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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad, insbesondere ein Schraub- bzw. Schneckenrad, das in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, insbesondere einer Servolenkung, eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen des Zahnrads.
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Schraub- bzw. Schneckenräder 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 ein Verfahren zum Herstellen des Zahnrads gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Zahnrad weist ein Innenteil ein Verbindungsteil und Zähne auf, wobei jeder Zahn einen Zahnkörper und Zahnflanken umfasst, wobei der Zahnkörper durch das Verbindungsteil gebildet ist und die Zahnflanken durch eine zusätzliche Zahnhülle gebildet sind.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Zahnhülle bei mindestens einem Zahn die beiden Zahnflanken und einen Zahnkopf bildet. In einer weiteren Ausgestaltung ist das bei allen Zähnen vorgesehen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei mindestens einem Zahn, in Ausgestaltung bei allen Zähnen, der Zahnkörper des Verbindungsteils durch die Zahnhülle an beiden Stirnseiten und beiden Zahnflanken umschlossen ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Zahnhüllen mindestens zweier Zähne an der Stirnseite des Zahnrads verbunden.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei mindestens einem Zahn oder auch bei allen Zähnen im Zahnkörper des Verbindungsteils in axialer Richtung mindestens eine Öffnung oder eine Ausnehmung vorgesehen ist, die durch die Zahnhülle gefüllt ist.
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Typischerweise bildet das Verbindungsteil am Umfang den Zahnkörper bzw. die Zahnkörper aus.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass bei mindestens einem Zahn, in Ausgestaltung bei allen Zähnen, der Zahnfuß vollständig vom Zahnkörper des Verbindungsteils gebildet wird.
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Weiterhin kann das Verbindungsteil am Umfang den Zahnkörper mit einer Nut im Bereich der Zahnflanke und ggf. des Zahnkopfes ausbilden.
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Die Zahnhülle kann aus einem unverstärkten Kunststoff mit Zusätzen zur Reibungsreduzierung, wie bspw. PTFE und/oder Molybdänsulfit und/oder Graphit, und damit aus einem Material ohne abrasive Eigenschaft bestehen. Weiterhin kann die Zahnhülle aus einem Kohlefaser verstärkten Kunststoff bestehen. Dies ist aufgrund der geringen Menge an für die Zahnhülle benötigtem Material auch wirtschaftlich darstellbar. Durch den Abrieb der Kohlefasern wird ein Schmiereffekt erzielt. Ebenso kann ein Wärmedehnkoeffizient erreicht werden, der demjenigen des ggf. ebenfalls verstärkten Materials des Verbindungsteils entspricht. Das Innenteil kann aus einem Stahlwerkstoff bestehen. Die genannten Materialien können in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden.
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Das beschriebene Verfahren dient zum Herstellen eines Zahnrads, insbesondere eines Zahnrads der vorstehend beschriebenen Art. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Verbindungsteil an ein Innenteil angespritzt. Dabei wird das Verbindungsteil derart angespritzt, dass es Zahnkörper mit ausgeführten Zahnfüßen einer Verzahnung bildet. Auf die Zahnkörper werden Zahnhüllen aufgebracht, die die Flanken von Zähnen der Verzahnung bilden.
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In einer Ausführung wird das Verbindungsteil mittels eines Spritzgussverfahrens angespritzt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Verbindungsteil derart angespritzt wird, dass in den Zahnkörpern Nuten gebildet werden. Die Zahnhüllen können stirnseitig angespritzt werden. In einer alternativen Ausführungsform werden die Zahnhüllen über mindestens eine Nut im Verbindungsteil angespritzt. Die Zahnhüllen können auch radial angespritzt werden. Zwischen Verbindungsteil und Zahnhüllen besteht Stoffschluss und/oder Formschluss.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird in Ausgestaltung ein Einlegeteil, das eine Nabe oder eine Welle sein kann, im Schirmanguss- oder Stangen- bzw. Punktangussverfahren durch ein Verbindungsteil radial umschlossen. Auf dieses Verbindungsteil wird auf jeden Zahnkörper eine Zahnhülle im Stangen- bzw. Punktangussverfahren angespritzt. Die Zahnhülle kann stirnseitig oder radial am Umfang durch jeweils einen Anspritzpunkt angespritzt werden. Diese Zahnhüllen bilden die Zahnflanken.
