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Gegenstand der Erfindung ist ein zusammengesetztes Bauteil mit Innen- und Außenverzahnung nach Anspruch 7, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Werkzeugsatz zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 9.
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Ein derartiges Bauteil ist mit dem Gegenstand der
WO 2009/106401 A2 bekannt. Bei dieser Anordnung weist das zusammengesetzte Bauteil eine Innen- und eine Außenverzahnung auf, und besteht aus insgesamt zwei topfförmigen, ineinander gesteckten rotationssymmetrischen, zylindrischen Teilen. Demnach besteht das zusammengesetzte Bauteil aus einem eine Innenverzahnung aufweisenden Rohteil und ferner aus einem eine Außenverzahnung aufweisenden Zahnkörper, wobei die beiden Teile topfförmig ausgebildet sind und so koaxial ineinander gesteckt sind, dass der Zahnkörper mit dem Rohteil formschlüssig in tangentialer und in radialer Richtung verbunden ist.
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Mit der Herstellung eines aus mindestens zwei miteinander im Bereich ihrer aneinander anliegenden Mantelflächen verbundenen, zusammengesetzten Bauteils wird der Vorteil erreicht, dass das Bauteil nur an einer Seite - entweder an der Innen- oder der Außenseite - aus einem topfförmigen und rotationssymmetrischen Körper besteht, der auf dieser Seite eine verschleißfeste Verzahnung aufweist und die andere Seite des zusammengesetzten Bauteils - entweder die Außen- oder die Innenseite - aus einem weniger verschleißfesten, zweiten topfförmigen und rotationssymmetrischen Bauteil besteht, welches das erste Bauteil mindestens in radialer Richtung abstützt. Mit einem solchen zusammen gesetzten Bauteil werden im Vergleich zu einem aus einem einheitlichen Material bestehenden Bauteil eine Gewichtsersparnis und bessere dynamische Rotationseigenschaften erzielt.
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Die Verbindung der beiden Teile besteht nach dem Stand der Technik darin, dass das mit einer geeigneten Verzahnung versehene Außenteil über ein etwa die gleiche Verzahnung aufweisendes Innenteil gestülpt wird und die einander zugeordneten Zahnnuten vom Außen- und Innenteil formschlüssig ineinandergreifen. Im unverformten Zustand weist die Zahnnut des Außenteils eine radial einwärts gerichtete Bogenform auf und wird mit einem geeigneten Umformwerkzeug in jeweils eine radial auswärts gerichtete hinterschnittene Zahnnut des Innenteils hinein verformt. Dadurch erfolgt eine formschlüssige Verbindung der beiden Teile an der Mantelseite.
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Zu diesem Zweck wird ein spezielles Umformwerkzeug verwendet, das die im unverformten Zustand bogenförmige Zahnnut des Außenteils radial einwärts gerichtet, nach innen verformt, dass sich die Zahnnut in Hinterschneidungen der Verzahnung des Innenteils hineinverformt und dort eine formschlüssige, im Bereich der beiden Mantelflächen gebildete Verbindung zwischen den beiden Teilen stattfindet. Die Ausbildung einer im unverformten Zustand bogenförmigen Zahnnut in der Verzahnung des einen Teils ist mit hohem Aufwand verbunden.
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So zeigt die
DE 10 2008 017 608 B3 einen Werkzeugsatz zur Herstellung eines aus mindestens zwei koaxial ineinander greifenden Teilen bestehenden zusammen gesetzten Bauteils, wobei der Werkzeugsatz aus gleichmäßig am Umfang des äußeren Teils anlegbaren und zustellbaren Rollen besteht. Die Rollen des Werkzeugsatzes sind hierbei dem Profil der Verzahnung angepasst.
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Des Weiteren sind Umformwerkzeuge bekannt, die als Schieber ausgebildet sind, der unter Verformung des Zahnbodens der Verzahnung des Außenteils den noch unverformten, hochgewölbten Zahnboden in die zugeordnete Zahnnut des Innenteils hinein verformt, sodass er sich etwa gerade ausrichtet.
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Ein solcher Verformungsschieber ist jedoch nur aufwendig herzustellen, ist kompliziert zu handhaben und unterliegt einem hohen Verschleiß. Außerdem ist nicht immer gewährleistet, dass bei der Verformung des Zahngrundes des Außenteils dieser so verformt wird, dass er sich zuverlässig in die Hinterschneidungen des Zahngrundes des Innenteils hinein verformt. Bedingt durch Materialabweichungen und Herstellungstoleranzen kann es vorkommen, dass eine sichere Verbindung im Bereich der formschlüssig ineinander greifenden Verzahnung nicht zuverlässig stattfindet. Es handelt sich demnach um eine Formschlussverbindung, ohne dass zusätzliche Verbindungsmechanismen verwendet werden, was mit zunehmender mechanischer und dynamischer Beanspruchung eines solchen Bauteils zu Einbußen bei der Festigkeit der Verbindung führen kann.
