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Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe, umfassend ein erstes Sonnenrad und ein zweites Sonnenrad, ein Hohlrad und eine Mehrzahl von Planetenelementen, wobei die Radachsen der Sonnenräder und des Hohlrads in einer Hauptachse zusammenfallen, und wobei die Planetenelemente Planetenachsen aufweisen, welche parallel zur Hauptachse ausgerichtet sind. Sie betrifft weiterhin einen Getriebemotor.
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Aus dem Stand der Technik sind Planetengetriebe bekannt, welche auch Umlaufrädergetriebe genannt werden. Diese Getriebe besitzen wenigstens ein Sonnenrad und eine Mehrzahl von Planetenrädern bzw. Planetenelementen und einen sogenannten Steg bzw. Planetenträger, auf dem zumindest drei Planetenräder drehbar gelagert sind.
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Aus der
DE 10 2012 010 316 A1 ist ein Reibrollenplanetengetriebe bekannt mit einem Gehäuse, einer Sonnenwelle mit zwei darauf angeordneten Sonnen, die jeweils als Reibrollen ausgebildet und axial zueinander verschieblichen sind, und mit einem Planetenträger, an dem eine Mehrzahl als Reibrollen ausgebildeter, gestufter Planeten, welche je ein Paar Kontaktflachen kleineren Durchmessers und ein Paar Kontaktflachen größeren Durchmessers aufweisen, drehbar gelagert sind.
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Nachteilig bei diesen Getrieben sind die notwendigen Lager, die Bauraum benötigen und den Wirkungsgrad des Getriebes verringern.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein robustes und kompaktes Getriebe mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen. Weiterhin soll ein entsprechender Getriebemotor bereitgestellt werden.
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In Bezug auf das Planetengetriebe wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das jeweilige Planetenelement als Stufenzahnrad mit einer Mehrzahl von Zahnradstufen ausgebildet ist, wobei die jeweilige Zahnradstufe eine Außenverzahnung aufweist, welche der mit der Außenverzahnung eines weiteren Getriebeelements wie der Außenverzahnung eines Sonnenrades und/oder der Innenverzahnung des Hohlrades in Eingriff steht, und wobei die Verzahnung zwischen dem jeweiligen Planetenelement und dem Hohlrad zwei beabstandete Verzahnungsabschnitte an zwei Zahnradstufen des jeweiligen Planetenelementes umfasst, und wobei die Teilkreisradien dieser beiden Zahnradstufen gleich groß sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass in vielen Anwendungen kompakte Planetengetriebe mit hohem Wirkungsgrad benötigt werden. In herkömmlichen Planetengetrieben sind Planetenräder auf einem Planetenträger drehbar gelagert, wobei diesen auch Steg genannten Planetenträger Drehmomente übertragen werden. Dies führt zu Reibungsverlusten in den Lagern, sodass der Wirkungsgrad des Getriebes unerwünschterweise reduziert wird.
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Wie nunmehr erkannt wurde, kann beim Entfall des Steges sowohl die Lagerung des Stegs im dem Getriebegehäuse als auch die Lagerung der der Planetenräder im Steg entfallen. Das erfindungsgemäße Getriebe funktioniert somit ohne Lager. Da jegliche Lagerreibung entfällt, ist der Wirkungsgrad hoch.
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Die Kraftübertragungen der Verzahnungen eines Planetenelements wirken in Ebenen E, die von der Hauptachse und den Planetenachsen lotrecht geschnitten werden. Die Verzahnungen zwischen Hohlrad, Planetenelement, Sonnenrädern sind so gestaltet, dass ein Verdrehen des jeweiligen Planetenelements um eine Achse B blockiert ist, wobei die Achse B senkrecht zur Hauptachse A in der Ebene E liegt.
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Für eine gegen eine Verdrehung um die genannte Achse B gesicherte Führung der Planeten mittels der Verzahnungen sind zwei voneinander beabstandete Planetenstufen mit gleichem Teilkreisradius vorgesehen, die beide im Hohlrad kämmen.
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Für eine Übertragung von Drehmoment zwischen den Planeten und den beiden Sonnenrädern können auf jedem Planetenradsatz zwei weitere Verzahnugsstufen vorgesehen werden. Auf eine dieser Verzahnungsstufen kann verzichtet werden, wenn eine Planeten-Verzahnungsstufe in derselben Ebene E sowohl im Hohlrad als auch mit einem Sonnenrad kämmt. Es ist jedoch nicht möglich, dieses Konzept zur Einsparung einer Planeten-Verzahnungsstufe auch auf ein zweites Sonnenrad anzuwenden, da dieses dann den gleichen Teilkreisradius wie das erste Sonnenrad haben müsste, was zur Folge hätte, dass das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von eins aufweisen würde und mithin obsolet wäre.
