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Die Erfindung betrifft ein Zahnradgetriebe
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur Leistungsübertragung in Maschinen und
Anlagen werden häufig
Zahnradgetriebe verwendet. Eine charakteristische Eigenschaft der
Zahnradgetriebe ist das Vorhandensein von Zahnflankenspielen zur
Vermeidung des Klemmens der Verzahnung. Dieses Zahnflankenspiel
muß in
der Lage sein, Fertigungsabweichungen der Radkörper, der Verzahnung, der Lagerpositionen
(Achsabstandstoleranzen), elastische Deformationen sowie die Bewegung
der Zahnräder
und Wellen innerhalb ihres Lagerspieles auszugleichen. Aus den genannten
Effekten ergibt sich ein Mindestzahnflankenspiel der Verzahnung.
Schon allein durch die Parametererregung der Verzahnung, aber insbesondere
bei ungleichförmig
betriebenen Maschinen mit Drehweganregung oder wechselnden An- und
Abtriebsmomenten kommt es zum Abheben der Zahnflanken und Anschlagen an
der Gegenflanke. Das Durchlaufen des Zahnflankenspieles in Zahnradgetrieben
verursacht mit steigenden Spielen zunehmend unerwünschte Geräusche und
zusätzliche,
stoßartige
Belastungen im Trieb.
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Werden unterschiedliche Werkstoffe
für Zahnräder und
Gehäuse
verwendet, so ändert
sich dieses Flankenspiel mit sich gleichmäßig ändernder Temperatur von Zahnrad-
und Gehäusestruktur.
Besteht beispielsweise das Getriebegehäuse aus einem Aluminiumwerkstoff
und die Zahnräder
aus einem Stahlwerkstoff, so nimmt unter dem Einfluß der unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Aluminiums und des Stahlwerkstoffes das Zahnflankenspiel mit
steigender Temperatur zu. Die niedrigste Temperatur, bei der das Zahnradgetriebe
klemmfrei arbeiten muß,
bestimmt somit das Mindestzahnflankenspiel, das bei der Auslegung
der Verzahnung zu berücksichtigen
ist. Dies ist häufig
eine sehr niedrige Starttemperatur der Maschine. Wird die Maschine
dann über
einen weiten Temperaturbereich betrieben, so: stellt sich bei deutlich
höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Gehäuses
im Vergleich zum Zahnrad ein signifikant höheres Zahnflankenspiel ein.
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Aus den genannten, unerwünschten
Effekten resultiert das Bestreben, einen Ausgleich zumindest dieser
thermisch bedingten Zahnflankenspieländerung zu realisieren.
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Eine besondere Anforderung an jede
Art von Spielausgleich ist, daß die
zum Ausgleich notwendigen konstruktiven Maßnahmen selbst nicht oder nur
unwesentlich zu einer Erhöhung
der Belastung in der Verzahnung und damit zu einer Überkompensation
der geringeren Stoßbelastung
führen.
Wird das Flankenspiel beispielsweise durch geeignete Mechanismen
vollständig
ausgeglichen, so muß dieser
Mechanismus in der Lage sein, auf toleranz-, spiel- und elastizitätsbedingte Änderung
der Zahneingriffsbedingung unter Last zu reagieren. Einflußgrößen sind
u. a.:
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Toleranzen:
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- – Teilungsabweichung
- – Rundlaufabweichung
(AußerMittigkeit)
- – Achslageabweichungen
(Taumel)
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Spiele:
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- – Lagerspiele
- – Flankenspieländerungen über Zahnradumfang
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Elastizitäten
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- – Wellen-/Gehäusedeformation
- – Zahndeformation
unter Last
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Die Frequenz, mit der Verzahnungsabweichungen
variieren, entsprIcht mindestens der Drehfrequenz des Zahnrades.