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Die
WO 2009/124534 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines innen- und außenverzahnten topfförmigen Blechteils mit parallel zur Topfmittelachse verlaufenden Zähnen, wobei ein unverzahntes topfförmiges Blechteil auf einen mit einer der zu erzeugenden Innenverzahnung des Blechteils entsprechenden Außenverzahnung ausgebildeten Aufnahmedorn geschoben und sodann das Außenprofil auf das topfförmige Blechteil aufgewalzt wird, indem das topfförmige Blechteil zusammen mit dem Aufnahmedorn durch eine parallel zur Mittelachse auf dem Blechteil unter Ausübung eines radialen Druckes abrollenden Profilrollensatz gepresst wird, wodurch der Werkstoff in die Zahnnuten des Aufnahmedorns eingedrückt wird.
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In der
DE 10 2009 044 544 B4 ist eine Vorrichtung zum Umformen einer Innen- und Außenverzahnung in ein zylindrisches Werkstück beschrieben, wobei ein äußerer Teil der Vorrichtung einen konzentrisch um eine Zentralachse angeordneten Profilrollensatz aufweist, dessen Profilrollen durch Aufnahmeelemente gelagert sind und Drehachsen aufweisen, die quer zur Zentralachse verlaufen, wobei ein innerer Teil der Vorrichtung als Dorn mit zahnartig profilierter Außenkontur ausgeführt ist, und wobei der äußere Teil und der innere Teil der Vorrichtung koaxial zueinander bewegbar ausgebildet sind.
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Die
DE 10 2008 002 297 A1 offenbart ein Rollumformverfahren zur Herstellung von längsverzahnten Profilkörpern in topfförmigen zylindrischen Werkstücken, wobei das topfförmige zylindrische Werkstück mit dem Boden zuerst durch eine erste Rollstufe und danach mit seinem offenen Ende zuerst durch zumindest eine weitere Rollstufe gefahren wird.
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Die
DE 103 17 506 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines hohlen profilierten Werkstücks durch Kaltumformen, wobei ein ebener und im wesentlichen kreisförmiger Rohling und ein einem Innenprofil entsprechender Dorn einen Werkstückvorschub erhalten, bei welchem sie entlang der Werkstückachse verschoben und um die Werkstückachse gedreht werden, während das Werkstück von außen mit einer Drückwalze bearbeitet wird.
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Die
US 2008/ 0 016 670 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten, rotationssymmetrischen Bauteils, bestehend aus einem Rohteil und einem Zahnkörper, wobei die beiden Teile in einem ersten Verfahrensschritt koaxial aufeinander gelegt und in einem Haltewerkzeug eingespannt werden, und in einem zweiten Verfahrensschritt mit einem am Außenumfang des Rohteils anliegenden Umformwerkzeug formschlüssig miteinander verbunden werden.
Dazu wird im zweiten Verfahrensschritt mit einem Drückwerkzeug das flache kreisförmige Rohteil umgebogen und die Mantelfläche des Rohteils in axialer Richtung fortschreitend und in radialer Richtung gerichtet so verformt, dass sich die auf dem Zahnkörper aufliegende Fläche des Rohteils in die Zahnnuten des Zahnkörpers hinein verformt.
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Bei einem solchen kaltfließpressartigen Verfahren kann es auch, bedingt durch den hohen Druck, zu einer Kaltschweißung von Oberflächen kommen, was aus dem Stand der Technik bekannt ist und sich beispielsweise aus dem eBook: Lange, K.: Umformtechnik - Handbuch für Industrie und Wissenschaft - Band 4: Sonderverfahren, Prozesssimulation, Werkzeugtechnik, Produktion. 2. Auflage. Springer - Verlag Berlin Heidelberg, 1993. S. 277. - ISBN 978-3-642-58047-5, entnehmen lässt. So führt die Auswalzung der Mantelfläche zu einer Verdünnung des außen liegenden Rohteils, welches somit in der Art eines Fließpressverfahrens in die Verzahnung des innenliegenden Zahnkörpers hineingedrängt wird, was ein Kaltverschweißen des Rohteils und des Zahnkörpers zur Folge hat.
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Nachteilig an dem somit hergestellten Bauteil ist jedoch, dass dieses, bedingt durch das Drückwerkzeug, keine Außenverzahnung aufweist. Zudem wird das Material des sich verformenden Rohteils nur ansatzweise in die Zahnnuten gepresst, so dass kein vollflächiger Kontakt zwischen der inneren Mantelfläche des Rohteils und der Oberfläche der Zahnflanken des Zahnkörpers hergestellt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Bauteils der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung so weiterzubilden, dass die Herstellung einer Verbindung zwischen den beiden Bauteile im Bereich der ineinandergreifenden Zahnnuten wesentlich zuverlässiger, höher belastbar und einfacher herstellbar ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Nach dem Verfahrensmerkmal ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein unverzahntes oder mindestens teilverzahntes Rohteil koaxial auf einen Zahnkörper aufgesteckt wird, der auf seiner Mantelfläche eine Verzahnung trägt, sodass in einem weiteren Verfahrensschritt mit einem Rollumformverfahren die Mantelfläche des Rohteils in axialer Richtung so verformt wird, dass sich das Rohteil formschlüssig in die Zahnnuten der Verzahnung des Zahnkörpers hineinverformt und sich formschlüssig an die Zahnnuten der Verzahnung des Zahnkörpers anlegt.
