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Die Erfindung betrifft ein einen Wellgenerator sowie ein flexibles Getriebeelement umfassendes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bewertung des Zustandes eines Wellgetriebes.
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Ein gattungsgemäßes Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 196 81 201 B4 bekannt. Das bekannte Wellgetriebe soll beispielsweise zur Verwendung in einem Roboter geeignet sein und umfasst eine Drehmomenterfassungseinrichtung. Die Drehmomenterfassungseinrichtung detektiert Änderungen der magnetischen Impedanz eines Elementes des Wellgetriebes nach der
DE 196 81 201 B4 .
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Wellgetriebe kommen auch als Stellgetriebe in elektromechanischen Nockenwellenverstellern zum Einsatz. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die
DE 10 2016 218 192 B3 hingewiesen. In diesem Fall ist eine sensorlose Ansteuerung eines das Wellgetriebe, das heißt Stellgetriebe, betätigenden Elektromotors vorgesehen. Eine sensorgesteuerte Kommutierung ist dagegen bei einem in der
DE 10 2017 215 909 A1 beschriebenen elektrischen Nockenwellenversteller, der ebenfalls ein Wellgetriebe umfasst, gegeben.
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Ein weiteres Wellgetriebe, welches ebenfalls für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignet ist, ist in der
DE 10 2019 132 995 A1 offenbart. In diesem Fall weist ein flexibles außenverzahntes Getriebeelement eine Topfform auf, wobei der Boden des topfförmigen Getriebeelementes fest mit einem Abtriebselement des Wellgetriebes verbunden ist.
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Das in einem Wellgetriebe prinzipbedingt vorhandene flexible Getriebeelement stellt unabhängig von dessen Geometrie ein Bauteil dar, welches besonderen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Die Verzahnung des flexiblen Getriebeelementes hat idealerweise sowohl Anforderung zu erfüllen, die an Laufverzahnungen gestellt werden, als auch bei Passverzahnungen relevante Anforderungen. Der Kontakt zwischen der Verzahnung des flexiblen Getriebeelementes und der damit partiell kämmenden Verzahnung eines weiteren, in aller Regel in sich starren Getriebeelementes des Wellgetriebes stellt einen kombinierten, kinematisch nicht idealen Wälz- und Gleitkontakt dar. Aufgrund der kinematisch nicht idealen Verhältnisse treten innerhalb des Wellgetriebes Kräfte und Momente auf, die zum einen eine rechnerische Modellierung anspruchsvoll machen und zum anderen Veränderungen während der Lebensdauer des Wellgetriebes unterliegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Möglichkeiten der Beurteilung des Zustandes eines Wellgetriebes anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe ist insbesondere zur Verwendung in einem elektromechanischen Aktuator nach Anspruch 6 geeignet. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bewertung des Zustandes eines Wellgetriebes gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Zustandsbewertungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt den Aktuator sowie das mit dem Axialkraftsensor ausgerüstete Wellgetriebe, und umgekehrt.
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Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen Wellgenerator, ein flexibles, mittels des Wellgenerators verformbares Getriebeelement, sowie ein rotierbares Abtriebselement, insbesondere in Form einer Abtriebswelle. Ferner umfasst das anmeldungsgemäße Wellgetriebe einen Kraftsensor, welcher zur Detektion einer auf das Abtriebselement wirkenden Axialkraft ausgebildet ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass beim Betrieb eines Wellgetriebes Kraftkomponenten und Momente entstehen, die unter idealisierten kinematischen Bedingungen beliebig minimiert werden könnten, jedoch unter realen Bedingungen signifikante, messtechnisch erfassbare Beträge annehmen können. Insbesondere handelt es sich hierbei um Kräfte, die in Axialrichtung des Wellgetriebes wirken. Solche Kräfte können unter anderem von im Getriebe wirkenden Drehmomenten, von der Geometrie verschiedener, entweder verformbarer oder näherungsweise in sich starrer Getriebeelemente sowie von den Schmierungsbedingen abhängig sein. Eine nicht vernachlässigbare Rolle spielen hierbei Alterungsprozesse, die in dem Wellgetriebe ablaufen und in erster Linie das elastische Getriebeelement, aber auch andere Elemente des Getriebes betreffen. Denkbar sind zum Beispiel Plastifizierungen oder - bei fortgeschrittenem Verschleiß und/oder Überbeanspruchung - auch Rissbildungen in Getriebeelementen.
