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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung einer Welle an einem Rad mittels einem solchen Verfahren.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad ist aus der
EP 0 513 646 B1 bekannt. Dabei ist die Welle aus Stahl hergestellt, während das Rad aus einer Aluminiumlegierung oder einer Titan-Legierung hergestellt ist. Zum Verbinden der Welle mit dem Rad wird auf einen Wellenverbindungsbereich der Welle mittels Reibschweißen eine Kupferschicht aufgebracht, während auf einem Radverbindungsbereich des Rades mittels Reibverschweißen eine Vanadiumschicht aufgebracht wird. Anschließend werden die Wellen und das Rad am Wellenverbindungsbereich und am Radverbindungsbereich mittels Reibverschweißen miteinander verbunden.
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Nachteilig dabei ist insbesondere, dass das Aufbringen der Kupferschicht und der Vanadiumschicht auf die Welle bzw. auf das Rad mittels Reibverschweißen einen hohen Aufwand, insbesondere bezüglich der Produktionskosten und der verwendeten Materialien, zur Folge hat.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen niedrigeren Aufwand und/oder durch eine erhöhte Stabilität auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, auf zumindest einem die Welle mit dem Rad verbindenden Verbindungsbereich der Welle bzw. des Rades eine Vanadium-haltige Schicht und/oder eine Nickel-haltige Schicht aufzubringen und die Welle und das Rad anschließend mittels eines Schweißverfahrens über diese Verbindungsbereiche miteinander zu verbinden. Dabei ist die Welle aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung hergestellt und weist den Wellenverbindungsbereich an einer Wellenaußenkontur der Welle auf. Zudem ist das Rad aus einer Titan-Aluminium-Legierung hergestellt und weist den Radverbindungsbereich an einer Radaußenkontur des Rades auf. Erfindungsgemäß wird die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht auf den Radverbindungsbereich und/oder auf den Wellenverbindungsbereich aufgebracht und der Wellenverbindungsbereich mit dem Radverbindungsbereich zum Verbinden der Welle mit dem Rad miteinander verschweißt. Die Erfindung nutzt hierbei bezüglich des Aufbringens der Vanadium-haltigen Schicht die Kenntnis, dass Vanadium vereinfacht und effektiv auf Titan und Titan-Legierungen aufgebracht werden kann, da Vanadium insbesondere eine vorteilhafte Haftungseigenschaft auf Titan und Titan-Legierungen aufweist. Zudem zeigt Vanadium vorteilhafte Eigenschaften für das Verschweißen von Stahl bzw. Nickelbasislegierungen und Titan-Legierungen. Des Weiteren verhindert Vanadium die sogenannte Sprödphasenbildung zwischen Titan und Stahl, bei dem metallische Bestandteile des Stahls, insbesondere Eisen, in die Titan-Legierung gemischt werden, was zu einer Instabilität der Verbindung zwischen der Welle und dem Rad führen kann. Mit anderen Worten: Die Vanadium-haltige Schicht verhindert, da sie im Schweißbereich zwischen dem Rad und der Welle angeordnet ist, das Diffundieren von Bestandteilen des Stahls bzw. der Nickelbasislegierung in die Titan-Legierung. Dementsprechend kann die Vanadium-haltige Schicht als eine Vanadiumschicht auf den Radverbindungsbereich bzw. den Wellenverbindungsbereich aufgebracht werden. Optional kann es sich bei der Vanadium-haltigen Schicht um eine Vanadium-Legierung handeln, wobei eine Chrom-Vandaium-Schicht bevorzugt wird. Das heißt, dass als Vanadium-haltige Schicht eine Chrom-Vanadium-Schicht auf den Radverbindungsbereich bzw. den Wellenverbindungsbereich aufgebracht wird. Vorteilhaft bei einer Chrom-Vanadium-Schicht ist, dass einerseits die bereits beschriebenen Vorteile von Vanadium genutzt werden und andererseits eine im Vergleich zur Vanadiumschicht härtere und/oder zähere Schicht aufgebracht wird. Ferner weist Chrom eine vorteilhafte Haftungseigenschaft auf Stahl bzw. Nickelbasislegierungen auf, so dass die Verbindung zwischen der Welle und dem Rad insgesamt verstärkt wird.
