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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Herkömmliche Getriebe sind in jeglicher Form und Ausführung auf dem Markt bekannt und erhältlich.
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Im wesentlichen werden drei unterschiedliche Technologien von Getrieben im Markt verwendet. Zum Einen sind im Markt Planetengetriebe bekannt, bei welchen bspw. innerhalb eines Hohlrades koaxial eine oder mehrere Planetenräder mittels eines meist zentral angeordneten Sonnenrades zur Übertragung eines Momentes auf einem Planetenradträger bzw. Abtriebselement vorgesehen sind.
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Bei derartigen Umlauf- oder Planetengetriebe können keine hohen Übertragungsgeschwindigkeiten gefahren sowie keine hohen Momente bei generell nur sehr kleinen möglichen Hohlwellendurchmessern übertragen werden. Zudem unterliegen derartige Getriebe einer geringen Steifigkeit und geringen Robustheit, wobei diese eine geringe Überlastfähigkeit besitzt.
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Ferner ist nachteilig, dass insbesondere bei hohen antriebsseitigen Drehzahlen eine Übersetzung bzw. ein Übersetzungsverhältnis beschränkt ist.
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Ferner sind Exzentergetriebe bekannt, bei welchen meist ein Planetenrad innerhalb eines innen verzahnten Hohlrades zur Übertragung der Drehmomente wie zur Herstellung von Übersetzungen vorgesehen ist.
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Bei Exzentergetrieben ist von Nachteil, dass diese große Trennkräfte erfordern, sehr große Lagerelemente, insbesondere bei Hohlwellenausführungen erfordern und nur für Hohlwellenausführungen mit kleineren Durchmessern geeignet sind. Auch hier weisen diese Exzentergetriebe geringe Überlastfähigkeiten und geringe Robustheiten auf.
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Zudem sind die Übersetzungsbereiche beschränkt auf etwa i = 30 bis i = 100 und dies nur bei geringen Antriebsdrehzahlen. Bei höheren Antriebsdrehzahlen unterliegen derartige Exzentergetriebe einem hohen Verschleiß und weisen daher eine geringe Standzeit auf, was unerwünscht ist.
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Zudem weisen derartige Exzentergetriebe hohe Reibungsverluste und daher geringe Wirkungsgrade auf, da Kupplungen od. dgl. an Exzentergetriebe anschließen, um die exzentrische Abtriebsbewegung auf eine zentrische Bewegung zu verlagern. Daher ist der Wirkungsgrad des Exzentergetriebes sehr niedrig.
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Insbesondere bei hohen Drehzahlen treten hohe Schwingungsproblematiken auf, die ebenfalls unerwünscht sind.
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Ferner sind Harmonic Drive Getriebe bekannt, die zwar auch als Hohlwellengetriebe ausführbar sind, wobei zwischen einem meist oval ausgebildeten Antriebselement und einem innen verzahnten Hohlrad ein sogenannter Flexspline angeordnet ist, der weich und nachgiebig ausgebildet ist und das entsprechende Moment zwischen Antrieb und Hohlrad überträgt sowie eine Übersetzung zulässt.
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Der sogenannte Flexspline unterliegt dauerhaften Belastungen und versagt häufig bei hohen Momenten. Zudem ist der Flexspline nicht überlastfähig und reißt häufig bei zu hohen Momenten schnell ab. Das Harmonic Drive Getriebe hat ferner einen schlechten Wirkungsgrad und eine geringe Verdrehsteifigkeit.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Koaxialgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die genannten Nachteile der bis jetzt bekannten Koaxialgetriebe, Planetengetriebe, Exzentergetriebe sowie Harmonic Drive Getriebe beseitigt, wobei eine Kraftübertragung zwischen Antriebselement und Zahnsegment deutlich zum übertragen von sehr hohen Kräften verbessert werden soll.
