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Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb zum Verschwenken von zwei gelenkig miteinander verbunden Mastarmen, sowie einen Betonverteilermast mit entsprechendem Drehantrieb.
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Stationäre oder fahrbare Betonpumpen weisen einen Betonverteilermast bestehend aus mindestens zwei gelenkig über eine Schwenkachse miteinander verbundenen Mastarmen auf. Zum Ausbringen des Betons an einer gewünschten Stelle, tragen die Mastarme eine Betonförderleitung und können durch Verschwenken derart ausgefahren werden, dass unterschiedliche Orte bspw. auf einer Baustelle durch den Verteilermast erreichbar sind. Aufgrund der großen Reichweite des Betonverteilermasts unterliegt dieser starken Belastungen, die wesentlich aus der über die Länge des Verteilermasts verlaufenden Betonförderleitung und des darin befindlichen Betons herrühren. Insbesondere die Gelenkverbindungen zwischen den Mastarmen sind hohen Anforderungen ausgesetzt.
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Um einen für die Schwenkbewegung ausreichend starken Antrieb zu erlangen, werden die Mastarme meist mittels Hydraulikzylindern und Sechsschlaggetrieben angetrieben. Diese sind jedoch nicht nur beim Gelenkwinkel eingeschränkt, sondern erlauben eine Durchführung der Betonförderleitung durch den Gelenkbolzen nur mit gebogenen und damit schweren Gelenkelementen. Lösungen mit Schnecken- oder Rädergetrieben weisen ein relativ hohes Gewicht auf, was sich nachteilig auf das Masse-Leistungsverhältnis (Leistungsgewicht) dieser Antriebe auswirkt.
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Aus der
DE 10 2018 104 491 Al ist ist ein Drehantrieb zum Verschwenken von zwei gelenkig miteinander verbundenen Mastarmen
48,
50 eines Betonverteilermasts einer mobilen oder stationären Betonpumpe bekannt, die ein Getriebe in Form von Hebelelementen zur Umwandlung einer translatorischen Kolbenbewegung in eine Drehbewegung für die Mastarmverschwenkung aufweist.
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Aus der
US 3 515 009 A sind prinzipiell Getriebe für Drehantriebe bekannt, die ein Abtriebsrad mit einer umlaufenden Kupplungsverzahnung und zwei hydraulisch angetriebenen Kupplungselementen
30 umfasst, wobei ein Kupplungselement mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads in Eingriff steht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Drehantrieb zum Verschwenken von Mastarmen vorzustellen, bei dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden oder zumindest reduziert sind.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Drehantrieb gemäß Anspruch 1 und einen Betonverteilermast gemäß Anspruch 22.
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Demnach betrifft die Erfindung einen Drehantrieb zum Verschwenken von zwei gelenkig miteinander verbundenen Mastarmen, insbesondere eines Betonverteilermasts einer mobilen oder stationären Betonpumpe, mit einem Getriebe zur Umwandlung einer translatorischen Kolbenbewegung in eine Drehbewegung für die Mastarmverschwenkung, wobei das Getriebe ein Abtriebsrad mit einer umlaufenden Kupplungsverzahnung und zwei hydraulisch oder elektrisch angetriebene Kupplungselemente umfasst, wobei mindestens ein Kupplungselement mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads in Eingriff steht.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Betonverteilermast mit mindestens zwei gelenkig miteinander verbundenen Mastarmen und einem entsprechenden Drehantrieb zur Mastarmverschwenkung, wobei ein erster Mastarm mit dem Antrieb verbunden ist und ein zweiter Mastarm mit dem Abtriebsrad, insbesondere über einen Abtriebsflansch, verbunden ist.
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Zunächst werden einige Begriffe erläutert.
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Das Getriebe ermöglicht eine Änderung der Bewegungsgröße ausgehend von einer translatorischen Kolbenbewegung zu einer Drehbewegung des Abtriebsrads. Dazu besitzt das Getriebe einen Antrieb (die zu ändernde translatorischen Kolbenbewegung) und einen Abtrieb (resultierende Drehbewegung des Abtriebsrads). Zur Mastarmverschwenkung können der Antrieb einerseits und der Abtrieb andererseits jeweils mit einem von zwei gelenkig miteinander verbundenen Mastarmen verbunden sein. Dadurch, dass immer mindestens ein Kupplungselement mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads in Eingriff steht, wird die Position zwischen den Mastarmen gehalten. Stehen beide Kupplungselemente in Eingriff mit der Kupplungsverzahnung kann auch im Fall einer Deaktivierung des Drehantriebs ein ungewolltes Verschwenken der Mastarme zueinander verhindert werden.
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Das Abtriebsrad weist an seiner Außenseite oder Stirnseite eine umlaufende Kupplungsverzahnung auf. Die Kupplungsverzahnung kann sich über den gesamten Umfang des Abtriebsrads mit gleichmäßig verteilten Zähnen erstrecken. Das Abtriebsrad kann daher im Wesentlichen als Hohlzylinder zur Durchführung der Betonförderleitung ausgebildet sein. Ein Kupplungselement das mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads in Eingriff steht, befindet sich in einem eingerückten Zustand. Ein Kupplungselement das mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads nicht in Eingriff steht ist von dem Abtriebsrad entkoppelt und befindet sich in einem ausgerückten Zustand. Solange ein Kupplungselement mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads in Eingriff steht, führt eine geradlinige Bewegung des Kupplungselements zu einer Drehbewegung des Abtriebsrads. Um das Kupplungselement anzutreiben kann dieses bspw. über Koppelstangen mit einem (hydraulischen oder elektrischen) Antrieb verbunden sein.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Drehbewegung des Abtriebsrads mittels zweier jeweils gegenläufig eine im Wesentlichen kreisförmige Bewegung durchführender Kupplungselemente geschaffen werden kann. Eine Kraftübertragung zwischen dem mit dem Abtriebsrad in Eingriff stehenden Kupplungselement und dem Abtriebsrad erfolgt bei einer geradlinigen Bewegung des Kupplungselements. Durch die gegenläufige Bewegung stehen die Kupplungselemente wechselweise mit dem Abtriebsrad in Eingriff und ermöglichen eine Drehbewegung des Abtriebsrads auf dem Hin- und Rückweg der translatorischen Kolbenbewegung. Bei der (schrittweisen) Drehbewegung des Abtriebsrads ist ein Schwenkwinkel nicht begrenzt (360° Endlosdrehung). Die Kupplungselemente können zudem mit einem vergleichsweise kurzhubig ausgebildeten Hydraulikzylinder angetrieben werden, was zu einem im Vergleich zum Stand der Technik (lange Hydraulikzylinder) verbesserten Leistungsgewicht des Drehantriebs führt. Zudem kann die Förderleitung ohne die Verwendung schwerer Gelenkelemente durch den Drehantrieb geführt werden.
