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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkvorrichtung
bzw. eine elektrische Vorrichtung zur Lenkunterstützung.
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Lenkvorrichtungen
nach dem Zahnstange/Ritzel-Prinzip zum Übertragen einer manuellen Lenkkraft,
hervorgerufen bzw. abgeleitet durch Lenken eines Lenkgliedes, über eine
Ritzelwelle an eine Zahnstange beinhalten elektrische Servolenkvorrichtungen
zum Bereitstellen einer Lenkhilfskraft für die Zahnstange, wobei die
Lenkhilfskraft von einem elektrischen Motor erzeugt wird.
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Beispielsweise
ist eine elektrische Servolenkvorrichtung vom so genannten Zahnstangenunterstützungstyp
vorgeschlagen worden, die einen Drehzahluntersetzungsmechanismus
("speed reduction
mechanism") mit
einem ersten Kegelrad ("bevel gear"), das an einer Ausgangswelle
eines elektrischen Lenkunterstützungsmotors
angebracht ist, und einem zweiten Kegelrad aufweist, das um eine
Zahnstangenwelle herum angeordnet ist und mit dem ersten Kegelrad
in Eingriff steht, derart, dass eine Drehung des zweiten Kegelrades
in eine Axialverschiebung der Zahnstangenwelle transformiert wird,
und zwar über
einen Kugelgewindemechanismus ("ball screw
mechanism").
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In
den letzten Jahren wird von elektrischen Servolenkvorrichtungen
ein hohes Maß an
Geräuscharmut
verlangt.
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Wenn
jedoch an das erste und das zweite Kegelrad des Drehzahluntersetzungsmechanismus eine
Last angelegt wird, verschlechtert sich der Eingriff zwischen den
beiden Kegelrädern
(so genannter Zahnkontakt), und zwar aufgrund der Biegung der Wellen,
die die Zahnräder
und die Zähne
selbst lagern. Im Ergebnis tritt ein nicht normales Geräusch ("abnormal sound") auf, und zwar aufgrund
eines Eingriffsgleitens bzw. einer Eingriffsverschiebung, was Rauschen
bzw. Störgeräusche ("noise") hervorruft.
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Daher
ist als eine so genannte elektrische Servolenkvorrichtung vom Ritzelunterstützungstyp, die
eine Hilfs- bzw. Unterstützungskraft
einer Ritzelwelle bereitstellt, eine elektrische Servolenkvorrichtung
vorgeschlagen worden, für
die eine Geräuschdämpfung ("sound deadening") erzielt wird unter
Verwendung einer Drehzahluntersetzungseinrichtung mit einer Schnecke ("worm") und einem Schneckenrad
und durch Bereitstellen eines aus Kunstharz hergestellten Zahnabschnittes
für das
Schneckenrad (siehe japanische eingetragene Gebrauchsmusteranmeldung
Nr. 2556890, um ein Beispiel zu nennen).
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Zusätzlich hierzu
ist als eine Zahnradeinheit von Hypoidzahnrädern, Kegelrädern oder
dergleichen, eine Zahnradeinheit ("gear unit") vorgeschlagen worden, bei der zur
Reduzierung von Störgeräuschen durch
Verbessern des Zahnkontaktes eine oder zwei Richtungskomponenten
von drei Axialkomponenten der Ausrichtung hinsichtlich der Wellenmitte
eines Zahnrades um einen vorbestimmten Korrekturbetrag versetzt
sind (siehe beispielsweise japanische veröffentlichte nichtgeprüfte Patentanmeldung mit
der Nummer H10-38036).
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Bei
konischen Zahnrädern,
wie Kegelrädern, ist
dann, wenn – wie
oben beschrieben – lediglich eine
Einstellung einer Ausrichtung vorgesehen ist, die Wirkung eines
verbesserten Zahnkontaktes klein. Zusätzlich hierzu kann der Zahnkontakt
von links nach rechts ungleichmäßig werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servolenkvorrichtung
anzugeben, die einen geeigneten Zahnkontakt zwischen konischen Zahnrädern gewährleisten
kann, die miteinander in Eingriff stehen, und die Störgeräusche reduzieren
kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, weist eine elektrische
Servolenkvorrichtung gemäß einem
Ausführungsmodus
der vorliegenden Erfindung einen elektrischen Lenkunterstützungsmotor mit
einer Ausgangswelle und einen Drehzahluntersetzungsmechanismus auf.
