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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad, insbesondere ein Schraub- bzw. Schneckenrad, das in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, insbesondere einer Servolenkung, eingesetzt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektromechanische Lenkvorrichtung mit einem solchen Zahnrad, insbesondere einem solchen Schraubrad.
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Schraub- bzw. Schneckenräder als besondere Ausführungen eines Zahnrads werden in Schneckengetrieben eingesetzt, die eine Art eines Schraubwälzgetriebes darstellen und eine schraubenförmige Schnecke umfassen, die bei Drehbewegungen ein in diese eingreifendes Zahnrad bzw. Schneckenrad dreht. Schneckengetriebe sind somit Zahnradgetriebe mit im allgemeinen rechtwinklig gekreuzten Achsen. Die in der Regel treibende Schnecke mit zylindrischer bzw. globoidischer Ausgestaltung wirkt mit dem zugehörigen, in der Schnecke kämmenden Schneckenrad mit entsprechender Verzahnung zusammen. Dabei findet die Berührung von Schnecke und Schneckenrad in Linien innerhalb eines Eingriffsfelds statt. Hierzu verfügen Schnecken über einen oder mehrere Zähne, die wie Gänge von Schrauben unter gleichbleibender Steigung um die Schneckenachse gewunden sind.
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Derartige Schneckengetriebe werden in Lenkvorrichtungen, wie bspw. Servolenkungen, zur Übertragung von Lenkmomenten auf die Zahnstange des Lenksystems eingesetzt. Servolenkungen wiederum werden zur Reduzierung der Kraft, die zur Betätigung des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs beim Lenken im Stand, beim Rangieren oder bei geringen Fahrgeschwindigkeiten erforderlich ist, eingesetzt. Dabei unterstützt die Servolenkung den Fahrer beim Lenken, indem die vom Fahrer aufgebrachte Kraft durch ein zusätzlich aufgebrachtes Moment, bspw. von einem Elektromotor, verstärkt wird.
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Bekannte Schraub- bzw. Schneckenräder bestehen bspw. aus einem Guss-Polyamid-Ring, die mit einer Metallnabe verklebt werden. Anschließend wird die Verzahnung durch Fräsen in den Guss-Polyamid-Ring eingebracht.
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Aus der Druckschrift
WO 02/38432 A1 ist eine elektrische Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, die ein Schneckengetriebe aufweist, das aus einer in einem Gehäuse gelagerten Schnecke und einem mit einer Eingangswelle gekoppelten Schneckenrad besteht. Das Schneckenrad ist Teil einer elastischen Ausgleichskupplung, deren Kupplungsteile nur durch einen elastischen Abstandshalter miteinander gekoppelt sind. Dabei ist das Schneckenrad spiegelsymmetrisch aufgebaut und auf dem Abstandshalter gelagert.
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Es sind weiterhin Schraubräder für Servolenkungen bekannt, die aus mehreren Teilen bestehen. Diese mehrteiligen Schraubräder werden durch Verbindungselemente form- und kraftschlüssig verbunden, um das Drehmoment vom Zahnkranz auf die Welle übertragen zu können.
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Weiterhin sind Zahnräder bekannt, die ein Außenteil mit einer Verzahnung aufweisen und ein Einlegeteil als Nabe bzw. Innenteil haben, die durch ein Verbindungsteil mit einem Schirmanguss verbunden werden. Die Druckschrift
EP 1 777 439 A1 beschreibt ein solches Zahnrad und ein Verfahren zur Herstellung dieses Zahnrads, bei dem das Außenteil und das Einlegeteil mit dem Verbindungsteil formschlüssig verbunden werden, wobei das Verbindungsteil mittels Schirmanguss gegossen wird.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine elektromechanische Lenkvorrichtung gemäß Anspruch 12 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das beschriebene Zahnrad weist ein Innenteil, ein Außenteil, das am Umfang Zähne des Zahnrads trägt und ein Verbindungsteil auf, wobei das Verbindungsteil das Innenteil mit dem Außenteil verbindet. Dabei ist vorgesehen, dass das Außenteil mehrteilig mit mindestens zwei Außenteilelementen ausgebildet ist. Es sind somit zwei, drei, vier oder mehr Außenteilelemente vorgesehen, die zusammengesetzt das Außenteil bilden.
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In einer Ausführung besteht das Außenteil aus einem unverstärkten Kunststoff. In einer weiteren Ausführung besteht das Verbindungsteil aus einem verstärkten Kunststoff. Das Innenteil kann aus einem Stahlwerkstoff bestehen.
