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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kreiskolbens für eine Kreiskolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen durch ein solches Verfahren hergestellten Kreiskolben.
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Kreiskolbenmaschinen in Trochoidenbauweise weisen einen im Umriss etwa dreieckigen Kreiskolben auf, der sich in einem Motorgehäuse mit trochoidenförmigem Innenquerschnitt dreht und dabei mit seinen Ecken ständig die Gehäusewand berührt. Der Kreiskolben begrenzt mit der Gehäusewand drei Brennkammern, in denen ein Kraftstoff verbrannt wird, um den Kreiskolben durch die Expansion der Verbrennungsgase in Bezug zum Motorgehäuse in Drehung zu versetzen. Der rotierende Kreiskolben treibt eine im Motorgehäuse gelagerte Exzenterwelle, welche die Abtriebwelle der Kreiskolbenmaschine bildet und mit einem Exzenter versehen ist, der eine axiale Bohrung des Kreiskolbens durchsetzt. Um sicherzustellen, dass die Ecken des Kreiskolbens die Gehäusewand ständig berühren, müssen die Drehung des Kreiskolbens und die Drehung der Exzenterwelle mit einem Drehzahlverhältnis von 3 zu 1 synchronisiert werden. Zu diesem Zweck weist der Kreiskolben an einem Stirnende ein Hohlrad mit einer Innenverzahnung auf, das drehfest mit dem Kreiskolben verbunden ist und mit einem gehäusefesten Ritzel kämmt, wobei das Verhältnis der Zähnezahl des Hohlrades zur Zähnezahl des Ritzels 3 zu 2 beträgt. Der Zahneingriff dient nicht zur Kraftübertragung, sondern lediglich zur Führung des Kreiskolbens. Um einen ständigen Kontakt zwischen den Ecken des Kreiskolbens und der Gehäusewand zu gewährleisten, muss die Innenverzahnung des Hohlrades eine vorgegebene Winkelposition in Bezug zu den Ecken des Kreiskolbens aufweisen, wobei die Toleranzen nur wenige Bogenminuten betragen.
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Die Befestigung des Hohlrades am Kreiskolben wurde in der Vergangenheit häufig mit Dehnschrauben oder Schwerspannstiften ausgeführt, wodurch sich zwar die geforderten Toleranzen einhalten lassen, jedoch das Risiko eines Abscherens oder eines Bruchs der Dehnschrauben oder Schwerspannstifte und damit eines schweren Motorschadens besteht. Ein weiterer Nachteil der Dehnschrauben besteht darin, dass an der zum Hohlrad entgegengesetzten Stirnseite des Kreiskolbens ausreichend Platz für die Köpfe der Dehnschrauben benötigt wird, so dass die Ölabstreifringe entsprechend weiter nach außen gelegt werden müssen und dadurch die ölbenetzte Fläche größer wird.
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Bei Kreiskolbenmaschinen, bei denen die Zahnkräfte zwischen der Innenverzahnung des Hohlrades und der Außenverzahnung des mit dem Hohlrad kämmenden gehäusefesten Ritzels relativ klein sind, zum Beispiel bei gemischgekühlten Kreiskolbenmotoren mit Mitteldrücken von etwa 7 bar, wäre es grundsätzlich möglich, das Hohlrad als Teil eines Kolbenkörpers des Kreiskolbens zusammen mit diesem zu gießen und die Innenverzahnung des Hohlrades anschließend direkt im Gusswerkstoff des Kolbenkörpers herzustellen.
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Bei Kreiskolbenmaschinen höherer Leistung mit Mitteldrücken von mehr als 8 bar sind unter Umständen die Zahnkräfte zwischen der Innenverzahnung des Hohlrades und der Außenverzahnung des Ritzels so hoch, dass das Hohlrad aus einem Material mit einer höheren Festigkeit hergestellt werden muss, vorzugsweise aus vergütetem Stahl, während der Kreiskolben selbst zweckmäßig aus einem Gusswerkstoff hergestellt wird. Als Gusswerkstoff findet vorzugsweise entweder Gusseisen mit Kugelgraphit, zum Beispiel GGG 50, oder Schwarzer Temperguss, zum Beispiel GTS 65, Verwendung.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
DE 25 56 176 A1 bekannt. Diese beschreibt einen Kolben für Kreiskolben-Brennkraftmaschinen. Vorgeschlagen wird dabei ein dreieckiger, innenverzahnter, parallelachsiger aus einem Eisenwerkstoff gegossener Kolben für luftgekühlte Kreiskolben-Brennkraftmaschinen in Trochoiden-Bauart. Der Kolben verfügt über im Bereich der Kolbenecken angeordnete Fenster für das Durchleiten eines Frischgasgemischs in ein in der einen Stirnseite der Kolbennabe angeordnetes Hohlrad. Dabei soll die Hohlradverzahnung im Werkstoff des Kolbenkörpers angebracht sein. Dies ermöglicht die Reduzierung des für die Herstellung anfallenden Zeit- und Materialaufwandes.