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Das in Eingriff stehende Kupplungselement kann sich über mehrere Zähne der Kupplungsverzahnung erstrecken, d.h. sich mit mehreren Zähnen in Eingriff befinden. Das Kupplungselement liegt somit satt auf dem Abtriebsrad auf, was die Wirkverbindung zur Kraftübertragung zwischen Abtriebsrad und Kupplungselement verbessert.
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Eine Überführung des Kupplungselements zwischen einem eingerückten und ausgerückten Zustand kann durch eine Bewegung des Kupplungselements in radialer oder axialer Richtung erfolgen. Bei einer Bewegung in radialer Richtung, ändert sich der Abstand zwischen dem Kupplungselements und einer Drehachse D des Abtriebsrads. Bei einer Bewegung des Kupplungselements in eine axiale Richtung bleibt dessen Abstand zur Drehachse D konstant und das Kupplungselement wird seitlich aus der Kupplungsverzahnung herausbewegt werden. Die axiale oder radiale Bewegung des Kupplungselements kann durch einen separaten Antrieb erfolgen.
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Die Bewegung des mit dem Abtriebsrad in Eingriff stehenden Kupplungselements in eine im Wesentlichen tangentiale Richtung wird vorzugsweise in eine Drehbewegung des Abtriebsrads umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt somit entsprechend zu einem Zahnstangengetriebe, bei dem die geradlinige Bewegung der Zahnstange zu einer Drehbewegung des Zahnrads führt. Eine Gerade und ein Kreis haben im Berührungspunkt bekanntlich die gleiche Richtung.
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Die Kupplungselemente können abwechselnd, vorzugsweise getaktet wechselweise, mit dem Abtriebsrad in Eingriff stehen. Durch den abwechselnden Eingriff können sowohl Vorwärtsbewegung als auch Rückwärtsbewegung einer translatorischen Bewegung des Kupplungselements in die Drehbewegung des Abtriebsrads umgesetzt werden, wobei jeweils nur eines der Kupplungselemente mit dem Abtriebsrad in Eingriff stehen darf. Der Drehsinn der Drehbewegung kann für beide Kupplungselemente gleich sein.
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Die Drehbewegung des Abtriebsrads kann schrittweise erfolgen. Bei der schrittweisen Drehbewegung des Abtriebsrads kann dieses in nahezu jeder Position arretiert werden. Eine schrittweise Verdrehung des Drehantriebs kann dabei über einen kurzhubig ausgebildeten Hydraulikzylinder erfolgen. Die schrittweise Steuerung ermöglicht eine hohe Präzision bei der Ausrichtung, wobei ein Schwenkwinkel nicht begrenzt ist (360° Endlosdrehung).
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Ein vollständiger Zyklus der translatorischen Kolbenbewegung kann einer Drehung des Abtriebsrads um einen Zahnabstand der Kupplungsverzahnung entsprechen. In diesem Fall dreht sich das Abtriebsrad auf dem Hinweg bzw. Rückweg der Kolbenbewegung jeweils um einen halben Zahnabstand in die gleiche Richtung.
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Die Kupplungselemente können jeweils über eine Koppelstange mit einem Antrieb, vorzugsweise gelenkig, verbunden sein. Über die Koppelstange erfolgt eine Kraftübertragung der translatorischen Kolbenbewegung des Antriebs auf die Kupplungselemente, die eine geradlinige tangentiale Bewegung durchführen. Durch die gelenkige Anordnung kann das Kupplungselement in Abhängigkeit von der Position des Abtriebsrad eine Abrollbewegung durchführen und leicht mit der Kupplungsverzahnung in Eingriff gebracht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Antrieb genau einen Hydraulikzylinder, der mittels zweier Koppelstangen die zwei Kupplungselemente antreibt. Diese Ausführungsform ist insbesondere aufgrund der leichten Bauweise vorteilhaft.
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Der Antrieb umfasst vorzugsweise einen Hydraulikzylinder. Bei geschickter Anordnung und Ausrichtung des Hydraulikzylinders mit einer Bewegungsrichtung in im Wesentlichen radialer Richtung in Bezug auf das Abtriebsrad, ist ein einziger Antrieb ausreichend. Der Hydraulikzylinder ist vorzugsweise als doppelt wirkender Hydraulikzylinder und/oder weiter vorzugsweise als Plungerzylinder ausgebildet. Bei einem Plungerzylinder dient die Kolbenstange selbst als Kolben, der aber axial geführt werden muss. Bei doppelt wirkenden Zylinder gibt es zwei gegenüberliegende Kolbenflächen, die mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden. Der Zylinder hat dadurch zwei aktive Bewegungsrichtungen. Eine Koppelstange kann direkt mit dem beweglichen Kolben verbunden sein. Alternativ kann der Antrieb als Exzenterantrieb ausgebildet sein, bei dem eine Drehbewegung des Exzenters in eine Längsbewegung umgesetzt wird. Der Exzenterantrieb kann auch als elektrischer Getriebemotor ausgebildet sein. Als weitere Alternative kann der Antrieb über einen Hebelantrieb erfolgen, bei dem an die Kolbenstange ein Hebel angeschlossen ist.
