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Die Erfindung betrifft eine Kegelradanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Kegelräder werden für die Übertragung einer Drehbewegung zwischen zwei Wellen eingesetzt, deren Rotationsachsen nicht parallel zueinander angeordnet sind, sondern sich unter einem definierten Winkel schneiden. Ebenfalls bekannt sind Kegelradsätze mit Achsversatz zwischen Antriebs- und Abtriebswelle, die als sogenannte Hypoid-Radsätze bezeichnet werden. In beiden Ausführungen ist jeder der beiden Wellen drehfest ein Kegelrad zugeordnet, so dass die Kegelräder mittels ihrer Verzahnung miteinander in Eingriff stehen.
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Anwendungsgebiete entsprechender Kegelradgetriebe finden sich in verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus. So sind beispielsweise auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge Achsgetriebe bekannt, die zur Übertragung einer Drehbewegung eines Motors auf die Antriebsräder Verwendung finden. Kegelrad- oder Hypoid-Radsätze werden überall dort eingesetzt, wo in einem Antriebsstrang die Leistung beziehungsweise das Drehmoment in ihrer Richtung umgelenkt werden muss.
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Üblicherweise sind die Kegelräder aus Vollmaterial gefertigt und weisen ein dementsprechend hohes Gewicht auf. Es besteht daher das Bedürfnis, das Gewicht und die Materialkosten des gesamten Kegelradgetriebes zu reduzieren.
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DE 10 2004 038 581 A1 beschreibt ein Kegelradgetriebe, welches eine zumindest teilweise hohl ausgeführte Kegelradwelle umfasst. Diese weist eine Ausnehmung mit einer Öffnung gegenüber der Umgebung auf, in die bei der Fertigung oder während eines Betriebs Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Reinigungsmittel oder Verschmutzungen, eintreten und sich dort sammeln bzw. ablagern können. Während der Montage besteht die Gefahr, dass diese austreten und sich in dem Kegelradgetriebe verteilen, wodurch insbesondere dessen Verzahnung oder Lagerung verschmutzt oder sogar im späteren Betrieb beschädigt werden können. Als weiterer Aspekt erweist sich ein Bearbeitungsprozess des beschriebenen Kegelradgetriebes aufgrund der stirnseitigen Öffnung als erschwert.
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Aufgabe der Erfindung ist es in Anbetracht des Stands der Technik, eine Kegelradanordnung bereitzustellen, die ein verringertes Gewicht aufweist und dennoch besonders einfach bearbeitbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Kegelradanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Patentansprüchen.
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Demnach wird eine Kegelradanordnung für ein Kegelradgetriebe bereitgestellt, mit
- - einem Kegelrad und
- - einer mit dem Kegelrad drehfest verbundenen Kegelradwelle,
wobei das Kegelrad einen gegenüber einer Umgebung abgeschlossenen ersten Hohlraum umfasst, wobei das Kegelrad und die Kegelradwelle als separate Bauteile ausgestaltet sind, die kraftschlüssig und stoffschlüssig miteinander verbunden sind,
wobei die Kegelradwelle einen Aufnahmeabschnitt aufweist, der zylinderförmig an einem dem Kegelrad zugewandten ersten Ende angeordnet ist, und der Aufnahmeabschnitt gemeinsam mit einer entsprechend abgestimmten Bohrung in dem Kegelrad zum Aufschieben des Kegelrades auf die Kegelradwelle ausgestaltet ist,
wobei die Bohrung einen Verbindungsabschnitt des Kegelrads definiert, wobei der Aufnahmeabschnitt und der Verbindungsabschnitt derart aufeinander abgestimmt sind, dass diese einen Presssitz für das Kegelrad auf der Kegelradwelle bereitstellen,
wobei die Kegelradwelle angrenzend an den Aufnahmeabschnitt einen radial nach außen erstreckten, umlaufenden Befestigungsflansch aufweist, an dem das Kegelrad im Bereich einer Stirnseite des Kegelrades zur Bereitstellung der stoffschlüssigen Verbindung verschweißt ist.