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In einer weiteren Ausführungsform bilden die Außenteilelemente einen Hinterschnitt im Verzahnungsbereich, d. h. im Bereich der Zähne in axialer Richtung, aus.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Außenteil zwei Außenteilelemente umfasst. Diese beiden wirken zusammen und bilden das Außenteil. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die beiden Außenteilelemente geometrisch identisch ausgebildet sind. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die beiden Außenteilelemente an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils einen Kantenbruch aufweisen, so dass eine Nut gebildet wird, die einen Fettspeicher bildet.
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Die beiden Außenteilelemente können an gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine Nut im Zahn aufweisen, die eine Öffnung im Zahn darstellen, die einen Fettspeicher bildet.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist eine globoidische Verzahnung vorgesehen.
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Es werden weiterhin Merkmale beschrieben, die alternativ oder ergänzend zu den vorstehend aufgeführten Merkmalen verwirklicht sein können. Demnach weist ein Zahnrad ein Innenteil, ein Außenteil, das am Umfang Zähne des Zahnrads trägt und ein Verbindungsteil auf, wobei das Verbindungsteil das Innenteil mit dem Außenteil verbindet. Das vorgestellte Zahnrad zeichnet sich dadurch aus, dass das Verbindungsteil die Zähne des Außenteils im Bereich mindestens einer Stirnfläche der Zähne zumindest abschnittsweise umschließt.
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Eine Stirnfläche ist dabei eine Fläche, die eine seitliche Begrenzung des Zahnrads darstellt. Der Normalenvektor dieser Fläche kann in axialer Richtung gerichtet sein. Das Außenteil kann eine Stirnfläche oder mehrere Stirnflächen aufweisen. Das Verbindungsteil ist derart ausgebildet, dass es in Kontakt mit mindestens einer der Stirnflächen wenigstens abschnittsweise ist.
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Somit kann die Verzahnung vollständig aus einem unverstärkten Material bestehen. Im Betrieb besteht kein Kontakt zwischen verstärktem Material und einem Schraubritzel, dem Gegenstück. Die Zähne bzw. die Verzahnung werden axial durch das Verbindungsteil, das aus einem verstärkten Material bestehen kann, abgestützt.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass das Außenteil aus einem unverstärkten Kunststoff besteht. In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass das Verbindungsteil aus einem verstärkten Kunststoff besteht. Das Innenteil kann aus einem Stahlwerkstoff bestehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verbindungsteil im Bereich mindestens einer Stirnfläche die Zähne des Außenteils vollständig umschließt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Zähne vom Außenteil in Richtung der Stirnfläche im Querschnitt kleiner werden, wobei das Verbindungsteil diesen Querschnitt wieder zur vollen Zahnstärke auffüllt. In diesem Fall kann das Verbindungsteil einen reduzierten Zahnquerschnitt haben. Außerdem kann das Verbindungsteil die Zähne vom Außenteil vollständig und die Zahnlücken des Außenteils überdecken.
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In noch einer weiteren Ausführung weist das Außenteil axial zentrisch radial von innen nach außen eine durchgehende scheibenförmige Verbindung auf.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Außenteil im Bereich der Laufverzahnung eine axial durchgängige Öffnung bspw. bei jedem Zahn aufweist, welche vom Verbindungsteil aufgefüllt wird.
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Es wird somit ergänzend oder alternativ ein mehrteiliges Kunststoffzahn- und -schraubrad mit kleinem Außendurchmesser für große Drehmomente vorgestellt. Das Zahnrad weist ein Innenteil auf, das eine Nabe oder eine Welle darstellt und bspw. aus einem Stahlwerkstoff besteht. Das Zahnrad umfasst weiterhin ein Außenteil, das am Umfang die Zähne des Zahnrads aufweist und bspw. aus einem unverstärkten Kunststoff besteht. Das Verbindungsteil besteht bspw. aus einem verstärkten Kunststoff und verbindet das Innenteil mit dem Außenteil. Dabei umschließt das Verbindungsteil im Bereich einer Stirnfläche die Zähne vom Außenteil zumindest abschnittsweise bzw. zumindest teilweise.
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Die Herstellung des beschriebenen Zahnrads kann im bekannten Herstellverfahren produziert werden. Im ersten Schritt wird das Außenteil mit der Verzahnung üblicher Weise im Schirmangussverfahren hergestellt. Dann wird das Innenteil und das Außenteil in die Spritzgussmaschine eingelegt und das Verbindungsteil eingespritzt.