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Die
DE 11 82 011 B offenbart ein Getriebe, bei welchen Zahnbausteine mit einer Mehrzahl von Zähnen über eine konturierte Antriebswelle in eine Innenverzahnung eines Hohlrades zur Herstellung einer Übersetzung eingreifen. Dabei ist zwischen der Außenkontur einer Antriebswelle und den einzelnen Zahnbausteinen eine Lagerung mit Flexspline dazwischen angeordnet.
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Die
DE 34 10 53 A beschreibt ein Übersetzungsgetriebe, bei welchem einzelne Zahnstifte über eine Kontur einer Antriebswelle in eine Innenverzahnung eines Hohlrades bewegt werden. Dabei liegen längsseits die Zahnsegmente an der Außenkontur in nackenartig ausgebildeten Antriebswellen an.
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Die
US 5,018,708 A beschreibt einen Flaschenzug, bei welchem eine Mehrzahl von Kugeln über eine Nocke in eine Innenverzahnung eines Hohlrades zur Herstellung einer Übersetzung bewegt werden. Dabei wird eine punktförmige Kraft von einer äußeren Kontur einer Antriebswelle auf die Kugeln in eine Innenverzahnung übertragen.
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Die
EP 0 196 650 A1 beschreibt ein ähnliches Getriebe, bei welchem eine Kraftübertragung zwischen einer äußeren Kontur einer Antriebswelle und einer Innenverzahnung eines Hohlrades punktförmig über Kugeln übertragen wird.
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Die
WO 99/036711 A1 beschreibt ein Koaxialgetriebe, bei welcher einzelne Zahnsegmente über die äußere Exzenterkontur nockenartig ausgebildete Kontur der Antriebswelle in eine Innenverzahnung eines Hohlrades bewegt werden. Diese unterliegen der Reibung und dem hohen Verschleiß. Sehr hohe Kräfte können hier nicht übertragen werden.
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Den nächstliegenden Stand der Technik zur vorliegenden Anmeldung stellt die
DE 26 17 951 B2 dar. Diese zeigt ein Getriebe, bei dem einzelne Zahnsegmente auf dem Antriebselement sitzen. Diese Zähne sind schwenkbar in Grundkörpern gelagert. Diese Grundkörper befinden sich auf einem Lagerband, das den Lageraußenring eines Lagers darstellt. Eine radiale Beweglichkeit der Zahnelemente ist nicht gegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Koaxialgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die genannten Nachteile der bis jetzt bekannten Koaxialgetriebe, auch Planetengetriebe etc. sowie Harmonic Drive Getriebe beseitigt, wobei eine Kraftübertragung zwischen Antriebselement und Zahnsegment deutlich zum Übertragen von sehr hohen Kräften, Momenten verbessert werden soll. Ferner soll die Lebensdauer des Koaxialgetriebes bei optimierter Belastbarkeit zur gleichzeitigen Anpassbarkeit auf entsprechende Abtriebs- und/oder Antriebsmomente optimierbar sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe führt der kennzeichnende Teil des Anspruchs 1.
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Bei der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ein Koaxialgetriebe zu schaffen, bei welchem eine Mehrzahl von Zahnsegmenten innerhalb eines Elementes linear, radial nach außen hin und her bewegbar geführt sind. Die einzelnen Zahnsegmente weisen Zahnflanken auf, die in die entsprechende Verzahnung eines äusseren Hohlrades eingreifen.
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Die Zahnsegmente werden mittels eines Antriebselementes, welches eine äußere Profilierung und eine äußere Kontur besitzt, zur Herstellung einer rotativen Übersetzung und Bewegung durch eine entsprechende rotative Antriebsbewegung in die Verzahnung des Hohlrades bewegt.
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Die Zahnsegmente können querschnittlich rund, mehreckig, rechteckartig oder oval ausgebildet sein und werden innerhalb des Elementes linear geführt und gehalten.
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Bei der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Element, insbesondere das Abtriebselement zu verstärken, in dem nur jeder Zweite, jeder Dritte, jeder Vierte oder ein Vielfaches hiervon von Zahnsegmenten im Element eingesetzt sind und mit der inneren Verzahnung des Hohlrades in Eingriff gelangen.