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Dies bedeutet, dass das Kegelrad und die Kegelradwelle drehfest zur Übertragung eines Drehmoments bzw. einer Drehbewegung miteinander verbunden sind. Aufgrund der Anordnung eines Hohlraumes innerhalb des Kegelrades kann der Materialbedarf für das Kegelrad und somit dessen Gewicht gegenüber bekannten Kegelradanordnungen aus Vollmaterial deutlich gesenkt werden. Bei einer Verwendung in einem Kraftfahrzeug erlaubt dies sowohl die Reduzierung des absoluten Gesamtgewichts sowie eine Beeinflussung der Gewichtsverteilung innerhalb des Fahrzeugs, die entscheidend für ein Fahrverhalten bzw. eine Fahrzeugcharakteristik ist. Aufgrund des geringeren Materialbedarfs ist damit einhergehend eine Einsparung von Materialkosten erzielbar.
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Als abgeschlossener Hohlraum ist eine Ausnehmung in dem Kegelrad zu verstehen, die entweder durch eine Wandung des Kegelrades selbst oder durch eine Wandung der mit dem Kegelrad verbundenen Kegelradwelle gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Demnach kann der Hohlraum unter Umständen erst beim tatsächlichen Verbinden beider Bauteile entstehen bzw. gegenüber der Umgebung abgeschlossen werden.
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Mittels des gegenüber der Umgebung abgeschlossenen ersten Hohlraums wird ein Eindringen von Fremdkörpern und Flüssigkeiten in den Hohlraum verhindert, die andernfalls im Betrieb wieder aus dem Hohlraum austreten und das Kegelrad, insbesondere dessen Verzahnung, Lagerung oder andere Komponenten des Kegelradgetriebes verschmutzen oder beschädigen könnten. Fremdkörper können beispielsweise Schmutzpartikel sowie bei der Fertigung oder im Betrieb entstehende Materialspäne des Kegelrades oder des Kegelradgetriebes sein. Aber auch Verschmutzungen durch Schmiermittel, Reinigungsmittel oder andere flüssige Verschmutzungen können auf diese Weise aus dem Hohlraum ferngehalten werden. Auf eine zusätzliche Abdichtung des Getriebes kann somit verzichtet werden.
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Der gegenüber einer Umgebung abgeschlossene erste Hohlraum bewirkt, dass die (in Richtung der Rotationsachse betrachtet) an entgegengesetzten Enden der Kegelradanordnung angeordneten Stirnflächen der Kegelradanordnung geschlossen ausgestaltet sein können. Somit ist es grundsätzlich möglich, die bereits für Kegelradanordnungen aus Vollmaterial bekannten Werkzeuge in gleicher Weise zu verwenden und die erfindungsgemäße Kegelradanordnung beidseitig an den Stirnseiten zur Drehbearbeitung einzuspannen und zu bearbeiten. Auf diese Weise sind beispielsweise die bekannten Arbeitsschritte, wie beispielsweise ein Drehen einer Geometrie sowie ein Walzen der Steckverzahnung oder eines Gewindes im ungehärteten Zustand, oder ein Richten nach dem anschließenden Härteprozess, sowie das Hartdrehen der Geometrie nach dem Härten , problemlos mit den bekannten Werkzeugen möglich.
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Anders dargestellt können aufgrund einer analogen Ausgestaltungsmöglichkeit der Außenkontur sowohl die erfindungsgemäßen als auch die bekannten Kegelradanordnungen aus Vollmaterial auf gleiche Weise und mit den selben Bearbeitungsmaschinen bearbeitet bzw. gefertigt werden.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kegelradwelle einen gegenüber einer Umgebung abgeschlossenen zweiten Hohlraum, so dass ein Materialbedarf der gesamten Kegelradanordnung weiter herabgesetzt und somit deren Gewicht und die Materialkosten weiter gesenkt werden können.
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Auch der zweite abgeschlossene Hohlraum kann eine Ausnehmung in der Kegelradwelle sein, die entweder durch eine Wandung der Kegelradwelle selbst oder durch eine Wandung des mit der Kegelradwelle verbundenen Kegelrads gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Demnach kann der Hohlraum unter Umständen erst beim tatsächlichen Verbinden beider Bauteile entstehen bzw. gegenüber der Umgebung abgeschlossen werden.
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Zusätzlich können der erste und der zweite Hohlraum miteinander verbunden sein, um einen gegenüber der Umgebung U abgeschlossenen gemeinsamen Hohlraum zu bilden. Dies bedeutet, dass zwischen den beiden Hohlräumen entweder ein Durchgang besteht, der die beiden Hohlräume miteinander verbindet. Alternativ können die beiden Hohlräume aber auch direkt ineinander übergehen und somit den gemeinsamen Hohlraum bilden. Wesentlich ist in beiden Fällen der resultierende Abschluss des gemeinsamen Hohlraums gegenüber einer Umgebung. Demnach kann der gemeinsame Hohlraum unter Umständen erst beim tatsächlichen Verbinden beider Bauteile entstehen bzw. gegenüber der Umgebung abgeschlossen werden.
