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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnrad-Welle-Anordnung für ein Planetengetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Zahnrad und ein Welle, insbesondere ein Festrad, das auf einer Welle eines Planetengetriebes angeordnet ist, weisen eine axial- und drehfeste Verbindung auf. Dazu wird das Zahnrad entweder einteilig an der Welle ausgebildet oder in der Regel mittels eines Pressverbands zwischen dem Zahnrad und der Welle realisiert, wobei dann das Zahnrad auf der eingeschrumpft wird. Zunächst wird dazu das Zahnrad erhitzt und die Welle zumindest teilweise gekühlt. In das erhitzte Zahnrad wir die gekühlte Welle eingebracht. Anschließende wird das Zahnrad abgekühlt und schrumpft dadurch auf die Welle auf, sodass zwischen der Welle und dem Zahnrad eine Presspassung ausgebildet wird und somit das Zahnrad dreh- und axialfest an der Welle ausgebildet wird.
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Damit der Pressverband zwischen der Welle und dem Zahnrad größeren Belastungen widerstehen kann, ist eine stärkere Presspassung mit größeren Maßdifferenzen zwischen dem Zahnrad und der Welle vorzusehen. Daraus erwachsen jedoch einige Nachteile. Beispielsweise ist es dann notwendig, das Zahnrad vor der Montage mit der Welle stärker zu erhitzen beziehungsweise die Welle stärker abzukühlen. Dies birgt die Gefahr, dass sich Monteure bei Kontakt mit dem Zahnrad Verbrennungen zuziehen oder sich in der Welle Risse ausbilden beziehungsweise das Zahnrad beim Kontakt mit der Welle reißt. Darüber hinaus vergrößern sich durch die höheren Maßdifferenzen die Spannungen in der aufgeschrumpften Welle, wodurch sich insbesondere die Belastbarkeit und Haltbarkeit der Welle verringert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnrad-Welle-Anordnung für ein Planetengetriebe zu schaffen, wobei die Zahnrad-Welle-Anordnung möglichst einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar und einfach montierbar sein soll. Ferner soll auf eine Erwärmung des Zahnrades und/oder der Welle verzichtet werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Zahnrad-Welle-Anordnung für ein Planetengetriebe, umfasst ein Zahnrad und eine Welle, die dreh- und axialfest miteinander verbunden sind, wobei das Zahnrad zumindest axial an der Welle zur Anlage kommt und mit mindestens einem Verbindungselement dreh- und axialfest an der Welle fixiert ist, wobei bei einer Belastung des Zahnrades und/oder der Welle eine Biegelinie des Zahnrades ungleich einer Biegelinie der Welle ist.
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Mit anderen Worten ist die Zahnrad-Welle-Anordnung nicht einteilig ausgebildet sondern zumindest zweiteilig, wobei zur Verbindung des Zahnrades und der Welle miteinander eine Erwärmung des Zahnrades und/oder der Welle zur Herstellung einer Pressverbindung entfällt. Zahnrad und Welle sind über mindestens ein Verbindungselement dreh- und axialfest miteinander gekoppelt. Das Zahnrad kann sich dadurch bei einer Belastung der Welle und/oder des Zahnrades unabhängig von der Welle verbiegen, sodass bei einer Belastung des Zahnrades und/oder der Welle eine Biegelinie des Zahnrades ungleich einer Biegelinie der Welle ist.
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Unter einer Biegelinie ist eine abstrahierte mathematische Beschreibung der Verformung eines geraden Balkens bei mechanischer Belastung durch eine Kurve zu verstehen. Die Biegelinie wird vorliegend dazu verwendet, die Durchbiegung von Zahnrad und Welle im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens zu bestimmen. Das Zahnrad kann dabei aus demselben oder einem anderen Werkstoff als die Welle ausgebildet sein.
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Unter einem Verbindungselement ist ein Bauteil oder Element zu verstehen, dass dazu geeignet ist das Zahnrad und die Welle dreh- und axialfest miteinander zu verbinden. Beispielsweise ist das Verbindungselement als Pin, Bolzen, Hülse, Zentrierstift, Schraube oder ähnliches Verbindungselement ausgebildet. Bevorzugt sind das Zahnrad und die Welle trennbar miteinander verbunden.
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Insbesondere ist die Zahnrad-Welle-Anordnung in einem Windkraftgetriebe einer Windkraftanlage verbaut. Beispielsweise ist die Zahnrad-Welle-Anordnung als Getriebeeingangswelle ausgebildet und zumindest mittelbar mit einem Rotor der Windkraftanlage drehfest verbunden. Alternativ kann die Zahnrad-Welle-Anordnung auch als Getriebeausgangswelle ausgebildet und zumindest mit einer Rotorwelle eines Generators der Windkraftanlage wirkverbunden sein.
