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Die
Erfindung betrifft ein Untersetzungsgetriebe insbesondere für hochtourige
elektrische Antriebsmotoren, bestehend aus einem ersten Umlaufgetriebe
mit einem eine minimale Zähnezahl
aufweisenden zentralen, motorisch angetriebenen Sonnenrad, das über wenigstens
ein Planetenrad mit dem Innenzahnkranz eines feststehenden Hohlrades
in Eingriff steht, wobei der das wenigstens eine Planetenrad tragende
Steg mit einer ersten Abtriebswelle verbunden ist.
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Untersetzungsgetriebe
der gattungsgemäßen Art
sind in mancherlei Ausführungsformen
bekannt. Neben ein- oder mehrstufigen Planetengetrieben, bei denen
auf einem sogenannten zentral gelagerten Steg wenigstens ein Planetenrad
achsparallel zu einem Hohlrad und einem zentralen Sonnenrad gelagert
ist. Das Planetenrad steht dabei gleichzeitig in Eingriff mit dem
Hohlrad und dem zentralen Sonnenrad. Je nachdem, ob das Hohlrad
feststehend angeordnet ist oder der Steg, dient bei angetriebenem Sonnenrad
entweder eine zentrale koaxial zum Sonnenrad gelagerte Welle des
Hohlrades oder des Steges als Abtriebswelle mit in der Regel wesentlich
kleinerer Drehzahl als das Sonnenrad.
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Außerdem gibt
es Umlaufrädergetriebe,
bei denen ein exzentrisch zu einer Antriebswelle an einem Steg oder
an einem entsprechenden Käfig
drehbar gelagertes sogenanntes Doppelrad zugleich mit zwei koaxialen
Hohlrädern
in Eingriff steht, die nur minimal unterschiedliche Zähnezahlen
aufweisen, wobei ein Hohlrad drehbar gelagert und mit einer Abtriebswelle
versehen oder verbunden ist und das andere Hohlrad feststehend als
Gehäuseteil
ausgebildet ist. Ein solches Umlaufgetriebe ist beispielsweise bekannt
aus DE-PS 359167.
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Bei
solchen Umlaufgetrieben wird das Untersetzungsverhältnis bestimmt
durch die Differenz der Zähnezahlen
der beiden Hohlräder
nach der Formel
wobei Z
1 beispielsweise
die Zähnezahl
des feststehenden Hohlrades und Z
2 die Zähnezahl
des drehbaren Hohlrades bedeutet. Aus dieser Formel ergibt sich
zugleich auch die jeweilige Drehrichtung des drehbar gelagerten
Zahnrades und je nachdem, ob die Zähnezahldifferenz positiv oder
negativ ausfällt, dreht
sich das drehbare Hohlrad bzw. die damit verbundene Abtriebswelle
in der gleichen oder in entgegengesetzter Drehrichtung zur zentralen
Antriebswelle, welche das umlaufende exzentrisch gelagerte Zahnrad,
das mit den beiden Hohlrädern
in Eingriff steht, umlaufend um die Achse der zentralen Antriebswelle
antreibt.
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Nur
der Vollständigkeit
halber sei noch darauf hingewiesen, dass auch sogenannte Spannungswellengetriebe
beispielsweise aus
EP
0514 859 A2 sowie aus
DE 38 15 118 A1 bekannt sind, mit denen ebenfalls
hohe Drehzahluntersetzungen realisierbar sind.
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Mit
zunehmendem Einsatz von kleinräumigen,
hochtourigen Elektromotoren für
Verstellantriebe in den verschiedensten Anwendungen, sind insbesondere,
wenn hohe Drehmomente benötigt
werden, die erreichbaren Untersetzungsverhältnisse durch die Zähnezahlen
begrenzt, die in solchen Getrieben aus Stabilitätsgründen und Gründen der Laufei genschaften
noch realisierbar sind. Insbesondere bei kleinen Durchmessern, die
allgemein angestrebt werden, können
die realisierbaren Zähnezahlen
der Hohlräder
auf 30 bis 50 Zähne
begrenzt sein, so dass maximale Untersetzungsverhältnisse
von 1:50 erreicht werden können.
