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Funktionsgetriebe finden eine vielseitige Verwendung. Als wichtige
Anwendungsgebiete seien die Steuerungs-, Regelungs- und Meßtechnik genannt.
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In der Steuerungs- und Regelungstechnik werden sie beispielsweise
in pneumatischen und hydraulischen Regelungseinrichtungen benutzt. In der Meßtechnik
werden sie insbesondere bei optischen, elektrischen und chemischen Meß- und Analysegeräten
eingesetzt.
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Man baut weiterhin mehrere Funktionsgetriebe gegebenenfalls unter
Verwendung von Zahnrädern, Ketten, Differentialgetrieben usw. zu mechanischen Computern
zusammen.
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Wenn man Funktionsgetriebe sowie mechanische Computer mit Zählwerken
ausrüstet, finden sie als Funktionsrechenmaschinen Verwendung.
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Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von Funktionsgetrieben
bekannt. Verbreitet sind z. B. Kurvenscheiben, Spiralzahnräder usw.
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Eine bekannte Konstruktion besteht aus einer archimedischen Spirale,
auf welcher sich stiftenförmige Zähne befinden. Diese werden mit einem Hilfsrad
abgetastet. Obwohl die Teilung längs des Abtastweges konstant bleibt, ändert sich
der Radius, wodurch sich eine fortlaufend sich ändernde Übersetzung ergibt.
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Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, bei denen ein entsprechend dem
Werte einer unabhängig Veränderlichen verschobener Energiestrahl einen mit einer
verhältnismäßig großen Geschwindigkeit umlaufenden Schirm abtastet, auf dem verschiedene
Kurven einer Funktion für verschiedene Werte der Funktion aufgetragen sind und bei
denen der je-
weilige Wert der Funktion durch die Zahl der von dem Strahl
in einem Zeitraum geschnittenen Kurven gegeben ist, der dem augenblicklichen Wert
einer zweiten unabhängigen Veränderlichen entspricht.
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Da bei diesen bekannten Einrichtungen Aufzeichnungen auf einem Schirm
vorgesehen sind, die Kurven der Funktion für verschiedene Werte der Funktion darstellen,
die in auf die beiden unabhängig Veränderlichen bezogenen Koordinaten aufgezeichnet
sind, und bei ihrer Abtastung eine Zeitfolge gewisser Signale erzeugt wird, sind
diese bekannten Einrichtungen nicht geeignet, sie als Grundlage für den Aufbau von
Zahnradfunktionsgetrieben zu verwenden, deren Bauteile einen formschlüssigen Ablauf
bei beliebiger Wiederholung sicherstellen.
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Die vorliegende Patentanmeldung befaßt sich nur mit solchen Zahnradfunktionsgetrieben,
deren Bauteile einen formschlüssigen Ablauf bei beliebiger Wiederholung sicherstellen.
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Zu solchen Bauteilen sollen hier Zahnräder, Zahnriemen, Ketten und
Kugelschnüre gehören.
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Es ist bekannt, daß diese und ähnliche Bauteile bereits in Funktionsgetrieben
verwendet werden. Auch werden Stifte, Löcher, Zähne, Kugeln usw. auf Kurvenscheiben,
Spiralrädern, Zylindern, Kegeln, Scheiben usw. aufgebracht bzw. auf diesen ab- und
auflaufen gelassen. Sogenannte Stiftenräder werden bei den bisherigen Konstruktionen
als Funktionsräder ausgebildet, d. h., das Funktionsrad enthält die Funktion
durch die besondere Anordnung der Stifte, z. B. durch spiralförinige Anordnung auf
sich änderndem Radius. Dasjenige Bauteil, welches durch seine besondere Ausbildung
die Funktion trägt, wird im folgenden Funktionsträger genannt.
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Charakteristisch für alle Funktionsgetriebe ist das stufenweise oder
fortlaufend sich ändernde übersetzungsverhältnis durch die besondere Ausbildung
eines oder mehrerer Funktionsträger. Bei den bisherigen Konstruktionen beruht die
Änderung der Übersetzung auf der Änderung des Radius eines oder zweier Funktionsträger.
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Der Differentialquotient entspricht dem übersetzungsverlauf des gewünschten
Funktionsgetriebes und gibt daher wesentliche Unterlagen für die Konstruktion.
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Es sind auch andere Funktionsgetriebe bekannt, wie z. B. Mehrganggetriebe,
bei denen laufend ein neuer Getriebegang selbsttätig gewechselt wird. Diese und
andere bekannte Konstruktionen haben den Nachteil, daß sie verhältnismäßig aufwendig
sind. Die Funktionsgetriebe mit mehreren Getriebegängen können darüber hinaus den
Funktionsverlauf nicht exakt wiedergeben, da nur eine polygonförmige Wiedergabe
möglich ist.