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Vorteilhafterweise weist das Planetengetriebe daher drei, besonders bevorzugt genau drei, Planetenelemente auf.
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Vorteilhafterweise weisen die beiden Sonnenräder unterschiedlich große Radien auf, wobei für eine Drehzahlminderung der Getriebeausgangswelle gegenüber der Getriebeeingangswelle der Radius des zweiten Sonnenrads größer ist als der Radius des ersten Sonnenrads und für eine Drehzahlerhöhung der Getriebeausgangswelle gegenüber der Getriebeeingangswelle der Radius des zweiten Sonnenrads kleiner ist als der Radius des ersten Sonnenrads. Wie bereits erwähnt würden zwei Sonnenräder mit gleichen Radien eine Obsoleszenz des Getriebes bewirken.
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Vorteilhafterweise weist das jeweilige Planetenelement in einer Blickrichtung vier nacheinander angeordnete Zahnradstufen auf. Die Blickrichtung für die folgenden Ausführungsbeispiele sei dabei vom ersten Sonnenrad parallel zur Hauptachse in Richtung des zweiten Sonnenrades weisend festgelegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform stehen die erste Zahnradstufe und die vierte Zahnradstufe jeweils mit einer Außenverzahnung mit der Innenverzahnung des Hohlrades in Eingriff, wobei die zweite Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Außenverzahnung des ersten Sonnenrades und die dritte Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Außenverzahnung des zweiten Sonnenrades in Eingriff steht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stehen die zweite Zahnradstufe und die vierte Zahnradstufe jeweils mit einer Außenverzahnung mit der Innenverzahnung des Hohlrades in Eingriff, wobei die erste Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Außenverzahnung des ersten Sonnrades in Eingriff steht, und wobei die dritte Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Außenverzahnung des zweiten Sonnenrades in Eingriff steht.
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In anderen bevorzugten Ausführungen weist das jeweilige Planetenelement in einer Blickrichtung genau drei nacheinander angeordnete Zahnradstufen auf. Diese Ausführung hat die Vorteile, dass das entsprechende Getriebe durch den einfacheren Aufbau der Planetensätze kostengünstiger zu fertigen ist und dass durch den Wegfall einer Verzahnungsebene das Getriebe in axialer Richtung kürzer gebaut werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführung davon stehen die erste Zahnradstufe und die dritte Zahnradstufe jeweils mit einer Außenverzahnung mit der Innenverzahnung des Hohlrades in Eingriff, wobei die zweite Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Außenverzahnung des zweiten Sonnenrades in Eingriff steht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung stehen die erste Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Innenverzahnung des Hohlrades in Eingriff, wobei die zweite Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Außenverzahnung des zweiten Sonnenrades in Eingriff steht, und wobei die dritte Zahnradstufe mit einer Außenverzahnung mit der Außenverzahnung eines inneren Hohlrades in Eingriff steht. Ein solches inneres Hohlrad dient zur zusätzlichen radialen Fixierung der dritten Zahnradstufe, die damit in radialer Richtung zwischen innerem und äußerem Hohlrad eingespannt ist, ohne die vorgesehene Bewegung der Planetenträger zu behindern.
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Die oben beschriebenen bevorzugten verschiedenen Varianten unterscheiden sich im Wesentlichen in der Reihenfolge der Planetenelement-Zahnradstufen. Mit den Bezeichnungen
- • H1: erste Planetenelement- Zahnradstufe im Eingriff mit Hohlrad
- • H2: zweite Planetenelement- Zahnradstufe im Eingriff mit Hohlrad
- • S1: Planetenelement- Zahnradstufe im Eingriff mit erstem Sonnenrad
- • S2: Planetenelement- Zahnradstufe im Eingriff mit zweitem Sonnenrad ergibt sich als Reihenfolge der Variante 1: H1, S1, S2, H2; als Reihenfolge der Variante 2: S1, H1, S2, H2; und als Reihenfolgen der Varianten 3 und 4 H1 kombiniert mit S1, S2, H2.
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Vorteilhafterweise ist das erste Sonnenrad drehfest mit einer Antriebswelle und das zweite Sonnenrad drehfest mit einer Abtriebswelle verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist das Hohlrad fest, d. h. nicht drehbar, in einem Getriebegehäusekörper angeordnet und das erste Sonnenrad ist mit einer Antriebswelle des Getriebes verbunden, wobei das zweite Sonnenrad mit einer Abtriebswelle des Getriebes drehfest verbunden ist. Das Getriebe hat ein durch die Teilkreisradien festgelegtes Übersetzungsverhältnis zwischen den Drehzahlen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle. Ein derartiges Getriebe kann je nach Auslegung ein Übersetzungsverhältnis kleiner oder größer 1 besitzen.
