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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Riemenantrieb welcher aus zwei Zahnscheiben besteht und einen Zahnriemen führen kann, und wobei der Zahnriemen über die Zahnscheiben eine Antriebsachse mit einer Abtriebsachse verbindet und wobei die Abtriebsachse mindestens ein Rad – vorzugsweise von einem elektromotorisch angetriebenen Fortbewegungsmittels – antreiben kann. Zahnriemenscheiben sind hierbei höheren Anforderungen ausgesetzt, die Verzahnung ist breiter als bei Kettenantrieben, die Verzahnung muss hierbei über die volle Breite formschlüssig mit dem Zahnriemen deckungsgleich in Eingriff gebracht werden. Die Fertigung von solchen Zahnscheiben ist hierbei bisher sehr aufwändig und werkzeugintensiv.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, das vorhergehend beschriebene Problem zu lösen. Darüber hinaus soll eine Zahnscheibe nicht nur günstig herstellbar sein, sondern auch modulartig montierbar sein. Diese Aufgaben werden mit Zahnsegmenten gelöst, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung wird ein Zahnrad für einen Riementrieb vorgeschlagen, das mehrteilig ausgebildet ist und ein Trägerteil sowie wenigstens ein Zahnsegment umfasst, das drehfest am Trägerteil montierbar ist, wobei zumindest das Zahnsegment mehrere Zähne und Lücken aufweist, an denen ein Zahnriemen angreifen kann. Ein solches mehrteiliges Zahnrad ist wesentlich einfacher zu fertigen als herkömmliche Zahnräder.
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Das erfindungsgemäße Trägerteil umfasst vorzugsweise Mittel zur Montage an einer Welle – wobei das Trägerteil direkt oder über einen Adapter an der Welle befestigt werden kann – und Mittel zur Befestigung des wenigstens einen Zahnsegments am Trägerteil. Die vorstehend genannten Mittel zur Montage bzw. Befestigung können z.B. eine oder mehrere Bohrungen, Ausnehmungen, Zapfen oder dergleichen umfassen.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Zahnrad zweiteilig ausgebildet und umfasst genau ein Trägerteil und genau ein Zahnsegment. Trägerteil und Zahnsegment können z. B. jeweils scheibenförmig gebildet sein und z. B. jeweils eine Hälfte des Zahnrades bilden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Zahnrad drei- oder mehrteilig ausgebildet und umfasst z. B. ein Trägerteil und mehrere Zahnsegmente.
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Die Zahnsegmente können alle auf derselben Seite des Trägerteils oder auf beiden Seiten des Trägerteils montiert sein.
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Das Trägerteil kann z. B. die Form einer Sternscheibe haben, die mehrere Arme aufweist. Am Ende der Arme der Sternscheibe können Zähne vorgesehen sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Trägerteil ringförmig gebildet und erstreckt sich über einen gesamten Kreisumfang.
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Das Trägerteil kann auch selbst eine Verzahnung aufweisen.
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Ein Zahnsegment kann wenigstens auf einer Seite eine Bordwand aufweisen, die einen seitlichen Anschlag für einen Zahnriemen bildet, wenn er eingesetzt ist. Die Bordwand kann auch auf beiden Seiten des Zahnsegments vorgesehen sein.
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Gemäß der Erfindung kann auch das Trägerteil eine Bordwand aufweisen, die einen seitlichen Anschlag für einen Zahnriemen bildet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat die Bordwand eine Einlaufschräge für einen Zahnriemen, die den Zahnriemen nach innen in Richtung der Zähne führt.
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Ein Zahnsegment kann sich über einen Teil eines Kreisumfangs, d.h. nicht über den gesamten Kreisumfang des Zahnrades, erstrecken.
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Bei einem Zahnrad mit einem Trägerteil und mehreren Zahnsegmenten sind die Zahnsegmente vorzugsweise derart am Trägerteil montiert, dass zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Zahnsegmenten eine Lücke frei bleibt. Die Zahnsegmente sind also in Umfangsrichtung vorzugsweise nicht bündig angeordnet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das Zahnsegment dagegen über den gesamten Kreisumfang des Zahnrades.
