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Die Erfindung geht aus von einem Getriebe, das an einer Welle, bevorzugt an seiner Abtriebswelle, eine runde mechanische Schnittstelle umfassend eine Planfläche mit mehreren konzentrisch zu der Drehachse der Welle angeordneten Befestigungsgewinden und eine Zentriereinrichtung, aufweist. Diese runde mechanische Schnittstelle ist beispielsweise in der Norm EN ISO 9004-1-A definiert. Wenn ein Getriebe eine solche normierte mechanische Schnittstelle aufweist, kann es in Serien mit großen Stückzahlen gefertigt und über die genannten Schnittstelle an die speziellen Einsatzbedingungen angepasst werden.
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Ein bislang nicht befriedigend gelöstes Problem besteht darin, ein Ritzel an dieser Schnittstelle anzuflanschen. Bislang muss der Außendurchmesser des Ritzels aus folgenden Gründen deutlich größer als der Teilkreisdurchmessers der Befestigungsgewinde in der Planfläche sein.
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Wenn die auf das Ritzel in tangentialer Richtung wirkenden äußeren Kräfte vorgegeben sind, resultieren aus dem großen Ritzeldurchmesser große Drehmomente, die auf die Welle und das Getriebe wirken. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Ritzel eine Zahnstange antreibt, die einen Gegenstand in vertikaler Richtung gegen die Schwerkraft verschiebt.
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Ein weiterer wichtiger Grund ist die Fertigungstechnik. Wenn nämlich das Ritzel einen kleineren Durchmesser als die Planfläche der runden mechanischen Schnittstelle aufweist, kann das Ritzel nur durch Räumen hergestellt werden. Ein solcherart hergestelltes Ritzel weist große Fertigungsungenauigkeiten auf, was seinen Anwendungsbereich stark einschränkt.
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Außerdem kann das Ritzel nicht gehärtet werden, da der beim Härten entstehende Verzug nicht durch einen anschließenden Schleifvorgang entfernt werden kann.
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Aus der
US 291,282 , der
US 3,576,336 , der
US 3,638,979 und der
AT 502 091 A1 sind verschiedene Wellen-Naben-Verbindungen bekannt bei denen die Klemmkraft durch konische Kontaktflächen verstärkt wird.
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Aus der
DE 198 46 235 C1 ist ein Adapter bekannt, der einenends auf einer Motorwelle geklemmt wird und bei dem anderenends ein Ritzel vorgesehen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Adapter für ein Ritzel und eine runde mechanische Schnittstelle der oben genannten Art bereitzustellen, welche auch bei Ritzeldurchmessern einsetzbar ist, die kleiner als der Teilkreisdurchmesser der Befestigungsgewinde ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Adapter für einen Wellenflansch einer Getriebewelle mit einer Planfläche mit mehreren Befestigungsbohrungen, wobei die Befestigungsbohrungen konzentrisch zu dem Zentrierbund angeordnet sind, und Zentriermitteln, mit den kennzeichendenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch das erfindungsgemäß beanspruchte Verschweißen von Adapter und Ritzel wird das Ritzel stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Adapter verbunden. Dadurch wird ein Spannelement entbehrlich, was die Baugröße des erfindungsgemäßen Adapters reduziert und häufig auch zu Kosteneinsparungen führt.
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Insbesondere wenn zuvor der Adapter und das Ritzel mit einem Presssitz im Bereich der Aufnahmebohrung und des Wellenstumpfs miteinander verbunden wurden, kann ein sehr guter Rundlauf und Planlauf des Ritzels erreicht werden, trotz der nachfolgenden Schweißung. Es versteht sich von selbst, dass bei der Schweißnaht darauf zu achten ist, dass ein Verzug der Bauteile vermieden wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schweißnaht im Bereich des Einpasses beziehungsweise des Absatzes des Flansches vorgesehen ist. Dann nämlich ist der räumliche Abstand zwischen Schweißnaht und Ritzel maximal und die Auswirkungen der beim Schweißen eingetragenen Wärme in die Bauteile auf den Rundlauf des Ritzels werden minimiert.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Adapter der Durchmesser der Aufnahmebohrung keinerlei Restriktionen unterworfen ist, kann der Durchmesser der Aufnahmebohrung sehr viel kleiner als der Teilkreisdurchmesser der Befestigungsgewinde der runden mechanischen Schnittstelle an der Abtriebswelle des Getriebes gewählt werden. In Folge dessen kann auch der Außendurchmesser des Ritzels kleiner als der oben genannte Teilkreisdurchmesser gewählt werden.
