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Die Erfindung betrifft einen Stirnradtrieb für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Montage eines Stirnradtriebs für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine.
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Es ist bereits ein Stirnradtrieb für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Hauptrad und einem Ausgleichsrad, die koaxial zueinander angeordnet sind und eine gleiche Zähnezahl aufweisen, sowie mit zumindest einem Federelement, das dazu vorgesehen ist, das Hauptrad und das Ausgleichsrad gegeneinander zu verspannen, bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen vorhandenen Bauraum vorteilhaft nutzen zu können. Sie wird durch einen Stirnradtrieb entsprechend dem Anspruch 1 und ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 9 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einem Stirnradtrieb für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem Hauptrad und einem Ausgleichsrad, die koaxial zueinander angeordnet sind und eine gleiche Zähnezahl aufweisen, sowie mit einem Federelement, das dazu vorgesehen ist, das Hauptrad und das Ausgleichsrad gegeneinander zu verspannen.
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Es wird vorgeschlagen, dass das Federelement zumindest teilweise räumlich zwischen Hauptrad und Ausgleichsrad angeordnet ist. Durch die Anordnung des Federelements räumlich zwischen Hauptrad und Ausgleichsrad lässt sich eine einfache Montage und eine kompakte Bauweise erreichen, wodurch ein zusätzlicher axialer Bauraum zur Verfügung steht, der insbesondere genutzt werden kann, um die Breite einer Verzahnung des Hauptrads bei Bedarf zu variieren. Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung kann somit ein vorhandener Bauraum besonders vorteilhaft genutzt werden. Unter einem „Hauptrad eines Stirnradtriebs” soll insbesondere ein Zahnrad, vorzugsweise ein Stirnrad, verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, mit einem anderen Stirnrad zu kämmen und ein Drehmoment zu übertragen. Unter einem „Ausgleichsrad” soll insbesondere ein mit dem Hauptrad gekoppeltes Zahnrad, vorzugsweise ein Stirnrad, verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, gleichzeitig mit dem Hauptrad in eine Verzahnung des Stirnrads einzugreifen und dabei ein Abheben einer Verzahnung des Hauptrads von der Verzahnung des Stirnrads zu vermeiden, indem es mit dem Hauptrad durch das Federelement verspannt ist. Durch die Verspannung mittels des Federelements ist das Ausgleichsrad insbesondere dazu vorgesehen, ein Abheben der Verzahnung des Hauptrads von der Verzahnung des Stirnrads auch dann zu vermeiden, wenn der Stirnradtrieb unbelastet ist. Darunter, dass das Federelement das Hauptrad und das Ausgleichsrad gegeneinander verspannt, soll insbesondere verstanden werden, dass das Hauptrad und das Ausgleichsrad zumindest um einen begrenzten Winkel gegeneinander verdrehbar sind und das Federelement eine Spannkraft bereitstellt, welche die Verzahnung des Hauptrads und die Verzahnung des Ausgleichsrads gegeneinander verspannt, wodurch die Verzahnung des Ausgleichsrads und die Verzahnung des Hauptrads an gegenüberliegenden Flanken der Verzahnung des kämmenden Stirnrads anliegen.
