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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil oder die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung
62/681.464 , eingereicht am 6. Juni 2018, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in diese Schrift aufgenommen ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Gebiet
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Der offenbarte Gegenstand betrifft im Allgemeinen Traktions- oder Reibradgetriebe oder -antriebe. Insbesondere betrifft er einen Antrieb mit fester Übersetzung.
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Verwandter Stand der Technik
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In mechanischen Systemen können Drehzahladapter verwendet werden, um das Drehmoment und die Drehzahl der Energiequelle an die Last anzupassen. Zum Beispiel werden häufig Untersetzungsgetriebe eingesetzt, um das Drehmoment von elektromagnetischen Motoren zu erhöhen. Ein weiteres Beispiel ist eine Werkzeugmaschinenspindel, bei der diesmal eine Erhöhung der Drehzahl zwischen Motor und Werkzeug wünschenswert sein kann.
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Heute basieren die meisten Hochleistungsdrehzahladapter auf dem Zahneingriff von gerad- oder schrägverzahnten Zahnrädern. Wenn eine kompakte Integration gewünscht wird, wird oft die epizyklische oder planetarische Konfiguration gewählt. In dieser Konfiguration wird die Last auf mehrere Planetenräder verteilt, die ein Sonnenrad umkreisen. Wie bei anderen Zahnradkonfigurationen gibt es jedoch eine Reihe unerwünschter Effekte. Erstens entsteht, wenn sich die Zähne unter Last biegen, eine gewisse Biegsamkeit, was die Steuerungsleistung verringert. Darüber hinaus treten aufgrund der diskontinuierlichen Natur dieses Zahneingriffs und der damit verbundenen Steifigkeitsschwankung Lärm und Vibrationen auf, die die zulässige Geschwindigkeit begrenzen. Um eine einwandfreie Funktion zu ermöglichen, muss außerdem ein gewisses Spiel umgesetzt werden, wodurch die Steuerungsleistung und die Positioniergenauigkeit weiter reduziert werden.
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Andere verzahnte Drehzahladaptertechnologien sind verfügbar. Für Kompaktantriebe sind die Spannungswellen- und Zykloidentechnologie von besonderem Interesse. Ein Spannungswellengetriebe verwendet ein elliptisches Lager zum Verformen einer verzahnten flexiblen Büchse, die in ein innenverzahntes Hohlrad eingreift. Dadurch wird ein kompakter Antrieb ohne Spiel, aber mit einer gewissen Biegsamkeit erhalten. Ein Zykloidenzahnrad verwendet dagegen große exzentrisch angetriebene Zahnscheiben, die in ein innenverzahntes Hohlrad eingreifen. Die Zähne sind so geformt, dass meist ein Wälzkontakt erfolgt, was Vorspannungen zulässt und nahezu Spielfreiheit ermöglicht. Ihre Herstellung erfordert jedoch Präzisionstechniken, die aufwändig und kostspielig sein können.
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KURZDARSTELLUNG
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Die offenbarte Erfindung betrifft kompakte Anordnungen von Traktions- oder Reibradgetrieben - oder -antrieben - mit festem Übersetzungsverhältnis, die eine Drehbewegung zwischen Antriebs- und Abtriebselementen unter Verwendung von Reibungs- oder Traktionskräften zwischen glatten Flächen in Wälzkontakt übertragen.
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Ein Drehzahladapter funktioniert analog zu einem Hebel. Einer der drei - im Allgemeinen festen - Kontaktpunkt fungiert als Drehpunkt. Abhängig von den Längenverhältnissen kann die Kraft zwischen den beiden anderen Kontaktpunkten erhöht oder verringert werden, wobei die Drehzahl in umgekehrter Richtung verändert wird. Die offenbarten Antriebsanordnungen konzentrieren sich auf die Untersetzung. Sie können jedoch zur Erhöhung der Drehzahl verwendet werden, wenn die Antriebs- und Abtriebskontaktpunkte umgekehrt werden.
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Drehzahladapter können in Reihe geschaltet werden, um Antriebe mit hoher Übersetzung zu erzeugen. Dies kann auch eine Gestaltungsmöglichkeit zur Erhöhung der Lebensdauer schaffen, indem Elemente, die hohen Lasten ausgesetzt sind, eine verringerte Anzahl von Belastungszyklen durchlaufen. Die offenbarten Antriebe sind mit zwei oder drei Untersetzungsstufen veranschaulicht, aber diese Anzahl kann von einer bis vier oder mehr variieren, um dem gewünschten Verhältnis und der gewünschten Lebensdauer Rechnung zu tragen.
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Ein Reibradantrieb basiert auf Reibung zwischen Elementen in Wälzkontakt. Ein Traktionsantrieb hingegen überträgt die Kräfte durch die Scherung eines Schmiermittels - typischerweise eines Traktionsschmiermittels, das unter hohen Kontaktdrücken feste Filme bildet, die die Flächen schützen und Traktion bereitstellen. In beiden Fällen müssen ausreichende Kontaktkräfte aufrechterhalten werden, um Schlupf zu vermeiden. Diese Mindestkräfte werden berechnet, indem die Tangentialkräfte entweder durch den Reibungskoeffizienten oder den Traktionskoeffizienten dividiert werden. In beiden Fällen sind mit Stahlwälzelementen und geeigneten Kontaktkräften Stufenwirkungsgrade von 96 bis 99 % möglich. Eine unnötige Überlastung der Kontakte erhöht die Materialermüdung und Energieverluste. Einer der anspruchsvollsten Gestaltungsaspekte besteht daher darin, adäquate Kontaktkräfte bereitzustellen und aufrechtzuerhalten. Viele Gestaltungen beinhalten einen Mechanismus, um die Kraft in Abhängigkeit von der Last zu variieren. Dies hat offensichtliche Vorteile, erhöht aber auch die Komplexität des Antriebs, die Kosten und die potentielle Torsionsbiegsamkeit. Die offenbarten Antriebe verfügen über feste Kontaktkräfte, die durch Federn, zusammengedrückte hohle Rollen oder durch Oberflächeneindrücke der in Wälzkontakt stehenden Körper erzeugt werden. Drei verschiedene Untersetzungsstufen werden offenbart; zwei weisen konzentrische Eingangs- und Ausgangsachsen auf und eine dritte ermöglicht einen Winkel zwischen diesen Achsen.
