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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fügen von Bauteilen durch Reibschweißen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Neben
dem klassischen Reibschweißverfahren,
bei dem zwei Bauteile in Rotation versetzt werden und durch eine
axiale Kraft miteinander verbunden werden, ist es auch möglich, durch
relative Auslenkung eines oder beider Bauteile auf einer Bahnkurve,
beispielsweise einer Kreisbahn oder einer hin- und hergehenden Linearbewegung
in Verbindung mit einer Axialkraft, komplexe Bauteile, die keine
rotationssymmetrischen Fügestellen
aufweisen, miteinander reibzuverschweißen. Bekannt sind diese Verfahren
unter der Bezeichnung Vibrations-, Orbital- oder Zirkularreibschweißen.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
eines derartigen Reibschweißverfahrens
ist beispielsweise aus der gattungsbildenden
DE 10 2004 016 613 B4 bekannt.
Die Vorrichtung umfasst einen Schwingkopf, welcher mit einem der
Bauteile verbunden ist, sowie einen Antriebsmotor, dessen Rotationsenergie durch
die Vorrichtung in eine Bewegung der Schwingplatte entlang von Bahnkurven
umgesetzt wird. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Doppelexzenter
mit einer innen liegenden Exzenterwelle sowie einem relativ zur Exzenterwelle
bewegbaren Außenexzenter.
Exzenterwelle und Außenexzenter legen über ihre
Relativlage zueinander die Schwingweite der Bewegung entlang der
Bahnkurve fest. Dabei erfolgt die Verstellung des Außenexzenters
zur Exzenterwelle durch eine in der Vorrichtung enthaltene Steuereinrichtung,
welcher eine axiale Bewegung einer Steilgewindemutter auf einer
Steilgewindespindel innerhalb der Vorrichtung bewirkt. Nachteilig
an dieser Vorrichtung ist, dass mit Hilfe der Steilgewindemutter,
die sich relativ zur Steilgewindespindel bewegt, keine beliebige
Einstellung der Frequenz sowie der Amplitude der Bewegung der Schwingplatte möglich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Fügen von
Bauteilen durch Reibschweißen
mit einer Bewegung entlang von Bahnkurven vorzuschlagen, mit deren
Hilfe beliebige Frequenzen sowie Amplituden der Bewegung während des
Betriebs der Vorrichtung einstellbar sind.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst die Vorrichtung ein
Summiergetriebe mit drei Getriebewellen, wobei Exzenterwelle und
Außenexzenter
mit einer Eingangswelle und der Abtriebswelle des Summiergetriebes
verbunden sind. Die zweite Eingangswelle des Summiergetriebes ist
mit der Steuereinrichtung verbunden. Auf diese Weise wird ein umlauffähiges Getriebe
zwischen den beiden Exzenterwellen zur Verfügung gestellt, mit dessen Hilfe
beliebige Frequenzen und Amplituden der Bahnbewegung der Schwingplatte
und somit des Bauteils während
des Betriebes der Vorrichtung einstellbar und veränderbar
sind. Weiterhin wird durch den Einsatz einer solchen Vorrichtung
der Energiebedarf zum Einstellen einer bestimmten Exzentrizität verringert.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass während des Betriebs der Vorrichtung
eine stufenlose Einstellung von beliebigen Exzentrizitäten des
Doppelexzenters möglich
ist. Weiterhin muss, um die Vorrichtung zum Stillstand zu bringen,
nur die geringere rotierende Masse des äußeren Exzenters um maximal
180° gedreht
werden, während
bei der gattungsgemäßen Vorrichtung
große
rotierende Massen abgebremst werden müssen. Durch die Übersetzung zwischen
Stellwelle und Exzentern ist eine hohe Genauigkeit beim. Einstellen
der Phasenlage der Exzenter relativ zueinander möglich. Auf diese Weise wird
die Regelung der Schwingweite der Schwingplatte stark vereinfacht.
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Vorteilhafterweise
sind die Exzenterwelle und eine durch die Steuereinrichtung angetriebene Stellwelle
koaxial zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird eine sehr kompakte
Bauweise der Vorrichtung erreicht (Anspruch 2).