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Unter einer Anordnung eines ersten Bauteils „in axialer Richtung zumindest teilweise räumlich zwischen” zwei anderen Bauteilen soll insbesondere eine Anordnung verstanden werden, bei der eine Erstreckung des ersten Bauteils in axialer Richtung zumindest teilweise von einer Strecke zwischen äußersten Punkten einer Erstreckung der anderen Bauteile überdeckt wird. Unter einer Anordnung eines ersten Bauteils „in axialer Richtung vollständig zwischen zwei anderen Bauteilen” soll insbesondere eine Anordnung verstanden werden, bei der eine Erstreckung des ersten Bauteils in axialer Richtung vollständig von einer Strecke zwischen äußersten Punkten einer Erstreckung der beiden anderen Bauteile überdeckt wird.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Hauptrad und/oder das Ausgleichsrad eine Aufnahme aufweisen, die das Federelement zumindest teilweise aufnimmt. Durch eine Aufnahme für das Federelement im Hauptrad und/oder im Ausgleichsrad kann das Federelement sicher und platzsparend gehalten werden. Unter einer „Aufnahme” soll insbesondere ein Montageraum für das Federelement verstanden werden, in dem das Federelement angeordnet ist und der zumindest teilweise von dem Hauptrad und/oder dem Ausgleichsrad begrenzt oder umschlossen ist. Vorzugsweise ist die Aufnahme durch das Hauptrad und das Ausgleichsrad ausgebildet.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Hauptrad eine Fläche aufweist, welche die Aufnahme für das Federelement in radialer Richtung überdeckt. Dadurch ist die Aufnahme nach außen geschlossen, wodurch verhindert werden kann, dass bei einem Federbruch Teile der Feder nach außen gelangen und insbesondere in den Bereich des Eingriffs der Verzahnungen der Stirnräder gelangen. Durch eine solche Ausgestaltung kann somit eine Betriebssicherheit erhöht werden. Unter „in radialer Richtung überdecken” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Ausgleichsrad und/oder das Hauptrad einen die Verzahnung tragenden Grundkörper aufweist, der die Aufnahme in radialer Richtung begrenzt. Die Begriffe „axial” und „radial” sollen dabei insbesondere mit Bezug auf eine Rotationsachse des Stirnradtriebs verstanden werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Hauptrad und/oder das Ausgleichsrad jeweils ein einstückig angeformtes Stützelement für das Federelement aufweisen, das dazu vorgesehen ist, eine Spannkraft des Federelements aufzunehmen. Dadurch kann die Spannkraft des Federelements einfach zwischen Hauptrad und dem Ausgleichsrad abgestützt werden. Zudem ist eine konstruktiv einfache Ausgestaltung des Hauptrads und des Ausgleichsrads dadurch möglich, dass die Stützelemente besonders einfach in einem Urform- oder Umformprozess an das Hauptrad und/oder das Ausgleichsrad angeformt werden können. Ferner sind keine zusätzlichen Bauteile oder Verbindungselemente erforderlich, wodurch sich Montagekosten verringern und eine Dauerhaltbarkeit erhöht werden kann. Unter einem „Stützelement” soll dabei insbesondere ein Element verstanden werden, welches eine Anlagefläche mit einer in Umfangsrichtung gerichteten Flächennormalen aufweist, wobei die Anlagefläche zur Anlage des Federelements vorgesehen ist. Insbesondere soll darunter keine Ausnehmung verstanden werden, die das Federelement in zumindest einer Querschnittsebene vollständig umschließt. Unter „einstückig angeformt” soll insbesondere in einem Stück geformt verstanden werden, beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss, in einem Sinterprozess oder in einem Schmiedeprozess, zumindest stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch einen Schweißprozess oder einen Klebeprozess. Grundsätzlich ist aber auch denkbar, dass die Stützelemente gesonderte Teile bilden, die fest mit dem Hauptrad und oder dem Ausgleichsrad verbunden werden, beispielsweise durch Nieten, Verstiften, Schrauben.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Federelement eine Omegafeder ist. Dadurch kann eine platzsparende Bauweise und eine günstige Form der Aufnahme des Federelements erreicht werden. Unter einem „Federelement” soll insbesondere ein Energiespeicherelement verstanden werden, das elastisch verformt werden kann. Unter einer „Omegafeder” soll eine Feder verstanden werden, welche die Form eines kreisförmigen oder elliptischen, offenen Rings aufweist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Federelement zwei zueinander symmetrische Schenkel aufweist. Dadurch muss bei der Montage nicht darauf geachtet werden, welche Seite des Federelements in Richtung des Hauptrads und welche Seite in Richtung des Ausgleichsrads weist. Eine Zuverlässigkeit bei einer Montage des Stirnradtriebs wird so erhöht. Unter „zwei zueinander symmetrischen Schenkeln” soll insbesondere verstanden werden, dass sich durch eine Drehung aus einer Ausgangslage heraus eine Lage der Schenkel vertauschen lässt und die Lage ununterscheidbar von der Ausgangslage ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Hauptrad und das Ausgleichsrad einen Fußkreisdurchmesser aufweisen, der größer ist als ein Außendurchmesser des Federelements. Dadurch kann das Federelement vollständig radial innerhalb der Verzahnung des Hauptrads und des Ausgleichsrads angeordnet werden, wodurch eine besonders kompakte Ausgestaltung erreicht werden kann. Unter einem „Fußkreis” soll ein durch einen Zahngrund der Verzahnung des Hauptrads und/oder des Ausgleichsrads definierter Kreis verstanden werden, d. h. ein Außenkreis des Grundkörpers, der die Verzahnung trägt. Unter einem „Außendurchmesser des Federelements” soll insbesondere eine maximale radiale Erstreckung des Federelements verstanden werden.
