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Zusammengesetztes Differential-Umlaufgetriebe
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Gegenstand der Erfindung ist ein zusammengesetztes Differential-Umlaufgetriebe
mit einem umlaufenden Steggehäuse, bei dem sich mindestens ein Planetenrad aussen
um die eigene Achse mit seiner Achse um ein Sonnenrad dreht und eine über- oder
Untersetzung des Drehmomentes von der Antriebs- auf die Abtriebswelle gegeben ist.
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Ein derartiges zusammengesetztes Differential-Umlaufgetriebe ist bekannt.
Bei dem Differential-Umlaufgetriebe wird ein Antrieb in Verbindung mit dem Planetenträger
verwendet sowie eine koaxial zur Antriebswelle angeordnete Abtriebswelle und ebenfalls
eine koaxial hierzu angeordnete Regulierwelle.
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DiXfferential-Umlaufgetriebe werden in ihren Abtriebsdrehzahlen mit
einer Regulierwelle gesteuert. Alle bekannten Differential-Umlaufgetriebe haben
jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die Leistung an der Regulierwelle, im Verhältnis
zur abgegebenen Leistung an der Abtriebswelle, relativ gross ist. Es bedarf nämlich
eines relativ grossen Kraftaufwandes, um die Regulierwelle zu betätigen; deshalb
sind die bekannten Differential-Umlaufgetriebe schwierig zu
handhaben
und relativ konstruktiv aufwendig.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein zusammengesetztes
Differential-Umlaufgetriebe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die
vom Getriebe vom Antrieb auf den Abtrieb zu übertragende Leistung zum möglichst
kleinsten Teil auf die Regulierwelle wirkt. Das heisst also, es soll nach Möglichkeit
eine Rückwirkung von der Getriebekette beginnend mit der Antriebswelle und endend
mit der Abtriebswelle auf die Regulierwelle vermieden werden. Die Erfindung hat
sich damit die Aufgabe gestellt, eine Differential-Umlaufgetriebe mit höherem Wirkungsgrad
zu erreichen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass eine stufenlose Regelung der Drehzahl mit konstanter Leistung übe eine mitlaufende,
in der Drehzahl veränderbare Regulierwelle gegeben ist.
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Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, dass bei
dem vorliegend vorgeschlagenen Differential-Umlaufgetriebe die Regulierwelle mit
der Drehzahl der Antriebswelle mitläuft und dass zur Untersetzung der Drehzahl von
der Antriebswelle auf die Abtriebswelle die Regulierwelle lediglich abgebremst werden
muss. Es wird hierdurch ein Getriebe mit einem ausserordentlich günstigen Wirkungsgrad
erzielt, weil eine verlustreiche Rückwirkung
bei der Kraftübertragung
von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle in Richtung zur Regulierwelle erfindungsgemäss
vermieden wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
in Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle und der Regulierwelle ein Getriebe
angeordnet. Dieses Getriebe vermeidet die Rückwirkung von dem Kraftfluss von der
Antriebswelle in Richtung zur Abtriebswelle auf die Regulierwelle. Wesentlich hierbei
ist, dass das Getriebe weitgehend selbs,themmend ausgebildet ist, was die erforderliche
Rückwirkungsfreiheit erzielt.
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In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es
deshalb vorgesehen, dass das Getriebe als weitgehend selbsthemmendes Yckengetriebe
ausgebildet ist.
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor,
dass das Getriebe als weitgehend selbsthemmendes Schraubenrad-Getriebe ausgebildet
ist.
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Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass ein Getriebe zwischen
der Regulierwelle und der Antriebskette zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle
vorgeschlagen wird, welches eine Rückwirkung von der Kraftübertragung zwischen der
Antriebswelle und der Abtribswelle auf die Regulierwelle vermeidet.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung iDt es
auch vorgesehen, dass eine übersetzung der Drehzahl der Antriebswelle auf die Abtriebswelle
erfolgt. Hierzu muss die Regulierwelle lediglich mit einer höheren Drehzahl angetrieben
werden, als die Drehzahl an der Antriebswelle, so dass sich die Abtriebswelle schneller
dreht.
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Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass eine stufenlose Regelung
der Drehzahl mit konstanter Leistung über die Regulierwelle gegeben ist.
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Für die konstruktive Verwirklichung des erfindungsgemässen Differential-Umlaufgetrieb,es
gibt es mehrere Möglichkeiten: Nach einer ersten Ausführungsform wird ein Umlaufgetriebe
mit integriertem, selbsthemmenden Schneckengetriebe vorgeschlagen. Es besieht aus
einer Antriebswelle, die mit dem Steggehäuse verbunden ist, wobei dieses Steggehäuse
die Lagerung der Planetenelemente (Schneckengetriebe mit Planetenrad) übernimmt.