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Das beschriebene Zahnrad besteht in Ausgestaltung aus einem Innenteil, welches eine Nabe oder eine Welle darstellt und üblicherweise aus einem Stahlwerkstoff besteht, einem Verbindungsteil, welches das Innenteil aufnimmt und auf dem Umfang Zähne bzw. Zahnköper ohne Zahnflanken aufweist. Die Zahnkörper können im Bereich der Zahnflanken eine Nut besitzen. Das Verbindungsteil besteht aus einem verstärkten Kunststoff und kann im Spritzgussverfahren hergestellt werden und bildet den Zahnkörper mit dem vollständig ausgeführten Zahnfuß der Verzahnung. Auf den Zahnkörper des Verbindungsteils wird eine Zahnhülle aufgebracht. Die Nut im Zahnkörper des Verbindungsteils wird in Ausgestaltung im Spritzgussverfahren durch einen unverstärkten Kunststoff so aufgefüllt, dass es die Zahnflanke vom Zahn bildet. Dies wird als Zahnhülle bezeichnet.
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Durch das beschriebene Verfahren wird ein Zahnrad mit hoher Zahnfußfestigkeit und Zahnscherfestigkeit hergestellt, da die Zahnkörper aus einem verstärkten Kunststoff bestehen. Im Bereich des Abwälzens mit dem Ritzel bzw. im Verzahnungseingriff besteht das Zahnrad aus einem unverstärkten Kunststoff. Der unverstärkte Kunststoff im Bereich der Zahnflanke muss nicht für hohe Festigkeit ausgelegt werden, sondern kann solche Eigenschaften aufweisen, dass die Reibung, der Verschleiß, der Wirkungsgrad usw. im Getriebe günstig ist. Da das Ritzel nur mit dem unverstärkten Kunststoff der Zahnhülle in Kontakt kommt, müssen keine hohen Anforderungen an den Ritzelwerkstoff gestellt werden, so dass ein günstiges Getriebe dargestellt werden kann.
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Das Verbindungsteil aus dem verstärkten Kunststoff zeigt ein geringes Schwinden, und kann deshalb in engen Toleranzen gefertigt werden. Somit ist die Verzahnungsqualität des Zahnrads besonders gut. Da das Zahnrad zum größten Teil aus verstärktem Kunststoff besteht, ist der Einfluss der Wärmeausdehnung und der Konditionierung sehr gering. Auf diese Weise können die Getriebetoleranzen verbessert werden, was zur Geräuschreduzierung beiträgt. Weil das Zahnrad zum größten Teil aus verstärktem Kunststoff besteht und keine Nachbearbeitung notwendig ist, sind die Fertigungskosten gering. Die Zahnhülle kann seitlich in die Nut des Verbindungsteils angespritzt werden und bildet in Ausgestaltung nur die Zahnflanken. Der Zahnkopf und der Zahnfuß wird dabei vom verstärkten Kunststoff des Verbindungsteils gebildet. Die Zahnhülle kann auch im Zahnkopf angespritzt werden. Dadurch wird zusätzlich zu den Zahnflanken auch der Zahnkopf von der Zahnhülle gebildet. Diese Ausführung der Zahnhülle bildet keine Bindenaht im unverstärkten Kunststoff und ist für die Lebensdauer günstig.
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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 einen grundsätzlichen Aufbau einer Ausführung des Zahnrads.
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2 zeigt einen Schnitt durch das Zahnrad aus 1.
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3 zeigt eine weitere Ausführung des Zahnrads.
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4 zeigt das Zahnrad aus 3 in einer Schnitt-Darstellung.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Zahnrad aus 1, 2, 3 und 4.
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5a zeigt eine Darstellung entsprechend 5 in Explosionsdarstellung.
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6 zeigt eine weitere Ausführung des Zahnrads in einer Schnittdarstellung.
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7 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführung des Zahnrads.
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8 zeigt einen Schnitt durch das Zahnrad aus 7.
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9 zeigt einen Ausschnitt aus 8.
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10 zeigt ein Verbindungsteil mit Zahnkörpern und Innenteil.
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11 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Zahnrad mit einem geschnittenen Zahn.
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12 zeigt das Zahnrad aus 11 in einer anderen Darstellung.
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13 zeigt noch ein Zahnrad.