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem
Summiergetriebe um ein Planetengetriebe. Diese Getriebeart stellt
eine kompakte, robuste und kostengünstige Ausführung eines Summiergetriebes
dar (Anspruch 3).
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn es sich bei dem Summiergetriebe um ein
selbsthemmendes Getriebe handelt. Auf diese Weise wird erreicht,
dass der zum Betrieb der Vorrichtung notwendige Energiebedarf verringert
wird, indem bei konstanter Phasenlage der beiden Exzenter zueinander
kein Energiebedarf nötig
ist (Anspruch 4).
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Zweckmäßigerweise
ist die Steuereinrichtung entweder als Motor oder als Bremse ausgeführt. Auf
diese Weise wird eine hohe Variabilität der Vorrichtung erreicht
(Ansprüche
5 und 6).
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen sowie
aus der Beschreibung hervor.
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In
den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 zwei
verschiedene Bahnkurven der Schwingplatte bei Verdrehung der Stellwelle,
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2 eine
erste Ausführungsform
der Vorrichtung mit einem einstufigen Planetengetriebe als Summiergetriebe,
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3 eine
Schnittansicht der Vorrichtung aus 2,
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4 eine
weitere Schnittansicht der Vorrichtung aus 2, bei der
die Exzenter um 90° gegeneinander
verdreht sind,
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5 eine
dritte Schnittansicht der Vorrichtung nach 2, bei der
die Auslenkung der Schwingplatte maximal ist,
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6 eine
zweite Ausführungsform
der Vorrichtung mit einem reduzierten zweistufigen Koppelgetriebe
als Summiergetriebe,
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7 eine
dritte Ausführungsform
der Vorrichtung mit Parallelschubkurbeln zum Ausgleich des Achsversatzes,
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8 eine
vierte Ausführungsform
der Vorrichtung mit Exzenterdrehkörpern mit radialer Lagerstaffelung
zum Ausgleich des Achsversatzes,
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9 eine
fünfte
Ausführungsform
der Vorrichtung mit Exzenterdrehkörpern mit axialer Lagerstaffelung
zum Ausgleich des Achsversatzes sowie
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10 eine
letzte Ausführungsform
der Vorrichtung, bei der der Achsversatz durch eine Exzentergetriebestufe
ausgeglichen wird.
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Beim
bekannten Rotationsreibschweißverfahren
werden rotationssymmetrische Teile bzw. Bauteile mit rotationssymmetrischen
Fügestellen
miteinander verbunden, indem eines oder beide Bauteile in Rotation
versetzt werden und dann durch eine axiale Stauchbewegung aufeinander
zu bewegt werden. Nachteilhaft ist dabei die ungleichmäßige Verteilung
der Temperatur über
die Querschnittsfläche
der rotierenden Bauteile, da zur Mitte der Fläche hin die Geschwindigkeit
immer mehr abnimmt. Dies führt
zu Wärmespannungen
und, je nach verwendeten Materialien, zu schlechter Verbindungsqualität. Weiterhin können auf
diese Weise nur Bauteile mit annähernd rotationssymmetrischer
Geometrie gefügt
werden.
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Es
ist daher sinnvoll, ein Bauteil 3 entlang von Bahnkurven 11 zu
bewegen. 1 zeigt exemplarisch den Verlauf
zweier Bahnkurven 11 eines Bauteils 3 auf der
Querschnittsfläche 4 des
Bauteils 3 beim Verstellen der Exzentrizität von einer
maximalen Auslenkung auf Null und umgekehrt. Neben den hier dargestellten Überlagerungen
von Exzenter- und Kreisbewegungen können dies auch beispielsweise hin-
und hergehende Linearbewegungen sein. Diese Verfahren sind unter
der Bezeichnung Vibrations-, Orbital- oder Zirkular-Reibschweißverfahren
bekannt. Im Folgenden wird eine Vorrichtung 1 zur Durchführung dieses
Verfahrens in mehreren Ausführungsformen
vorgestellt.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
dieser Vorrichtung 1. Aufgabe der Vorrichtung 1 ist
es, eine Schwingplatte 7, welche mit einem der Bauteile 3, 5 verbunden
ist, in die oben vorgestellte Bewegung entlang von Bahnkurven 11 zu
versetzen. Diese Bewegung wird dabei erreicht durch einen Doppelexzenter 13,
welcher aus einer innenliegenden Exzenterwelle 15 und einem
darauf gelagerten, in radialer Richtung relativ zur Exzenterwelle 15 bewegbaren Außenexzenter 17 besteht.