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Durch die erfindungsgemäß möglichen kleineren Außendurchmesser des Ritzels können die auf die Welle wirkenden Drehmomente bei sonst gleichen Randbedingungen verringert werden. Dadurch können kompaktere, leichtere und sehr viel kostengünstigere Getriebe eingesetzt werden, um eine vorgegebene Tangentialkraft am Ritzel bereitzustellen.
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Wegen der konstruktiven Freiheiten durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Adapters können die Einsatzbereiche bereits in Serie gefertigter Getriebe vergrößert werden. Außerdem unterliegt die Herstellung des erfindungsgemäßen Ritzels keinerlei Beschränkungen. Es kann beispielsweise durch Fräsen und/oder Schleifen mit höchster Genauigkeit hergestellt werden. Schließlich kann das hochbelastete Ritzel aus einem sehr hochwertigen Werkstoff hergestellt und bei Bedarf gehärtet werden, während für den Adapter in aller Regel ein kostengünstigerer Werkstoff ausreichend ist. Auch der Austausch eines beschädigten Ritzels 5 ist sehr schnell und kostengünstig möglich.
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Überdies bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung noch ein Potential zur Gewichtseinsparung, wenn nämlich der Adapter aus Leichtmetall hergestellt wird.
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Alternativ können die Zentriermittel als Einpass oder Zentrierbund ausgebildet werden, so dass der erfindungsgemäße Adapter mit verschiedenen runden mechanischen Schnittstellen kompatibel ist.
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Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufnahmebohrung und der Wellenstumpf des Ritzels durch einen Presssitz, insbesondere einen Querpresssitz oder einen Ölpresssitz, kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Alternativ können die Aufnahmebohrung und der Wellenstumpf auch durch einen Schrumpfsitz oder einen Kegelsitz kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Durch diese Ausführungsvarianten können die an sich bekannten Vorzüge dieser kraftschlüssigen Verbindungen auch bei dem erfindungsgemäßen Adapter nutzbringend eingesetzt werden.
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Welcher dieser Verbindungen zwischen Adapter und Wellenstumpf im Einzelfall gewählt wird, hängt von den sonstigen Randbedingungen ab und ist für einen Fachmann auf dem Gebiet des Maschinenbaus ohne erfinderisches Zutun im Einzelfall zu entscheiden.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Welle und des Ritzels sowie deren Verbindung können sowohl auf der Abtriebsseite eines Getriebes als auch auf der Antriebsseite eines Getriebes bei Bedarf eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Verbindung und Ausgestaltung von Welle und Ritzel ist bei verschiedensten Getriebebauformen, insbesondere jedoch bei Koaxialgetrieben, einsetzbar.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäß beanspruchte Lösung einsetzbar, wenn das Ritzel mit einer Zahnstange im Eingriff ist. In diesem Fall ist nämlich die Belastung des Getriebes mit Drehmomenten umso geringer, je kleiner der Durchmesser des Ritzels ist. Da mit der erfindungsgemäß beanspruchten Lösung der Durchmesser des Ritzels gegenüber herkömmlichen Verbindungen von Ritzel und Welle verringert werden kann, kann die Belastung des Getriebes in diesem besonderen Anwendungsfall sehr wirksam reduziert werden.
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Als besonders geeignetes Verfahren hat sich das Elektronenstrahl-Schweißen erwiesen. Auch hier wird die Schweißnaht vom Einpass beziehungsweise dem Absatz des Flansches hervorgenommen. Ein Vorteil des Elektronenstrahl-Schweißens ist die große Eindringtiefe und damit die große Nahttiefe der dabei entstehenden Schweißnaht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nahttiefe genauso lang oder sogar größer ist als die Länge der Aufnahmebohrung. Dann nämlich wird eine zylindrische Verbindungsfläche im Bereich der gesamten Aufnahmebohrung und des Wellenstumpfs zwischen Ritzel und Flansch erzielt, die sehr hohe Drehmomente übertragen können. Gleichzeitig ist durch den zumindest vor Beginn der Elektronenstrahl-Schweißung vorhandenen Presssitz und dem jeweils nur linienförmigen Aufschmelzen der Werkstoffe von Ritzel und Flansch gewährleistet, dass kein unzulässig großer Verzug stattfindet und die Rundlaufgenauigkeit des Ritzels auch nach der Schweißnaht noch innerhalb der vorgegebenen und für ein geschliffenes Zahnrad üblichen Toleranzen liegt.