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Zudem kann ein Fußbereich des Zahnsegmentes verjüngt ausgebildet sein, um das Element, insbesondere das Abtriebselement stärker auszubilden, um höhere Kräfte der einzelnen Zahnsegmente aufzunehmen, eine Torsion, Biegung zu verringern und gleichzeitig ein hohes Abtriebs- oder Antriebsmoment aufzunehmen.
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Dabei können auch mehrere Zahnsegmente in Axialrichtung nebeneinander beabstandet in das Element, insbesondere in das Abtriebselement eingesetzt sein, um die Kräfte auf das Hohlrad bzw. auf unterschiedliche Bereiche der Verzahnung zu verteilen.
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Ferner soll daran gedacht sein, dass die Zahnsegmente über entsprechende Auflageelemente abgestützt sind, die wiederum über entsprechende Lagerelemente des Antriebselementes rollen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine äußere Kontur, insbesondere Profilierung des Antriebselementes mit einer entsprechenden umlaufenden Nut für die Lagerelemente, insbesondere Nadellager vorzusehen, in welcher die Lagerelemente abwälzen. Diese können axial stirnseitig nicht aus der Lagernut austreten.
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Von außen übergreifen seitliche Flansche der Auflageelement die Lagerelemente, sodass eine axiale Fixierung sicher gestellt ist. Die als segmentierter Lageraußenring ausgebildete Auflageelemente übertragen eine lineare Bewegung des Zahnsegmentes auf die Verzahnung des Hohlrades.
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Das Auflageelement vergrößert eine Fläche zur Kraftübertragung auf das Zahnsegment. Dabei können die einzelnen Auflageelemente stirnseitig durch entsprechende vorgesehene Vorsprünge und Ausnehmungen von jeweils benachbarten Auflageelementen ineinandergreifen. Diese greifen kettenartig oder formschlüssig ineinander und lassen somit eine Bewegung in Radialrichtung zu.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann durch die entsprechende Wahl und Anordnung der Zahnsegmente und der Anzahl der Zahnsegmente im Element, insbesondere im Abtriebselement sowie durch die entsprechende radiale Beabstandung benachbarter Zahnsegmente Einfluss genommen werden auf die Steifigkeit der Führung der Zahnsegmente sowie auf die Größe des zu übertragenden Momentes.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
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1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Koaxialgetriebe;
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2a einen schematisch vergrößert dargestellten Querschnitt eines Koaxialgetriebes nach dem Stand der Technik;
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2b eine schematisch dargestellte perspektivische Darstellung eines Koaxialgetriebes nach dem Stand der Technik im Bereich von Zahnsegmenten und Antriebselement;
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3 einen vergrößert dargestellten schematischen Teilquerschnitt eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Koaxialgetriebes;
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4 einen schematisch dargestellten Teilquerschnitt eines noch weiteren Koaxialgetriebes gemäss 1;
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5 eine schematisch dargestellte perspektivische Darstellung auf ein Teil eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Koaxialgetriebes mit Zahnsegmenten und Auflageelementen;
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6 eine schematisch dargestellte perspektivische Draufsicht auf einen Teil des Koaxialgetriebes im Bereich der Zahnsegmente und Auflageelementen gemäss 5;
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7 eine perspektivische Unteransicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Auflageelement zur Übertragung der Schubbewegung der Zahnsegmente.
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Gemäß 1 weist ein Koaxialgetriebe R1 ein Hohlrad 1 auf, welches eine innenliegende Verzahnung 2 mit einer Mehrzahl von Zahnlücken 2 besitzt. Innerhalb des Hohlrades 1 ist ein Element 3, bevorzugt ausgebildet als Abtriebselement, kreisringartig eingesetzt, wobei im kreisringartigen Element 3 eine Mehrzahl von radial nebeneinander und in entsprechende Führungen 4, Zahnsegmente 5 eingesetzt sind. Die Zahnsegmente 5 sind innerhalb der Führung 4 radial hin und her verschiebbar gelagert und weisen einends Zahnflanken 6 auf.