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14 zeigt ein Ausschnitt aus einem Verbindungsteil.
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15 zeigt noch einen Ausschnitt aus einem Verbindungsteil.
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16 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus einem Verbindungsteil.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Ausführung des Zahnrads, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dabei ist das Zahnrad 10 in einer Draufsicht und in zwei Schnittdarstellungen wiedergegeben. Das Zahnrad 10 umfasst ein Innenteil 12, ein Verbindungsteil 14 mit Speichen und eine Zahnhülle 16, wobei die Zahnhülle 16 als geschlossener Ring ausgebildet ist und Zahnflanken 18 und eine stirnseitige Verbindung 19 bildet, wobei die Zahnkörpern 20 angespritzt sind, die wiederum durch das Verbindungsteil 14 am Umfang gebildet werden.
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2 zeigt einen Schnitt durch das Zahnrad 10. Zu erkennen sind das Innenteil 12, das Verbindungsteil 14, an dessen Umfang Zahnkörper 20 gebildet, an deren seitlichen Bereichen die Zahnhülle 16, die die Zahnflanken 18 bilden, welche durch die Verbindung 19 an beiden Stirnseiten zu einem geschlossenen Ring ausgeführt werden, vorgesehen sind.
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3 zeigt eine weitere Ausführung des Zahnrads, die insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Das Zahnrad 30 umfasst ein Innenteil 32, ein Verbindungsteil 34 und eine Zahnhülle 36. Am Umfang des Verbindungsteils sind Zahnkörper 40 gebildet. An den Flanken der Zahnkörper 40 ist die Zahnhülle 36, die die Zahnflanken 38 bildet, angeordnet. Zahnköpfe 42 der Zahnkörper 40 sind nicht mit der Zahnhülle 36 abgedeckt.
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4 zeigt das Zahnrad 30 aus 3 in einem Stirnschnitt. Zu erkennen ist, dass die Zahnhülle 36, die die Zahnflanken 38 bildet, nur die Flanken der Zahnkörper 40, die am Umfang des Verbindungsteils 34 gebildet sind, abdeckt. Die Zahnköpfe 42 sind nicht abgedeckt.
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5 zeigt einen Ausschnitt im Schnitt aus der Ausführung des Zahnrads 10 und 30 aus den 1 bis 4. Die Darstellung verdeutlicht, dass die Zahnflanken 38 in Ausnehmungen bzw. Nuten 44 in dem Zahnkörper 40 des Verbindungsteils 34 eingespritzt sind. Zusätzlich sind in den Zahnköpern 40 Nuten 46 eingebracht, in die die Zahnhüllen 36, die die Zahnflanken 38 bilden, eingespritzt sind. Auf diese Weise wird eine sichere Verbindung zwischen Verbindungsteil 34 und Zahnhülle 36 sichergestellt. Die Zahnkörper 40 bilden einen Zahnfuß 41 vollständig aus. Damit nimmt der Werkstoff mit der größten Festigkeit die großen Spannungen in dem Zahnfußbereich auf.
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5a zeigt eine Darstellung entsprechend 5 in Explosionsdarstellung. Zu erkennen ist, dass die Zahnhülle 36 die Zahnflanken 38 umfasst. Die Zahnköpfe 42 werden durch den Zahnkörper 40 des Verbindungsteils 34 gebildet. Eine hintere Stirnfläche 45 ist ebenfalls durch die Zahnhülle 36 gebildet, d. h. der Zahnkörper ist an beiden Stirnseiten durch die Stirnflächen 45 der Zahnhülle 36 abgedeckt. Die vordere Stirnfläche ist durch die Schnittdarstellung nicht gezeigt. Die beiden Zahnflanken 38 und die beiden Stirnflächen 45 bilden einen Ring um den Zahnkörper 40. Dieser Ring ist die Zahnhülle 36.
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6 zeigt in einem Stirnschnitt eine weitere Ausführung des Zahnrads 50 mit einem Innenteil 52, einem Verbindungsteil 54 und einer Zahnhülle 56. Am Umfang des Verbindungsteils 54 sind Zahnkörper 60 gebildet. Bei dieser Ausführung sind die Zahnflanken 58 der Zahnkörper 60 des Verbindungsteils 54 mit der Zahnhülle 56 abgedeckt. Die Zahnköpfe 62 sind Bestandteil der Zahnkörper 60.
