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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mechanisches Getriebe zum Erzeugen einer Drehbewegung einer Achse einer Werkzeugmaschine mit einer drehbar gelagerten ersten Antriebswelle zum Übertragen eines Drehmoments auf die Achse und einem Antrieb zum Antreiben der ersten Antriebswelle, wobei das Drehmoment an einem ersten Endabschnitt der ersten Antriebswelle auf die Achse übertragen wird.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine mit dem Getriebe und einem Drehtisch zur Aufnahme und Rotation eines Werkstücks, wobei das Drehmoment über die erste Antriebswelle auf den Drehtisch übertragbar ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine mit dem Getriebe und einer Werkzeugspindel zur Aufnahme und Rotation eines Werkzeugs, wobei das Drehmoment über die erste Antriebswelle auf die Werkzeugspindel übertragbar ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind Gewindespindelantriebe als lineare Vorschubantriebe beispielsweise für den Schlitten einer Werkzeugmaschine bekannt. Kugelgewindetriebe zeichnen sich durch ihre spielfreie Einstellbarkeit und ihre Leichtgängigkeit aus. Dennoch entsteht auch bei Kugelgewindetrieben trotz verhältnismäßig geringer Reibung vor allem bei schnellen Vorschubbewegungen durch die schnelle Drehung der Spindel in der Mutter Wärme, die zur Ausdehnung der erwärmten Maschinenkomponenten führt und sich nachteilig auf die Maschinengenauigkeit, insbesondere die Positioniergenauigkeit, auswirkt.
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EP 1 785 225 A1 beschreibt einen Kugelgewindetrieb für Werkzeugmaschinen mit einer drehbar gelagerten hohlen Gewindespindel, mit einem Antriebsaggregat für die Gewindespindel, mit einer auf der Gewindespindel längs beweglich angeordneten Mutter und mit einem Kühlsystem der Gewindespindel, das einen Zulaufanschluss und einen Ablaufanschluss für eine im Inneren der hohlen Gewindespindel fließende Kühlflüssigkeit aufweist. Im Innenraum der hohlen Gewindespindel sind ein Zulaufkanal und ein mit diesem kommunizierender Rücklaufkanal angeordnet. Der Zulaufanschluss und der Ablaufanschluss sind am gleichen Ende der Gewindespindel angeordnet.
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DE 42 02 510 A1 beschreibt eine Gewindespindel, die zur Schaffung eines inneren Kühlmittelraumes hohl ausgebildet ist, wobei aus diesem Kühlmittelraum, der sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Gewindespindel erstreckt, Kühlmittel über ein an der Gewindespindel drehbar gelagertes Anschlusselement zu- und/oder abgeleitet wird. Das Anschlusselement ist als Welle ausgebildet, die an beiden Enden der Gewindespindel in konzentrischen Innenbohrungen gelagert und zumindest abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei die Welle gemeinsam mit einer Innenwand der Gewindespindel einen ringförmigen, sich zwischen den beiden Lagerungen der Welle erstreckenden Kühlmittelraum begrenzt und im Bereich der Hohlwelle Durchtrittsbohrungen zum Zu- und/oder Ableiten des Kühlmittels in bzw. aus dem Kühlmittelraum vorgesehen sind, wodurch die an der Spindellagerung und an der Gewindemutter erzeugte Wärme nach deren Übertragung auf die Gewindespindel durch ein im Kühlmittelraum zirkulierendes Kühlmittel entfernt wird.
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In Antriebssträngen für Rotationsachsen verschärft sich das Problem der Wärmeentwicklung, da für solche Antriebe hohe Anforderungen bezüglich der Positioniergenauigkeit bestehen und sie daher nicht als reibungsarme Antriebe zu realisieren sind. Im Vergleich zu Gewindespindeltrieben ist die Wärmeentwicklung durch Reibung zwischen den gegeneinander beweglichen Komponenten des Antriebsstrangs wie zum Beispiel an ineinandergreifenden Verzahnungen oder in der Lagerung deutlich erhöht. Außerdem ist oftmals eine sehr hohe Rotationsfrequenz der Achse erforderlich. Die dazu nötige entsprechend höhere Antriebsleistung erzeugt erheblich mehr Wärme.
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Soll beispielsweise ein Dreh- oder Rundtisch einer Werkzeugmaschine in eine Rotationsbewegung versetzt werden, erfolgt die Änderung des Drehmoments des Drehtischs meist über Zahnradgetriebe. Da sich das Flankenspiel zwischen den Zähnen der ineinandergreifenden Zahnräder negativ auf die Genauigkeit der Tischpositionierung auswirkt, wird meist ein verspanntes Getriebe verwendet, um das Spiel zu reduzieren. Im Falle eines elektrisch verspannten Getriebes werden zwei Antriebe gegeneinander verspannt, beispielsweise indem zwei Zahnräder in ein drittes Zahnrad eingreifen.
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Dadurch kann das Umkehrspiel, das bei der Umkehrung der Drehbewegung des dritten Zahnrads eine Rolle spielt, eliminiert werden. Diese Maßnahmen zur präziseren Positionierung erhöhen jedoch die Reibung an den Kontaktflächen und an der Lagerung der gegeneinander beweglichen Teilen des Antriebsstrangs und führen zu vermehrter Wärmeentwicklung. Erschwerend kommt hinzu, dass ein Drehtisch mit aufgenommenem Werkstück ein sehr hohes Gewicht haben kann, was aufgrund der höheren Antriebsleistung die Wärmeentwicklung zusätzlich erhöht.