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Ein erfindungsgemäßes Zahnsegment hat vorzugsweise eine seitlich offene Ausnehmung, in die ein Abschnitt des Trägerteils eingesetzt werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird auch ein Zahnsegment mit mehreren Zähnen und Lücken vorgeschlagen, das einstückig gebildet ist und sich wenigstens über einen Teil eines Kreisumfangs erstreckt und das ferner zur Montage an einem Trägerteil ausgebildet ist.
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Ein erfindungsgemäßes Zahnrad bzw. Zahnscheibe kann z. B. den folgenden Aufbau aufweisen: Ein zentrales Trägerradteil ist über angeformte Bohrungen vorzugsweise an eine Achse oder Kurbel koppelbar, welche per Pedal oder elektromotorisch antreibbar ist. Hierzu hat die Achse angeformte Öffnungen oder äußere Laschen oder einen Bund mit Bohrungen welche vorzugsweise ein Gewinde aufweisen und wobei mittleren Öffnungen des Trägerteils vorzugsweise mittels Schrauben an einer Achse befestigbar sind.
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Das Prinzip ist dem vergleichbar was bei Fahrrädern als Verbindung zwischen Kettenblatt und Achse bekannt ist. Das Trägerteil hat hierbei an seinem äußeren Umfang Befestigungsmöglichkeiten für mindestens ein Zahnsegment oder eine Zahnsegmentscheibe.
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Vorzugsweise ist das Trägerteil hierbei scheibenförmig oder sternförmig ausgebildet und hat an seinem Umfang beispielsweise 6 Befestigungspunkte, an denen Zahnsegmente befestigt werden können. Die Zahnsegmente haben hierbei zum Beispiel die Form eines Teils einer Zahnscheibe. Solche Teilsegmente sind günstig herstellbar, da sie nur klein sind und da wenig Abfallmaterial bei der Herstellung anfällt. Außerdem können hierbei Strangpressprofile oder Pressformteile als Rohling verwendet werden. Vorzugsweise können aber auch aus kleinen Halbzeugen solche Zahnsegmente aus dem Vollmaterial heraus gefertigt werden. Je nach Bedarf können dann aus Vorräten Segmente mit passenden Trägerteilen zu Zahnscheiben nach Bedarf kombiniert und montiert werden. Vorzugsweise sind die Teile nur aus einer Richtung ohne Umspannen auf einer CNC Fräsbank gefertigt. Durch solch ein Fertigungsverfahren kann dann meist nur schwer eine Verzahnung mit beiderseitiger Führungsbordwand gefertigt werden, welche das Herabrutschen eines Riemens von der Scheibe verhindern soll. Wenn beiderseitig eine Wand gewünscht ist, ist es nur unter erhöhtem Aufwand möglich zwischen den beiden Bordwänden ein Zahnprofil einzubringen. Bei den hier beschriebenen Zahnsegmenten wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Zahnsegmente wechselseitig von beiden Seiten auf das Trägerteil montiert werden. Nimmt das Trägerteil beispielsweise 6 Zahnsegmente auf, und werden je drei von einer Seite montiert, entsteht eine wechselseitig überstehende Bordwand auf beiden Seiten des Riemens. Solch eine Führung, jeweils an 3 Segmentstellen am Umfang ist hierbei völlig ausreichend, um ein Herabrutschen oder Herablaufen des Riemens zu verhindern. Ist solch ein Aufbau an einem Elektrofahrrad als Antriebsblatt montiert, hat sich herausgestellt, dass dann auch auf diese Weise bereits wirkungsvoll ein Einziehen eines unteren Hosenabschnitts verhindert werden kann.
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Weiterhin können zum Schutz des unteren Hosenbeines auch dünnen Zusatz-Plättchen von außen zusätzlich an die jeweils freistehenden Zahnsegmente angeschraubt werden, damit ein durchgehender Schutz vorhanden ist.
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Ebenso kann aber auch zum Beispiel die hintere Zahnscheibe nur 8mm breit sein, sodass ein 10 mm breiter Riemen 2 mm ohne Schutz überstehen würde. So etwas ist insbesondere bei Alfinenaben oder auf der kleineren Hinterachse, Abtriebsachsen denkbar.