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Mit der gegebenen Lehre wird der Vorteil erreicht, dass die Mantelfläche eines Rohteils, welches koaxial auf einen Zahnkörper aufgesteckt ist, durch ein Rollumformverfahren so verformt wird, dass die Mantelfläche unter Ausformung von Verzahnungen in der Mantelfläche des Rohteils eingeformt wird, sodass sie sich formschlüssig in die Verzahnungen des Zahnkörpers hineinschmiegen und dort anlegen.
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Damit wird eine einwandfreie Materialverbindung zwischen einem Rohteil und der vorhandenen Verzahnung des Zahnkörpers hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Rollumformverfahren zur Anbringung der Verzahnung des Rohteils so ausgebildet ist, dass es bei der Ausformung der Verzahnung des Rohteils in die Verzahnung des Zahnkörpers hinein zu einem Kaltfließpressen kommt, sodass sich die formschlüssig ineinandergreifenden Zahnflanken vom Rohteil und der Verzahnung des Zahnkörpers zusätzlich als Kaltschweißverbindungsflächen ausbilden.
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Ein solches zusammengesetztes, aus mindestens zwei Verzahnungsteilen bestehendes Bauteil kann im Bereich der Antriebstechnik, der Getriebetechnik, und dort im Speziellen im Bereich einer mechanischen oder hydraulischen Kupplung eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugmotors als Lamellenträger eingesetzt werden.
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Damit besteht der Vorteil, dass anstatt eines einteiligen, aus einem einheitlichen Material bestehenden Lamellenträger, wie er in 2 der vorliegenden Anmeldung als Innenlamellenträger gezeigt ist, nunmehr mit dem zusammengesetzten Lamellenträger ein wesentlich geringeres Gewicht und geringere rotative Massen bei geringerem Trägheitsmoment erreicht wird.
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Es handelt sich bei der Erfindung demnach um eine rolltechnisch angebrachte, unlösbare formschlüssige Verbindung zwischen den beiden topfförmigen Bauteilen, die durch Kaltverschweißung und Adhäsion während des Umformvorganges und bei Bedarf auch durch anschließendes Warmauslagern der miteinander verbundenen Komponenten stattfindet.
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Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung eines Lamellenträgers für Getriebebauteile beschränkt. Es können auch damit zusammengesetzte Zahnriemenscheiben für Zahnriemenantriebe oder andere verzahnte, rotationssymmetrische Bauteile hergestellt werden, wobei der wesentliche Vorteil besteht, dass - wie vorstehend angegeben - eine geringere Masse bei geringerem Massenträgheitsmoment erzielt wird.
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Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, aus welchem Material der verzahnte Zahnkörper und aus welchem - davon möglicherweise verschiedenen - Material das erst nachträglich verformte und mit einer Verzahnung versehene Rohteil besteht.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das zunächst unverzahnte, topfförmige Rohteil aus einem leicht verformbaren Metallmaterial, wie zum Beispiel Aluminium, oder einer geeigneten Aluminium- oder einer anderen Leichtmetalllegierung besteht.
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Allgemeiner gesagt besteht das Rohteil aus einem umformfähigen Material, vorzugsweise einem Metall.
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Der Zahnkörper, in dem die Verzahnung eingeformt ist, besteht bevorzugt aus einem verschleißfesten, härteren Metallmaterial, und zwar aus einem solchen Material, dass eine Kaltverschweißung zwischen dem Material des Rohteils und dem Material des Zahnkörpers im Bereich der beiden aneinander anliegenden und formschlüssig ineinandergreifenden Mantelflächen während des Fließpressverfahrens gewährleistet ist.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist das aus zwei topfförmigen Teilen zusammengefügte Bauteil zum Beispiel als Außenlamellenträger ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Außenumfang des Außenlamellenträgers aus dem Rohteil besteht, das mit seiner Verzahnung im Umformverfahren auf die bereits vorhandene Verzahnung des innenseitig angeordneten Zahnkörpers aufgewalzt wird. Bei dieser Ausführungsform ist entscheidend, dass beim Außenlamellenträger die hochfeste Verzahnung des Zahnkörpers innenliegend angeordnet ist und demzufolge die gewünschte hochfeste Verschleißfestigkeit am Innenumfang des Lamellenträgers erbringt.
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In der anderen Ausführungsform, nämlich in der Ausbildung des Bauteils als Innenlamellenträger, ist vorgesehen, dass das Rohteil, welches außen liegt, eine höhere Festigkeit aufweist als der innenliegende Zahnkörper.
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Hier ist dann die hochfeste Verzahnung am Außenumfang des zusammen gesetzten Bauteils angeordnet und realisiert eine hohe Verschleißfestigkeit gegenüber den außen anliegenden Lamellen.
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Entscheidend bei der Erfindung ist demnach, dass hochfeste Verzahnungsflächen jeweils durch ein Bauteil geschaffen werden, welches in einem Rollumformverfahren mit der Verzahnung eines anderen Bauteils verbunden wird, das aus einem anderen, weniger verschleißfesten Material besteht.
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Durch die Kombination von zwei unterschiedlichen Materialpaarungen zur Herstellung eines kombinierten Bauteils ergibt sich der Vorteil, dass auf elegante Weise ein geringeres Gewicht mit einer hohen Verschleißfestigkeit kombiniert wird, ohne dass ein schweres durchgehendes, einheitliches Bauteil verwendet werden muss, wie es in 2 der Erfindung als Stand der Technik dargestellt ist.