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Auch diese Ausführungsform bietet die Möglichkeit, dass aufgrund des gegenüber einer Umgebung abgeschlossenen gemeinsamen Hohlraums die an den entgegengesetzten Enden der Rotationsachse angeordneten Stirnflächen der Kegelradanordnung geschlossen ausgestaltet sein können. Dies bietet den Vorteil, dass trotz der beiden Hohlräume auch diese Kegelradanordnung in die für massive Kegelradanordnungen bekannten Werkzeuge in gleicher Weise stirnseitig zur Drehbearbeitung eingespannt und bearbeitet werden können und darüber hinaus einen deutlichen Gewichtsvorteil bereitstellen.
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Außerdem können der erste und/oder der zweite Hohlraum koaxial zu einer Rotationsachse des Kegelrads bzw. der Kegelradwelle angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß sind das Kegelrad und die Kegelradwelle als separate Bauteile ausgestaltet, die kraftschlüssig, undstoffschlüssig miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Kegelradanordnung modular zu gestalten. Zum Beispiel erfolgt ein Verbinden der beiden separaten Bauteile durch Aufstecken des Kegelrades auf einen Aufnahmeabschnitt der Kegelradwelle. Vorzugsweise sind der Aufnahmeabschnitt und ein hiermit zu verbindender Verbindungsabschnitt des Kegelrades derart aufeinander abgestimmt, dass ein Presssitz bereitgestellt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann ein Verschweißen und/oder Verkleben beider Bauteile erfolgen.
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Der Schritt des Verbindens beider Bauteile kann beispielsweise im ungehärteten Rohzustand des Kegelrades und/oder der Kegelradwelle erfolgen. Alternativ können eines oder beide der Bauteile zunächst gehärtet und anschließend auf die genannten Arten miteinander verbunden werden. Verfahren zum Härten von Werkstoffen, insbesondere metallischer Werkstoffe, sind bekannt.
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Ebenfalls alternativ können der Aufnahmeabschnitt ein Außengewinde oder ein Innengewinde, und der Verbindungsabschnitt ein Innen- bzw. ein Außengewinde zum Aufschrauben des Kegelrades auf die Kegelradwelle (oder umgekehrt) umfassen. Optional kann eine zusätzliche stoffschlüssige Verbindung der beiden Bauteile bereitgestellt sein.
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Die separate zweiteilige Bauweise bietet die besondere Möglichkeit eine einheitliche Kegelradwelle vorzusehen, die einen standardisierten Aufnahmeabschnitt zum Verbinden mit einem Verbindungsabschnitt des Kegelrads aufweist. Vorzugsweise ist der Verbindungsabschnitt bei verschiedenen Kegelrädern ebenfalls jeweils einheitlich aufgebaut, so dass mit dem Aufnahmeabschnitt der Kegelradwelle unterschiedliche Kegelradvarianten verbunden werden können. Die Kegelradvarianten können sich beispielsweise durch geometrische Abmaße bzw. Zähnezahlen unterscheiden, wobei letztere eine einfache Variation eines Übersetzungsverhältnisses ermöglichen. Mittels der Kegelradvarianten kann trotz verschiedener Kegelradanordnungen dennoch die Kegelradwelle als einheitliches Gleichteil für verschiedene Getriebe verwendet werden.
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Neben Kostenvorteilen ermöglicht eine einheitliche Kegelradwelle die Erzielung entsprechend höherer Stückzahlen baugleicher Bauteile, so dass auch alternative Herstellungsverfahren, wie beispielsweise das sogenannte „Schnellschmieden“, Kaltumformen oder Tiefziehen, wirtschaftlich zur Herstellung der Kegelradwelle einsetzbar werden. Selbstverständlich sind ebenso andere geeignete Herstellungsverfahren anwendbar.
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Beispielsweise können der erste und/oder der zweite Hohlraum als Hohlbohrung bzw. Sacklochbohrung in das jeweilige Bauteil (Kegelrad bzw. Kegelradwelle) eingebracht werden. Vorzugsweise sind die Hohlbohrungen koaxial und/oder in Richtung der Rotationsrichtung des Kegelrades und/oder der Kegelradwelle ausgerichtet und derart orientiert, dass bei einem Zusammenfügen des Kegelrades und der Kegelradwelle der Hohlraum des einen Bauteils durch das andere Bauteil verschlossen oder der erste Hohlraum mit dem zweiten Hohlraum zu dem gemeinsamen Hohlraum verbunden wird.