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Wenn durch das Fügen der beiden Werkstoffe von Flansch und Ritzel eine Volumenzunahme oder das Volumen konstant bleibt, wird sogar der Presssitz auch nach dem Schweißen aufrechterhalten. Wenn, aufgrund besonderer Eigenschaften der beteiligten Werkstoffe, im Bereich der Schweißnaht, eine geringe Volumenabnahme des Werkstoffs zu verzeichnen ist, so ist mindestens wegen der Schweißnaht eine spielfreie und belastbare Verbindung zwischen Ritzel und Flansch gegeben. Eine geeignete Gestaltung der Aufnahmebohrung und des Wellenstumpfs in das Ritzel ist bezüglich der Kerbwirkung besonders günstig, da der Radius beziehungsweise der Freistich zwischen Wellenstumpf und dem eigentlichen Ritzel durch die Schweißnaht von den wechselnden Beanspruchungen entkoppelt wird und dadurch in diesem Bereich keine oder nur eine deutlich verminderte Kerbwirkung auftritt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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Es zeigen:
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Adapters,
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2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Adaptersund
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3: ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Adapters.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Getriebe 1 im Teilschnitt an dessen Abtriebswelle ein erfindungsgemäßer Adapter 3 für ein Ritzel 5 befestigt ist.
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Die Abtriebswelle des Getriebes 1 ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen worden; eine Eingangswelle ist nicht dargestellt.
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In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind an der Abtriebswelle 7 eine Planfläche 9 und eine zylindrische Außenfläche 11 ausgebildet. Die zylindrische Außenfläche 11 ist koaxial zu einer Drehachse (ohne Bezugszeichen) der Abtriebswelle 7 angeordnet und dient der Zentrierung des erfindungsgemäßen Adapters 3.
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In der Planfläche 9 sind Befestigungsgewinde 13 ausgebildet, die ebenfalls konzentrisch zur Drehachse der Abtriebswelle 7 geordnet sind, ausgebildet. Der Teilkreisdurchmesser auf dem die Befestigungsgewinde 13 angeordnet sind, hat das Bezugszeichen Dtk.
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An dem erfindungsgemäßen Adapter 3 ist ein mit der Planfläche 9 und der zylindrischen Außenfläche 11 der Abtriebswelle 7 zusammenwirkender Einpass 15 ausgebildet. Durch den Einpass 15 wird der Adapter 3 konzentrisch zur zylindrischen Außenfläche 11 positioniert.
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In dem Adapter 3 sind Befestigungsbohrungen 17 angeordnet, die den gleichen Teilkreisdurchmesser Dtk wie die Befestigungsgewinde 13 in der Planfläche 9 haben. Durch die Befestigungsbohrungen 17 können Schrauben 19 in die Befestigungsgewinde 13 der Abtriebswelle 7 geschraubt werden und auf diese Weise der Adapter 3 an der Abtriebswelle 7 positioniert und drehfest befestigt werden. An dem Adapter 3 ist eine erste Rundlaufprüffläche 21 ausgebildet. Mit der ersten Rundlaufprüffläche 21 ist es möglich, einfach und zuverlässig festzustellen, ob der Rundlauf des Adapters 3 den Anforderungen entspricht.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Adapter 3 eine durchgehende Aufnahmebohrung 23 auf. Diese Aufnahmebohrung 23 kann jedoch als auch Sacklochbohrung (nicht dargestellt) ausgebildet sein. Die Aufnahmebohrung 23 und der Einpass 15 des Adapters 3 sind koaxial zueinander angeordnet.
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In die Aufnahmebohrung 23 wird ein Wellenstumpf 25 des Ritzels 5 aufgenommen. Über ein Spannelement 27, welches außen auf einen Absatz 29 des Adapters 3 aufgeschoben wird, wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Wellenstumpf 25 und dem Adapter 3 hergestellt.
