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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftübertragungsanordnungen, insbesondere für eine Wandlung einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung, insbesondere für Lenkgetriebe von Fahrzeugen.
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Stand der Technik
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In Lenkgetrieben von Fahrzeugen werden Kraftübertragungsanordnungen verwendet, die eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umwandeln. Im Detail wird die Drehbewegung am Lenkrad über eine Getriebestufe der Kraftübertragungsanordnung, die eine Ritzel-Zahnstangen-Kombination aufweist, in eine Translationsbewegung der Zahnstange umgewandelt. Es können beispielsweise Spindeltriebe, wie beispielsweise eine Kugelumlaufspindel, eingesetzt werden, um die Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umzusetzen. Eine Alternative hierzu sind einfache Getriebestufen mit einem Ritzel und einer Zahnstange.
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Weiterhin können Doppelritzel-Lenkgetriebe vorgesehen sein, bei denen das Lenkmoment, z. B. von einem Lenkrad, an einem ersten Ritzel und ein Unterstützungsmoment, z. B. von einem elektromotorischen Lenkunterstützungsantrieb, an einem separaten zweiten Ritzel übertragen werden.
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Eine Hauptanforderung von Kraftübertragungseinrichtungen für den Einsatz in Lenkgetrieben ist deren Spielfreiheit. Deshalb kann die Zahnstange mithilfe von Druckstücken radial gegen Ritzel gepresst werden. Die Druckstücke enthalten axial verschiebbare Gleitlagerhalbschalen, die beim Doppelritzelgetriebe mit einer einstellbaren Federkraft gegen die Zahnstange gedrückt werden. Dadurch wird die Zahnstange spielfrei zwischen Ritzel und Druckstück geführt bzw. gelagert. Der Lenkunterstützungsantrieb treibt über ein Schneckengetriebe das zweite Ritzel an. Das Schneckengetriebe ist nicht spielfrei. In der Regel werden aufwändige Dämpfungsmaßnahmen vorgenommen, um zu verhindern, dass das Getriebespiel Geräusche verursacht.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 027 468 A1 ist eine Kraftübertragungsanordnung bekannt, bei der eine von einem Unterstützungsantrieb betriebene Schnecke zwei Schneckenräder antreibt, die wiederum zwei Ritzel antreiben. Die beiden Ritzel greifen in Verzahnungen der Zahnstange ein. Dabei erfolgt der Kraftfluss über zwei Ritzel, so dass die Zahnstangenkraft gegenüber herkömmlichen Ausführungen mit einem Ritzel nahezu verdoppelt werden kann. Durch eine tangentiale Verspannung der Zahneingriffe über eine Feder kann ein tangentialer Spielausgleich realisiert werden. Der Nachteil dabei ist, dass die Wirkung der Spielfreiheit von der Verspannungsrichtung der Feder abhängt. Die Spielfreiheit wirkt somit im Getriebe nicht symmetrisch, was für die Anwendung einer Lenkunterstützung nachteilig ist.
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Aus der Druckschrift
DE 100 51 306 A1 ist ein Spielausgleichsmechanismus für eine spezielle Getriebestufe beschrieben. Voraussetzung hierfür ist, dass ein Zahnrad starr mit einer Motorwelle verbunden ist und ein ausreichend großer Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor vorliegt. Dabei sind ein erstes Motorlager als ein schwenkbares Festlager und ein zweites Motorlager als ein in einem Langloch verschiebbares Loslager ausgebildet. Auf das zweite Motorlager wirkt eine Federkraft. Die Federkraft drückt die Schneckenverzahnung radial auf die Schneckenradverzahnung und bewirkt dadurch einen radialen Spielausgleich. Dieser sorgt dafür, dass die Getriebestufe in beiden Drehrichtungen spielfrei ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftübertragungsanordnung mit einem Doppelritzelantrieb und einem Unterstützungsantrieb zur Verfügung zu stellen, die ein in beide Richtungen tangentiales Spiel ausgleicht und bei der die Spielfreiheit nicht von der Verspannungsrichtung einer Feder abhängt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Kraftübertragungsanordnung gemäß Anspruch 1 sowie ein Getriebe für die Lenkunterstützung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Kraftübertragungsanordnung, insbesondere für eine Lenkunterstützung, vorgesehen. Die Kraftübertragungsanordnung umfasst:
- – einen rotatorischen Antriebsmotor;
- – eine Antriebsschnecke, die durch eine Rotorwelle des Antriebsmotors antreibbar ist;
- – eine erste Ritzelwelle, auf der ein erstes Ritzel und ein erstes Schneckenrad angeordnet sind;
- – eine zweite Ritzelwelle, auf der ein zweites Ritzel und ein zweites Schneckenrad angeordnet sind;
- – ein Doppelverzahnungselement mit einer ersten und einer zweiten Zahnreihe, die einander gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet sind;
wobei das erste Ritzel in die erste Zahnreihe und das zweite Ritzel in die zweite Zahnreihe eingreifen;
wobei das erste und das zweite Schneckenrad auf gegenüberliegenden Seiten in die Antriebsschnecke eingreifen;
wobei mindestens eine der Ritzelwellen in einer Richtung zur Antriebsschnecke beweglich und mit einer Kraft beaufschlagt ist, so dass die Rotorwelle zwischen den Schneckenrädern gehalten wird.
