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Die Erfindung betrifft ein Drehlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Getriebebox nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
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Derartige Drehlager eignen sich insbesondere zur Drehlagerung von Spannungswellengetrieben, wobei das Drehlager und das Spannungswellengetriebe eine Getriebebox bilden. Derartige Getriebeboxen werden in vielfältiger Weise in vielen Technologiebereichen eingesetzt. Insbesondere finden derartige Getriebeboxen in der Robotertechnik und auch in der Prothetik vermehrt Anwendung. Beispielhaft sei hier auf das Harmonic Drive® Getriebe verwiesen, welches zur Gruppe der Spannungswellengetriebe gehört und dessen Funktionsweise beispielhaft unter http://harmonicdrive.de/technologie/harmonicdriver-wellgetriebe/ beschrieben ist.
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Das dort als elliptischer Wave Generator ausgebildete Antriebbauteil verformt über ein Kugellager das als außenverzahnter Flexspline ausgebildete Übertragungsbauteil, welches sich in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse mit dem innenverzahnten, als Circular Spline ausgebildeten Rad im Eingriff befindet. Mit Drehen des Wave Generators verlagert sich die große Ellipsenachse und damit der Zahneingriffsbereich. Da der Flexspline des Harmonic Drive® Getriebes in der Regel zwei Zähne weniger als der Circular Spline besitzt, vollzieht sich während einer halben Umdrehung des Wave Generators eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um einen Zahn und während einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne. Bei fixiertem Circular Spline dreht sich der Flexspline als Abtriebselement entgegengesetzt zum Antrieb. Der Circular Spline kann dabei in einem Drehlagerring fixierbar angeordnet sein.
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Derartige Spannungswellengetriebe werden zur Realisierung einer Drehbewegung zwischen zwei Bauteilen auf einen Drehlagerring aufgesetzt, auf dem sie drehbar gelagert sind. Dabei kann einerseits das Rad des Spannungswellengetriebes drehfest zu dem Drehlagerring angeordnet sein, wobei dann Wälzkörper zwischen Drehlagerflächen des Drehlagerrings und des Übertragungsbauteils angeordnet sind, wodurch die Drehbarkeit des Spannungswellengetriebes gegenüber dem Drehlagerring gewährleistet ist. Andererseits kann aber auch das Übertragungsbauteil des Spannungswellengetriebes drehfest zu dem Drehlagerring angeordnet sein, wobei dann Wälzkörper zwischen Drehlagerflächen des Drehlagerrings und des Rades angeordnet sind, wodurch die Drehbarkeit des Spannungswellengetriebes gegenüber dem Drehlagerring ebenfalls gewährleistet ist.
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Aus der
DE 10 2015 104 308 A1 ist bekannt, ein Drehlager eines oben beschriebenen Getriebeeinbausatzes derart auszubilden, dass das Rad beziehungsweise das Übertragungsbauteil und der Drehlagerring jeweils mit wenigstens einer Aufnahme versehen sind, durch welche in einer korrespondierenden Stellung der beiden Aufnahmen zueinander Wälzkörper in ein Wälzlager zwischen der Drehlagerfläche des Rades beziehungsweise des Übertragungsbauteils und der Drehlagerfläche des Drehlagerrings einbringbar sind.
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Nachteilig bei einer derartigen Konstruktion ist, dass bei Drehung des Abtriebteils die Wälzkörper aus dem Zwischenraum herausfallen können, sodass die Funktion des Drehlagers beeinträchtigt wird und dieses blockieren kann.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen oben beschriebenes Drehlager dahingehend zu verbessern. Weiterhin soll eine verbesserte Getriebebox bereitgestellt werden.
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In Bezug auf das Drehlager wird diese Aufgabe gelöst durch ein Drehlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Erfindungsgemäß ist in wenigstens einer der beiden Aufnahmen zwischen Aufnahmeöffnung und Wälzkörpern ein Führungsring für die Wälzkörper angeordnet.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Herausfallen der Wälzkörper aus dem Lager unbedingt vermieden werden sollte. Insbesondere in schwierig zugänglichen Einbausituationen ist ein Austausch des Drehlagers sehr aufwändig. Zudem können Fehlfunktionen und Blockieren des Lagers zu gefährlichen Situationen führen.
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Wie nunmehr erkannt wurde, kann das Herausfallen der Wälzkörper verhindert werden mit Hilfe eines Führungsringes, der in axialer Richtung die Wälzkörper in ihrer Bewegung in Richtung der Aufnahmeöffnung einschränkt.
