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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verzahnung für 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. Anders wie bei Kettenantrieben ist solch eine Verzahnung für Verschmutzung gefährdet, insbesondere wenn sich Schmutz im Zahngrund der Verzahnung absetzt. Deswegen müssen geeignete Verzahnungen gefunden werden, welche möglichst gegen Schmutz unempfindlich sind. Die Fertigung von solchen Verzahnungen 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 solch eine Verzahnung nicht nur günstig herstellbar sein, sondern auch schmutzabweisend sein und Schmutz in Zusammenwirkung mit dem Riemen aus der Verzahnung entfernen. Des Weiteren wird eine Lösung vorgeschlagen, wie Selbstreinigungseffekte weiter verbessert werden können. 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 mit einer Verzahnung versehenes Element für einen Riementrieb vorgeschlagen, das mehrere Zähne und Lücken aufweist, wobei die Lücken einen außen, im Bereich der Zahnenden liegenden Bereich, der dazu ausgelegt ist, einen Zahn eines Zahnriemens formschlüssig aufzunehmen, und eine darunter liegende Tasche bzw. Ausnehmung aufweisen, die bei eingelegtem Zahnriemen frei bleibt, wobei das Element zumindest im Bereich der Tasche in Querrichtung nach außen hin offen ist, so dass der sich in der Tasche sammelnde Schmutz in seitlicher Richtung heraus gequetscht werden kann.
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Die Lücken haben vorzugsweise im Bereich der Tasche eine Grundfläche, die zumindest abschnittsweise gegenüber der Querrichtung geneigt ist. D.h., die Flächennormale der Grundfläche steht nicht senkrecht auf die Querrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Grundfläche einer Tasche z. B. von einer Seitenfläche zur gegenüberliegenden Seitenfläche des Elements durchgehend schräg verlaufen. Sie kann aber auch ein in einem mittleren Bereich liegendes Maximum aufweisen und von dort aus jeweils schräg nach unten verlaufen, also z. B. einen dachförmigen Verlauf haben. Die Schräge kann eine kontinuierliche Steigung oder verschiedenen Steigungen aufweisen und z. B. Stufenförmig gebildet sein.
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Die Grundfläche einer Tasche ist zumindest an einem Abschnitt gegenüber der Querrichtung vorzugsweise um einen Winkel zwischen 5° und 40° geneigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Tasche eine kreiszylindrische Grundfläche, die einen Teil der Mantelfläche eines Zylinders bildet, dessen Längsachse gegenüber der Querrichtung vorzugsweise um einen vorgegebenen Winkel verschränkt ist.
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Die zwischen den Zähnen befindlichen Lücken sind vorzugsweise, in Querrichtung betrachtet, bezüglich einer gedachten Radiallinie, welche mittig durch den außen liegenden Bereich der Lücken verläuft, asymmetrisch gebildet.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Tasche einer Lücke bezüglich einer Radiallinie, welche mittig durch den außen liegenden Bereich der Lücke verläuft, in Bewegungsrichtung betrachtet, nach hinten versetzt angeordnet. D.h., die Tasche befindet sich größtenteils oder vollständig, in Bewegungsrichtung betrachtet, hinter der mittig angeordneten Radiallinie.
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Die Taschen werden vorzugsweise durch Fräsen hergestellt. Das erfindungsgemäße Element hat vorzugsweise wenigstens auf einer Seite (oder auf beiden Seiten) eine seitlich angeordnete Bordwand, die einen seitlichen Anschlag für einen eingelegten Zahnriemen bildet, wenn dieser eingesetzt ist.
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Die Bordwand überragt vorzugsweise die Zähne des Elements in Radialrichtung.
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Das erfindungsgemäße Element bzw. die Bordwand hat vorzugsweise im Bereich der Taschen jeweils eine seitliche Öffnung. Die seitliche Öffnung kann sich auch über den außen liegenden Bereich einer Lücke, der einen Zahn eines Zahnriemens aufnimmt, erstrecken.
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Das erfindungsgemäße Element ist vorzugsweise einstückig gebildet und erstreckt sich über einen Teil eines Kreisumfanges, jedoch nicht über einen gesamten Kreisumfang. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann es sich auch über einen gesamten Kreisumfang erstrecken.
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Das erfindungsgemäße Element umfasst vorzugsweise Mittel, wie z.B. eine oder mehrere Bohrungen, Ausnehmungen, Verbindungselemente oder dergleichen, um es an einem Trägerteil zu montieren.