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Unter einer zumindest mittelbaren Verbindung oder einer Wirkverbindung von zwei Elementen oder Vorrichtungen ist zu verstehen, dass im Leistungsfluss zwischen den beiden Elementen oder Vorrichtungen weitere Bauteile, insbesondere Zahnräder, Wellen oder ähnliche Elemente angeordnet sein können. Alternativ können die beiden Elemente oder Vorrichtungen auch unmittelbar und somit direkt miteinander verbunden sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Zahnrad an einer ersten Stirnfläche eine erste Aussparung auf, wobei die erste Aussparung koaxial zu einer Drehachse des Zahnrades ausgebildet ist und sich in axialer Richtung teilweise in das Zahnrad erstreckt, wobei das Zahnrad einen umlaufenden Verzahnungsabschnitt sowie einen einteilig damit verbundenen Verbindungsabschnitt mit einer zur Welle gerichteten zweiten Stirnfläche aufweist. Mithin ist die erste Aussparung zentral im Zahnrad ausgebildet, wobei durch die erste Aussparung der umlaufende Verzahnungsabschnitt sowie der Verbindungsabschnitt geschaffen werden. Am Verbindungsabschnitt ist die zweite Stirnfläche zur Welle hin angeordnet.
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Vorzugsweise kommt das Zahnrad mit der zweiten Stirnfläche axial an der Welle zur Anlage, wobei das mindestens eine Verbindungselement in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung im Verbindungsabschnitt des Zahnrades und in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung in der Welle angeordnet ist. Somit erstreckt sich das mindestens eine Verbindungselement axial zumindest teilweise durch die Bohrung am Zahnrad und durch die Bohrung an der Welle.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragt die Welle axial in die erste Aussparung am Zahnrad hinein und kommt axial am Verbindungsabschnitt sowie radial an einem Innenumfang des Zahnrades zur Anlage, wobei das mindestens eine Verbindungselement in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung im Verbindungsabschnitt des Zahnrades und in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung in der Welle angeordnet ist. Mit anderen Worten erstreckt sich das mindestens eine Verbindungselement axial zumindest teilweise durch die Bohrung am Zahnrad und durch die Bohrung an der Welle.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Zahnrad an einer ersten Stirnfläche eine erste Aussparung und an einer zweiten Stirnfläche eine zweite Aussparung auf, wobei die beiden Aussparungen koaxial zu einer Drehachse des Zahnrades ausgebildet sind und sich in axialer Richtung teilweise in das Zahnrad erstrecken, wobei das Zahnrad einen umlaufenden Verzahnungsabschnitt sowie einen einteilig damit verbundenen Verbindungsabschnitt aufweist, wobei der Verbindungsabschnitt axial zwischen den beiden Aussparungen ausgebildet ist. Mithin sind die erste und zweite Aussparung zentral im Zahnrad ausgebildet, wobei durch die beiden Aussparung der umlaufenden Verzahnungsabschnitt sowie der Verbindungsabschnitt geschaffen werden.
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Vorzugsweise ragt die Welle axial in die zweite Aussparung am Zahnrad hinein und kommt axial an dem Verbindungsabschnitt sowie radial an einem Innenumfang des Zahnrades zur Anlage, wobei das mindestens eine Verbindungselement in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung am Verbindungsabschnitt des Zahnrades und in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung in der Welle angeordnet ist. Somit erstreckt sich das mindestens eine Verbindungselement axial zumindest teilweise durch die Bohrung am Zahnrad und durch die Bohrung an der Welle.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Zahnrad axial an einer Wellenschulter der Welle zur Anlage kommt. Vorzugsweise wird die Wellenschulter an der Welle durch eine umlaufende Ausnehmung an einem distalen Ende der Welle ausgebildet, wobei die Ausnehmung den Außendurchmesser der Welle in diesem Bereich verringert und die Aufnahme des Zahnrades ermöglicht. Mit anderen Worten kommt das Zahnrad vollständig radial an der Ausnehmung zur Anlage.
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Bevorzugt ist das mindestens eine Verbindungselement als Pinelement oder Schraubelement ausgebildet. Insbesondere sind zumindest zwei unterschiedlich ausgebildete Verbindungselemente vorgesehen, wobei das erste Verbindungselement ein Zentrierpin ist, der zur Ausrichtung des Zahnrades an der Welle und drehfesten Verbindung zwischen Welle und Zahnrad vorgesehen ist. Bevorzugt ist das zweite Verbindungselement eine Schraube, die zur dreh- und axialfesten Verbindung des Zahnrades an der Welle vorgesehen ist. Das Schraubelement wirkt mit zumindest einem Gewinde in der Bohrung der Welle zusammen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Windkraftgetriebe mit mindestens einer erfindungsgemäßen Zahnrad-Welle-Anordnung.