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Das Trägerteil hat des weiteren vorzugsweise an seinen Enden angeformte Aufnahmen in die neben der Verschraubung Formabschnitte der Zahnsegmente eingreifen können, so dass das Drehmoment nicht nur über die Befestigungsmittel geleitet wird sondern auch über die formschlüssig ineinandergreifenden Enden der Segmente mit den Enden des Trägerteils.
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Da solche Riemenscheiben oft freihängend montiert sind, sind diese der Verschmutzungsgefahr ausgesetzt. Setzt sich Schmutz auf die Scheibe, wird dieser in der Verzahnung verdichtet und kann zum Versagen führen, weil dann der Zahnriemen gedehnt wird oder nicht mehr richtig in die Zähne eingreifen kann. Um dies zu verhindern wird erfindungsgemäß auch vorgeschlagen eine asymmetrische Ausnehmung der Bordwand vorzunehmen. Hierbei wird auch ein Teil im Grund der Verzahnung mit ausgenommen. Insbesondere ist hierbei eine Hälfte des Zahngrunds zwischen 2 Zähnen asymmetrisch oder zur Hälfte entfernt. Dieser Teil der den Zahngrund zur Hälfte aus Ausnehmung entfernt ist hierbei als Öffnung durch die Bordwand vorzugsweise in zylindrischer Form vorgesehen, und kann also durch einen zylindrischen Standardfräser gefertigt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist diese zylindrische Ausnehmung hierbei so gefertigt, dass der Fräser in eine Richtung zur Mitte des Trägerteils, der Trägerteilachse oder des Verzahnungsumfang so verfahren wird, dass die zylindrische Ausnehmung verschränkt also in einem Winkel zur Mittel-Achse der Zahnscheibe oder des Trägerteils verläuft. Dies kann beispielsweise so gefertigt werden, dass der Fräser in das Material eintaucht, die Ausnehmung fräst, und beim Herausfahren schräg nach oben geführt wird. Eine solche schräge zylindrische Form hat den Vorteil dass Schmutz welcher im Zahngrund anfällt nicht nur in diese Öffnung durch den Riemen gepresst wird, sondern über die so entstandene Schräge nach außen gepresst wird, aus der Scheibe heraus. Eine solche Schräge beträgt im Schnitt etwa vorteilhafter Weise zwischen 5° und 40°.
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Des Weiteren kann eine Beschichtung oder Lackierung den Abtransport nach außen über die Schräge begünstigen. Eine solche Schräge kann des Weiteren stufenförmig ausgeführt sein, oder von der Mitte ausgehend nach beiden Seiten schräg weg nach außen führen. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn zwei Segmentteile sich von beiden Seiten treffen, oder eine Zahnscheibe so zweiteilig ausgeführt ist, dass die Verzahnung aus 2 Teilen gebildet wird. Die an die Segmente angeformte Bordwand ist des Weiteren angeschrägt, so dass der Riemen immer nach innen geführt wird sollte er einmal leicht nach außen abgelenkt sein. Eine solche Fase geht insbesondere auch um die rund ausgeformten Enden von einzelnen Segmenten herum.
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Eine weitere Ausführung sieht vor, dass auch bereits das Trägerteil eine Bordwand und einen Teil der Verzahnung enthält, welcher durch einzelne Segmente vervollständigt oder ergänzt wird. Hierbei wird eine Gestaltung erreicht bei der fast vollständig der Umfang mit Bordwänden abgedeckt wird, jedoch große Teile der Verzahnung modulartig gefertigt und auf das Trägerteil bestückt werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bildet das Trägerteil eine Seite der Zahnriemenscheibe welches nur noch durch ein kreisrundes, scheibenförmiges Gebilde, eine Zahnsegmentscheibe vervollständigt wird. Hierbei kann hochpräzise auf jedem Teil eine Verzahnung aufgebracht werden, wobei hälftig auch eine vollständige Bordwand gefertigt wird. Durch das Zusammenfügen von Trägerteil und Zahnsegmentscheibe entsteht dann ein deckungsgleiches Profil auf welchem der Riemen hochpräzise geführt werden kann.