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Eine zusätzliche Überlegung bei der Auswahl der Kontaktkräfte in einem Traktionsantrieb ist, dass die Kontaktdrücke für den Übergang des Traktionsfluids von einer flüssigen in eine feste Phase ausreichend sein müssen. Diese Offenlegung veranschaulicht eine Möglichkeit, den Kontaktdruck an einem kritischen Punkt in einigen Gestaltungen zu erhöhen, ohne die Lebensdauer wesentlich zu verringern.
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Reib- oder Traktionskontakte können rein rollender Natur sein oder auch ein Durchdrehen oder seitwärtiges Rutschen aufweisen. Durchdrehen und seitwärtiges Rutschen wirken sich nachteilig auf den scheinbaren Reibungs- und Traktionskoeffizienten sowie auf die Wirkungsgrade aus und sollten nach Möglichkeit auf ein Minimum beschränkt werden. Die offenbarten Konfigurationen verwenden nur reine Wälzkontakte.
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Aufgrund ihrer Leistungsmerkmale wie hohe Steifigkeit, hohe Drehzahlregelgenauigkeit, sanfte Drehmomentübertragung und wenig Spiel oder kein Spiel können Traktions- oder Reibradantriebe als Hochleistungs-Servomechanismen eingesetzt werden. Da ihr Untersetzungsverhältnis jedoch je nach Last, Drehzahl und anderen Faktoren leicht variiert, ist dann ein Ausgangspositionssensor erforderlich. In einigen der veranschaulichten Ausführungsformen ist dieser optionale Positionssensor integriert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein in einen festen Rahmen einzufügender Drehzahladapterantrieb bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
- - ein Sonnenelement;
- - mindestens drei Planetenelemente, die um das Sonnenelement herum und in Wälzkontakt mit diesem zum Umlaufen bereitgestellt sind und innerhalb des festen Rahmens eingeschlossen sind, um das Umlaufen zu führen, wodurch ein festes Übersetzungsverhältnis für den Drehzahladapterantrieb bereitgestellt wird, und in Wälzkontakt mit einer Innenfläche des festen Rahmens stehen, wobei die mindestens drei Planetenelemente in Wälzkontakt mit dem Sonnenelement stehen, wobei das Sonnenelement und die Planetenelemente eine glatte Oberfläche aufweisen, so dass alle Wälzkontakte Reibungs- oder Traktionskontakte und zahnlos sind; und
- - geführte Rollen in Wälzkontakt mit den mindestens drei Planetenelementen, aber nicht in Wälzkontakt mit dem Sonnenelement oder dem festen Rahmen, wobei das Umlaufen der mindestens drei Planetenelemente ein entsprechendes Umlaufen der geführten Rollen um das Sonnenelement antreibt, um eine Drehbewegung mit dem festen Übersetzungsverhältnis für den Drehzahladapterantrieb auszugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der feste Rahmen ein zum Sonnenelement konzentrischer Zylinder, wobei die Wälzkontakte zwischen den geführten Rollen und den mindestens drei Planetenelementen vorgespannt sind, um ein Spiel zu eliminieren.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die mindestens drei Planetenelemente in Wälzkontakt mit dem Sonnenelement Losrollen, die sowohl mit dem Sonnenelement als auch mit der Innenfläche des festen Rahmens in Wälzkontakt stehen, wobei der Wälzkontakt einen Reibungs- oder einen Traktionskontakt umfasst.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Losrollen Bohrungen mit Durchmessern, die so gewählt sind, dass eine Wälzkontaktkraft gesteuert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform definiert das Sonnenelement eine Längsachse, entlang der es sich erstreckt, umfasst ferner Bolzen, die den geführten Rollen entsprechen, wobei sich jeder der Bolzen in der Längsachse durch jede der ihm entsprechenden geführten Rollen erstreckt, wobei jeder der Bolzen die ihm entsprechenden geführten Rollen in einer radialen Position um das Sonnenelement herum hält, wobei die Bolzen unter dem Umlaufen der geführten Rollen verwendet werden, um die Drehbewegung der umlaufenden geführten Rollen auszugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ferner ein Träger bereitgestellt, in den die Bolzen der geführten Rollen eingreifen, wobei der Träger als Abtrieb für den Drehzahladapterantrieb dient.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein in einen festen Rahmen einzufügender Drehzahladapterantrieb vorgesehen, der Folgendes umfasst:
- - ein Sonnenelement, das eine Längsachse definiert, entlang der es sich erstreckt;
- - mindestens drei Planetenelemente, die um das Sonnenelement herum und in Wälzkontakt mit diesem zum Umlaufen bereitgestellt sind und innerhalb des festen Rahmens eingeschlossen sind, um das Umlaufen zu führen, und in Wälzkontakt mit einer Innenfläche des festen Rahmens stehen, wobei die mindestens drei Planetenelemente in Wälzkontakt mit dem Sonnenelement stehen, wobei das Sonnenelement und die Planetenelemente eine glatte Oberfläche aufweisen, so dass alle Wälzkontakte Reibungs- oder Traktionskontakte und zahnlos sind, wobei das Umlaufen der mindestens drei Planetenelemente eine Drehbewegung mit einer festen Antriebsübersetzung bereitstellt;
- - Bolzen, die den mindestens drei Planetenelementen entsprechen, wobei sich jeder der Bolzen in der Längsachse durch jedes der mindestens drei ihm entsprechenden Planetenelemente erstreckt, wobei jeder der Bolzen die mindestens drei ihm entsprechenden Planetenelemente in einer radialen Position um das Sonnenelement hält, wobei die Bolzen unter dem Umlaufen der mindestens drei Planetenelemente verwendet werden, um die Drehbewegung der mindestens drei umlaufenden Planetenelemente auszugeben;
- - einem Träger, in den die Bolzen von den mindestens drei Planetenelementen eingreifen, wobei der Träger als Abtrieb für den Drehzahladapterantrieb dient; und
