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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Getriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Antrieb mit einem Getriebe nach einem der weiteren Ansprüche.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Planetengetriebe bekannt, welche Sonnenrad, Hohlrad und dazwischen liegende Planetenräder aufweisen. Mit zunehmender Größe des Sonnenrades, wie es für Anwendungen für eine Übertragung von hohen Drehmomenten notwendig ist, sinkt das Übersetzungsverhältnis. Insbesondere bei Getrieben mit Hohlwelle zum Antrieb des Sonnenrades, kommt es bei einer Anforderung nach einer kompakten Bauform zu geringen Übersetzungsverhältnissen.
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Herkömmliche Schneckengetriebe weisen zwar eine hohe Übersetzung bei geringem Bauraum auf, allerdings es der Wirkungsgrad aufgrund der Reibung relativ gering. Außerdem erfolgt der Antrieb bei Schneckengetrieben vertikal, was bei vielen Konstruktionen unerwünscht ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Getriebe anzugeben, mit welchem bei kompakter Bauform große Übersetzungsverhältnisse erreicht werden können.
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Die Aufgabe wird mit einem Getriebe nach Anspruch 1 gelöst. Ein weiterer Aspekt ist ein Antrieb nach einem der weiteren Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Getriebe weist ein Sonnenrad mit einer Sonnenradverzahnung, ein Hohlrad mit einer Innenverzahnung und zumindest ein Planetenrad auf. Das Planetenrad umfasst über den Umfang des Planetenrades angeordnete Zähne für einen Eingriff mit der Sonnenradverzahnung und der Innenverzahnung. Das Planetenrad ist angeordnet, sodass die Zähne des Planetenrades bei einem Eingriff mit der Sonnenradverzahnung beim Eingriff mit der Innenverzahnung in unterschiedlichen Richtungen beansprucht werden. Dabei bedeutet unterschiedliche Richtungen, dass die Richtungen in einem Winkel zwischen 1° und 179° liegen, insbesondere in einem Winkel zwischen 45° und 135°. Der Begriff „unterschiedliche Richtungen“ umfasst insbesondere nicht einen Eingriff in entgegen gesetzter Richtung; dies entspricht dem Sinne der Anmeldung derselben Richtung mit entgegen gesetzten Vorzeichen. Die Zähne, welche in Eingriff mit der Sonnenradverzahnung geraten, sind die gleichen Zähne, welche in einen Eingriff mit der Innenverzahnung geraten. Jeder einzelne Zahn wird also in unterschiedlichen Richtungen beansprucht. Die Zähne des Planetenrads werden für unterschiedliche Kraftrichtungen verwendet.
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Vorzugsweise erfolgt bei einem Eingriff mit dem Sonnenrad eine Kraftübertragung über die Zähne in Umfangsrichtung bezüglich des Planetenrades und bei einem Eingriff an der Innenverzahnung in axialer Richtung bezüglich der Achse oder Drehachse des Planetenrades. Diese Richtungsangaben sind jeweils als „im wesentlichen“ zu verstehen, das heißt jeweils mit einem Winkelbereich von +/–20° oder +/–10°. Bei feststehenden Zähnen des Planetenrades werden unterschiedliche Zahnflanken an den Seiten der Zähne jeweils bei einem Eingriff mit der Sonnenradverzahnung einerseits und der Innenverzahnung andererseits verwendet.
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Vorzugsweise ist das Sonnenrad in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet und weist eine sich verändernde Spindelsteigung auf, um ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes anzupassen. Bei typischen Ausführungsformen ist der Planetenträger aus zwei symmetrischen, verschraubbaren Teilen gefertigt, wobei jedes Teil eine Außenlagerung zum Hohlrad aufweist und jeweils halbschalenförmige Aufnahmen für die Planetenlager. Weiterhin ist es möglich, das Hohlrad aus zwei Teilen, bevorzugt symmetrische Teile, zusammenzusetzen.