Spiel- und elastizitätsbedingte Änderungen
des Zahneingriffs werden bei ungleichförmig arbeitenden Maschinen
durch die Anregungsfrequenzen bestimmt und können ein vielfaches der Drehfrequenz des
Zahnrades betragen. Ein vollständiger
Zahnflankenspielausgteich erfordert daher hohe Anforderungen- an
die dynamische Güte
des ausgleichenden Mechanismus – ganz
im Gegensatz zum nahezu statischen Ausgleich der thermisch bedingten
Flankenspieländerung.
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Mechanismen zum vollständigen Ausgleich
des Zahnflankenspiels in Zahnradgetrieben sind an sich bekannt.
Hierzu werden beispielsweise
- – zwei axial
hintereinander angeordnete Zahnradhälften, die tangential, beispielsweise
mittels Elastomeren, Federn, oder hydraulischen Aktoren gegeneinander
verspannt sind und mit getriebener Flanke und Rückflanke eines Gegenrades gleichzeitig
in Kontakt sind
- – Zahnräder mit
leicht kegeliger Verzahnung (Kegelwinkel 1:30 bis 1:10) und axialer
Zustellung
- – eine
radiale Zustellung eines Zahnrades einer einzelnen Radpaarung oder
- – zwei
axial hintereinander angeordnete Zahnradstufen, die gegeneinander
verspannt sind, so daß jeder Zahnradstufe
eine Drehmomentenrichtung zugeordnet werden kann, verwendet.
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Die erstgenannte Variante führt bei
hohen Wechsellastanteilen zur deutlichen Erhöhung der gesamten Baubreite,
da beide Zahnradhälften
näherungsweise
gleiches Moment übertragen
müssen,
was bei kritischen Bauraumsituationen nicht realisiert werden kann.
Ein vollständiger
Ausgleich ist nur bei Endrädern,
nicht jedoch bei Zwischenrädern
möglich.
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Bei axialer Zustellung ist ebenfalls
erhöhter
Bauraum durch den axialen Verschiebeweg und den Zustellmechanismus
notwendig. Insbesondere bei der kegeligen Verzahnung ist die oben
beschriebene, bei ungleichförmiger
Betriebsweise erforderliche dynamische Güte nur schwer erreichbar. Die
radiale Zustellung eines Zahnrades eignet sich nur für ein Endrad
und erfordert auch die radiale Beweglichkeit der Welle (Achsabstandsänderung).
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Aus
DE 39 06 639 A1 ist ein zwischen allen Zähnen im
Zahnfuß geschlitzter
Zahnradkörper
bekannt, der durch die Elastizität
der einzelnen Zähne
in tangentialer Richtung die toleranz-, spiel- und elastizitätsbedingte Änderung
der Zahneingriflsbedingung nahezu klemmfrei abfedern kann. Der Ausgleich
des Zahnflankenspieles ist aber bei größeren Achsabstandsänderungen
mit deutlicher Zunahme der Normalkräfte auf die Zahnflanke verbunden,
Es sind nur geringe Drehmomente zu übertragen.
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Aus
DE-PS
614 431 und
DE
37 08 149 C1 sind Getriebestufen mit Zwischenzahnrädern und
mindestens zwei Lenkern bzw. Kassetten bekannt. Die beiden Lenker
sind ausgehend vom Zwischenzahnrad einerseits mit der Antriebs- und andererseits
mit der Abtriebswelle drehbar verbunden. Die so angeordneten Lenker hatten
den Achsabstand von Antriebszahnrad und dem in beiden Lenkern gelagerten
Zwischenrad konstant. Damit können
Achsabstandsänderungen
von An- und Abtriebszahnrad ausgeglichen werden. Haben Lenker- und
Zahnradwerkstoff gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
so bleibt das Zahnflankenspiel auch bei thermischen Dehnungen konstant.
Diese Lösungen
ermöglichen
durch besondere konstruktive Maßnahmen
an den Wellen, Zahnrädern
und Lenkern zusätzlich
eine Variation der Lage beider Achsen (Antrieb und Abtrieb) zueinander.