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Vorteilhafterweise können solche Aufbauten auch so montiert werden, dass zwischen beiden Teilen ein Spalt entsteht, durch welchen ebenfalls Schmutz abgeführt werden kann. Insbesondere kann aber auch Trägerteil und Segmentscheibe identisch ausgeführt sein, sodass 2 gleiche oder fast gleiche Teile so montiert werden, dass diese zusammen die Zahnriemenscheibe je hälftig bilden. Solche Aufbauten werden vorzugsweise aus Aluminium gefertigt, können jedoch auch aus Titan oder anderen Nichteisen-Legierungen oder aber auch Stahl gefertigt werden.
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Erfindungsgemäß kann durch die hier gezeigte Erfindung auch ein Kettenantrieb auf Riemenantrieb umgerüstet wird. Hierzu wird die Riemenverzahnung direkt an einem originalen Ketten-Zahnritzel befestigt oder an das Trägerteil für solche herkömmliche Ritzel befestigt. Hierbei kann das alte Ritzel zwischen oder unter dem Riemenprofil vorhanden bleiben.
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Weitere Vorteile und Gesichtspunkte ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Anwendung eines Riementriebs an einem elektromotorisch angetriebenen Elektro-Fahrrad/ E-Bike.
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2A zeigt einen Riemenantrieb mit Überdeckung der Verzahnung, sowie 2B einen vergrößerten Ausschnitt. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Teil eines Riementriebs mit einem Zahnrad 9, über das ein Zahnriemen 2 läuft. Die Zähne des Zahnriemens 2 sind mit dem Bezugszeichen 6 und die Lücken mit 7 bezeichnet. Das Zahnrad 9 hat an seinem Außenumfang ebenfalls mehrere Zähne 20 und Lücken 3. Die Lücken 3 haben einen radial außen liegenden Bereich 4, der dazu ausgelegt ist, einen Zahn 6 des Zahnriemens 2 aufzunehmen, und eine darunter liegende Ausnehmung oder Tasche 5, die bei eingelegtem Zahnriemen 2 frei bleibt. Die Ausnehmung bzw. Tasche 5 hat eine Grundfläche 19, die schräg nach außen verläuft. Eine Radiallinie ist mit 8 bezeichnet. Zur Montage des Zahnrades 9 an einer Welle sind mehrere Bohrungen 30 vorgesehen.
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3A zeigt ein sternförmiges Trägerteil 10 welches auf einer Achse im Mittelpunkt 11 angebracht werden kann. Am äußeren Umfang sind an Schraubpositionen 15 die Zahnsegmente 12 montiert, wobei diese wechselseitig von beiden Seiten des Trägerteils montiert sind.
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3B zeigt die Schnittvergrößerung A-A aus 3A mit ersichtlicher Bordwand 13.
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3B zeigt die Schnittvergrößerung B-B aus 3A mit Schnittansicht im Bereich der äußeren Befestigung, bei welcher sich beide Zahnsegmente überdecken. Beide Teile haben eine Bordwand 13, zwischen den Bordwänden ergibt sich die Verzahnungsbreite und der Platz zwischen den Bordwänden wo der Riemen abwälzt.
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4A zeigt das Trägerteil 10 alleine, mit inneren Montagepositionen zur Befestigung an einer Achse die deckungsgleich in der Mitte 11 zum liegen kommt, sowie äußere Montagepositionen 16 für die Zahnsegmente.
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4A zeigt den vergrößerten äußeren Montagebereich des Trägerteils 10. In angeformte Bereiche 17 greifen hierbei zusätzlich die Zahnsegmente ein, wobei ein Teil des Drehmoments über solche formschlüssigen Geometrien parallel zu den Befestigungspunkten 16 übertragen wird.
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5A zeigt ein einzelnes Zahnsegment 12 mit der Verzahnung 20. Die Kraft auf den Riemen wird hierbei im Wesentlichen über den Formschluss auf den Zahnflächen 21 übertragen. Eine Ausnehmung der Wand wird hierbei gebildet durch eine Kontur-Ausnehmung 22 und eine zylindrische Ausnehmung 18.
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5B zeigt das Zahnsegment 12 aus dem Schnitt A-A aus 5A. Ersichtlich ist, dass die Bordwand 13 eine Einlaufschräge 27 hat. Die zylindrische Ausnehmung 18 ist hierbei schräg ausgeformt, so dass sich eine schräge Grundfläche 19 ergibt über welche Schmutz nach außen abgeführt oder ausgepresst werden kann.
