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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Umlaufräder-Schaltgetriebe, das eine erste Getriebestufe und eine zweite Getriebestufe aufweist, wobei die erste Getriebestufe einen ersten Planetenträger, von diesem getragene erste Planeten, sowie ein erstes Hohlrad umfasst und die zweite Getriebestufe einen zweiten Planetenträger umfasst, und das Übersetzungsverhältnis dieses Umlaufräder-Schaltgetriebes schaltbar festlegbar ist, indem das erste Hohlrad entweder stationär festgelegt, oder starr mit dem ersten Planetenträger gekoppelt wird.
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Aus
DE 10 2012 007 622 A1 ist eine Antriebseinheit mit einem Planetentrieb bekannt, in der das Hohlrad drehbar auf dem Planetenträger des gleichen Planetentriebs gelagert ist. An dem Hohlrad sitzt axial beweglich eine Schaltklaue. Über die Schaltklaue kann wahlweise das Hohlrad gegenüber einem Getriebegehäuse festgelegt werden oder das Hohlrad mit dem gleichen Planetenträger (indirekt über die Getriebewelle) drehfest verbunden werden, auf dem das Hohlrad mittels des Lagers drehbar gelagert ist. Das Lager ist demnach auch Betriebszuständen ausgesetzt, in welchen es keine Relativrotation zwischen dem Planetenträger und dem Hohlrad gibt.
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In
DE 10 2010 050 217 A1 ist ein Umlaufräder- Schaltgetriebe einer elektrischen Achse beschrieben. Das Schaltgetriebe weist eine Planeten-Getriebestufe mit einem Planetenträger, einen Satz Planetenräder, ein Sonnenrad und ein Hohlrad auf. Das Sonnenrad sitzt auf der Rotorwelle des Elektromotors und steht im Zahneingriff mit dem Planetenrädern. Die Planetenräder sind drehbar an dem Planetenträger gelagert und stehen im Zahneingriff mit dem Hohlrad. Über eine schaltbare Kupplung ist wahlweise eine direkte Wirkverbindung zwischen dem Hohlrad und einem Gehäuse der elektrischen Achse oder zwischen dem Planetenträger und dem Hohlrad schaltbar.
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In
DE 10 2012 007 622 A1 ist eine schaltbare elektrische Antriebseinheit mit einer Planeten-Getriebestufe beschrieben. Das Sonnenrad ist mit der Rotorwelle des Elektromotors verbunden und steht im Zahneingriff mit den am Planetenträger drehbar gelagerten Planetenrädern. Die Planetenräder stehen im Zahneingriff mit einem Hohlrad. Über eine schaltbare Kupplung ist wahlweise eine direkte Wirkverbindung zwischen dem Hohlrad und der Abtriebswelle schaltbar, wobei zugleich das Hohlrad und der ebenfalls mit der Abtriebswelle verbundene Planetenträger miteinander verbunden sind. Eine weitere direkte Wirkverbindung kann über die Kupplung zwischen dem Hohlrad und einem Gehäuse der Antriebseinheit hergestellt werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umlaufrädergetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch einen hohen mechanischen Wirkungsgrad, eine geringe Verschleißneigung und einen insgesamt robusten Aufbau auszeichnet.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Umlaufräder-Schaltgetriebe mit:
- - einer ersten Getriebestufe mit einem ersten Planetenträger,
- - einem ersten Hohlrad,
- - ersten Planeten, die von dem ersten Planetenträger getragen werden und radial von innen her in das erste Hohlrad eingreifen, sowie
- - einer zweiten Getriebestufe mit einem zweiten Planetenträger,
- - wobei das Übersetzungsverhältnis dieses Umlaufräder-Schaltgetriebes schaltbar festlegbar ist, indem das erste Hohlrad entweder stationär festgelegt oder starr mit dem ersten Planetenträger gekoppelt wird, und
- - das erste Hohlrad und der zweite Planetenträger über eine axial und radial tragende Lageranordnung aneinander drehbar abgestützt sind.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, ein Umlaufräder-Schaltgetriebe zu schaffen, das sich durch einen kompakten Aufbau und eine hinsichtlich des Ablaufs und der Führung der ersten Planeten in dem ersten Hohlrad vorteilhafte Abstützung des ersten Hohlrades an dem zweiten Planetenträger auszeichnet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Umlaufräder-Schaltgetriebe derart aufgebaut, dass die Lageranordnung als Wälzlageranordnung ausgebildet ist und eine mit dem ersten Hohlrad umlaufende Laufbahnstruktur sowie eine mit dem zweiten Planetenträger umlaufende Laufbahnstruktur aufweist. Die Wälzlageranordnung ist hierbei vorzugsweise als Kugellager, insbesondere als Vierpunkt-Rillenkugellager, ausgebildet. Die Wälzlageranordnung kann auch als mehrreihiges Wälzlager ausgebildet sein.