Insgesamt ist die Zahl der Lenker und insbesondere die Vielzahl
der spielbehafteten Lager- und Verbindungsstellen von Lenker zu
Gehäuse
bzw. Zahnrad und den beiden Lenkern untereinander Ursache für die sehr
geringe Steifigkeit eines solchen Getriebes.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Zahnradgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei
dem die Zahnflankenspieländerung,
welche durch Änderung
des Abstandes von Antriebs- zu Abtriebswelle während des Betriebes verursacht
wird, ausgeglichen wird.
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Diese Aufgabe wird entsprechend dem
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch ist es möglich, die Änderung
des Abstandes von Antriebs- zu Abtriebswelle, die funktionell beabsichtigt,
schwingungsdynamisch, insbesondere aber auch thermisch bedingt sein
kann, wenn Gehäusewerkstoff
und Zahnradwerkstoff -unterschiedttche thermische Längenausdehnungskoeffizienten
haben, durch einen Ausgleichsmechanismus mit geringer oder gar keiner
Rückwirkung
auf das dynamische Verhalten des Triebes zu kompensieren, wodurch
sich ein Mechanismus geringer Komplexität und hoher Steifigkeit ergibt.
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Hierbei werden Verschiebungen derart
abgegriffen und in die Lagerung der mit ihnen kämmenden Zahnräder eingeleitet,
daß das
Zahnflankenspiel bei geringer Komplexität der gesamten Anordnung, d.h.
bei geringer Anzahl an Fügestellen
und Lagerspielen, konstant gehalten wird. Beispielsweise wird im
Fall der Verschiebung durch thermische Dehnung die Nachführung eines
Zwischenradrades unmittelbar am Gehäuse zwischen den Zahnrädern abgegriffen.
Die Gestaltung von Lagerung, Gehäuse
und Welle im Bereich des antriebswellen- und abtriebswellenseitigen
Zahnrades bleiben im wesentlichen unberührt.
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Außerdem können hierbei die Funktionen
Zwischenzahnradführung
und Zustellung zum Flankenspieländerungsausgleich
konstruktiv voneinander getrennt sein, wodurch sich eine weitere
Steigerung der Steifigkeit der Anordnung ergibt. Eine für die Zustellbewegung
verantwortliche Schubstange kann wegen dieser Funktionstrennung
beliebig angeordnet werden.
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Durch Auswahl der Werkstoffe mit
optimalen thermischen Dehnungskoeffizienten, insbesondere für die als „Schwinge" bzw. „Schubstange" dienenden Bauteile
der Nachführeinrichtung
kann eine optimale Anordnung der Bauteile für einen vollständigen Ausgleich
der Zahnflankenspieländerung
erreicht werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von schematisch in den beigefügten
Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch ein Zahnradgetriebe.
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2 zeigt
die geometrischen Verhältnisse
des Zahnradgetriebes von Fig.
1
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3 zeigt
ein Diagramm, in dem für
das Zahnradgetriebe von 1 bei
symmetrischer Anordnung für
eine Nachführeinrichtung
eines Zwischenzahnrades die zum Ausgleich thermisch bedingter Flankenspieländerung
erforderliche Schwingenlänge
gegenüber
dem Teilkreisdurchmesser des Zwischenzahnrads aufgetragen ist.
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4 bis 7 zeigen schematisch weitere
Ausführungsformen.
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Das in 1 dargestellte
Zahnradgetriebe umfaßt
ein erstes Zahnrad 1, das mit seiner Achse 2 in
einem schematisch angedeuteten Gehäuse drehbar gelagert ist. Das
Zahnrad 1 ist mit einer – nicht dargestellten – Antnebswelle
gekoppelt, die zugleich auch zur Lagerung des Zahnrads 1 in
dem Gehäuse
dienen kann.