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Das Drehlager kann bevorzugt als Vierpunktlager ausgebildet sein. Vierpunktlager können sehr kompakt ausgebildet sein und neben reinen Axial- und Radialkräften auch hohe Kippmomente aufnehmen. Dies ist insbesondere bei der Lagerung eines hier beschrieben Spannungswellengetriebes von Vorteil.
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Vorteilhafterweise ist in wenigstens einer der beiden Aufnahmen ein Dichtring, insbesondere ein Radialwellendichtring, angeordnet, welcher eine axiale Bewegung des Führungsrings in Richtung der Aufnahmeöffnung blockiert. In bestimmten Anwendungsfällen kann es vorkommen, dass das verbrauchte Schmiermittel innerhalb des Getriebes wandert, beispielsweise bis zu dem Drehlager des Getriebes gelangt und durch den dort vorhandenen Lagerzwischenraum hindurchtritt. Der Lagerzwischenraum kann bei Bedarf mittels eines äußeren Radialwellendichtrings gegen den Eintritt unerwünschter Materialien oder den Austritt von Wälzlagerfett abgedichtet werden. Zugleich kann der Radialwellendichtring den Führungsring axial abstützen.
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Bevorzugt ist in wenigstens einer der beiden Aufnahmen ein Sprengring angeordnet, welcher eine axiale Bewegung des Führungsrings in Richtung der Aufnahmeöffnung blockiert. Dadurch wird eine einfache und kostengünstige axiale Fixierung des Führungsrings mit Hilfe von Standard-Maschinenbauelementen ermöglicht.
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Der Führungsring ist einer bevorzugten Ausführungsform in der Form einer Schraube mit einem Außengewinde ausgeführt, welches in Eingriff mit einem im äußeren Drehlagerring gebildeten Innengewinde steht.
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Der Führungsring ist vorteilhafterweise axial durch eine Pressspannung (Übermaß) am Außendurchmesser im äußeren Lagerring fixiert. Bei dieser kostengünstigen Fixierung ist eine Fertigung von Gewinden, Nuten o.ä. nicht notwendig.
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Der Führungsring ist bevorzugt aus Kunststoff oder Stahl gefertigt. Eine Fertigung aus Kunststoff ist besonders kostengünstig.
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Der Führungsring ist ein einer bevorzugten Ausführungsfirm integriert mit einer Flachdichtung ausgebildet. In dieser Bauart kann auf das separate Bauteil einer Dichtung verzichtet werden und der Herstellungsprozess des Drehlagers wird vereinfacht. Beispielhaft kann in die als Elastomer ausgebildete Flachdichtung ein als Führungsring fungierender Metallring integriert sein.
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In Bezug auf die Getriebebox wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Getriebebox mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Als Getriebebox wird hierbei bevorzugt ein offenes oder geschlossenes Gehäuse bezeichnet, in dem Getriebeteile (Zahnrüder) auf Wellen mit Lagerungen bzw. Dichtungen gelagert sind.
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Vorteilhafterweise bildet das Rad bzw. der Circular Spline den äußeren Drehlagerring. Dadurch wird ein vielseitig einsetzbare und kompakte Getriebebox realisiert.
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Der innere Drehlagerring ist in einer bevorzugten Ausführungsform als Kupplungsrad ausgebildet mit einer Innenverzahnung, welche die gleiche Anzahl an Zähnen wie die Außenverzahnung des Übertragungsbauteils aufweist, wobei die Innenverzahnung des Kupplungsrades mit der Außenverzahnung des Übertragungsbauteils in Eingriff steht. Diese Getriebebauform ermöglicht eine axial sehr kompakte Bauform.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
- 1 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines eine Getriebebox bildenden erfindungsgemäßen Drehlagers mit einem darin gelagerten Spannungswellengetriebe in einer Schnittdarstellung;
- 2 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Getriebebox in einer Schnittdarstellung;
- 3 ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Getriebebox in einer Schnittdarstellung;
- 4 ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Getriebebox in einer Schnittdarstellung;
- 5 ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Getriebebox in einer Schnittdarstellung; und
- 6. ein sechstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Getriebebox in einer Schnittdarstellung.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehlager 50 und einem darin gelagerten Spannungswellengetriebe 40, die zusammen eine Getriebebox 70 bilden, in montiertem Zustand in einer Schnittdarstellung gezeigt. Dabei ist auf einem als elliptischer Wave-Generator ausgebildeten Antriebsbauteil 2, welches bevorzugt auf einer Hohlwelle gelagert wird, ein als Flexspline ausgebildetes Übertragungsbauteil 4 aufgesteckt, wobei das Übertragungsbauteil 4 durch das elliptische Antriebsbauteil 2 ebenfalls elliptisch verformt ist. Das elliptisch verformte Übertragungsbauteil 4 greift mit einer Außenverzahnung 3 in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse in eine Innenverzahnung 5 eines als Circular Spline ausgebildeten Rades 6 ein.