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Aus der
DE 2 209 473 A ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein bereits mit einer Innenverzahnung versehenes Hohlrad durch Reibschweißen mit einem Kolbenkörper eines Kreiskolbens einer Kreiskolbenmaschine verschweißt wird. Dazu wird das Hohlrad zuerst mit seinem Außendurchmesser in einer entsprechenden zentrischen Bohrung des Kreiskolbens zentriert und seine Innenverzahnung in eine vorbestimmte Winkellage oder Winkelbeziehung zur äußeren Umfangsfläche bzw. zu den Ecken des Kreiskolbens gebracht. Anschließend wird das Hohlrad gegen eine Drehung und Axialverschiebung in Bezug zum Kolbenkörper gesichert und dann ein die kreisförmige Trennfuge zwischen dem Hohlrad und dem Kolben überbrückender Reibring in axialer Richtung gegen aneinandergrenzende Flächen des Hohlrades und des Kreiskolbens angepresst, um durch eine Relativdrehung zwischen dem Reibring einerseits und dem Kolben sowie dem Hohlrad andererseits im Bereich der Trennfuge den Reibring mit dem Kolbenkörper und dem Hohlrad sowie vorzugsweise auch der Kolbenkörper mit dem Hohlrad zu verschweißen. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass das Hohlrad und der Kolbenkörper im Wesentlichen denselben Schmelzpunkt besitzen müssen, da ansonsten die Schweißverbindungen zwischen dem Reibring und dem Hohlrad bzw. dem Reibring und dem Kolbenkörper ungleiche Festigkeiten besitzen werden. Diese Bedingung wird zum Beispiel nicht erfüllt, wenn das Hohlrad aus vergütetem Stahl und der Kolbenkörper aus GTS 50 besteht, dessen Schmelzpunkt zwischen 1000 und 1100°C und damit erheblich unter dem Schmelzpunkt von vergüteten Stahl liegt. Darüber hinaus wird zwar angegeben, dass der Reibring nach dem Anschweißen ganz oder teilweise abgedreht werden kann, jedoch ist ein vollständiges Abdrehen nur dann möglich, wenn auch zwischen dem Hohlrad und dem Kolbenkörper eine ausreichend feste Schweißverbindung hergestellt worden ist. Da das Hohlrad und der Kolbenkörper jedoch nicht flächig miteinander verschweißt werden, wird dies eher selten der Fall sein.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich das Hohlrad und der Kolbenkörper ohne die Notwendigkeit eines Reibrings und/oder ohne Festigkeitsprobleme infolge unterschiedlicher Schmelzpunkte des Hohlrades und des Kolbenkörpers durch Reibschweißen miteinander verbinden lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zuerst das Hohlrad in Form eines Rohlings ohne Innenverzahnung durch Reibschweißen mit dem Kolbenkörper verbunden wird und dass anschließend im Rohling die Innenverzahnung hergestellt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination kann zuerst das Hohlrad in Form des Rohlings durch Reibschweißen direkt, d. h. ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Reibrings, mit dem Kolbenkörper verbunden und dann die Innenverzahnung in dem mit dem Kolbenkörper verschweißten Rohling hergestellt werden. Dadurch kann die Innenverzahnung des Hohlrades mit sehr hoher Wiederholgenauigkeit in die vorgegebene Winkellage oder Winkelbeziehung zu der Kontur bzw. den Ecken des Kreiskolbens gebracht werden, vorzugsweise indem der Kolbenkörper mit dem angeschweißten Rohling in einer definierten Dreh- oder Winkellage in einer Einspannvorrichtung eingespannt und ein zur Herstellung der Innenverzahnung dienendes Werkzeug in einer definierten Dreh- oder Winkellage in Bezug zur Einspannvorrichtung am Rohling angesetzt wird.