Häufig
werden aber weit höhere
Untersetzungen benötigt,
die auch mit mehrstufigen Planetenrädern oder gleichgearteten Umlaufgetrieben
nicht erzielt werden können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Übersetzungsgetriebe der eingangs
genannten Art zu schaffen, das bei einfacher und kompakter Bauweise
höhere
Drehzahluntersetzungen mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht und
geräuscharm
arbeitet.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass der Steg bzw. dessen erste Abtriebswelle unmittelbar mit einer
Exzenterwelle eines zweiten Umlaufgetriebes in Verbindung steht
oder als solche ausgebildet ist und dass auf dieser Exzenterwelle
exzentrisch zu deren Drehachse drehbar wenigstens ein Umlaufzahnrad
gelagert ist, dessen Stirnverzahnung zugleich mit einem ersten stillstehenden und
mit einem zweiten drehbar gelagerten Hohlrad in Ein griff steht,
wobei die beiden Hohlräder
koaxial zueinander angeordnet sind und minimal unterschiedliche
Zähnezahlen
aufweisen und wobei das zweite drehbar gelagerte Hohlrad mit einer
zweiten Abtriebswelle verbunden ist oder teilweise als solche ausgebildet
ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Getriebekombination
lassen sich bei minimaler Baugröße und einfachstem
Aufbau sehr hohe Untersetzungsverhältnisse erzielen, da sich die
Untersetzungen der beiden unmittelbar miteinander in Verbindung
stehenden Getriebestufen multiplizieren. So ist es beispielsweise
möglich,
mit der Ausgestaltung des Sonnenrades gemäß Anspruch 2 als schräg verzahnter
Zweizahn in dieser Getriebestufe bereits ein auf die Drehzahl bezogenes
Untersetzungsverhältnis
von 21:1 erreichen. Dabei ist davon auszugehen, dass der gemäß Anspruch
2 vorgesehene Zweizahn über
das wenigstens eine Planetenrad mit der 42 Zähne aufweisenden Innenverzahnung
des Hohlrades in Eingriff steht (i = 42 : 2 = 21 : 1).
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In
der zweiten Getriebestufe lässt
sich zudem ohne weiteres eine Untersetzung von beispielsweise 60
: 1 erzielen. Das bedeutet, dass bei 60 Umdrehungen des das wenigstens
eine Planetenrad tragenden Stegs der Getriebestufe 1 sich die Abtriebswelle
bzw. das drehbare Hohlrad der zweiten Getriebestufe eine Umdrehung
ausführt.
Die Gesamtübersetzung
dieses kombinierten Getriebes beträgt dann i
= (1 : 21) × (1
: 60) = 1 : 1260.
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Dabei
wird angenommen, dass das feststehende Hohlrad der zweiten Getriebestufe
60 Zähne aufweist
und das drehbare Hohlrad 61 Zähne
oder umgekehrt. Je nachdem, ob die Zahndifferenz positiv oder negativ
ist, hat die Abtriebswelle der zweiten Getriebestufe die gleiche
oder entgegengesetzte Drehrichtung zur Drehrichtung des Zweizahns.
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Durch
die zumindest in der ersten Getriebestufe vorgesehene Schrägverzahnung
wird nicht nur eine hohe Laufruhe erzielt, sondern auch eine stetige Drehbewegung
des Steges, der das bzw. die Planetenräder trägt und somit auch eine stetige
Drehbewegung der Exzenterwelle.
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Während die
Ausgestaltung nach Anspruch 3 auch eine lösbare Verbindung zwischen der
Exzenterwelle und der Ringscheibe und somit eine leichte Austauschbarkeit
der ersten Getriebestufe ermöglichen
kann, ist die Ausgestaltung nach Anspruch 4 insofern von Vorteil,
als der Steg und die Exzenterwelle aus einem einzigen Bauteil bestehen,
das sich leicht montieren lässt.
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Während die
Merkmale der Ansprüche
5 bis 8 zu einem einfachen Aufbau und zu einer präzis koaxialen
Lagerung der Exzenterwelle und des drehbaren Hohlrades beitragen,
sehen die Ansprüche
9 bis 12 zwei unterschiedliche Ausführungen bezüglich der Lagerung des während des
Betriebes stillstehenden Hohlrades vor, wobei die Ausführungsform
des Anspruches 9 als normale einfache Ausführungsform betrachtet werden
kann.
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Die
Ausführungsformen
der Ansprüche
10 bis 12 ermöglichen
das Drehen des drehbaren Hohlrades mit dessen Abtriebswelle über einen
zweiten von der ersten Getriebestufe unabhängigen Antrieb. Man kann diesen
zweiten Antrieb als Notantrieb verwenden. Dabei kann durch die Ausführungsform
gemäß 11 sichergestellt
werden, dass der Zahneingriff zwischen der Verzahnung des Hohlrades
und der Schrauben- bzw. Schneckenwelle zugleich die Arretiereinrichtung
dieses Hohlrades gegen Verdrehen darstellt. Gemäß Anspruch 12 kann dieser Notantrieb
manuell oder motorisch betätigt
werden.