- - eine Anpassung für die Bolzen, um eine Veränderung der radialen Position von mindestens einem der mindestens drei Planetenelemente während des Umlaufens zu ermöglichen, ohne die Veränderung der radialen Position auf den Träger zu übertragen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Anpassung das Bereitstellen einer Buchse im Inneren der mindestens drei Planetenelemente, wobei die Buchse für jedes der mindestens drei Planetenelemente eine Bohrung mit einer Bohrungsmittelachse aufweist, die parallel, aber nicht deckungsgleich mit einer Längsmittelachse eines entsprechenden der mindestens drei Planetenelemente verläuft, wodurch eine Bewegung der Längsmittelachse der mindestens drei Planetenelemente um die Bohrungsmittelachse der Buchse während des Umlaufens ermöglicht wird, wobei die Bewegung nicht auf die Bolzen übertragen wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Buchse im Inneren jedes der mindestens drei Planetenelemente eine zylindrische Außenfläche, deren Mittelpunkt die Längsmittelachse definiert, zu der die Bohrungsmittelachse parallel, aber nicht deckungsgleich verläuft, weshalb die Buchse im Inneren jedes der mindestens drei Planetenelemente exzentrisch ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Träger eine Vielzahl von Eingriffsabschnitten, in die die entsprechenden Bolzen eingreifen, wobei die Anpassung eine Öffnung umfasst, die um jeden der Vielzahl von Eingriffsabschnitten herum bereitgestellt ist, um die Eingriffsabschnitte biegsam zu machen und die Veränderung der radialen Position der Bolzen zu ermöglichen, die nicht auf den Träger übertragen wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der feste Rahmen ein zu dem Sonnenelement konzentrischer Zylinder.
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Gemäß einer Ausführungsform dient der Träger bei einer mehrstufigen Anordnung als Abtrieb für den Drehzahladapterantrieb.
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Gemäß einer Ausführung ist das Sonnenelement hohl, um Elastizität bereitzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Drehzahladapterantrieb bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
- - ein erstes Traktions- oder Reibradgetriebeelement, das eine Rotationsfläche und eine erste Traktions- oder Reibradgetriebeachse umfasst;
- - ein zweites Traktions- oder Reibradgetriebeelement, dessen Drehachse in einem Winkel in Bezug auf die erste Traktions- oder Reibradgetriebeachse in einem Bereich zwischen 45° und 135° liegt und das eine Rotationsfläche umfasst;
wobei das erste Traktions- oder Reibradgetrieberad und das zweite Traktions- oder Reibradgetrieberad an ihrer jeweiligen Rotationsfläche durch eine Vorspannvorrichtung zusammengedrückt werden, um eine Wälzkontaktfläche zu schaffen, die zahnlos ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens eines von:
- - der Rotationsfläche des ersten Traktions- oder Reibradgetriebeelements; und
- - der Rotationsfläche des zweiten Traktions- oder Reibradgetriebeelements an der Wälzkontaktfläche in einer Ebene konvex, die die erste Traktions- oder Reibradgetriebeachse und die Drehachse des zweiten Traktions- oder Reibradgetriebeelements beinhaltet.
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Gemäß einer Ausführungsform definiert die Wälzkontaktfläche eine Ebene, die tangential zu der mindestens einen Rotationsfläche liegt, die konvex ist, wobei die Ebene mit einem Schnittpunkt der ersten Traktions- oder Reibradgetriebeachse und der zweiten Traktions- oder Reibradgetriebeachse zusammenfällt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorspannvorrichtung eine Feder, die an dem ersten Traktions- oder Reibradgetriebeelement oder an dem zweiten Traktions- oder Reibradgetriebeelement für eine Längsvorspannung von diesem entlang der ersten Traktions- oder Reibradgetriebeachse bzw. der zweiten Traktions- oder Reibradgetriebeachse verwendet wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein mehrstufiger Drehzahladapterantrieb bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen festen Rahmen; und mehr als einen Drehzahladapterantrieb, die wie vorstehend erwähnt, im Inneren des festen Rahmens in Reihe geschaltet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein mehrstufiger Drehzahladapterantrieb bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen festen Rahmen; und - einen ersten Drehzahladapterantrieb wie vorstehend erwähnt; - einen zweiten Drehzahladapterantrieb wie vorstehend erwähnt; wobei der erste Drehzahladapterantrieb und der zweite Drehzahladapterantrieb im Inneren des festen Rahmens in Reihe geschaltet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der mehrstufige Drehzahladapterantrieb ferner den Traktions- oder Reibraddrehzahladapterantrieb, der einen Krümmer für den mehrstufigen Drehzahladapterantrieb bildet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der mehrstufige Drehzahladapterantrieb ferner eine kreisförmige Nut auf einer Innenfläche des festen Rahmens, um den Kontaktdruck zwischen den Rollen und dem Rahmen zu erhöhen und die Verfestigung einer Traktionsflüssigkeit zu fördern.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
- 1 einen Hebel als nützliche Analogie zu einem Drehzahladapter veranschaulicht;
- 2 eine Kombination eines elektromagnetischen Motors mit einem Untersetzungsgetriebe unter Verwendung von zwei Untersetzungsstufen mit ähnlichen Funktionsprinzipien verwendet veranschaulicht;
- 3 eine Schnittansicht der Kombination aus 2 veranschaulicht;
- 4 eine Explosionsansicht der Kombination aus 2 veranschaulicht;
- 5 die erste Drehzahluntersetzungsstufe der Kombination aus 2 veranschaulicht;