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Außerdem wird ein Verfahren zur Montage eines Stirnradtriebs für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, in dem ein Hauptrad und ein Ausgleichsrad, die eine gleiche Zähnezahl aufweisen, koaxial zueinander angeordnet werden und durch zumindest ein Federelement gegeneinander verspannt werden, insbesondere ein Verfahren zur Montage eines erfindungsgemäßen Stirnradtriebs, wobei das Federelement zumindest teilweise räumlich zwischen Hauptrad und Ausgleichsrad angeordnet wird. Vorzugsweise wird das Federelement in eine Aufnahme am Hauptrad eingelegt und das Ausgleichsrad anschließend aufgelegt, wobei ein Stützelement des Ausgleichsrads zur Anlage an dem Federelement gebracht wird und das Ausgleichsrad gegen das Hauptrad durch Drehen verspannt wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 1 bis 3 dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Hauptrads eines Stirnradtriebs für einen Ventiltrieb,
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2 eine Explosionszeichnung mit einem Ausgleichsrads und einem Federelement des Stirnradtriebs und
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3 eine Explosionszeichnung des Stirnradtriebs mit dem Ausgleichsrad.
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Die 1 bis 3 zeigen einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Stirnradtrieb. Der Stirnradtrieb umfasst ein Hauptrad 10, ein Ausgleichsrad 11 und ein Federelement 12. Das Federelement 12 ist in axialer Richtung 31 räumlich vollständig zwischen Hauptrad 10 und Ausgleichsrad 11 angeordnet. Das Hauptrad 10 und das Ausgleichsrad 11 sind dazu vorgesehen, gleichzeitig mit einem nicht näher dargestellten Stirnrad zu kämmen. Dabei dient das Hauptrad 10 der Übertragung eines Drehmoments. Das Ausgleichsrad 11 ist im montierten Zustand mit dem Federelement 12 gegen das Hauptrad 10 verspannt und dazu vorgesehen, ein Abheben der Verzahnung 21 des Hauptrads 10 von der Verzahnung des nicht näher dargestellten Stirnrads zu vermeiden. Das Ausgleichsrad 11 und das Hauptrad 10 sind gegeneinander um einen begrenzten Winkel verdrehbar. Das Federelement 12 ist wirkungsmäßig zwischen dem Hauptrad 10 und dem Ausgleichsrad 11 angeordnet und verspannt das Hauptrad 10 und das Ausgleichsrad 11 gegeneinander.