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Eine Idee der obigen Kraftübertragungsanordnung besteht darin, einen Spielausgleich bei einem Doppelritzelantrieb dadurch zur Verfügung zu stellen, dass eine der Ritzelwellen einen kraftbeaufschlagten Toleranzausgleich in Richtung der Schneckenwelle aufweist. Auf diese Weise kann das Doppelverzahnungselement mit einer Druckbeaufschlagung zwischen den einander gegenüberliegenden Ritzelwellen aufgenommen und somit ein Spielausgleich realisiert werden.
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Um die Kraft auf die Schneckenwelle des Antriebs zu reduzieren, ist zudem vorgesehen, die Rotorwelle des Antriebsmotors an dem von der Antriebsschnecke entfernten Ende mit einem Festlager zu lagern und des Weiteren die Antriebsschnecke mit keinem oder mit einem Loslager mit einem Freiheitsgrad zumindest in Richtung der Kraftbeaufschlagung durch die Ritzelwelle bereitzustellen. Dadurch werden die Rotorwelle und die Antriebsschnecke zwischen dem Festlager und den Schneckenrädern beweglich gehalten, so dass sich die Rotorwelle und die Antriebsschnecke in Richtung der Kraftbeaufschlagung bewegen und dadurch die Kraft gleichmäßig auf die Ritzelwellen verteilen können.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Rotorwelle auf einer der Antriebsschnecke abgewandten Seite durch ein Festlager gelagert ist und zwischen der Antriebsschnecke und dem Festlager kein oder ein Loslager aufweist.
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Insbesondere kann nur eine der Ritzelwellen in der Richtung zur Antriebsschnecke beweglich sein.
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Mindestens eine der Ritzelwellen kann eine Schneckenradwelle, die fest mit dem entsprechenden Ritzel verbunden ist, und eine Schneckenradnabe, die mit dem entsprechenden Schneckenrad verbunden ist oder dieses aufweist, umfassen, wobei die Schneckenradwelle und die Schneckenradnabe getrennte Bauteile darstellen, die durch ein Verbindungsverfahren miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Schneckenradwelle und die Schneckenradnabe miteinander verschweißt oder verklebt sein.
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Insbesondere können die Schneckenradwelle und die Schneckenradnabe durch eine Koppelplatte miteinander verschweißt sein.
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Alternativ können die Schneckenradwelle und/oder die Schneckenradnabe aus einem schmelzbaren Kunststoff ausgebildet sein und eine Heizeinrichtung aufweisen, um diese durch Aktivieren der Heizeinrichtung miteinander zu verschweißen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Montage einer Kraftübertragungsanordnung mit einer Ritzelwelle vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Montieren der Kraftübertragungsanordnung, wobei zwei einander gegenüberliegende Ritzelwellen, auf denen jeweils ein Ritzel und ein Schneckenrad angeordnet sind, und ein Doppelverzahnungselement mit zwei einander gegenüberliegenden und parallel zueinander angeordneten Zahnreihen vorgesehen sind, wobei die Ritzel in die Zahnreihen eingreifen und die Schneckenräder auf gegenüberliegenden Seiten in eine Antriebsschnecke eingreifen, wobei mindestens eine der Ritzelwellen eine mit dem entsprechenden Schneckenrad verbundene Schneckenradwelle und eine mit dem Ritzel versehene Schneckenradnabe aufweist, wobei die Schneckenradwelle und die Schneckenradnabe gegeneinander verdrehbar sind;
- – nach dem Montieren, drehfestes Verbinden der Schneckenradwelle und der Schneckenradnabe.