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Innerhalb des Elementes 3 mit aufgenommenen Zahnsegmenten 5 ist ein Antriebselement 7, ausgebildet als Welle oder als Hohlwelle vorgesehen, die eine äußere Profilierung 8 aufweist, die bspw. mit einer Kontur 9, als Erhöhung, polygon- oder nockenartig ausgebildet sein kann.
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Ebenfalls ist zwischen der äußeren Kontur 9 der Profilierung 8 des Antriebselementes 7 und dem Element 3, insbesondere dem Antriebselement bzw. einends der Zahnsegmente 5 eine Lagerelement 10 vorgesehen, wie es insbesondere in den 2 bis 5 angedeutet ist.
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Als Lagerelement 10 können Nadellager od. dgl. Elemente eingesetzt sein, die die äußere Kontur 9 der Profilierung 8 des Antriebselementes 7 umfangen.
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Betreffend die Funktionsweise des vorliegendes Koaxialgetriebes wird auf die Deutsche Patentanmeldung
DE 10 2006 042 786 verwiesen. Dort ist die Funktionsweise des Koaxialgetriebes genau beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung des o. g. Koaxialgetriebes.
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In 2a ist dargestellt, dass nicht jedes Zahnsegment 5 in eine entsprechende passende Zahnlücke 2' des Hohlrades 1 eingreift, sondern dass nur in jede zweite, jede dritte oder jede vierte oder jede „n”-te Zahnlücke 2' zumindest ein Zahnsegment 5 eingreift bzw. dort in Eingriff gelangt. Auf diese Weise ist eine Breite B zwischen zwei Führungen 4 zur Aufnahme der Zahnsegmente 5 wesentlich vergrößert, was eine größere Stabilität und einen besseren Halt des Elementes 3, insbesondere ausgebildet als Antriebselement gewährleist. Zudem wird auch eine größere Torsionssteifigkeit, Verbindungssteifigkeit zur Aufnahme einzelner oder mehrerer Zahnsegmente 5 axial hintereinander gewährleistet.
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Hierdurch lassen sich sehr hohe Momente torsionssteif übertragen.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2b ist ein Getriebe R2 aufgezeigt, bei welchem zwischen den Auflageelementen 11 und dem Antriebselement 7, insbesondere dessen Kontur 9 zwischen einzelnen benachbarten Lagerelemente 10, insbesondere Nadellager, Abstandshalter 16 vorgesehen sind. Die Abstandhalter 16 greifen jeweils stirnseitig an die Lagerelemente 10 vorzugsweise beidseitig an und beabstanden diese zueinander ketten- bzw. gliederartig. Es können entsprechende Vorsprünge 13 in Ausnehmungen 14 oder Rücksprünge eingreifen, um einerseits einen Spalt 26 zwischen zwei benachbarten Auflageelementen 11 zu definieren und gleichzeitig eine umfangsseitige Überlappung der benachbarten Auflageelemente 11 hinsichtlich Vorsprung 13 und Ausnehmung 14 herzustellen um gleichzeitig eine axiale Lagerung und einen axialen Halt der einzelnen Auflageelemente 11 zu gewährleisten. Diese sind axial nach außen umfangsseitig gesichert, insbesondere durch den Vorsprung 13, der in eine passende Ausnehmung 14 eingreift, wobei auch daran gedacht sein kann, dass der Vorsprung 13 die Ausnehmung 14 jeweils nur als schräg ausgebildete Stirnseite ausgeformt sein können.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 aufgezeigt ist, greift in jede vierte Zahnlücke 2' zumindest ein Zahnsegment 5 radial ein, wobei eine Breite B zwischen zwei Führungen, insbesondere zwischen zwei radial benachbarten Zahnsegmenten 5 wesentlich vergrößert ist, und hierdurch unterschiedlich große Abtriebsmomente sowie Führungskräfte der Zahnsegmente 5 in der Führung 4 aufgenommen werden können.
