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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heben oder Senken einer Struktur, die vertikal verfahrbar an Stützen gelagert ist, wobei die Struktur motorisch angetriebene Ritzel aufweist, die in Eingriff stehen mit an den Stützen angeordneten Zahnstangen, wobei mehrere Ritzel über Verteil- und Ausgleichsgetriebe an einen gemeinsamen Antrieb angeschlossen sind, derart, dass sich die Antriebsleistung des Antriebes gleichmäßig auf die angeschlossenen Ritzel verteilt.
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Derartige Hubvorrichtungen werden bevorzugt bei Offshore-Plattformen und bei Errichterschiffen für Windkraftanlagen auf See eingesetzt, die jeweils mit vertikal verfahrbaren Stützen ausgestattet sind. Diese Stützen lassen sich auf den Meeresgrund absenken, so dass sich die Offshore-Plattform bzw. das Schiff aus dem Wasser heraus in eine gewünschte Arbeitsposition anheben lässt.
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Eine Hubvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen ist durch die
EP 1.848.655 bekannt geworden. Dabei werden zwei Ritzel, die mit zwei an derselben Stütze angeordneten Zahnstangen in Eingriff stehen, von einem gemeinsamen Motor angetrieben, wobei die gleichmäßige Aufteilung der Antriebsleistung auf die beiden Ritzel durch ein spezielles Ausgleichsgetriebe realisiert wird. Dieses Ausgleichsgetriebe besteht im bekannten Fall aus einem Planetenraddifferential, dessen Sonnenrad mit dem motorischen Antrieb in Verbindung steht, während der Planetenträger an eines der beiden anzutreibenden Ritzel angeschlossen ist. Das andere Ritzel wird hingegen über ein zwischengeschaltetes Zahnrad von dem Hohlrad des Planetengetriebes angetrieben. Auf diese Weise bewirkt das Planetengetriebe, dass beide Ritzel mit der gleichen Antriebsleistung beaufschlagt werden und Unterschiede in der Steifigkeit der einzelnen Antriebsstränge, Fertigungstoleranzen und andere Phänomene ausgeglichen werden.
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Allerdings erfolgt bei diesem bekannten Antrieb keine Trennung zwischen der Übersetzungsfunktion, der Verteilungsfunktion und der Ausgleichsfunktion. Insbesondere muss bei dieser Lösung in Kauf genommen werden, dass bei Ausfall eines der beiden einem Ritzel zugeordneten Antriebsstranges der gesamte Antrieb ausfällt. Dadurch können die verbleibenden Antriebe überlastet werden.
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Erschwerend kommt hinzu, dass ein derartiger Ausfall sich auch auf die Bremswirkung auswirkt, wenn die Bremse – wie meist üblich – auf der Antriebsseite angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine alternative Lösung für die gleichmäßige Aufteilung der Antriebsleistung auf mehrere Ritzel zu suchen. Dabei soll insbesondere ein Ausfall im Antriebsstrang des einen Ritzels nicht dazu führen, dass auch der Antrieb des anderen Ritzels ausfällt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass den Ritzeln jeweils ein Getriebe vorgeschaltet ist, dass diese Getriebe oder Teile dieser Getriebe zur Erzeugung jeweils einer Reaktionskraft beweglich gelagert sind, und dass die genannten Reaktionskräfte über zumindest ein Koppelelement gegensinnig aufeinander einwirken.
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Erfindungsgemäß werden also die an den vorgeschalteten Getrieben auftretenden Reaktionskräfte nicht von einer starren Basis, etwa dem Getriebegehäuse, aufgenommen, sondern sie werden gegensinnig in ein gemeinsames Koppelelement eingeleitet. Die beiden vorgeschalteten Getriebe stützen sich also gegenseitig aneinander ab und bewirken dadurch einen Ausgleich zwischen den Antriebssträngen, indem eine einseitige Überlastung synchron zu einer Mitbelastung des anderen Getriebes führt.
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Der Begriff „Reaktionskraft” ist dabei umfassend im Sinne des Lehrsatzes „Actio = Reactio” zu verstehen, d. h. er umfasst nicht nur translatorisch wirkende Kräfte, sondern auch Kräfte, die am Umfang einer Getriebewelle oder eines Getriebegehäuses oder dergleichen auftreten und die somit ein Drehmoment erzeugen. Dies bedeutet, dass unter „Reaktionskraft” auch Reaktionsmomente verstanden werden und dass die zur Erzeugung jeweils einer Reaktionskraft beweglich gelagerten Getriebe wahlweise drehbeweglich oder translatorisch verschiebbar gelagert werden können.