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In alternativer bevorzugter Ausgestaltung kann das Hohlrad im Getriebegehäusekörper drehbar angeordnet sein. Auf diese Weise wird ein Verzweigungsgetriebe mit drei Ein- bzw. Ausgangsdrehzahlen realisiert.
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Das erfindungsgemäße Getriebe kann vorteilhaft mit einem Elektromotor kombiniert werden. Ein entsprechender Getriebemotor, umfassend einen Elektromotor und ein mit dem Elektromotor gekoppeltes Getriebe, wird typischerweise verwendet, um ein höheres Abtriebsmoment zur Verfügung stellen zu können, als es ein Elektromotor der gleichen Größe ohne ein Getriebe abgeben könnte.
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In Bezug auf den Getriebemotor wird die Aufgabe der Abgabe höherer Abtriebsmomente dadurch gelöst, dass das Planetengetriebe als ein Untersetzungsgetriebe, das heißt mit einem Übersetzungsverhältnis kleiner eins, ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise ist die Rotorwelle des Elektromotors drehfest mit einer Antriebswelle am ersten Sonnenrad verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Elektromotor und das Planetengetriebe in einem gemeinsamen Motorgehäuse angeordnet. Da bereits das Planetengetriebe kompakt gebaut werden kann, und zudem die Hauptachsen von Elektromotorwelle und Getriebe zusammengelegt werden, kann auf diese Weise eine besonders kompakte Antriebseinheit realisiert werden.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass das Getriebe besonders kompakt und robust bzw. einfach aufgebaut ist. Durch die Zentrierung der Planetenelemente mittels der Verzahnungen wird kein Planetenträger benötigt. Damit entfällt auch die Lagerung der Planetenelemente auf dem Planetenträger - mitsamt der damit verbundenen Lagerreibung. Das erfindungsgemäße Planetengetriebe ist somit besonders verlustarm. Das Getriebe weist für beide Leistungsflussrichtungen einen besonders hohen Wirkungsgrad auf. Damit ist es beispielsweise als Reduktionsgetriebe für elektromechanische und elektrohydraulische Bremsen geeignet.
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Ein derartiges Planetengetriebe kann als Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden, um die hohe Drehzahl eines Motors in eine benötigte niedrigere Drehzahl umzusetzen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
- 1 ein Planetengetriebe in einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung;
- 2 das Planetengetriebe gemäß 1 in einem Längsschnitt;
- 3 ein Planetengetriebe in eine weiteren bevorzugten Ausführungsform in einem Längsschnitt;
- 4 ein Planetengetriebe in eine weiteren bevorzugten Ausführungsform in einem Längsschnitt;
- 5 ein Planetengetriebe in eine weiteren bevorzugten Ausführungsform in einem Längsschnitt;
- 6 einen Getriebemotor mit einem Planetengetriebe gemäß 1, und
- 7 einen Getriebemotor mit einem Planetengetriebe gemäß 4.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ein in 1 und 2 dargestelltes Planetengetriebe 2 umfasst ein erstes Sonnenrad 6 und ein koaxial dazu angeordnetes zweites Sonnenrad 10. Die Radachsen der beiden Sonnenräder 6, 10 fallen zusammen in einer Hauptachse HA. Die beiden Sonnenräder 6, 10 sind in Bezug auf ihre jeweilige Radachse und auf die Hauptachse HA rotationssymmetrisch ausgebildet. Drehfest und starr mit dem ersten Sonnenrad 6 ist eine Antriebswelle 8 verbunden. Drehfest und starr mit dem zweiten Sonnenrad 10 ist eine Abtriebswelle 12 verbunden. Je nach Anwendung des Planetengetriebes 2 können die Funktionen von Antriebswelle 8 und Abtriebswelle 12 auch vertauscht sein. Sonnenrad 6 und Antriebswelle 8 bzw. Sonnenrad 10 und Abtriebswelle 12 sind bevorzugt jeweils fest zusammengefügt oder einstückig ausgebildet.