Die Planetenelemente sind einerseits durch das Planetenrad mit dem Sonnenrad, welches
mit der Abtriebswelle eine Einheit bildet und andererseits durch ein Kegelradritzel
mit dem auf der Regulierwelle sitzenden Kegelrad in Eingriff.
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Wird die Antriebswelle mit dem Steggehäuse (Rotor) in Drehung versetzt,
wirkt die Hemmung der Schnecke als Sperre. Das mit
der Schnecke
im Eingriff stehende Schneckenrad und das damit verbundene Planetenrad ist blockiert.
Folglich sind auch die unter Last stehende Abtriebswelle mit dem Sonnenrad, welches
mit dem Planetenrad in Eingriff steht, ebenfalls blockiert. Daraus ergibt sich,
da sich im Steggehäuse nichts bewegt, dass die Eingangsdrehzahl gleich der Ausgangsdrehzahl
ist. Eine stufenlose Untersetzung tritt ein, wenn die Regulierwelle, die über das
Winkelgetriebe mit der Schnecke verbunden ist, an der Drehung bis hinab zum Stillstand
behindert wird. Je stärker die Regulierwelle also an Ger Drehung gehindert wird,
je langsamer die Regulierwelle sich also dreht, desto stärker ist die Untersetzung.
Die Untersetzung ist am grössten, wenn die Steuerwelle festgehalten wird, so dass
sie still steht. Die sich hieraus ergebende maximale Ubersetzung hängt von den konstruktiven
Gegebenheiten der einzelnen verwendeten Getriebeelemente ab.
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Bei der konstruktiv gegebenen maximalen Untersetzung bei Stillstand
der Regulierwelle rollt das Kegelradritzel mit der Schnecke zwangsläufig am Kegelrad/Regulierwelle
ab.
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Dadurch kommen auch das mit der Schnecke kämmende Schneckenrad und
das damit verbundene Planetenrad in Bewegung und beeinflussen somit das Sonnenrad
mit der Abtriebswelle.
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Das heisst, die Drehzahl der Abtriebswelle verringert sich bei stillstehender
Steuerwelle entsprechend der
errechneten Untersetzung. Die Berechnung
der Untersetzung eines solchen Getriebes erfolgt nach der Formel i = F2 . Z4 . Z6
- Z1 . F3 . Z5 Z2 . -Z4 . Z6 wobei nach obiger Formel: Z2 = Kegelradritzel mit 20
Zähnen S4 = Schneckenrad mit 20 Zähnen Z6 = Abtriebsrad mit 60 Zähnen Z1 = Steuerkgelrad
mit 80 ähnen F3 = Schnecke 4gGngig mit 4 Zähnen Z5 = Planetenrad mit 60 Zähnen Dieses
Beispiel ergibt folgende Untersetzung: i = 20 20 20 60 60 - 80 4 4 60 60 = 0,2 =
1: 5 2O . 20 . 60 Im folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Umlaufgetriebes
beschrieben.
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In diesem Beispiel ist das salbsthemmende Schneckengetriebe nicht
mehr wie beim ersten Beispiel im Planetenbereich, sondern zentral und gleichzeitig
als Steuerelement angeordnet.
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Der Antrieb erfolgt wiederum in Verbindung mit dem Steggehäuse, auch
Rotor genannt, koaxial zum Abtrieb. Im Planetenbereich befindet sich ebenfalls ein
Schneckengetriebe, welches aber nicht selbsthemmend wirkt; im Gegenteil ziemlich
steilgängig sein muss, um die Funktion eines leicht drehenden Winkelgetriebes zu
übernehmen. Planetenrad und Schnecke bilden eine Einheit. Während das Planetenrad
mit dem Sonnenrad der Abtriebswelle kämmt, ist die Schnecke mit dem Schneckenrad,
welches auf einer Welle mit dem Schneckenrad der Steuerschnecke eine Einheit bildet,
im Eingriff.
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Wie bereits erwähnt, befindet sich die selbsthemmende Schnecke zentral
gelagert, frei drehbar zum Steuern der Abgangsdrehzahlen.
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Der Betriebsablauf des Beispiels 2 ist analog des Beispiels 1.