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1 zeigt das Hauptrad 10 mit einer Verzahnung 21 an seinem Außenumfang und einen die Verzahnung 21 tragenden Grundkörper 22. Das Hauptrad 10 weist an seiner Verzahnung 21 einen Fußkreis 23 mit einem Fußkreisdurchmesser 24 und einen Kopfkreis 25 mit einem Kopfkreisdurchmesser 26 auf. Das Hauptrad 10 weist ferner auf einer dem Ausgleichsrad 11 zugewandten Seite eine Aufnahme 13 für das Federelement 12 auf. Die Aufnahme 13 ist vollständig innerhalb des Fußkreises 23 der Verzahnung 21 angeordnet. Die Aufnahme 13 bildet eine ringförmige Vertiefung aus, die in Bezug auf eine Rotationsachse 30 des Hauptrads 10 konzentrisch angeordnet ist. In radialer Richtung nach außen ist die Aufnahme 13 durch den Grundkörper 22 des Hauptrads 10 begrenzt. Das Hauptrad 10 weist eine Fläche 14 auf, welche die Aufnahme 13 in radialer Richtung vollständig überdeckt. Diese Fläche 14 bildet eine Außenfläche der Aufnahme 13. Die Aufnahme 13 weist einen Innendurchmesser 32 und einen Außendurchmesser 33 auf, die auf einen Innendurchmesser 27 und einen Außendurchmesser 28 des Federelements 12 abgestimmt sind. Ein Profil der Aufnahme 13 entspricht einem Profil des Federelements 12. Das Profil der Aufnahme 13 ist in Form eines Rechtecks ausgebildet. Das Profil weist in radialer Richtung eine Höhe 34 auf, die größer ist als eine Höhe 29 des Federelements 12. Das Federelement 12 kann innerhalb der Aufnahme 13 unterschiedlich stark gespannt werden. In einer alternativen Ausführung kann das Profil des Federelements 12 eine andere Form haben und zum Beispiel dreieckig oder rund ausgebildet sein. Die Aufnahme 13 des Federelements 12 ist dann auf die Form des Profils abgestimmt.
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Das Hauptrad 10 weist ein innerhalb der Aufnahme 13 für das Federelement 12 angeordnetes Stützelement 15 auf, das dazu vorgesehen ist, eine Spannkraft des Federelements 12 aufzunehmen. Das Stützelement 15 ist als ein an das Hauptrad 10 angeformter Steg ausgebildet. Das Stützelement 15 entsteht im Urformprozess des Hauptrads 10, wie zum Beispiel während eines Sinterns oder eines Schmiedens. Das Stützelement 15 weist eine Anlagefläche 16 auf, die in ihrer Form auf eine Stirnfläche 35 des Federelements 12 abgestimmt ist. Die Anlagefläche 16 des Stützelements 15 ist konkav ausgebildet, während die Stirnflächen 36 des Federelements 12 entsprechend konvex ausgebildet sind. Grundsätzlich können die Anlagefläche 16 und die Stirnfläche 35 jeweils auch umgekehrt gekrümmt sein.
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Das Federelement 12 ist eine Omegafeder und ist in Form eines offenen Rings ausgebildet (vgl. 2). Das Federelement 12 weist eine kreisförmige Grundform mit sich gegenüberliegenden Enden auf. Das Federelement 12 weist einen Innendurchmesser 27 auf, der mindestens so groß ist wie ein Innendurchmesser 37 des Ausgleichsrads 11. Die Enden des Federelements 12 bilden einander zugewandte Stirnflächen 35, 36 aus. Das Federelement 12 weist zwei zueinander symmetrische Schenkel 19, 20 auf. Durch die Symmetrie kann nicht unterschieden werden, welche Seite dem Hauptrad 10 und welche Seite dem Ausgleichsrad 11 zugewandt ist. In einer alternativen Ausführung kann das Federelement 12 die Form eines offenen Rings aufweisen, dessen Enden in axialer Richtung 31 gegeneinander verschoben sind. Grundsätzlich ist auch denkbar, dass das Federelement 12 als eine Spiralfeder oder eine Wendelfeder ausgebildet ist.
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Das Ausgleichsrad 11 weist an seinem Außenumfang eine Verzahnung 38 und einen die Verzahnung 38 tragenden Grundkörper 39 auf. Das Ausgleichsrad 11 weist an seiner Verzahnung 38 einen Fußkreis 40 und einen Kopfkreis 42 auf (vgl. 2). Die Verzahnung 38 des Ausgleichsrads 11 und die Verzahnung 21 des Hauptrads 10 weisen einen gleichen Fußkreisdurchmesser 24, 41, einen gleichen Kopfkreisdurchmesser 26, 43 sowie eine gleiche Zahnanzahl auf. Die Verzahnung 38 des Ausgleichsrads 11 und die Verzahnung 21 des Hauptrads 10 sind, abgesehen von einer Breite, identisch, d. h. sie weisen ein identisches Profil auf.
