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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Fahrradkurbelwelle mit wenigstens
einem Endbereich zum Befestigen einer Tretkurbel nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrradkurbelwelle
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
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Aus
dem Stand der Technik sind Fahrradkurbelwellen mit Endbereichen
bekannt, die Vierkantprofile, Sechskantprofile oder Zahnprofile
aufweisen. Die Endbereiche der Kurbelwelle sind jeweils dazu vorgesehen,
in eine als Negativform zu dem Profil ausgebildete Ausnehmung einer
Kurbelwelle eines Fahrrad-Tretlagers eingeführt zu werden
um so eine drehfeste Verbindung zwischen der Tretkurbel und der
Kurbelwelle herzustellen. Die Verbindung wird in axialer Richtung
durch Bolzen oder Schrauben gesichert. Um eine Kraftübertragung
von der Tretkurbel auf die Kurbelwelle zu ermöglichen und
um ein Durchrutschen der Tretkurbel zu verhindern weist das Profil
wenigstens eine von einer zentrischen Kreisbogenform abweichende
Kraftübertragungsfläche auf. Als „zentrisch"
soll in diesem Zusammenhang ein Kreisbo gen bezeichnet werden, dessen Krümmungszentrum
mit der Rotationsachse der Kurbelwelle zusammenfällt.
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Die
Praxis hat gezeigt, dass herkömmliche Verbindungen zwischen
Fahrradkurbelwellen und Tretkurbeln im Bereich von Rändern
der Kraftübertragungsflächen unter Belastung zu
hohen Kantenspannungen bzw. Kantenpressungen führen. Dadurch entstehen
lokale Verformungen, die zu einem unerwünschten Spiel der
Befestigung und zu einer verkürzten Lebensdauer der Verbindung
führen.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde eine kostengünstige
Fahrradkurbelwelle zu schaffen, die zur Herstellung einer besonders langlebigen
Verbindung mit einer Tretkurbel geeignet ist.
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Die
Erfindung geht insbesondere aus von einer Fahrradkurbelwelle mit
wenigstens einem Endbereich zum Befestigen einer Tretkurbel, wobei
der Endbereich ein Profil zum Eingriff in eine als Negativform zu
dem Profil ausgebildete Ausnehmung der Tretkurbel umfasst und wobei
das Profil wenigstens eine von einer zentrischen Kreisbogenform
abweichende Kraftübertragungsfläche aufweist,
die dazu ausgelegt ist, eine drehfeste Verbindung zwischen der Kurbelwelle
und der Tretkurbel zu erzeugen.
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Es
wird vorgeschlagen, dass das Profil konvex ist und dass die Kraftübertragungsfläche
konvex gewölbt ist. Dadurch wird eine Kantenpressung auch dann
wirksam vermieden, wenn unvermeidliche Toleranzen zwischen dem Profil
und der Ausnehmung vorliegen. Der Begriff „konvex" bezieht
sich im Zusammenhang mit dem Profil auf die Konvexität
der von der Kontur des Profils eingeschlossenen Fläche im
mathematischen Sinne. Als Profil soll in diesem Zusammenhang ein
senkrecht zur Rotationsachse der Fahrradkurbel welle verlaufender
Schnitt bezeichnet werden. Als konvex „gewölbt"
soll eine Fläche mit wenigstens einem von Null und Unendlich
verschiedenen Krümmungsradius bezeichnet werden. In besonders
vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung verlaufen die Krümmungshauptachsen
der Kraftübertragungsfläche parallel und senkrecht
zu einer Rotationsachse der Fahrradkurbelwelle, wobei der Krümmungsradius
parallel zur Rotationsachse sehr groß oder unendlich ist,
während der Krümmungsradius in Umfangsrichtung
einen endlichen Wert hat, der beispielsweise nicht größer
als der 10 oder 20 fache Durchmesser des Endbereichs ist. Zur Wahl
geeigneter Krümmungsradien für Polygonprofile
wird auf die DIN 32711 oder die DIN 32712 verwiesen.
Der Krümmungsradius in Umfangsrichtung kann insbesondere
variabel sein.