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Im Folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer Zahnrad-Welle-Anordnung aus dem allgemein bekannten Stand der Technik,
- 1b eine vereinfachte Darstellung einer Biegelinie des Zahnrades und einer Biegelinie der Welle gemäß der Zahnrad-Welle-Anordnung aus 1a,
- 2a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zahnrad-Welle-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2b eine vereinfachte Darstellung einer Biegelinie des Zahnrades und einer Biegelinie der Welle gemäß der Zahnrad-Welle-Anordnung aus 2a,
- 3a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zahnrad-Welle-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3b eine vereinfachte Darstellung einer Biegelinie des Zahnrades und einer Biegelinie der Welle gemäß der Zahnrad-Welle-Anordnung aus 3a,
- 4a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zahnrad-Welle-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
- 4b eine vereinfachte Darstellung einer Biegelinie des Zahnrades und einer Biegelinie der Welle gemäß der Zahnrad-Welle-Anordnung aus 4a.
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Gemäß 1a ist eine Zahnrad-Welle-Anordnung aus dem allgemein bekannten Stand der Technik dargestellt. Die Zahnrad-Welle-Anordnung besteht aus einem Zahnrad 1 und einer Welle 2, die einteilig miteinander verbunden sind. Das Zahnrad 1 ist radial an der Welle 2 ausgebildet und kommt somit über seine gesamte axiale Länge radial an der Welle 2 zur Anlage.
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In 1b ist eine Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und eine Biegelinie 4 der Welle 2 gemäß 1a dargestellt. Dadurch, dass das Zahnrad 1 einteilig mit der Welle 2 verbunden ist und somit über seine gesamte axiale Länge vollständig radial an der Welle 2 zur Anlage kommt, sind die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und die Biegelinie 4 der Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2, insbesondere bei einem Zahneingriff am Zahnrad 1 identisch ausgebildet. Mit anderen Worten verbiegen sich das Zahnrad 1 und die Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2 auf identische Weise in die gleiche Richtung.
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Gemäß 2a ist eine erfindungsgemäße Zahnrad-Welle-Anordnung dargestellt. Die Zahnrad-Welle-Anordnung umfasst ein Zahnrad 1 und eine Welle 2, die dreh- und axialfest miteinander verbunden sind. Das Zahnrad 1 kommt nur axial an der Welle 2 zur Anlage und ist mit mehreren Verbindungselementen 10 dreh- und axialfest an der Welle 2 fixiert. Das Zahnrad 1 weist an einer ersten Stirnfläche 5 eine erste Aussparung 6 auf, wobei die erste Aussparung 6 koaxial zu einer Drehachse des Zahnrades 1 ausgebildet ist und sich in axialer Richtung teilweise in das Zahnrad 1 erstreckt. Dadurch wird am Zahnrad 1 ein umlaufender Verzahnungsabschnitt 7 sowie ein einteilig damit verbundener Verbindungsabschnitt 8 geschaffen. Der Verbindungsabschnitt 8 weist eine zur Welle 2 gerichtete zweite Stirnfläche 9 auf. Das Zahnrad 1 kommt mit der zweiten Stirnfläche 9 axial an der Welle 2 zur Anlage, wobei die Verbindungselemente 10 in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung 11 im Verbindungsabschnitt 8 des Zahnrades 1 und in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung 12 in der Welle 2 angeordnet sind, um dadurch Zahnrad 1 und Welle 2 miteinander zu verbinden.
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In 2b ist eine Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und eine Biegelinie 4 der Welle 2 gemäß 2a dargestellt. Dadurch, dass das Zahnrad 1 nicht einteilig mit der Welle 2 verbunden ist und nur axial an der Welle 2 zur Anlage kommt, sind die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und die Biegelinie 4 der Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2 beispielsweise durch einen Zahneingriff am Zahnrad 1 unterschiedlich. Mit anderen Worten verbiegen sich das Zahnrad 1 und die Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2 auf unterschiedliche Weise in unterschiedliche Richtungen. Vorliegend beschreiben die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und die Biegelinie 4 der Welle 2 eine doppelt gekrümmte Kurve, wobei ein Sattelpunkt 15 der Kurve in der axialen Verbindungsebene zwischen Zahnrad 1 und Welle 2 angeordnet ist. Im Sattelpunkt 15 ist die Verbiegung von Zahnrad 1 und Welle 2 im Wesentlichen gleich. Zu einer Seite des Sattelpunkts 15 hin verläuft die Biegelinie 4 der Welle 2 in eine erste Richtung, wobei zu einer anderen Seite des Sattelpunkts 15 hin die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 in eine zweite Richtung verläuft, und wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung ausgebildet ist.