Die innenliegende Exzenterwelle 15 wird durch einen Antriebsmotor 9 über eine
Antriebswelle 10 angetrieben.
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Die
beiden aufeinander gelagerten Exzenter 15, 17 sind
dabei über
ein Summiergetriebe 21 miteinander verbunden. Das Summiergetriebe 21 ist
in diesem Beispiel als Planetengetriebe 31 mit einem Hohlrad 39,
einem Sonnenrad 41 in der Mitte und dazwischen liegenden,
mit Hohlrad 39 und Sonnenrad 41 kämmenden
Planetenrädern 36 ausgeführt. Die Planetenräder 36 sind
mit einem Planetenträger 37 verbunden.
Das Summiergetriebe 21 ist daher ein umlauffähiges Getriebe
mit drei Getriebewellen 23, 25, 27, wobei
eine mit dem Sonnenrad 41, eine mit dem Planetenträger 37 und
die dritte mit dem Hohlrad 39 verbunden ist.
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Die
Antriebswelle 10 bzw. die angetriebene Exzenterwelle 15 stellt
dabei eine mit dem Planetenträger 37 verbundene
Eingangswelle 25 des Planetengetriebes 31 dar.
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Neben
dem Antriebsmotor 9 umfasst die Vorrichtung 1 eine
Steuereinrichtung 19, welche über eine Stellwelle 20,
die koaxial zu der Antriebswelle 10 ausgeführt ist,
mit dem Sonnenrad 41 verbunden ist. Die Stellwelle 20 bildet
damit die zweite Eingangswelle 23 des Planetengetriebes 31.
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Als
Abtriebswelle 27 des Planetengetriebes dient der Außenexzenter 17.
Dieser ist über Übertragungsbolzen 22 mit
dem Hohlrad 39 verbunden.
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Während des
Betriebs der Vorrichtung 1 wird die Exzenterwelle 15 über den
Antriebsmotor 9 angetrieben. Wird nun die Stellwelle 20 über die
Steuereinrichtung 19, die in diesem Ausführungsbeispiel
als rotatorischer Motor 33 ausgelegt ist, mit der gleichen Drehzahl
wie die Exzenterwelle 15 angetrieben, laufen beide Exzenter 15, 17 mit
der gleichen Drehzahl. Bei konstanter Phasenlage der beiden Exzenter 15, 17 (d.h.
keine Relativbewegung im Summiergetriebe) verändert sich die Auslenkung (Exzentrizität) der Schwingplatte 7 nicht.
Die Auslenkung ist also von der relativen Winkelstellung (Phasenlage)
der beiden Exzenter 15, 17 abhängig. Wird die Stellwelle 20 mit einer
von der Drehzahl der Antriebswelle 10 abweichenden Drehzahl
angetrieben, so findet eine Veränderung
der Phasenlage der beiden Exzenter zueinander statt, wodurch die
Schwingplatte 7 entsprechend ausgelenkt wird.
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Vorteilhafterweise
ist das Getriebe 21, 23 selbsthemmend. So wird
die Stellwelle 20 bei Bewegung der Antriebswelle 10 mitgerissen,
solange an ihr kein Moment angelegt wird, und muss nicht durch einen
gesonderten Antrieb angetrieben werden. In diesem Fall kann die
Steuereinrichtung 19 auch einfach als Bremse 35 ausgelegt
sein.
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In
den 3 bis 5 sind Schnittansichten durch 2 in
verschiedenen Betriebszuständen dargestellt.