Der Drehzahluntersetzungsmechanismus weist ein erstes konisches Zahnrad,
das mit der Ausgangswelle des elektrischen Motors verbunden ist,
und ein zweites konisches Zahnrad auf, das mit dem ersten Zahnrad
in Eingriff zu bringen ist. Das erste Zahnrad weist eine Vielzahl
von Zähnen
auf, die jeweils eine Zahnoberfläche
besitzen. Jeder Zahn des ersten Zahnrades weist einen relativ großen Endabschnitt
und einen relativ kleinen Endabschnitt auf, die einander in einer Zahnbreitenrichtung
gegenüberliegen.
Das zweite Zahnrad weist eine Vielzahl von Zähnen auf, die jeweils eine
Zahnoberfläche
besitzen. Jeder Zahn des zweiten Zahnrades weist einen relativ großen Endabschnitt
und einen relativ kleinen Endabschnitt auf, die einander in einer
Zahnbreitenrichtung gegenüberliegen.
Die einander entsprechenden Zahnoberflächen des ersten und des zweiten
Zahnrades beinhalten jeweils Eingriffsabschnitte, die miteinander
in Eingriff zu bringen sind. Eine Mittenposition in der Zahnbreitenrichtung
des Eingriffsabschnittes jeder Zahnoberfläche des ersten Zahnrades ist
in einem unbelasteten Zustand um einen ersten Versatzbetrag gegenüber einer
Mittenposition in der Zahnbreitenrichtung der Zahnoberfläche des
ersten Zahnrades versetzt, und zwar hin zu dem relativ kleinen Endabschnitt
des Zahns bzw. der Zähne
des ersten Zahnrades. Eine Mittenposition in der Zahnbreitenrichtung
des Eingriffsabschnittes von jeder Zahnoberfläche des zweiten Zahnrades ist
in einem unbelasteten Zustand um einen zweiten Versatzbetrag gegenüber einer
Mittenposition in der Zahnbreitenrichtung der Zahnoberfläche des
zweiten Zahnrades versetzt, und zwar hin zu dem relativ kleinen
Endabschnitt des Zahns bzw. der Zähne des zweiten Zahnrades.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsmodus können in
einem belasteten Zustand, bei dem das erste und das zweite Zahnrad
tatsächlich
ein Drehmoment übertragen,
die Mittenpositionen der Eingriffsabschnitte generell mit den Mittenpositionen
der Zahnbreite ausgerichtet werden. Hierdurch kann ein geeigneter
Eingriffszustand erzielt werden. Im Ergebnis kann ein abnormales
Geräusch
aufgrund eines Eingriffsgleitens beider Zahnräder während der Drehmomentübertragung
unterdrückt
werden, um so Störgeräusche zu
verringern.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines schematischen Aufbaus einer
elektrischen Servolenkvorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Kegelrades;
und
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3 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Kegelrades.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben. 1 ist eine schematische Ansicht,
die eine Umrisskonstruktion bzw. den groben Aufbau einer elektrischen
Servolenkvorrichtung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie es in 1 gezeigt ist,
weist eine elektrische Servolenkvorrichtung ("electric power steering apparatus", EPS) 1 eine Lenkwelle 3,
die mit einem Lenkglied 2 verbunden ist, das aus einem
Lenkrad oder dergleichen besteht, eine Zwischenwelle 5,
die mit der Lenkwelle 3 über ein Universalgelenk 4 verbunden
ist, eine Ritzelwelle 7, die mit der Zwischenwelle 5 über ein
Universalgelenk 6 verbunden ist, und eine Zahnstangenwelle 10 auf,
bei der es sich um eine Lenkwelle handelt, die sich in Richtung
nach links bzw. rechts eines Fahrzeugs erstreckt und Zahnstangenzähne 9 aufweist, die
mit einem Ritzel 8 in Eingriff stehen, das an einem vorderen
Endabschnitt der Ritzelwelle 7 vorgesehen ist.