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Bei der Rotationsbewegung einer Werkzeugspindel, beispielsweise eines Fräskopfs, müssen hohe kontinuierliche Antriebsdrehzahlen erreicht werden, wobei das zu rotierende Werkzeug ein beträchtliches Gewicht aufweisen kann.
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Im Unterschied zu Gewindespindelantrieben, bei denen sich die Wärme durch die Längsbewegung der Mutter entlang der Spindel auf der gesamten Länge der Spindel verteilen kann, entsteht bei Antrieben für Rotationsachsen die Wärme immer auf gleicher Höhe der Wellen, also zum Beispiel auf der Höhe der Zahnräder. Die Wärmeentwicklung und -ausbreitung in die Umgebungskonstruktion ist also stärker lokalisiert als bei Gewindespindeln.
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Zur Vermeidung von Genauigkeitsabweichungen durch den wärmebedingten Verzug (vor allem einen asymmetrischen Verzug) von Teilen des Antriebsstrangs ist eine effiziente und gleichmäßige Kühlung der betroffenen Teile auch für die Rotationsachsenantriebe einer Werkzeugmaschine wünschenswert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Getriebe zum Erzeugen einer Drehbewegung einer Achse einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, mit dem die obigen Probleme nicht auftreten. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bei der Drehbewegung entstehende Wärme abzuführen.
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Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Positioniergenauigkeit der drehbaren Achse der Werkzeugmaschine zu erhöhen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein mechanisches Getriebe nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Getriebes.
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Das erfindungsgemäße mechanische Getriebe zum Erzeugen einer Drehbewegung einer Achse einer Werkzeugmaschine weist eine drehbar gelagerte erste Antriebswelle zum Übertragen eines Drehmoments auf die Achse und einen Antrieb zum Antreiben der ersten Antriebswelle auf, wobei das Drehmoment an einem ersten Endabschnitt der ersten Antriebswelle auf die Achse übertragen wird. Das Getriebe weist weiterhin ein erstes Rohr in der ersten Antriebswelle zum Zuführen von Kühlmittel in einen ersten Kühlmittelraum außerhalb des ersten Rohres im ersten Endabschnitt der ersten Antriebswelle zur Kühlung des ersten Endabschnitts auf.
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Durch das erste Rohr in der ersten Antriebswelle kann das Kühlmittel genau in den Bereich der ersten Antriebswelle geleitet werden, in dem bei der Rotationsbewegung der Achse Wärme durch Reibung entsteht, nämlich im ersten Endabschnitt der Antriebswelle, und die Wärme direkt am Entstehungsort abführen. Die Außenseite des ersten Endabschnitts steht mit der Achse in Kontakt und versetzt diese in Rotation. Gleichzeitig wird der erste Endabschnitt von innen durch das Kühlmittel gekühlt. Um einen besseren Kühleffekt zu erzielen, weist die Antriebswelle im Bereich des ersten Endabschnitts einen Kühlmittelraum auf, in dem sich das Kühlmittel ansammeln kann, bevor es außerhalb des Rohres am Rohr entlang in der umgekehrten Richtung wieder abfließt. Dadurch wird eine Ausbreitung der Wärme in die Umgebungskonstruktion wirksam unterdrückt.
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Das erste Rohr weist vorzugsweise ein offenes Rohrende im ersten Endabschnitt der ersten Antriebswelle auf und die erste Antriebswelle weist vorzugsweise einen Rohraufnahmeabschnitt zur Aufnahme des ersten Rohrs in einer Längsrichtung der ersten Antriebswelle auf, wobei im ersten Endabschnitt der ersten Antriebswelle zwischen dem offenen Rohrende und einer Begrenzungsfläche des Rohraufnahmeabschnitts, die den Rohraufnahmeabschnitt in der Längsrichtung der ersten Antriebswelle begrenzt, der sich in der Längsrichtung der ersten Antriebswelle erstreckende erste Kühlmittelraum zur Aufnahme von Kühlmittel gebildet wird.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform haben alle an der Kühlung beteiligten Komponenten sehr einfache Geometrien, was die Herstellung und Montage der Bauteile vereinfacht. Beispielsweise kann die Antriebswelle mit einer zylinderförmigen Bohrung versehen werden, die bis in den ersten Endabschnitt der Antriebswelle hineinreicht und ein Rohr kann in die Bohrung eingebracht werden, wobei zwischen dem offenen Rohrende und dem Ende der Bohrung eine Aussparung in Form eines zylinderförmigen Hohlraums gelassen wird, die als Kühlmittelraum dient.
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Das Getriebe kann dabei als elektrisch und/oder mechanisch verspanntes Getriebe ausgebildet sein.
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Ein elektrisch und/oder mechanisch verspanntes Getriebe wird bevorzugt verwendet, um das Umkehrspiel beim Positionieren aus unterschiedlichen Richtungen zu eliminieren und die Maschinengenauigkeit zu verbessern. Ein Umkehrspiel ist beispielsweise bei einem Getriebe aus treibendem Zahnrad und getriebenem Zahnrad vorhanden, wenn das treibende Zahnrad seine Drehrichtung ändert und in der Folge die andere Flanke eines in die Verzahnung des getriebenen Zahnrads eingreifenden Zahns des treibenden Zahnrads an den entsprechenden Zahn des getriebenen Zahnrads anstößt. Dieses Umkehrspiel kann vermieden werden, wenn zwei treibende Zahnräder anstatt nur einem verwendet werden, die bezüglich des getriebenen Zahnrads gegeneinander elektrisch und/oder mechanisch verspannt sind. Allerdings wird dadurch die Kontaktfläche zwischen treibendem und getriebenem Rad verdoppelt, was auch die Reibung und Wärmeentwicklung entsprechend erhöht. Aus diesem Grund ist eine effiziente Kühlung der Antriebswellen für verspannte Getriebe umso wichtiger. Bei einer elektrischen Verspannung kommt hinzu, dass zwei Antriebe bereitgestellt werden müssen, um die Verspannung zu erzeugen, und dass die beiden Elektromotoren, die zur Verspannung eingesetzt werden, dauerhaft in Betrieb sind, um die Verspannung aufrecht zu erhalten. Dies führt zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung an den Antriebswellen. Wenn beide Antriebswellen eines verspannten Getriebes erfindungsgemäß gekühlt werden, kann die Wärmeübertragung auf die Rotationsachse wirkungsvoll verhindert oder erschwert werden.