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Das Rad 6 weist die größte axiale Ausdehnung aller Bauteile der Getriebebox 70 auf. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Antriebsbauteil 2 als elliptischer Wave-Generator ausgebildet. Auf diesem Antriebsbauteil 2 ist über ein mehrere Kugeln 17 aufweisendes Kugellager 16 das als Flexspline ausgebildete elastische Übertragungsbauteil 4 aufgesetzt. Aufgrund der Elastizität im Bereich seiner Außenverzahnung 3 wird dieses Übertragungsbauteil 4 aufgrund der elliptischen Form des Antriebsbauteils 2 ebenfalls elliptisch verformt.
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Da das elastische Übertragungsbauteil 4 eine Außenzahnung 3 aufweist und elliptisch verformt ist, steht diese Außenverzahnung 3 im Bereich der großen Ellipsenachse mit der Innenverzahnung 5 des als Circular Spline ausgebildeten Rades 6 in Eingriff. Dieses Rad 6 weist eine als Drehlagerfläche 9 ausgebildete Innenfläche auf, welche mit einer als Drehlagerfläche 7 ausgebildeten Außenfläche eines inneren Drehlagerrings 1a korrespondiert. Dieser Drehlagerring 1a ist mit einer Innenverzahnung versehen, welche die identische Anzahl von Zähnen wie das Übertragungsbauteil 4 aufweist, und hat somit die Funktion einer Kupplung (ohne Untersetzung).
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Dabei ist zwischen diesen beiden Drehlagerflächen 7 und 9 des Rades 6 und des inneren Drehlagerings 1a ein Wälzlager mit einer Mehrzahl von Wälzkörpern 8 angeordnet, wobei die Drehlagerflächen 7 und 9 des Rades 6 und des inneren Drehlagerrings 1a als Laufbahnen 12 für die Wälzkörper 8 des Wälzlagers ausgebildet sind. Das Rad 6 ist ein äußerer Drehlagerring 1b des Drehlagers 50.
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Um eine sehr schmale und kompakte Bauweise der Getriebebox 70 zu realisieren, ist in Drehlagerfläche 7 des Rades 6 bzw. äußeren Drehlagerrings 1b eine Aufnahme 10 und in die Drehlagerfläche 9 des inneren Drehlagerrings 1a eine Aufnahme 11 eingebracht. Beide Aufnahmen 10 und 11 korrespondieren dabei derart, dass sie bei entsprechender Orientierung zueinander geeignet sind, unter Bildung eines Zufuhrkanals 24 mit einer Aufnahmeöffnung 22 einen Wälzkörper 8 formschlüssig aufzunehmen. Durch dieses formschlüssige Aufnehmen eines Wälzkörpers 8 ist das Wälzlager zwischen Rad 6 und Drehlagerring 1 mit Wälzkörpern 8 über den Zufuhrkanal 24 befüllbar, sodass das Rad 6 gegenüber dem Drehlagerring 1a spielfrei lagerbar und Drehlagerring 1a und Rad 6 gegeneinander verdreht werden können. In dieser Position kann nunmehr das als Flexspline ausgebildete Übertragungsbauteil 4 mittels des als Wave Generator ausgebildeten Antriebsbauteil 2 angetrieben werden, sodass eine Relativbewegung zwischen Rad 6 und Übertragungsbauteil 2 stattfindet. Die Wälzkörper 8 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kugeln ausgebildet.
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Der Flexspline bzw. das Übertragungsbauteil 4 greift in das Rad 6 bzw. den Circular Spline ein und greift darüber hinaus in ein Kupplungsrad 13 bzw. einen Dynamic Spline ein, wobei das Kupplungsrad mit dem Drehlagerring 1a identisch ist, welcher eine Innenverzahnung aufweist. Das Kupplungsrad 13 weist eine Innenverzahnung auf mit der gleichen Anzahl von Zähnen wie die Außenverzahnung 3 des Übertragungsbauteils 4. Das Kupplungsrad 13 fungiert auf diese Weise als untersetzungsfreie Kupplung.