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Bezüglich der Verwendung der Nickel-haltigen Schicht wird insbesondere die Kenntnis genutzt, dass Nickel eine gute Hafteigenschaft auf Stahl bzw. Nickelbasislegierungen aufweist. Der Einsatz der Nickel-haltigen Schicht führt also zu einer verbesserten Verbindung zwischen dem Rad und der Welle. Dementsprechend kann die Nickel-haltige Schicht als eine Nickelschicht auf den Radverbindungsbereich bzw. den Wellenverbindungsbereich aufgebracht werden. Dabei handelt es sich bei der Nickel-haltigen Schicht verzugsweise um eine Nickelbasislegierung, also insbesondere um Stahl.
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Im Allgemeinen kann zur Realisierung der Verbindung sowohl die Vanadium-haltige Schicht als auch die Nickel-haltige Schicht aufgebracht werden. Bevorzugt sind jedoch diejenigen Ausführungsformen, bei denen entweder die Vanadium-haltige Schicht oder die Nicht-haltige Schicht aufgebracht wird.
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Bevorzugt werden die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht auf den Radverbindungsbereich aufgebracht. Somit kann das Aufbringen der Vanadium-haltige Schicht und/oder der Nickel-haltige Schicht lediglich auf das Rad beschränkt werden, was zu einer Aufwandsreduzierung führt. Des Weiteren kann das anschließende Verschweißen des Rades mit der Welle im Radverbindungsbereich und im Wellenverbindungsbereich vereinfacht erfolgen.
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Wird sowohl eine solche Vanadium-haltige Schicht als auch eine solche Nickel-haltige Schicht aufgebracht, so erfolgt dies bevorzugt derart, dass die Vanadium-haltige Schicht dem Rad benachbart aufgebracht wird, während die Nickel-haltige Schicht bevorzugt der Welle benachbart aufgebracht wird. Werden also die Vanadium-haltige Schicht und die Nickel-haltige Schicht auf den Radverbindungsbereich aufgebracht, so wird vorzugsweise zunächst die Vanadium-haltige Schicht aufgebracht und anschließend die Nickel-haltige Schicht, um besagte Vorteile möglichst umfassend nutzen zu können. Entsprechendes gilt, wenn die Vanadium-haltige Schicht und die Nickel-haltige Schicht auf den Wellenverbindungsbereich aufgebracht werden. Hier erfolgt zunächst das Aufbringen der Nickel-haltigen Schicht.
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Besonders vorteilhaft wird die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht mit Hilfe eines physikalischen Gasphasenabscheidens, kurz eines PVD-Verfahrens (PVD = physical vapour deposition), auf den Wellenverbindungsbereich und/oder auf den Radverbindungsbereich aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt also durch das Verdampfen eines entsprechenden Targets, wobei sich das verdampfte Material auf den Wellenverbindungsbereich und/oder auf den Radverbindungsbereich absetzt um die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht auszubilden. Somit wird ein durch das Aufbringen der jeweiligen Schicht auf diese Verbindungsbereiche bedingtes Schmelzen des Rades bzw. der Welle, insbesondere in den Verbindungsbereichen, das beispielsweise durch das aus dem Stand der Technik bekannte Reibverschweißen zum Aufbringen einer Schicht verursacht wird, verhindert, so dass die Verbindung zwischen der Welle und dem Rad insgesamt stabilisiert wird.