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Während
Kurbelwellen-Tretkurbelverbindungen traditionell mit flachen Kraftübertragungsflächen gefertigt
werden, was bei klassischen Herstellungsmethoden die Herstellung
vereinfacht, sind die Voraussetzungen für die Bevorzugung
einer solchen Auslegung der Verbindungen im Zeitalter der computergestützten
und lasergestützten Fertigung nicht mehr gegeben. Die Erfindung
lehrt daher eine Abkehr von der althergebrachten technischen Lehre.
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Die
Fahrradkurbelwelle kann beidseitig oder einseitig mit einem solchen
Endbereich bzw. Profil ausgestattet sein, wobei im letzteren Fall
eine an einem dem Endbereich gegenüberliegenden Ende angeordnete
Tretkurbel einstückig mit der Kurbelwelle ausgebildet sein
kann.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass sich der Endbereich in Richtung einer Stirnseite der Fahrradkurbelwelle
konisch verjüngt. Dadurch kann eine Selbsthemmung der auf
den Endbereich der Fahrradkurbelwelle aufgepressten Tretkurbel erreicht werden, und
zwar insbesondere dann, wenn sich die Tretkurbel in der Richtung,
in der sie auf die Fahrradkurbelwelle aufgeschoben wird, entsprechend
erweitert.
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Kosten
und Gewicht der Fahrradkurbelwelle können durch eine deutliche
Materialeinsparung reduziert werden, wenn die Kurbelwelle als Hohlwelle ausgebildet
ist. Dabei können die offenen Enden des Hohlraums mit einem
Innengewinde ausgestattet sein, das zum Befestigen einer Schraube
zum axialen Fixieren der Tretkurbel auf der Fahrradkurbelwelle dient.
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Die
oben genannten Einsparungspotenziale können effektiv ausgeschöpft
werden, wenn ein Durchmesser eines Hohlraums der Hohlwelle in dem wenigstens
einen Endbereich geringer ist als ein Durchmesser des Hohlraums
in einen mittleren Bereich der Hohlwelle.
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Insbesondere
wenn eine Wandstärke der Hohlwelle in dem wenigstens einen
Endbereich größer ist als eine Wandstärke
in einen mittleren Bereich der Hohlwelle kann eine hohe Stabilität
der Fahrradkurbelwelle im Endbereich gleichzeitig mit einer leichten
und Material sparenden Bauweise erreicht werden.
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Die
Fertigung der Fahrradkurbelwelle und die Montage des Tretkurbelsystems
können vereinfacht werden, wenn das Profil eine mehrzählige
Rotationssymmetrie aufweist.
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Dabei
können große Kraftübertragungsflächen,
die gleichzeitig kostengünstig herstellbar und robust sind,
dadurch erreicht werden, dass das Profil eine dreizählige
oder vierzählige Rotationssymmetrie aufweist. In alternativen
Ausgestaltungen der Erfindung wäre auch ein nockenförmiges
oder doppelnockenförmiges Profil denkbar.
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Eine
weiter optimierte Kraftübertragung bei besonders geringer
Kantenpressung kann dadurch erreicht werden, dass das Profil als
eckengerundetes Polygonprofil ausgebildet ist.
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Fertigungstechnische
Vorteile können sich ergeben, wenn das Profil die Form
eines Gleichdicks hat. Ein Gleichdick ist eine Kurve konstanter
Breite, deren geschlossene Linie in jeder Lage innerhalb eines geeigneten
Quadrates stets alle vier Seiten berührt. Die Breite einer
Kurve ist definiert als der Abstand zwischen parallelen Stützgeraden,
die die Kurve auf gegenüberliegenden Seiten berühren.
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Eine über
die Kraftübertragungsfläche weitgehend homogene
Kraftverteilung kann erreicht werden, wenn wenigstens ein Teil der
Profilkontur im Bereich der Kraftübertragungsfläche
eine Epitorchoide bildet.