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Das Zahnradgetriebe von 1 umfaßt ferner ein zweites Zahnrad 3,
das mit seiner Achse 4 in dem Gehäuse drehbar gelagert ist. Das
Zahnrad 3 ist mit einer zur Antriebswelle parallelen – nicht
dargestellten – Abtriebswelle
gekoppelt, die zugleich auch zur Lagerung des Zahnrads 3 in
dem Gehäuse
dienen kann.
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Das Zahnrad 3 wird von dem
Zahnrad 1 über
ein Zwischenzahnrad 5 angetrieben, an dessen Achse 6 eine
Nachführeinrichtung
für das
Zwischenzahnrad zur Kompensation von Abstandsänderungen zwischen An- und
Abtriebswelle angreift.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Nachführeinrichtung
aus einer Schwinge 7 und einem daran angelenkten Arm 8 gebildet.
Die Schwinge 7 und der Arm 8 sind mit ihren Enden
gehäuseseitig
angelenkt und um die Achse 6 des Zwischenzahnrads 5 drehbar
angeordnet. Die Schwinge 7 ist bezüglich der Verbindungslinie
zwischen den Achsen 2, 4 der Zahnräder 1, 3 auf
der dem Zwischenzahnrad 5 abgewandten Seite am Gehäuse angelenkt.
Der Arm 8 ist in einem Winkel zur Schwinge 7 angeordnet
und gegebenenfalls mit einer Bedämpfung 9,
etwa einem in einem Zylinder angeordneten Bedämpfungskolben, versehen.
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Eine funktionell erwünschte Verschiebung
eines Zahnrades 1 bzw. 3 und/oder die thermische
Dehnung des Gehäuses
und der weiteren Bauteile des Zahnradgetriebes wird hierbei so in
das Zwischenzahnrad 5 eingeleitet, daß das Zwischenzahnrad 5 der
Verschiebung der mit diesem kämmenden
Zahnräder 1, 3 derart nachgeführt wird,
daß das
Zahnflankenspiel aller Radpaarungen im Zahnradgetriebe im wesentlichen
konstant gehalten wird.
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In 1 ist
beispielhaft fett durchgezogen die Ausgangssituation dargestellt,
während
schwach durchgezogen bzw. gestrichelt die Situation aufgrund thermischer
Dehnung im Zahnradgetriebe dargestellt ist. Der Anlenkpunkt „O" der Schwinge 7 am
Gehäuse
verschiebt sich relativ zum Mittelpunkt der Achse 2 des
Zahnrads 1, dem Punkt „1" nach „O", der Mittelpunkt der Achse 4 des
Zahnrads 3 verschiebt sich relativ zum Punkt „1" von Punkt „3" nach Punkt „3'" und der Mittelpunkt der Achse 6 des
Zwischenzahnrads 5 wird vom Punkt „2" zum Punkt „2'" nachgeführt.
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Bei einer bestimmten Länge 1 der
Schwinge 7 erfolgt ein vollständiger Ausgleich der Zahnflankenspieländerung.
Die Länge
1 ist abhängig
von den Abständen
der Zahnräder 1, 3 zueinander,
den Winkeln, die die Verbindungslinien der Achsmittelpunkte bilden,
den thermischen Dehnungskoeffizienten der Werkstoffe von Gehäuse, Zahnrädern 1, 3,
des Zwischenzahnrads 5 und der Schwinge 7 sowie
von deren Temperaturen. Die in 1 gezeigte
Konstellation erfordert einen kleineren thermischen Dehnungskoeffizienten
der Schwinge 7 (und der Zahnräder 1, 3, 5)
im Vergleich zum Gehäuse.
Liegen die Punkte „O" und „O'" der gezeigten Anordnung oberhalb der
senkrecht auf der die y-Halbachse bildenden Verbindungslinie der
Punkte „1" und „3" stehenden negativen
Halbachse „x", so ist für die Schwinge
ein Werkstoff mit größerem thermischem
Ausdehnungskoeffizienten als der des Gehäuses vorzusehen.