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Des Weiteren kann eine den ersten Hohlraum definierende Innenkontur des Kegelrads zumindest abschnittsweise einen sich in Achsrichtung (Rotationsachse) des Kegelrades veränderlichen Querschnitt und/oder eine den zweiten Hohlraum definierende Innenkontur der Kegelradwelle zumindest abschnittsweise einen sich in Achsrichtung (Rotationsachse) der Kegelradwelle veränderlichen Querschnitt aufweisen.
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Mit anderen Worten ist ein Konturverlauf der Innenkontur des Kegelrades und/oder der Innenkontur der Kegelradwelle derart ausgestaltet, dass sich dieser entlang der jeweiligen Achsrichtung verändert. Damit ist gemeint, dass ein erster Querschnitt an einer ersten Position der Rotationsachse gegenüber einem zweiten Querschnitt an einer zu der ersten Position beabstandeten zweiten Position der Rotationsachse unterschiedlich ausgestaltet ist. Als Innenkontur ist eine dem jeweiligen Hohlraum zugewandte bzw. eine den jeweiligen Hohlraum definierende Innenwandung des zugehörigen Bauteils zu verstehen.
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Mit anderen Worten dargestellt, kann durch Ausnehmung des Kegelrades und/oder der Kegelradwelle der jeweilige erste bzw. zweite Hohlraum vorgesehen werden. Die Ausnehmung kann beispielsweise durch Innenausdrehen oder Bohren mit gegebenenfalls in Richtung der Rotationsachse entsprechender Anpassung des Durchmessers erfolgen.
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Beispielsweise kann die Innenkontur des Kegelrads zumindest abschnittsweise im Wesentlichen einer Außenkontur des Kegelrades und/oder die Innenkontur der Kegelradwelle zumindest abschnittsweise im Wesentlichen einer Außenkontur der Kegelradwelle folgen, um eine zumindest abschnittsweise konstante Wandstärke einer Wandung des Kegelrades bzw. der Kegelradwelle bereitzustellen. Dies bedeutet, dass der Verlauf der Innenkontur derart an den Verlauf der Außenkontur angepasst ist, dass das Kegelrad bzw. die Kegelradwelle in diesem einen oder mehreren Abschnitt(en) eine jeweils konstante Wandstärke ihrer Wandung aufweisen kann. Auf diese Weise kann die verbleibende Wandstärke optimal auf die zu erwartenden Lastfälle ausgelegt und möglichst viel überschüssiges Material entfernt werden. Wahlweise kann die Innenkontur der Außenkontur folgen oder technischen Anforderungen bei der Herstellung und/oder dem Einsatz, zum Beispiel lokale Festigkeitsanforderungen, angepasst werden.
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Unabhängig von dem eingesetzten Herstellungsverfahren bietet die zumindest abschnittsweise Bereitstellung einer einheitlichen Wandstärke außerdem den Vorteil einer möglichst umfassenden Gewichtseinsparung, eines möglichst minimalen Materialbedarfs.
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Zusätzlich zu den voranstehend genannten Ausführungsformen kann das Kegelrad auf einen Aufnahmeabschnitt der Kegelradwelle aufgeschoben sein. Zusätzlich oder alternativ kann die beschriebene formschlüssige, kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung vorgesehen werden.
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Es ist außerdem möglich, dass das Kegelrad und die Kegelradwelle aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Folglich kann eine Materialwahl möglichst optimal auf das jeweils zu erzeugende Bauteil oder an jeweilige technische Anforderungen, wie beispielsweise lokale Belastungen oder gewünschte Werkstoffeigenschaften, abgestimmt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine Kegelradanordnung 10 für ein Kegelradgetriebe mit
- - einem Kegelrad 11 und
- - einer mit dem Kegelrad 11 drehfest verbundenen Kegelradwelle 12 wobei das Kegelrad 11 einen gegenüber einer Umgebung U abgeschlossenen ersten Hohlraum 13 umfasst.