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Die Bauteile der Getriebebox 70, nämlich der innere Drehlagerring 1a, das Antriebsbauteil 2, das Antriebsbauteil 4 und das Rad 6 sind koaxial um eine Mittellängsachse 15 der Getriebebox 70 angeordnet. Mittels der formschlüssigen Ausgestaltung der Wälzkörper 8 und der Aufnahmen 10 und 11 des Rades 6 und
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des inneren Drehlagerrings 1a ist es nunmehr möglich, eine in axialer Richtung sehr kompakte und schmale Getriebebox 70 zur Verfügung zu stellen, der insbesondere dann zur Anwendung kommen kann, wenn zur Realisierung von Drehbewegungen nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht, wie dies insbesondere bei vielen Anwendungen in Robotik und Prothetik der Fall ist, wobei eine einfache Montage der Getriebebox 70 gegeben ist.
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Das Drehlager 50 ist für eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer optimiert. Um das Herausfallen der Wälzkörper 8 aus dem Zufuhrkanal 24 bzw. aus den Aufnahmen 10, 11 zu verhindern, ist ein Führungsring 20 in der Aufnahme 10 des Drehlagerrings 1b angeordnet. Auch bei den Ausführungen des Drehlagers gemäß 5 und 6 sind jeweils die Aufnahmen 10, 11 vorhanden.
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Der Führungsring 20, die Aufnahmen 10, 11 und der Zufuhrkanal 24 sind in der 1 in einer vergrößerten Darstellung 80 gezeigt. In axialer Richtung zwischen Führungsring 20 und Aufnahmeöffnung 22 ist eine Radialwellendichtung 21 im Zufuhrkanal 24 angeordnet, welche eine axiale Bewegung des Führungsrings 20 in Richtung der Aufnahmeöffnung 22 verhindert. Der Führungsring 20 weist einen ringförmigen, axial verlaufenden Vorsprung 41 auf, der in Kontakt mit den Wälzkörpern 8 kommt. Der Vorsprung 41 weist bevorzugt eine geringe Auflagefläche, die im Betrieb die Wälzkörper 8 berührt auf, um die Reibung zwischen Führungsring 20 und Wälzkörpern 8 möglichst gering zu halten.
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Die Radialwellendichtung, die als Radialwellendichtring ausgebildet ist, stützt sich radial außen an einem Absatz 43 innerhalb des äußeren Lagerrings 1b abstützt und gegenüberliegend mit einer Dichtkante 45 auf einer als Dichtfläche 44 ausgebildeten Mantelfläche des inneren Lagerrings 6 dichtend aufliegt.
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Der Führungsring 20 hält auf dieser Weise die Wälzkörper 8 in einem ringförmigen Ringspalt 23 und verhindert ihr Herausfallen aus dem Zufuhrkanal 24, auch wenn das Drehlager 50 bewegt bzw. gedreht wird, sodass auch bei einer senkrechten Orientierung des Zufuhrkanals 24 nach unten die Wälzkörper 8 aus der ringförmigen Kavität 23 nicht herausfallen. Der Führungsring 20 ist hierbei bevorzugt aus Kunststoff (kostengünstig) oder auch aus Stahl gefertigt.
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Die in den 2-4 dargestellten Getriebeboxen 70 unterscheiden sich jeweils nur voneinander in der Art der Ausgestaltung des Führungsringes 20 bzw. der Aufnahmen 10, 11 und der darin angeordneten Komponenten.
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In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführung einer Getriebebox 70 mit einem Drehlager 50 und einem Spannungswellengetriebe 40 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein Sprengring 25 in der Aufnahme 10 angeordnet. Der Sprengring 25 ist in einem radial äußeren Bereich in einer radialen Nut 26 im Rad 6 angeordnet und dadurch radial und axial fixiert. Er verhindert eine axiale Bewegung des Führungsrings 20 in Richtung der Aufnahmeöffnung 22. Der Führungsring 20 ist hierbei bevorzugt aus Kunststoff oder auch aus Stahl gefertigt. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Radialwellendichtung 21 vorhanden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung einer Getriebebox 70 mit einem Drehlager 50 und einem Spannungswellengetriebe 40 ist in 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der, bevorzugt aus Stahl gefertigte, Führungsring 20 schraubenförmig ausgebildet mit einem Außengewinde 27, welches in Rad 6 in ein korrespondierendes Innengewinde 28 eingreift.