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Die Innenverzahnung im Rohling wird vorzugsweise durch Wälzstoßen hergestellt, indem ein mit einer Außenverzahnung versehenes Stoßwerkzeug schrittweise um den inneren Umfang des Rohlings herum bewegt wird, wobei jeweils ein Zahn der Außenverzahnung des Stoßwerkzeugs im Bereich der zu räumenden Zahnlücken mit dem Rohling in Eingriff gebracht und das Stoßwerkzeug in axialer Richtung des Kolbenkörpers bewegt wird, um in den zu räumenden Zahnlücken Späne von wenigen Zehntelmillimetern Stärke spanabhebend abzutragen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass beim Reibschweißen der Rohling in Bezug zum Kolbenkörper um seine Mittelachse in Drehung versetzt und mit einer zur Dreh- bzw. Mittelachse koaxialen Stirnfläche gegen eine gegenüberliegende Stirnfläche des Kolbenkörpers angepresst wird, die ebenfalls koaxial zur Dreh- bzw. Mittelachse ist, bis der Werkstoff des Kolbenkörpers und/oder auch ggf. des Rohlings teigig wird und sich infolge des Anpressdrucks zwischen dem Rohling und dem Kolbenkörper plastisch verformt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen der Rohling bzw. das Hohlrad einerseits und der Kolbenkörper andererseits aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei der Werkstoff des Hohlrades bzw. Rohlings eine höhere Festigkeit als der Werkstoff des Kolbenkörpers besitzt. Das Hohlrad besteht vorzugsweise aus vergütetem Stahl, während der Kolbenkörper zweckmäßig aus einem Gusswerkstoff besteht. Als Gusswerkstoff für den Kolbenkörper wird vorteilhaft Gusseisen, bevorzugt mit Kugelgraphit, zum Beispiel GGG 50, oder Schwarzer Temperguss, zum Beispiel GTS 65, verwendet, wobei der letztere einen erheblich niedrigeren Schmelzpunkt als der vergütete Stahl des Hohlrades besitzt und daher beim Reibschweißen vor dem Stahl des Rohlings teigig wird.
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Vorzugsweise sind die reibverschweißten Stirnflächen des Hohlrades und des Kolbenkörpers gegenüber einem benachbarten Stirnende des Kolbenkörpers axial zurückgesetzt, so dass das Hohlrad bzw. der Rohling nach dem Verschweißen mit dem Kolbenkörper innerhalb einer vom Kolbenkörper begrenzten Ausnehmung angeordnet ist, wobei seine entgegengesetzte, nicht mit dem Kolbenkörper verschweißte Stirnfläche zweckmäßig etwa mit einem benachbarten Stirnende des Kolbenkörpers fluchtet.
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Um das Reibschweißen zu erleichtern, sind die beiden gegenüberliegenden Stirnflächen des Rohlings und des Kolbenkörpers zweckmäßig plan ausgebildet und weisen in radialer Richtung der Drehachse etwa dieselbe Breite auf, so dass sie beim Reißschweißen auf ihrer gesamten Fläche gegeneinander angepresst werden.
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Dies hat auch den Vorteil, dass sich beim Reibschweißen verdrängter Werkstoff des Kolbenkörpers oder ggf. auch des Rohlings als so genannter Schweißbart radial einwärts und radial auswärts von den gegenüberliegenden Stirnflächen ansammeln kann, wo er den späteren Betrieb der Kreiskolbenmaschine nicht stört, so dass er nicht entfernt werden braucht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. 1 zeigt eine teilweise weg geschnittene Längsschnittansicht von einer Hälfte einer Kreiskolbenmaschine, deren Kreiskolben durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt worden ist.
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Die in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Kreiskolbenmaschine 1 besteht im Wesentlichen aus einem Motorgehäuse 2, das einen im Querschnitt trochoidenförmigen Hohlraum umgibt, sowie einen im Motorgehäuse 2 drehbaren Läufer oder Kreiskolben 3, der durch die Verbrennung von Kraftstoff in jeweils einer von drei zwischen dem Motorgehäuse 2 und dem Kreiskolben 3 angeordneten Brennkammern 4 in Bezug zum Motorgehäuse 2 in Drehung versetzt wird. Der Kreiskolben 3 treibt eine in Gleitlagern 5, 6 oder Wälzlagern des Motorgehäuses 2 gelagerte Exzenterwelle 7 an, welche die Abtriebwelle der Kreiskolbenmaschine bildet. Die Exzenterwelle 7 durchsetzt den Kreiskolben 3 in axialer Richtung und ist innerhalb des Kreiskolbens 3 mit einem Exzenter 8 versehen. Der Exzenter 8 ist in einem Gleitlager 9 oder Wälzlager im Kreiskolben 3 gelagert, so dass der Exzenter 8 zusammen mit dem Kreiskolben rotiert und damit die Exzenterwelle 7 vom Kreiskolben 3 mitgenommen wird.