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Die Wälzlageranordnung kann in vorteilhafter Weise so aufgebaut sein, dass diese einen Lagerinnenring aufweist, der auf einem entsprechend zylindrisch abgedrehten Außenumfangsabschnitt des ersten Hohlrades sitzt. Die Wälzlageranordnung weist dann weiterhin in vorteilhafter Weise auch einen Lageraußenring auf, der auf einem Innenumfangsabschnitt einer mit dem zweiten Planetenträger integralen Ringglocke sitzt. Der Lagerinnenring und der Lageraußenring können in vorteilhafter Weise über einen leichten Presssitz auf bzw. in der entsprechenden Getriebekomponente sitzen. Die Wälzlageranordnung bildet vorzugsweise ein Festlager, über welches die Axialposition des ersten Hohlrades gegenüber dem zweiten Planetenträger präzise festgelegt ist.
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Das erfindungsgemäße Umlaufräder-Schaltgetriebe ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung derart aufgebaut, dass dieses eine Schiebemuffe umfasst, die auf dem ersten Hohlrad axial verlagerbar, jedoch drehfest geführt ist, wobei diese Schiebemuffe dann vorzugsweise auf einer dem zweiten Planetenträger abgewandten Seite mit einer Koppelungsverzahnung in Eingriff bringbar ist, welche drehfest mit dem ersten Planetenträger gekoppelt ist. Die Schiebemuffe kann so gestaltet sein, dass diese einen Verzahnungsabschnitt trägt, der bei Verschiebung in eine von der Wälzlageranordnung weiter entfernte Position axial in eine stationäre Arretierverzahnung einschiebbar ist. Dieser Verzahnungsabschnitt kann dann bei Verschiebung in eine Richtung zum Hohlrad hin mit der Koppelungsverzahnung des ersten Planetenträgers in Eingriff gelangen. Die einzelnen Koppelungspositionen der Schiebemuffe können durch Rastmittel, beispielsweise eine mitlaufende Kugelschnappmechanik solange beibehalten werden, bis nach Überwindung der entsprechenden Haltekräfte dieser Kugelschnappmechanik die Schiebemuffe wieder verlagert wird. Die Verlagerung der Schiebemuffe kann insbesondere durch eine elektromechanische Aktuatoreinrichtung erfolgen, die beispielsweise über eine Gleitschuhanordnung in eine Umfangsnut der Schiebemuffe eingreift und eine axiale Verlagerung derselben ermöglicht. Das Einrücken der Verzahnung der Schiebemuffe in die mit dem ersten Planetenträger mitlaufende Verzahnung kann durch eine Synchronringmechanik unterstützt werden.