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Der Drehantrieb kann zusätzlich ein Kurvengetriebe mit einer durch einen Kurvenscheibenantrieb drehbaren Kurvenscheibe aufweisen. Das Kurvengetriebe ermöglicht eine gezielte Steuerung und Überführung der Kupplungselemente zwischen einem eingerückten und ausgerückten Zustand. Der Kurvenscheibenantrieb erfolgt dabei separat vom Antrieb. Durch das Kurvengetriebe kann ein Wechsel des in Eingriff stehenden Kupplungselements durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Kolbens notwendig sein. Über die Kurvenscheibe kann zudem die Verbindung zwischen Kupplungselement und Abtriebsrad verbessert oder gegenüber einem ungewollten Lösen geschützt werden.
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Die Kurvenscheibe kann mindestens ein Führungselement zur Überführung des Kupplungselements zwischen dem eingerückten und dem ausgerückten Zustand aufweisen. Das Führungselement kann bspw. als Führungsnut ausgebildet sein, die eine Bewegungsrichtung für das Kupplungselement in axialer oder radialer Richtung vorgibt. Durch eine drehbare Anordnung der Kurvenscheibe ist die Überführung zwischen eingerückten und ausgerückten Zustand reversibel und nach Belieben steuerbar.
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In einer Stellung der Kurvenscheibe kann das erste Kupplungselement eingerückt und das zweite Kupplungselement ausgerückt sein und in einer anderen Stellung der Kurvenscheibe kann das erste Kupplungselement ausgerückt und das zweite Kupplungselement eingerückt sein. Mit dieser Kurvenscheibe kann somit ein Wechsel des in Eingriff stehenden Kupplungselements erfolgen. Vorzugsweise sind in einer Zwischenstellung sowohl das erste als auch das zweite Kupplungselement in einem eingerückten Zustand. Dadurch ist sichergestellt, dass stets mindestens ein Kupplungselement mit dem Abtriebsrad in Eingriff steht.
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Zur Steuerung des Ablaufs kann eine hydraulische oder hydraulisch-elektrische Steuerung vorgesehen sein, die sowohl die Steuerung des Antriebs als auch des Kurvenscheibenantriebs übernimmt. Durch das Zusammenwirken des Antriebs mit dem Kurvenscheibenantriebs können die Kupplungselemente präzise auf gegenläufigen im Wesentlichen kreisähnlichen Bahnen bewegt werden, bei der sich eine Ausrichtung der Kupplungselemente im Wesentlichen unverändert bleibt. Die Kreisbahn ist dabei keine reine Kreisbahn sondern setzt sich aus Bewegungen der Kupplungselemente in tangentialer (translatorische Kolbenbewegung) und radialer/axialer (Überführung zwischen eingerückten und ausgerückten Zustand) zusammen.
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Die Kupplungselemente können jeweils eine Ein- bzw. Ausrückeinrichtung aufweisen, die vorzugsweise durch einen Hydraulikzylinder und eine Federrückholeinrichtung ausgebildet ist. Alternativ zu einem Kurvengetriebe lässt sich so die Überführung der Kupplungselemente zwischen dem eingerückten und ausgerückten Zustand steuern.
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Die Kupplungselemente können jeweils als Zahnschuh ausgebildet sein. Die Verzahnung der Zahnschuhe ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Zahnschuhe mit möglichst geringer Kraft auf die Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads aufgedrückt und gehalten werden können. In einer besonderen Ausführungsform kann die Verzahnung Sperrklinken aufweisen, die ein radiales Abheben der Zahnschuhe auch ohne Kurvengetriebe oder Ein- bzw. Ausrückeinrichtung erlauben.
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Der Drehantrieb kann ein konisches Abtriebsrad oder ein Abtriebsrad mit konischer Kupplungsverzahnung aufweisen. Beide Möglichkeiten erleichtern einem axial beweglichen Kupplungselement die Überführung zwischen dem eingerückten und ausgerückten Zustand.
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Die Kupplungselemente können jeweils einen Zahnringhebel und ein Mitnehmerelement umfassen, wobei mindestens einer der Zahnringhebel über das entsprechende Mitnehmerelement mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrads in Eingriff steht. Der Zahnringhebel kann parallel zu der Kupplungsverzahnung drehbar auf dem Abtriebsrad angeordnet sein und teilweise oder vollständig eine Kupplungsverzahnung aufweisen. Die Zahnringhebel können über den Antrieb angetrieben werden. Die Mitnehmerelemente können ebenfalls eine Kupplungsverzahnung aufweisen.
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Eine koaxial zu dem Abtriebsrad ausgebildete Kurvenscheibe mit Führungselementen kann zur Überführung der Mitnehmerelemente zwischen einer Freigabestellung und einer Verriegelungsstellung ausgebildet sein. In einer Freigabestellung kann der Zahnringhebel frei drehen ohne dass eine Kraftübertragung auf das Abtriebsrad stattfindet. In der Verriegelungsstellung ist der Zahnringhebel mit der Kupplungsverzahnung des Abtriebsrad in Eingriff und es findet eine Kraftübertragung auf das Abtriebsrad statt. Vorzugsweise weisen die Mitnehmerelemente Führungsstifte auf, die in die Führungselemente in Form von Führungsnuten eingreifen. Je nach Ausrichtung/Orientierung der Kurvenscheibe können die Mitnehmerelemente axial verschoben werden.