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Gemäß der Erfindung wird auch ein Zahnrad bzw. eine Riemenscheibe für einen Riementrieb vorgeschlagen, das bzw. die ein Trägerteil und wenigstens ein vorstehend beschriebenes verzahntes Element umfasst.
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Das Trägerteil kann z. B. ein scheibenförmiges Teil sein, das Mittel zur Montage an einer Welle sowie Mittel zur Befestigung eines oder mehrerer verzahnter Elemente aufweist. Die Mittel zur Befestigung können z. B. eine oder mehrere Bohrungen, Ausnehmungen, Stifte mit oder ohne Gewinde und dergleichen umfassen.
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Das Trägerteil und die erfindungsgemäßen verzahnten Elemente sind vorzugsweis derart ausgebildet, dass letztere von einer oder von beiden Seiten am Trägerteil befestigt werden können. Das Trägerteil kann z. B. sternförmig gebildet sein.
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Eine erfindungsgemäße Zahnscheibe für einen Zahnriemen 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. Bei bisherigen Kettenantrieben sind jedoch die starren Kettenglieder relativ zu der Verzahnung der Ritzel mit großen Passungen und Zwischenräumen ausgeführt. Die Verschmutzung wird über Quetschung direkt zwischen Zahn und Kettenglied nach außen abgeschieden. Ein relativ starres Kettenglied drückt auch den Schmutz aus dem schmalen Verzahnungsgrund direkt nach außen ab.
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Zahnriemen benötigen jedoch bei gleicher Kraftübertragung einen breiteren Riemen und breitere Verzahnungen um deckungsgleich per Formschluss die Kräfte von der Verzahnung des Riemens auf die Zahnscheibe oder umgekehrt übertragen zu können. Da solche, hierfür benötigte Riemenscheiben oft freihängend montiert sind, sind diese oft der unmittelbaren Verschmutzungsgefahr ausgesetzt. Gehäuse um solche Riemenantriebe sind oft nicht praktikabel, oder führen andere negative Effekte mit sich wie Ablagerungen an nicht mehr zugänglichen Stellen oder behindern einen Nutzer beim Treten, werden beim Treten beschädigt.
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Setzt sich Schmutz auf eine Riemenscheibe, wird dieser in der Verzahnung verdichtet und kann zum Versagen des Riemenantriebs führen, weil dann der effektive Riemenraddurchmesser vergrößert wird und dadurch der Zahnriemen gedehnt wird oder nicht mehr richtig in die Zähne eingreifen kann. Um dies zu verhindern wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine asymmetrische Ausnehmung der Bordwand vorzunehmen und diese mit einem Schmutzaustriebsloch zu versehen. Hierbei wird auch ein Teil im Grund der Verzahnung mit ausgenommen. Insbesondere ist hierbei eine Hälfte des Zahngrunds zwischen zwei 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.
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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 die Riemenscheibe zweiteilig ausgeführt ist oder aus Segmenten besteht und die Segmentteile sich von beiden Seiten treffen.
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Die an die Segmente oder die hälftigen Riemenscheiben angeformte Bordwand ist vorzugsweise 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 wenn die Scheibe aus Segmenten zusammengefügt ist.
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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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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 werden. Hierzu wird die Riemenverzahnung direkt an einem originalen Ketten-Zahnritzel befestigt oder an das Trägerteil für solche herkömmliche Ritzel befestigt.
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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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Die zwischen den Zähnen angeordneten asymmetrischen Öffnungen 22 sind hierbei in Hauptdrehrichtung der Riemenscheibe angeordnet, und der sich auflegende Riemen presst während dem Abrollen der Verzahnung zueinander zuerst den entstehenden Schmutzansatz in die dort so angebrachte Öffnung, Schmutztasche. Kurz vor vollständiger Anlage der Riemenverzahnung drückt die Riemenverzahnung knetend weiteren Schmutzansatz in Richtung der asymmetrischen Tasche. Durch diese ständige Knetbewegung wird ein Zusetzen des Zahngrunds also insbesondere durch die asymmetrische Anordnung verhindert.
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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 5 mit seitlicher Öffnung 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 5 ist hierbei schräg geformt, so dass sich eine Schräge 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 19. Hierbei bleiben die Zahnflanken 21 vorzugsweise intakt. In einem Bereich 24 überlappt die zylindrische Ausnehmung mit einer weiteren Ausnehmungskontur 22, so dass sich die einprägsame Gesamtkontur der Freimachung ergibt. Die Verzahnungsflanken 21 sind deckungsgleich mit der Verzahnung eines Zahnriemens in Eingriff bringbar, wie in 2 gezeigt.
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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. 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.