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Die drehfeste Koppelung der Schiebemuffe auf dem ersten Hohlrad kann erreicht werden, in dem am Außenumfang des ersten Hohlrades eine Axialverzahnung ausgebildet ist und die Schiebemuffe über eine komplementäre Innenverzahnung auf dieser Außenverzahnung verschiebbar geführt wird. Die drehfeste Koppelung der Schiebmuffe mit dem ersten Hohlrad und die axial bewegliche Lagerung der Schiebemuffe auf dem ersten Hohlrad kann auch durch anderweitige Geometrien erreicht werden, die beispielsweise nur an bestimmten Umfangsabschnitten des Hohlrades, also nicht über den gesamten Außenumfang desselben, ausgebildet sind. Es ist auch möglich, zwischen dem ersten Hohlrad und der Schiebemuffe Bauteile, z.B. eine Buchse, vorzusehen, die eine drehfeste Koppelung der Schiebemuffe mit dem ersten Hohlrad bewirkt und zugleich eine axiale Verlagerung der Schiebemuffe ermöglicht. Diese Zwischenbuchse kann ggf. auch aus einem Kunststoffmaterial oder einem Lagerwerkstoff gefertigt und insgesamt so ausgelegt sein, dass dieses eine leichtgängige Verlagerung der Schiebemuffe auf dem ersten Hohlrad unterstützt. Weiterhin ist es möglich, im Bereich des ersten Hohlrades und/oder der Schiebemuffe Rastmechaniken vorzusehen, durch welche bestimmte Axialpositionen der Schiebemuffe auf dem ersten Hohlrad solange ohne äußere Krafteinwirkung gehalten werden können, bis eine Änderung der Schaltstellung der Schiebemuffe gefordert wird. Eine derartige Raststmechanik kann beispielsweise eine oder mehrere in der Schiebemuffe aufgenommene Kugelelemente umfassen, die über zugeordnete Federn in kleine Ausnehmungen hineingedrängt werden, die an entsprechender Stelle in dem ersten Hohlrad ausgebildet sind.
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Das erfindungsgemäße Umlaufräder-Schaltgetriebe kann mit Sensoreinrichtungen ausgestattet sein, welche Aufschluss über die momentan zwischen den zu koppelnden Gliedern herrschenden Winkelgeschwindigkeitsdifferenzen geben. Der Schaltzustandswechsel erfolgt vorzugsweise bei Betriebszuständen mit hinreichend niedrigen Drehzahldifferenzen. Die zur stationären Festlegung der Schiebemuffe vorgesehene Verzahnung kann integral mit dem Getriebegehäuse oder durch einen anderweitig starr mit diesem Getriebegehäuse gekoppelten, aus einem hochfesten Werkstoff gefertigten Zahnkranz bereitgestellt sein. Die stationäre Festlegung dieser Verzahnung kann auch über eine Überlastkupplung bewerkstelligt werden, die bei Überschreiten eines konstruktiv festgelegten Maximalmomentes temporär in einen Rutschzustand gelangt. Auch die seitens des ersten Planetenträgers für den Eingriff mit der Schiebemuffe vorgesehene Verzahnung kann auf einer Überlast-Rutschkupplung sitzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die mit der Schiebemuffe koppelbare, stationäre Verzahnung über eine anderweitige Getriebemechanik derart drehbar abzustützen, dass das von dieser Verzahnung in die Schiebemuffe eingeleitete Haltemoment einstellbar, insbesondere stufenlos veränderbar ist. Dies kann z.B. erfolgen, indem jene stationär festlegbare Verzahnung über eine Bremslammelenpackung festgelegt ist, deren Belastungszustand über eine anderweitige Mechanik einstellbar ist. Es ist auch möglich, über eine hydrostatisch operierende Mechanik, insbesondere über eine Zahnradpumpenmechanik jenes mit der Schiebemuffe in Eingriff bringbare Zahnkranzelement mit einem einstellbar veränderbaren Drehmoment abzustützen und erforderlichenfalls zu arretieren.