- 6 die zweite Untersetzungsstufe der Kombination aus 2 veranschaulicht;
- 7 eine Schnittansicht der zweiten Untersetzungsstufe der Kombination aus 2 veranschaulicht;
- 8 eine Kombination eines elektromagnetischen Motors mit einem dreistufigen Untersetzungsgetriebe veranschaulicht. Die Eingangsstufe dieses Untersetzungsgetriebes ermöglicht neben einer möglichen Drehzahländerung einen Winkel zwischen der Antriebs- und Abtriebsachse;
- 9 eine Schnittansicht der Kombination aus 8 veranschaulicht;
- 10 eine Explosionsansicht der Kombination aus 8 veranschaulicht;
- 11 Elemente der ersten Drehzahluntersetzungsstufe der Kombination aus 8 veranschaulicht;
- 12 eine Kombination eines elektromagnetischen Motors mit einem zweistufigen Untersetzungsgetriebe veranschaulicht. Bei dieser Gestaltung wird eine dritte Art von Untersetzungsstufe eingeführt und als Abtriebsstufe verwendet;
- 13 eine Schnittansicht der Kombination aus 12 veranschaulicht;
- 14 eine Explosionsansicht der Kombination aus 12 veranschaulicht;
- 15 die erste Drehzahluntersetzungsstufe der Kombination aus 12 veranschaulicht;
- 16 die zweite Untersetzungsstufe der Kombination aus 12 veranschaulicht;
- 17 eine Schnittansicht der zweiten Untersetzungsstufe der Kombination aus 12 veranschaulicht;
- 18 eine alternative Ausführungsform für die zweite Untersetzungsstufe der Kombination aus 12 veranschaulicht;
- 19 eine Schnittansicht dieser alternativen Ausführungsform für die zweite Untersetzungsstufe der Kombination aus 12 veranschaulicht;
- 20 eine Schnittansicht ist, die eine beispielhafte Ausführungsform eines Aktors veranschaulicht, der ein mehrstufiges Untersetzungsgetriebe umfasst;
- 21 ein Querschnitt ist, der eine beispielhafte Ausführungsform einer Untersetzungsstufe mit geführter Rolle veranschaulicht; und
- die 22-23 perspektivische Ansichten sind, die eine beispielhafte Ausführungsform einer Untersetzungsstufe mit geführter Rolle im Ganzen (22) und als Querschnitt (23) veranschaulichen.
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Es versteht sich, das in allen angehängten Zeichnungen gleiche Merkmale durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf den vorstehend beschriebenen Stand der Technik können einige der bei Zahnrädern am häufigsten auftretenden Nachteile durch die Verwendung eines Reibradantriebs oder Traktionsantriebs behoben werden. Anstatt auf dem Kontakt zwischen Zähnen basieren Reibradantriebe oder Traktionsantriebe auf den Reibungs- oder Zugkräften, die zwischen glatten Elementen im Wälzkontakt erzeugt werden. Im Allgemeinen bezeichnet ein Reibradantrieb ein Getriebe mit trockenen Kontakten, während ein Traktionsantrieb ein Getriebe mit geschmierten Kontakten bezeichnet. Anders als bei Zahnrädern sind die Kontakte kontinuierlich (d. h. zahnlos), was zu erheblichen Möglichkeiten führt, Geräusche zu verringern, Vibrationen zu verringern, die Steifigkeit zu erhöhen, mit höheren Drehzahlen zu laufen und Spiel am Kontaktpunkt zu eliminieren.
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Heute sind nur wenige Drehzahladapter mit festem Übersetzungsverhältnis auf dem Markt erhältlich. Durch das kontinuierliche Verbessern der Stahlermüdungsbeständigkeit, der Fluidtraktionseigenschaften, der Herstellungsverfahren für Wälzflächen und der Positionssensortechnologien scheinen Traktions- oder Reibradantriebe mit festem Übersetzungsverhältnis nun jedoch bereit zu sein, in vielen Anwendungsbereichen mit den herkömmlichen Verzahnungstechnologien konkurrieren zu können. Dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde kompakte Reibrad- oder Traktionsantriebsanordnungen zu beschreiben, die kostengünstig hergestellt werden können und trotzdem die vorstehend beschriebenen Leistungsvorteile gegenüber ihren verzahnten Gegenstücken erreichen.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 einen Hebel als sinnvolle Analogie zur Funktion einer Drehzahladapterstufe. Ein Hebel verfügt über drei Interaktionskontaktpunkte. Ein Kontaktpunkt- im Allgemeinen fest - fungiert als Drehpunkt. Abhängig von den Längenverhältnissen wird die Kraft zwischen den beiden anderen Kontaktpunkten erhöht oder verringert, wobei die Drehzahl in umgekehrter Richtung verändert wird. In der Veranschaulichung ist 1 der Drehpunkt, 2 der Kontaktpunkt für hohe Drehzahlen und 3 der Kontaktpunkt für niedrige Drehzahlen.
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2 zeigt eine Kombination eines elektromagnetischen Motors 10 mit einem Traktions- oder Reibraduntersetzungsgetriebe. Wenn sich die Motorwelle dreht, dreht sich der Abtrieb 13 des Antriebs relativ zu seinem Rahmen 11 und dem Motor mit einer reduzierten Geschwindigkeit und einem erhöhten Drehmoment. Ein optionaler Positionssensor 12 liest die Position dieses Abtriebs.
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Die 3 und 4 zeigen Schnitt- und Explosionsdarstellungen des Untersetzungsgetriebes. Eine optionale Kupplung 14 ist zwischen der Motorwelle 8 und dem Untersetzungsgetriebe angebracht, um Fehlausrichtungen zu ermöglichen. Die Drehbewegung durchläuft dann eine erste Untersetzungsstufe 15 und eine zweite Untersetzungsstufe 16. Die Abtriebsachse wird durch Lagerelemente geführt, die hier als Kreuzrollenlager 17 veranschaulicht sind. Eine optionale Dichtung 19 schützt den Antrieb vor dem Eindringen von Stoffen und hält Schmiermittel zurück. Der optionale Positionssensor 12 liest die Position des Rings 18. Gemäß einer Ausführungsform ist der Ring 18 codiert (z. B. auf seiner Oberfläche) sodass seine Winkelstellung durch den optionalen Positionssensor 12 abgelesen werden kann.