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Der Drehantrieb kann ein koaxial zu dem Abtriebsrad (und ggf. der Kurvenscheibe) ausgebildetes Gehäuse aufweisen, das auf dem Abtriebsrad gelagert ist. Das Gehäuse schützt das Getriebe vor Staub, Wasser und sonstigen Fremdstoffen.
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Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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- 1a-h: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs gemäß einer ersten Ausführungsform in verschiedenen Betriebszuständen a-h;
- 2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs mit separaten Antrieben gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs mit Exzenterantrieb gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 4a-4c: eine schematische Darstellung des Drehantriebs gemäß der 1a-h mit einem Kurvengetriebe in verschiedenen Betriebszuständen;
- 5: eine schematische Darstellung des Drehantriebs gemäß der 1a-h mit Ein- bzw. Ausrückeinrichtung;
- 6: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs mit Hebelantrieb gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 7: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs mit Hebelantrieb gemäß einer fünften Ausführungsform;
- 8: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs mit separaten Antrieben und Sperrklinken gemäß einer sechsten Ausführungsform;
- 9: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs gemäß einer siebten Ausführungsform mit axial beweglichen Kupplungselementen;
- 10: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs mit Zahnringhebeln und axial beweglichen Mitnehmerelementen gemäß einer achten Ausführungsform;
- 11: eine schematische Darstellung des Drehantriebs gemäß der 10 mit Antrieb und Kurvenscheibenantrieb;
- 12: eine dreidimensionale Darstellung des Getriebes des Drehantriebs gemäß der 10;
- 13: eine dreidimensionale Darstellung des Getriebes gemäß der 12 ohne Kurvenscheibe;
- 14: eine dreidimensionale Darstellung des Getriebes gemäß der 13 ohne Mitnehmerelemente;
- 15: eine dreidimensionale Ansicht eines in ein Armende eines Mastarms eingebauten erfindungsgemäßen Drehantriebs gemäß einer neunten Ausführungsform; und
- 16: eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Drehantriebs gemäß einer zehnten Ausführungsform.
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Anhand der Figuren wird nachstehend das erfindungsgemäße Wirkprinzip bei der Umwandlung einer translatorischen Kolbenbewegung in eine Drehbewegung für einen Drehantrieb 100 gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben.
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Die 1a bis 1h zeigen einen erfindungsgemäßen Drehantrieb 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Drehantrieb 100 weist ein Getriebe 20 und einen Antrieb 30 auf. Der Antrieb 30 ist vorzugsweise in Form genau eines Hydraulikzylinders 31 ausgebildet, was aufgrund der leichten Bauweise vorteilhaft ist. In den 1a bis 1h ist der Drehantrieb in verschiedenen aufeinanderfolgenden Betriebszuständen gezeigt.
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Gemäß der ersten Ausführungsform weist das Getriebe 20 ein Abtriebsrad 22 mit einer umlaufenden Kupplungsverzahnung 24 auf. Die Kupplungsverzahnung 24 erstreckt sich an einer Außenseite des Abtriebsrads 22, wobei die einzelnen Zähne der Kupplungsverzahnung 24 in radialer Richtung gegenüber der Außenseite des Abtriebsrads 22 vorstehen. Alternativ kann sich die Kupplungsverzahnung 24 auch an einer Stirnseite des Abtriebsrads 22 erstrecken, wobei die einzelnen Zähne der Kupplungsverzahnung 24 in axialer Richtung gegenüber der Stirnseite des Abtriebsrads 22 vorstehen. Das Abtriebsrad 22 ist um eine Drehachse D drehbar gelagert. Das Abtriebsrad 22 steht wahlweise über mindestens eines von zwei Kupplungselementen 26, 27 (oberes Kupplungselement 26 und unteres Kupplungselement 27) mit jeweils gelenkig daran angeordneter Koppelstange 28, 29 in Wirkverbindung mit einem Kolben 32 des Hydraulikzylinders 31.
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Über diesen Antrieb 30 werden die Kupplungselemente 26, 27 angetrieben. Die Kupplungselemente 26, 27 sind als Zahnschuhe d.h. mit entsprechender Kupplungsverzahnung ausgebildet. Über die Kupplungsverzahnung stehen die Kupplungselemente 26, 27 in Eingriff mit der Kupplungsverzahnung 24 des Abtriebsrads 22. Die Kupplungsverzahnung 24 wurde derart gewählt, dass die Kupplungselemente 26, 27 mit möglichst geringer radialer Kraft auf das Abtriebsrad 22 aufgedrückt und gehalten werden können. In einem eingerückten Zustand der Kupplungselemente 26, 27 liegen die Kupplungselemente 26, 27 flächig auf dem Abtriebsrad auf (vgl. 1a), wobei sich der Eingriff über mehrere Zahnabstände erstreckt.
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Der Antrieb 30 ist als Hydraulikzylinder 31 in Form eines Gleichgang-Plungerzylinders (auch Doppelplungerzylinder) ausgebildet. Bei einem Plungerzylinder dient die Kolbenstange selbst als Kolben 32, der aber axial geführt werden muss. Bei dem Gleichgangzylinder ist das Volumen des ein- und ausströmenden Hydrauliköls immer gleich groß und der Kolben 32 fährt mit derselben Geschwindigkeit hin und zurück. Die translatorische Bewegungsrichtung des Kolbens entlang der in den 1a bis 1h dargestellten Pfeilrichtungen erfolgt ausgehend von dem Abtriebsrad 22 in einer radialen Richtung. Die Drehachse D des Abtriebsrads 22 und ein zentraler Punkt des Kolbens 32, an dem auch die Koppelstangen 28, 29 befestigt sind, liegen im Wesentlichen auf einer Linie.