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept wird die Lagerung des ersten Hohlrades der ersten Getriebestufe derart bewerkstelligt, dass zum einen der vorhandene Bauraum bestmöglich ausgenutzt wird und zum anderen die verwendeten Lager so eingebaut werden, dass geforderten Einbaubedingungen erfüllt werden. Außerdem erfolgt durch den erfindungsgemäßen Ansatz eine zusätzliche radiale Lagerung des ersten Hohlrads der ersten Getriebestufe und die Verlustleistung in der Verzahnung der ersten Planetenradstufe wird minimiert. Der zweite Planetenträger der benachbarten zweiten Planetengetriebestufe stellt ein Element dar, das bei Betrieb des Getriebes stets eine andere Drehzahl aufweist als das erste Hohlrad der ersten Getriebestufe. Die zwischen den beiden an der erfindungsgemäßen Lagerstelle abgestützten Komponenten herrschende Drehzahldifferenz bewirkt, dass die Wälzkörper im Lager permanent abwälzen und keine abgeflachten Druckstellen entstehen, die die Lagerlebensdauer verringern. Daher wird erfindungsgemäß das erste Hohlrad der ersten Stufe auf dem zweiten Planetenträger der zweiten Planetengetriebestufe gelagert. Dabei werden in vorteilhafter Weise, die Axialkräfte, die durch die Schrägverzahnung der Bauteile entstehen auf kurzem Wege ausgeglichen. Das erste Hohlrad, das prinzipiell in der ersten Planetenstufe selbst zentriert wird, erhält erfindungsgemäß eine zusätzliche radiale Lagerung, wodurch die Kräfte, die von der Verzahnung übertragen werden müssen, verringert werden, wodurch sich die Reibung in der Verzahnung minimiert und wodurch sich die Verlustleistung des gesamten Getriebes verringert.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
- 1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Umlaufräder-Schaltgetriebes bei welchem eine Gangstufenwahl bewerkstelligt wird, indem ein Hohlrad einer ersten Planetenstufe entweder stationär festgelegt oder mit einem ersten Planetenträger gekoppelt wird, wobei jenes erste Hohlrad über eine axial und radial tragende Lageranordnung mit dem Planetenträger einer zweiten Getriebestufe drehbar gekoppelt ist.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die Darstellung nach 1 zeigt in Form einer vereinfachten Schemadarstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Umlaufräder-Schaltgetriebes. Dieses umfasst eine erste Getriebestufe G1 mit einem ersten Planetenträger C1, ein erstes Hohlrad H1, sowie erste Planeten P1 die von dem ersten Planetenträger C1 getragen werden und radial von innen her in das erste Hohlrad H1 eingreifen. Das Umlaufräder-Schaltgetriebe umfasst weiterhin eine zweite Getriebestufe G2 mit einem zweiten Planetenträger C2. Bei dem hier gezeigten Umlaufräder-Schaltgetriebe ist das Übersetzungsverhältnis schaltbar festlegbar ist, indem das erste Hohlrad H1 entweder stationär festgelegt oder starr mit dem ersten Planetenträger C1 gekoppelt wird, und das erste Hohlrad H1 und der zweite Planetenträger C2 sind über eine axial und radial tragende Lageranordnung L1 aneinander drehbar abgestützt.
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Die Lageranordnung L1 ist als Wälzlageranordnung ausgebildet und weist eine mit dem ersten Hohlrad H1 umlaufende Laufbahnstruktur L1a, sowie eine mit dem zweiten Planetenträger C2 umlaufende Laufbahnstruktur L1b, auf. Die Wälzlageranordnung L1 ist als Kugellager ausgebildet. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kugellager als Vierpunkt-Rillenkugellager ausgebildet.
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Die Wälzlageranordnung L1 ist so aufgebaut, dass die mit dem ersten Hohlrad H1 umlaufende Laufbahnstruktur L1a durch einen Lagerinnenring 1 gebildet ist, der auf einem Außenumfangsabschnitt des ersten Hohlrades H1 sitzt. Obgleich hier nicht weiter dargestellt, ist der Lagerinnenring 1 an dem ersten Hohlrad H1 axial gesichert. Die Wälzlageranordnung L1 weist weiterhin auch einen Lageraußenring 2 auf, der auf einem Innenumfangsabschnitt einer mit dem zweiten Planetenträger C2 integralen Ringglocke 3 sitzt.