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Dabei umschließt der verstärkte Kunststoff des Verbindungsteils mindestens abschnittsweise an wenigstens einer Stirnseite oder allen Stirnseiten den aus bspw. unverstärktem Kunststoff hergestellten Zahn des Außenteils. Im Verzahnungseingriff mit dem Ritzel ist der unverstärkte Kunststoff vom Zahn des Außenteils. Dadurch ist der Verschleiß am Ritzel bzw. Schnecke gering. Die ertragbaren Spannungen vom Zahn sind jedoch gering. Deshalb wird der Zahn im Bereich der Stirnseite vom verstärkten Kunststoff des Verbindungsteils umschlossen. Der verstärkte Kunststoff vom Verbindungsteil kann höhere Spannungen ertragen als der unverstärkte Kunststoff des Zahns. Durch den Füllstoff im verstärkten Kunststoff ist jedoch ein großer Verschleiß an dem Ritzel bzw. der Schnecke zu erwarten. Deshalb kann das Verbindungsteil den Zahn vorteilhafterweise nur außerhalb des Verzahnungseingriffs verstärken. Diese beschriebene Verstärkung kann in verschieden Varianten erfolgen. Dabei unterscheiden sich die Varianten hinsichtlich Herstellkosten, Montagekosten bei der Getriebemontage und ertragbarer Spannungen in der Verzahnung, dass heißt, es können größere Drehmomente übertragen werden.
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Bei einer ersten, kostengünstigen Ausführung wird auf einer Stirnseite des Außenteils die Verzahnung durch das Verbindungsteil als scheibenförmigen Ring bzw. Kreisring verstärkt, der im Außendurchmesser über den Zahnkopf hinausragt oder mit ihm abschließt. Diese Scheibe kann im Bereich der Zahnlücken auch Unterbrechungen aufweisen. Dabei ist der Zahn vom Außenteil in diesem Bereich, d. h. an der Stirnseite, im Querschnitt reduziert. Die Reduzierung des Querschnitts kann sich in Richtung Stirnseite vergrößern. Dadurch kann die Verstärkung über die Zahnbreite günstig gestaltet werden, um keine Spannungsspitzen zu erzeugen. Bei dieser Ausführung sind die Herstellung und die Getriebemontage günstig. Die ertragbaren Spannungen sowie das übertragbare Drehmoment sind höher.
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Bei einer zweiten Ausführung wird in Ergänzung zur ersten Ausführung dieser scheibenförmige Ring des Verbindungsteils auf beiden Stirnseiten der Verzahnung vorgesehen. Dabei ist der Zahn vom Außenteil in diesem Bereich, d. h. der Stirnseite, im Querschnitt reduziert. Die Reduzierung des Querschnitts kann sich in Richtung Stirnseite vergrößern. Dadurch kann die Verstärkung über die Zahnbreite günstig gestaltet werden, um keine Spannungsspitzen zu erzeugen. Durch diesen Aufbau ist ein größeres Drehmoment übertragbar. Bei der Herstellung im Spritzgussprozess des Verbindungsteils kann die Verzahnung vom Außenteil nur gering unterstützt werden, so dass die Verzahnungsqualität schlechter werden kann. Bei der Getriebemontage muss die Schnecke in das Schneckenrad eingeschraubt werden.
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Bei einer dritten Ausführungsform wird die Verstärkung der Verzahnung auf der Stirnseite durch das Verbindungsteil genau in der Zahnform des Außenteils abgebildet. Dabei ist der Zahn vom Außenteil in diesem Bereich, d. h. der Stirnseite, im Querschnitt reduziert. Die Reduzierung des Querschnitts kann sich in Richtung Stirnseite vergrößern. Dadurch kann die Verstärkung über die Zahnbreite günstig gestaltet werden, um keine Spannungsspitzen zu erzeugen. Der Querschnitt der Verzahnung des Verbindungsteiles kann gegenüber der Verzahnung des Außenteils zurückgesetzt sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass immer das Außenteil im normalen Zahneingriff mit dem Ritzel ist. Dabei ist der Zahn vom Außenteil in diesem Bereich, d. h. der Stirnseite, im Querschnitt reduziert. Die Reduzierung des Querschnitts kann sich in Richtung Stirnseite vergrößern.
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Somit kann die Verstärkung über die Zahnbreite günstig gestaltet werden, um keine Spannungsspitzen zu erzeugen. Wenn die Drehmomente größer werden, verformt sich die Verzahnung des Außenteils so weit, dass das Verbindungsteil aus verstärktem Kunststoff in den Verzahnungseingriff mit dem Ritzel gerät und die großen Drehmomente mit abstützt. Dabei kann das Ritzel auch gehärtet werden, um den Verschleiß zu beherrschen.
