerichtet, d.h. sie stehen senkrecht auf der
Kontur des unrunden Rades. Die Zahnlückensymmetrieachsen verlaufen
dann in der Regel nicht mehr durch die Rotationsachse. Durch die
gleich gehaltenen Zahnlücken
wird dann die in der Regel asymmetrische Zahngeometrie bestimmt.
Die Flankenkontur des Zahns ergibt sich aus der Form benachbarter
Zahnlücken.
Die Kopfkontur des Zahns ergibt sich aus der Geometrie der Kontur der
Wirklinie.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausrichtung der
Zahnlückensymmetrieachsen
auf die jeweiligen lokalen Krümmungsmittelpunkte
werden symmetrische Zahnlückengeometrien
mit kontinuierlichen Übergängen zwischen
den Sektoren in den Zahnlücken
erzeugt. Des weiteren wird so das Problem des erhöhten Verschleisses
vermieden. Der Ein- und Auslauf des kraftübertragenden Endloselements
erfolgt reibungs- und verschleißreduziert,
da die Pressung aufgrund der Kraftübertragung von den Zähnen auf
das kraftübertragende
Endloselement nun gleichmäßig verteilt
ist und Kraftspitzen vermieden werden. Auf diese Weise stellt die
erfindungsgemäße Rotationsscheibe
einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem
Stand der Technik bereit.
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In
einer Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass der Umfang der Rotationsscheibe im wesentlichen
unrund ist. Die Zahnlückensymmetrieachsen
stehen senkrecht auf der Kontur der unrunden Rotationsscheibe.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotationsscheibenradius durch
eine harmonische Entwicklung der folgenden Form ausdrückbar ist:
wobei hierin r
mittel der
mittlere Radius, δr
i eine Unrundheitsamplitude, n
i eine
Anzahl der Erhebungen, φ
i eine Phasenlage, und t ein Laufparameter
aus einem Intervall von 0 bis 2π ist.
Der mittlere Radius wird dabei in Abhängigkeit der übrigen Parameter
geeignet gewählt,
so dass sich eine gewünschte
Länge der Umschlingungskurve
der Rotationsscheibe ergibt. Die Anzahl der Erhebungen wird auch
als Ordnung bezeichnet. Wie zu erkennen ist, können dem mittleren Radius auch
mehrere winkelabhängige
Störglieder
verschiedener Ordnungen überlagert
werden. Ist kein Störglied
vorgesehen, erhält
man eine kreisrunde Rotationsscheibe. Entsprechend ist vorgesehen, dass
stets mindestens ein Störglied
vorhanden ist.
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Wird
jeder Parameter δri gleich Null gesetzt, erhält man ebenfalls
eine kreisrunde Rotationsscheibe. Entsprechend ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
jeder Parameter δri ungleich Null ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass die Zähne
für eine
Evolventenverzahnung ausgebildet sind.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Zahnlückensymmetrieachsen so ausgerichtet
sind, dass eine zu der Rotationsscheibe konzentrische Kreisfläche nicht
von den Zahnlückensymmetrieachsen durchkreuzt
ist, die nicht durch die Rotationsachse verlaufen. Die Kreisfläche kann
einen Durchmesser von etwa 0,1 mm bis etwa 20 mm und insbesondere einen
Durchmesser von etwa 0,5 mm bis etwa 6 mm aufweisen.
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Eine
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst
mindestens zwei Rotationsscheiben und ein kraftübertragendes Endloselement
zum Übertragen eines
Moments zwischen den Rotationsscheiben und ist dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine der Rotationsscheiben eine erfindungsgemäße Rotationsscheibe
ist. Auf diese Weise wird auch bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
ein erhöhter Verschleiß des kraftübertragenden
Endloselements vermieden.
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Des
weiteren kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein.
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Alternativ
kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
zum Einsatz in einem Luftfahrzeug ausgebildet sein.
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In
einer Ausführungsform
ist die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
eine Synchronantriebsvorrichtung.
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Das
erfindungsgemäße Umschlingungsgetriebe
umfasst mindestens zwei Rotationsscheiben und ein kraftübertragendes
Endloselement zum Übertragen
eines Moments zwischen den Rotationsscheiben und ist dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine der Rotationsscheiben eine erfindungsgemäße Rotationsscheibe
ist. Auf diese Weise wird auch bei dem erfindungsgemäßen Umschlingungsgetriebe
ein erhöhter
Verschleiß des
kraftübertragenden
Endloselements vermieden.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
der dazugehörigen
Zeichnung zeigt dabei:
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1 eine
Querschnittsansicht eines nicht-kreisförmigen Zahnrads zum Ausgleich
von Drehwinkelschwankungen und Trumschwingungen des Standes der
Technik,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Bereichs eines nichtkreisförmigen
Zahnrads des Standes der Technik in 1,
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3 eine
Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe in einer
bevorzugten Ausführungsform,
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4 eine
vergrößerte Ansicht
eines Bereichs um die Rotationsachse der Rotationsscheibe in 3,
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5 eine
Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe,
deren Radius aus der Überlagerung
eines mittleren Radius mit einem Störglied dritter Ordnung und
einem Störglied
sechster Ordnung gebildet ist, und
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6 eine
vergrößerte Ansicht
eines Bereichs A um die Rotationsachse der Rotationsscheibe in 5
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 und 2 zeigen
eine Rotationsscheibe 110 des Standes der Technik. Die
Rotationsscheibe 110 des Standes der Technik weist einen nichtkreisförmigen Querschnitt
zum Ausgleichen von Drehschwingungen bzw. Drehwinkelschwankungen auf.
Entlang dem Umfang der Rotationsscheibe 110 ist eine Anzahl
von Zähnen 120 angeordnet.