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Die 5 und 6 veranschaulichen die erste und zweite Stufe des Untersetzungsgetriebes. 7 zeigt eine Schnittansicht dieser zweiten Stufe. Beide Stufen haben ähnliche Arbeitsprinzipien. In ihrem Mittelpunkt dreht sich ein Sonnenelement 25 (analog dem Kontaktpunkt 2 des Hebels aus 1) mit einer äußeren Wälzfläche. Der Rahmen 11 (aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen), mit einer inneren Wälzfläche, ist fest und stellt den Drehpunkt dar (analog zu dem Kontaktpunkt 1 des Hebels). Drei oder mehr Losrollen 20 mit äußeren Wälzflächen sind mit einem gewählten Übermaß in dem ringförmigen Raum dazwischen positioniert. Wenn sich die Sonne dreht, rollen die Losrollen zwischen der Sonne und dem Rahmen und beschreiben eine durch den Rahmen 11 begrenzte Umlaufbewegung. Geführte Rollen 21, die sich um Bolzen 22 drehen und optional durch Lagerelemente wie etwa Nadelrollen 23 gelagert werden, übertragen diese Bewegung auf einen Träger 24 (analog Kontaktpunkt 3 des Hebels). Das Nennuntersetzungsverhältnis jeder Stufe ist der Durchmesser der Rahmenfläche geteilt durch den Durchmesser der Sonnenfläche plus eins. Typische Verhältnisse sind 14:1 bis 3:1, abhängig von den relativen Durchmessern dieser Teile. Die Gesamtantriebsübersetzung ist das Produkt der Stufenübersetzungen, die im mehrstufigen Antrieb in Reihe bereitgestellt werden.
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Ein Trägerwandabschnitt, entweder außen (26a) oder innen (26b), verbindet die Vorder- und Rückwand des in 7 gezeigten Trägers, um die Torsionssteifigkeit der Untersetzungsstufe zu erhöhen. Vorteilhafterweise stehen sowohl die Losrollen 20 als auch die geführten Rollen 21 nicht mit den Trägerwandabschnitten 26a, 26b in Kontakt, um sicherzustellen, dass kein Reibungsverlust mit diesem Teil des Trägers entsteht. Anders ausgedrückt steht der Bolzen 22 der geführten Rollen 21 bei deren Drehung mit dem Träger 24 in Eingriff, diese berühren aber die Trägerwandabschnitte 26a, 26b nicht. Daher ist eine Lücke dazwischen bereitgestellt, um sicherzustellen, dass es keinen Kontakt gibt.
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Eine geringe Menge an Spiel zwischen den Losrollen 20 und den geführten Rollen 21 erlaubt größere Fertigungstoleranzen zu, aber wenn alle Kontakte rollen, ist eine Vorspannung für ein Spiel von null möglich. Für die Losrollen 20 wird das Übermaß so gewählt, dass die Maßtoleranzen der Teile nur akzeptable Vorspannungsschwankungen verursachen. Die erforderlichen Normalkräfte werden entsprechend dem angestrebten übertragbaren Drehmoment berechnet und die Rollenlängen entsprechend der angestrebten Lebensdauer ausgewählt. Die Losrollen weisen zudem optionale Bohrungen auf, wie in 7 gezeigt, deren Durchmesser so gewählt sind, dass die Übermaße nur die erforderlichen Kontaktkräfte erzeugen. Bei der Berechnung dieser Durchmesser müssen auch die Oberflächeneindrücke der Körper, die in Kontakt stehen, berücksichtigt werden. Die allgemeine Verformung des Rahmens und des Sonnenrollers muss ebenfalls berücksichtigt werden.
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In 3 ist eine Nut 9 auf der inneren Wälzfläche des Rahmens 11 des Antriebs (entweder mehrstufiger oder einstufiger Antrieb) sichtbar. Diese Nut verringert die Kontaktlänge mit den Losrollen. Da der reduzierte Krümmungsradius der in Kontakt stehenden Körper groß ist, sind die Kontaktdrücke an diesem Punkt gering. Es ist daher möglich, dass eine Verringerung der Kontaktlänge erforderlich ist, um einen ausreichenden Druck für den Phasenübergang des Traktionsfluids in der ersten Drehzahluntersetzungsstufe 15 sicherzustellen und dadurch die Verfestigung des Traktionsfluids zu fördern. Dennoch spielt dieser Kontakt selbst bei einer leicht reduzierten Kontaktlänge keine wesentliche Rolle für die zu erwartende Ermüdungslebensdauer des Antriebs, da der Druck im Vergleich zum Kontakt zwischen Sonne und Losrolle gering bleibt.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf eine weitere Ausführungsform veranschaulicht 8 eine weitere Kombination eines elektromagnetischen Motors 10 mit einem Traktions- oder Reibraduntersetzungsgetriebe, diesmal mit drei Stufen und einschließlich eines Krümmers. Wenn sich die Motorwelle dreht, dreht sich der Abtrieb 13 des Antriebs relativ zu seinem Rahmenteilen 30 und 11 und dem Motor mit einer reduzierten Drehzahl und einem erhöhten Drehmoment. Die letzten beiden Stufen des Antriebs sind vom gleichen Typ wie die Kombination aus 2, jedoch wird eine andere Antriebsstufe hinzugefügt, um einen Winkel zwischen Antriebs- und Abtriebsachse zu ermöglichen, der nicht 0° beträgt (wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen), zum Beispiel 90°, oder einen Winkel im Bereich zwischen 45° und 135°. Ein optionaler Sensor 12 liest die Position des Abtriebs.