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An
einem Paar von Endabschnitten der Zahnstangenwelle 10 ist
jeweils eine Spurstange 11 angekoppelt. Jede Spurstange 11 ist über einen
entsprechenden Gelenkarm 12 mit einem entsprechenden Rad 13 verbunden.
Die Zahnstangenwelle 10 ist mittels eines Zahnstangengehäuses 14 über ein nicht
dargestelltes Lager so gelagert, dass sie in der Achsenrichtung
frei versetzbar ist. Obgleich dies nicht dargestellt ist, ist an
einer dem Ritzel 8 gegenüberliegenden Seite der Zahnstangenwelle 10 eine Zahnstangenwellen-Stützeinheit
vorgesehen. Diese Zahnstangenwellen-Stütz-
bzw. Lagereinheit hält
die Zahnstangenwelle 10 davon ab, sich zu drehen, während eine
Axialverschiebung der Zahnstangenwelle 10 ermöglicht wird,
und drückt
ferner die Zahnstangenwelle 10 gegen das Ritzel 8,
um ein Eingriffsspiel zwischen der Zahnstangenwelle 10 und
dem Ritzel 8 zu unterdrücken.
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Wenn
die Lenkwelle 3 mittels einer Betätigung des Lenkgliedes 2 gedreht
wird, wird diese Drehung mittels des Ritzels 8 und der
Zahnstangenzähne 9 in
eine Linearbewegung der Zahnstangenwelle 10 in Richtung
nach links bzw. rechts eines Fahrzeugs transformiert. Hierdurch
wird ein Lenken der Räder 13 erreicht.
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Die
Lenkwelle 3 ist in eine Eingangswelle 3a, die
mit dem Lenkglied 2 verbunden ist, und eine Ausgangswelle 3b unterteilt,
bei der es sich um eine angetriebene Welle handelt, die mit der
Ritzelwelle 7 verbunden ist, wobei die Eingangswelle 3a und
die Ausgangswelle 3b auf einer identischen Achse bzw. Achsenlinie über einen
Torsionsstab 15 miteinander verbunden sind.
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Ein
Drehmomentsensor 16 zum Erfassen eines Lenkdrehmomentes
auf der Grundlage eines Betrages eines relativen Drehversatzes zwischen
der Eingangswelle 3a und der Ausgangswelle 3b,
und zwar über
den Torsionsstab 15, ist vorgesehen, und Ergebnisse einer
Drehmomenterfassung mittels des Drehmomentsensors 16 und
Ergebnisse einer Fahrzeuggeschwindigkeitserfassung von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 17 werden
einem Steuerabschnitt 18 bereitgestellt, der beispielsweise
eine elektronische Steuereinheit ("electronic control unit", ECU) aufweist.
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Der
Steuerabschnitt 18 steuert das Ansteuern eines elektrischen
Lenkunterstützungsmotors 20 auf
der Grundlage der Ergebnisse einer Drehmomenterfassung und der Ergebnisse
einer Fahrzeuggeschwindigkeitserfassung, und zwar über eine
Ansteuerschaltung 19. Eine Ausgangsdrehung des elektrischen
Motors 20 wird in eine Axialverschiebung der Zahnstangenwelle 10 transformiert,
und zwar über
einen Drehzahluntersetzungsmechanismus 23, der beispielsweise
ein erstes und ein zweites Kegelrad 21, 22 und
einen Bewegungstransformationsmechanismus 24 aufweist,
der beispielsweise einen Kugelgewindemechanismus beinhaltet, und
im Ergebnis wird eine Lenkunterstützung erreicht. Das erste und
das zweite Kegelrad 21, 22 bestehen jeweils aus
einem Spiralkegelrad.