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Würde das weichere Material wegfallen, welches - je nach Ausbildung des Lamellenträgers - entweder das Innen- oder das Außenteil bildet, dann wäre eine geringere Drehmomentenfestigkeit in Kauf zu nehmen und nur noch eine geringere Momentenübertragung möglich, weil die Abstützung des die eigentlich verschleißfeste Verzahnung tragenden Bauteils durch das weichere Bauteil fehlt.
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Als Beispiel kann angegeben werden, dass bei einem Vergleich eines Außenlamellenträgers in Sandwich-Bauweise nach der Erfindung mit einem vergleichbaren Lamellenträger nach dem Stand der Technik mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften der Lamellenträger nach dem Stand der Technik mindestens 30 Prozent mehr Gewicht hat als der kombinierte Lamellenträger, der entweder als Außenlamellenträger oder als Innenlamellenträger ausgebildet ist.
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Bei einem kombinierten Außenlamellenträger nach der Erfindung hat das weniger verschleißfeste Außenteil eine bevorzugte Materialdicke von zum Beispiel 3 mm, und das den Innenumfang bildende, höher verschleißfeste Innenteil hat dann nur noch eine Dicke von 2 mm. Die Gesamtdicke beträgt demnach 5 mm und ein solcher zusammengesetzter Lamellenträger ist vergleichbar mit einem etwa eine Gesamtdicke von 3,2 mm aufweisenden, einteiligen, nach dem Stand der Technik gefertigten Lamellenträger aus Stahl.
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Bei einem Innenlamellenträger bestehen die gleichen Verhältnisse, wobei das verschleißfeste Außenteil lediglich nur noch eine Dicke von 2 mm und das weniger verschleißfeste Innenteil eine Dicke von 3 mm aufweist, sodass wiederum eine Gesamtdicke von 5 mm gegeben ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass noch eine zusätzliche Verprägung im Bereich der aneinander anliegenden Mantelflächen und/oder der aneinander anliegenden Stirnseiten von Rohteil und Zahnkörper stattfindet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zusätzlich zu der mantelseitigen Verprägung auch noch eine Verprägung im Bereich der aneinander anliegenden Stirnseiten der beiden Teile erfolgen kann.
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Die Verprägungen an der Mantelfläche und an der Stirnseite können entweder in Alleinstellung oder in Kombination untereinander vorgesehen werden.
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Zur Erreichung des mantelseitig angestrebten Kaltfließvorganges ist es demnach vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt das unverformte Rohteil koaxial auf den Außenumfang des bereits eine Verzahnung tragenden Zahnkörpers aufgesteckt wird, dass in einem zweiten Verfahrensschritt mithilfe von radial einstellbaren, gleichmäßig am Umfang verteilt angeordneter Pressrollen oder anderer Wälzkörper das Rohteil mantelseitig radial nach innen verformt wird, sodass sich die Flächen des Rohteils in die Verzahnung des Zahnkörpers hineinverformen, und somit das Rohteil auf die Verzahnung des Zahnkörpers aufgewalzt wird, wodurch während des Walzvorganges ein gegenseitiges Ineinanderformen der nun formschlüssig aneinander anliegenden Zahnnuten und Zahnflanken der beiden Mantelflächen der beiden Teile erfolgt, wobei bevorzugt im Zahnflankenbereich (Seitenbereich) Fließpressbereiche ausgebildet werden, in denen ein Kaltschweißvorgang stattfindet.
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Es kommt in diesem Fließpressbereich zu einer stoffschlüssigen Verbindung der beiden Materialien, weil es bei der dort stattfindenden Kaltverschweißung zu einem Ineinandergreifen der kristallinen Molekülstrukturen der beiden Materialien kommt.
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Die stattfindende Kaltumformung bezeichnet das Umformen von Metallen bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Die sich während der plastischen Umformung erhöhende Versetzungsdichte im Metall führt zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass sich die gegenseitigen Versetzungen der beiden Materialien bei ihrer Bewegung treffen und dadurch gegenseitig in ihrer Bewegung behindern. Demnach verzahnen sich die Materialien von Außen- und Innenteil gegenseitig. Es kommt dadurch auch zu einer Kaltverfestigung der Verbindung nach erfolgter Umformung.
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Wegen des Auswalzvorganges der Mantelfläche des außen liegenden Rohteils auf die Verzahnung des innenliegenden Zahnkörpers kommt es auch zu einer in axialer Richtung der beiden Teile gerichteten Materialverlängerung und - Verdünnung bei der Auswalzung der Mantelfläche des außen liegenden Rohteils, welches somit in der Art eines Fließpressverfahrens in die Verzahnung des innenliegenden Zahnkörpers hinein verdrängt wird, was ebenso ein Kaltverschweißen des Rohteils und des Zahnkörpers zur Folge hat
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Damit kommt es zu einer einwandfreien materialtechnischen Verbindung zwischen dem außen liegenden Rohteil und dem innenliegenden Zahnkörper.
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Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass der Walzvorgang vom außen liegenden Rohteil in Richtung radial einwärts auf den innenliegenden Zahnkörper stattfindet. Dieses Ausführungsbeispiel setzt voraus, dass geeignete Walz- oder Drückrollen am Außenumfang des Rohteils ansetzen und dessen Mantelfläche radial einwärts gerichtet in den Bereich der Verzahnung des Zahnkörpers hinein walzen.