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Im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß 4 ist dargestellt, wie in jede Zahnlücke 2' des Hohlrades 1 ein Zahnsegment 5 in entsprechende Führungen 4 des Elementes 3, insbesondere des Abtriebselementes eingreift, wobei zur Stärkung, insbesondere Verstärkung, des Elementes 3 zur Vergrößerung einer Breite B des Elementes 3 ein Fußbereich 22 des Zahnsegmentes 5 querschnittlich verjüngt ausgebildet ist.
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Der Fußbereich 22 kann von einer Dicke DF sein, die gleich oder kleiner ist als eine Dicke DZ der Zahnflanke 6 des Zahnsegmentes 5.
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Auch hier ist denkbar, dass jedes Zweite, jedes Dritte oder ein Vielfaches der Zahnsegmente 5 in die jeweiligen Zahnlücke 2' des Hohlrades 1 eingreifen. Dabei sind Fußbereiche 22 der Zahnsegmente 5 in der Auflageelement 11 abgestützt, die wiederum direkt oder indirekt in die Lagerelemente 10 gegenüber dem Antriebselement 7, insbesondere dessen Profilierung 8 abgestützt sind.
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Wie ferner aus 3 ersichtlich ist, kann das Zahnsegment 5 bspw. indirekt über ein Gelenk 12 mit einer Ausnehmung 17 der Auflageelement 11 gelenkartig abgestützt und innerhalb der Führung 4 gelagert sein.
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Wie es in 4 oder 1 dargestellt ist, kann auch direkt ein Fußbereich 22 durch eine entsprechende Profilierung 18 in eine entsprechende Ausnehmung 17 der Auflageelement 11 eingreifen.
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Ferner hat sich als besonders vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung erwiesen, wie insbesondere aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ersichtlich ist, dass eine Mehrzahl von Auflageelementen 11 radial und nebeneinander beabstandet auf einer äußeren Kontur 9 des Antriebselementes 7 angeordnet sind. Dabei sind die Lagerelemente 10 in einer Lagernut 23 außen in der Kontur 9 bzw. Profilierung 8 eingelassen, so dass diese axial weder in die eine noch in die andere Richtung austreten können.
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Auf die Lagerelemente 10 sind eine Mehrzahl von nebeneinander angeordnete Auflageelement 11 aufgelegt, die ebenfalls an ihrer Unterseite entsprechende Lagernuten 24 besitzen, so dass stirnseitig entsprechende Flansche 25, wie in 7 dargestellt, stirnseitig die Lagerelemente 10 übergreifen, so dass das Auflageelement 11 axial gesichert auf den Lagerelementen 10, insbesondere den Nadelrollen gehalten ist und radial eine optimale Lagerung zulässt.
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Seitlich besitzt das Auflageelement 11 einen Vorsprung 13, der vorzugsweise dreieckartig und als stumpfes Dreieck ausgeformt ist, welcher in eine entsprechende passende Ausnehmung 14 einer benachbarten Auflageelement 11 eingreift. Die Auflageelement besitzt einerseits einen entsprechenden Vorsprung 13 und anderseits eine entsprechende Ausnehmung 14, die dem Eingreifen des Vorsprunges 13 der benachbarten Auflageelement 11 dient.
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Ferner ist die entsprechende Ausnehmung 17 vorzugsweise durchgehend ausgebildet, so dass dort zumindest ein Zahnsegment 5 in seinem Fußbereich 22 dort eingreifen kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Mehrzahl von einzelnen Auflageelementen 11 mit Lagerelementen 10 segmentartig auszubilden, die als segmentartige Lageraußenringe das eigentliche Antriebselement 7, insbesondere dessen Profilierung 8 umfangen. Gleichzeitig dient das Auflageelement 11 der Verteilung der Kräfte auf die Zahnsegmente 5, wobei die Zahnsegmente 5 innerhalb der Auflageelement 11 separat gelagert bzw. abgestützt sind. Ein derartig segmentierter Lageraußenring, gebildet aus einer Mehrzahl von segmentartigen Auflageelementen 11 ist sehr steif und kann sehr hohe Kräfte bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten auf die einzelnen Zahnsegmente übertragen.