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Vorzugsweise ist das Getriebe als Stirnradgetriebe ausgebildet, wobei die erste Antriebswelle ein erstes Stirnrad am ersten Endabschnitt aufweist, wobei das erste Stirnrad eine erste Mittenbohrung zur Ausbildung des ersten Kühlmittelraums im Inneren des ersten Stirnrads aufweist.
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Stirnradgetriebe werden oft verwendet, um Rotationsachsen einer Werkzeugmaschine anzutreiben, da sich ein solches Getriebe mit wenigen bewegten Teilen realisieren lässt und außenverzahnte Stirnräder leicht und kostengünstig herzustellen sind. Zudem weisen Stirnradgetriebe durch die direkte mechanische Übertragung eine hohe Robustheit und einen hohen Wirkungsgrad auf. Allerdings sind Stirnradgetriebe bei gleicher Übertragungsleistung größer und daher schwerer als andere Getriebetypen wie zum Beispiel Planetengetriebe, was Reibung und Wärmeentwicklung erhöht. Auch in diesem Fall ist eine erfindungsgemäße Kühlung der treibenden Stirnräder von großem Vorteil.
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Vorzugsweise weist das Getriebe eine drehbar gelagerte zweite Antriebswelle mit einem zweiten Stirnrad auf, wobei die zweite Antriebswelle baugleich zur ersten Antriebswelle ist und das erste Stirnrad und das zweite Stirnrad zur Reduzierung eines Umkehrspiels des Getriebes zueinander elektrisch und/oder mechanisch verspannt gelagert sind, wobei eine erste Verzahnung des ersten Stirnrads durch den ersten Kühlmittelraum in der ersten Mittenbohrung des ersten Stirnrads und eine zweite Verzahnung des zweiten Stirnrads durch einen zweiten Kühlmittelraum in einer zweiten Mittenbohrung des zweiten Stirnrads kühlbar ist.
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Ein solches Getriebe kombiniert die Vorteile eines Stirnradgetriebes mit denen eines elektrisch und/oder mechanisch verspannten Getriebes und mit denen eines gekühlten Antriebsstrangs. Das heißt, das Getriebe ist einfach aufgebaut, ermöglicht durch die Vorspannung und die Kühlung eine sehr genaue Positionierung der Achse und behält diese Genauigkeit durch Kühlung beider Antriebsstirnräder auch bei schneller oder kontinuierlicher Rotation der Achse bei.
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Vorzugsweise ist das erste Stirnrad schrägverzahnt.
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In diesem Fall ist die Verzahnung der Achse ebenfalls schrägverzahnt und bei einem elektrisch und/oder mechanisch verspannten Getriebe mit zweitem Stirnrad das zweite Stirnrad auch schrägverzahnt. Dabei sind bei den schrägverzahnten Stirnrädern immer mehrere Zähne im Eingriff, die allerdings nicht zur gleichen Zeit auf der ganzen Zahnbreite eingreifen. Eine Schrägverzahnung hat den Vorteil, dass die beteiligten Stirnräder durch die Verminderung harter Stöße beim Zahneingriff und geringerer Schwingungsanregung ruhiger laufen und zudem größere Drehmomente übertragen werden können. Allerdings ist die Reibung zwischen schrägverzahnten Stirnrädern höher, weswegen wiederum eine ausreichende Kühlung der Schrägverzahnungen essentiell ist. Diese wird erfindungsgemäß über die Kühlmittelräume in den Mittenbohrungen der schrägverzahnten Stirnräder erreicht: Reibungswärme entsteht an den Zahnabschnitten, die sich beim Eingreifen der Stirnräder berühren. Die Wärme breitet sich dann entlang der schrägen Zähne aus. Da durch die Mittenbohrung im Stirnrad von innen der gesamte Umfang der Verzahnung gekühlt wird, können die schräg um das Kühlmittel verlaufenden Zähne sehr rasch wieder abgekühlt werden.
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Vorzugsweise ist das erste Rohr ortsfest im Getriebe fixiert und ist die erste Antriebswelle drehbar um das erste Rohr gelagert.
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Die ortsfeste Fixierung des Rohrs hat den Vorteil, dass bei der Rotation der Antriebswelle weniger Massen bewegt werden müssen. Außerdem wird das Kühlmittel im Rohr nicht in Rotation versetzt, so dass die innere Reibung des Kühlmittels nur in der Längsrichtung der Antriebswelle wirkt und nicht noch zusätzlich in der Radialrichtung der Rotation, wodurch sich das Kühlmittel erwärmen würde und seine Kühlfähigkeit herabgesetzt würde. Bei einer Rotation der gesamten Antriebswelle um das Rohr dient das außen am Rohr entlang des Rohrs abfließende Kühlmittel zusätzlich als Schmierstoff.