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In einer kinematischen Umkehrung dieser Idee ist vorgesehen, dass der Walzvorgang von innen nach außen gerichtet stattfindet. Dies setzt geeignete Roll- oder Walzkörper im Innenraum voraus, die den radial nach außen gerichteten Umformvorgang ausführen.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: schrittweise Darstellung des Ineinanderfügens von zwei Teilen, die im letzten Verfahrensschritt (links) ein zusammengesetztes Bauteil bilden
- 2: einen Innenlamellenträger nach dem Stand der Technik aus einem einheitlichen, durchgehenden Stahlblech
- 3: die perspektivische Ansicht eines Außenlamellenträgers mit einem den Außenumfang bildenden Zahnkörper und einem den Innenumfang bildenden Rohteil im fertiggestellten Zustand
- 4: die gleiche Ansicht nach 3 von der anderen Seite her
- 5: perspektivische Darstellung eines Innenlamellenträgers, bei dem das Rohteil außen ist und der wenig verschleißfeste Zahnkörper innen angeordnet ist.
- 6: die gleiche Darstellung wie 5 von der anderen Seite her
- 7: die schematisierte Darstellung des Auswalzvorganges, bei dem das Rohteil mithilfe eines Rollensatzes auf den innenliegenden Zahnkörper aufgewalzt wird
- 8: die Ansicht in Pfeilrichtung VIII auf die Darstellung nach 7
- 9: schematisiert ein vergrößerter Schnitt durch die beiden ineinandergreifenden Teile in zwei verschiedenen Ausführungsformen, jeweils mit einer Innen- oder einer Außenverzahnung
- 10: vergrößerter Teilschnitt durch die beiden ineinandergreifenden Teile im unverformten Zustand und in verformtem Zustand
- 11: perspektivisch vergrößerte Innenansicht des Ineinandergreifens der beiden Teile
- 12: die Darstellung des Werkzeugsatzes, wie er zur Herstellung einer Verbindung nach 7 verwendet wird
- 13: die Draufsicht auf den Werkzeugsatz zur Herstellung der Verbindung nach 7 und 12
- 14: die gegenüber 7 abgewandelte Ausführungsform, bei der das Auswalzen von der Innenseite her erfolgt
- 15: der Werkzeugsatz für den Auswalzvorgang nach 14
- 16: der vergrößerte Teilschnitt durch die Verbindung nach 15 zwischen den beiden Bauteilen
- 17: der Verzahnungseingriff der beiden miteinander im Fließpressverfahren verbundenen Bauteile 1, 5
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Die Erfindung betrifft das Auswalzen eines Rohteils 1, das in einer ersten Ausführung der Erfindung als topfförmiges Bauteil im ersten Verfahrensschritt noch keine Verzahnung trägt. Das Rohteil 1 wird auf einen, eine fertige Verzahnung 6 tragenden Zahnkörper 5 gewalzt, sodass das Rohteil 1 dessen Verzahnung übernimmt, und die beiden Verzahnungen 4, 6 formschlüssig ineinandergreifen und im Bereich ihrer Zahnflanken im Kaltschweißverfahren miteinander verbunden sind.
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1 zeigt schematisiert einen ersten Zahnkörper 5, der eine Verzahnung 6 aufweist, die aus periodisch sich abwechselnden Zahnnuten 10 und Zahnflanken 11 besteht.
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Der Zahnkörper 5 weist im Übrigen noch eine Stirnwand 22 auf, in der eine zentrale Ausnehmung angeordnet ist.
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1 zeigt von rechts nach links die schrittweise fortschreitende Herstellung in Pfeilrichtung 2. Zunächst wird der Zahnkörper 5 in den Innenraum eines Rohteils 1 hinein gesteckt.
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Die Darstellung in 1 zeigt in einer weiteren Ausgestaltung, dass das Rohteil 1 bereits schon mit einer fertigen Verzahnung 4 ausgestattet ist, die aus periodisch sich abwechselnden Zahnnuten 8 und Zahnflanken 9 besteht.
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Die Verzahnung 4 soll möglichst der Verzahnung 6 im Zahnkörper 5 entsprechen, obwohl die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Verzahnung 4 des Rohteils 1 von der Verzahnung 6 des Zahnkörpers 5 abweicht, indem zum Beispiel jede zweite Zahnnut und Zahnflanke des Rohteils 1 entfällt und als durchgehender Verbindungssteg 23, 24 ausgebildet ist.
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In einer zweiten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Rohteil 1 im ersten Verfahrensschritt links in 1 keinerlei Verzahnung aufweist und lediglich als unverzahntes topfförmiges Bauteil ausgebildet ist, das erst seine Verzahnung durch den später zu beschreibenden Walzvorgang erhält.
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Die 1 zeigt demnach nur die erste Ausgestaltung des (von vorne herein bereits verzahnten) Rohteils 1 mit einer fertigen Verzahnung 4, wobei nicht zeichnerisch dargestellt ist, dass die Verzahnung des Rohteils 1 auch entfallen kann und erst beim späteren Walzvorgang aufgebracht wird.
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Das Rohteil 5 weist im Übrigen eine innere Stirnwand 12 auf, die von einer zentralen Ausnehmung umgrenzt ist.