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Die 9 und 10 zeigen Schnitt- und Explosionsdarstellungen des Untersetzungsgetriebes. 11 veranschaulicht eine Schnittdarstellung von einzelnen Elementen der ersten Untersetzungsstufe. Eine optionale Kupplung 14 ist zwischen der Motorwelle 8 und dem Antrieb angebracht, um Fehlausrichtungen zu ermöglichen. Die Drehbewegung wird dann auf das Teil 33 übertragen, durch die Lagerelemente 31 geführt und durch das zusammengedrückte Federelement 32 (auch Vorspannvorrichtung genannt) in Richtung des Elements 34 gedrückt. Die Elemente 33 und 34 sind Zahnräder, die im Allgemeinen konische Oberflächen im Wälzkontakt aufweisen (z. B. sind sie als kegelstumpfförmig dargestellt, wobei die konischen Abschnitte im Wälzkontakt sind), mit einer möglichen Krümmung in der anderen Ebene, um Ausrichtungsfehler auszugleichen. Die Drehachsen dieser Zahnräder schneiden sich in einem Winkel, der signifikant von 0° abweicht (z. B. senkrecht, wie in den 8-10 gezeigt und auch formell in 11 als Achsen 33a, 34a gezeigt), der zum Beispiel im Bereich zwischen 45° und 135° liegen kann. Das Lagerelement 35 lagert die Drehachse des Elements 34. Das Sonnenelement 25 ist der Antrieb für die nächste Stufe. Das Nennverhältnis der Stufe entspricht den Verhältnissen der Wälzflächendurchmesser an der Kontaktstelle.
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Reib- oder Traktionskontakte können rein rollender Natur sein oder auch ein Durchdrehen oder seitwärtiges Rutschen aufweisen. Durchdrehen und seitwärtiges Rutschen verringern den Wirkungsgrad, verringern die Traktions- oder Reibeigenschaften und können die Oberflächenverschlechterung beschleunigen. Wenn zwei Oberflächen mit nicht parallelen Rotationsachsen in Wälzkontakt stehen, wird das Durchdrehen eliminiert, wenn beide Rotationsachsen in einem Punkt zusammenlaufen, der innerhalb der Kontaktebene liegt (d. h. der Ebene, die den Kontaktpunkt oder die Kontaktlinie tangiert), wie durch die gestrichelten Linien in 11 dargestellt wird. Um Montage- und Fertigungstoleranzen auszugleichen, wird der Linienkontakt der beiden Kegelstümpfe vorteilhafterweise zu einem Punktkontakt modifiziert, indem mindestens eines der Elemente 33 und 34 in der Ebene, die die Drehachse enthält, konvex ist, d.h. beide sind in dieser Ebene konvex, oder eines von ihnen ist konvex und das andere ist flach und bildet somit den Punktkontakt. 11 zeigt, dass, wenn die konvexe Fläche jedes der Elemente 33, 34 in Wälzkontakt stehen (und durch das zusammengedrückte Federelement 32 gegeneinander gedrückt werden), diese eine Ebene definieren, die mit dem Punkt im Raum zusammenfällt, an dem die Längsachsen 33a, 34a jedes der Elemente 33, 34 aufeinander treffen.
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Im Vergleich zu den gebräuchlicheren Kegelradgetriebeanordnungen führt die in 11 veranschaulichte durchgängige Art der Übertragung, bei der nur Reibungseingriff zwischen den Getriebeelementen besteht, zu erheblichen Möglichkeiten Geräusche zu verringern, Vibrationen zu verringern, Spiel zu eliminieren, die Steifigkeit zu erhöhen und die Drehzahlfähigkeit zu. Um diese Möglichkeiten zu nutzen, kann es als eigenständiges Übertragungselement, als Antriebsstufe eines mehrstufigen Reibrad- oder Traktionsantriebs oder als Antriebsstufe eines beliebigen anderen Typs von Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden. Die erhöhte Steifigkeit und das geringe Spiel sind besonders nützlich für die Verwendung in hochpräzisen Aktoren, d. h. Aktoren mit einer hohen räumlichen Präzision.
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12 veranschaulicht eine weitere Kombination eines elektromagnetischen Motors 10 mit einem Traktions- oder Reibraduntersetzungsgetriebe, diesmal mit zwei Untersetzungsstufen (und ohne Krümmer). Wenn sich die Motorwelle dreht, dreht sich der Abtrieb 13 relativ zu dem Rahmen 11 und dem Motor mit einer reduzierten Drehzahl und einem erhöhten Drehmoment. Die erste Stufe ähnelt den Stufen der in den 2 bis 7 veranschaulichten Kombination, aber die Abtriebsstufe unterscheidet sich.
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Die 13 und 14 veranschaulichen Schnitt- und Explosionsdarstellungen des Untersetzungsgetriebes. Eine optionale Kupplung 14 ist zwischen der Motorwelle 8 und dem Untersetzungsgetriebe angebracht, um Fehlausrichtungen zu ermöglichen. Die Drehbewegung durchläuft dann eine erste und zweite Untersetzungsstufe 15 und 40. Die Abtriebsachse wird durch Lagerelemente geführt, die hier als Kreuzrollenlager 17 veranschaulicht sind. Eine optionale Dichtung 19 schützt den Antrieb und hält Schmiermittel zurück.
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15 veranschaulicht die erste Stufe des Untersetzungsgetriebes mit einem Funktionsprinzip, wie es für die Stufen der in den 2 bis 7 veranschaulichten Kombination beschrieben ist.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf eine weitere Ausführungsform veranschaulicht 16 die zweite Stufe, von der 17 eine Schnittansicht zeigt. Im Mittelpunkt dreht sich ein Sonnenelement 25 (analog dem Kontaktpunkt 2 des Hebels aus 1) mit einer äußeren Wälzfläche. Der Rahmen 11 (aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, normalerweise um die gesamte Stufe herum und diese umschließend), mit einer inneren Wälzfläche, ist fest und stellt den Drehpunkt dar (analog zu dem Kontaktpunkt 1 des Hebels). In dieser besonderen Ausführungsform einer Stufe gibt es keine Losrollen und geführten Rollen; stattdessen sind alle Planetenelemente Rollen, die mit der Sonne in Kontakt stehen.