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Vorzugsweise weist das Getriebe weiterhin einen ersten Anschluss an einem zweiten Endabschnitt der ersten Antriebswelle zum Zuleiten des Kühlmittels in das erste Rohr auf, wobei der zweite Endabschnitt dem ersten Endabschnitt gegenüberliegt und wobei der erste Anschluss mit dem ersten Rohr verbunden ist. Vorzugsweise weist das Getriebe weiterhin einen zweiten Anschluss am zweiten Endabschnitt der ersten Antriebswelle zum Ableiten des Kühlmittels aus der ersten Antriebswelle auf.
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Somit fließt das Kühlmittel durch den ersten Anschluss in das Rohr und durch das Rohr aus dem offenen Rohrende im ersten Endabschnitt der Antriebswelle in den Kühlmittelraum im ersten Endabschnitt. Von dort aus fließt das Kühlmittel zwischen Antriebswelle und Rohr außerhalb des Rohres am Rohr entlang in umgekehrter Richtung wieder zurück und wird durch den zweiten Anschluss aus der Antriebswelle abgeleitet. Eine solche Leitung des Kühlmittels hat den Vorteil, dass das Kühlmittel, während es durch das Rohr zum ersten Endabschnitt fließt, von zurückfließendem Kühlmittel außerhalb des Rohres umgeben ist und somit seine kalte Temperatur behält, bis es im ersten Endabschnitt ankommt. Am ersten Endabschnitt entsteht die meiste Reibungswärme. Diese wird durch das Kühlmittel, das sich im Kühlmittelraum ansammelt, aufgenommen. Das entlang des Rohres zurückfließende Kühlmittel bildet eine kalte Barriere zwischen der ersten Antriebswelle und dem zufließenden Kühlmittel im Rohr und kann zudem zusätzlich Wärme von der Antriebswelle aufnehmen, die in einem Bereich entsteht, in dem die Antriebswelle in Rotation versetzt wird, beispielsweise an einem weiteren Zahnrad in einem Abschnitt der Antriebswelle zwischen den beiden Endabschnitten der Antriebswelle. Somit wird die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmittels in der Antriebswelle optimal ausgenutzt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Getriebe als Zykloid- bzw. Cyclogetriebe ausgebildet, wobei die erste Antriebswelle eine Kurvenscheibe aufweist.
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Bei einem Zykloidgetriebe werden bei der Übertragung des Drehmoments auf die Achse keine Zahnräder verwendet, sondern das Drehmoment wird über Kurvenscheiben wälzend übertragen. Durch die Kraftübertragung über Rollen statt über Zahnräder wird ein hoher Wirkungsgrad bei geringem Verschleiß und geringem Spiel erreicht. Zudem kann ein großes Übersetzungsverhältnis auf kleinem Raum ermöglicht werden. Ein Zykloidgetriebe wird häufig dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen bezüglich der Schnelligkeit und Genauigkeit von Positionierbewegungen bei hohen Traglasten zu erfüllen sind, wie beispielsweise beim Antrieb eines Drehtischs einer Werkzeugmaschine.
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Vorzugsweise weist die erste Antriebswelle des erfindungsgemäßen Getriebes weiterhin ein erstes Zahnrad auf, wobei die erste Antriebswelle über das erste Zahnrad durch den Antrieb drehbar ist und das erste Rohr entlang einer Drehachse des ersten Zahnrads verläuft.
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Das erste Zahnrad kann beispielsweise zwischen den beiden Endabschnitten der ersten Antriebswelle angebracht sein. Dadurch kann die erste Antriebswelle von außen über einen Motor angetrieben werden, wobei der Motor auch entfernt von der ersten Antriebswelle positioniert sein kann. Gleichzeitig kann die Verzahnung des ersten Zahnrads ähnlich zur Verzahnung des ersten Stirnrads von innen durch das in der ersten Antriebswelle fließende Kühlmittel gekühlt werden. Außerdem kann bei einem elektrisch und/oder mechanisch verspannten Getriebe mit einer ersten und einer zweiten Antriebswelle der Antriebsstrang für die erste Antriebswelle gleichzeitig als Antriebsstrang für die zweite Antriebswelle verwendet werden, wobei die Kraftübertragung über ein einzelnes Zahnrad des Antriebsstrangs für die beiden Antriebswellen gleichzeitig auf das erste Zahnrad der ersten Antriebswelle und auf ein zweites Zahnrad der zweiten Antriebswelle erfolgt. Somit ist auch bei einem elektrisch und/oder mechanisch verspannten Getriebe nur ein Antriebsmotor erforderlich. Dabei weist ein elektrisch verspanntes Getriebe zwei Antriebe auf, um die Verspannung zu erzeugen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Werkzeugmaschine mit dem erfindungsgemäßen Getriebe weist einen Drehtisch zur Aufnahme und Rotation eines Werkstücks auf, wobei das Drehmoment über die erste Antriebswelle auf den Drehtisch übertragbar ist.