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Bekannte Konstruktionen haben folgende Nachteile- Es ist schwer, meistens
jedoch unmöglich, einen größeren übersetzungsbereich zu übertragen. Oft
muß
man sich mit etwa einer Dekade des Arguments begnügen, bzw. es geht das Verhältnis
zwischen größter und kleinster möglicher Übersetzung kaum bis 1: 20. Dies
ist z. B. bei archimedischen Zahnspurspiralen der Fall, die auf einer Scheibe angeordnet
sind und von einem Abnahmerad abgetastet werden. Mehrgängige oder vielgängige Spiralen
können nur für y = x2 bzw. y = llx- vorteilhaft verwendet werden.
Sie gestatten jedoch auch hierbei nicht, y = 0 bzw. Übersetzung
= 0 direkt zu erzielen.
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Bei einer Betrachtung dieser bekannten Anordnungen erkennt man sofort
daß das Verhältnis größter zu kleinster Übersetzung bei diesen Konstruktionen durch
das Verhältnis Größtradius zu Kleinstradius bestimmt wird.
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Weitere bekannte Geräte sind oft kompliziert, groß und schwer und
daher teuer und empfindlich in der Handhabung.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen die wesentlichen Mängel der
bekannten Konstruktionen, wie z. B. die Abhängigkeit der Gesamtgerätegröße von der
Größe bestimmter Faktoren, beispielsweise des Größtradius und des Kleinstradius
der Spirale u. dgl., vermieden werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, leicht herzustellende,
im Betriebe wenig empfindliche Funktionsgetriebe mit kleinen normbaren Abmessungen
und austauschbaren Funktionsträgem für verschiedene Funktionen zu schaffen, die
mit Zahnrädern, Zahnriemen, Ketten oder Kugelschnüren eine formschlüssige Übertragung
mit möglichst genauer Funktionsdarstellung bei beliebiger Wiederholung gewährleisten,
welche Funktionswerte für eine Variable = 0 oder Übersetzung = 0 (Minimum
oder Maximum) zu bilden vermögen, die auch einen möglichst großen Bereich der Übersetzung
zu überstreieben -estatten und eine hohe Genauigkeit, auch bei reversierbarem Betrieb
erzielen und die weiterhin auch dann noch einen möglichst guten Wirkungsgrad besitzen,
wenn eine Übersetzung ins Schnelle erforderlich ist. Auch sollen Antriebs- und Abtriebswelle
möglichst mit parallelen Achsen beidseitig aus dem Werk herausgeführt werden um
An- oder Abtrieb, im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn zur Verfügung zu haben.
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Gelöst wird diese Aufgabe bei Zahnradfunktionsgetrieben mit fortlaufend
sich änderndem übersetzungsverhältnis
und einem Funktionsträger,
der über ein Hilfsrad abgetastet wird, durch die Verwendung einer Zahnspur mit sich
entsprechend dem Verlauf der darzustellenden Funktion ändernder Teilung und Zahnform,
ein mit konstanter Teilung und vorzugsweise rotationssymmetrischen Zähnen ausgestattetes,
mit seiner Achse unter einem konstanten Winkel oc windschief zur Achse des die die
Funktion enthaltende Zahnspur tragenden und/oder bewegenden Bauteiles angeordnetes
Abtastrad, ferner durch Mittel zur Führung des Abtastrades in konstantem Abstand
entlang einer sich linear bewegenden oder einer solenoidförmig oder kreisförmig
auf einem Zylinder aufgebrachten Zahnspur und wahlweise ein die Drehung des Abtastrades
weiterleitendes, mit seiner Achse unter dem konstanten Wechselwinkel o, gegen
die Achse des Abtastrades geneigtes Rad.
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Hinsichtlich der bedeutenden Vorteile, die durch die vorliegende Erfindung
erreicht werden, wird auf das folgende hingewiesen.
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Es ist an sich bekannt, daß elektrische Potentiometer, Drehmelder
usw., die eine lineare Charakteristik haben, mit sehr großer Genauigkeit gefertigt
werden, während die Herstellung von elektrischen Funktionspotentiometern u. dgl.
die größten Schwierigkeiten bereitet und sehr hohe Kosten verursacht, wenn man die
Genauigkeit hochtreiben will.