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5C zeigt die Verzahnung in Vergrößerung. In der Draufsicht ist ersichtlich dass der Zahngrund 23 zwischen zwei Zähnen im Wesentlichen durch eine zylindrische Form asymmetrisch zu den Zähnen, d.h. hier konkret mit linker Orientierung ausgenommen wird.
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Während dem Fräsen wird der Fräser abschließend aus dem Material mit üblicher Fräsdrehzahl herausgehoben und dabei in Pfeilrichtung, in Richtung Zahnkreismitte geführt. Es entsteht so ein schräger Zylinder und in dieser Draufsicht eine Zylinderinnenfläche. Hierbei bleiben die Zahnflanken 21 vorzugsweise intakt.
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In einem Bereich 24 überlappt die zylindrische Ausnehmung mit einer weiteren Ausnehmungskontur 22, so dass sich die einprägsame Gesamtkontur der Freimachung ergibt.
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Die 6A zeigt ein Zahnsegment 12 mit abgerundeten Ecken 26.
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6B weist aus dass das Segment nur eine reduzierte Verzahnungsbreite hat, da dieses Segment als Ergänzungsteil zu einem Trägerteil gedacht ist, an welches bereits eine Hälfte der Verzahnungsbreite angeformt ist.
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6C zeigt dieses reduzierte Element in perspektivischer Darstellung.
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7A zeigt ein Trägerteil 10 welches als Teilzahnrad ausgeführt ist, an welchem ein Teil der Verzahnungsbreite schon angeformt ist. Auf dieses Rad werden Hälften oder Teile der Verzahnungsbreite mittels befestigter Zahnsegmente 12 ergänzt.
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7B zeigt eine sich ergebende Verzahnungsbreite von beispielsweise 9 mm.
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7C zeigt in der Verzahnungsbreite minimierte Segmentanbauten im Schnitt eines Rades wie in 7A gezeigt.
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7D zeigt ein solches Zahnriemenrad fertig montiert in perspektivischer Darstellung.
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8A zeigt ein Trägerteilriemenrad mit angeformter Verzahnung und bemaßtem Anschluss einer Achsbefestigung. Auf einem Kreis D = 88 mm zentriert sich das Rad, wobei auf einem Teilkreis von D = 104 mm die Befestigungsbohrungen liegen. Dieser wird vorzugsweise so gewählt wenn große Drehmomente zu übertragen sind.
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8B zeigt ein solches Rad im Schnitt mit sich ergebender Riemenbreite von 11 mm wobei die Segmente eine Höhe von 10 mm haben, und das Trägerteil eine Stärke von 5 mm besitzt.
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9A zeigt ein Trägerrad 10 welches mit einem Rundsegment 12 montiert zusammen ein Riemenrad ergibt.
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In 9B ist ersichtlich dass die Teile auf Distanz gehalten werden, und die Verzahnung 20 nicht durchgehend ausgeführt ist, und asymmetrisch mit einem Spalt unterbrochen ist. Hierdurch kann vorteilhaft auch Schmutz durch den Riemen ausgepresst oder verdrängt werden, welcher zwischen Riemen und Verzahnung 20 gelangt.
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Weiterhin ist eine Adaption möglich, bei der ein Antrieb von Ketten- auf Riemenantrieb umgerüstet wird. Hierzu wird die Riemenverzahnung direkt an einem originalen Ketten-Zahnritzel befestigt, oder dem Trägerteil für solche herkömmliche Ritzel befestigt.
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9C zeigt ein solches Zahnriemenrad fertig montiert in perspektivischer Darstellung.
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10 und 10B zeigt ein Riemenrad, wobei Trägerrad 10 und das Rundsegment 12 identisch oder fast identisch ausgeführt sind, wobei sich zusammen montiert das Riemenrad ergibt. Im Schnitt ist ersichtlich dass sich die Schrägen für den Schmutzauswurf entgegenstehen, so dass sich in der Mitte eine spitze Dachform ergibt. Falls hier Schmutz eingebracht wird, wird dies durch den Riemen auf diese Flächen 19 gedrückt und beiderseitig ausgeworfen.
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10C zeigt ein solches Zahnriemenrad fertig montiert in perspektivischer Darstellung.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden ausführlichen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert werden.