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Die zentral angeordnete Steuerschnecke, welche selbsthemmend wirkt,
sperrt die übrigen Teile des Umlaufgetriebes, so dass die unter Belastung stehende
Abtriebswelle die Drehung 1 : 1 zwangsläufig mitmachen muss. Wird die Steuerschnecke
aber am Mitdrehen gehindet, dann wälzt sich das mit ihr kämmende Schneckenrad ab,
dreht das auf gleicher Welle sitzende zweite Schneckenrad, das mit der steilgängigen
Schnecke im Eingriff steht und das mit dieser Schnecke festverbundene Planetenrad.
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Durch das daraus resultierende Unkreisen des Planetenrades um das
Sonnenrad des Abtriebes ergibt sich wieder die berechnete Untersetzung der Radkonstellation
an der Abtriebswelle.
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Unter Zugrundelegung der folgenden Zahlenwerte = Z2 = Schneckenrad
zur selbsthemmenden Steuerschnecke = 20 Zähne Z4 = Steilgängige Planeten-Schnecke
(3gängig) = 3 Zähne Z6 = Sonnenrad/At'triebs'elle = 28 Zähne Zl = Steuerschnecke
(3gängig) = 3 Zähne Z3 = Schneckenrad zur steilgängigen Schnecke = 23 Uähne Z5 =
Planetenrad = 23 Zähne ergibt nach der Formel: i = 20 . 3 . 28 - 3 . 23 . 23 = 0,
0553 = 1 : 18 20 . 3 . 28 Am Beispie] 2 ist gegenüber dem Beispiel 1 ersichtlich,
dass die Möglichkeiten eine grössere Untersetzung zu erreichen, leichter zu bewerkstelligen
sind. Beispielsweise würde das Planetenrad statt der 23 24 Zähne erhalten, ergebe
dies eine UrFrsetzung i = 0,0143 = 1 : 70.
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Wie bereits erläutert, hängt der Kraftaufwand zum Variieren der Abtriebsdrehzl
bzw. der Untersetzungsverhältnisse weitgehend von der Steigung der zu steuernden
Schnecke ab.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen
Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik
neu sind.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von lediglich mehrere Ausführungswege
darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche
Merkmale und Vorteile der l.rfindung hrvor.
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Es zeigen: Fig. 1 Mittenlängsschnitt durch ein Umlaufgetriebe einer
ersten Ausführungsf orm; Fig. 2 schematisiert gezeichnetes Ersatzschaltbild des
Getriebes nach Fig. 1; Fig. 3 Ersatzschaltbild für ein Umlaufgetriebe nach einer
zweiten Ausführungsform; Fig. 4 Teil-Mittenlängsschnitt durch ein Umlaufgetriebe
nach einer dritten Aus führungs form;
Fig. 5 Schnitt gemäss der
Linie V-V in Fig. 4; Fig. 6 Ersatzschaltbild des vollständigen Getriebes nach Fig.
4 und 5.
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Gemäss Fig. 1 ist die Antriebswelle 1 mit dem Steggehäuse 2 drehfest
verbunden. Im Cteggehäuse ist das Schneckengetriebe, bestehend aus den Schnecken
3, 3' und den mit den Schnecken 3, 3' kämmenden Schneckenrädern 4, 4' gebildet.
Das Getriebe nach Fig. 1 ist genau symmetrisch zur Ro.;ationsachse der Antriebswelle
1, so dass im folgenden nur noch die oberen Teile des Getriebes besprochen werden,
während die unteren Teile die gleiche Funktion ausüben und zur Unterscheidung von
den oberen Teilen jeweils mit einem mit Strich versehenen Bezugszeichen versehen
sind.
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Die koaxial auf der Antriebswelle 1 gelagerte Regulierwelle 9 ist
auf der Antriebswelle 1 drehbar gelagert und vom Steggehäuse 2 über ein Lager 11
getrennt. Die Regulierwelle 9 ist drehfest mit einem Kegelrad 8 verbunden, das mit
einem zugeordneten Kegelradritzel 7 kämmt. Das Kegelradritzel 7 ist drehfest mit
der Welle der Schnecke 3 verbunden.
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Drehfest mit der Drehachse des Schneckenrades 4 ist ein Planetenrad
5 verbunden, das um das koaxi.al auf der Abtriebswelle 10 gelagerte Sonnenrad 6
kreist.