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Die beiden Stirnwände 12, 22, die im zusammengesetzten Bauteil 3 dann aneinander anliegen, können auch durchgehend verbunden sein, das heißt, es entfällt die zentrale Ausnehmung.
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Mit fortschreitender Herstellung wird demnach das Rohteil 1 auf den Außenumfang des Zahnkörpers 5 aufgesteckt, sodass sich die zweite Position von links in 1 ergibt. Dies ist eine Zwischenposition. Diese Darstellung zeigt nur der besseren zeichnerischen Verdeutlichung wegen, dass die beiden Bauteile noch nicht ineinander gesteckt sind, und der Steckvorgang dann schließlich in 1 auf der linken Seite vollendet ist.
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Im zusammengesetzten Zustand wird demnach mit einem geeigneten Roll- oder Walzwerkzeug, welches gleichmäßig am Umfang verteilt des Rohteils 1 anliegt, das Rohteil 1 mit seiner Wandung auf die Mantelfläche des innenliegenden Zahnkörpers aufgewalzt, sodass sich dadurch zwei formschlüssig ineinandergreifende Verzahnungen 4, 6 ergeben, die im Bereich ihrer Zahnflanken noch zusätzliche Kaltschweißbereiche zeigen. Dies ist in 1 auf der rechten, letzten Position dargestellt.
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Die Darstellung in den 2 bis 6 zeigt weitere Einzelheiten.
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In 2 ist ein Innenlamellenträger 13 als Bauteil nach dem Stand der Technik dargestellt. Er besteht aus einem einheitlichen, durchgehenden Stahlblechmaterial und muss mit einer wesentlich höheren Dicke und höheren Festigkeit ausgebildet werden als vergleichsweise das Kombinationsbauteil 3 nach 1, wenn es die gleichen mechanischen Kenngrößen erreichen soll.
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Das Kombinationsbauteil 3 nach 1 kann in zwei verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden. Die 3 und 4 zeigen die Ausführungsform des Bauteils 3 als Außenlamellenträger, während die 5 und 6 die Ausführung dieses Kombinationsbauteils 3 als Innenlamellenträger darstellen.
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In den 3 und 4 ist demnach der hochverschleißfeste Zahnkörper 5 am Innenumfang des kombinierten Bauteils 3 angeordnet und bildet eine hochverschleißfeste Verzahnung 6. Der Außenumfang des kombinierten Bauteils wird durch das weichere Rohteil 1 gebildet, dessen Verzahnung 4 auf die Außenverzahnung des Zahnkörpers 5 aufgewalzt ist und in diesen Bereichen die mantelseitigen Verbindungsbereiche 7 ausbildet.
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Eine weitere Art ist in den 5 und 6 dargestellt, wo das hochverschleißfeste Rohteil 1 mit seiner Verzahnung 4 den Außenumfang des kombinierten Bauteils 3 bildet, während der weniger verschleißfeste Zahnkörper 5 am Innenumfang dieses Bauteils 3 angeordnet ist.
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In 7 ist als erste Ausführungsform dargestellt, dass das Rohteil 1 als topfförmiges Teil auf den Außenumfang des eine Verzahnung 6 tragenden Zahnkörpers 5 gesteckt ist, und am Außenumfang eine Anzahl von in jeweils einem Drehlager 18 drehenden Rollen 17 anliegt, wobei jede Rolle - siehe 13 - die Mantelfläche in Pfeilrichtung 19 so auswalzt, dass eine Längenzunahme und Materialverdünnung stattfindet und die Mantelfläche 14 des Rohteils 1 auf die Verzahnung des Zahnkörpers 5 aufgewalzt wird.
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Damit verlängert sich die Mantelfläche 14 in axialer Richtung, weil ein Kaltfließvorgang stattfindet. Auf der linken Seite in 7 ist die Endposition dargestellt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel bleibt der Rollensatz mit den Rollen 17 stehen, und das gesamte Bauteil wird in Pfeilrichtung 16 in axialer Richtung nach unten bewegt, sodass sich die Rollen 17 des Rollensatzes entlang der Mantelfläche 14' bewegen und diese auswalzen, bis der Endzustand nach 7 auf der linken Seite erreicht wird. Die Rolle 17 befindet sich dann in der Position der Rolle 17', und die Mantelfläche 14' ist vollständig in ihrer Länge ausgewalzt, und ist etwa mit ihrer Stirnseite etwa bündig mit der Mantelfläche 15 des Zahnkörpers 5.
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Im fertig gestellten Zustand ergibt sich die Stirnansicht gemäß 8. Es ist erkennbar, dass die Zahnnuten und Zahnflanken 10, 11 des Zahnkörpers 5 formschlüssig in die Zahnnuten und Zahnflanken 8, 9 des Rohteils 1 hineinverformt sind, und dort Kaltfließverbindungsbereiche ausbilden.
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9 zeigt zwei verschiedene Ausführungsbeispiele, wo dargestellt ist, dass eine solche Verbindung sowohl bei einer Außenverzahnung 21 zwischen den beiden Teilen stattfinden kann, aber auch bei einer Innenverzahnung 20, wie es in 9 im oberen Teil dargestellt ist.