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Es können auch Kombinationen der verschieden Ausführungsformen vorgenommen werden. Bspw. kann die einseitige ringförmige Verstärkung der Verzahnung auf der anderen Stirnseite mit einem reduzierten Zahnquerschnitt im Verbindungsteil und Außenteil kombiniert werden. Dadurch entsteht eine Ausführung, die günstig hergestellt werden kann und auch bei der Getriebemontage nur gesteckt werden muss. Die übertragbaren Drehmomente sind bei diesem Aufbau entsprechend groß. Das Außenteil kann so gestaltet werden, dass es innen eine zentrale Scheibe bildet. Durch diesen Aufbau ist es möglich das Außenteil im Schirmanguss herzustellen, was eine besonders gute Verzahnungsqualität ermöglicht.
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Zudem wird eine elektromechanische Lenkvorrichtung mit einem Zahnrad der vorstehend beschriebenen Art vorgestellt. Die elektromechanische Lenkvorrichtung, bspw. eine Servolenkung, kommt in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz.
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Es wird somit hierin ein mehrteiliges Kunststoffschraubrad mit kleinem Außendurchmesser für große Drehmomente vorgestellt. Das Zahnrad, insbesondere Schraubrad, besteht aus einem Innenteil, welches eine Nabe oder eine Welle darstellt und üblicher Weise aus einem Stahlwerkstoff besteht. Das Schraubrad besteht weiterhin aus mindestens zwei Außenteilen, die am Umfang die Zähne des Schraubrades aufweisen und üblicherweise aus einem unverstärkten Kunststoff bestehen. Das Verbindungsteil besteht üblicherweise aus einem verstärkten Kunststoff und verbindet das Innenteil mit dem Außenteil.
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Die Herstellung des Zahnrads kann im bekannten Herstellverfahren produziert werden. Dabei werden in einem ersten Schritt die zumindest zwei Außenteilelemente mit der Verzahnung in einem Schirmangussverfahren hergestellt. Dann werden das Innenteil und das Außenteil in die Spritzgussmaschine eingelegt und das Verbindungsteil eingespritzt.
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Bei einer Ausführung wird somit die Verzahnung durch zwei Außenteilelemente gebildet. Man kann dies auch dahingehend darlegen, dass von zwei Außenteilen gesprochen wird. Die beiden Außenteilelemente können geometrisch identisch sein und zweimal im Zahnrad verbaut werden, um die geforderte Verzahnungsbreite darzustellen. Das Außenteil kann günstig im Spritzgussverfahren in einfachen Formen mit geringer Formteilung hergestellt werden. Durch die Verwendung von zwei Verzahnungsteilen kann eine Verzahnung mit Hinterschnitt, bspw. eine globoidische Verzahnung, hergestellt werden. Diese ist im Spritzgussverfahren herstellbar, ohne dass es erforderlich ist, jeden Zahn einzeln zu entformen. Eine globoidische Verzahnung hat mit der Schnecke bzw. dem Ritzel eine Linienberührung und kann dadurch große Drehmomente übertragen.
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In weiterer Ausgestaltung hat das Außenteil an der Stirnseite einen Kantenbruch. Dieser Kantenbruch bildet im Zahnrad an der Trennkante beider Verzahnungen eine Nut, so dass diese als Schmiermitteltasche eingesetzt werden kann. Auf diese Weise ist die Reibung über die gesamte Lebensdauer besonders gering.
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Bei der Herstellung der Verzahnung kann im Zahn eine Nut ein- bzw. angebracht werden, die im vollständigen Zahnrad eine Bohrung bzw. Öffnung im Mittenbereich der Zahnbreite darstellt. Beim Verzahnungseingriff mit der Schnecke bzw. dem Ritzel wird durch diese Bohrung im Schneckenrad das Schmierfett von einer Zahnflanke auf die andere übertragen bzw. transportiert. Durch dieses große Fettvolumen direkt im Bereich der Zahnflanken wird über die Lebensdauer eine geringe Reibung im Getriebe realisiert. Beim wechselseitigen Lenken, was bei Lenkgetrieben üblich ist, wird das Fett aufgrund der Zahnverformung durch die Bohrung von einer Zahnflanke auf die andere übertragen und sichert somit die geringe Reibung des Getriebes.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsform/en in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung eines Zahnrads in verschiedenen Schnittdarstellungen.