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Vor allem bei der Rotationsbewegung eines Drehtischs oder Rundtischs einer Werkzeugmaschine bestehen hohe Anforderungen bezüglich der Positioniergenauigkeit bei gleichzeitig hohen Traglasten. Da sich die miteinander in Kontakt stehenden Abschnitte des Antriebsstrangs für die Rotationsachse durch die Reibungswärme ausdehnen oder verziehen können, worunter die Positioniergenauigkeit in nicht akzeptabler Weise leiden kann, ist es insbesondere bei dieser Anordnung wichtig, die von der Reibungswärme betroffenen Abschnitte sehr effizient kühlen und die entstehende Wärme schnell abführen zu können. Dies wird durch die erfindungsgemäßen Kühlbohrungen in den Antriebswellen für die Tischrotation erreicht. Zudem kann die Reibungswärme auch auf die Tragkonstruktion des Tischs übertragen werden, was zu einem asymmetrischen Wachstum des Tisches führen kann, wodurch der Tisch verkippt wird. Mit den erfindungsgemäßen Kühlbohrungen an mehreren Positionen im Antriebsstrang wird eine Temperaturänderung der Tragkonstruktion und des Tisches verhindert oder zumindest über die Fläche der Tragkonstruktion und des Tisches konstant gehalten, so dass eine vernachlässigbare bzw. zumindest eine gleichmäßige Wärmeausdehnung der Tragkonstruktion und des Tisches gewährleistet ist und ein Verkippen des Tisches verhindert wird.
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Vorzugsweise weist die Werkzeugmaschine weiterhin einen Zahnkranz auf, der mit dem Drehtisch verbunden ist, wobei das Drehmoment über den ersten Endabschnitt der ersten Antriebswelle und den Zahnkranz auf den Drehtisch übertragbar ist.
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Dabei kann die Verzahnung des Zahnkranzes schrägverzahnt sein. Der Zahnkranz kann beispielsweise unterhalb des Tischs angebracht sein oder an der Außenseite des Tischs verlaufen. Die Übertragung des Drehmoments zur Rotation des Tischs erfolgt dabei über das Stirnrad der Antriebswelle und den mit dem Tisch verbundenen Zahnkranz.
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Vorzugsweise umfasst der Antrieb der Werkzeugmaschine zum Antreiben der ersten Antriebswelle einen Motorabschnitt mit einem Motor zum Erzeugen einer Antriebsleistung für die Drehbewegung und eine dritte Antriebswelle zum Übertragen der Antriebsleistung auf die erste Antriebswelle, wobei der Motorabschnitt und die dritte Antriebswelle an zwei gegenüberliegenden Positionen des Zahnkranzes angeordnet sind und der Motorabschnitt und die dritte Antriebswelle als Riemengetriebe ausgebildet sind.
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Die räumliche Trennung des Antriebs in dritte Antriebswelle und Motorabschnitt bietet den Vorteil einer stabilen und kompakten Konstruktion, da der Zahnkranz sowohl an der dritten Antriebswelle als auch am Lagerabschnitt des Motorabschnitts gelagert ist, wobei die Antriebswelle gleichzeitig die Funktion erfüllt, den Drehtisch in Rotation zu versetzen und wobei der Motorabschnitt gleichzeitig die Funktion erfüllt, mit Hilfe eines Motors die dafür nötige Antriebsleistung zu erzeugen. Die Kraftübertragung zwischen dem Motorabschnitt und der dritten Antriebswelle erfolgt über einen Riemen als kraftschlüssigen oder formschlüssigen Riementrieb.
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Vorzugsweise weist das Getriebe ein drittes Rohr in der dritten Antriebswelle zum Zuführen von Kühlmittel zur Kühlung der dritten Antriebswelle auf.
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Eine Kühlbohrung in der dritten Antriebswelle hat den Vorteil, dass die Reibungswärme, die an den Kontaktstellen zwischen der ersten und dritten Antriebswelle und an den Kontaktstellen zwischen der zweiten und dritten Antriebswelle entsteht, nicht nur durch die Kühlung der ersten und zweiten Antriebswelle abgeführt werden kann, sondern auch durch die Kühlung der dritten Antriebswelle. Zusätzlich wird auch gleichzeitig die Reibungswärme an der Riemenscheibe, die am unteren Ende der dritten Antriebswelle auf die Welle aufgesetzt ist, durch die Kühlbohrung in der dritten Antriebswelle und eine Mittenbohrung in der Riemenscheibe abgeführt. Eine Kühlung des Motorabschnitts ist ebenfalls möglich, beispielsweise durch einen Kühlanschluss am Motorabschnitt. In diesem Fall wird überall im Antriebsstrang durch Kühlbohrungen die Wärme dort abgeführt, wo sie entsteht und ihre Ausbreitung auf die Tragkonstruktion des Drehtisches und auf den Tisch selbst verhindert oder in einer Weise eingeschränkt, dass ein wärmebedingtes Verkippen des Tisches verhindert wird.
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Vorzugsweise weist die dritte Antriebswelle ein drittes Zahnrad auf, wobei die Antriebsleistung des Motors über das dritte Zahnrad auf die erste Antriebswelle übertragbar ist.
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Bei einem elektrisch und/oder mechanisch verspannten Getriebe ist dabei die Antriebsleistung des Motors über das dritte Zahnrad auch auf die zweite Antriebswelle übertragbar, wobei ein elektrisch verspanntes Getriebe zwei Antriebe aufweist, um die Verspannung zu erzeugen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Werkzeugmaschine mit dem erfindungsgemäßen Getriebe weist eine Werkzeugspindel zur Aufnahme und Rotation eines Werkzeugs auf, wobei das Drehmoment über die erste Antriebswelle auf die Werkzeugspindel übertragbar ist.
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Es ist häufig nötig, dass eine Werkzeugspindel wie beispielsweise ein Fräskopf bei sehr hoher Frequenz über einen längeren Zeitraum rotiert. In diesem Fall ist die Wärmeentwicklung im Antriebsstrang für die Spindel nicht zu vernachlässigen. Die sich erwärmenden Teile im Antriebsstrang müssen daher gekühlt werden, um die erforderliche Genauigkeit bei der Werkstückbearbeitung zu gewährleisten.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Getriebes.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer ersten Antriebswelle des erfindungsgemäßen Getriebes.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes mit drei Antriebswellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN UND BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert anhand von Ausführungsbeispielen und der beispielhaften Figuren beschrieben und erläutert.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Antriebsstrang für einen Drehtisch einer Werkzeugmaschine. Der Tisch (nicht gezeigt) befindet sich oberhalb des Zahnkranzes 21 und bildet zusammen mit dem Zahnkranz 21 eine Rotationsachse 2 der Werkzeugmaschine.