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Wird die Antriebswelle 1 mit den Steggehäuse 2 in Drehung versetzt
dann wirkt die Hemmung des Schneckengetriebes 3, 4 als Sperre. Das mit der Schnecke
3 im Eingriff stehende Schneckenrad 4 und das damit verbundene Planetenrad 5 sind
blockiert. Folglich sind auch die unter Last stehende Abtriebsweile 10 mit dem Sonnenrad
6, welches mit dem Planetenrad 5 im Eingriff steht, ebenfalls blockiert. Daraus
ergibt sich, nachdem sich im Steggehäuse 2 nichts bewegt, dass die Eingangsdrehzahl
an der Antriebswelle 1 gleich der Ausgangsdrehzahl an der Abtriebswelle 10 ist.
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Sobald die kgulierwelle 9, die - wenn nicht festgehalten -drehgleich
mit der Antriebswelle 1 umläuft, festgehalten wird, rollt das Kegelradritzel 7 mit
der Schnecke 3 zwangsläufig an dem Kegelrad 8 und der Regulierwelle 9 ab. Dadurch
kommen auch das mit der Schnecke 3 kämmende Schneckenrad 4 und das damit verbundene
Planetenrad 5 in Bewegung und beeinflussen somit das Sonnenrad 6 und damit die Umdrehung
der Abtriebswelle 10. Das heisst, die Drehzahl der Abtriebswelle 10 verringert sich
bei stillstehender Rec3etlierwelle 9 entsprechend der konstruktiv gegebenen maximalen
Untersetzung.
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Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung er konstruktiven sginzelheiten in
Fig. 1 nur deren schematisiertes ErsatzschaltbiLd, um die Funktionen des Getriebes
besser verfolgen zu können.
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Fig. 3 ist eine von Fig. 1 und 2 abgewardelte Ausführungsform.
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Hierbei ist die Regulierwelle 3 wiederuII-: koaxial drehbar auf der
Antriebswelle 31 gelagert. Die Antriebswelle 31 ist wiederum mit dem Steggehäuse
32 dreh fest verbunden und ist in Lagern 41 des Steggehäuses 32 drehbar gelagert.
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Das oben in den Figuren 1 und 2 erläuterte Kegelradgetriebe hesteht
aus dem Kegelradritzel 7 und dem Kegelrad 8 und ist in der Ausführungsform der Fig.
3 in der Getriebekette in Richtung zur Abtriebswelle 40 verlegt.
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Zu diesem Zweck ist die Regulierwelle 39 drehfest und koaxial mit
der Schnecke 33 verbunden (es ist also nur eine Schnecke vorhanden, während im Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 und 2 zwei Schnecken 3, 3' vorhanden waren).
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An der Vorder- und Rückseite der Schnecke 33 liegen jeweils Schneckenräder
34, 34' an.
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Zur zeichnerischen Verdeutlichung sind in Fig. 3 im Ersatzschaltbild
die Schneckenräder 34, 34' nebeneinanderliegend gezeichnet, während sie in der konstruktiven
Ausführung bei einer Seitenansicht ähnlich wie Fig. 3 genau hintereinander liegend
gezeichnet sein müssten.
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Die Achse der Schneckenräder 34,- 34' ist jeweils mit einem Kegelradritzel
37, 37' verbunden, das wiederum mit einem zugeordneten- Kegelrad 38, 38' kämmt.
Das Kegelrad 38, 38' ist mit jeweils einem Planetenrad 35, 35' verbunden, wobei
beide Planetenräder 35, 35' mit dem Sonnenrad 36 kämmen, das seinerseits drehfest
mit der Abtriebswelle 40 verbunden ist.
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In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4, 5, 6 ist das selbsthemmende
Schneckengetriebe nicht mehr wie im ersten Ausführungsbeisiel nach den Fig. 1 und
2 im Planetenbereich angeordnet, sondern zentral und fungiert gleicllzeitig als
Steuerelement.
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Die Antriebswelle 12 ist wiederu;n mit dem Steggehäuse 13 drehfest
verbunden. Im Planetenbereich befindet sich ebenfalls ein Schneckengetriebe, bes-tehend
aus dem Schneckenrad 17, 17' und den zugeordneten Schnecken 18, 18'; allerdings
ist dieses Schneckengetriebe nicht selbsthemmend. Im Gegenteil ist die Schnecke
18, 13' relativ steilgängig ausgebildet, um die Funktion eines leicht drehenden
Winkelgetriebes zu übernehmen. Das Planetenrad 19, 19' und die Schnecke L8, 18'
bilden eine drehfeste Einheit. Während das Planetenrad 19, 19' mit dem 50innenrad
20 der Abtriebswelle 21 kämmt, ist die Schnecke 18, 18' mit dem Schneckenrad 17,
17', welches auf der Schneckenradwelle 16 mit dem
Schneckenrad
15 eine Einheit bildet, im Eingriff. Das Schneckenrad 1 seinerseits ist im Eingriff
mit der Schnecke 14, welche mit der Regulierwelle eine Einheit bildet.