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2 zeigt eine weitere Ausführung des beschriebenen Zahnrads.
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3 zeigt einen Ausschnitt des Zahnrads.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Zahnrad.
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In 1 ist eine Ausführung eines Zahnrads, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, dargestellt. Dieses umfasst ein Innenteil 12, ein Verbindungsteil 14 und ein Außenteil 16, das Zähne 18 trägt. Das Verbindungsteil 14 umfasst sich radial erstreckende Speichen 20 und verbindet das Innenteil 12 mit dem Außenteil 16.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine Schnittansicht entlang der Linie A-A und eine Schnittansicht entlang der Linie B-B.
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Eine weitere Ausführung des Zahnrads 30 ist in 2 dargestellt. Dieses umfasst wiederum ein Innenteil 32, ein Verbindungsteil 34 und ein Außenteil 36. Dieses Außenteil 36 trägt am Umfang Zähne 38, die die Verzahnung bilden. Das Verbindungsteil 34 verbindet das Innenteil 32 mit dem Außenteil 36 und umfasst Speichen 40.
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Die Darstellung zeigt, dass das Außenteil 36 mit der Verzahnung aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, nämlich einem ersten Außenteilelement 42 und einem zweiten Außenteilelement 44. Die beiden Außenteilelemente 42 und 44 sind in diesem Fall geometrisch identisch aufgebaut, wirken zusammen und bilden das Außenteil 36. Beide Außenteilelemente 42 und 44 bilden an ihren aneinanderstoßenden Stirnseiten einen Kantenbruch, so dass an der Verbindungsstelle eine Nut 46 entsteht, die einen Fettspeicher bildet.
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3 zeigt einen Ausschnitt eines Zahnrads 50. Die Darstellung zeigt ein Verbindungsteil 54 mit Speichen 60 und ein Außenteil 56, dass Zähne 58 trägt, mit einem ersten Außenteilelement 62 und einem zweiten Außenteilelement 64. Diese beiden Außenteilelemente 62 und 64 bilden zusammengesetzt das Außenteil 56.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine Öffnung 66 im Zahn 58. Diese Öffnung entsteht dadurch, dass beide Außenteilelemente 62 und 64 an einer Verbindungsstelle jeweils eine Nut 70 bzw. 72 aufweisen. Die beiden Nuten 70 und 72 bilden die Öffnung 66 im Zahn 58. Diese ist typischerweise in allen Zähnen 58 vorgesehen und bildet einen Fett- bzw. Schmiermittelspeicher.
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Weiterhin zeigt die Darstellung, dass das Verbindungsteil 54 das Außenteil 56 derart umschließt, dass Stirnflächen 80, d. h. Flächen mit axialem Normalenvektor, der Zähne 58 umschlossen bzw. abgedeckt sind. Damit werden die Zähne 58 axial abgestützt.
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4 zeigt einen Ausschnitt eines Zahnrads 90. Die Darstellung zeigt ein Verbindungsteil 94 und ein Außenteil 96, das Zähne 98 trägt, mit einem ersten Außenteilelement 102 und einem zweiten Außenteilelement 104. Diese beiden Außenteilelemente 102 und 104 bilden zusammengesetzt das Außenteil 96.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine Nut 106 im Zahn 98. Diese Nut 106 entsteht dadurch, dass beide Außenteilelemente 102 und 104 an der Verbindungsstelle jeweils eine Fase 110 bzw. 112 aufweisen. Die beiden Fasen 110 und 112 bilden die Nut 106 im Zahn 98. Diese ist typischerweise an allen Zähnen 98 vorgesehen und bildet einen Fett- bzw. Schmiermittelspeicher.
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Weiterhin zeigt die Darstellung, dass das Verbindungsteil 94 das Außenteil 96 derart umschließt, dass Stirnflächen 120, d. h. radial gerichtete Flächen, der Zähne 98 umschlossen bzw. abgedeckt sind. Damit werden die Zähne 98 axial abgestützt.
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Die zweiteilige Ausführung des Außenteils 98 ist insbesondere bei einer globoidischen Verzahnung von Vorteil. In diesem Fall bilden die beiden Außenteilelemente 102 und 104 in axialer Richtung einen Hinterschnitt. Je nach Art der Verzahnung können auch unterschiedliche Außenteilelemente miteinander kombiniert werden. Bei manchen Verzahnungen kann es auch sinnvoll sein, mehr als zwei Außenteilelemente miteinander zu kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 02/38432 A1 [0005]
- EP 1777439 A1 [0007]