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3 zeigt
zunächst
die Stellung, in der keine Auslenkung der Schwingplatte 7 sowie
des Bauteils 3 stattfindet. Exzenterwelle 15 und
Außenexzenter 17 sind
dabei um 180° gegeneinander
verdreht. Die am Außenexzenter 17 befestigten Übertragungsbolzen 22 greifen
dabei in Bohrungen 51 ein, die am Hohlrad 39 angebracht
sind, und gleichen einerseits die radialen Relativbewegungen von
Exzenterwelle 15 und Außenexzenter 17 aus,
die bei deren relativer Verdrehung zueinander auftreten, und übertragen andererseits
die Drehbewegungen. Um dies zu gewährleisten, beträgt der Durchmesser
einer Bohrung 51 die Summe des Durchmessers des Übertragungsbolzens 22 und
dem zweifachen der Exzentrizität 53 der
beiden Exzenter 15, 17 zuzüglich eines Zugabewertes, um
Spiel zwischen Bohrung 51 und Übertragungsbolzen 22 zu
gewährleisten.
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4 zeigt
eine ähnliche
Schnittansicht bei einer relativen Verdrehung der beiden Exzenter 15, 17 zueinander
um 90°,
was einer mittleren Auslenkung der Schwingplatte 7 entspricht.
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5 zeigt
die Schnittansicht bei der maximalen Auslenkung der Schwingplatte 7.
Hierbei sind die beiden Exzenter 15, 17 gar nicht
zueinander verdreht. Dies entspricht der maximalen Auslenkung.
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Mit
der vorgestellten Vorrichtung 1 ist es möglich, die
Exzentrizität
und somit die Bewegung der Schwingplatte 7 während des
Betriebs stufenlos einzustellen. Die große rotierende Masse der Antriebswelle 10 läuft während des
Betriebs der Vorrichtung 1 kontinuierlich um und muss nicht
ständig
abgebremst und beschleunigt werden, lediglich die Auslenkung der
beiden Exzenter 15, 17 zueinander muss geändert werden
zwischen dem für
das Schweißen
erforderlichen Wert und dem Wert Null. Zum Einstellen einer Null-Auslenkung
nach dem Schweißen
muss nur die geringe rotierende Masse des Außenexzenters 17 um
maximal 180° zur
Exzenterwelle 15 gedreht werden, so dass relativ wenig
Energie eingesetzt werden muss.
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Weiterhin
ist durch die Übersetzung
durch das Summiergetriebe 21 zwischen der Stellwelle 20 und
den beiden Exzentern 15, 17 eine hohe Genauigkeit
beim Einstellen deren Phasenlage zueinander realisierbar. Die Übersetzung
vom Stelleingang (Sonne) zu Hohlrad und Planetenträger reduziert
gleichzeitig das am Stellaktor wirkende Moment und verringert somit
dessen Baugröße.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Vorrichtung 1. Hier ist als Summiergetriebe 21 im Gegensatz
zu dem einstufigen Planetengetriebe 31 aus den 2 bis 5 ein
reduziertes zweistufiges Koppelgetriebe vorgesehen, welches zwei
koaxiale Hohlräder 39, 43,
welche eine unterschiedliche Zähnezahl
bei gleichem Durchmesser aufweisen, sowie ein zentrales Sonnenrad 41,
welches mit der Stellwelle 20 und damit mit der Steuereinrichtung 19 verbunden
ist, umfasst. Dabei ist das erste Hohlrad 39 mit der angetriebenen
Exzenterwelle 15 und das zweite Hohlrad 43 über die Übertragungsbolzen 22 mit
dem Außenexzenter 17 verbunden.
Die Kraftübertragung
im Summiergetriebe 21 erfolgt über lose zwischen Sonnenrad 41 und
die beiden Hohlräder 39, 43 eingelegte
Planetenräder 36 mit
einer durchgehenden Verzahnung, welche mit beiden Hohlrädern 39, 43 kämmen. 6 zeigt
dabei die Stellung, in der beide Exzenter 15, 17 um
180° zueinander
verdreht sind. Dieses Getriebe kann (zwischen den beiden Hohlrädern) selbsthemmend
ausgeführt
werden. Bei konstanter Phasenlage ist keine Energiezufuhr am Stellaktor
erforderlich.