Die Rotationsscheibe 110 rotiert um eine Rotationsachse 112.
Zwischen den Zähnen 120 befindliche
Zahnlücken
sind jeweils zueinander zu einer Zahnlückensymmetrieachse 130 symmetrisch.
Die Rotationsscheibe 110 befindet sich entlang einer Wirkkurve 200 in
Eingriff mit einem kraftübertragenden
Endloselement (nicht dargestellt).
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Damit
die einzelnen zwischen zwei Zahnlückensymmetrieachsen 130 befindlichen
Sektoren der Rotationsscheibe 110 trotz des nicht-kreisförmigen Querschnitts
aneinanderpassen, müssen
sie geändert
bzw. verzerrt werden. Dadurch entstehen an den Übergängen zwischen den Zähnen 120 an
den Zahnlückensymmetrieachsen 130 Übergänge mit
Unstetigkeiten. Durch diese Verzerrung tritt das in der Beschreibungseinleitung
ausgeführte
Problem eines erhöhten
Verschleisses auf.
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Zum
Vergleich ist in 2 eine Zahnlückensymmetrieachse mit zugehöriger Tangente 220 dargestellt,
die durch die Rotationsachse 112 verläuft, und des weiteren eine
Zahnlückensymmetrieachse mit
zugehöriger
Tangente 240 abgebildet, die gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht durch den Rotationsachse 112 verläuft, sondern senkrecht auf
der Tangente steht und auf den lokalen Krümmungsmittelpunkt ausgerichtet
ist.
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Die 3 und 4 zeigen
eine erfindungsgemäße Rotationsscheibe 10,
die um eine Rotationsachse 12 rotiert. Entlang dem Umfang
der Rotationsscheibe 10 ist eine Anzahl von Zähnen 20 angeordnet.
Zwischen den Zähnen 20 befindliche
Zahnlücken 22 sind
zueinander entlang einer Zahnlückensymmetrieachse 30 symmetrisch.
Wie zu erkennen ist, sind bei der erfindungsgemäßen Rotationsscheibe 10 die
Zahnlückensymmetrieachsen 30 nicht
auf die Rotationsachse 12 ausgerichtet. Die Zahnlückensymmetrieachsen 30 sind
vielmehr auf die lokalen Krümmungsmittelpunkte,
d.h. auf den Krümmungsmittelpunkt
der Krümmung
an dem Punkt, an dem die Zahnlückensymmetrieachse 30 die
Umfangslinie der Rotationsscheibe schneidet, ausgerichtet. Um die Rotationsachse 12 ist
daher eine Kreisfläche 14 gebildet,
die von keiner der Zahnlückensymmetrieachsen 30 durchkreuzt
ist.
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Die 5 und 6 zeigen
eine erfindungsgemäße Rotationsscheibe 10 in
einer weiteren Ausführungsform.
Der Rotationsscheibenradius ist aus einem mittleren Radius gebildet,
der von einem Störglied
dritter Ordnung und einem Störglied
sechster Ordnung auf erfindungsgemäße Weise überlagert ist. 6 zeigt
den Verlauf der Zahnlückensymmetrieachsen 30 in
der Nähe
der Rotationsachse 12.
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Durch
die erfindungsgemäßen Rotationsscheiben 10 ist
eine symmetrische Ausgestaltung der Zahnlücken 22 entlang dem
Umfang der Rotationsscheibe 10 ohne eine Verzerrung und
mit kontinuierlichen Übergängen der
Zahnlücken
an den Zahnlückensymmetrieachsen 30 möglich. Die
Kontur der Zähne 20 ergibt
sich dann aus den Positionen der Zahnlücken 22 und der Kontur
der Wirklinie der Rotationsscheibe 10.
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So
wird eine gleichmäßige Pressung
eines an die Rotationsscheibe 10 angelegten kraftübertragenden
Endloselements an Zähne 20 ermöglicht und eine
Ein- und Auslauf
des kraftübertragenden
Endloselements erfolgt reibungs- und verschleißreduziert. Es treten an dem
kraftübertragenden
Endloselement keine von den Zähnen 20 ausgeübten Kraftspitzen auf.
Auf diese Weise wird der Verschleiß des kraftübertragenden Endloselements
gegenüber
dem Stand der Technik wesentlich reduziert, wodurch längere Serviceintervalle
und somit geringere Wartungskosten der Anlagen, in denen die erfindungsgemäße Rotationsscheibe
Anwendung findet, ermöglicht
werden.
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Die
erfindungsgemäße Rotationsscheibe wird
vorzugsweise in einer Synchronantriebsvorrichtung oder in einem
Umschlingungsgetriebe eingesetzt. Die Synchronantriebsvorrichtung
bzw. das Umschlingungsgetriebe ist vorzugsweise zum Einsatz in einem
Kraftfahrzeug oder in einem Luftfahrzeug ausgebildet. Die erfindungsgemäße Rotationsscheibe
ist jedoch auch unabhängig
von diesen Anwendungen einsetzbar, bspw. auch in Textil- oder Büromaschinen.
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- 10
- Rotationsscheibe
- 12
- Rotationsachse
- 20
- Zähne
- 22
- Zahnlücken
- 30
- Zahnlückensymmetrieachsen
- 110
- Rotationsscheibe
(Stand der Technik)
- 112
- Rotationsachse
(Stand der Technik)
- 120
- Zähne (Stand
der Technik)
- 130
- Zahnlückensymmetrieachsen
(Stand der Technik)
- 200
- Wirkkurve
(Stand der Technik)
- 220
- Zahnlückensymmetrieachse
durch Rotationsachse mit zugehöriger
Tan
-
- gente
(Stand der Technik)
- 240
- Zahnlückensymmetrieachse
außerhalb
Rotationsachse mit zugehöriger
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- Tangente