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Dabei
ist in besonders vorteilhaften Ausgestaltungen das Profil als Polygonprofil
vom Typ P3G nach DIN 32711 oder als Polygonprofil
vom Typ P4C nach DIN 32712. In der Nomenklatur
der Polygon-Wellen-Naben-Verbindungen steht P für Polygon,
die Zahl gibt die Zahl der Ecken bzw. der radialen Maxima an, G
steht für das Gleichdick.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass der Endbereich einen ersten, mit dem unrunden
Profil ausgestatteten Bereich und einen zweiten Bereich mit einem
sich in einer Richtung zu einer Mitte der Kurbelwelle hin erweiternden
Durchmesser umfasst. Dadurch können einerseits ein spielfreier
Sitz im Bereich des Profils und andererseits ein selbsthemmender
Sitz im konischen Bereich realisiert werden. Die Elemente, die die
Verbindung in Umfangs- bzw. Rotationsrichtung einerseits und in
axialer Richtung andererseits realisieren, können räum lich
getrennt und unabhängig voneinander dimensioniert und ausgestaltet
werden.
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Dabei
ist eine Material sparende und kompakte Bauweise erreichbar, wenn
der zweite Bereich sich in der Richtung zur Mitte der Kurbelwelle
an den ersten Bereich anschließt. Prinzipiell könnte
der Bereich mit dem Profil jedoch auch von der Stirnseite des Endbereichs
aus betrachtet hinter einem konischen Bereich angeordnet sein, dessen
maximaler Radius dann kleiner als der minimale Radius des Profils
sein sollte.
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Ein
großer Radius des konischen Bereichs und damit eine geringe
Empfindlichkeit gegen Fertigungs- und Montagetoleranzen kann erreicht
werden, wenn der zweite Bereich sich in der Richtung zur Mitte der
Kurbelwelle über eine Stufe an den ersten Bereich anschließt.
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Eine
Funktionsintegration und Reduktion der Bauteilvielfalt kann erreicht
werden, wenn wenigstens eine Laufbahn für ein Wälzlager
in eine Außenfläche der Kurbelwelle eingearbeitet
ist und/oder wenn wenigstens ein Mittel zum Befestigen einer Dichtung
in eine Außenfläche der Kurbelwelle eingearbeitet
ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Tretkurbelsystem für ein Fahrrad,
umfassend eine Fahrradkurbelwelle von der oben beschriebenen Art
und eine Tretkurbel mit einer als Negativform zu dem Profil ausgebildeten
Ausnehmung zum Einstecken eines Endbereichs der Fahrradkurbelwelle.
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Schließlich
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrradkurbelwelle
mit wenigstens einem Endbereich zum Befestigen einer Tretkurbel,
wobei der Endbereich ein Profil zum Eingriff in eine als Negativform zu
dem Profil ausgebildete Ausnehmung der Tretkurbel umfasst und wobei das
Profil wenigstens eine von einer zentrischen Kreisbogenform abweichende
Kraftübertragungsfläche aufweist, die dazu ausgelegt
ist, eine drehfeste Verbindung zwischen der Kurbelwelle und der
Tretkurbel zu erzeugen.
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Zur
Verbesserung eines solchen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass zum
Verringern einer Kantenspannung wenigstens eine konvex gewölbte Kraftübertragungsfläche
in das insgesamt konvexe Profil eingearbeitet wird.
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Eine
kostengünstige Herstellung kann ermöglicht werden,
wenn das Profil durch Hämmern der Endbereiche der Fahrradkurbelwelle
hergestellt wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den beigefügten
Figuren dargestellt und/oder werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung erörtert.