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Es hat sich als vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung erwiesen, in Axialrichtung eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei nebeneinander angeordnete zylindrisch ausgebildete Zahnsegmente 5 in das Element 3, insbesondere in das Antriebselement in entsprechende passende zylindrische Führung 4 einzusetzen, die dann gemeinsam, in einer Auflageelement 11 abgestützt sind.
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Ferner ist denkbar, wie es insbesondere im Ausführungsbeispiel gemäß 6 dargestellt ist, dass in einem gemeinsamen Auflageelement 11 axial nebeneinander angeordnete Zahnsegmente 5, oder sogar auch eine Mehrzahl davon, d. h., drei, vier etc. angeordnet sind, und in der jeweils benachbarten Auflageelement 11 bzw. im Element 3 dann radial und axial versetzt dazu jeweils nur ein Zahnsegment 5, oder eine entsprechend reduzierte Anzahl von Zahnsegmenten 5 eingesetzt ist.
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Durch den entsprechenden axialen Versatz der Zahnsegmente
5, von Auflageelement zu Auflageelement im Element
3 wird eine optimale Kraftverteilung gewährleistet, das Element
3 kann in entsprechenden Bereichen in denen kein Zahnsegment
5 eingesetzt ist, stabiler ausgebildet werden und die Zahnsegmente
5 greifen in unterschiedliche Bereiche, insbesondere Eingriffsbereiche der Verzahnung
2 ein, was den Verschleiß ebenfalls minimiert und die Standzeit deutlich erhöht. Dann kann auch in jede Zahnlücke
2' des Hohlrades mindestens ein Zahnsegment
5 eingreifen. Bezugszeichenliste
| 1 | Hohlrad | 2' | Zahnlücke | 67 | |
| 2 | Verzahnung | 35 | | 68 | |
| 3 | Element | 36 | | 69 | |
| 4 | Führung | 37 | | 70 | |
| 5 | Zahnsegment | 38 | | 71 | |
| 6 | Zahnflanke | 39 | | 72 | |
| 7 | Antriebselement | 40 | | 73 | |
| 8 | Profilierung | 41 | | 74 | |
| 9 | Kontur | 42 | | 75 | |
| 10 | Lagerelement | 43 | | 76 | |
| 11 | Auflageelement | 44 | | 77 | |
| 12 | Gelenk | 45 | | 78 | |
| 13 | Vorsprung | 46 | | 79 | |
| 14 | Ausnehmung | 47 | | | |
| 15 | Lageraussenring | 48 | | R1 | Koaxialgetriebe |
| 16 | Abstandhalter | 49 | | R2 | Koaxialgetriebe |
| 17 | Ausnehmung | 50 | | R3 | Koaxialgetriebe |
| 18 | Profilierung | 51 | | R4 | Koaxialgetriebe |
| 19 | Unterseite | 52 | | | |
| 20 | Einführungsphasen | 53 | | | |
| 21 | Einschnürung | 54 | | | |
| 22 | Fussbereich | 55 | | | |
| 23 | Lagernut | 56 | | | |
| 24 | Lagernut | 57 | | | |
| 25 | Flansche | 58 | | | |
| 26 | Spalt | 59 | | | |
| 27 | | 60 | | | |
| 28 | | 61 | | | |
| 29 | | 62 | | | |
| 30 | | 63 | | B | Breite |
| 31 | | 64 | | | |
| 32 | | 65 | | DF | Dicke |
| 33 | | 66 | | DZ | Dicke |