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Bei einer Innenverzahnung 20 (oberer Teil in 9) liegt die Rolle 17 von außen an und verformt die aneinander anliegenden Flanken radial einwärts, während bei einer Außenverzahnung 21 gemäß 9 (unterer Teil) eine geeignete Rolle 17 oder ein anderer Wälzkörper die Zahnflanken verformt.
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Hierbei wird eine Rolle 27 verwendet, die ein etwa trapezförmiges Profil nach 9 (untere Darstellung) aufweist.
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Daraus ergibt sich, dass mit dem Verfahren sowohl Innen- als auch Außenverzahnungen 20, 21 formschlüssig und im Kaltschweißverfahren miteinander verbunden werden können.
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9 zeigt außerdem, dass es nicht lösungsnotwendig ist, wenn jede am Umfang angeordnete Zahnnut 8 und dazugehörende Zahnflanke 9 in jeweils eine Zahnnut 10 und eine dazugehörende Zahnflanke 11 verformt wird. Es kann beispielsweise auch nur jede zweite oder jede dritte oder jede fünfte Zahnnut und Zahnflanke 8, 9 mit einer zugeordneten Zahnnut und Zahnflanke 10, 11 im Kaltfließverfahren verbunden werden. Dies ist in 9 dergestalt dargestellt, dass, wenn keine Verformung stattfindet, unverformte Verbindungsstege 23, 24 vorhanden sind, die dann nicht verformt werden.
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10 zeigt die miteinander verbundenen Verzahnungen. Es ist erkennbar, dass die Zahnnut 8 zunächst im unverformten Zustand gerade ist und einen geraden Zahnnutbereich 8' bildet, der demnach durch die Rolle 17 in Pfeilrichtung 26 radial einwärts verformt wird, und in die Zahnnut 10 der Verzahnung des Zahnkörpers 5 hineinverformt wird. An den Seitenflächen der aneinander anliegenden Zahnflanken 9 und 11 ergeben sich somit Fließpressbereiche 25, in denen ein Kaltschweißvorgang stattfindet, sodass eine Materialverbindung der beiden Materialien in diesen Bereichen stattfindet und für eine besonders feste, stoff- und formschlüssige Verbindung sorgt.
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Zur zusätzlichen Sicherung dieser Verbindung kann es in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass im Bereich der Zahnnut (Zahngrund) 8 und der gegenüberliegenden Zahnnut 10 jeweils einander zugeordnete Einprägungen 28, 29 vorgesehen sind, die ineinandergreifen und eine weitere formschlüssige Verbindung im Bereich der aneinander anliegenden Zahnnuten 8, 10 erbringen.
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Zusätzlich und in Kombination hierzu oder auch in Alleinstellung kann es vorgesehen sein, dass im Bereich der aneinander anliegenden Stirnwände 12, 22 der Bauteile 1, 5 Einprägungen 30 vorhanden sind, die formschlüssig ineinandergreifen. Dies ist in 11 dargestellt.
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Die 12 und 13 zeigen die maschinentechnische Ausführung der Ausbildung nach 7 und 8. Dort ist erkennbar, dass in den Innenraum des Zahnkörpers 5 eine verzahnte Bauteilaufnahme 31 eingreift, die an ihrem Außenumfang die gleiche Verzahnung trägt wie der Zahnkörper 5, sodass die Verzahnung der Bauteilaufnahme 31 fluchtend in die Verzahnung des Zahnkörpers 5 eingreift und diesen von innen her abstützt.
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An der Außenseite der Verzahnung 6 liegt das zunächst unverzahnte (oder auch möglicherweise verzahnte) Rohteil 1 an, dessen Mantelfläche 14 zunächst aus der Position 14' in die fertiggestellte Mantelfläche 14 ausgewalzt wird, wie dies von der rechten Seite der Darstellung in 12 auf der linken Seite in der 12 erkennbar ist.
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Die 13 zeigt die teilweise Draufsicht auf die Darstellung nach 12. Die verzahnte Bauteilaufnahme 31 ist nur der zeichnerischen Deutlichkeit wegen teilweise dargestellt. In Wirklichkeit geht ist sie ringsum laufend ausgebildet und füllt den gesamten Innenumfang des Zahnkörpers 5 aus.
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Die Erfindung ist nicht darauf angewiesen, dass die verzahnte Bauteilaufnahme 31 an allen Stellen des Umfangs formschlüssig an der Verzahnung 6 des Zahnkörpers 5 anliegt.
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Es ist auch nur teilweise dargestellt, dass die Rollen 17 gleichmäßig verteilt am Umfang angeordnet sind. Es ist jedoch nicht lösungsnotwendig, dass jeder Rolle auch ein Verzahnungseingriff zugeordnet ist. Es können verschiedene Verzahnungseingriffe auch ohne Rolle vorhanden sein, sodass nur zum Beispiel jeder zweite oder jeder dritte Verzahnungseingriff auch mithilfe einer zugeordneten Rolle 17, 17' ausgewalzt wird.
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Die 14 bis 17 zeigen als abgewandeltes Ausführungsbeispiel, dass die Verformung auch von radial auswärts gerichtet, in Pfeilrichtung 26, erfolgen kann. In diesem Fall würde von dem innenliegenden Rohteil 1 ausgehend eine Verformung in Richtung auf den Außenumfang des Rohteils 1 erfolgen. Die verzahnte Bauteilaufnahme 31 liegt dann gemäß 15 am Außenumfang des Zahnkörpers 5 an und stützt diesen radial auswärts gerichtet ab, während am Innenumfang des Rohteils 1 die Rollen 17 anliegen, welche die Verzahnung des Rohteils 1 in die Verzahnung des Zahnkörpers 5 hinein walzen.