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Ein axialer Schnitt durch das Zahnrad 70 ist in 7 dargestellt. Die Darstellung verdeutlicht, dass die Zahnhülle 76 auch den Zahnkopf 82 umfasst, der Zahnkopf 82 ist somit Teil der Zahnhülle 76. Die vollständige Zahnhülle 76 besteht somit aus den Zahnflanken 78, dem Zahnkopf 82 und den Stirnseiten 79.
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8 zeigt einen Stirnschnitt des Zahnrads 70 aus 7 mit dem Innenteil 72, dem Verbindungsteil 74, das Speichen umfasst, und der Zahnhülle 76. Diese Zahnhülle 76 umfasst Zahnflanken 78, Zahnköpfe 82 und die Stirnseiten 79, welche in diesem Schnitt nicht dargestellt sind. Die Zahnhülle 76 umschließt den Zahnkörper 80.
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Ein Ausschnitt aus 8 ist in 9 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Zahnhülle 76 mit Zahnflanken 78 und Zahnköpfen 82 in Ausnehmungen 84 und in Nuten 86 des Zahnköpers 80 des Verbindungsteils 74 eingespritzt ist.
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10 zeigt ein Verbindungsteil 90, das an ein Innenteil 92 angespritzt ist. Am Umfang des Verbindungsteils 90 sind Zahnkörper 94 angeformt. Die Darstellung zeigt die Ausgestaltung nach dem ersten Verfahrensschritt des vorgestellten Verfahrens.
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In 11 ist ein weiteres Zahnrad 100 in einem Ausschnitt dargestellt. Dieses umfasst ein Innenteil 102, ein Verbindungsteil 104 und Zahnhüllen 106, die Zahnkörper 110 abdecken. Hierzu bilden die Zahnhüllen 106 Zahnflanken 108 von Zähnen 120. Ein Zahn 120a ist im Schnitt dargestellt, so dass zu erkennen ist, dass die Zahnhülle 106 den Zahnkörper 110 vollständig umschließt.
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12 zeigt das Zahnrad 100 aus 11 mit dem im Schnitt dargestellten Zahn 120a in einer anderen Perspektive. Die Zähne 120 werden jeweils aus dem Zahnkörper 110, der vollständig von der Zahnhülle 106 umgeben ist, gebildet. Die Zahnflanken 108 und die Stirnseiten 109 bilden die Zahnhülle 106.
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In 13 ist ein weiteres Zahnrad 121 mit einem Innenteil 122, einem Verbindungsteil 124 und Zahnhüllen 126 dargestellt. Zu erkennen ist, dass benachbarte Zahnhüllen 126 jeweils über einen Angusskanal 125 miteinander verbunden sind. In der Darstellung werden jeweils drei Zahnhüllen 126 mit dem Angusskanal 125 verbunden.
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14 zeigt einen Ausschnitt aus einem Verbindungsteil, das insgesamt mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet ist. Dieses Verbindungsteil 150 bildet am Umfang eine Reihe von Zahnkörper 152 aus. Zu erkennen ist, dass in Stirnseiten 154 der Zahnkörper 152 Öffnungen 156 vorgesehen sind. Diese Öffnungen 156 werden von dem Material der hier nicht dargestellten Zahnhülle ausgefüllt. Auf diese Weise wird die Verbindung zwischen Zahnkörper 152 und Zahnhülle gestärkt.
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15 zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Verbindungsteils 160 mit Zahnkörpern 162. Ein Zahnkörper 162a ist in einem Schnitt dargestellt. Zu erkennen ist, dass in beiden Stirnseiten 164a und 164b jeweils eine Öffnung 166a bzw. 166b vorgesehen ist. Diese beiden Öffnungen 166a und 166b sind nicht miteinander verbunden,
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16 zeigt ein weiteres Verbindungsteil 180 mit Zahnkörpern 182, von denen einer 182a im Schnitt dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass eine durchgehende Öffnung 186 vorgesehen ist, die von einer Stirnfläche 184a zur gegenüberliegenden Stirnfläche 184b des Zahnkörpers 182a verläuft. Die Zahnkörper 182 dieser Ausführung des Verbindungsteils 180 verfügen somit jeweils über eine durchgehende Öffnung 186.
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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]