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Das Spannelement 27 besteht aus einer Spannhülse 31, die mit ihrem Innendurchmesser spielfrei an dem Absatz 29 der Abtriebswelle 13 aufgenommen ist. An ihrem Außendurchmesser ist die Spannhülse 31 doppelt kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei die Spannhülse 31 in ihrer Mitte den größten Durchmesser aufweist. Von beiden Seiten sind auf die Spannhülse 31 Spannscheiben 33 aufgeschoben, deren Innendurchmesser ebenfalls konisch ist und mit den kegelstumpfförmigen Außendurchmesser der Spannhülse 31 zusammenwirkt. Wenn nun die Spannscheiben 33 durch nur vereinfacht dargestellte Zugschrauben 35 zusammengezogen werden, wird wegen der schrägen Kontaktfläche zwischen den Spannscheiben 33 und der Spannhülse 31 eine Kraft in radialer Richtung von der Spannhülse 31 auf den Absatz 29 der Abtriebswelle 13 übertragen. Dadurch entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Abtriebswelle 13 und dem Wellenstumpf 25 des Ritzels 5. Durch diese kraftschlüssige Verbindung können große Drehmomente sicher zwischen dem Ritzel 5 und der Abtriebswelle 7 übertragen werden. Im unmittelbaren Anschluss an den Absatz 29 ist eine zweite Rundlaufprüffläche 30 an dem Ritzel 5 vorgesehen. Dadurch ist es möglich, nach der Montage des Ritzels 5 die Einhaltung des vorgeschriebenen Rundlaufs zuverlässig zu prüfen und ggf. zu korrigieren. Eine Korrektur des Rundlaufs ist oftmals leicht möglich, indem der Adapter 3 relativ zur Abtriebswelle 7 und/oder zum Ritzel 5 verdreht wird.
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Es liegt auf der Hand, dass die Erfindung nicht auf die exemplarisch dargestellte und beschriebene Verbindung zwischen dem Wellenstumpf 25 und der Aufnahmebohrung 23 des Adapters 3 beschränkt ist. Vielmehr können alle kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft sind solche Verbindungen, die eine lösbare Verbindung zwischen Wellenstumpf 25 und Abtriebswelle 7 ermöglichen. In Einzelfällen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, eine unlösbare Verbindung, beispielsweise durch Schweißen oder ein anderes stoffschlüssiges Fügeverfahren, einzusetzen.
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Der Außendurchmesser des Ritzels 5 ist 1 mit dem Bezugszeichen Da gekennzeichnet. Aus dem Vergleich des Außendurchmessers Da des Ritzels 5 und des Teilkreisdurchmessers Dtk in 1 wird deutlich, dass auch sehr kleine Ritzel 5 an der Abtriebswelle 7 des Getriebes 1 befestigt werden können. Dadurch kann die Tangentialkraft am Außendurchmesser Da des Ritzels 5 bei gleichem Ausgangsdrehmoment des Abtriebswelle 7 erhöht werden. In Folge dessen ist es möglich, auch kleinere Getriebe einzusetzen um eine vorgegebene Tangentialkraft am Ritzel 5 zu erreichen. Dadurch ergibt sich ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil und außerdem können die kleineren Getriebe benötigen diese Getriebe weniger Bauraum, was in modernen Konstruktionen stets ein großer Vorteil ist. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn das Ritzel 5 eine Zahnstange 37 antreibt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Zentrierung zwischen Adapter 3 und der Getriebewelle 7 anders ausgeführt als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an dem Adapter 3 ein Zentrierbund 39 ausgebildet, welcher mit einem Einpass 41 in der Getriebewelle 7 zusammenwirkt.