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Der Antrieb der Rotationsachse 2 erfolgt mit Hilfe eines elektrisch verspannten Getriebes 1 über die erste Antriebswelle 11 und die zweite Antriebswelle 11a. Beide Antriebswellen 11 und 11a sind zueinander parallel und parallel zur Rotationsachse 2 ausgerichtet und weisen am oberen Ende je ein Stirnrad 115 bzw. 115a auf. Der verzahnte obere Abschnitt der ersten bzw. zweiten Antriebswelle 11, 11a ist in diesem Ausführungsbeispiel der erste Endabschnitt 111 bzw. 111a der ersten bzw. zweiten Antriebswelle 11, 11a. Beide Stirnräder 115, 115a greifen in den Zahnkranz 21 ein und sind dabei elektrisch gegeneinander verspannt. Auf diese Weise kann das Umkehrspiel des Zahnradgetriebes bei einer Änderung der Rotationsrichtung der Achse 2 eliminiert werden und die Positioniergenauigkeit eines auf dem Drehtisch befindlichen Werkstücks (nicht gezeigt) verbessert werden. Zur elektrischen Verspannung der Stirnräder 115, 115a ist im unteren Bereich der ersten bzw. zweiten Antriebswelle 11, 11a je ein Elektromotor 120, 120a angebracht. Die Verzahnungen des Zahnkranzes 21 und der ersten und zweiten Antriebswelle 11, 11a sind schrägverzahnt, um einen ruhigeren Lauf des Getriebes 1 zu erreichen.
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Unterhalb der Stirnräder 115, 115a der ersten und zweiten Antriebswelle 11, 11a ist auf jeder der beiden Antriebswellen 11, 11a in einem Bereich zwischen den beiden Endabschnitten 111, 112 der Antriebswellen 11, 11a je ein Zahnrad 116 bzw. 116a (erstes bzw. zweites Zahnrad) angebracht, wobei der Zahnradradius größer ist als der Stirnradradius.
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Der Antrieb der ersten und zweiten Antriebswelle 11, 11a erfolgt über eine dritte Antriebswelle 142, die ein Zahnrad 1421 (drittes Zahnrad) aufweist, das in die Zahnräder 116, 116a der ersten und zweiten Antriebswelle 11, 11a eingreift. Die Zahnräder 116, 116a und 1421 sind geradverzahnt.
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Die dritte Antriebswelle 142 ist zwischen der ersten und der zweiten Antriebswelle 11 und 11a angeordnet, so dass die erste und die zweite Antriebswelle 11 und 11a an gegenüberliegenden Seiten des Zahnrads 1421 der dritten Antriebswelle 142 angeordnet sind. Der Radius des Zahnrads 1421 der dritten Antriebswelle 142 ist dabei kleiner als der Radius der Zahnräder 116, 116a der ersten und zweiten Antriebswelle 11, 11a, so dass die Stirnräder 115, 115a in einem Winkelabstand von 10° bis 45° in den Zahnkranz 21 eingreifen.
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Der Antrieb 14 für die dritte Antriebswelle 142 ist als Riemengetriebe ausgebildet, wobei am Fuß der dritten Antriebswelle 142 eine Riemenscheibe 144 angebracht ist, über die der Riemen 143 läuft. Der Riemen 143 sorgt für die Kraftübertragung von einem Motor 1411 auf die dritte Antriebswelle 142, wobei der Motor 1411 in einem Motorabschnitt 141 auf einer Seite des Zahnkranzes 21 angeordnet ist, die der Seite des Zahnkranzes 21, an der die dritte Antriebswelle 142 angeordnet ist, gegenüberliegt, so dass die dritte Antriebswelle 142 und der Motorabschnitt 141 einen Abstand voneinander haben, der im Wesentlichen dem Durchmesser des Zahnkranzes 21 entspricht. Der Riemen 143 ist am Fuß des Motorabschnitts 141 mit dem Motorabschnitt 141 verbunden.
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Die erste und die zweite Antriebswelle 11, 11a sind beide mit je einer Kühlbohrung versehen, die anhand von 2 beschrieben wird. Die dritte Antriebswelle 142 kann eine ähnliche Kühlbohrung aufweisen. Durch diese Kühlbohrungen wird eine Kühlung der Stirnräder 115, 115a, der Zahnräder 116, 116a, 1421, der Elektromotoren 120, 120a sowie der Riemenscheibe 144 erreicht. Dabei kann das gleiche Kühlsystem verwendet werden, das auch zur Kühlung des Motorabschnitts 141 verwendet wird, wobei der Motorabschnitt 141 ebenfalls eine zur Antriebswellen-Kühlbohrung ähnliche Kühlbohrung aufweisen kann, mit der der Motor 1411 und eine weitere Riemenscheibe für dem Riemen 143 am Fuß des Motorabschnitts 141 gekühlt werden. Zum Zuleiten des Kühlmittels in den Bereich des Motors 1411 weist der Motorabschnitt 141 einen Kühlanschluss 1412 auf.