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Anhand
der 1 bis 11 wird ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung im folgenden näher
erläutert,
die 13 und 14 zeigen
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das an sich feststehende Hohlrad der zweiten Ge triebestufe
mittels eines Hilfs- bzw. Notantriebes in Umfangsrichtung fixiert,
jedoch drehbar ist.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 ein
zweistufiges Untersetzungsgetriebe im Schnitt;
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2 einen
Schnitt II-II aus 1;
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3 einen
Schnitt III-III aus 1;
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4 einen
Schnitt IV-IV aus 1;
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5 das
Getriebegehäuse
aus 1 als Einzelteil im Schnitt;
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6 eine
Stirnansicht VI aus 5;
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7 das
Hohlrad der ersten Getriebestufe im Schnitt als Einzelteil;
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8 das
feststehende Hohlrad der zweiten Getriebestufe als Einzelteil im
Schnitt;
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9 das
drehbare Hohlrad der zweiten Getriebestufe als Einzelteil im Schnitt;
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10 die
Stirnansicht X aus 9;
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11 die
Exzenterwelle aus 1 mit geschnitten dargestelltem
Steg;
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12 eine
Stirnansicht XII aus 11,
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13 eine
Ausführungsform
des Untersetzungsgetriebes gemäß 1,
jedoch mit einer anderen Ausführungsform
des feststehenden Hohlrades der zweiten Getriebestufe;
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14 einen
Schnitt XIV-XIV aus 13.
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Das
in den Zeichnungen beispielsweise dargestellte Untersetzungsgetriebe
besteht aus zwei Getriebestufen G1 und G2, die in einem gemeinsamen,
im Wesentlichen zylindrischen Getriebegehäuse 1 untergebracht
sind. Dieses Getriebegehäuse 1 ist
in den 5 und 6 als Einzelteil dargestellt.
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Die
Getriebestufe G1 besteht aus einem Hohlrad 2 mit einer
schräg
verzahnten Innenverzahnung 3. Dieses Hohlrad 2 ist
in 7 als Einzelteil im Schnitt dargestellt. Es besitzt
einen leicht konischen Außenumfang 4,
mit dem es passend in eine entsprechend konische Ausnehmung 5 des
Getriebegehäuses 1 eingesetzt
und undrehbar fixiert ist.
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Ein
als zentrales Sonnenrad ausgebildeter Zweizahn (= Zahnritzel mit
2 Zähnen)
steht in direktem Eingriff mit zwei ebenfalls schräg verzahnten Planetenrädern 8 und 9,
die ebenfalls mit der Innenverzahnung 3 des Hohlrades 2 in
Eingriff stehen.
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Denkbar
wäre auch
die Verwendung nur eines Planetenrades.
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Der
Zweizahn 6 ist mit einem Kupplungsteil 7 versehen, über welches
er mit einem nicht gezeigten Antriebsmotor in Verbindung gebracht
werden kann.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
die Welle des Antriebsmotors selbst mit dem Zweizahnprofil zu versehen,
so dass diese Motorwelle direkt über
eine Zweizahn-Verzahnung
(= zweizähniges Ritzel)
mit den beiden Planetenrädern 8 und 9 in
Eingriff gebracht werden kann.
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Die
beiden Planetenräder 8 und 9 sind
jeweils auf Lagerzapfen 10 und 11 (siehe auch 11) eines
als runde Scheibe ausgebildeten Steges 12 jeweils drehbar
gelagert. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
ist dieser Steg 12 bzw. die Stegscheibe einstückiger Bestandteil
einer Exzenterwelle 13. Diese Exzenterwelle 13 besitzt
anschließend
an einen im Durchmesser ge genüber dem
Steg 12 verjüngten
zylindrischen Ansatz 14 einen gegenüber diesem Ansatz 14 geringfügig im Durchmesser
abgesetzten zylindrischen Lagerabschnitt 15. Der Steg 12,
der Ansatz 14 und der Lagerabschnitt 15 sind jeweils
konzentrisch zu einer Drehachse 16, zu welcher auch die
beiden Lagerzapfen 10 und 11 symmetrisch in diametraler
Lage angeordnet sind (siehe 2 und 12).