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In 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Adapters dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen sehr geringen Bauraumbedarf sowohl in axialer als auch in radialer Richtung aus. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Wellenstumpf 25 und die Aufnahmebohrung durch einen Presssitz miteinander verbunden. Durch eine geeignet gewählte Dimensionierung von Aufnahmebohrung 23 und Wellenstumpf 25 kann die erforderliche Rundlaufgenauigkeit und Planlaufgenauigkeit des Ritzels 5 relativ zu dem Einpass 15 beziehungsweise einem nicht dargestellten Absatz 29 des Flansches 3 erreicht werden. Wie bei allen Ausführungsbeispielen ist der Durchmesser des Wellenstumpfs 25 kleiner als der Außendurchmesser Da des Ritzels 5. Der Planlauf des Ritzels 5 wird durch eine Planfläche 45 des Flansches 3 erreicht beziehungsweise unterstützt. Wie aus 3 ersichtlich, können die Zähne des Ritzels 5 direkt an der Planfläche 45 des Flansches 3 anliegen, so dass sich erstens ein sehr guter Planlauf ergibt und außerdem die bei schwersten Belastungen die Biegung des Ritzels 5 relativ zum Flansch 3 reduziert wird, weil sich die Zähne direkt an der Flanschfläche? 45 abstützen können. Auch dadurch wird die Kerbwirkung im Bereich des Übergangs zwischen der Verzahnung und dem Wellenstumpf 25 (siehe das Detail Z der 3) reduziert.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Einpasses 15 und damit auf der dem Ritzel 5 abgewandten Ende des Flansches 3 eine Vertiefung 47 ausgearbeitet. Die Vertiefung 47 dient dazu, eine Schweißnaht 49 aufzunehmen und zwar so, dass die Schweißnaht 49 nicht in den Einpass 15 hineinragt. Die Schweißnaht 49 wird dann angebracht, wenn das Ritzel 5 und der Flansch 3 mittels eines Presssitzes im Bereich der Aufnahmebohrung 23 kraftschlüssig miteinander verbunden wurden und der geforderte Rundlauf und Planlauf erreicht wurde. Dann wird zur Verbesserung der Drehmomentübertragung eine kreisförmige Schweißnaht 49 aufgebracht. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn als Schweißverfahren das sogenannte Elektronenstrahl-Schweißen angewandt wird. Dieses Schweißverfahren hat den Vorteil, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern, hier Wellenstumpf 25 und Flansch 3, nicht nur an der Oberfläche, das heißt dort wo die Schweißnaht 49 sichtbar ist, entsteht, sondern auch in die Tiefe, das heißt hier in axialer Richtung, hergestellt wird. Im vorliegenden Fall ist eine Nahttiefe der Schweißnaht 49 mit dem Bezugszeichen 51 versehen. Wie aus 3 gut sichtbar ist (siehe insbesondere das Detail Z), ist die Nahttiefe 51 so gewählt, dass die Schweißnaht unterhalb der Zahnfüße 55 des Ritzels 5 endet. Dies bedeutet, dass ein Freistich oder ein Radius 57, welcher den Übergang zwischen dem eigentlichen Ritzel 5 und dem Wellenstumpf 25 unempfindlich gegenüber Kerbwirkung macht, durch die Schweißnaht 49 gewissermaßen von den Wechselbelastungen, die sich beim Betrieb des Ritzels 5 ergeben, entkoppelt wird. Dadurch wird die Kerbwirkung in diesem an und für sich kritischen Bereich weiter reduziert und die Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Adapters, insbesondere von dessen Ritzel 5, weiter erhöht.
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Für die beanspruchte Erfindung kann es dahingestellt bleiben, ob nach dem Einbringen der Schweißnaht 49 durch Elektronenstrahl-Schweißen und der daraus resultierenden zylinderförmigen, stoffschlüssigen Verbindung zwischen Ritzel 5 und Adapter 3 im Bereich der Aufnahmebohrung 23 beziehungsweise des Wellenstumpfs 25 noch eine kraftschlüssige Verbindung hat oder nicht. In den überwiegenden Fällen wird das Elektronenstrahl-Schweißen ohne nennenswerten Volumenverlust der Fügepartner vonstatten gehen, so dass aufgrund der Vorspannung, die durch den Presssitz in den Flansch 3 und den Wellenstumpf 5 eingebracht wurde, diese Volumenabnahme ausgeglichen werden kann und trotzdem noch ein Presssitz zwischen Flansch 3 und Ritzel 5 vorhanden ist. Andernfalls, das heißt wenn die Volumenabnahme der Fügepartner durch die Schweißnaht 49 so stark ist, dass der Querpresssitz nicht mehr vorhanden ist, ist trotzdem eine sichere und belastbare Verbindung zwischen Ritzel 5 und Flansch 3 gegeben.
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Ein besonderer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist neben der Einsparung an Bauraum durch den Wegfall des Spannelements 27 darin zu sehen, dass naturgemäß die Kosten für das Spannelement 27 wegfallen und auch die Kosten für die Bearbeitung des Absatzes 29 am Flansch 3, der bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 als Aufnahmefläche für das Spannelement 27 dient.
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Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verbindung von einer Welle mit einem Ritzel nicht auf Abtriebswellen 13 beschränkt sind. Bei Bedarf können selbstverständlich auch die Antriebswelle eines Getriebes oder jede andere Welle, die mit einem Ritzel drehfest verbunden werden soll, in der erfindungsgemäßen Weise ausgestaltet werden. Schutz soll auch für diese Ausführungsformen und Anwendungen beansprucht werden.