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Das Ausgleichsrad 11 weist ein Stützelement 17 auf, das innerhalb des Fußkreisdurchmessers 41 der Verzahnung 38 angeordnet ist und das dazu vorgesehen ist, eine Spannkraft des Federelements 12 aufzunehmen. Das Stützelement 17 entsteht im Ur- oder Umformprozess des Ausgleichsrads 11, wie zum Beispiel während eines Sinterns oder Schmiedens. Das Stützelement 17 ist als Höcker ausgebildet, der an das Ausgleichsrad 11 angeformt ist. Das Stützelement 17 des Ausgleichsrads 11 weist eine Anlagefläche 18 auf, die in ihrer Form auf die Stirnfläche 36 des Federelements 12 abgestimmt ist. Die Anlagefläche 18 des Stützelements 17 ist konkav ausgebildet, während die Stirnfläche 36 des Federelements 12 entsprechend konvex ausgebildet ist. Grundsätzlich können die Anlagefläche 18 und die Stirnfläche 36 jeweils auch umgekehrt gekrümmt sein. In einer alternativen Ausführung können die Stützelemente 15, 17 für das Federelement 12 am Hauptrad 10 und/oder am Ausgleichsrad 11 jeweils eigene Bauteile, wie Plättchen, Scheiben, Stifte oder Bolzen sein, die mit dem Hauptrad 10 und dem Ausgleichsrad 11 in einer geeigneten Weise verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen, Nieten, Verstiften und/oder Schrauben.
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Das Hauptrad 10 weist ferner auf der dem Ausgleichsrad 11 zugewandten Seite einen zu seinem Umfang konzentrischen Lagerring 44 auf, der in axialer Richtung 31 über die Verzahnung 38 hinausragt. Der Lagerring 44 ist einstückig mit dem Hauptrad 10 ausgebildet. Der Lagerring 44 weist einen Außendurchmesser 45 auf, der auf einen Innendurchmesser 37 des Ausgleichsrads 11 abgestimmt ist. Der Außendurchmesser 45 des Lagerrings 44 ist größer als ein Innendurchmesser 27 des Federelements 12. In Bezug auf eine Rotationsachse 30 des Stirnradtriebs sind der Lagerring 44 und das Federelement 12 in unterschiedlichen Ebenen angeordnet. Das Ausgleichsrad 11 weist eine Breite auf, die einer Breite des Lagerrings 44 entspricht. Der Lagerring 44 bildet ein Gleitlager 46 aus, welches das Ausgleichsrad 11 drehbar auf dem Hauptrad 10 lagert. Im montierten Zustand sind Ausgleichsrad 11 und Hauptrad 10 koaxial zueinander angeordnet. Die Verzahnung 21 des Hauptrads 10 und die Verzahnung 38 des Ausgleichsrads 11 berühren sich.
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Das Federelement 12 ist vollständig in der Aufnahme 13 angeordnet, die durch das Hauptrad 10 ausgebildet wird. Die Stirnfläche 35 des Federelements 12 liegt an dem Stützelement 15 des Hauptrads 10 an. Das Federelement 12 ist vollständig innerhalb des Fußkreises 23 der Verzahnung 21 des Hauptrads 10 angeordnet.
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Das Stützelement 17 des Ausgleichsrads 11 ragt in die durch das Hauptrad 10 ausgebildete Aufnahme 13 für das Federelement 12 hinein. Die zweite Stirnfläche 36 des Federelements 12 liegt an dem Stützelement 17 des Ausgleichsrads 11 an. Das Ausgleichsrad 11 begrenzt die Aufnahme 13 für das Federelement 12 im Hauptrad 10 in axialer Richtung 31.