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Koaxial und drehfest mit der Regulierwelle verbunden ist dann die
Schnecke 14 angeordnet, die weitgehend selbsthemmend ausgebildet sein muß..
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Wiederum zur zeichner-ischen Verdeutlichung ist in Fig. 6 eine auseinandergezogene
Darstellung der mit der Schnecke 14 an der Vorder- und Rückseite kämmenden Schneckenräder
15, 15 gewählt, währenddessen in Wirklichkeil; die Schneckenräder 15, 15' in der
Seitenansicht gemäß Fig. 6 genau hintereinanderliegend angeordnet sein müßten.
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Die Funktionsweise dieses Umlaufgetriebes ist ähnlich der des in den
Fig. 1 und 2 beschriebenen Umlaufgetriebes. Die zentral angeordnete (Steuer-) Schnecke
14, die weitgehend selbsthemmend wirkt, sperrt die übrigen Teile des Umlaufgetriebes,
so daß die unter Belastung stehende Abtriebswelle 21 die Drehung 1./.1 zwangsläufig
mitmachen muß.
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Wird die Schnecke 14 am Mitdrehen gehindert, dann wälzt sich das mit
ihr kämmende Schneckenrad 15, 15' ab, dreht das auf der gleichen Schneckenradwelle
16 sitzende zweite Schneckenrad 17, 17', das mit der steilgängigen Schnecke 18,
18' im Eingriff steht und das mit dieser Schnecke 18, 18'
festverbundene
Planeenrad 19, 19'. Durch das daraus resultierende Umkreisen des Planetenrades 19,
19' um das Sonnenrad 20 der Abtriebswelle 21 ergibt sich wieder die berechnete Untersetzung
der Getrieberäderkonstellation an der Abtriebswelle 21. Die Schnecken 18, 18' sind
hierbei über die Schneckenachsen 23 mit dem jeweiligen Planetenrad 19, 19' verbunden.
Die Schnecken 18, 18' sind steilgängig und haben eine Steigung von mindestens 12
Grad und erfüllen die Aufgabe eines Schrauben- oder Winkelgetriebes.
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Dadurch, dass die im kontinuierlich drehenden Steggehäuse 13 gelagerten
Planetenräder 19, 19' auf dem Sonnenrad 20 der Abtriebswelle 21 umkreisend sich
abwälzen, entsteht zwischen den verschiedenen Drehungen der Getriebeteile (Steggehäuse
13 - Schneckenräder 15, 17 bzw. 15', 17' und Schnecke 18, 18' einerseits und Steggehäuse
13 -Planetenräder 19, 19' - Sonnenrad 20 andererseits) eine Differentialbewegung,
die eine gegenüber der Antriebsdrehzahl reduzierte Abtriebsdrehzahl an der Abtriebswelle
21 ergibt.
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Das Prinzip der vorliegenden Erfindung liegt also darin, dass sich
das Schneckenraõ 15, 15' auf jeder Seite an der zugeordneten Schnecke 14 abwEilzt.
Weil das Schnecken'-rad 15, 15' über die Schneckenraclwelle 16 mit dem Schneckenrad
17 drehfest verbunden'ist, teilt dann das Schneckenrad 17
der Schnecke
18 die entsprechende Differenzbewegung mit, die auf das Planetenrad 19 übertragen
wird und damit auf das Sonnenrad 20 und die Abtriebswelle 21.
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Wichtig ist also, daß die Leistung zin Drehzahlregelung über eine
Regulierwelle eingeleitet wird und diese Leistung außerordentlich gering ist, weil
nämli.ch die Regulierwelle nur in der Drehung abgebremst werden muß oder in der
Drehzahl vermindert werden muß, um eine entsprechend gewünschte Untersetzung zu
erhalten. Es muß hier also keine aktive Antriebskraft auf die Regulierwelle ausgeübt
werden, um die gewünschte Unter setzung zu erhalten.
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Wird eine Übersetzung zwischen der Antriebswelle und der AbtriebsweLle
gewünscht, muß die Regulierwelle angetrieben worden.
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Wesentlich ist immer, daß die Regulierwelle in gegengesetzter Drehrichtung
der Antriebswelle gedreht wird und dadurch eine Verminderung der Drehzahl bis auf
nill bewirkt.
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