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Im Allgemeinen wird es zweckmäßig sein, wenn die vorgeschalteten Getriebe zur Erzeugung der Reaktionskräfte jeweils das gleiche Übersetzungsverhältnis aufweisen und somit auch gleich hohe Reaktionskräfte erzeugen. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, Getriebe mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen einzusetzen und die daraus resultierenden unterschiedlichen hohen Reaktionskräfte dadurch auszugleichen, dass das Koppelelement ein daran angepasstes Übersetzungsverhältnis aufweist, etwa indem das Koppelelement über unterschiedlich lange Hebelarme an den Getrieben angelenkt ist.
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Im konstruktiv einfachsten Fall ist das Koppelelement eine an den Gehäusen der vorgeschalteten Getriebe angelenkte Koppelstange.
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Sind die vorgeschalteten Getriebe drehbeweglich gelagert, kann das Koppelelement ein mit den Getriebegehäusen verbundener Seilzug, ein Umschlingungstrieb oder auch ein Rädergetriebe sein.
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Sind die vorgeschalteten Getriebe translatorisch verschiebbar gelagert, kann das Koppelelement als Schneckengetriebe, Schraubradgetriebe oder als schräg verzahntes Getriebe ausgebildet sein, so dass bei Drehmoment-Übertragung jeweils eine axiale Reaktionskraft erzeugt wird. Dabei ist zu beachten, dass der Steigungswinkel der Schnecken- oder Schraubradgetriebe ebenso wie der Schrägungswinkel bei einem schräg verzahnten Getriebe so steil gewählt wird, dass keine Selbsthemmung auftritt.
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Eine andere Alternative für die Ausbildung des Koppelelementes besteht darin, dass das Koppelelement eine an ihren Enden über Zylinder/Kolben-Aggregate mit den Gehäusen der vorgeschalteten Getriebe verbundene Hydraulikleitung ist. Konstruktiv noch günstiger wird es, wenn die genannte Hydraulikleitung mit ihren Zylinder/Kolben-Aggregaten nicht an den Gehäusen der vorgeschalteten Getriebe, sondern direkt mit axial verschiebbar gelagerten Wellen der vorgenannten Getriebe verbunden ist.
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Bei der eingangs beschriebenen vorbekannten Lösung erfolgt der Lastausgleich jeweils zwischen zwei an der gleichen Zahnstange angreifenden Ritzeln. Dem gegenüber erlaubt es die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Antrieben durch Kombination mehrerer Koppelelemente miteinander zu verbinden, insbesondere, wenn die Koppelelemente durch die zuvor beschriebenen Hydraulikleitungen mit Zylinder/Kolben-Aggregaten ausgebildet sind.
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Zur Ergänzung der beweglichen Lagerung der vorgeschalteten Getriebe – gleichgültig, ob es sich um eine drehbewegliche oder um eine verschiebbare Lagerung handelt – kann es noch zweckmäßig sein, diese bewegliche Lagerung durch Anschläge zu begrenzen. Besonders zweckmäßig ist es dabei, die Anschläge federnd und/oder dämpfend auszubilden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, dabei zeigt
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1 eine Prinzipdarstellung des Antriebes zweier Ritzel bei drehbeweglicher Lagerung der den Ritzeln vorgeschalteten Getriebe;
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2 eine schematische Ausschnittvergrößerung aus 1;
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3 eine Ausschnittvergrößerung gemäß 2 bei Ausbildung des Koppelelementes als Seilzug;
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4 die Ausschnittvergrößerung gemäß 2 bei Ausbildung des Koppelelementes als Umschlingungstrieb;
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5 die Ausschnittvergrößerung gemäß 2 bei Ausbildung des Koppelelementes als Rädergetriebe;
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6 die Ausschnittvergrößerung gemäß 2 bei Ausbildung des Koppelelementes als Hydraulikleitung;
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7 eine Darstellung ähnlich 6 bei Erweiterung auf beliebig viele Antriebe;
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8a, 8b eine Prinzipdarstellung bei vorgeschalteten Getrieben mit axial verschiebbar gelagerten Schnecken;
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9a, 9b eine Prinzipdarstellung bei vorgeschalteten Getrieben mit schräg verzahnten Zahnrädern, die axial verschiebbar gelagert sind;
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10 ein Schrägbild einer auskonstruierten Bauform.