Der Fachmann wird die Merkmale auch einzeln betrachten und zu sinnvollen
weiteren Kombinationen zusammenfassen, die dem spezifischen Verwendungszweck
angepasst sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
Fahrradkurbelwelle nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung
in einem Längsschnitt,
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2 die
Fahrradkurbelwelle aus 1 in einer axialen Draufsicht,
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3 die
Fahrradkurbelwelle aus den 1 und 2 in
einer perspektivischen Ansicht,
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4 eine
Fahrradkurbelwelle nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung
in einem Längsschnitt,
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5 die
Fahrradkurbelwelle nach 3 in einer perspektivischen
Ansicht und
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6 ein
Profil eines Endbereichs einer Fahrradkurbelwelle nach einer alternativen
Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt
eine Fahrradkurbelwelle mit zwei einander gegenüberliegenden
Endbereichen 10, 10' an den axialen Enden der
Fahrradkurbelwelle. Die Endbereiche 10, 10' dienen
zum Befestigen jeweils einer hier nicht explizit dargestellten Tretkurbel,
wobei die Endbereiche 10, 10' jeweils ein Profil 12, 12' zum
Eingriff in eine als Negativform zu dem Profil 12, 12' ausgebildete
Ausnehmung der Tretkurbel umfassten. Das in 2 besser
erkennbare Profil 12, 12' weist eine von einer
zentrischen Kreisbogenform abweichende Kraftübertragungsfläche 14 auf,
die dazu ausgelegt ist, eine beidseitig drehfeste Verbindung zwischen
der Kurbelwelle und der Tretkurbel zu erzeugen, die eine beidseitige,
sichere Kraftübertragung von der Tretkurbel auf die Kurbelwelle
gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass das Profil 12, 12' konvex
ist und dass die Kraftübertragungsfläche 14 konvex
gewölbt ist.
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Die
Kurbelwelle ist als Hohlwelle ausgebildet und ein Durchmesser d
eines Hohlraums der Hohlwelle ist in den beiden Endbereichen 10, 10' geringer ist
als ein Durchmesser D des Hohlraums in einen mittleren Bereich der
Hohlwelle. Die Durchmesser d, D werden dadurch erreicht, dass die
Endbereiche 10, 10' der Hohlwelle bei der Herstellung
auf einen geringeren Durchmesser d geschmiedet werden.
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Dadurch
ergibt sich, dass eine Wandstärke w der Hohlwelle in den
beiden Endbereichen 10, 10' größer
ist als eine Wandstärke w, W in einen mittleren Bereich
der Hohlwelle.
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Wie
in 2 erkennbar ist das Profil 12, 12' der
Endbereiche 10, 10' ist als eckengerundetes Polygonprofil,
und zwar als Polygonprofil vom Typ P3G nach DIN 32711,
ausgebildet. Dieses Profil 12, 12' hat bekanntlich
eine Kontur, welche die Form eines Gleichdicks hat und eine dreizählige
Rotationssymmetrie aufweist.
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Die
gesamte Profilkontur des Polygonprofils vom Typ P3G bildet die Kraftübertragungsfläche 14, welche
im Profil 12, 12' die Form einer Epitorchoide hat.
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Das
Profil 12, 12' und der Endbereich 10, 10' verjüngen
in Richtung einer axialen Stirnseite der Fahrradkurbelwelle konisch.
Ein Neigungswinkel beträgt ca. 1–5°,
so dass eine wirksame Selbsthemmung erreicht werden kann. Die Tretkurbel
wird mit der Fahrradkurbelwelle über eine hier nicht dargestellte
Schraube verbunden, die in ein in einen Endbereich 10, 10' des
Hohlraums eingearbeitetes Innengewinde 16 eingreift und
welche die sich konisch in der Aufschubrichtung der Tretkurbel öffnende
Ausnehmung der Tretkurbel auf den Endbereich 10, 10' aufpresst.
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In
einen Außenmantel der Fahrradkurbelwelle ist eine Vielzahl
von weiteren funktionellen Strukturen eingearbeitet. Insbesondere
sind mehrere Laufbahnen 18, 20 für Wälzlager
in die Außenfläche der Kurbelwelle eingearbeitet.
Auf der Seite der Kurbelwelle, an der ein Zahnrad befestigt wird,
ist eine Laufbahn 18 für ein Zylinderrollenlager 22 eingearbeitet, das
große radiale Momente abstützten kann, während
auf der gegenüberliegenden Seite eine Laufbahn 20 für
ein Kugellager 24 eingearbeitet ist.
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Ferner
sind in die Außenfläche der Fahrradkurbelwelle
auf beiden Seiten Sitze 26 für Bord- bzw. Abschlussringe 30 eingearbeitet.