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Die
genaue Funktionsweise dieses zweistufigen Planetengetriebes ist
in einem anderen Zusammenhang in der
DE 10 2004 057 926 A1 erläutert.
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Ein
Problem bei beiden bisher vorgestellten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 1 stellt
der Achsversatz 45 der Achsen von Exzenterwelle 15 und
Außenexzenter 17 dar.
Neben den bisher dargestellten Übertragungsbolzen 22 zeigt 7 eine
Ausgleichsmöglichkeit
durch Parallelschubkurbeln 46, die auf einer Seite an einem
Anlenkpunkt 55 mit dem Hohlrad 39 und auf der
anderen an einem zweiten Anlenkpunkt 57 mit dem Außenexzenter 17 verbunden
sind, in einer Seiten- und einer Schnittansicht. Während eines
Umlaufs der Exzenter 15, 17 beschreiben die Anlenkpunkte 55, 57 der
Parallelschubkurbeln 46 Kreisbahnen, welche um den Betrag
der Exzentrizität 53 der
Exzenter 15, 17 zueinander versetzt sind.
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8 zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher der Achsversatz 45 durch exzentrische Drehkörper mit
radialer Lagerstaffelung ausgeglichen wird. Hier sind zwischen dem
Hohlrad 39 und zwischen den mit dem Außenexzenter 17 verbundenen Übertragungsbolzen 22 sowie
zwischen den Übertragungsbolzen 22 und
dem Gehäuse
jeweils Exzenterdrehkörper 47, 47' mit der gleichen
Exzentrizität 53 wie
die beiden Exzenter 15, 17 über Lagerringe 59 gelagert,
welche dadurch bei einer relativen Verdrehung der beiden Exzenter 15, 17 zueinander
den Achsversatz 45 ausgleichen.
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9 zeigt
eine ähnliche
Anordnung zum Ausgleich des Achsversatzes 45. Hier sind
zwei axial gestaffelte Exzenterdrehkörper 47, 47' vorgesehen, von
denen einer mit dem Hohlrad 39 und einer mit dem Außenexzenter 17 verbunden
ist. Der Abstand der Lagerringe 59 dieser Exzenterdrehkörper 47, 47' entspricht
wieder der Exzentrizität 53.
Aus Reibungs- und
Verschleißgründen werden
vorzugsweise Wälzlager
eingesetzt.
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10 zeigt
ein letztes Ausführungsbeispiel, bei
dem der Ausgleich des Achsversatzes 45 durch eine Exzentergetriebestufe 49 erfolgt.
Hier ist ein erstes Exzentergetriebe 61 (gekennzeichnet
durch einen gestrichelten Kasten) vorgesehen, welches wiederum zwei
Hohlräder 39, 43 umfasst,
die bei gleichem Durchmesser unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen (siehe
Ausführungsbeispiel
nach 6). Ein Hohlrad 43 ist dabei mit der
Exzenterwelle 15 verbunden. Ein erstes Planetenrad 63,
welches sich auf der ebenfalls exzentrisch ausgeführten Stellwelle 20 mit
der Exzentrizität 53 befindet,
greift in beide Hohlräder 39, 43 ein.
Der Ausgleich des Achsversatzes 45 zwischen Exzenterwelle 15 und
Außenexzenter 17 erfolgt
durch ein zweites Planetenrad 65, welches ebenfalls mit
dem zweiten Hohlrad 39 kämmt und mit dem Außenexzenter 17 verbunden
ist.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist es beispielsweise möglich,
andere, beliebige Bahnkurven 11 der Schwingplatte 7 mit
der Vorrichtung 1 zu realisieren.
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Weiterhin
sind neben den dargestellten Planetengetrieben 31 beliebige
andere Summiergetriebe 21 vorstellbar.