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Zusätzlich umfasst die Kegelradwelle 12 einen gegenüber der Umgebung U abgeschlossenen zweiten Hohlraum 14, wobei der erste 13 und der zweite Hohlraum 14 miteinander verbunden sind, um einen gemeinsamen Hohlraum zu bilden. Des Weiteren sind der erste 13 und der zweite Hohlraum 14, somit also der gemeinsame Hohlraum, koaxial zu einer Rotationsachse R des Kegelrads 11 und der Kegelradwelle 12 angeordnet.
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In der dargestellten Ausführungsform sind das Kegelrad 11 und die Kegelradwelle 12 als separate Bauteile ausgestaltet, die kraftschlüssig und zusätzlich stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Hierzu weist die Kegelradwelle 12 einen Aufnahmeabschnitt 15 auf, der zylinderförmig an einem dem Kegelrad 11 zugewandten ersten Ende 16 angeordnet ist. Der Aufnahmeabschnitt 15 ist gemeinsam mit einer entsprechend abgestimmten Bohrung 17 in dem Kegelrad 11 zum Aufschieben des Kegelrades 11 auf die Kegelradwelle 12 ausgestaltet, wobei die Bohrung einen Verbindungsabschnitt 17 des Kegelrads 11 definiert.
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Optional können der Aufnahmeabschnitt 15 und der Verbindungsabschnitt 17 derart aufeinander abgestimmt sein, dass diese einen Presssitz für das Kegelrad 11 auf der Kegelradwelle 12 bereitstellen. Zusätzlich ist das Kegelrad 11 mit der Kegelradwelle 12 mittels Schweißen (S)miteinander stoffschlüssig verbunden. Hierzu weist die Kegelradwelle 12 angrenzend an den Aufnahmeabschnitt 15 einen radial nach außen erstreckten, umlaufenden Befestigungsflansch 18 auf, an dem das Kegelrad 11 im Bereich einer Stirnseite 19 des Kegelrades 11 verschweißt ist.
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Des Weiteren weist eine den ersten Hohlraum 13 definierende Innenkontur 20 des Kegelrades 11 zumindest abschnittsweise in einem zu dem Verbindungsabschnitt 17 benachbarten ersten Abschnitt in Achsrichtung (Rotationsachse) des Kegelrades 11 einen veränderlichen Querschnitt auf. Zusätzlich umfasst auch eine den zweiten Hohlraum 14 definierende Innenkontur 23 des der Kegelradwelle 12 einen sich in Achsrichtung der Kegelradwelle 12 veränderlichen Querschnitt.
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Insbesondere folgt die Innenkontur 20 des ersten Hohlraums 13 im genannten ersten Abschnitt im Wesentlichen einer Außenkontur 21 des Kegelrades. Die Innenkontur 20 verläuft also in diesem Bereich im Wesentlichen parallel zu der Außenkontur 21. Ebenfalls folgt die Innenkontur 23 des zweiten Hohlraums 14 zumindest abschnittsweise im Wesentlichen einer Außenkontur 24 der Kegelradwelle 12. Aufgrund einer in Achsrichtung gestuften Außenkontur 24 ist demnach auch die Innenkontur 23 in den entsprechenden Abschnitten mit unterschiedlichen Querschnitten ausgestaltet, so dass die Innenkontur 23 der Außenkontur 24 folgt. Sowohl für das Kegelrad 11 als auch für die Kegelradwelle 12 ergibt sich hieraus der Vorteil, dass eine zumindest abschnittsweise konstante Wandstärke einer Wandung des Kegelrades 11 bzw. der Kegelradwelle 12 bereitgestellt wird, wodurch sich eine optimale Gewichtsreduktion der Kegelradanordnung 10 erzielen lassen.
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Die Ausgestaltung des Kegelrades 11 und der Kegelradwelle 12 als separate Bauteile ermöglichen zudem, dass das Kegelrad und die Kegelradwelle aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen bzw. gefertigt werden können. Somit ist es möglich, eine Werkstoffauswahl gezielt auf die geforderten Belastungen und die gewünschten Werkstoffeigenschaften abzustimmen.
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Mit der dargestellten Ausführungsform wird also eine Kegelradanordnung 10 mit möglichst geringem Gewicht bereitgestellt, die aufgrund ihrer gegenüber der Umgebung U abgeschlossenen Hohlräume die äußere Erscheinung einer entsprechenden Anordnung aus Vollmaterial aufweist. Es ist somit möglich, eine analoge Bearbeitung und Fertigung vorzusehen und auf die bereits bekannten Maschinen und Verfahren zurückzugreifen.