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Weiterhin kann das drehfeste Verbinden durch Verschweißen oder Verkleben durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verschweißen durch Aufheizen mithilfe einer in der Schneckenradwelle und/oder der Schneckenradnabe integrierten Heizeinrichtung durchgeführt werden, wobei die Schneckenradwelle und die Schneckenradnabe aufgeschmolzen werden und sich miteinander verbinden.
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Das Verschweißen kann durch Aufheizen einer Koppelplatte auf einer durch die Schneckenradwelle und/oder die Schneckenradnabe gebildeten bündigen Fläche durchgeführt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Kraftübertragungsanordnung in Richtung einer Antriebswelle;
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2 eine schematische Ansicht der Kraftübertragungsanordnung der 1 in Richtung der Ritzelwellen;
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3 Schnittansichten einer Ritzelwelle mit Ritzel und Schneckenrad zum Ermöglichen einer Anpassung der Ausrichtung der Verzahnungen und von Bauteiltoleranzen gemäß einer ersten Ausführungsform; und
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4 Schnittansichten einer Ritzelwelle mit Ritzel und Schneckenrad gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachfolgend wird mit Bezug auf die Darstellungen der 1 und 2 eine Kraftübertragungsanordnung beschrieben, bei der ein von einem Antriebsmotor bereitgestelltes bzw. unterstütztes Antriebsmoment in eine translatorische Bewegung einer Zahnstange umgesetzt werden kann. 2 zeigt die Kraftübertragungsanordnung 1 der 1 aus einer zur Ansichtsrichtung der 1 senkrechten Ansichtsrichtung.
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Die Kraftübertragungsanordnung 1 umfasst einen Antriebsmotor 2, der beispielsweise als Elektromotor oder dergleichen ausgebildet sein kann. Der Antriebsmotor 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als rotatorischer Elektromotor mit einem Innenläufer, z. B. als Gleichstrommaschine oder Synchronmaschine, ausgebildet. Der Antriebsmotor 2 weist ein Gehäuse 21 auf, in dem ein Stator 22 mit Permanentmagneten und/oder einer Statorwicklung angeordnet ist. Der Stator 22 bildet eine zylinderförmige Innenausnehmung aus. In der zylinderförmigen Innenausnehmung befindet sich ein Rotor 23, der drehbar gelagert ist und bei Bestromung des Elektromotors ein Drehmoment auf einer Abtriebswelle 3 bereitstellt.
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Die Abtriebswelle 3 (Rotorwelle) ist mit einer Antriebsschnecke 4 verbunden. Die Antriebsschnecke 4 ist vorzugsweise als eine Schnecke mit nur einer Windung ausgebildet.
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Weiterhin umfasst die Kraftübertragungsanordnung 1 ein erstes Schneckenrad 5, das fest mit einem ersten Ritzel 6 an einer ersten Ritzelwelle 13 verbunden und so gelagert ist, dass es sich gemeinsam mit diesem dreht. Weiterhin ist ein zweites Schneckenrad 7 vorgesehen, das fest mit einem zweiten Ritzel 8 an einer zweiten Ritzelwelle 14 verbunden und so gelagert ist, dass sich das zweite Schneckenrad 7 mit dem zweiten Ritzel 8 gemeinsam dreht. Das erste Schneckenrad 5 und das zweite Schneckenrad 7 greifen auf gegenüberliegenden Seiten in die Antriebsschnecke 4 ein, so dass diese sich bei einer Drehung der Antriebsschnecke 4 ebenfalls drehen.
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Weiterhin ist ein Doppelverzahnungselement vorgesehen, das beispielsweise als Zahnstange 9 ausgebildet sein kann. Die Zahnstange 9 weist eine erste Zahnreihe 10 und eine zweite Zahnreihe 11 auf, die bezüglich der Zahnstange 9 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Das erste Ritzel 6 kämmt dabei mit der ersten Zahnreihe 10 und das zweite Ritzel 8 kämmt mit der zweiten Zahnreihe 11. Eine Drehbewegung des ersten bzw. zweiten Ritzels 6, 8 führt daher zu einer translatorischen Bewegung der Zahnstange 9 und umgekehrt.