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Genauer
gesagt ist an einem axial mittleren Abschnitt der Zahnstangenwelle 10 eine
Schrauben- bzw. Gewindewelle 25 ausgebildet, und ein Umfang dieser
Schraubenwelle 25 ist konzentrisch umgeben von einem Drehzylinder 26,
der aus einer Kugelmutter ("ball
nut") besteht. Der
Drehzylinder 26 ist an dem Zahnstangengehäuse 14 mittels
eines Paares von Lagern 27, 28 gelagert und wird
ferner mittels der Lager 27, 28 gegenüber einem
Verschieben in einer entsprechenden Achsenrichtung begrenzt bzw.
beschränkt.
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Eine
Vielzahl von Wälzelementen 29,
wie Kugeln, sind zwischen einer Spiralgewindevertiefung 25b eines
Außenumfangs 25a der
Schraubenwelle 25 und einer Spiralgewindevertiefung 26b eines
Innenumfangs 26a des Drehzylinders 26 angeordnet, und
der Drehzylinder 26 ist mit der Schraubenwelle 25 "verschraubt", und zwar über die
Wälzelemente 29.
Zusätzlich
hierzu zirkulieren die Wälzelemente 29 in
den Gewindevertiefungen 25b, 26b, und zwar mittels
eines nicht dargestellten Mechanismus, wie er im Stand der Technik
bekannt ist.
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Ein
Motorgehäuse 30 des
elektrischen Motors 20 ist an einem Endabschnitt eines
zylindrischen Koppelgehäuses 31 festgelegt,
das mit dem Zahnstangengehäuse 14 in
einer sich schneidenden bzw. überkreuzenden
bzw. quer verlaufenden ("crossing") Art und Weise gekoppelt
ist. Eine Ausgangswelle 32 des elektrischen Motors 20 ist über ein
Paar von Lagern 33, 34 an dem Koppelgehäuse 31 frei
drehbar gelagert.
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Das
erste Kegelrad 21 des Drehzahluntersetzungsmechanismus 23 ist
an dem vorderen Ende der Ausgangswelle 32 festgelegt, und
zwar drehfest mit der Ausgangswelle 32. Zusätzlich hierzu
ist das zweite Kegelrad 22 an einem Außenumfang 26c des Drehzylinders 26 festgelegt,
und zwar drehfest mit dem Drehzylinder 26. Ein Querwinkel
("crossing angle") A zwischen einer
Rotationsachsenlinie 210 des ersten Kegelrades 21 und
einer Rotationsachsenlinie 220 des zweiten Kegelrades 22 ist
auf einen Wert von 20 Grad oder mehr eingestellt, jedoch weniger als
90 Grad.
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2 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines Zahns 40 des
ersten Kegelrades 21, wobei Eingriffsabschnitte (Kontaktabschnitte)
B, bei denen das erste Kegelrad 21 in einem unbelasteten Zustand
mit dem zweiten Kegelrad 22 in Eingriff steht, schraffiert
dargestellt sind.
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Wie
es in 2 gezeigt ist, weist der Zahn 40 des
ersten Kegelrades 21 ein kleines Ende 41 und ein
großes
Ende 42 auf. Eine Mittenposition B0 in einer Zahnbreitenrichtung
X1 des Eingriffsabschnittes B, der an einer Zahnoberfläche 43 des
Zahns 40 des ersten Kegelrades 21 angeordnet ist,
ist in einem unbelasteten Zustand um einen vorbestimmten Versatzbetrag
e1 gegenüber
einer Mittenposition C1 in der Zahnbreitenrichtung X1 der Zahnoberfläche 43 insgesamt
versetzt, und zwar hin zu dem kleinen Ende 41.
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Es
ist bevorzugt, wenn dieser Versatzbetrag e1 innerhalb eines Bereiches
von 10 bis 30 % einer Zahnbreite W1 des Zahns 40 liegt
(d.h., wenn 0,1 W1 ≤ e1 ≤ 0,3 W1 erfüllt ist).