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Es sein angemerkt, dass die Lagerung des Zahnkranzes 21 sowie Stützabschnitte für den Zahnkranz 21 (und ggf. einen Drehtisch bzw. Rundtisch eines Bauteils für eine Werkzeugmaschine) in 1 nicht dargestellt sind. Jedoch ist der Zahnkranz 21 (und ggf. ein damit angetriebener Drehtisch bzw. Rundtisch eines Bauteils für eine Werkzeugmaschine) gestützt und gelagert, insbesondere zum Beispiel auf einem Maschinenständer oder Maschinenbett einer Werkzeugmaschine oder auf einem verfahrbaren Schlitten einer Werkzeugmaschine. Die auf der linken Seite der 1 dargestellten Getriebeteile und -abschnitte sowie der auf der rechten Seite der 1 dargestellte Motorabschnitt 141 sind separat vom Zahnkranz 21 gelagert, gehalten bzw. gestützt. Es wirken keinerlei Gewichtskräfte des Zahnkranzes 21 (bzw. des Rund- bzw. Drehtisches) auf die auf der linken Seite der 1 dargestellten Getriebeteile und Getriebeabschnitte bzw. auf den auf der rechten Seite der 1 dargestellte Motorabschnitt 141.
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2 zeigt die Antriebswellen-Kühlbohrung beispielhaft für die erste Antriebswelle 11. Die Antriebswelle 11 ist durch einen ersten Endabschnitt 111 (in 2 oben) und durch einen zweiten Endabschnitt 112 (in 2 unten) begrenzt. Die Länge des ersten Endabschnitts 111 in Längsrichtung der Antriebswelle 11 entspricht der Breite des Stirnrads 115 in Längsrichtung der Antriebswelle 11 plus der restlichen Länge der Antriebswelle 11 von einer Oberkante des Stirnrads 115 bis zum oberen Ende der Antriebswelle 11.
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Die Kühlbohrung ist als zylinderförmige Bohrung oder als zylinderförmiger Hohlraum in der Antriebswelle 11 ausgebildet und reicht von der Unterseite der Antriebswelle 11 in 2 bis in den ersten Endabschnitt 111 der Antriebswelle 11. In der Kühlbohrung ist ein Rohr 12 angeordnet, durch das Kühlmittel in den ersten Endabschnitt 111 der Antriebswelle 11 geleitet wird. Der Teil der Antriebswelle 11, der das Rohr 12 und das Kühlmittel außerhalb des Rohrs umgibt, ist der Rohraufnahmeabschnitt 117 der Antriebswelle 11. Der Rohraufnahmeabschnitt 117 nimmt das Rohr 12 in voller Länge auf, wobei sich ein offenes Rohrende 121 im ersten Endabschnitt 111 auf der Höhe des Stirnrads 115 befindet. Der Rohraufnahmeabschnitt 117 ist in axialer Richtung der Antriebswelle 11 länger als die Länge des Rohres 12, so dass zwischen dem offenen Rohrende 121 und der Begrenzungsfläche 118 am oberen Ende des Rohraufnahmeabschnitts 117 ein zylinderförmiger Hohlraum als Kühlmittelraum 13 ausgebildet ist, in dem sich Kühlmittel sammelt, bevor es nach unten außen am Rohr 12 entlang wieder zurückfließt. Der Kühlmittelraum 13 befindet sich vollständig im ersten Endabschnitt 111. Die Rohraufnahmeabschnitt 117 und der Kühlmittelraum 13 können auch quaderförmig ausgebildet sein.
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Die Länge des Rohrs 12 beträgt 60% bis 90% der Länge der ersten Antriebswelle 11 und 85% bis 99% der Länge des Rohraufnahmeabschnitts 117. Die Länge des ersten Endabschnitts 111 beträgt 15% bis 30% der Länge der ersten Antriebswelle 11. Die Länge des Kühlmittelraums 13 beträgt 1% bis 35% der Länge des ersten Endabschnitts 111.
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Die erste Antriebswelle 11 weist am zweiten Endabschnitt 112 einen ersten Anschluss 113 auf, der mit dem Rohr 12 verbunden ist. Durch den ersten Anschluss 113 wird Kühlmittel in das Rohr 12 geleitet. Das Kühlmittel wird mit ausreichend Druck in das Rohr 12 geleitet, so dass es im Rohr 12 nach oben in Richtung des ersten Endabschnitts 111 der Antriebswelle 11 fließt. Im ersten Endabschnitt 111 tritt das Kühlmittel durch das offene Rohrende 121 aus dem Rohr 12 aus und fließt in den Kühlmittelraum 13. Von dort fließt das Kühlmittel außen am Rohr 12 entlang in einem Ringraum zwischen den Wänden des Rohraufnahmeabschnitts 117 und der Rohrmantelfläche nach unten in Richtung des zweiten Endabschnitts 112 und wird durch einen zweiten Anschluss 114 am zweiten Endabschnitt 112 aus der ersten Antriebswelle 11 herausgeleitet.
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Reibungswärme entsteht vor allem an den verzahnten Kontaktflächen von Zahnkranz 21, Stirnrad 115, erstem Zahnrad 116 und drittem Zahnrad 1421 und in der Nähe des Elektromotors 120. Die Kühlmitteltemperatur ändert sich kaum beim Durchfließen des Rohrs 12, da gleichzeitig Kühlmittel außen am Rohr 12 zurückfließt und dadurch das Kühlmittel im Rohr 12 von der sich durch die Rotation erwärmenden Antriebswelle 11 abschirmt. Durch den Kühlmittelraum 13 in Form einer Mittenbohrung des Stirnrads 115 im ersten Endabschnitt 111 gelangt das Kühlmittel sehr nahe an die Verzahnung des Stirnrads 115 heran und kann dadurch das Stirnrad 115 von innen optimal kühlen, so dass die Wärme nahe am Entstehungsort vom Kühlmittel aufgenommen wird. Dadurch wird eine wärmebedingte Verformung der Stirnradverzahnung und eine Wärmeübertragung auf den Zahnkranz 21 und Antriebswellenbereiche unterhalb des ersten Endabschnitts 111 wirksam verhindert und so die Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine erhöht.