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Eine Kraftübertragung zwischen dem mit dem Abtriebsrad 22 in Eingriff stehenden Kupplungselement 26, 27 und dem Abtriebsrad 22 erfolgt bei einer geradlinigen Bewegung eines der Kupplungselements 26, 27. Eine Umsetzung in eine Drehbewegung des Abtriebsrads 22 erfolgt dabei mittels zweier jeweils gegenläufig eine im Wesentlichen kreisförmige Bewegung durchführender Kupplungselemente 26, 27. Durch die gegenläufige Bewegung stehen die Kupplungselemente 26, 27 wechselweise mit dem Abtriebsrad 22 in Eingriff und ermöglichen eine Drehbewegung des Abtriebsrads 22 auf dem Hin- und Rückweg der translatorischen Kolbenbewegung. Die 1a-d zeigen den Hinweg der Kolbenbewegung und die 1e-h zeigen den Rückweg der Kolbenbewegung.
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In 1a sind sowohl der Kolben 32 des Hydraulikzylinders 31 als auch das Abtriebsrad 22 in einer Ausgangsposition gezeigt. In der Ausgangsposition stehen beide Kupplungselemente 26, 27 in Eingriff mit der Kupplungsverzahnung 24 des Abtriebsrads 22. Solange sich zwei Kupplungselemente 26, 27 jeweils in einem eingerückten Zustand befinden ist das Abtriebsrad 22 vor einer Drehung gesichert. Der Kolben 32 weist in der Ausgangsposition den größtmöglichen Abstand zum Abtriebsrad 22 auf. Soll eine Drehbewegung des Abtriebsrads 22 initiiert werden, muss zunächst eines der Kupplungselemente 26, 27 von dem eingerückten in einen ausgerückten Zustand überführt werden. Die Überführung der Kupplungselemente 26, 27 zwischen dem ein- und ausgerückten Zustand kann beispielsweise über ein nicht dargestelltes Kurvengetriebe mit einer Kurvenscheibe erfolgen und wird nachfolgend noch genauer erläutert.
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In 1b wurde das unteren Kupplungselement 27 von dem in 1a gezeigten eingerückten Zustand in den ausgerückten Zustand überführt, in dem es von dem Abtriebsrad 22 entkoppelt ist. Der Kolben 32 wurde anschließend in eine mittlere Position überführt, indem er um eine halbe Zylinderlänge auf das Abtriebsrad 22 zubewegt wurde. Durch die translatorische Bewegung des Kolbens 32 wurden beide Kupplungselemente 26, 27 in eine im Wesentlichen tangentiale Richtung bewegt. Die tangentiale Bewegung der Kupplungselemente 26, 27 führt zu einer Drehbewegung des Abtriebsrads 22 um einen Viertel Zahnabstand der Kupplungsverzahnung, wobei nur das in Eingriff stehende obere Kupplungselement 26 das Abtriebsrad 22 mitbewegt. Die translatorische Kolbenbewegung führt somit zu einer Drehbewegung des Abtriebsrads 22 entlang der eingezeichneten Drehrichtung.
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In 1c befindet sich der Kolben 32 in einer Endposition, in der er den geringsten Abstand zum Abtriebsrad 22 aufweist. Ausgehend von der in 1b gezeigten mittleren Position hat sich der Kolben 32 erneut um eine halbe Zylinderlänge auf das Abtriebsrad 22 zubewegt, was erneut zu einer Drehbewegung des Abtriebsrads 22 um einen Viertel Zahnabstand der Kupplungsverzahnung führt. Dabei befindet sich weiterhin das obere Kupplungselement 26 in einem eingerückten Zustand und das untere Kupplungselement 27 in ausgedrückten Zustand, in dem es von dem Abtriebsrad 22 entkoppelt ist.
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In der Endposition des Kolbens 32 ist die Hinbewegung abgeschlossen und es findet ein Wechsel des in Eingriff stehenden Kupplungselements 26, 27 statt. Ansonsten würde das Abtriebsrad 22 bei der Rückbewegung des Kolbens 32 wieder zurückgedreht werden. Wie in 1d gezeigt, wird zunächst das untere Kupplungselement 27 von dem ausgerückten in den eingerückten Zustand überführt. Anschließend wird das obere Kupplungselement 26 von dem eingerückten in den ausgerückten Zustand überführt, wie es in 1e gezeigt ist. Es befindet sich somit stets zumindest ein Kupplungselement 26, 27 in Eingriff mit dem Abtriebsrad 22.
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In 1f befindet sich der Kolben 32 auf dem Rückweg in der mittleren Position, wodurch das Abtriebsrad 22 über das in Eingriff stehende Kupplungselement 27 um ein weiteres Viertel des Zahnabstands der Kupplungsverzahnung 24 in die eingezeichnete Richtung gedreht ist. Schließlich bewegt sich der Kolben 32 zurück in die Ausgangsposition, wobei sich das Abtriebsrad 22 erneut um ein Viertel des Zahnabstands der Kupplungsverzahnung 24 dreht, vgl. 1g. Anschließend wird das obere Kupplungselement 26 wieder in Eingriff mit dem Abtriebsrad 22 gebracht, vgl. 1h.
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Bei einer vollständigen Hin- und Rückbewegung des Kolbens 32 wird das Abtriebsrad 22 folglich um einen Zahnabstand der Kupplungsverzahnung 24 gedreht. Die Kupplungselemente 26, 27 haben dabei jeweils eine im Wesentlichen kreisförmige Bewegung mit zueinander entgegengesetztem Drehsinn durchgeführt. Auf dem Hinweg bzw. Rückweg des Kolbens 32, bewegt sich das Abtriebsrad 22 somit jeweils um einen halben Zahnabstand in die gleiche Richtung. Solange nur eines der Kupplungselemente 26, 27 eingerückt ist, findet eine Umwandlung der translatorischen Kolbenbewegung in eine Drehung des Abtriebsrads 22 statt. Zwischen Hin- und Rückweg der Kolbenbewegung findet jeweils ein Wechsel des Kupplungselement 26, 27 statt. Das Verfahren kann nach Belieben wiederholt werden, wobei je nach gewünschter Drehrichtung des Abtriebsrads 22 entweder das obere oder das untere Kupplungselement 26, 27 in Eingriff mit dem Abtriebsrad 22 steht. Dabei oszilliert der Kolben im Zylinder, was die Zylinderlänge unabhängig von dem zu drehenden Gesamtwinkel macht.