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Zusätzlich hierzu
ist es bevorzugt, wenn eine Gesamtlänge BW in der Zahnbreitenrichtung
X1 des Eingriffsabschnittes B in einem unbelasteten Zustand innerhalb
eines Bereiches von 20 bis 70 % der Zahnbreite W1 liegt (d.h., wenn
0,2 W1 ≤ BW ≤ 0,7 W1 erfüllt ist).
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Zusätzlich hierzu
ist es bevorzugt, wenn eine Gesamtlänge BT in einer Zahnhöhenrichtung
Y1 des Eingriffsabschnittes B in einem unbelasteten Zustand innerhalb
eines Bereiches von 30 bis 70 % eines Zahnhöhenbetrages T1 des Zahnes 40 liegt
(d.h. wenn 0,3 T1 ≤ BT ≤ 0,7 T1 erfüllt ist).
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3 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines Zahns 50 des
zweiten Kegelrades 22, wobei Eingriffsabschnitte (Kontaktabschnitte)
D, bei denen das zweite Kegelrad 22 in einem unbelasteten Zustand
mit dem ersten Kegelrad 21 in Eingriff steht, schraffiert
gezeigt sind.
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Wie
es in 3 gezeigt ist, weist der Zahn 50 des
zweiten Kegelrades 22 ein kleines Ende 51 und
ein großes
Ende 52 auf. Eine Mittenposition D0 in einer Zahnbreitenrichtung
X2 des Eingriffsabschnittes D, der an einer Zahnoberfläche 53 des Zahns 50 des
zweiten Zahnrades 22 angeordnet ist, ist in einem unbelasteten
Zustand um einen vorbestimmten Versatzbetrag e2 gegenüber einer
Mittenposition C2 in der Zahnbreitenrichtung X2 der Zahnoberfläche 53 insgesamt
versetzt, und zwar hin zu dem kleinen Ende 51.
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Es
ist bevorzugt, wenn dieser Versatzbetrag e2 innerhalb eines Bereiches
von 10 bis 30 % einer Zahnbreite W2 des Zahns 50 liegt
(d.h., wenn 0,1 W2 ≤ e2 ≤ 0,3 W2 erfüllt ist).
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Zusätzlich hierzu
ist es bevorzugt, wenn eine Gesamtlänge DW in der Zahnbreitenrichtung
X2 des Eingriffsabschnittes D in einem unbelasteten Zustand innerhalb
eines Bereiches von 20 bis 70 % der Zahnbreite W2 des Zahns 50 liegt
(d.h., wenn 0,2 W2 ≤ DW ≤ 0,7 W2 erfüllt ist).
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Zusätzlich hierzu
ist es bevorzugt, wenn eine Gesamtlänge DT in einer Zahnhöhenrichtung
Y2 des Eingriffsabschnittes D in einem unbelasteten Zustand innerhalb
eines Bereiches von 30 bis 70 % eines Zahnhöhenbetrages T2 des Zahns 50 liegt
(d.h., wenn 0,3 T2 ≤ DT ≤ 0,7 T2 erfüllt ist).
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
in einem belasteten Zustand bzw. Lastzustand, bei dem das erste
und das zweite Kegelrad 21, 22 tatsächlich ein
Drehmoment übertragen,
und zwar dann, wenn eine Biegung der Ausgangswelle 32 und der
Zahnstangenwelle 10 auftritt, ein Versatz mittels der oben
beschriebenen Versatzbeträge
e1, e2 eliminiert, und die Mittenpositionen B0, D0 der Eingriffsabschnitte
B, D der Kegelräder 21, 22 sind
generell mit den Mittenpositionen C1, C2 in Zahnbreite der entsprechenden
Zähne 40 bzw.
50 ausgerichtet.
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Dadurch
kann in einem Lastzustand ein geeigneter Eingriffszustand erzielt
werden. Im Ergebnis kann ein abnormales Geräusch aufgrund eines Eingriffsgleitens
der beiden Kegelräder 21, 22 während der
Drehmomentübertragung
unterdrückt
werden, um so in starkem Maße
Störgeräusche zu
verringern.