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Es hat sich gezeigt, dass Axialkräfte eine Schlüsselrolle spielen, die zur Beurteilung des Zustandes des Wellgetriebes geeignet ist. Dies gilt für verschiedene Bauformen von Wellgetrieben, die sich hinsichtlich der Form des elastischen Getriebeelementes voneinander unterscheiden. Beispielsweise hat das elastische Getriebeelement eine Topfform, die Form eines Hutes, das heißt eine Kragenform, oder die Form eines einfachen Flexringes, das heißt eines verzahnten Ringes, welcher keinen radial nach innen oder außen gerichteten Fortsatz, etwa in Form eines Bodens oder eines Flansches, aufweist. In zahlreichen Varianten des flexiblen Getriebeelementes befindet sich dessen Verzahnung auf der Außenumfangsfläche des Getriebeelementes. Abweichend hiervon sind auch Varianten realisierbar, bei welchen eine Innenumfangsfläche des flexiblen Getriebeelementes verzahnt ist.
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Unabhängig von der genauen Geometrie des flexiblen Getriebeelementes können Dehnungen, welche dieses Getriebeelement erfährt, einen proportionalen oder sonstigen eindeutigen Zusammenhang mit der messtechnisch erfassbaren Axialkraft haben. Analoges kann für Zusammenhänge zwischen einer Auslenkung des elastischen Getriebeelementes und der Axialkraft gelten. In geringerem Maße können derartige Zusammenhänge auch das Verhältnis zwischen der Axialkraft einerseits und der Positionierung und/oder Form anderer, vergleichsweise steifer Getriebeelemente andererseits betreffen.
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Als Sensor, der die Axialkraft, welche in dem Wellgetriebe wirkt und unter anderem von dessen Verschleißzustand abhängig ist, erfasst, ist insbesondere ein Dehnungssensor geeignet. Hierbei kann ein dehnungssensitives Material entweder durch ein gesondertes Messelement, beispielsweise einen Messstreifen, bereitgestellt werden oder in Form einer Beschichtung eines eine weitere, mechanische Funktion erfüllenden Maschinenelementes, zum Beispiel eines Lagerrings, vorliegen.
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Der anmeldungsgemäße Aktuator umfasst zusätzlich zu dem Wellgetriebe allgemein einen zur Betätigung des Wellgetriebes vorgesehenen Elektromotor und eine Datenverarbeitungseinrichtung, welche zur Ermittlung einer den Zustand des Wellgetriebes betreffenden Aussage unter Nutzung einer von dem Kraftsensor des Wellgetriebes gelieferten Information ausgebildet ist. Der Aktuator ist grundsätzlich für mobile ebenso wie für stationäre Anwendungen geeignet. Beispielsweise ist der Aktuator in einen Industrieroboter eingebaut. Bei einem solchen Roboter kann es sich insbesondere um einen sogenannten Cobot, das heißt kollaborativen Roboter, handeln. Auch die Verwendung des Aktuators in einem Operationsroboter ist möglich. In allen Fällen ermöglicht die den Axialkraftsensor einschließende Sensorik des Wellgetriebes die Beurteilung dessen „Gesundheitszustandes“ und bei Bedarf die frühzeitige Einleitung von Maßnahmen, die die möglichst ununterbrochene Betriebsbereitschaft des Gesamtsystems, insbesondere Roboters, sicherstellen.
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Im Rahmen der Zustandsbewertung des Wellgetriebes wird allgemein eine in dem Wellgetriebe wirkende Axialkraft gemessen. Diese Messung ist verknüpft mit mindestens einer weiteren das Wellgetriebe, einen das Wellgetriebe betätigenden Elektromotor, einen Motorregler dieses Motors, das heißt Elektromotors, und/oder ein durch Wellgetriebe betätigtes Element betreffenden Messung. Insgesamt wird hieraus automatisiert auf einen Zustand, insbesondere Verschleißzustand, des Wellgetriebes geschlossen. Sofern Messungen direkt an dem verformbaren Getriebeelement, beispielsweise in Form einer Kragenhülse, durchgeführt werden, kann ein Dehnungssensor direkt auf dem genannten Getriebeelement angeordnet sein.
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Bei den Eingangsgrößen, die zur automatisierten Zustandsbewertung herangezogen werden, kann es sich insbesondere um Drehmomente oder Drehzahlen handeln. Hierbei können Drehmomente entweder direkt gemessen oder aus elektrischen Größen, insbesondere Stromstärken, abgeleitet werden. Auch im Fall von Drehzahlen kann entweder eine direkte Messung oder eine Ableitung aus elektrischen Signalen, insbesondere der Ansteuerung des Elektromotors des Aktuators, gegeben sein. Solche elektrischen Signale können in prinzipiell bekannter Weise auch für die Gewinnung absoluter Winkelinformationen, das heißt Lageinformationen, herangezogen werden.