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Die Wälzlageranordnung L1 umfasst weiterhin eine Schiebemuffe 4, die auf dem ersten Hohlrad H1 axial verlagerbar, jedoch über eine Innenverzahnung 4a drehfest geführt ist. Diese Schiebemuffe 4 ist auf einer dem zweiten Planetenträger C2 abgewandten Seite mit einer als Zahnkranz ausgebildeten Koppelungsverzahnung 5 in Eingriff bringbar, welche drehfest mit dem ersten Planetenträger C1 gekoppelt ist.
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Die Schiebemuffe 4 trägt einen weiteren Verzahnungsabschnitt 4b, der bei Verschiebung in eine von der Wälzlageranordnung L1 weiter entfernte Position axial in eine stationäre und am Getriebegehäuse 9 drehsicher verankerte Arretierverzahnung 6 einschiebbar ist. Bei Verschiebung in eine Richtung zum Hohlrad hin gelangt jener Verzahnungsabschnitt 4b mit der Koppelungsverzahnung 5 des ersten Planetenträgers in Eingriff. Die axiale Verlagerung der Schiebemuffe 4 kann beispielsweise über eine Gleitschuhanordnung oder eine Schaltgabel bewerkstelligt werden, die in einen Umfangsnut 8 der Schiebemuffe 4 eingreift. Die Verlagerung der Schiebmuffe 4 kann auch durch anderweitige Schaltmechaniken bewerkstelligt werden. Diese Schaltmechaniken können beispielsweise als elektromechanische Schaltmechaniken oder auch als hydraulische oder pneumatische Schaltmechaniken ausgeführt werden. Bei einer elektromechanischen Variante kann die Schiebemuffe 4 als Anker fungieren, der durch eine diesen Anker umgreifende Spulenanordnung in die jeweils geforderte Schaltstellung gedrängt wird. Im Falle der Ausführung der Schaltmechanik als druckmittelbetätigte Schaltmechanik kann die Schiebemuffe 4 als Kolbenelement fungieren, das eine Ringkammer begrenzt, wobei durch Einbringung eines Druckmittels, insbesondere Öl oder Luft, dann die Schiebemuffe 4 entsprechend positioniert wird. Die Schaltmechanik kann auch ein stationär am Getriebegehäuse 9 festgelegte Ringkolbenmechanik aufweisen, die über eine Axiallageranordnung mit der Schiebemuffe gekoppelt ist und eine entsprechende axiale Verlagerung derselben ermöglicht.
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Durch die Lagerung des ersten Hohlrades der ersten Getriebestufe G1 auf dem zweiten Planetenträger C2 der zweiten Getriebestufe G2 über die Lageranordnung L1 wird gewährleistet, dass der Innenring 1 des Lagers L1 immer eine vom Außenring 2 verschiedene Drehzahl auf weist. Die Wälzkörper 7 wälzen also während des Betriebs stetig ab, wodurch sich die Lagerlebensdauer erhöht. Dadurch werden die geforderten Einbaubedingungen des Lagers L1 erfüllt. Durch die Anordnung des Lagers L1 direkt auf dem ersten Hohlrad H1, kann das Lager L1 nahezu bauraumneutral in das Getriebe integriert werden. Da zwischen beiden Stufen G1, G2 in jedem Falle etwas Platz vorgehalten werden muss, damit sich die Bauteile der unterschiedlichen Stufen nicht während des Betriebs berühren, kann dieser Raum ebenfalls für die Integration des Lagers L1 genutzt werden. Durch die in 1 dargestellte Anordnung der Kupplungsverzahnungen 4a, 4b, 5, 6 vergrößert sich der Bauraum ebenfalls kaum. Lediglich der Platz zwischen den Kupplungsverzahnungen 5, 6, in dem sich die Verzahnung 4b Schiebemuffe 4 bei Neutralstellung befindet, wird bei dieser Ausführungsform zusätzlich benötigt. In radialer Richtung wird Bauraum eingespart, da die Schiebemuffe 4 neben der Lagerung L1 