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In dieser Ausführungsform werden drei oder mehr Rollen 43, zum Beispiel wie veranschaulicht fünf Rollen, mit äußeren Wälzflächen und konzentrischen Bohrungen (d. h. einer kreisförmigen Bohrung, die konzentrisch zur kreisförmigen äußeren Wälzfläche ist), mit einem gewählten Übermaß in dem ringförmigen Raum dazwischen angeordnet. Wenn sich die Sonne dreht, rollen die Rollen zwischen dem Sonnenelement 25 und dem Rahmen 11 (d. h. der Rahmen, der die Stufe umschließen würde) und beschreiben eine Umlaufbewegung. Diese Bewegung wird über Bolzen 42, Exzenterbuchsen 44 und optionale Lagerelemente wie etwa die veranschaulichten Nadelrollen 45 auf den Träger 41 (analog dem Kontaktpunkt 3 des Hebels) übertragen.
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Es ist zu beachten, dass die Rollen nicht auf die Träger drücken, da die Rollen frei rollen können und nicht mit den Seitenwänden des Trägers in Kontakt kommen, wie bereits in Bezug auf die Beschreibung der Ausführungsform aus 7 angemerkt. Deren Bolzen 42, der sich in Längsrichtung (d. h. nicht radial vom Sonnenelement 25) erstreckt, nimmt den Träger 41 in Eingriff, sodass eine Drehbewegung der Rollen 43 die Drehbewegung der Bolzen 42 entsprechend antreibt, und der Eingriff dieser Bolzen 42 mit dem Träger 41 gewährleistet, dass sich der Träger 41 unter der Wirkung der Bolzen 42 dreht, wodurch er in die Drehbewegung angetrieben wird.
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Daher treibt das Sonnenelement 25 indirekt den Träger 41 mit den dazwischen liegenden Rollen 43 an, und das Nennuntersetzungsverhältnis der Stufe ist der Durchmesser der Rahmenfläche geteilt durch den Durchmesser der Sonnenfläche plus eins. Typische Verhältnisse sind 14:1 bis 3:1.
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In der veranschaulichten Ausführungsform werden die Rollen 43 durch Wälzelemente 45 geführt, die ein Nadellager bilden. Dieses Lager nutzt die Außenfläche einer Exzenterbuchse 44 für seine Innenlaufbahn. Diese Buchse selbst hat eine Bohrung, um den Bolzen 42 aufzunehmen. Die Achsen der Bohrung und der zylindrischen Außenfläche der Exzenterbuchse 44 sind parallel, aber nicht konzentrisch. Anders ausgedrückt sind die Bohrung und die äußere Wälzfläche einer Rolle 43 kreisförmig und konzentrisch, aber der Bolzen 42 innerhalb der Bohrung ist nicht unbedingt konzentrisch. Diese Exzentrizität, die in 17 dargestellt ist (wo die leichte Exzentrizität der Bolzen 42 innerhalb der Bohrungen sichtbar ist), ermöglicht es der Drehachse einer Rolle, einen Bogen um die Achse ihres Bolzens 42 zu beschreiben, um Fehlausrichtungen und andere Ungenauigkeiten auszugleichen. Da die Kreisform der äußeren Wälzfläche einer Rolle 43 möglicherweise nicht perfekt ist (d. h. sie liegt innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs, der klein, aber nicht 0 ist), könnte die Wälzbewegung der Rollen in eine Drehbewegung um das Sonnenelement kleine Variationen in der radialen Position der Bolzen 42 in Bezug auf das Sonnenelement 25 verursachen. Um dies auszugleichen, ist die Innenbohrung im Inneren der Buchse 44 exzentrisch. Dies heißt, dass die Bohrung eine Bohrungsmittelachse definiert, und die Außenfläche der Buchse zylindrisch ist und ebenfalls eine Längsmittelachse definiert. Exzentrizität bedeutet, dass diese Achsen parallel, aber nicht deckungsgleich sind. Die Längsmittelachse sollte die Längsmittelachse des Planetenelements sein, in dem die Buchse installiert ist. Diese Anpassung gewährleistet die Flüssigkeit der Gesamtübertragungsbewegung. Andernfalls müsste der Bolzen 42 kleine Variationen in Bezug auf das Sonnenelement 25 aufweisen, aber da sich der Bolzen 42 in Längsrichtung erstreckt, um den Träger 41 in Eingriff zu nehmen, würde dies eine unerwünschte Spannung erzeugen (einschließlich mechanischer Verluste, Materialermüdung und Lärm).
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Bei dieser Anordnung stellen die Oberflächeneindrücke der sich in Kontakt befindlichen Körper und die allgemeine Verformung des Rahmens und der Sonne (falls hohl, wie in 17 oder 19 dargestellt) die Biegsamkeit bereit, die die Kontaktkräfte steuern. Eine signifikante allgemeine Verformung der Rollen 43 ist nicht wünschenswert, da sie die Funktion der Nadelrollen 45 oder der Exzenterbuchsen 44 beeinträchtigen könnte.
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Diese Untersetzungsstufenanordnung kann Vorteile gegenüber der Anordnung der ersten Stufe aufweisen. Am wichtigsten ist, dass die Anzahl der Rollen manchmal erhöht werden kann, was zu einer Erhöhung der Drehmomentkapazität, Lebensdauer und Torsionssteifigkeit führt. Damit diese Anordnung jedoch geeignet ist, weil sich die Rollenbohrungen nicht zu ausgeprägt verformen können, sollte der größte Teil der Elastizität, die die Kontaktkräfte erzeugt und aufrechterhält, den Kontaktelastizitäten zwischen Rolle-Sonne und Rolle-Rahmen sowie den Verformungen von Rahmen und Sonne (falls hohl) zugeordnet sein. Diese Anordnung funktioniert gut bei hohen Kontaktkräften, die wiederum ausreichende Kontakteindrücke erzeugen. Sie stellt daher eine gute Möglichkeit für die Abtriebsstufe eines Untersetzungsgetriebes dar, bei der die Drehzahl kleiner, aber das Drehmoment groß ist.