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Das Aufbringen der jeweiligen Schicht erfolgt gemäß alternativen Ausführungsformen mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens. Dabei wird das aufzubringende Material bzw. der Beschichtungswerkstoff auf die zu beschichtende Oberfläche, hier also auf den Wellenverbindungsbereich und/oder auf den Radverbindungsbereich, gespritzt. Dies kann beispielsweise durch einen Spritzbrenner erfolgen, der das aufzubringende Material schmilzt bzw. verdampft und auf den Wellenverbindungsbereich und/oder auf den Radverbindungsbereich spritzt.
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Im Allgemeinen kann die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht eine beliebige Schichtdicke aufweisen. Bevorzugt wird die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht jedoch mit einer Schichtdicke von 0,5 mm bis 2 mm auf den Radverbindungsbereich und/oder auf den Wellenverbindungsbereich aufgebracht. Hierbei ist die Schichtdicke bezüglich der jeweiligen Schicht gegeben. Das heißt die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht hat die Schichtdicke von 0,5 mm bis 2 mm. Ausführungsformen, bei denen sowohl die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht aufgebracht wird, kann die Gesamtdicke also zwischen 0,5 mm und 4 mm betragen.
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Prinzipiell kann die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht auf dem gesamten Radverbindungsbereich und/oder auf dem gesamten Wellenverbindungsbereich aufgebracht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die jeweilige Schicht auf eine Wellenaufnahme, die im Radverbindungsbereich des Rades ausgebildet ist, aufgebracht. Die Wellenaufnahme dient dabei dem Zweck, das Rad durch die Welle aufzunehmen bzw. zu umrahmen, wobei die Wellenaufnahme zweckmäßig mittig am Rad ausgebildet sein kann.
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Alternativ oder zusätzlich werden die Vanadium-haltige Schicht und/oder die Nickel-haltige Schicht auf einen Aufnahmebund aufgebracht, der die Wellenaufnahme umgibt. In diesem Fall weist die Welle bevorzugt eine in die Wellenaufnahme des Rades einzusetzende Führung auf, wobei der Wellenverbindungsbereich im Bereich der Führung angeordnet ist.
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Das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht und/oder der Nickel-haltigen Schicht mit Hilfe des physikalischen Gasphasenabscheidens kann beliebig realisiert sein. So kann das jeweilige Target, beispielsweise ein Vanadiumtarget oder ein Nickeltarget thermisch, mit Hilfe eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls, mittels eines Lichtbogens oder durch Ionisation verdampft werden. Bevorzugt erfolgt das Verdampfen des Targets, mit Hilfe eines Sputtervorgangs, mit dem das Vanadium durch Ionenbeschuss vom Target abgelöst und dementsprechend in die Gasphase gebracht wird. Das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht und/oder der Nickel-haltigen Schicht mit Hilfe des PVD-Verfahrens erfolgt zweckmäßig in einer Vakuumkammer, wobei die Welle und/oder das Rad, insbesondere der Wellenverbindungsbereich und/oder der Radverbindungsbereich, vor dem Aufbringen des Vanadiums entsprechend präpariert werden kann. Eine derartige Präparation kann beispielsweise eine Reinigung, insbesondere durch Ätzen und/oder das Aufheizen auf eine entsprechende Temperatur beinhalten.
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Entsprechendes gilt für das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht und/oder der Nickel-haltigen Schicht mit Hilfe des thermischen Spritzverfahrens. Dies kann wie zuvor erwähnt mit Hilfe des Spritzbrenners durch Schmelzen des aufzubringenden Materials geschehen. Ebenso kann das aufzubringende Material zunächst verdampft und anschließend auf den Wellenverbindungsbereich und/oder den Radverbindungsbereich aufgebracht werden, wobei zum Verdampfen insbesondere die gleichen Methoden angewendet können wie beim Verdampfen des Targets beim physikalischen Gasphasenabscheiden.