positioniert wird und nicht auf der Lagerung L1. Dadurch können ebenfalls eine Schaltwippe oder ähnliche Aktuatoren kleiner und damit leichter ausgeführt werden. Der gewonnene Bauraum in radialer Richtung kann zum Beispiel für die Integration eines Schaltaktuatormotors, einer Ölpumpe oder ähnliche Zusatzbaugruppen genutzt werden. Dadurch wird es möglich, dass solche Baugruppen weitgehend bauraumneutral in das hier nicht weiter dargestellte Getriebegehäuse 9 integriert werden. Für den Einbau des Lagers L1 ist keine komplexe Abstimmung nötig, um eine gewisse Vorspannung zu erhalten, wodurch sich der Einbau erleichtert und sich dadurch die Montage verkürzt. Die Montagekosten werden auch reduziert. Durch das verwendete Lager L1 werden die durch die Schrägverzahnungen auftretenden Axialkräfte aufgenommen. Radial wird das erste Hohlrad H1 in der ersten Planetenstufe G1 ebenfalls durch das verwendete Lager L1 geführt. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des Getriebes, da die Verlustleistung der Verzahnung in der ersten Planetenstufe G1 verringert wird. Durch die zusätzliche radiale Stützwirkung bei der Ausgestaltung des Lagers L1 als Rillenkugellager oder insbesondere Vierpunktlager oder ähnlich wirkendes Lager vermindert sich also auch die Belastung der Verzahnung der Planeten P1, da die radialen Kräfte, die auf das erste Hohlrad H1 wirken, nur zum Teil über die Planetenstufe G1 selbst gestützt werden, da ein Teil der radialen Kräfte von dem verwendeten Lager L1 aufgenommen wird.
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Das erfindungsgemäße Getriebe eignet sich insbesondere für den Einsatz in einer elektrischen Antriebsachse bei einem Kraftfahrzeug. Außerdem kann diese Erfindung bei neuen Entwicklungen von Schaltgetrieben, insbesondere auch Schalt-Differentialgetrieben, Schalt-Ausgleichsgetrieben, neuen Aktuatoren und Koaxialgetrieben Anwendung finden.
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Die Erfindung richtet sich im Kern auf die Realisierung einer Lagerstelle in einem Planetengetriebe, an der ein erstes Hohlrad mittels eines Kugellagers gegenüber einem weiteren Planetenträger oder einem anderen Getriebeelement drehbar gelagert ist. Durch diese Lagerstelle werden die üblichen Axiallager, die in der Regel zweifach verwendet werden, durch das eine Kugellager ersetzt und die das Lager tragenden Komponenten zusätzlich radial gestützt. Axiallager sind in derartigen Anordnungen Betriebszuständen ohne Rotation unterworfen. Stöße und Schwingungen führen zur Riffelbildung in den Laufbahnen. Dem gegenüber rotiert ein Ring des Kugellagers in der erfindungsgemäßen Lagerstelle immer, so dass in allen Betriebszuständen das Abrollen der Kugeln sichergestellt ist. Die Erfindung betrifft auch eine Getriebeeinheit mit der Lagerstelle, die wenigstens einen Planetentrieb mit Planetenrädern, einen Planetenträger für die Planetenräder, ein Hohlrad im Eingriff mit den Planetenrädern, den weiteren Planetenträger, an dem die Planetenräder nicht gelagert sind, und ein Kupplungselement aufweist. Das Kupplungselement ist formschlüssig mit dem Hohlrad so verbunden, dass dieses rotationsfest zum Hohlrad axial fest oder aber axial (begrenzt) gegen dieses beweglich mit dem Hohlrad verbunden ist. Erfindungsgemäß ist das Hohlrad an der Lagerstelle mit wenigstens einem Kugellager an dem weiteren Planetenträger radial gelagert und axial abgestützt.