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Wie in 2 gezeigt, kann der Antrieb 30 des Drehantriebs 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform alternativ zu einem einzigen Gleichgang-Plungerzylinder auch zwei separate Hydraulikzylinder 31 umfassen. Über die zwei Hydraulikzylinder 31 wird eine Bewegung der Kupplungselemente 26, 27 separat gesteuert. Aufgrund der entgegengesetzten tangentialen Ausrichtung der Hydraulikzylinder 31 kann die Kolbenstange des jeweiligen Hydraulikzylinders 31 als Koppelstange 28, 29 fungieren, die wiederum gelenkig mit den Kupplungselementen 26, 27 verbunden ist. Die Kupplungselemente 26, 27 sind wieder als Zahnschuhe ausgebildet. Die Funktionsweise des Drehantriebs 100 gemäß der zweiten Ausführungsform ist davon abgesehen unverändert zu der in den 1a-h dargestellten Funktionsweise. Die Kolben 32 der zwei Hydraulikzylinder 31 bewegen sich vorzugsweise im Gleichtakt.
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In der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform umfasst der Antrieb 30 des Drehantriebs 100 einen Exzenterantrieb 33. Bei dem Exzenterantrieb 33 wird eine Drehbewegung des Exzenters (gemäß eingezeichneter Pfeilrichtung) in eine Längsbewegung umgesetzt. Der Exzenterantrieb 33 kann auch einen elektrischen Getriebemotor aufweisen. Dies funktioniert solange die Längsbewegung in eine bezüglich des Abtriebsrads 22 radiale Richtung erfolgt.
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In den 4a bis 4c ist ein Drehantrieb 100 gemäß der ersten Ausführungsform mit einem zusätzlichen Kurvengetriebe gezeigt. Das Kurvengetriebe umfasst eine Kurvenscheibe 41 und einen separaten Kurvenscheibenantrieb 42. Der Kurvenscheibenantrieb 42 ist derart mit der Kurvenscheibe 41 verbunden, dass eine Bewegung des Kolbens 42' in eine im Wesentlichen tangentiale Richtung, eine Drehung der Kurvenscheibe 41 bewirkt. Der Kurvenscheibenantrieb 42 kann als Hydraulikzylinder ausgebildet sein. Die Kurvenscheibe 42 ist im Wesentlichen koaxial zu dem Abtriebsrad 22 angeordnet und weist zwei Führungsnuten 43, 44 zur Führung der Kupplungselemente 26, 27 auf. Die Kupplungselements 26, 27 können bspw. über einen nicht dargestellten Vorsprung die Führungsnuten 43, 44 eingreifen. Gemäß den 4a bis 4c ist ein Wechsel des in Eingriff stehenden Kupplungselements 26, 27 mithilfe des Kurvengetriebes veranschaulicht.
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In 4a befindet sich der Kolben 42' des Kurvenscheibenantriebs 42 in einer Ausgangsposition. In der Ausgangsposition ist die Kurvenscheibe 41 derart gedreht, dass das obere Kupplungselement 26 mit dem Abtriebsrad 22 in Eingriff steht und das untere Kupplungselement 27 von dem Abtriebsrad 22 entkoppelt ist. Das obere und untere Kupplungselement 26, 27 greifen jeweils in eine der Führungsnuten 43, 44 des Kurvenrads 41 ein. Die Führungsnuten 43, 44 geben in dieser Position einen unterschiedlichen radialen Abstand zwischen dem jeweiligen Kupplungselement 26, 27 und dem Drehachse D des Abtriebsrads 22 vor.
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Bewegt sich der Kolben 42' von der Ausgangsstellung in eine mittlere Stellung gemäß 4b, wird das Kurvenrad 41 und damit die Führungsnuten 43, 44 derart entlang der eingezeichneten Drehrichtung gedreht, dass sowohl das obere Kupplungselement 26 als auch das untere Kupplungselement 27 in Eingriff mit dem Abtriebsrad 22 stehen. Durch die Drehbewegung des Kurvenrads 41 und der damit verbundenen Führungsnuten 43, 44 erfolgt somit eine Überführung des unteren Kupplungselements 27 von dem ausgerückt in den eingerückt Zustand, wobei sich der radiale Abstand zwischen dem Kupplungselement 27 und der Drehachse D des Abtriebsrads 22 verringert. Das obere Kupplungselement 26 bleibt dabei in seiner Position unverändert.
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In 4c ist der Kolben 42` in einer Endstellung gezeigt. In der Endstellung des Kurvenrads 41 ist das obere Kupplungselement 26 von dem Abtriebsrad 22 entkoppelt, während das untere Kupplungselement 27 mit dem Abtriebsrad in Eingriff steht. Es hat somit zwischen den 4a und 4c ein Wechsel des mit dem Abtriebsrad 22 in Eingriff stehenden Kupplungselements 26, 27 stattgefunden, ohne dass sich das Abtriebsrad 22 selbst gedreht hat. Über das Kurvenrad 41 mit separatem Kurvenscheibenantrieb 42 kann somit das Ein- und Ausrücken der Kupplungselemente 26, 27 unabhängig vom Antrieb 30 gesteuert werden. Zur Steuerung des Kurvenscheibenantrieb 42 und des Antrieb 30 ist eine hydraulische oder hydraulisch-elektrische Steuerung (nicht dargestellt) vorgesehen.