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Zum Verhindern der Beschichtung bzw. zur Unterbindung des Aufbringens der Vanadium-haltige Schicht und/oder der Nickel-haltige Schicht auf entsprechenden, unerwünschten Bereichen der Welle bzw. des Rades, insbesondere von Bereichen außerhalb des Wellenverbindungsbereiches und/oder außerhalb des Radverbindungsbereiches, können die nicht zu beschichtenden Bereiche des Rades bzw. der Welle maskiert werden. Diese Maskierung erfolgt dabei zweckmäßig in den Bereichen, die während des physikalischen Gasphasenabscheidens bzw. des thermischen Spritzverfahrens dem aufzubringenden Material ausgesetzt sind.
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Das Verschweißen des Wellenverbindungsbereichs und des Radverbindungsbereichs zum Verbinden der Welle mit dem Rad kann im Allgemeinen beliebig erfolgen. Der Wellenverbindungsbereich und der Radverbindungsbereich können also insbesondere durch Feuerschweißen, Lichtbogenhandschweißen, Gasschmelzschweißen, Schutzgasschweißen, Widerstandsschweißen, Unterpulververschweißen und dergleichen miteinander verschweißt werden. Insbesondere kann das Verschweißen mit Hilfe eines Reibschweißens erfolgen. Beim Reibschweißen ist dabei durch das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht und/oder der Nickel-haltigen Schicht sichergestellt, dass die Sprödphasenbildung zum Mischen der aus der Nickelbasislegierung, insbesondere aus Stahl bzw. Stahllegierung, hergestellten Wellen und des aus der Titan-Aluminium-Legierung hergestellten Rades verhindert oder zumindest reduziert ist. Zudem wird das Schmelzen des Rades bzw. der Welle verhindert oder zumindest reduziert.
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Alternativ erfolgt das Verschweißen durch Diffusionsschweißen. Das Diffusionsschweißen der Welle mit dem Rad hat insbesondere den Vorteil, dass eine präzise Verbindung mit einer hohen Stabilität erreicht wird. Desweiteren kann die Haftfestigkeit der jeweiligen Schicht an den zugehörigen Verbindungsbereich durch erhöht werden.
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Ebenso ist es vorstellbar die auf den Wellenverbindungsbereich und/oder den Radverbindungsbereich aufgebrachte Vanadium-haltige Schicht und/oder Nickel-haltige Schicht vor dem Verbinden der Welle mit dem Rad, also vor dem Verschweißen der Welle und des Rades miteinander, durch Diffusionsschweißen zu behandeln, um insbesondere besagte erhöhte Haftfestigkeit der jeweiligen Schicht zu erzielen.
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Eine weitere Variante zur Realisierung des Verschweißens ist das Elektronenstrahlschweißen. Das Elektronenstrahlschweißen bietet insbesondere den Vorteil einer schnellen Schweißverbindung und kann insbesondere unter Vakuum erfolgen. Dementsprechend kann das Elektronenstrahlscheißen im Anschluss an das PVD-Verfahren erfolgen.
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Es versteht sich, dass die Welle und das Rad in beliebigen Anwendungsbereichen einsetzbar sind. Insbesondere kann das Rad ein Wellenrad einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, sein. Dementsprechend könnte das Wellenrad als ein Turbinenrad oder als ein Verdichterrad eines solchen Abgasturboladers ausgebildet sein.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die jeweilige Schicht nicht ausschließlich aus den benannten Bestandteilen bestehen muss. Es können insbesondere andere Bestandteile, beispielsweise in Form von Verunreinigungen und dergleichen, vorhanden sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen Schnitt durch eine Anordnung einer Welle an einem Rad in Explosionsdarstellung gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine räumliche Ansicht eines Rades,
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3 einen Schnitt durch eine Anordnung einer Welle an einem Rad in Explosionsdarstellung, gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 einen Schnitt durch eine Anordnung einer Welle an einem Rad in Explosionsdarstellung, gemäß einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Anordnung 1 einer Welle 2 an einem Rad 3, wobei die Welle 2 aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung hergestellt ist, während das Rad 3 aus einer Titan-Aluminium-Legierung hergestellt ist. Die Welle 2 weist an einer Wellenaußenkontur 4 einen Wellenverbindungsbereich 5 auf, der zum Verbinden der Welle 2 mit dem Rad 3 mit einem Radverbindungsbereich 6 an einer Radaußenkontur 7 des Rades 3 verschweißt wird. Hierbei wird vor dem Verschweißen des Wellenverbindungsbereiches 5 mit dem Radverbindungsbereich 6 auf den Radverbindungsbereich 6 und/oder auf den Wellenverbindungsbereich 5 zumindest bereichsweise eine Vanadium-haltige Schicht 8 und/oder eine Nickel-haltige Schicht 17 aufgebracht, wobei beim in der 1 gezeigten Beispiel die die Vanadium-haltige Schicht 8 und/oder die Nickel-haltige Schicht 17 auf den Radverbindungsbereich 6 aufgebracht ist. Bei der Vanadium-haltigen Schicht 8 kann es sich hierbei um eine Vanadiumschicht 8' oder um eine Chrom-Vanadium-Schicht 8'' handeln. Bei der Nickel-haltigen Schicht 17 kann es sich um eine Nickelschicht 17' oder einer Nickelbasislegierungsschicht 17'', insbesondere um eine Stahlschicht 17''', handeln.