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In grundsätzlich gleicher Weise können auch Informationen zu Winkellage, Drehzahl, Kräften und Momenten, die sich auf die Ausgangsseite des Wellgetriebes beziehen, gewonnen werden. Was das Drehzahlverhältnis zwischen einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen Welle des Getriebes betrifft, kann auf dessen bekanntes Übersetzungsverhältnis zugegriffen werden.
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Gemäß verschiedener möglicher Verfahrensvarianten wird sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite des Wellgetriebes mindestens eine der Größen Drehzahl und Drehmoment in die Ermittlung des Zustandes des Wellgetriebes einbezogen. Generell können verschiedenste Kennwerte generiert und betrachtet werden. Im Fall von betrachteten Lastkollektiven können diese entweder gemessen oder auf Basis verfügbarer Informationen berechnet oder auch geschätzt werden. Zum Beispiel schließt die Ermittlung des Zustandes des Wellgetriebes die Berechnung mindestens eines Verhältnisses zwischen der gemessenen Axialkraft und einer weiteren eingangs- und/oder ausgangsseitig wirkenden Kraft oder eines eingangs- und/oder ausgangsseitig wirkenden Moments ein.
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Unabhängig von der Grundform und Verzahnungsgeometrie des elastischen Getriebeelementes kann auch ein Phasenverzug zwischen Eingangs- und Ausgangswelle des Wellgetriebes für die durchzuführende Zustandsbeurteilung Relevanz haben. Dieser Phasenverzug kann, ebenso wie andere direkt oder indirekt ermittelte Werte, in Relation zu der während des Betriebes permanent oder wiederkehrend gemessenen, in der Regel variierenden Axialkraft gesetzt werden, um hieraus eine Information über den Zustand und die zu erwartende Restlebensdauer des Wellgetriebes zu gewinnen. Schließlich ist es möglich, verschiedenste gemessene oder abgeleitete Werte, seien es geometrische Werte oder Kräfte oder Momente, in Relation zu beliebigen Lastkollektiven zu setzen und die im Laufe des Betriebs des Wellgetriebes auftretenden Veränderungen solcher Relationen auszuwerten.
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Für solche Auswertungen kann auf Methoden der künstlichen Intelligenz zugegriffen werden. Beispielsweise werden im Rahmen der Bewertung des Zustandes des Wellgetriebes zeitliche Veränderungen von Messwerten einschließlich der gemessenen Axialkraft sowie aus diesen Messwerten abgeleiteten berechneten Werten mit Mitteln der künstlichen Intelligenz ausgewertet. Derartige Mittel der Datenverarbeitung spielen ihre Vorteile insbesondere bei nicht linearen Zusammenhängen zwischen verschiedenen Parametern des Produktes, das heißt Getriebes, und seiner einzelnen Komponenten aus. Hierauf basierend kann unter anderem automatisch eine Trendanalyse einschließlich einer Abschätzung der Restlebensdauer des Wellgetriebes durchgeführt werden. Die Trendanalyse kann eine Anomalie-Erkennung einschließen. Die Auswertungen beziehen sich nicht notwendigerweise auf nur ein einziges Wellgetriebe. Vielmehr ist die Möglichkeit gegeben, eine Mehrzahl von Wellgetrieben gleicher oder unterschiedlicher Bauart in eine umfassende Auswertung einzubeziehen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
- 2 die Zusammenwirkung zwischen verschiedenen Komponenten des Wellgetriebes in einer Darstellung mit starker Überhöhung geometrischer Merkmale,
- 3 einen das Wellgetriebe nach 1 umfassenden Aktuator einschließlich dessen Einbindung in ein Datenverarbeitungssystem.
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Ein Wellgetriebe 1 kommt als Stellgetriebe in einem Industrieroboter, beispielsweise einem Sechs-Achs-Roboter, zum Einsatz. Das Wellgetriebe 1 ist einem insgesamt mit 10 bezeichneten Aktuator zuzurechnen. Zur Betätigung des Aktuators 10 ist ein Elektromotor 3 vorgesehen, dessen Motorwelle mit 4 bezeichnet ist.