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Zur Montage wird das Federelement 12 in die Aufnahme 13 des Hauptrads 10 eingelegt (vgl. 3). Das Federelement 12 wird so weit in Richtung Uhrzeigersinn verschoben, bis seine Stirnfläche 36 an dem Stützelement 15 des Hauptrads 10 anliegt. Das Ausgleichsrad 11 wird parallel und koaxial zu dem Hauptrad 10 auf den Lagerring 44 des Hauptrads 10 aufgesetzt, wobei das Stützelement 15 des Ausgleichsrads 11 in einen Bereich 47 zwischen den Stirnflächen 35, 36 des Federelements 12 eingebracht wird. Dann wird das Ausgleichsrad 11 auf den Lagerring 44 aufgeschoben, bis es am Hauptrad 10 anliegt. Anschließend wird das Ausgleichsrad 11 gedreht, bis die Anlagefläche 18 des Stützelements 17 an der noch freien Stirnfläche des Federelements 12 anliegt. Durch weiteres Drehen werden die Verzahnungen 21 von Hauptrad 10 und Ausgleichsrad 11 in Deckung gebracht, während die Stirnflächen 35, 36 des Federelements 12 voneinander entfernt werden, wodurch das Federelement 12 auf Druck belastet ist. Das Federelement 12 übt damit die Spannkraft auf das Stützelement 15 des Hauptrads 10 und das Stützelement 17 des Ausgleichsrads 11 aus. In einer alternativen Ausführung kann das Federelement 12 auch auf Zug belastet werden.
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Grundsätzlich ist es auch dankbar, dass die Verzahnungen 21, 38 des Hauptrads 10 und des Ausgleichsrads 11 einen Abstand in axialer Richtung 31 aufweisen.
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Sobald das Ausgleichsrad 11 und das Hauptrad 10 gegeneinander verspannt sind, werden das Hauptrad 10 und das Ausgleichsrad 11 durch eine geeignete Arretierung in einer Position, in der die Verzahnungen 21, 38 deckungsgleich angeordnet sind, arretiert. Bei einer Endmontage werden Hauptrad 10 und Ausgleichsrad 11 in Eingriff mit einem nicht näher dargestellten Stirnrad gebracht, wodurch die Verzahnungen 21, 38 des Hauptrads 10 und des Ausgleichsrads 11 und eine Verzahnung des Stirnrads ineinander greifen. Anschließend wird die Arretierung gelöst, und das Federelement 12 verdreht das Ausgleichsrad 11 und das Hauptrad 10 gegeneinander, bis die Verzahnung 38 des Ausgleichsrads 11 und die Verzahnung 21 des Hauptrads 10 an jeweils gegenüberliegenden Flanken der Verzahnung des Stirnrads anliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hauptrad
- 11
- Ausgleichsrad
- 12
- Federelement
- 13
- Aufnahme
- 14
- Fläche
- 15
- Stützelement
- 16
- Anlagefläche
- 17
- Stützelement
- 18
- Anlagefläche
- 19
- Schenkel
- 20
- Schenkel
- 21
- Verzahnung
- 22
- Grundkörper
- 23
- Fußkreis
- 24
- Fußkreisdurchmesser
- 25
- Kopfkreis
- 26
- Kopfkreisdurchmesser
- 27
- Innendurchmesser
- 28
- Außendurchmesser
- 29
- Höhe
- 30
- Rotationsachse
- 31
- axiale Richtung
- 32
- Innendurchmesser
- 33
- Außendurchmesser
- 34
- Höhe
- 35
- Stirnfläche
- 36
- Stirnfläche
- 37
- Innendurchmesser
- 38
- Verzahnung
- 39
- Grundkörper
- 40
- Fußkreis
- 41
- Fußkreisdurchmesser
- 42
- Kopfkreis
- 43
- Kopfkreisdurchmesser
- 44
- Lagerring
- 45
- Außendurchmesser
- 46
- Gleitlager
- 47
- Bereich