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Anwendungsmöglichkeiten für erfindungsgemäße Getriebe bieten sich insbesondere dort, wo Planetengetriebe eingesetzt werden. Anwendungsbeispiele sind Drehtürme von Panzern, Baggern, Robotern oder Rundschalttische. Weitere Anwendungsgebiete sind Schwenk-Neige-Köpfe, Rührwerke, Werkzeugmaschinen, Windkraftanlagen, wobei bei einer Hohlwellenausführung des Sonnenrades auch ein Durchleiten von Kabeln oder Schläuchen, beispielweise für Kühlflüssigkeiten möglich ist. Weiterhin können Linearantriebe mit erfindungsgemäßen Getrieben aufgebaut werden, wobei die Spindelmutter in dem Getriebe integriert werden kann, wobei eine feststehende Spindel ohne Trägheitsmoment entsteht. Weiterhin kann die Spindelmutter auch angetrieben werden.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist bei einem Kraftfahrzeug als Getriebemotor in einem Rad integriert. Weiterhin ist es möglich, mit dem Getriebe ein Differenzialgetriebe oder eine Kupplung aufzubauen. Sicherheits- oder Hochverfügbarkeits-Antriebe sind unter Einsatz des Getriebes herstellbar, wobei eine Redundanz durch Anordnung von mehreren Antrieben auf einer Welle erreicht werden kann.
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Vorteile der Erfindung sind eine kompakte symmetrische Bauform, ein hohes Drehmoment durch den gleichzeitigen Eingriff vieler Zähne der Planetenräder. Das Übersetzungsverhältnis kann über den Steigerungswinkel des Sonnenrades eingestellt werden, bevorzugte Übersetzungsverhältnisse sind größer als 20:1, beispielsweise erreicht über eine Steigerung des Sonnenrades von 3 und einer Zähnezahl des Hohlrades von 97 (Übersetzungsverhältnis: 97:3). Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Übersetzung mit dem Durchmesser steigt, sodass auch hohe Drehmomente bei großen Übersetzungsverhältnissen übertragen werden können. Weiterhin ist auf diese Weise eine Hohlwelle mit großem Durchmesser möglich, sodass auch eine direkte Integration eines Motors vorteilhaft angewendet werden kann.
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Bevorzugte oder erfindungsgemäße Getriebe können in zwei Drehrichtungen betrieben werden, wobei außerdem eine radiale oder axiale Kaskadierung möglich ist, das heißt, dass mehrere der erfindungsgemäßen Getriebe axial hintereinander mit paralleler oder serieller Kraftübertragung angeordnet werden können. Ebenso ist eine radiale Kaskadierung möglich, wobei ein Sonnenrad eines innen liegenden Getriebes mit einem Hohlrad eines weiter außen liegenden Getriebes fest verbunden ist.
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Vorzugweise umfasst das Getriebe mehrere Planetenräder, welche auf einem Planetenträger angeordnet sind. Der Antrieb erfolgt vorzugsweise über das Sonnenrad, der Abtrieb über den Planetenträger, wobei das Hohlrad feststehend ausgeführt ist. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise den Planetenträger für den Antrieb zu verwenden oder auch über das Hohlrad einen Antrieb oder Abtrieb einzurichten.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Planetenrad rotierbar um eine Achse angeordnet, welche verkippt gegenüber einer gemeinsamen Achse des Sonnenrades und des Hohlrades ausgerichtet ist. Sonnenrad und Hohlrad sind koaxial ausgerichtet, wobei durch die verkippte Anordnung des zumindest einen Planetenrades der oben beschriebene Eingriff mit unterschiedlichen Richtungen erreicht wird. Mit der Achse des Planetenrades ist die Achse gegenüber dem Planetenträger gemeint, das heißt gegenüber dem lokalen Koordinatensystem des Planetenträgers, in welchem das Planetenrad gelagert ist. Vorzugweise ist die Achse um mindestens 30°, bevorzugter mindestens 80° und bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen im wesentlichen um 90° gegenüber der gemeinsamen Achse des Sonnenrades und des Hohlrades verkippt. Eine Ausrichtung um zumindest im wesentlichen 90° verkippt gegenüber der gemeinsamen Achse des Sonnerades und des Hohlrades bietet den Vorteil, dass die Eingriffe in unterschiedlichen Richtungen ebenfalls im wesentlichen um 90° verdreht sind, sodass zwei nebeneinander liegende Flanken verwendet werden können. Vorzugsweise sind die Zähne als alleinstehende, einzelne Zähne ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Zähne insbesondere nicht als Schneckenverzahnung ausgebildet sind.