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Der
Lagerabschnitt 15 bildet zugleich die erste Abtriebswelle
der ersten Getriebestufe G1.
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Mittels
eines Wälzlagers 17,
das auf dem Lagerabschnitt 15 sitzt, ist die Exzenterwelle 13 in
einem Lagersitz 18 des Getriebegehäuses 1 drehbar gelagert.
Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass sich der Steg 12 konzentrisch
in einer zylindrischen Ausnehmung 29 einer Stirnwand des
Hohlrades 2 befindet und sich darin gegenüber dem
feststehenden Hohlrad 2 frei drehen kann. An den Lagerabschnitt 15 der
Exzenterwelle 13 schließt sich ein Exzenter 19 an.
Dieser Exzenter 19 hat eine zylindrische Querschnittsform
mit einer Exzenterachse 20, die gegenüber der Drehachse 16 der
Exzenterwelle 13 um das Exzentermaß E versetzt ist. Auf diesem Exzenter 19,
dessen Länge
L2 etwa doppelt so groß ist
wie die Länge
L1 des Lagerabschnittes 15, ist mittels zweier Wälzlager 21 und 22 frei
drehbar ein Umlaufrad 23 gelagert, dessen Stirnverzahnung 24 gleichzeitig
mit den Innenverzahnungen 25 bzw. 26 zweier unmittelbar
nebeneinander und konzentrisch zueinander angeordneter Hohlräder 27 bzw. 28 in Eingriff
steht. Die Stirnverzahnung 24 des Umlaufrades 23 und
die Innenverzahnungen 25 und 26 der beiden Hohlräder 27 und 28 können gerade
oder als Schrägverzahnungen
ausgebildet sein.
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Diese
beiden Hohlräder 27 und 28 sind
mit ihren Verzahnungen 25 bzw. 26 jeweils konzentrisch zur
Drehachse 16 im Getriebegehäuse 1 gelagert. Das
Hohlrad 27 sitzt in einer zylindrischen Aufnahme 31.
Dabei liegt das Hohlrad 27 mit der vom Hohlrad 28 abgewandten
ringförmigen
Stirnfläche 27' an einer radialen
Ringfläche 30 des
den Lagersitz 18 enthaltenden ringförmigen Gehäuseabschnittes 32 an. Dieser
Gehäuseabschnitt 32 ist
mit mehreren, gleichmäßig verteilt
um die Achse 16, angeordneten Axialbohrungen 33 versehen,
in welche Arretierstifte 34 eingesetzt sind, die in entsprechende
Paßbohrungen 35 des
Hohlrades 27 ragen, damit dieses undrehbar mit dem Getriebegehäuse 1 verbunden
ist.
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Wie
am besten aus den 3 und 4 erkennbar
ist, hat das Umlaufrad 23, das auf dem Exzenter 19 mittels
der beiden Wälzlager 21 und 22 drehbar
gelagert ist, einen kleineren Durchmesser als die beiden Innenverzahnungen 25 und 26 der Hohlräder 27 und 28.
Die Zahnform des Umlaufrades 23 ist jedoch an die Zahnform
der Innenverzahnungen 25 und 26 so angepaßt, dass
sie mit diesen störungsfrei
kämmen
kann. Aufgrund der exzentrischen Lagerung des Umlaufrades 23 im
Bezug auf die Drehachse 16 der Exzenterwelle 13 steht
das Umlaufrad 23 mit den beiden Innenverzahnungen 25 und 26 jeweils
nur abschnittsweise kontinuierlich in Eingriff. Die Zähnezahl
des Umlaufrades 23 hat auf das Übersetzungsverhältnis zwischen
den beiden Hohlrädern
keinen Einfluß.
Bei der Drehung der Exzenterwelle 13 wird jedoch durch
diesen Zahneingriff des Umlaufrades 23 mit den beiden Hohlrädern 27 und 28 eine
der Zähnedifferenz
zwischen den beiden Hohlrädern
entsprechende Drehbewegung des beweglichen Hohlrades 28 bewirkt.