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In einer in 5 gezeigten weiteren Ausführungsform weist der Drehantrieb 100 anstelle eines Kurvengetriebes zwei separate Ein- bzw. Ausrückeinrichtungen 50 auf. Jede Ein- bzw. Ausrückeinrichtungen 50 ist einem der Kupplungselemente 26, 27 zugeordnet. Über die als Hydraulikzylinder 51 ausgebildete Ein- bzw. Ausrückeinrichtungen 50 werden die Kupplungselemente 26, 27 unabhängig voneinander in eine im Wesentlichen radiale Richtung bewegt und somit zwischen dem eingerückten und ausgerückten Zustand überführt.
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In einer in 6 gezeigten vierten Ausführungsform des Drehantriebs 100 sind die Ein- bzw. Ausrückeinrichtungen 50 als Hydraulikzylinder 51 mit Federrückholeinrichtung 52 ausgebildet. Bei der Federrückholeinrichtung 52 kann es sich im einfachsten Fall um eine Zugfeder handeln, die eine Überführung der Kupplungselemente 26, 27 von dem eingerückten in den ausgerückten Zustand bewirkt oder begünstigt. Die Ausführungsform der 6 weist zudem einen Antrieb 30 in Form eines Hebelantriebs auf, bei dem die Koppelstangen nicht unmittelbar an einer zentralen Position des Kolbens befestigt sind, sondern am Ende einer zusätzlichen Hebelstange angeordnet sind. Außerdem sind die Koppelstangen 28, 29 nicht mehr mittig sondern seitlich an den Kupplungselementen 26, 27 angeschlagen.
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In einer fünften Ausführungsform des Drehantriebs 100 gemäß 7 weist der Antrieb 30 zusätzlich einen weiteren Hebel 34 auf, der sich quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckt. Durch den zusätzlichen Hebel 34 ist es nicht mehr notwendig, den Hydraulikzylinder 31 in einer radialen Verlängerung/Ausrichtung zum Abtriebsrad 22 anzuordnen. Die Ein- bzw. Ausrückeinrichtungen 50 entsprechen der in 6 gezeigten Ausführungsform.
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In 8 ist eine sechste Ausführungsform des Drehantriebs 100 gezeigt, die ohne ein zusätzliches Kurvengetriebe oder eine Ein- bzw. Ausrückeinrichtung auskommt. Diese Ausführungsform dient lediglich zur Verdeutlichung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Drehantriebs, ist aber aufgrund der mit vier Antrieben 30 vergleichsweise schweren Bauweise und der damit verbundenen komplexen Steuerung nicht zu bevorzugen. In dieser Ausführungsform sind vier Kupplungselemente 26, 26', 27, 27' vorgesehen, die jeweils über eine Koppelstange 28, 28', 29, 29' mit einem separat ausgebildeten Antrieb 30 in Form eines Hydraulikzylinders 31 verbunden sind. Die Antriebe 30 sind jeweils im Wesentlichen in einer tangentialen Richtung zum Abtriebsrad 22 ausgerichtet. Die Hydraulikzylinder 31 weisen zur axialen Führung jeweils zusätzlich eine Druckfeder auf. Die Kupplungselement 26, 26', 27, 27' weisen eine Kupplungsverzahnung mit abgeschrägte Zähne in Form von Sperrklinken auf. Je nach Bewegungsrichtung des Kolbens 32 (Hinweg oder Rückweg) greifen die Zahnschuhe somit formschlüssig in die Kupplungsverzahnung 24 des Abtriebsrads 22 ein (Hinweg) oder lassen sich durch die Abschrägung leicht von der Kupplungsverzahnung 24 lösen (Rückweg). Durch die Bewegung der Kupplungselemente 26, 26', 27, 27' in eine im Wesentlichen tangentiale Richtung durch die Hydraulikantriebe 31 einerseits und die Speerklinken andererseits, lässt sich damit eine radiale Bewegung der Kupplungselemente 26, 27 initiieren. In dieser Ausführungsform sind außerdem Federrückholeinrichtungen (nicht dargestellt) für die Hydraulikzylinder 31 vorgesehen.
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In einer in 9 gezeigten siebten Ausführungsform des Drehantriebs 100 sind anstelle radial beweglicher Kupplungselemente axial bewegliche Kupplungselement 26, 27 gezeigt. Es handelt es bei den Kupplungselementen 26, 27 um Zahnschuhe. Vorzugsweise weist das Abtriebsrad 22 eine konische Form entlang der Drehachse D auf oder die Zähne der umlaufenden Kupplungsverzahnung 24 weisen eine konische Form entlang der Drehachse auf. Durch ein nicht dargestelltes Kurvengetriebe oder eine nicht dargestellte Ein- bzw. Ausrückeinrichtung 50 können die Kupplungselemente 26, 27 durch eine axiale Verschiebung mit dem Abtriebsrad 22 gezielt in Eingriff gebracht werden oder von diesem entkoppelt werden.
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In den 10 bis 14 ist ein Drehantrieb 100 gemäß einer achten Ausführung mit axial beweglichen Kupplungselementen 26, 27 gezeigt. Die Kupplungselemente 26, 27 weisen jeweils einen Zahnringhebel 26a, 27a und ein Mitnehmerelement 26b, 27b auf. Die Zahnringhebel 26a, 27a sind, wie aus der 10 ersichtlich, parallel und beanstandet zur Kupplungsverzahnung 24 auf dem Abtriebsrad 22 angeordnet. Die Zahnringhebel 26a, 27a weisen zusätzlich jeweils einen radial vorstehenden Abschnitt auf (vgl. 12), an denen eine Koppelstange (nicht dargestellt) befestigt werden kann. Die Zahnringhebel 26a, 27a können somit über einen Antrieb 30 gedreht werden. Die Zahnringhebel 26a, 27a weisen zumindest teilweise oder vollständig eine Kupplungsverzahnung auf. Über die Kupplungsverzahnung der Zahnringhebel 26a, 27a können die Zahnringhebel 26a, 27a über das Mitnehmerelement 26b, 27b mit der Kupplungsverzahnung 24 des Abtriebsrads 22 in Eingriff stehen. Dazu können die Mitnehmerelemente 26a, 27b ebenfalls zumindest teilweise eine Kupplungsverzahnung aufweisen.