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung sind die Zähne zumindest teilweise pyramidenförmig oder als Prismatoid, insbesondere mit vier seitlichen Flanken, ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass eine Ausführung mit feststehenden Zähnen, das heißt Zähnen, welche fest mit dem Planetenrad verbunden sind, möglich ist, wobei die vier Zahnflanken des Zahnes derart verwendet werden, dass die Zahnflanken, auf welchen ein Eingriff stattfindet, nebeneinander liegen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer großen Selbsthemmung, eines hohen übertragbaren Drehmoments, da die Zähne flächig belastet werden und daher eine hohe Tragfähigkeit aufweisen. Weiterhin bietet diese Ausführungsform den Vorteil einer einfachen Herstellung. Bei Ausführungsformen sind vorzugsweise die Flanken der Zähne zumindest teilweise gewölbt ausgeführt. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Tragfähigkeit beim Eingriff in das Sonnenrad bzw. Hohlrad.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Zähne zumindest teilweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Symmetrieachse verläuft dabei vorzugsweise radial zum Planetenrad. Bei Ausführungsformen der Erfindung sind die Zähne um die Symmetrieachse oder um ihre Längsachse rotierbar an dem Planetenrad gelagert. Dies bietet den Vorteil, dass eine Reibung minimiert wird.
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Vorzugsweise weist das Sonnenrad eine Schneckenverzahnung oder eine Schrägverzahnung auf. Das bei einem Antrieb über das Sonnenrad vom Sonnenrad kommende Drehmoment wird durch eine Schneckenflanke an den Zähnen des Planeten in eine axiale Kraft umgelenkt, welche bezüglich der Planetendrehachse ein Drehmoment erzeugt. Auf diese Weise ist ein Antrieb der Planetenräder, welcher gegenüber der gemeinsamen Achse des Sonnenrades und des Hohlrades verkippt gelagert sind, möglich.
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Vorzugsweise weist das Hohlrad eine innen liegende Schrägverzahnung auf. Auf diese Weise ergibt eine Drehung der Planetenräder ein Weiterdrehen des Planetenradträgers. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Planetenrädern an einem Planetenträger gelagert. Auf diese Weise lässt sich das übertragbare Drehmoment erhöhen. Bei weiteren Ausführungsformen ist die Verzahnung des Hohlrades gerade ausgeführt, wobei die Planetenräder in diesem Fall eine Schrägverzahnung aufweisen, um einen Eingriff zu ermöglichen. Diese Ausführungsformen bieten insbesondere bei schräg liegenden Achsen der Planetenräder Vorteile, wobei unterschiedliche Wirkungsgrade in verschiedenen Laufrichtungen erreicht werden können.
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Vorzugsweise ist das Sonnenrad innen hohl oder das Sonnenrad ist auf einer Hohlwelle angeordnet oder als Hohlwelle ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass ein Antrieb, beispielsweise ein Motor innerhalb der Hohlwelle oder zumindest teilweise innerhalb der Hohlwelle des Sonnenrades angeordnet werden kann. Bei Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, dass der Abtrieb über das Sonnenrad erfolgt, wobei der Planetenträger angetrieben wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Motor unmittelbar auf den Planetenträger anzuordnen. Eine weitere Möglichkeit ist, eine Hohlwelle für das Sonnenrad zu verwenden, wobei auf dieser Hohlwelle Spulen eines Motors angeordnet werden, um eine kompakte Bauweise zu erreichen.