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In 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Getriebeeinbausatzes 70 mit einem Drehlager 50 und einem Spannungswellengetriebe 40 dargestellt. Der Führungsring 20, der bevorzugt aus Kunststoff, aber auch aus Stahl gefertigt sein kann, ist hierbei axial fixiert durch eine Presspassung bzw. Übermaßpassung in Rad 6 an seinem Außendurchmesser. Auch ein Verkleben des Führungsringes ist möglich.
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Die 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Getriebebox 70 mit einem Drehlager 50 und einem Spannungswellengetriebes 40 mit einem als Innenzahnrad ausgebildeten Rad 6 bzw. Circular Spline, welches im Bereich seiner Innenverzahnung 5 mit der Außenverzahnung 3 eines Übertragungsbauteils 4 bzw. Flexsplines in Deckung und bereichsweise in Eingriff ist.
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Das Übertragungsbauteil 4 ist drehfest mit einem äußeren Drehlagerring 1b eines Drehlagers 50 verbunden, welcher das Übertragungsbauteil 4 und das Rad 6 drehbar zueinander Drehlagert. Ein innerer Drehlagerring 1a des Drehlagers 50 ist drehfest mit dem Circular Spline / Rad 6 verbunden.
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Das Übertragungsbauteil 4 wird durch ein elliptisches Antriebsbauteil 2 elliptisch verformt ist. Das elliptisch verformte Übertragungsbauteil 4 greift mit seiner Außenverzahnung 3 in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse in eine Innenverzahnung 5 eines als Circular Spline ausgebildeten Rades 6 ein. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Antriebsbauteil 2 als elliptischer Wave-Generator ausgebildet. Auf diesem Antriebsbauteil 2 ist über ein mehrere Kugeln 17 aufweisendes Kugellager 16 das als Flexspline ausgebildete elastische Übertragungsbauteil 4 aufgesetzt. Aufgrund der Elastizität im Bereich seiner Außenverzahnung 3 wird dieses Übertragungsbauteil 4 aufgrund der elliptischen Form des Antriebsbauteils 2 ebenfalls elliptisch verformt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Führungsring 20 als eine Innendichtung bzw. Flachdichtung ausgeführt bzw. in diese integriert. Flachdichtung und Führungsring 20 sind als ein Bauteil bzw. einstückig ausgebildet. Der Führungsring 20 ist in dieser Ausführung bevorzugt aus einem Komposit-Material gebildet, welches bevorzugt aus Elastomer und Kunststoff / Stahl besteht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Getriebebox 70 mit einem Drehlager 50 und einem Spannungswellengetriebes 40 ist in der 6 dargestellt, welches sich von der in der 5 dargestellten Ausführung nur durch die Ausführung des Führungsringes unterscheidet. Hierbei ist nur ein Führungsring 20 ohne dynamische -dichtung vorgesehen. Der Führungsring 20 kann hierbei als ein reiner Kunststoffring ausgeführt sein oder aus einem
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Kompositwerkstoff als Elastomer und Kunststoff / Stahl bestehen und damit auch die Funktion einer statischen O-Ringdichtung zwischen Drehlagerring 1 b und Übertragungsbauteil 4 übernehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- innerer Drehlagerring
- 1b
- äußerer Drehlagerring
- 2
- Antriebsbauteil
- 3
- Außenverzahnung
- 4
- Übertragungsbauteil
- 5
- Innenverzahnung
- 6
- Rad
- 7
- Drehlagerfläche
- 8
- Wälzkörper
- 9
- Drehlagerfläche
- 10
- Aufnahme
- 11
- Aufnahme
- 13
- Kupplungsrad
- 15
- Mittelachse
- 16
- Kugellager
- 17
- Kugeln
- 20
- Führungsring
- 21
- Radialwellendichtung
- 22
- Aufnahmeöffnung
- 23
- Ringspalt
- 24
- Zufuhrkanal
- 25
- Sprengring
- 26
- Nut
- 27
- Außengewinde
- 28
- Innengewinde
- 40
- Spannungswellengetriebe
- 41
- Vorsprung
- 43
- Absatz
- 44
- Dichtfläche
- 45
- Dichtkante
- 50
- Drehlager
- 70
- Getriebebox
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015104308 A1 [0005]