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Das insgesamt mit 2 bezeichnete Gehäuse des Wellgetriebes 1 ist fest mit einem nicht dargestellten Roboterarm des Industrieroboters verbunden. Durch das Gehäuse 2, alternativ durch ein gesondertes, im Gehäuse 2 befestigtes Bauteil, ist eine Innenverzahnung 6 ausgebildet. Die Innenverzahnung 6 kämmt partiell mit einer Außenverzahnung 7 eines flexiblen, topfförmigen Getriebeelementes 5, das heißt Verzahnungstopfes. Die Außenverzahnung 7 befindet sich an der Außenumfangsfläche eines zylindrischen Abschnitts 18 des flexiblen Getriebeelementes 5. An den zylindrischen Abschnitt 18 schließt ein Boden 19 des flexiblen Getriebeelementes 5 an. Der Boden 19 ist fest mit einem Abtriebselement 8, das heißt einer Abtriebswelle, verbunden. Die Mittelachse des Abtriebselementes 8 und damit des gesamten Wellgetriebes 1, das heißt Stellgetriebes, ist mit MA bezeichnet. Das Gehäuse 2 weist im Ausführungsbeispiel einen zylindrischen, zur Mittelachse MA konzentrischen Abschnitt 11 sowie einen hieran anschließenden Boden 9 auf.
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Der Elektromotor 3 betätigt einen Wellgenerator 12, welcher als Komponente des Wellgetriebes 1 im Gehäuse 2 angeordnet ist. Dem Wellgenerator 12 ist ein Wälzlager 13, im vorliegenden Fall ein Kugellager, zuzurechnen. Das Wälzlager 13 weist einen Innenring 14 auf, der über Bolzen 15, die über eine nicht dargestellte Ausgleichskupplung mit der Welle 4 gekoppelt sein können, antreibbar ist. Die Außenumfangsfläche des Innenrings 14 weist eine elliptische, nicht kreisrunde Form auf.
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Kugeln 16, das heißt Wälzkörper, die auf der unrunden Außenumfangsfläche des Innenrings 14 abrollen, kontaktieren einen dünnwandigen Außenring 17, der im Gegensatz zum Innenring 14 nachgiebig ist und sich permanent der unrunden Form des Innenrings 14 anpasst. Der Außenring 17 kontaktiert die Innenumfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 18 des flexiblen Getriebeelementes 5, ohne mit dem Getriebeelement 5 fest verbunden zu sein.
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Durch die gegebene unrunde Form des Innenrings 14 zwingt der Wellgenerator 12 die Außenverzahnung 7 des flexiblen Getriebeelementes 5 an genau zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen in Eingriff mit der Innenverzahnung 6. Im Übrigen sind die Verzahnungen 6, 7 voneinander abgehoben. Durch eine sich geringfügig voneinander unterscheidende Zähnezahl der Verzahnungen 6, 7 wird eine volle Umdrehung des Innenrings 14 in an sich bekannter Weise in eine lediglich geringe Verschwenkung zwischen den Elementen 5, 8 einerseits und dem Gehäuse 2 andererseits umgesetzt. Das Wellgetriebe 1 fungiert somit als hochuntersetztes Stellgetriebe.
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Das Abtriebselement 8 stützt sich im Ausführungsbeispiel über ein Axiallager 20 am Boden 9 des Gehäuses 2 ab. Eine ebenfalls vorhandene radiale Lagerung des Abtriebselementes 8 ist nicht dargestellt. Das im skizzierten Fall als Axialkugellager ausgebildete Axiallager 20 umfasst Wälzkörper 22, die zwischen einem Flansch 21, der durch das Abtriebselement 8 bereitgestellt wird, und einer Gehäusescheibe 23 abrollen. Statt des Flansches 21 könnte in nicht dargestellter Weise auch eine gesonderte Wellenscheibe des Axiallagers 20 vorhanden sein. In jedem Fall ist die mit FAX bezeichnete Axialkraft, welche zwischen dem Abtriebselement 8 und dem Gehäuse 2 wirkt, mit Hilfe eines Kraftsensors 24 erfassbar. Im Ausführungsbeispiel stütz sich die Gehäusescheibe 23, das heißt Lagerscheibe des Axiallagers 20, direkt an dem Kraftsensor 24 ab.