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Ausführungsformen umfassen Planetenräder mit prismatoiden Zähnen mit einer sechs- oder mehr-eckigen Grundfläche, welche dementsprechend sechs oder mehr Zahnflanken aufweisen. Weiterhin kann ein zweites Hohlrad vorgesehen sein. Bei einer sechs-eckigen Grundfläche kontaktiert das Sonnenrad die Flanken Nr. 1 und Nr. 4, welche gegenüber liegend angeordnet sind. Die zwei Hohlräder rotieren um dieselbe Achse und sind nebeneinander angeordnet. Die Flanken Nr. 2 und Nr. 5, ebenfalls gegenüberliegend und jeweils benachbart zu Nr. 1 bzw. Nr. 4, kontaktieren das erste Hohlrad, die Flanken Nr. 3 und Nr. 6 das zweite Hohlrad. Die schräge Verzahnung im zweiten Hohlrad ist im Vergleich zum ersten Hohlrad gespiegelt oder beispielsweise um 60° verdreht, um damit den Eingriff der zwei anderen Flanken zu realisieren. Bei einem feststehenden Planetenträger kann das Sonnenrad als Antrieb verwendet werden, die zwei Hohlräder als Abtrieb, die in entgegengesetzte Richtungen laufen. Solche Ausführungsformen lassen sich vorteilhaft als Differenzialgetriebe verwenden. Sinngemäß lässt sich dieses Prinzip auch auf Zähne mit noch mehr Flanken oder rotative Zähne und mit noch mehr Hohlrädern anwenden. In umgekehrter Sichtweise könnte man auch zwei oder mehrere Sonnenräder auf unterschiedliche Flanken der Planeten wirken lassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei die Zeichnungen zeigen:
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1 zeigt in einer schematischen, perspektivischen Übersichtsskizze ein erfindungsgemäßes Getriebe;
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2 zeigt schematisch Einzelteile des Getriebes der 1;
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3 zeigt Einzelteile des Getriebes der 1, wobei der Planetenträger weggelassen wurde;
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4 zeigt eine Prinzipskizze, welche den Eingriff eines Planetenrades in das Sonnenrad der 1 bis 3 verdeutlicht;
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5 zeigt einen Eingriff des Planetenrades in das Hohlrad des Ausführungsbeispiels der 1 und 2;
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6 zeigt eine Variante eines Hohlrades in einer schematischen Schnittansicht;
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7 zeigt eine Zahnform von Ausführungsformen der Erfindung;
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8 zeigt eine Anordnung von Zähnen mit der Zahnform der 7 auf einem Planetenrad; und
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9 zeigt eine Ausführungsform von Zähnen von Planetenrädern von Getrieben gemäß der Erfindung.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Bezugzeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet werden und nicht mit jeder Figur erneut beschrieben werden.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Getriebe 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht, wobei das Getriebe ein innen liegendes, hohles Sonnenrad 10, ein Planetenträger 12 und ein Hohlrad 14 in der Darstellung in der 1 umfasst.
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In der 2 sind Einzelteile des Getriebes 1 der 1 nochmals dargestellt, wobei weitere Details gezeigt sind. Das Hohlrad 14 weist eine Innenverzahnung 16 auf, welche als Schrägverzahnung ausgeführt ist. Der Planetenträger 12 umfasst eine Mehrzahl von Planetenrädern 22, welche jeweils in Umfangsrichtung bezüglich einer gemeinsamen Achse des Hohlrades 14, des Planetenträgers 12 und des Sonnenrades 10 gelagert sind. Die Planetenräder 22 greifen in die Innenverzahnung 16 des Hohlrades 14 ein. Weiterhin greifen die Planetenräder 22 in die Schneckenverzahnung 26 des Sonnenrades 10 ein. Die Schneckenverzahnung 26 ist die Sonnenradverzahnung des Sonnenrades 10.
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Bei einem Antrieb des Sonnenrades 10 werden die Planetenräder 22 gedreht und durch den Eingriff der Planetenräder 22 in der Innenverzahnung 16 des Hohlrades 14 kommt es zu einer Drehung des Planetenträgers 12 gegenüber dem feststehend angeordneten Hohlrades 14. Auf diese Weise wird von dem Sonnenrad 10 auf dem Planetenträger 12 ein hohes Übersetzungsverhältnis erreicht. Hervorzuheben ist, dass mit größer werdenden Durchmesser das Übersetzungsverhältnis sogar noch weiter gesteigert werden kann, bei gleichzeitig größer werdenden Drehmoment. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Planetengetrieben.