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Genauer
gesagt, da die oben beschriebenen Versatzbeträge e1, e2 jeweils innerhalb
eines Bereiches von 10 bis 30 % der entsprechenden Zahnbreiten W1
bzw. W2 eingestellt sind, wird es in einem Lastzustand möglich, Eingriffspositionen
der beiden Kegelräder 21, 22 sicher
in geeigneten Positionen anzuordnen. Wenn nämlich die Versatzbeträge e1, e2
kleiner sind als 10 % oder größer sind
als 30 % der entsprechenden Zahnbreiten W1 bzw. W2, ist es möglich, dass
die Mittenpositionen B0, D0 der Eingriffsabschnitte in einem Lastzustand
nicht mit den Mittenpositionen C1, C2 der Zahnbreiten ausgerichtet
werden können.
Daher sind die Versatzbeträge e1,
e2 jeweils innerhalb der Bereiche von 10 % bis 30 % der entsprechenden
Zahnbreiten W1 bzw. W2 eingestellt.
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Da
die Gesamtlängen
BW, DW in Zahnbreitenrichtungen X1, X2 der Eingriffsabschnitte B,
D der Kegelräder 21, 22 in
einem nicht belasteten Zustand jeweils innerhalb von Bereichen von
20 bis 70 % der entsprechenden Zahnbreiten W1 bzw. W2 der Zahnoberflächen 43 bzw. 53 der
jeweiligen entsprechenden Zähne 40, 50 insgesamt
eingestellt sind, können
hinreichende Eingriffslängen
gewährleistet werden,
um weiterhin zu unterdrücken,
dass ein nicht normales Gleitgeräusch
auftritt. Wenn die oben beschriebenen Gesamtlängen BW, DW 70 % der entsprechenden
Zahnbreiten W1 bzw. W2 überschreiten,
besteht ein Problem dahingehend, dass die Mittenpositionen B0, D0
der Eingriffsabschnitte in einem Lastzustand möglicherweise nicht mit den
Mittenpositionen C1, C2 der Zahnbreiten ausgerichtet werden können bzw.
ausgerichtet werden. Demzufolge sind die Gesamtlängen BW, DW auf Werte kleiner
gleich 70 % der Zahnbreiten W1, W2 eingestellt.
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Durch
Verwenden von Spiralzähnen
als die Zähne 40, 50 des
ersten und des zweiten Kegelrades 21, 22 kann
bei der oben beschriebenen Ausführungsform
ein Kontaktverhältnis
("contact ratio") verbessert werden,
um Störgeräusche weiter
zu reduzieren. Zusätzlich
hierzu können
mit Spiralzähnen hoch
präzise
Zahnräder
erhalten werden. Spiralzähne
werden bevorzugt verwendet, und zwar insbesondere deswegen, da die
beschriebenen Effekte erzielt werden können, ohne periphere Strukturen,
Einbauprozesse ("fitting
processes") oder
dergleichen zu verändern.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt, vielmehr
können
beispielsweise die konischen Zahnräder Hypoidzahnräder sein.
Zusätzlich
hierzu kann als der Bewegungstransformationsmechanismus 24 anstelle
des oben beschriebenen Kugelgewindemechanismus bzw. -triebs ein
im Stand der Technik bekannter Lagergewindemechanismus ("bearing screw mechanism") verwendet werden.
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Wie
oben angegeben, wird es anhand der vorliegenden Erfindung, die im
Detail anhand einer konkreten Ausführungsform beschrieben worden
ist, einer Fachperson, die die oben beschriebenen Inhalte verstanden
hat, leicht möglich
sein, Modifikationen, Abwandlungen und Äquivalente hiervon zu erdenken.
Demgemäß soll die
vorliegende Erfindung einen Schutzbereich von Ansprüchen beinhalten
sowie einen Schutzbereich von Äquivalenten
hiervon.