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Das Aufbringen der jeweiligen Schicht 8, 17 erfolgt hierbei mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidens oder eines thermischen Spritzens. Beim physikalischen Gasphasenabscheiden wird ein entsprechendes Target, beispielsweise durch Sputtern, verdampft und in die Gasphase gebracht und setzt sich anschließend auf den entsprechenden, zu beschichtenden, Bereich, also auf den Radverbindungsbereich 6 und/oder auf den Wellenverbindungsbereich 5, ab. Hierzu kann/können die nicht zu beschichtenden Bereiche des Rades 3 bzw. der Welle 2 maskiert werden.
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Anschließend erfolgt besagtes Verschweißen des Wellenverbindungsbereichs 5 mit dem Radverbindungsbereich 6, wobei das Verschweißen beispielsweise in Form von Reibschweißen oder Diffusionsschweißen oder Elektronenstrahlschweißen erfolgen kann.
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Dabei ist die jeweilige Schicht 8, 17 beim in der 1 gezeigten Beispiel auf den gesamten Radverbindungsbereich 6 aufgebracht.
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2 zeigt eine räumliche Ansicht eines als ein Turbinenrad 9 ausgebildeten Rades 3, das auf der von Turbinenschaufeln 10 abgewandten Seite besagten Radverbindungsbereich 6 aufweist, der mittig am Rad 3 angeordnet ist. Dabei ist im Radverbindungsbereich 6 des Rades 3 eine Wellenaufnahme 11 ausgebildet, die von einem Aufnahmebund 12 umgeben ist. Die Wellenaufnahme 11 dient dabei der Aufnahme der Welle 2.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die jeweilige Schicht 8, 17 auf die Wellenaufnahme 11 aufgebracht ist. Dabei wird die Schicht 8, 17 durch den Aufnahmebund 12 begrenzt, wobei eine Schichtdicke 13 im Bereich des Aufnahmebundes 12 im Wesentlichen der axialen Höhe 14 des Aufnahmebundes 12 entspricht, während die Schicht 8, 17 die Wellenaufnahme 11 im mittigen Bereich nicht gänzlich auffüllt.
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Bei der in der 4 gezeigten Ausführungsform ist die Schicht 8, 17 auf den Aufnahmebund 12 des Rades 3 aufgebracht. Zudem weist die Welle 2 auf der dem Rad 3 zugewandten Seite eine Führung 15 auf, die in der Wellenaufnahme 11 angeordnet ist, wobei der Wellenverbindungsbereich 5 an der Außenkontur 4 der Führung 15 ausgebildet bzw. angeordnet ist.
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Die Welle 2 der Anordnung 1 kann bei den gezeigten Ausführungsformen wahlweise als eine Vollwelle 16 oder als eine Hohlwelle 17 ausgestaltet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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