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In
1 sind schematisch zwei vertikal verlaufende Zahnstangen
1 und
2 erkennbar. Diese Zahnstangen sind fest an einer gemeinsamen oder an zwei separaten, nicht näher dargestellten Stützen montiert. An diesen Stützen soll eine Struktur – etwa eine Plattform oder ein Schiffsrumpf nach oben oder nach unten verfahrbar sein. Zu diesem Zweck steht die genannte Struktur über zwei Ritzel
3 bzw.
4 mit den Zahnstangen
1 bzw.
2 in Eingriff. Insoweit wird voll inhaltlich auf die
EP 1.848.655 Bezug genommen.
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Die Ritzel 3 und 4 haben einen gemeinsamen Antrieb in Form eines Motors 5. Dieser Motor 5 ist über ein Verteilgetriebe 6 an zwei Untersetzungsgetriebe 7 und 8 angeschlossen. Das Untersetzungsgetriebe 7 leitet die Antriebsleistung weiter an das Ritzel 3, das Untersetzungsgetriebe 8 an das Ritzel 4.
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Wesentlich ist nun, dass die beiden Untersetzungsgetriebe 7 und 8 nicht starr an ihrer Tragestruktur montiert sind, sondern daran jeweils um eine Horizontalachse drehbeweglich gelagert sind.
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Im Ausführungsbeispiel werden die beiden Ritzel 3 und 4 aufgrund des Verteilgetriebes 6 in gegensinniger Drehrichtung angetrieben, d. h. dass die Untersetzungsgetriebe 7 und 8 sich gegensinnig verdrehen wollen, also gegensinnige Reaktionskräfte oder Drehmomente erzeugen, wie dies durch die Pfeile in den 2 ff angedeutet ist. Diese Reaktionskräfte werden in 2 über je eine Pendelstütze 7a bzw. 8a des Getriebes 7 bzw. 8 in ein gemeinsames Koppelelement 9 in Form einer Koppelstange geleitet. Dabei ist die Koppelstange schwenkbar mit den Pendelstützen 7a und 8a verbunden und so eingebaut, dass sie auf Zug belastet wird. Somit stützen sich die beiden Untersetzungsgetriebe 7 und 8 gegensinnig aneinander ab und Mehrbelastungen des einen Getriebes wirken über die Koppelstange 9 auf das andere Getriebe, so dass eine gleichmäßige Beaufschlagung beider Ritzel 3 und 4 gewährleistet ist. Im Ergebnis stützt sich also jedes Ritzel nicht ausschließlich an seinem eigenen Untersetzungsgetriebe ab, sondern über die Pendelstützen 7a, 8a und die zwischengeschaltete Koppelstange 9 jeweils auch an dem anderen Untersetzungsgetriebe. Beide Untersetzungsgetriebe und damit auch beide Ritzel werden daher dem gleichen Drehmoment unterworfen.
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Wie 3 zeigt, kann anstelle der starren Koppelstange 9 ein Seilzug 10 als Koppelelement eingesetzt werden. Dabei ist lediglich zu beachten, dass der Seilzug diejenigen Umfangsbereiche der Untersetzungsgetriebe 7 und 8 umfasst, wo die Umfangskräfte nach außen gerichtet sind, der Seilzug 10 also auf Zug belastet wird.
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Alternativ zeigt 4, dass das Koppelelement als Umschlingungstrieb 11, insbesondere in Form einer Kette, ausgebildet sein kann. Er ist wie zuvor so um die Getriebe zu verlegen, dass er stets auf Zug belastet wird.
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Alternativ kann das Koppelelement gemäß 5 als Rädergetriebe 12 ausgebildet sein, also etwa durch ein Zahnrad, über das sich die beiden Untersetzungsgetriebe 7 bzw. 8 gegensinnig abstützen.