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In 2 bis 7 sind in Schnittbildern des Getriebes längs der Hauptachse neben Hohlrad und Sonnenrädern jeweils zwei Planetenradsätze dargestellt. Wie aus 1 hervorgeht, können sich nicht gleichzeitig zwei von drei Planetenradsätzen in der dargestellten Zeichenebene befinden. Die Darstellungen zeigen demnach zwei Planetenradsätze zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
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Das Planetengetriebe 2 weist ein (äußeres) Hohlrad 14 und drei Planetenräder bzw. Planetenelemente 20, 22, 24 auf. Jedes der drei Planetenelementen 20, 22, 24 weist in einer Blickrichtung 28, welche parallel zur Hauptachse HA verläuft, vier benachbarte Zahnradstufen 30, 32, 34, 36 auf. Die Planetenelemente 20, 22, 24 sind gleich ausgebildet sind jeweils rotationssymmetrisch zu Planetenachsen PA gebildet, welche parallel zur Hauptachse HA verlaufen. Die in Blickrichtung 28 gesehen erste Zahnradstufe 30 weist jeweils eine Außenverzahnung 44 auf, welche mit einer Innenverzahnung 56 des Hohlrads 14 in Eingriff steht. Eine Außenverzahnung 46 der in Blickrichtung 28 gesehen zweiten Zahnradstufe 32 steht mit einer Außenverzahnung 62 der ersten Sonnenrades 6 in Eingriff. Die in Blickrichtung 28 gesehen dritte Zahnradstufe 34 steht mit einer Außenverzahnung 48 mit einer Außenverzahnung 66 des zweiten Sonnenrades 10 in Eingriff. Eine Außenverzahnung 50 der in Blickrichtung 28 gesehen vierten Zahnradstufe 36 ist mit der Innenverzahnung 56 des Hohlrades 14 in Eingriff.
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Die Außenverzahnungen 44, 46, 48, 50 der vier Zahnradstufen 30, 32, 34, 36 sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nur bei dem Planetenelement 24 mit Bezugszeichen versehen. Auf eine Darstellung der Verzahnung wurde verzichtet. Die Darstellung gezeigten Radien von Rädern stellen die Teilkreisradien der entsprechenden Zahnräder dar. Auch im Text wird der Einfachheit halber der Teilkreisradius eines Zahnrads als Radius bezeichnet. Die Radien der ersten Zahnradstufe 30 und der vierten Zahnradstufe 36 sind gleich groß. In der 2 ist das Planetengetriebe 2 in einem Längsschnitt 2 dargestellt. Die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform weist in jeder vier den Planetenstufen zugeordneten Verzahnungsebenen nur einen Zahneingriff für jeden der drei Planetenradsätze auf. Daher können in dieser Variante die Verzahnungsgeometrien individuell optimiert werden. Beispielsweise kann für einen Außenzahnrad-zu-Außenzahnrad-Eingriff eine andere Verzahnungsgeometrie vorgesehen werden als für einen Außenzahnrad-zu-Innenzahnrad-Eingriff.
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Eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Planetengetriebes 2 ist in der 3 in einem Längsschnitt dargestellt. Bei dieser Ausführung des Planetengetriebes 2 ist die jeweils in Blickrichtung 28 gesehen erste Zahnradstufe 30 mit der Außenverzahnung 44 mit der Außenverzahnung 62 des ersten Sonnenrades 6 in Eingriff. Die zweite Zahnradstufe 32 ist mit einer Außenverzahnung 46 in Eingriff mit der Innenverzahnung 56 des Hohlrades 14. Die dritte Zahnradstufe 34 ist mit der Au-ßenverzahnung 48 in Eingriff mit der Außenverzahnung 66 des zweiten Sonnenrades 10. Die vierte Zahnradstufe 36 ist mit der Außenverzahnung 50 in Eingriff mit der Innenverzahnung 56 des Hohlrades 14. Dadurch, dass in der zweiten Ausführungsform die erste Zahnradstufe der Planeten außerhalb des Hohlrads 14 angeordnet werden kann, ist es möglich, dessen Radius größer als in der ersten Ausführungsform zu wählen. Entsprechend klein kann der Radius des ersten alias Antriebs-Sonnenrads gewählt werden. Damit sind besonders große Untersetzungen realisierbar.
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Eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines Planetengetriebes 2 ist in 4 in einem Längsschnitt dargestellt. Im Gegensatz zu der in 3 dargestellten Ausführungen weist das jeweilige Planetenelement 20, 22, 24 nur drei Zahnradstufen 32, 34, 36 auf. Die jeweilige Zahnradstufe 32 ist dabei mit der Außenverzahnung 46 sowohl mit der Innenverzahnung 56 des Hohlrades 14 als auch mit der Außenverzahnung 62 des ersten Sonnenrades 6 in Eingriff. Die jeweilige Zahnradstufe 34 ist mit der Außenverzahnung 48 in Eingriff mit der Außenverzahnung 66 des zweiten Sonnenrades 10. Die jeweilige Zahnradstufe 36 ist mit der Außenverzahnung 50 in Eingriff mit der Innenverzahnung 56 des Hohlrades 14. Die beiden äu-ßeren Zahnradstufen 32, 36 haben gleich große Radien. Gegenüber der ersten und der zweiten Ausführungsform, die jeweils vier Verzahnungsebenen aufweisen, werden in der dritten Ausführungsform nur drei Verzahnungsebenen benötigt. Dadurch weist die dritte Ausführungsform den Vorteil eines besonders kurzen axialen Baulängen-Bedarfs auf.