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Hier wird nun durch die nach dem vorliegenden Verfahren erreichte
sehr hohe Geschwindigkeit der Funktionsdarstellung mittels mechanischer Getriebe
ein besonderer Fortschritt erreicht, wenn man die nach dem vorliegenden Verfahren
hergestellten Funktionsgetriebe mit linearen Potentiometern, Drehmeldern usw. zusammenbaut.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß Funktionsgetriebe nach
diesem Verfahren in verhältnismäßig kleiner Baugröße hergestellt werden können.
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Zudem ist die Bauform im Gegensatz zu den Konstruktionen mit archimedischen
Spiralen etwa würfelförmig und beansprucht daher wenig Raum und ist leicht in anderen
Geräten unterzubringen. Darüber hinaus ergeben sich hieraus auch verhältnismäßig
kleine Gewichte.
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Der symmetrische Aufbau und die beidseitig herausgeführten Wellen
ergeben die Möglichkeit, Antrieb oder Abtrieb im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn
zur Verfügung zu haben. Hierdurch können gegebenenfalls Zusatzzahnräder eingespart
werden, ein besonderer Vorteil, wenn Verluste an Drehmoment oder Spiel vermieden
werden müssen.
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Die Einheitsbauform für verschiedene Funktionen ist unzweifelhaft
von besonderem Vorteil und entspricht der modernen Konstruktionspraxis, Standardbauteile
und Standardabmessungen zu verwenden.
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Die Erfindung ist nachstehend weiter beschrieben und an einem Ausführungsbeispiel
erläutert.
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Bei dem in F i g. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel besteht
der Funktionsträger aus einem Zylinder Z mit seiner Achse Az, auf welchem schraubenförmig
eine Zahnspur S aufgebracht ist. Diese Zahnspur besitzt eine sich fortlaufend
ändernde Teilung und Zahnform. Das Zahnrad B mit seiner Achse Ab besitzt
vorzugsweise evolventenförmige rotationssymmetrische Zahnstifte. Darüber hinaus
ist es vorzugsweise gleichförmig geteilt. Außerdem besitzt das Werk eine längere
Zahnwelle C mit Achse Ac. Beim Drehen des Zylinders Z wird seine Drehbewegung
über das Zahnrad B auf die Zahnwalze C übertragen. In der Zeichnung nicht
eingezeichnet ist eine Vorrichtung, welche das Zahnrad B hin- und herschiebt, so
daß es sich stets in der Mitte der schraubenförmig aufgebrachten Zahnspur befindet.
Die neben dem Zahnrad B eingezeichneten Pfeile sollen erkennen lassen, in welchen
Richtungen diese Verschiebung stattfinden kann. Die Verschiebung selbst kann z.
B. mit Hilfe eines Führungsstiftes (nicht gezeichnet) und einer zwischen der schraubenförrnig
aufgebrachten Zahnspur befindlichen Nut im Zylinder Z erzeugt werden. Der Führungsstift
ist an einem beweglichen Schlitten (nicht gezeichnet) angebracht, der das Rad B
mit seinen Lagern trägt. Auf diese Weise ist es möglich, daß mehrere oder viele
Umdrehungen des Zylinders Z über das Zahnrad B auf die Zahnwalze C übertragen
werden können.
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Durch den hierdurch gewonnenen längeren Weg wird eine wesentlich höhere
Genauigkeit der zu erzeugenden Funktion erzielt. Es ist möglich, z. B.
3,
10, 25 oder 100 und mehr schraubenförmige Umläufe zu erzielen.
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Die oben beschriebene Konstruktion hat den Vorteil, daß sie verhältnismäßig
große Bereiche des Arguments bzw. der Funktion übertragen kann. Meist ist es möglich,
hiermit zwei oder drei oder mehr Dekaden des Arguments bzw. der Funktion zu überstreichen.
Bei vergleichbarer Größe und vergleichbarer Genauigkeit mit den bisher bekannten
Konstruktionen wird hierdurch etwa ein doppelter bis mehrfacher Bereich des Arguments
oder der Funktion erzielt.
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Diese neue Art, den Funktionsträger auf einen Zylinder oder eine Kreisscheibe
mit vorzugsweise konstantem Radius anzuordnen, ist ein besonderer Vorteil für Fertigung
und Montage. Außerdem bringt sie höhere Genauigkeit bei kleinen Übersetzungen und
gestattet auch selbst einen Nullwert (wobei Übersetzung = 0) und darüber
hinaus liegende Funktionswerte zu erzielen (Minimum oder Maximum). Ebenso einfach
können Wendepunkte einer Funktion erhalten werden, wenn die fortlaufend sich ändernde
Übersetzung so eingerichtet wird, daß sie z. B. nach fortlaufender Abnahme wieder
fortlaufend zunimmt. Mit den anderen bekannten Verfahren ist die Gewinnung einer
0-Stelle oder Minimum oder Maximum nur schwer oder nicht möglich. So kann z. B.
eine archimedische Spirale nicht bis zum Radius 0
abgetastet werden. Eine
andere Anordnung mit ebener Spirale mit auf einer Sekante geführtem Hilfsrädchen
gestattet nicht, viele eng aneinanderliegende Zahnspuren zu verwenden, da dann das
Hilfsrädchen mit seiner Verzahnung in die benachbarten Zahnspuren eingreifen würde.