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Die axiale Richtung der Abtriebswelle 3 und der Antriebsschnecke 4 verläuft parallel zur doppelt verzahnten Zahnstange 9. Die beiden Schneckenräder 5, 7 und die beiden Ritzel 6, 8 sind an der doppelt verzahnten Zahnstange 9 an einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet, so dass sich die im Betrieb auftretenden Kräfte an der Zahnstange 9 gegenseitig aufheben können.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Schneckenräder 5, 7 mit den dazugehörigen Ritzeln 6, 8 auch bezüglich der Erstreckung der Zahnstange 9 zueinander versetzt angeordnet sein. Um hohe Kräfte über die Ritzel 6, 8 auf die Zahnstange 9 zu übertragen, ist es jedoch vorteilhaft, die Ritzel 6, 8 bezüglich der Zahnstange 9 einander gegenüberliegend anzuordnen. Auf diese Weise kann auf eine aufwändige und teure Kugelumlaufspindel verzichtet werden.
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Weiterhin ist die Zahnstange 9 noch durch die beiden Ritzel 6, 8 wälzgelagert geführt und radial schwimmend zwischen den Ritzeln 6, 8 gelagert. Vorzugsweise ist noch eine seitliche Führung der Zahnstange 9 vorgesehen (nicht gezeigt).
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Bei Einsatz der Kraftübertragungsanordnung 1 zur Lenkunterstützung können das zweite Schneckenrad 7 und das damit verbundene zweite Ritzel 8 über ein zweites Festlager 12 und ein zweites Loslager 31 in radial und axial fixierter Position gehalten werden. Die zweite Ritzelwelle 14 kann dazu beispielsweise direkt oder über ein entsprechendes Getriebe mit einem Lenkrad 19 verbunden sein.
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Die erste Ritzelwelle 13 ist über ein erstes Festlager 15 und ein erstes Loslager 30 gelagert, die jeweils über eine Feder 16 die erste Ritzelwelle 13 mit einer Kraft in Richtung der Zahnstange 9 beaufschlagen. Dadurch wird das erste Ritzel 6 senkrecht auf die Zahnstange 9 gedrückt und reduziert bzw. eliminiert somit das Spiel des Kämmeingriffs des ersten Ritzels 6 in die erste Zahnreihe 10. Das erste Festlager 15 und das erste Loslager 30 sind dazu in einer Richtung senkrecht zur Zahnstange 9 verschiebbar in entsprechenden Gehäusebohrungen aufgenommen.
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Grundsätzlich können die ersten und zweiten Festlager 15, 12 und die ersten und zweiten Loslager 30, 31 auch in anderer Weise an den betreffenden Ritzelwellen 13, 14 angeordnet sein. Es ist jedoch wünschenswert, dass jede Ritzelwelle 13, 14 mit mindestens einem Festlager gelagert ist.
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Weiterhin sind Anschläge 17 vorgesehen, die die Auslenkung des ersten Festlagers 15 und des ersten Loslagers 30 in einer von der Zahnstange 9 wegführenden Richtung beschränken. Dadurch kann zuverlässig vermieden werden, dass das erste Ritzel 6 mit der Zahnstange 9 bzw. mit der ersten Zahnreihe 10 außer Eingriff gelangt. Insbesondere wenn bei einer Überlast die Ritzel 6, 8 durch deren Zahnkräfte in einer radialen Richtung auseinander gedrückt werden, kann durch den Anschlag 17 der maximale Hub der ersten Ritzelwelle 13 begrenzt werden, um die Verzahnungen zu schützen.
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Um die durch die Federn 16 ausgeübten Kräfte auf die Zahnstange 9 auf beide Zahnreihen 10, 11 zu verteilen, ist es notwendig, einen Ausgleich für die Antriebsschnecke 4 und die Zahnstange 9 vorzusehen, so dass diese parallel zur Richtung der Kraftbeaufschlagung kleine Hub- bzw. Schwenkbewegungen ausführen können. Dazu ist die Abtriebswelle 3 des Antriebsmotors 2 zwischen dem Rotor 23 und der Antriebsschnecke 4 mit einem Loslager 18 gelagert, das eine Verschiebung der Abtriebswelle 3 zumindest in Richtung der Kraftbeaufschlagung durch die Feder 16 erlaubt.
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Weiterhin kann das Festlager 24, das die Abtriebswelle 3 an dem der Antriebsschnecke 4 gegenüberliegenden Ende lagert, zusätzlich in zumindest geringem Umfang schwenkbar ausgebildet sein, um ein Verschwenken der Abtriebswelle 3 mit dem daran befindlichen Rotor 23 zuzulassen. Die Verschwenkung der Abtriebswelle 3 soll in einem solchen Maße erfolgen, dass der Rotor 23 nicht mit der Innenfläche des Stators 22 in Kontakt gelangt, d. h. der zwischen der Außenseite des Rotors 23 und der Innenfläche des Stators 22 befindliche Luftspalt sollte durch die Verschwenkung nicht auf Null reduziert werden können.