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18 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform für die zweite Stufe des Untersetzungsgetriebes mit einem ähnlichen Funktionsprinzip, d. h. das Bereitstellen einer Anpassung an die leichten Schwankungen der radialen Position der Rollen während ihrer Drehung um das Sonnenelement 25 aufgrund ihrer nicht perfekten Kreisform (d. h. Toleranz ungleich null). In dieser Ausführungsform wird die Anpassung nicht durch das Einsetzen einer Buchse mit paralleler, aber exzentrischer Bohrung und zylindrischen Außenflächen zwischen dem Bolzen und dem Nadellager des Planetenelements bereitgestellt, sondern sie wird bereitgestellt, indem sichergestellt wird, dass der Eingriff des Bolzens 42 in den Träger 46 die genannten geringfügigen Änderungen der radialen Position tolerieren kann, indem dieser Eingriff weniger steif gestaltet wird. 19 zeigt eine Schnittansicht. Wiederum ist das Sonnenelement 25, mit einer äußeren Wälzfläche, in der Mitte platziert. Der Rahmen 11 (wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen), mit einer inneren Wälzfläche, ist fest. Rollen 43 mit äußeren Wälzflächen und konzentrischen Bohrungen sind mit einem gewählten Übermaß in dem ringförmigen Raum dazwischen positioniert. Wenn sich die Sonne dreht, rollen die Rollen zwischen der Sonne und dem Rahmen und beschreiben eine Umlaufbewegung. Diese Bewegung wird über Bolzen 42 (die sich in Längsrichtung erstrecken und den Träger 46 in Eingriff nehmen) und optionale Lagerelemente wie die veranschaulichten Nadelrollen 45 auf den Träger 46 übertragen. Dieses Mal ist der Träger 46 so gestaltet, dass er eine Biegsamkeit für die radiale Position der Rollen bereitstellt. Durch diese Biegsamkeit werden Fehlausrichtungen und andere Ungenauigkeiten ausgeglichen. Bei dem veranschaulichten Träger erzeugen Öffnungen 47, die um die Verbindungspunkte der Bolzen 42 mit dem Träger bereitgestellt sind, diese Biegsamkeit für den Träger (d. h. er wird dank dieser Öffnungen 47 dort weniger steif gemacht, wo die Bolzen 42 in den Träger eingreifen), der als Fläche senkrecht zur Drehachse des Antriebs geformt ist.
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Während die 4 und 10 einen mehrstufigen Antrieb mit zwei unterschiedlichen Stufen (15, 16) veranschaulichen, veranschaulicht 20 einen mehrstufigen Antrieb mit zwei gleichen Stufen (es könnten auch mehr sein)(15, 15), wobei die eine Stufe, die über den Abtrieb verfügt, der zum Antrieb für die andere wird (die Träger sind aus der Figur zur besseren Sichtbarkeit entfernt). Die sich in Reihe wiederholende Stufe 15 ist in 21 dargestellt, die einfach die gleiche wie in 5 ist, jedoch in der Vorderansicht gezeigt wird.
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Eine ähnliche Ausführungsform wie in 21 ist in den 22-23 dargestellt. Eine Platte 29 ist bereitgestellt um eine hohe Torsionssteifigkeit zu gewährleisten. Die Platte 29 hält die Bolzen 22 und die geführten Rollen 21 in Position, während sie gleichzeitig die Losrollen 20 führt.
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Die vorstehend beschriebenen Anordnungen haben viele Vorteile, die über die Lärmreduzierung hinausgehen. Beispielsweise ist die Möglichkeit, alle Kontaktpunkte vorzuspannen und das Spiel zu eliminieren, für hochpräzise Positionieranwendungen nützlich. Darüber hinaus erhöht die hohe Torsionssteifigkeit, die mit vorgespannten Traktionskontakten möglich ist, die Leistungsfähigkeit von Bewegungssystemen und reduziert das Auftreten und die Amplitude unerwünschter Schwingungen. Darüber hinaus sind Wälzkontakte hocheffizient und reduzieren Energieverluste und unerwünschte Reibung. Dies kann vorteilhaft in hochpräzisen Aktoren eingesetzt werden.
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Darüber hinaus können die verschiedenen Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Stufen in einer Vielfalt von Verhältnissen (3:1 bis 14:1) ausgeführt werden, so dass durch deren Kombination eine große Vielfalt an Gesamtübersetzungen für den mehrstufigen Antrieb bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus kann die mehrstufige Anordnung sehr nützlich sein, um die Lebensdauer des Antriebs zu verbessern, da die Antriebsstufen eine hohe Anzahl von Zyklen, aber mit niedrigem Drehmoment durchlaufen, während die Abtriebsstufen ein höheres Drehmoment (d. h. höhere Vorspannungen und Kontaktkräfte), aber eine geringere Anzahl von Zyklen aufweisen.
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Die Verwendung von Linienkontakten (d. h. der Kontakte zwischen zylindrischen Wälzflächen) im Vergleich zur Verwendung von Kugeln, wie sie nach dem Stand der Technik üblich sind, gewährleistet, dass ein höheres Drehmoment erreicht werden. Darüber hinaus verursacht im Falle eines Traktionsantriebs (d. h. mit Fluid) jeder Stoß eine Scherung der Flüssigkeit und Dissipation von Energie, wodurch die Auswirkungen eines mechanischen Stoßes gemildert werden.
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Während vorstehend bevorzugten Ausführungsformen beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dieser Offenbarung abzuweichen. Solche Änderungen werden als mögliche Varianten betrachtet, die im Umfang der Offenbarung liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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