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F i g. 2 zeigt ein schiefwinkliges Koordinatensystem, wobei
der Winkel zwischen der Achse Ab
des Rades B und der AchseAz des Zylinders
Z durch einen Winkel a dargestellt wird.
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Die x-Achse entspricht der Abwicklung einer gleichmäßigen Umfangsteilung
des Rades B und die y-Achse der Abwicklung der Umfangsteilung des Rades Z. Die Einheitsabschnitte
der x-Achse entsprechen der Umfangsteilung des gleichmäßig geteilten Rades B. Auf
der y-Achse liegt ein Streifen S,
welcher der Abwicklung der Zahnspur des
Zylinders Z entspricht. Die eingezeichnete ausgezogene Kurve stellt die gewünschte
Funktion y = f (x) dar.
Wenn man die
in der Zeichnung ausgezogene Kurve in Richtung der x-Achse in Einheitssehritten
der x-Achse verschiebt, erhält man eine Kurvenschar. Aus dieser schneidet der Streifen
S des Funktionsträgers die Formen der Mittellinien der Zähne heraus. (An
Stelle der Mittellinien der Zähne können auch deren Lücken oder Flanken usw. verwendet
werden.) Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, ist es gegebenenfalls möglich, zur
Vereinfachung der Konstruktion statt Kurvenabschnitte gerade Zähne zu verwenden,
deren Lage und Winkel als Tangenten an die Kurvenschar mit den Schnittpunkten der
y-Achse bestimmt werden.
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Wie man dieser neuen Verzahnung ansieht, erhält man einen stetigen
Übergang von einer Schneckenverzahnung in der Nähe des Nullpunktes (große Untersetzung)
bis zu einer Stirnradverzahnung mit Schrägzähnen eventuell bis zu gerader Stirnradverzahnung
(eventuell Übersetzung ins Schnelle).
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Die F i g. 3 zeigt eine auf diese Weise vereinfachte Verzahnung.
Hierbei erhält man selbstverständlich einen polygonfönnigen Ablauf der Funktion.
Im Gegensatz zu umschaltbaren Vielgangfunktionsgetrieben sind diese Polygone infolge
der hohen Seitenzahlen jedoch viel genauer.
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Schwierigkeiten entstehen eventuell dort, wo sich der Tangentenwinkel
stark ändert. In diesem Bereich kann man dann statt gerader Zähne die zuvor beschriebenen
Kurvenabschnitte verwenden.
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Die F i g. 2 und 3 sind der Zeichnung wegen nur mit
wenigen Zähnen gezeichnet worden. In den Funktionsgetrieben können jedoch sehr viel
mehr Zähne verwendet werden. Die x-Achse enthält dann mehrere oder viele Umläufe
des Hilfsrädchens B; die y-Achse enthält gegebenenfalls die lange Zahnspur mehrerer
oder gegebenenfalls vieler Umläufe der schraubenfönnig aufgebrachten Zahnspur
S.
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Das Rad B erhält vorzugsweise rotationssymmetrische evolventenfönnige
Zähne mit gleicher Teilung. Die neuartige Zahnform der Zahnspur S des Zylinders
Z ist infolge ihrer Herstellungsweise trotz laufend sich ändernder Teilung dergestalt,
daß das Rad B mit seiner konstanten Teilung gut ablaufen kann.
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Räder mit rotationssymmetrischen und vorzugsweise evolventenförinigen
Stiften sind für verschiedene technische Zwecke bekannt.
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Wie bereits erwähnt, entspricht die Zahnform des Rades Z bei großer
Untersetzung (im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 in der Nähe des Nullpunktes)
etwa einer Schneckenverzahnung. Hierbei kann je-
doch nur die Schnecke angetrieben
werden. Daraus folgt: Der Funktionsträger ist vorzugsweise das antreibende Rad oder
Bauteil. Wenn nun in der Praxis nur das Argument als Antrieb zur Verfügung steht,
was oft der Fall ist, ist es notwendig, nicht die gewünschte Funktion, sondern deren
Umkehrfunktion zu verwenden.