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Die
entsprechende Formel lautet:
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Wenn
die Innenverzahnung 25 des Hohlrades 27 eine Zähnezahl
Z25 von 61 Zähnen aufweist und die Innenverzahnung 26 des
Hohlrad 28 die Zähnezahl
Z26 = 60, so ergibt sich eine Zähnezahldifferenz
von 1. Das bedeutet, dass das Untersetzungsverhältnis 60 : 1 beträgt. Auf
die Drehzahl bezogen heißt
dies, dass sich das Hohlrad 28 bei 60 Umdrehungen der Exzenterwelle 13 um
eine volle Umdrehung dreht bzw. dass sich das Hohlrad 28 bei
einer Umdrehung der Exzenterwelle 13 um eine Zahnteilung
dreht.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist das drehbare Hohlrad 28 mittels
eines auf einem Nabenabschnitt 38 des Hohlrades 28 sitzenden
Wälzlagers 39 in
einem zylindrischen Lagersitz 40 des Getriebegehäuses 1 drehbar
gelagert. Das Hohlrad 28 selbst ist dabei mit radialem
Spiel frei drehbar in einem zylindrischen Hohlraumabschnitt 36 angeordnet.
Dabei ist die Nabe 41 mit einer zapfwellenartigen Innenverzahnung 42 versehen.
Die Nabe 41 stellt somit die zweite Abtriebswelle des gesamten
Untersetzungsgetriebes dar, wobei die Innenverzahnung 42 als Kupplungselement
für eine
anzuschließende
Arbeitswelle vorgesehen ist.
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Die
Exzenterwelle 13 ist mit einem endseitigen Lagerzapfen 45 versehen,
der mittels eines Wälzlagers 46 in
einem Lagersitz 47 des drehbaren Hohlrades 28 gelagert
ist. Die Exzenterwelle 13 ist somit zweifach gelagert.
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Es
ist noch nachzutragen, dass das Getriebegehäuse 1 auf der eingangsseitigen
Stirnseite mit Gewindebohrungen 50 und auf der Ausgangsseite mit
einem Flanschring 51 versehen ist, der seinerseits Axialbohrungen 52 enthält, die
geeignet sind Befestigungsschrauben eines angeflanschten Maschinen-
oder Arbeitsteils aufzunehmen.
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Wie
bereits eingangs erwähnt,
können
mit einem solchen kompakt und raumsparend aufgebauten zweistufigen
Untersetzungsgetriebe sehr hohe Untersetzungsverhältnisse
von beispielsweise 1 : 1260 und mehr erzielt werden und dies bei
einem Wirkungsgrad von über
90° und
mit einer enorm leisen (geräuscharmen)
Arbeitsweise. Je nach Größe der zu übertragenden
bzw. an der zweiten Abtriebswelle geforderten Drehmomente und der
Rotationsgeschwindigkeiten der einzelnen Getriebeteile, können diese,
zumindest teilweise, aus Kunststoff gefertigt werden, wobei es in
jedem Falle zweckmäßig ist, die
Exzenterwelle sowie den Zwei zahn und das drehbare Hohlrad 28 jeweils
aus Metall herzustellen.
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In
den 13 und 14 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, die sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
der 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass sie mit
einem normalerweise, d. h. während
des Betriebes, feststehenden Hohlrad 27' der zweiten Getriebestufe G2 ausgestattet
ist, das im Getriebegehäuse 1' drehbar gelagert und
mittels einer separaten Antriebseinrichtung 55 drehend
antreibbar und mittels einer Arretiereinrichtung in Umfangsrichtung
fixierbar ist.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Hohlrad 27/1 umfangsseitig mit einer Schneckenradverzahnung 56 versehen,
die mit einer Schnecke 57 einer Schneckenwelle 58 in
Eingriff steht. Dabei sind die Schnecke 57 und die Schneckenradverzahnung 56 so
ausgebildet, dass Selbsthemmung vorliegt, d. h., dass das Hohlrad 27/1 sich gegenüber der
stillstehenden Schnecke 57 nicht selbsttätig verdrehen
bzw. keine Drehung der Schnecke 57 bewirken kann. Andererseits
besteht aber die Möglichkeit,
durch Drehen der Schneckenwelle 58 ein Verdrehen des Hohlrades 27/1 zu
bewirken. Man kann diesen Antrieb als Notantrieb oder aber auch als
Hilfsantrieb für
andere Anwendungszwecke verwenden.
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In
nur schematischer Weise ist dargestellt, wie die Schneckenwelle 58 in
einem zweiteiligen Getriebegehäuse 59 gelagert
sein kann. Das Schneckengetriebe 56, 57 könnte auch
durch ein selbsthemmendes Schraubenradgetriebe ersetzt werden.
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Im Übrigen ist
der Aufbau und die Funktionsweise des zweistufigen Getriebes gleich
wie bei der Ausführungsform
gemäß 1 bis 12.