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Eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines Planetengetriebes 2 ist in 5 in einem Längsschnitt dargestellt, wobei jedes Planetenelement 20, 22, 24 genau drei Zahnradstufen 32, 34, 36 aufweist. Die erste Zahnradstufe 32 ist jeweils mit der Außenverzahnung 46 mit der Innenverzahnung 56 des Hohlrades 14 und gleichzeitig mit der Außenverzahnung 62 des ersten Sonnenrades 6 in Eingriff. Die zweite Zahnradstufe 34 ist jeweils mit der Außenverzahnung 48 mit der Außenverzahnung 66 des zweiten Sonnenrades 10 in Eingriff. Die dritte Zahnradstufe 36 ist jeweils mit der Außenverzahnung 50 mit der Innenverzahnung 56 des Hohlrades 14 und einer Außenverzahnung 70 eines Zusatzhohlrades bzw. inneren Hohlrades 76 in Eingriff.
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Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten durch das zusätzliche innere Hohlrad 76. Dessen Beitrag einer zusätzlichen radialen Fixierung der dritten Zahnradstufe ermöglicht einen Betrieb des Getriebes mit besonders geringen Zahnrad-Geräuschen da selbst bei einem möglichen Verzahnungs-Spiel des Abtriebs-Sonnenrads die Planetenelemente zwischen innerem 76 und äußerem Hohlrad 14 geführt werden.
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Die 6 zeigt einen Getriebemotor 90 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. In einem Motorgehäuse 96 ist ein Elektromotor 98 angeordnet, welcher einen Stator 100 und einen darin drehbar mit einer Rotorwelle 106 angeordneten Rotor 104 aufweist. Die Rotorwelle 106 ist starr mit der Antriebswelle 8 eines in dem Motorgehäuse 96 angeordneten Planetengetriebes 2 verbunden, welches der in den 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform entspricht. Der in Getriebemotor in der ersten bevorzugten Ausführungsform kombiniert den Vorteil, ein höheres Abtriebsmoment zur Verfügung stellen zu können, als ein Elektromotor ohne Getriebe mit dem Vorteil der Getriebeausführung mit separat für jede der vier Verzahnungsebenen optimierbaren Getriebeverzahnungen.
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In 7 ist ein Getriebemotor 90 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Bei diesem Getriebemotor 90 ist in dem Motorgehäuse 96 ein Planentengetriebe 2 gemäß 4 angeordnet Der Getriebemotor in der zweiten bevorzugten Ausführungsform kombiniert den Vorteil, ein höheres Abtriebsmoment zur Verfügung stellen zu können, als ein Elektromotor ohne Getriebe mit dem Vorteil einer axial besonders kurz bauenden Getriebeausführung der dritten bevorzugten Ausführungsform eines Planetengetriebes.
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Selbstverständlich kann auch ein Getriebemotor mit den Merkmalen der zweiten und der vierten bevorzugten Ausführungsform eines Planetengetriebes konfiguriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Planetengetriebe
- 6
- erstes Sonnenrad
- 8
- Antriebswelle
- 10
- zweites Sonnenrad
- 12
- Abtriebswelle
- 14
- Hohlrad
- 20
- Planetenelement
- 22
- Planetenelement
- 24
- Planetenelement
- 28
- Blickrichtung
- 30
- Zahnradstufe
- 32
- Zahnradstufe
- 34
- Zahnradstufe
- 36
- Zahnradstufe
- 44
- Außenverzahnung
- 46
- Außenverzahnung
- 48
- Außenverzahnung
- 50
- Außenverzahnung
- 56
- Innenverzahnung
- 62
- Außenverzahnung
- 66
- Außenverzahnung
- 70
- Außenverzahnung
- 76
- inneres Hohlrad
- 90
- Getriebemotor
- 96
- Motorgehäuse
- 98
- Elektromotor
- 100
- Stator
- 104
- Rotor
- 106
- Rotorwelle
- HA
- Hauptachse
- PA
- Planetenachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012010316 A1 [0003]