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In anderen Fällen der Praxis, wobei beide Mög-
lichkeiten vorhanden
sind, Antrieb des Funktionsgetriebes an der x-Welle oder Antrieb an der y-Welle,
ist es vorteilhaft, sich diejenige Funktion auszusuchen, welche einen größeren oder
geeigneteren Übersetzungsbereich zu überstreichen gestattet. Dies ist z. B. bei
y = lgx bzw. y = 10x der Fall. Das Funktionsgetriebe
y = 10x läßt sich leichter bis x = 0 herunterführen
als die Funktion y = lgx. (Die Funktion y
lgx besitzt in der
Nähe y = 0 sehr große Steilheit.) Diese Möglichkeiten können nur mit
einem Funktionsgetriebe ausgeschöpft werden, welches für verschiedene Funktionen
eingerichtet werden kann; ein besonderer Vorteil vorliegender Erfindung.
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F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Zahnräder
H und B miteinander im Eingriff sind. Auf dem Zahnrad H befindet sich eine Zahnspur
mit fortlaufend sich ändernder Teilung und Zahnform, wie oben beschrieben. Das Zahnrad
B ist wieder ein Zahnrad mit gleichmäßiger Teilung und mit rotationssynimetrischen
Zähnen. Es ist leicht zu erkennen, daß diese Konstruktion ebenfalls eine fortlaufend
sich ändernde Übersetzung besitzt, d. h. als Funktions-etriebe verwendet
werden kann.
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F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Das Abtastrad
B ist ebenfalls ein Zahnrad mit vorzugsweise evolventenförmigen und rotationssymmetrischen
Zahnstiften und gleichmäßiger Teilunar wie bereits vorher beschrieben. Das Zahnrad
L enthält eine gleichmäßige Teilung mit beliebiger Verzahnung. R ist ein Zahnriemen,
welcher zwei verschiedene Verzahnungen besitzt. In diesem Ausführungsbeispiel befindet
sich auf der Unterseite des Riemens eine gleichmäßige Verzahnung VZ1, welche mit
dem Zahnrad L zusammenarbeitet. Auf der Oberseite des Zahnriemens R befindet sich
eine Verzahnung YZ2, mit sich fortlaufend ändernder Teilung, wie oben
be-
schrieben. Es ist leicht einzusehen, daß durch diese Konstruktion sich
ebenfalls die Übersetzung zwischen den Rädern L und B fortlaufend ändert. Durch
geeignete Ausbildung der sich ändernden Teilung ist es möglich, eine Funktion zwischen
den Umdrehungen des Rades L und den Umdrehungen des Rades B darzustellen. Auch hierbei
können verhältnismäßig große Bereiche des Arguments oder der Funktion bzw. große
übersetzungsänderungen übertragen werden.
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F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. In diesem
Falle steht das Zahnrad B mit vorzugsweise rotationssymmetrischen evolventenförmigen
Zähnen und gleichbleibender Teilung in Eingriff mit der Zahnstange U, auf
der sich die die Funktion bestimmenden Zähne unterschiedlicher Teilung und Form,
wie oben beschrieben, befinden. Beim Bewegen der Zahnstange in ihrer Längsrichtung
dreht sich das Rädchen B im Vergleich zur Zahnstangenbewegung nach einer Funktion.
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Bei den vorstehenden Beschreibungen wurden die Zahnflankenformen des
Funktionsträgers nicht betrachtet. Diese können in bekannten Ausführungen, wie Evolventen,
Zykloiden oder anderen für diesen Verwendungszweck geeigneten Zahnformen her-,gestellt
werden.
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Bei manchen Ausführungen ist es vorteilhaft, eine sich stufenweise
oder fortlaufend ändernde besondere Zahnkorrektur des Trägers, z. B. fortlaufende
oder stufenweise Änderung des Eingriffswinkels oder fortlaufende oder stufenweise
Änderung der Zahnbreiten oder der Zahnlücken oder Zahnflankenformen usw. zu verwenden.
Dies ist gegebenenfalls notwendig, um den nicht vollkommen exakten beispielsweise
evolventenförmigen Ablauf des mit Stiftenzähnen besetzten Hilfsrädchens B der Ausführungsbeispiele
infolge seiner windschiefen Stellung zu verbessern.
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Der Winkel der Windschiefe zwischen der Achse des Rädchens B und der
Achse des Funktionsträgers
(bzw. der Senkrechten zur Funktionszahnstange
der F i g. 6) kann auf kleine spitze Winkel oder größere Winkel bis zu einem
rechten Winkel und mehr eingestellt werden.