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In der 3 ist für eine prinzipielle Darstellung der Wirkungsweise der Planetenträger 12 weggelassen, sodass lediglich die Planetenräder 22 mit dem Sonnenrad 10 und dem Hohlrad 14 gezeigt sind. Die Planetenräder 22 weisen rotationssymmetrische Zähne 30 auf, welche für einen Eingriff in die Sonnenradverzahnung 26 und die Schrägverzahnung 16 des Hohlrades 14 vorgesehen sind. Die Planetenräder 22 drehen sich jeweils um Achsen, welche in Umlaufrichtung bezüglich des Sonnenrades 10 und des Hohlrades 14 angeordnet sind. Diese Drehung ist lediglich die Drehung gegenüber dem Planetenradträger 12, wobei angemerkt werden sollte, dass die Planetenräder 22 sich zusätzlich um die koaxiale Achse des Sonnenrades 10, des Planetenträgers 12 und des Hohlrades 14 bei einer Drehung des Planetenträgers 12 drehen. Die Drehachse der Planetenräder 22 ist also um 90° verkippt gegenüber der gemeinsamen Achse des Sonnenrades 10 und des Hohlrades 14 angeordnet. Die Lagerung von Sonnenrad 10, Planetenträger 12 und Hohlrad 14 kann von außen, innen oder gegenseitig, beispielweise mit Kugellagern erfolgen.
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In der 4 ist der Eingriff zwischen dem Sonnenrad 10 und dem Planetenrad 22 gezeigt. Die Sonnenradverzahnung 26 treibt über die Verzahnung den rotationssymmetrischen Zähnen 30 das Planetenrad 22 um die in Umlaufrichtung bezüglich der Drehachse des Sonnenrades 10 angeordneten Planetenräder 22 an.
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In der 5 ist gezeigt, wie der Eingriff des Planetenrades 22 mit der Innenverzahnung 16 des Hohlrades 14 erfolgt. Bei einer Drehung des Planetenrades 22 um die Achse B durch Antrieb über das Schneckenrad 10 (siehe 4 mit dazugehöriger Beschreibung) erfolgt ein Eingriff der rotationssymmetrischen Zähne in der Innenverzahnung 16, wobei das Planetenrad 22 in Umlaufrichtung bezüglich der gemeinsamen Achse des Sonnenrades 10 und des Hohlrades 14 angetrieben wird.
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In der 6 ist eine alternative Ausführungsform des Hohlrades 14 dargestellt, wobei das Hohlrad 14 der 6 als Torus ausgeführt ist, um mehrere Zähne 30 eines Planetenrades 22 gleichzeitig einen Eingriff zu ermöglichen. Auf diese Weise wird die Kraftübertragung verbessert.
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In der 7 ist eine alternative Ausführung für die Zähne gezeigt, nämlich einen pyramidenförmigen Zahn 40. Der pyramidenförmige Zahn 40 weist vier Seitenflächen 41, 42, 43 und 44 auf, wobei ein Eingriff am Sonnenrad 10 in Umfangsrichtung bezüglich der Drehrichtung des Planetenrades 22 an den Zahnflanken 41 und 42 erfolgt. Der Eingriff mit dem Hohlrad erfolgt axial bezüglich der Drehachse des Planetenrades 22 in den Zahnflanken 43 und 44.
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In der 8 ist die Anordnung von Zähnen 40 auf dem Planetenrad 22 dargestellt. Die Zähen 40 sind leicht schräg angeordnet, um einen idealen Eingriff mit der Schneckenradverzahnung 26 und der Innenverzahnung 16 zu ermöglichen.
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In der 9 ist eine Variante gezeigt, bei welcher zur Reibungsminimierung mit rotationssymmetrischen Zähnen 30 eine rotative Lagerung dieser Zähne 30 an dem Planetenradträger 22 erfolgt. Mögliche Anordnungen sind eine Integration eines Kugellagers in den Zahn 30, eine Integration eines Kugellagers in das Planetenrad 22 oder eine Lagerung über Kugeln 44, welche zwischen dem Planetenrad 22 und den Zähnen 30 angeordnet sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschrieben bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere sind Kombinationen der Merkmale möglich und vorteilhaft, wobei der Umfang der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt wird.