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In 2 sind
die geometrischen Positionen und Winkel im einzelnen dargestellt
und benannt. Für
einen vollständigen
Ausgleich der thermisch bedingten Zahnflankenspieländerung
läßt sich
die erforderliche Länge
I ableiten, vgl. Formeln C.1.1, C.1.2 und C.1.3 am Schluß der Beschreibung.
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Zum Ausgleich der Flankenspieländerung
allein kann der Winkel ε der
Geraden „O"–„2" zur- Senkrechten auf die Gerade „1"–„3a" innerhalb bestimmter Grenzen beliebig
gewählt
werden. Um jedoch bei der Ausführungsform
von 1 ein an der Schwinge
wirkendes, aus den Zahneingriffskräften resultierendes Drehmoment
um den Punkt „O" bzw. „O'" zu vermeiden, muß der Winkel ε gemäß der am
Schluß der
Beschreibung aufgeführten
Formel C.1.4 gewählt
werden.
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Bei Berücksichtigung dieser Formel
und bei stationärem
Betrieb (konstante Drehzahl) des Zahnradgetriebes bleibt die Schwinge 7 frei
von Drehmomenten um ihren Drehpunkt „o" bzw. „O'" und
die Zahneingriffe frei von zusätzlichen
Normalkräften.
Bei sehr schnell wechselnden Drehzahlen ergibt sich eine Schwingungsneigung
der Schwinge 7 um ihren Drehpunkt „0" bzw. „O'".
Grund hierfür
sind unterschiedliche Zahneingriffskräfte am Zwischenzahnrad 5,
verursacht allein durch die Trägheit
des Zwischenzahnrads 5 bei starken Beschleunigungen. Dieser
Schwingungsneigung kann entweder durch eine gewollte Abweichung
des Winkel ε vom
Idealwert bei stationärem
Betrieb der Schwinge oder durch das Vorsehen des Dämpfungselements 9 entgegengewirkt
werden.
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Wenn ε = 0° und gleichem Abstand zwischen
den Punkten „1" und „2" sowie „2" und „3", d.h. a
12 =
a
23, ist, d.h. eine symmetrische Anordnung
vorliegt, und ferner folgende Parameter vorhanden sind:
Teilkreisdurchmesser
der Zahnräder
1 und 3 | 100[mm] |
Längenausdehnungskoeffizient
des Gehäuses αG | 23e-6
[1/K] |
Längenausdehnungskoeffizient
Zahnräder αZR | 11,5e-6
[1/K] |
ergibt sich für die erforderliche Länge I der
Schwinge für
entsprechende α-Werte
der Schwinge die in dem Diagramm von
3,
in dem die Schwingenlänge
I in
mm gegenüber
dem Teilkreisdurchmesser d2 in mm des Zwischenzahnrads
5 aufgetragen
ist, dargestellte Kurvenschar. Außerdem ist in
3 der Winkel γ eingetragen.
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Wie aus 3 entnehmbar ist, kann bei sehr kleinen
thermischen Ausdehnungekoeffizienten des Werkstoffs für die Schwinge.
eine relativ kurze Länge
I der Schwinge und damit eine insgesamt kompakte Anordnung realisiert
werden. Ein für
diese Anordnung günstiger
Werkstoff mit sehr kleinem, mittlerem Ausdehnungskoeffizienten im
Temperaturbereich von 0° bis
100°C ist
beispielsweise Nickelstahl, so etwa FeNi36.
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Durch die Schwinge gemäß 1 erfolgt eine Lagerung
und Führung
des Zwischenzahnrads 5, wobei die Lager-Reaktionskräfte auf
das Gehäuse übertragen
werden. Ferner wird hierdurch das Zwischenzahnrad 5 entsprechend
der unterschiedlichen thermischen Dehnung von Zahnrädern 1, 3,
Zwischenzahnrad 5, Schwinge und Gehäuse zum Ausgleich der damit
verbundenen Zahnflankenspieländerung
nachgeführt.