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Wie in 10 dargestellt, greifen die Mitnehmerelemente 26b, 27b zudem rückseitig in eine Führungsnut 43, 44 einer Kurvenscheibe 41 ein. Die Kurvenscheibe 41 ist koaxial zu dem Abtriebsrad 22 angeordnet und erstreckt sich entlang der Drehachse D über beide Zahnringhebel 26a, 27a. Über die Führungsnuten43, 44 in der Kurvenscheibe 41 können die Mitnehmerelemente 26b, 27b zwischen einer Freigabe und einer Verriegelungsstellung überführt werden. Koaxial zur Kurvenscheibe 41 ist ferner ein auf dem Abtriebsrad 22 gelagertes Gehäuse 21 vorgesehen, das das Getriebe 20 einschließt. In dem in der 10 gezeigt Zustand ist das obere Mitnehmerelement 26b in einem eingerückten Zustand gezeigt und das untere Mitnehmerelement 27b in einem ausgedrückten Zustand gezeigt.
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Wie in 11 dargestellt, sind die Zahnringhebel 26a, 27a über den Antrieb 30 angetrieben. Steht das Mitnehmerelement 26b in Eingriff mit dem Zahnringhebel 26a und der Kupplungsverzahnung 24 des Abtriebsrads 22 wird die translatorische Kolben Hin- und Herbewegung des Antriebs 30 über Zahnringhebel 26a und Mitnehmerelement 26b in eine Drehbewegung des Abriebrats 22 umgewandelt. Zur Steuerung des Mitnehmerelemente 26b, 27b weist der Drehantrieb 100, wie in 11 gezeigt, zusätzlich einen Kurvenscheibenantrieb 42 mit einem beweglichen Kolben 42`zur Steuerung der Kurvenscheibe 41 auf.
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Gemäß 12 weist die Kurvenscheibe 41, die eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist, zumindest zwei Führungsnuten 43, 44 auf, die eine axiale Verschiebung der Mitnehmerelemente 26b, 27b, d.h. eine Verschiebung entlang der Drehachse D, bewirken. Durch die Kurvenscheibe 41 ist sichergestellt, dass immer mindestens ein Mitnehmerelement 26b, 27b gleichzeitig mit einem Zahnringhebel 26a, 26b und der Kupplungsverzahnung 24 des Abtriebsrads 22 in Eingriff steht.
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Wie in 13 dargestellt, weisen die Mitnehmerelemente 26b, 27b dazu jeweils in radialer Richtung vorstehende Führungsstifte 26b', 27b` auf. Über die Führungsstifte 26b', 27b' greifen die Mitnehmerelemente 26b, 27b in die Führungsnut 43 bzw. 44 der Kurvenscheibe 41 ein. Der in 13 links dargestellte Zahnringhebel 27a findet sich in einer Wirkverbindung mit der Kupplungsverzahnung 24 des Abtriebsrads 22 (Mitnehmerelement 27b befindet sich in der Verriegelungsstellung), während der rechte Zahnringhebel 26a frei drehen kann (Mitnehmerelement 26b befindet sich in der Freigabestellung).
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In der 14 ist nur das Abtriebsrad 22 mit den zwei benachbart zu der Kupplungsverzahnung 24 angeordneten Zahnringhebeln 26a, 27a gezeigt. Die Zahnringhebel 27a, 27b sind auf das Abtriebsrad 22 aufgesteckt und drehbar auf dem Abtriebsrad 22 gelagert.
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In der 15 ist ein Drehantrieb 100 gemäß einer neunten Ausführungsform gezeigt. Der Drehantrieb 10 ist in einem Armende eines Mastarms 10 angeordnet, der Teil eines Betonverteilermasts 12 ist. Über ein an dem Abtriebsrad 22 angeordneten Abtriebsflansch kann ein weiterer Mastarm 10` (nicht dargestellt) mit dem dargestellten Armende verbunden werden. Über den Drehantrieb 100 kann somit die Verschwenkung der Mastarme 10, 10` gesteuert werden. Ein Antrieb des Drehantriebs 100 ist innerhalb des kastenförmigen Mastarms 10 angeordnet.
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Der Drehantrieb 100 weist einschnittige Koppelstangen 28, 29 auf, die mit radial verschiebbaren Kupplungselementen 26, 27 (nur Kupplungselement 26 ist sichtbar in 15) verbunden sind. Das Kupplungselement 26 weist beidseitig in axialer Richtung vorstehende Führungsstifte auf, die durch benachbart zu der Kupplungsverzahnung 24 angeordnete Führungsnuten 43, 43' der Kurvenscheiben 41, 41 hindurchgreifen.
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In einer in 16 gezeigten zehnten Ausführungsform des Drehantriebs 100 weist dieser Koppelstangen 28, 29 bestehend aus mehreren jeweils parallel zueinander angeordneten Koppelstangenteilen auf. In der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich insgesamt vier Koppelstangenteile zwischen mehrschnittig ausgeführten Bolzen. Die Koppelpunkte sind im Vergleich zu der in 15 dargestellten Ausführungsform nach außen verschoben oberhalb bzw. unterhalb des Hydraulikzylinders angeordnet. Über die Koppelstangen 28, 29 werden die radial verschiebbaren Kupplungselemente 26, 27 angetrieben, die wiederum über vorstehende Führungsstifte 26', 27` in Führungsnuten 43, 43', 44, 44' der Kurvenscheiben 41, 41` eingreifen.