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Das Loslager 18 kann beispielsweise durch ein Langloch in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Zahnreihen 10, 11 vorgesehen sein. Da die Abtriebswelle 3 nur Zug-/Druckkräfte, ein Drehmoment und keine Querkräfte übertragen muss, hat das Loslager 18 nur eine begrenzende Funktion, da die Abtriebswelle 3 durch den Eingriff der Ritzel 6, 8 in die Zahnreihen 10, 11 und auf der dem Rotor 23 gegenüberliegenden Seite durch das Festlager 24 gehalten wird. Das Loslager 18 kann daher kostengünstig beispielsweise als Kunststoffgleitlager ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Doppelritzelantrieb einen weiteren (nicht gezeigten) Antriebsmotor aufweisen, der über die zweite Ritzelwelle 14, d. h. die fest gelagerte Ritzelwelle, ein entsprechendes Antriebsmoment auf die Zahnstange 9 überträgt.
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Aufgrund von Bauteiltoleranzen passen bei der Montage des Doppelritzelantriebs der obigen Kraftübertragungsanordnung 1 die vier Zahneingriffe zwischen der Antriebsschnecke 4 und den beiden Schneckenrädern 5, 7 und den Ritzeln 6, 8 und den Zahnreihen 10, 11 der Zahnstange 9 nicht ideal zueinander bzw. ineinander. Eine ideale Ausrichtung der Verzahnungen ist jedoch eine Voraussetzung für ein in beide Drehrichtungen spielfreies Getriebe. Daher erfolgt die Ausrichtung der Verzahnungen dadurch, dass das Schneckenrad 5, 7 und das Ritzel 6, 8 bei der Montage mindestens an einer Ritzelwelle 13, 14 stufenlos zueinander verdreht werden können, um die Verzahnungen in optimaler Weise auszurichten.
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Erst dann werden das entsprechende Schneckenrad 5, 7 und das betreffende Ritzel 6, 8 montageseitig fest miteinander verbunden bzw. gefügt.
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Wie in den Schnittansichten der 3 dargestellt ist, weist das erste Schneckenrad 5 eine Schneckenradwelle 51 auf, die mit der entsprechenden ersten Ritzelwelle 13 einteilig ausgebildet oder fest verbunden ist. Eine Schneckenradnabe 52 lässt sich zunächst noch frei auf der Schneckenradwelle 51 verdrehen, bevor sie über einen Montageprozess mit dieser fest verbunden wird. Die Schneckenradnabe 52 und die Schneckenradwelle 51 werden so montiert, dass sie in axialer Richtung bündig zueinander ausgerichtet sind. Dann ist es möglich, die Schneckenradwelle 51 und die Schneckenradnabe 52 einerseits und die Koppelplatte 54 andererseits durch einen Schweißspiegel jeweils stirnseitig bis zur Schweißtemperatur zu erwärmen und dann zum Verschweißen axial zusammenzupressen. Durch das Verschweißen entsteht eine unlösbare Baugruppe mit einem Kraftfluss über die Koppelplatte 54.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in zwei Schnittansichten in 4 dargestellt ist, wird die erste Ritzelwelle 13 mit einer Schneckenradwelle 51 versehen, auf die eine Schneckenradnabe 52 aufgesetzt wird. Zunächst sind während der Montage wie zuvor beschrieben die Schneckenradwelle 51 und die Schneckenradnabe 52 gegeneinander verdrehbar, so dass ein Ausgleich der Bauteiltoleranzen und eine Anpassung der Zahneingriffe der Kraftübertragungsanordnung 1 erreicht werden kann. Ist die Anpassung erfolgt, so kann eine nahe der Kontaktfläche zwischen der Schneckenradwelle 51 und der Schneckenradnabe 52 befindliche Heizeinrichtung 53 z. B. durch Anlegen eines Heizstromes elektrisch aufgeheizt werden, um die Schneckenradwelle 51 und die Schneckenradnabe 52 miteinander zu verschweißen. Die Heizeinrichtung 53 kann beispielsweise eine in der Schneckenradwelle 51 oder in der Schneckenradnabe 52 angeordnete Heizwendel aufweisen.
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Alternativ zum Verschweißen der Schneckenradwelle 51 und der Schneckenradnabe 52 können die beiden Bauelemente auch durch Kleben miteinander verbunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009027468 A1 [0005]
- DE 10051306 A1 [0006]