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Das Motorgehäuse 2 umfasst eine Umfangswand 10 und zwei entgegengesetzte ebene Stirnwände 11, 12, sowie zwei in Bohrungen 13 der Stirnwände 11, 12 eingesetzte Lagerflansche 14, 15, in denen die Exzenterwelle 7 in den Gleitlagern 5, 6 gelagert ist. Die beiden Lagerflansche 14, 15 liegen jeweils mit einem Ringflansch 16 gegen die benachbarte Stirnwand 11, 12 des Motorgehäuses 2 an, mit der sie durch axiale Befestigungsschrauben 17 verbunden sind. Die beiden Lagerflansche 14, 15 erstrecken sich jeweils durch die Bohrung 13 in der benachbarten Stirnwand 11, 12 und bilden die Außenschalen der Gleitlager 5, 6.
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Der Kreiskolben 3 weist einen allgemein dreieckigen Umriss mit drei gegen die Umfangswand 10 des Motorgehäuses 2 anliegenden Ecken (nicht dargestellt) und drei zwischen benachbarten Ecken angeordneten, konvex nach außen gewölbten Umfangsflächen 18 auf, die jeweils gemeinsam mit der Umfangswand 10 des Motorgehäuses 2 die Brennkammern 4 begrenzen.
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Der Kreiskolben 3 besteht im Wesentlichen aus einem durch Gießen hergestellten Kolbenkörper 19, der einen hohlen Außenteil 20 und einen den Exzenter 8 der Exzenterwelle 7 umgebenden massiveren Mittelteil 21 umfasst, der durch Rippen 22 einstückig mit dem Außenteil 20 verbunden ist. Der Kolbenkörper 19 besteht aus GGG 50, d. h. Gusseisen mit Kugelgraphit, oder aus Schwarzem Temperguss GTS 65.
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Der Außenteil 20 umfasst zwei entgegengesetzte Stirnwände 23, 24, von denen jede einer Stirnwand 11, 12 des Motorgehäuses 2 in geringem Abstand gegenüberliegt, sowie eine die Stirnwände 23, 24 verbindende Umfangswand 25, die der Umfangswand 10 des Motorgehäuses 2 gegenüberliegt und radial auswärts vom Mittelteil 21 eine konkave Einbuchtung aufweist.
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Die beiden Stirnwände 23, 24 weisen in ihren Außenseiten jeweils zwei ringförmige, zu einer Mittelachse 38 des Exzenters 8 koaxiale Nuten auf, in die mit Wellfedern unterlegte Dichtungen 26 zur Ölabdichtung eingelegt sind. Radial auswärts von den Dichtungen 26 sind im Bereich der Kolbenbogen wellfederbelastete Dichtstreifen 39 in Nuten der Stirnwände 23, 24 eingesetzt vorgesehen. Beide Stirnwände 23, 24 sind jeweils mit einer Bohrung 27, 28 versehen, wobei die Bohrung 28 einen größeren Innendurchmesser besitzt.
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Die Exzenterwelle 7 erstreckt sich nach beiden Stirnseiten aus dem Motorgehäuse 2 heraus, wobei sie jeweils mittels einer Wellendichtung 29 gegenüber den Lagerflanschen 14, 15 abgedichtet ist.
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Um die Drehung der Exzenterwelle 7 mit der Drehung des Kreiskolbens 3 zu synchronisieren und dadurch die Ecken des Kreiskolbens 3 in ständigem Kontakt mit der Umfangswand 10 des Motorgehäuses 2 zu halten, ist der Kreiskolben 3 an dem in der Zeichnung links dargestellten Stirnende mit einem Hohlrad 30 mit einer Innenverzahnung 31 versehen, die mit einer Außenverzahnung 32 eines gehäusefesten stehenden Ritzels 33 kämmt. Das Hohlrad 30 ist in die Bohrung 28 eingesetzt und drehfest mit dem Kreiskolben 3 verbunden, wobei das Hohlrad 30 und die Bohrung 28 ebenso wie die Öldichtringe 26 koaxial zur Mittelachse 38 des Exzenters 8 sind. Das gehäusefeste Ritzel 33 ist in einen ringförmigen Vorsprung des Lagerflanschs 14 eingeformt, der über die Innenseite der Stirnwand 11 des Motorgehäuses 2 übersteht, und weist eine zur Drehachse 37 der Exzenterwelle 7 koaxiale Mittelachse auf. Das Verhältnis der Zähnezahl des Hohlrades 30 zur Zähnezahl des Ritzels 33 beträgt 3 zu 2. Dadurch wird bewirkt, dass die Ecken des Kreiskolbens 3 etwa die Figur einer Acht beschreiben, während sich der Kreiskolben 3 innerhalb des Motorgehäuses 2 auf der Exzenterwelle 7 um die Mittelachse 39 des Exzenters 8 dreht, die in Bezug zur Drehachse 37 der Exzenterwelle 7 eine Exzentrizität e aufweist.