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Beim Zurückfließen an der Rohraußenseite passiert das Kühlmittel auch den Abschnitt der Antriebswelle 11, an dem das erste Zahnrad 116 angebracht ist. Dadurch kühlt das Kühlmittel auch die Verzahnung des Zahnrads 116 von innen. Danach passiert das Kühlmittel den Elektromotor 120 und führt die von diesem erzeugte Wärme ab.
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Das Rohr 12 ist im Getriebe 1 fixiert und rotiert nicht mit, wenn sich Stirnrad 115 und Zahnrad 116 oder weitere Teile der ersten Antriebswelle 11 drehen. Dadurch wird verhindert, dass das Kühlmittel im Rohr 12 in eine Rotationsbewegung versetzt wird und sich durch innere Reibung erwärmt, bevor es den Kühlmittelraum 13 erreicht.
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Die zweite Antriebswelle 11a ist gleich oder ähnlich zur ersten Antriebswelle 11 aufgebaut und ist ebenfalls mit einer Kühlbohrung versehen, wobei die Kühlung nach dem gleichen Prinzip funktioniert wie bei der ersten Antriebswelle 11. Das Prinzip dieser Kühlbohrung kann auch zur Kühlung der dritten Antriebswelle 142 angewandt werden.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch die erste und zweite Antriebswelle 11, 11a und die dritte Antriebswelle 142. Die erste und die zweite Antriebswelle 11, 11a weisen den gleichen Aufbau auf, wobei in 3 nur der erste Rohraufnahmeabschnitt 117 für das erste Rohr 12 in der ersten Antriebswelle 11 und der zweite Rohraufnahmeabschnitt 117a für das zweite Rohr 12a in der zweiten Antriebswelle 11a zu sehen ist und die Rohre 12, 12a und Kühlmittelräume 13, 13a nicht gezeigt sind.
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In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Getriebes 1 liegen das erste Zahnrad 116 der ersten Antriebswelle 11, das zweite Zahnrad 116a der zweiten Antriebswelle 11a und das dritte Zahnrad 1421 der dritten Antriebswelle 142 auf gleicher Höhe, wobei die Verzahnungen des ersten und zweiten Zahnrads 116, 116a auf gegenüberliegenden Seiten der dritten Antriebswelle 142 in das dritte Zahnrad 1421 eingreifen, so dass das erste und zweite Zahnrad 116, 116a durch das dritte Zahnrad 1421 gedreht werden.
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Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass nur in der ersten und/oder zweiten Antriebswelle 11, 11a und/oder in der dritten Antriebswelle 142 Kühlbohrungen vorhanden sind. Auch alle anderen Antriebswellen des Antriebsstrangs für die Rotationsachse 2, beispielsweise wenn zum Antrieb der Achse 2 ein mehrstufiges Getriebe mit einer oder mehreren weiteren Übersetzungsstufe(n) verwendet wird, können eine erfindungsgemäße Kühlbohrung wie in 2 gezeigt aufweisen. Dabei kann das mehrstufige Getriebe ein Schaltgetriebe sein.
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Darüber hinaus kann das verwendete Getriebe auch als Schneckengetriebe ausgebildet sein, indem je zwei ineinandergreifende Stirn- bzw. Zahnräder durch ein Schneckenrad und eine Schnecke ersetzt werden. Beispielsweise kann der Zahnkranz 21 und das erste Stirnrad 115 und/oder das zweite Stirnrad 115a durch ein Schneckenrad und eine Schnecke ersetzt werden. Eine solche Ersetzung ist auch im Bereich der Zahnräder 116, 116a und 1421 möglich, sowie in weiteren Übersetzungsstufen des Getriebes, falls vorhanden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr können die einzelnen Aspekte bzw. einzelnen Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 11
- erste Antriebswelle
- 11a
- zweite Antriebswelle
- 111
- erster Endabschnitt der ersten Antriebswelle
- 111a
- erster Endabschnitt der zweiten Antriebswelle
- 112
- zweiter Endabschnitt der ersten Antriebswelle
- 113
- erster Anschluss
- 114
- zweiter Anschluss
- 115
- erstes Stirnrad
- 115a
- zweites Stirnrad
- 116
- erstes Zahnrad
- 116a
- zweites Zahnrad
- 117
- erster Rohraufnahmeabschnitt
- 117a
- zweiter Rohraufnahmeabschnitt
- 118
- Begrenzungsfläche
- 119
- Stirnradlagerungsabschnitt
- 120
- Elektromotor der ersten Antriebswelle
- 120a
- Elektromotor der zweiten Antriebswelle
- 12
- erstes Rohr
- 12a
- zweites Rohr
- 12b
- drittes Rohr
- 121
- offenes Rohrende
- 13
- erster Kühlmittelraum
- 13a
- zweiter Kühlmittelraum
- 14
- Antrieb
- 141
- Motorabschnitt
- 1411
- Motor
- 1412
- Kühlanschluss
- 142
- dritte Antriebswelle
- 1421
- drittes Zahnrad
- 143
- Riemen
- 144
- Riemenscheibe
- 2
- Achse
- 21
- Zahnkranz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1785225 A1 [0005]
- DE 4202510 A1 [0006]