Weiterhin können die Kugeln und Zylinderrollen jeweils
in einem nicht dargestellten Käfig angeordnet sein. Ferner
sind zwischen der jeweiligen Wälzkörperreihe und
dem zugehörigen Bord- oder Abschlussring ebenfalls nicht
dargestellte Dichtelemente angeordnet, die ein Eindringen von Verunreinigungen
in den Wälzkörperraum von außen und ein
Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzkörperraum
nach außen verhindern.
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Die 4 bis 6 zeigen
alternative Ausgestaltungen der Erfindung. Die Nachfolgende Beschreibung
beschränkt sich auf Unterschiede zu dem in den 1–3 dargestellten
Ausführungsbeispiel, wobei im Hinblick auf gleich bleibende
Merkmale auf die Beschreibung zum letztgenannten Ausführungsbeispiel
verwiesen wird. Ähnliche oder gleich wirkende Merkmale
der verschiedenen Ausführungsbeispiele werden mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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In
einer weiteren, in den 4 und 5 in einer
perspektivischen Ansicht und in einem Längsschnitt dargestellten
Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder der beiden Endbereiche 10, 10' der Fahrradkurbelwelle
einen ersten, mit dem unrunden Profil 12, 12' ausgestatteten
Bereich 32 und einen zweiten Bereich 34 mit einem
sich in einer Richtung zu einer Mitte der Kurbelwelle hin erweiternden Durchmesser.
Der erste Bereich 32 mit dem Profil 12, 12' hat
einen über seine axiale Erstreckung konstanten, sich also
nicht verjüngenden oder verbreiternden Durchmesser.
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Der
zweite Bereich 34 schließt sich in der Richtung
zur Mitte der Kurbelwelle hin über eine Stufe 36 an
den ersten Bereich an.
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6 stellt
ein Profil 12 eines Endbereichs einer Fahrradkurbelwelle
nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung dar,
in welcher das Profil 12 als Polygonprofil vom Typ P4C
nach DIN 32712 ausgebildet ist und eine vierzählige
Rotationssymmetrie aufweist.
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Ein
erfindungsgemäßes Tretkurbelsystem für
ein Fahrrad umfasst eine Fahrradkurbelwelle von der in den 1–6 dargestellten
Art und eine hier nicht explizit dargestellte Tretkurbel mit einer
als Negativform zu dem Profil 12, 12' ausgebildeten
Ausnehmung zum Einstecken eines Endbereichs der Fahrradkurbelwelle.
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In
einem Verfahren zum Herstellen einer Fahrradkurbelwelle mit wenigstens
einem Endbereich 10, 10' zum Befestigen einer
Tretkurbel, wird in die Fahrradkurbelwelle ein Profil 12, 12' mit
der von einer zentrischen Kreisbogenform abweichenden Kraftübertragungsfläche 14 eingearbeitet,
die dazu ausgelegt ist, eine drehfeste Verbindung zwischen der Kurbelwelle
und der Tretkurbel zu erzeugen.
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Zum
Verringern einer Kantenspannung der Verbindung zwischen der Tretkurbel
und der Fahrradkurbelwelle wird in dem erfindungsgemäßen
Verfahren wenigstens eine konvex gewölbte Kraftübertragungsfläche 14 in
das insgesamt konvexe Profil 12, 12' eingearbeitet.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft ein computergestütztes
Verfahren, in dem nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
das Profil 12, 12' durch Hämmern der
Endbereiche 10, 10' der Fahrradkurbelwelle hergestellt
wird.
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- 10
- Endbereich
- 10'
- Endbereich
- 12
- Profil
- 12'
- Profil
- 14
- Kraftübertragungsfläche
- 16
- Innengewinde
- 18
- Laufbahn
- 20
- Laufbahn
- 22
- Zylinderrollenlager
- 24
- Kugellager
- 26
- Sitz
- 30
- Bord-
bzw. Abschlussring
- 32
- Bereich
- 34
- Bereich
- 36
- Stufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 32711 [0006]
- - DIN 32712 [0006]
- - DIN 32711 [0018]
- - DIN 32712 [0018]
- - DIN 32711 [0039]
- - DIN 32712 [0047]