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Zur Herstellung der drehfesten Verbindung zwischen dem Hohlrad 30 und dem Kreiskolben 3 wird der Kolbenkörper 19 bei der Fertigung des Kreiskolbens 3 zuerst durch Reibschweißen mit einem Hohlraumrohling ohne Innenverzahnung verschweißt. Die Innenverzahnung 31 wird erst danach durch Wälzstoßen ausgebildet.
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Zum Verschweißen des Hohlradrohlings mit dem Kolbenkörper 19 wird der letztere in eine ortsfeste Einspannvorrichtung (nicht dargestellt) eingespannt, während der erstere in eine gegenüberliegende Einspannvorrichtung (nicht dargestellt) eingespannt wird, die sich zusammen mit dem eingespannte Hohlradrohling um die Mittelachse des Exzenters 10 drehend antreiben und axial an den Kolbenkörper 19 annähern lässt, um den Hohlradrohling in die Bohrung 28 einzuführen und dann innerhalb der Bohrung 28 mit seiner dem Kolbenköper 19 zugewandten ebenen Stirnfläche 34 gegen eine gegenüberliegende ebene Stirnfläche 35 des Mittelteils 21 des Kolbenkörpers 19 anzupressen und dabei zu drehen.
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Die Anpressung und die Drehung des Hohlradrohlings in Bezug zum Kolbenkörper 19 wird so lange aufrechterhalten, bis der Mittelteil 21 des Kolbenkörpers 19 infolge der Reibungswärme angrenzend an die Stirnfläche 35 teigig wird und sich plastisch verformt, wobei radial einwärts und radial auswärts von den gegeneinander angepressten Stirnflächen ein so genanter Schweißbart 36 zwischen den gegeneinander angepressten Stirnflächen 34, 35 heraus gequetscht wird. Anschließend wird die Drehung des Hohlradrohlings gestoppt, dieser jedoch weiterhin axial gegen den Kolbenkörper 19 angepresst, bis der erweichte Gusswerkstoff des Kolbenkörpers 19 im Bereich der Schweißnaht vollständig erkaltet und der Hohlradrohling fest mit dem Kolbenkörper 19 verbunden ist.
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Anschließend wird der Hohlradrohling nach einer vorbereitenden Bearbeitung in einer Drehmaschine in einer Wälzstoßmaschine (nicht dargestellt) spanabhebend bearbeitet, um die Innenverzahnung 31 des Hohlrades 30 herzustellen. Dazu wird der Kolbenkörper 19 derart in einer Einspannvorrichtung der Wälzstoßmaschine eingespannt, dass die drei Ecken des Kreiskolbens 3 bzw. des Kolbenkörpers 19 in Bezug zur Einspannvorrichtung genau definierte Winkellagen oder Winkelbeziehungen mit Toleranzen von wenigen Bogenminuten aufweisen und dass die Mittelachse des Hohlradrohlings bzw. der herzustellenden Innenverzahnung 31 auf einer vorbestimmten Wälzachse liegt. Anschließend wird ein mit einer Außenverzahnung versehenes Stoßwerkzeug der Wälzstoßmaschine so ausgerichtet, dass es sich einerseits um die Wälzachse drehen und dabei am inneren Umfang des Hohlradrohlings entlang abwälzen lässt und andererseits an einer genau definierten Stelle mit dem Hohlradrohling in Eingriff tritt, das heißt in einer genau definierten Winkellage oder Winkelbeziehung mit Toleranzen von wenigen Bogenminuten in Bezug zur Einspannvorrichtung und damit auch zu den Ecken des Kreiskolbens 3.
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Das Stoßwerkzeug wird dann schrittweise um den inneren Umfang des Hohlradrohlings herum bewegt und abgewälzt, wobei jeweils die Zähne der Außenverzahnung des Stoßwerkzeugs im Bereich der zu räumenden Zahnlücken mit dem Rohling in Eingriff gebracht werden und das Stoßwerkzeug in axialer Richtung des Rohlings bewegt wird, um in den zu räumenden Zahnlücken Späne von wenigen Zehntelmillimetern Stärke spanabhebend abzutragen.