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Neben den bis jetzt beschriebenen mechanischen Ausbildungen des Koppelelementes besteht auch die Möglichkeit, die Kopplung der vorgeschalteten Getriebe auf pneumatischem oder hydraulischem Weg zu realisieren. Eine derartige Variante ist in 6 dargestellt. Man sieht, dass hier die Pendelstützen 7a und 8a auf Zylinder/Kolben-Aggregate 13 bzw. 14 einwirken und diese beiden Zylinder/Kolben-Einheiten durch eine Hydraulikleitung 15 miteinander verbunden sind. Entsteht beispielsweise am Ritzel 3 und damit am Untersetzungsgetiebe 7 ein erhöhtes Drehmoment, so ergibt die höhere Reaktionskraft eine Verdrängung des Hydraulikmittels im Zylinder/Kolben-Aggregat 13. Die verdrängte Hydraulikmenge fließt über die Hydraulikleitung 15 in das andere Zylinder/Kolben-Aggregat 14 und bewirkt somit eine Überleitung der Reaktionskraft vom Untersetzungsgetriebe 7 auf das Untersetzungsgetriebe 8 und somit auf das ihm zugeordnete Ritzel 4.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der hydraulischen Kopplung besteht darin, nicht nur zwei, sondern beliebig viele Ritzel-Antriebe gleichzeitig auszugleichen. Dies zeigt 7 am Beispiel von sechs Ritzel-Antrieben, indem die hydraulischen Verbindungsleitungen 15, 15' und 15'' von drei Ritzel-Paaren an eine gemeinsame Verbindungsleitung 16 angeschlossen sind. Auf diese Weise lassen sich mehrere Ritzel-Antriebe einer Zahnstange zusammenschalten. Im Maximalfall lassen sich über eine derartige hydraulische Zusammenschaltung alle Ritzel-Antriebe einer Stütze kombinieren.
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In den vorherigen Ausführungsbeispielen wurde jeweils von drehbeweglich gelagerten Untersetzungsgetrieben ausgegangen. Dem gegenüber befassen sich die folgenden Figuren mit Untersetzungsgetrieben, bei denen keine drehbewegliche, sondern eine translatorisch verschiebbare Lagerung gewählt wurde.
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Eine derartige verschiebbare Lagerung der Vorschaltgetriebe ist in den 8a und 8b am Beispiel eines Schneckengetriebes gezeigt. Der Antriebsmotor 5 wirkt hier unter Weglassung des Verteilgetriebes 6 über ein Untersetzungsgetriebe 17 auf eine Welle 18 mit zwei darauf angebrachten Schnecken 19 und 20 ein. Die Schnecken 19 und 20 stehen ihrerseits in Eingriff mit korrespondierenden Zahnrädern 21 bzw. 22, die mit den Ritzeln 3 bzw. 4 verbunden sind. Wesentlich bei dieser Konstruktion ist, dass die Welle 18 axial verschiebbar gelagert ist und dass die Schnecken 19 und 20 gegenläufige Steigung aufweisen, wobei der Steigungswinkel der Schnecken so zu wählen ist, dass keine Selbsthemmung auftritt. Die Welle 18 fungiert dann durch ihre Verbindung mit den beiden Schnecken 19 und 20 als Koppelelement.
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Tritt beispielsweise an dem Zahnrad 21 ein erhöhtes Drehmoment auf, so bewirkt die daraus resultierende Reaktionskraft an der ihr zugeordneten rechtssteigenden Schnecke 19 eine Verschiebung nach rechts, wie dies in 8a dargestellt ist. Dementsprechend erhöht sich aufgrund der gleichsinnigen Axialverschiebung der linkssteigenden Schnecke 20 das Stützmoment am Zahnrad 22 und führt somit zu einer Weitergabe der Mehrbelastung des Zahnrades 21 an das Zahnrad 22.
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8b zeigt den umgekehrten Fall: Dabei ist in Folge einer Mehrbelastung des Zahnrades 22 die linkssteigende Schnecke 20 und somit auch die rechtssteigende Schnecke 19 nach links verschoben worden, wie man am Versatz der im Untersetzungsgetriebe 17 miteinander kämmenden Zahnräder gegenüber ihrer Position in 8a deutlich erkennt.
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Im Ergebnis kann also bei den translatorisch verschiebbaren Getrieben das Koppelglied dadurch realisiert werden, dass die beiden Schnecken 1 und 20 auf einer gemeinsamen durchgehenden Welle 18 angeordnet sind.
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Die gleiche Konstruktion ergibt sich, wenn anstelle der Schneckengetriebe Schraubgetriebe verwendet werden.