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Auch hier sind beide Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass nämlich entweder das topfförmige Rohteil 1 glatt und unverzahnt ist und erst nachträglich durch die Rollen 17 die Verzahnung eingewalzt wird, oder - in der zweiten Ausführungsform - dass das Rohteil 1 bereits schon die Verzahnung 4 trägt und die bereits schon fertiggestellte Verzahnung mit den Rollen 17 ausgewalzt wird, sodass sich im Wege des Fließpressverfahrens die Verzahnung 4 formschlüssig und unter Materialverbindung mit der Verzahnung 6 des Zahnkörpers 5 verbindet.
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Auch hier ist in 16 dargestellt, dass zur weiteren Sicherung der Fließpressverbindung zusätzlich ineinander formschlüssig eingreifende Einprägungen 28, 29 im Bereich einer oder mehrerer der aneinander anliegenden Zahnnuten 8, 10 vorgesehen sein können.
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17 zeigt den Verzahnungseingriff der beiden miteinander im Fließpressverfahren verbundenen Bauteile 1, 5, wobei zur zusätzlichen Sicherung der Verbindung im Bereich der aneinander anliegenden Stirnwände 12, 22 zusätzliche Einprägungen 30 vorhanden sein können, die ineinander formschlüssig eingreifen.
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In der oben stehenden Beschreibung wurde auf ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten, rotationssymmetrischen Bauteils 3 mit Innen- und Außenverzahnung bestehend aus einem eine Innenverzahnung 4 aufweisenden Rohteil 1 und einem eine Außenverzahnung 6 aufweisenden Zahnkörper 5 abgestellt, wobei die beiden Teile 1, 5 topfförmig ausgebildet sind und in einem ersten Verfahrensschritt unter formschlüssiger, gegenseitiger Abstützung koaxial ineinander gesteckt werden, und in einem zweiten Verfahrensschritt mit mindestens einem am (Innen- und/oder Außen-) Umfang anliegenden Umformwerkzeug 17, 27 formschlüssig miteinander verbunden werden
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein, eine Innenverzahnung 4 aufweisendes Rohteil 1 beschränkt. Vielmehr kann in einer anderen Ausgestaltung das topfförmige Rohteil völlig glatt ausgebildet sein und erst durch die Rollumformung die gewünschte Zahnform erhalten.
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Gleiches gilt für das als Zahnkörper 5 bezeichnete Innenteil. Hier ist es ebenfalls nicht notwendig, wenn der Zahnkörper 5 verzahnt ist. Er kann als topfförmiges Teil völlig glatt ausgebildet sein und an seinem Innenumfang von einem als Matrize wirkenden Zahnkörper abgestützt sein. Bei dieser Ausführung wird die Zahnform des Innenteils (auch einschränkend als Zahnkörper 5 bezeichnet) erst bei der Rollumformung erreicht. Die von einem am Außenumfang des (verzahnten oder glatten) Rohteils 1 anliegenden Rollwerkzeuge rollen dann das Zahnprofil durch das Rohteil 1 und den innen liegenden (unverzahnten) Zahnkörper 5 hindurch in Richtung auf die innen liegende verzahnte Matrize. Bei dieser Ausführungsform werden alle Kombinationen zwischen einem verzahnten oder unverzahnten Rohteil 1 und einem verzahnten oder unverzahnten Zahnkörper 5 als erfindungswesentlich beansprucht.
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Mit dieser Technologie ist es möglich, eine erhebliche Gewichtseinsparung bei gleichzeitiger Funktionalität innerhalb eines Getriebes oder im Bereich der Antriebstechnik zu realisieren, was hinsichtlich Kraftstoffeinsparung, zum Beispiel beim PKW oder LKW, erhebliche Vorteile bringt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohteil
- 2
- Pfeilrichtung
- 3
- Bauteil (verzahnt)
- 4
- Verzahnung (von 1)
- 5
- Zahnkörper
- 6
- Verzahnung (von 5)
- 7
- Verbindungsbereich
- 8
- Zahnnut (von 1) 8'
- 9
- Zahnflanke (von 1)
- 10
- Zahnnut (von 5)
- 11
- Zahnflanke (von 5)
- 12
- Stirnwand (von 1)
- 13
- Bauteil (St. d. T.)
- 14
- Mantelfläche (von 1) 14'
- 15
- Mantelfläche (von 5)
- 16
- Pfeilrichtung
- 17
- Rolle 17'
- 18
- Drehlager
- 19
- Pfeilrichtung
- 20
- Innenverzahnung
- 21
- Außenverzahnung
- 22
- Stirnwand (von 5)
- 23
- Verbindungssteg
- 24
- Verbindungssteg
- 25
- Fließpressbereich
- 26
- Pfeilrichtung (Fließpressbereich)
- 27
- Rolle
- 28
- Einprägung (Mantelfläche)
- 29
- Einprägung (Mantelfläche)
- 30
- Einprägung (Stirnwand)
- 31
- verzahnte Bauteilaufnahme