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Eine besonders günstige Gestaltung kann erreicht
werden, wenn die Funktion der Lagerung des Zwischenzahnrads 5 und
der Nachführung
hiervon verschiedenen Bauteilen zugeordnet wird. Eine derartige
Anordnung ist in 4, 5 dargestellt, bei der das
Zwischenzahnrad 5 über
einen Doppelexzenter 10 der Verschiebung der mit ihm kämmenden
Zahnräder 1, 3 nachgeführt wird.
Die Verstellung des Doppelexzenters 10 erfolgt hierbei über die
als Schubstangen dienenden Arme 7, 8 der Nachführeinrichtung,
die an einer inneren bzw. einer äußeren Exzenterscheibe
des Doppelexzenters 10 mit der Exzentrizität e (vgl. 5), der von einer Lagerschale 11 aufgenommen
ist und selbst den Lagerzapfen 12 des Zwischenzahnrads 5 aufnimmt,
angelenkt sind. Durch die Trennung der Führung des Zwischenzahnrads 5 vom
eigentlichen Nachführmechanismus
ist eine sehr steife Anbindung des Zwischenzahnrads 5 an
das Gehäuse
möglich.
Da die als Schubstangen dienenden Arme 7, 8 lediglich
Verstellkräfte
für den
Doppelexzenter 10 übertragen
müssen,
können
sie entsprechend einfach und leicht gestaltet sein. Eine optimale
Werkstoffauswahl hinsichtlich der thermischen Dehnungskoeffizienten
wird aufgrund der relativ geringen Verstellkräfte deutlich vereinfacht. Hier
interessieren auch besonders technische Kunststoffe, mit z.T. sehr
großen
Längenausdehnungskoeffizienten
bei inverser Anordnung der Schubstangen. Die Lage der Schubstangen
kann beliebig und in Anpassung an die Bauraumsituation gewählt werden.
Die Länge
der verwendeten Schubstangen ist unter Berücksichtigung einer möglicherweise
wirksamen Übersetzung
(hier die des Exzenters) zu wählen
und kann für
verschiedene Schubstangen einer Nachführeinrichtung auch unterschiedlich
sein.
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Zur Kosteneinsparung bei der Montage
lassen sich die Bauteile zum Ausgleich der thermisch bedingten Flankenspieländerung
des Zahnradeingriffs mindestens im Bereich des ausgleichenden Zwischenzahnrades 5 (Zwischenzahnrad 5,
Lagerelemente, Schwinge oder Schubstangen, Exzenter, Dämpfungselemente etc.)
vormontiert einsetzen. Auch kann der gesamte Rädertriebsatz einschließlich der
ausgleichenden Elemente in einem Hilfsrahmen montiert werden, der
in das Gehäuse
eingesetzt, anschließend
entfernt und gegebenenfalls wiederverwendet wird.
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6 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der der Arm 7 der Nachführeinrichtung als das Zwischenzahnrad 5 lagernde
Schwinge und der Arm 8 als Schubstange wirkt, wobei beide über einen
am Gehäuse
angelenkten Winkelhebel 13 miteinander gekoppelt sind.
Die Schwinge läßt sich
hierbei kurz und kompakt ausführen.
Infolge des Winkelhebels 13 ist die Schwinge exzentrisch
gelagert, wobei die Zustellung über
die Schubstange erfolgt.
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7 zeigt
eine zur Ausführungsform
von
6 ähnliche
Ausführungsform,
bei der eine funktional bedingte Verschiebung des Zahnrades
3 abgegriffen
und das über
die Schwinge gelagerte Zwischenzahnrad
5 durch die Schubstange
entsprechend nachgestellt wird.