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Die 2 illustriert in krass überhöhter Darstellung eine Möglichkeit der Entstehung der Axialkraft FAX beim Betrieb des Wellgetriebes 1. Zwischen der Innenverzahnung 6 des Gehäuses 2 und der Außenverzahnung 7 des Getriebeelementes 5 können signifikante Winkelfehler auftreten, welche insbesondere auf die Nachgiebigkeit des Getriebeelementes 5 zurückzuführen sind und in Umfangsrichtung und/oder Radialrichtung wirkende Kräfte in eine parallel zur Mittelachse MA ausgerichtete Kraftkomponente, das heißt Axialkraft FAX, umsetzen. Dieser Effekt kann in einem nicht vernachlässigbaren Maße auftreten, obwohl es sich bei den Verzahnungen 6, 7 nicht um Schrägverzahnungen handelt. Der Betrag der Axialkraft FAX ist unter anderem von Alterungseffekten, die sich im Laufe der Lebensdauer des Wellgetriebes 1 zeigen, abhängig und somit zur Beurteilung des Zustandes des Wellgetriebes 1 geeignet.
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Die Einbindung des Aktuators 10 einschließlich des Wellgetriebes 1 in ein Datenverarbeitungssystem ist in 3 visualisiert. Der Kraftsensor 24 stellt eine Komponente einer insgesamt mit 25 bezeichneten Sensorik des Wellgetriebes 1 dar. Die Sensorik 25 umfasst zusätzlich zum Axialkraftsensor 24 weitere Sensorkomponenten, mit welchen zum Beispiel weitere Kraftkomponenten, Momente, Drehzahlen, Winkelstellungen, Temperaturen oder auch chemische Eigenschaften eines Schmierstoffes, mit dem das Wellgetriebe 1 geschmiert wird, detektierbar sind.
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Eine weitere, mit 26 bezeichnete Sensorik ist dem Elektromotor 3 zugeordnet und dient insbesondere der Erfassung elektrischer Größen. Zu diesem Zweck umfasst die Sensorik 26 unter anderem einen Stromsensor 27. Auch in diesem Fall sind optional weitere Sensorkomponenten, beispielsweise zur Temperaturmessung sowie zur Drehzahlmessung, vorhanden. Die Sensorik 26 ist insbesondere zur Kommutierung des Elektromotors 3, bei welchem es sich um einen bürstenlosen Gleichstrommotor handelt, nutzbar.
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Auf der Abtriebsseite des Aktuators 10 ist mit Hilfe einer insgesamt mit 28 bezeichneten Sensorik unter anderem die Drehzahl und/oder Winkelstellung der Abtriebswelle 8 erfassbar. Auch kann die abtriebsseitige Sensorik 28 dazu ausgebildet sein, Zustände einer durch die Welle 8 angetriebenen Maschine oder Maschinenkomponente, insbesondere Roboterkomponente, zu erfassen.
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Sämtliche unter den Begriff Sensorik subsumierte Komponenten 25, 26, 28 liefern, wie in 3 angedeutet ist, Daten an eine Datenverarbeitungseinrichtung 29, die mit einem Datenspeicher 30 und einer Ausgabeeinheit 31 verknüpft ist und in beliebiger Weise zentral oder dezentral, insbesondere als Cloud-Lösung, aufgebaut sein kann. In jedem Fall ermöglicht das Datenverarbeitungssystem 29, 30, 31 unter Nutzung von Mitteln der künstlichen Intelligenz eine vorausschauende Beurteilung des Zustandes des Wellgetriebes 1, wobei in diese Zustandsbeurteilung insbesondere die variable im Wellgetriebe 1 wirkende, von dessen mechanischen Belastungen sowie Verschleißzustand abhängige Axialkraft FAX eingeht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Elektromotor
- 4
- Welle des Elektromotors
- 5
- flexibles Getriebeelement
- 6
- Innenverzahnung des Gehäuses
- 7
- Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes
- 8
- Abtriebselement
- 9
- Boden des Gehäuses
- 10
- Aktuator
- 11
- zylindrischer Abschnitt des Gehäuses
- 12
- Wellgenerator
- 13
- Wälzlager
- 14
- Innenring
- 15
- Bolzen
- 16
- Kugel
- 17
- Außenring
- 18
- zylindrischer Abschnitt des flexiblen Getriebeelementes
- 19
- Boden des flexiblen Getriebeelementes
- 20
- Axiallager
- 21
- Flansch
- 22
- Wälzkörper
- 23
- Gehäusescheibe
- 24
- Kraftsensor
- 25
- Sensorik des Wellgetriebes
- 26
- Sensorik des Elektromotors
- 27
- Stromsensor
- 28
- abtriebsseitige Sensorik
- 29
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 30
- Datenspeicher
- 31
- Ausgabeeinheit
- FAX
- Axial kraft
- MA
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19681201 B4 [0002]
- DE 102016218192 B3 [0003]
- DE 102017215909 A1 [0003]
- DE 102019132995 A1 [0004]