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Eine weitere Abwandlung ist dadurch möglich, dass anstelle der Schnecken- oder Schraubgetriebe Stirnradgetriebe mit schräg verzahnten Zahnrädern eingesetzt werden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in den 9a und 9b dargestellt. Der Antriebsmotor 5 treibt hier über ein Verteilgetriebe 6 zwei axial verschiebbare Wellen 30 und 31, die letztlich die Ritzel 3 bzw. 4 antreiben, die ihrerseits mit den einstückig ausgebildeten Zahnstangen 1 bzw. 2 kämmen.
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Wesentlich dabei ist, dass an den axial verschiebbaren Wellen 30 und 31 zumindest an einer Zahnradübersetzung, vorzugsweise an zwei Übersetzungsstufen Schrägverzahnungen vorliegen, die bei Drehmomentübertragung eine Axialkraft an den Wellen 30 und 31 erzeugen.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Schrägverzahnungen an den Wellen 30 und 31 bei zumindest einer Übersetzungsstufe entgegengesetzt gerichtet, so dass entsprechend der gegenläufigen Drehrichtung der Wellen 30 und 31 die bei Drehmomentübertragung auftretenden Reaktionskräfte gleichgerichtet nach oben wirken. Diese Reaktionskräfte wirken an den oberen Wellenenden auf Zylinder/Kolben-Aggregate 13 bzw. 14, die ihrerseits über eine Hydraulikleitung 15 miteinander verbunden sind.
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Tritt also beispielsweise an der Welle 30 eine erhöhte Belastung auf, führt dies zu einer Verschiebung der Welle nach oben, verdrängt somit Hydrauliköl aus dem Zylinder/Kolben-Aggregat 13, das über die Verbindungsleitung 15 in das andere Zylinder/Kolben-Aggregat 14 fließt und somit die dortige Welle 31 nach unten drückt. Dieser Zustand ist in 9a dargestellt. Auf diese Weise wird die an der Welle 30 auftretende erhöhte Reaktionskraft übertragen auf die Welle 31, so dass im Ergebnis an beiden Ritzeln 3 und 4 die gleiche Antriebsleistung ansteht.
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9b zeigt den umgekehrten Fall, wo eine erhöhte Antriebsleistung an der Welle 31 auftritt, diese daher aufgrund ihrer Schrägverzahnung nach oben gedrückt wird, wodurch die andere Welle 30 über die beschriebene hydraulische Verbindung nach unten gedrückt wird.
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Nach diesen eher schematisch dargestellten Ausführungsformen erfolgt nun die Beschreibung einer realistischeren Darstellung gemäß 10.
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In 10 sind die beiden Zahnstangen 1 und 2 einstückig ausgebildet, so dass die beiden Ritzel 3 und 4 an gegenüberliegenden Verzahnungen angreifen. Der Antrieb dieser beiden Ritzel erfolgt wiederum über einen gemeinsamen hochdrehenden Elektromotor 5. Seine Abtriebsleistung wird über ein Verteilgetriebe 6 auf die beiden Ritzelantriebe aufgeteilt. Beide Ritzelantriebe durchlaufen ein gleichartiges, starkes Untersetzungsgetriebe 7 bzw. 8, um aus der hohen Antriebsdrehzahl ein hohes Drehmoment mit niedriger Drehzahl zu generieren. Die Untersetzungsgetriebe 7 und 8 können beliebiger Konstruktion sein, ggf. auch Planetengetriebe enthalten. Wesentlich ist, dass die Gehäuse der Untersetzungsgetriebe 7 und 8 nicht wie üblich ortsfest auf einer Montagebasis montiert sind, sondern stattdessen rotatorisch beweglich gelagert sind und dass die Getriebegehäuse stattdessen über Pendelstützen 7a und 8a schwenkbar an ein Koppelelement 9 in Form einer Koppelstange angelenkt sind.
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Da die Ritzel 3 und 4 gegensinnig angetrieben werden, stehen auch an den Untersetzungsgetrieben 7 und 8 gegensinnige Reaktionskräfte an und diese Reaktionskräfte werden – bevorzugt als Zugkräfte – in die Koppelstange 9 eingeleitet. Dadurch stützen sich die beiden Getriebe gegenseitig aneinander ab und bewirken den erwünschten Momenten-Ausgleich zwischen den Antriebssträngen der beiden Ritzel 3 und 4.
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Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die an den Getrieben 7 und 8 auftretenden Reaktionskräfte nicht unmittelbar am Gehäuse abzuführen, sondern stattdessen auf andere Getriebeteile, Zwischenlagerungen oder dergleichen zuzugreifen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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