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Gemäß 3a ist eine erfindungsgemäße Zahnrad-Welle-Anordnung dargestellt. Die Zahnrad-Welle-Anordnung umfasst ein Zahnrad 1 und eine Welle 2, die dreh- und axialfest miteinander verbunden sind. Das Zahnrad 1 kommt sowohl axial als auch radial an der Welle 2 zur Anlage und ist mit mehreren Verbindungselementen 10 dreh- und axialfest an der Welle 2 fixiert. Ferner kommt das Zahnrad 1 axial an einer Wellenschulter 14 der Welle 2 zur Anlage. Das Zahnrad 1 weist an einer ersten Stirnfläche 5 eine erste Aussparung 6 auf, wobei die erste Aussparung 6 koaxial zu einer Drehachse des Zahnrades 1 ausgebildet ist und sich in axialer Richtung teilweise in das Zahnrad 1 erstreckt. Dadurch wird am Zahnrad 1 ein umlaufender Verzahnungsabschnitt 7 sowie ein einteilig damit verbundener Verbindungsabschnitt 8 geschaffen. Der Verbindungsabschnitt 8 weist eine zur Welle 2 gerichtete zweite Stirnfläche 9 auf, an der die Welle 2 axial zur Anlage kommt. Die Welle 2 ragt dabei axial in die erste Aussparung 6 am Zahnrad 1 hinein und kommt axial am Verbindungsabschnitt 8 sowie radial an einem Innenumfang des Zahnrades 1 zur Anlage. Die Verbindungselemente 10 sind in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung 11 im Verbindungsabschnitt 8 des Zahnrades 1 und in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung 12 in der Welle 2 angeordnet, um dadurch Zahnrad 1 und Welle 2 miteinander zu verbinden.
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In 3b ist eine Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und eine Biegelinie 4 der Welle 2 gemäß 3a dargestellt. Dadurch, dass das Zahnrad 1 nicht einteilig mit der Welle 2 verbunden ist und axial sowie radial an der Welle 2 zur Anlage kommt, sind die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und die Biegelinie 4 der Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2 unterschiedlich ausgebildet. Mit anderen Worten verbiegen sich das Zahnrad 1 und die Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2 insbesondere bei einem Zahneingriff am Zahnrad 1 auf unterschiedliche Weise in unterschiedliche Richtungen. Vorliegend beschreiben die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und die Biegelinie 4 der Welle 2 zwei gekrümmte Kurven, die einen gemeinsamen Schnittpunkt 16 aufweisen. Der Schnittpunkt 16 befindet sich in der axialen Verbindungsebene zwischen Zahnrad 1 und Welle 2. Im Schnittpunkt 16 ist die Verbiegung von Zahnrad 1 und Welle 2 im Wesentlichen gleich. Angrenzend am Schnittpunkt 16 verläuft die Biegelinie 4 der Welle 2 in eine erste Richtung, wobei die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 in eine zweite Richtung verläuft, und wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung ausgebildet ist.
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Gemäß 4a ist eine erfindungsgemäße Zahnrad-Welle-Anordnung dargestellt. Die Zahnrad-Welle-Anordnung umfasst ein Zahnrad 1 und eine Welle 2, die dreh- und axialfest miteinander verbunden sind. Das Zahnrad 1 kommt sowohl axial als auch radial an der Welle 2 zur Anlage und ist mit mehreren Verbindungselementen 10 dreh- und axialfest an der Welle 2 fixiert. Ferner kommt das Zahnrad 1 axial an einer Wellenschulter 14 der Welle 2 zur Anlage. Das Zahnrad 1 weist an einer ersten Stirnfläche 5 eine erste Aussparung 6 und an einer zweiten Stirnfläche 9 eine zweite Aussparung 13 auf, wobei die beiden Aussparungen 6, 13 koaxial zu einer Drehachse des Zahnrades 1 ausgebildet sind und sich in axialer Richtung teilweise in das Zahnrad 1 erstrecken. Durch die beiden Aussparungen 6, 13 wird am Zahnrad 1 ein umlaufender Verzahnungsabschnitt 7 sowie ein einteilig damit verbundener Verbindungsabschnitt 8 ausgebildet, wobei der Verbindungsabschnitt 8 axial zwischen den beiden Aussparungen 6, 13 ausgebildet ist. Die Welle 2 ragt axial in die zweite Aussparung 13 am Zahnrad 1 hinein und kommt axial an dem Verbindungsabschnitt 8 sowie radial an einem Innenumfang des Zahnrades 1 zur Anlage. Die Verbindungselemente 10 sind in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung 11 am Verbindungsabschnitt 8 des Zahnrades 1 und in eine jeweils dafür vorgesehene axiale Bohrung 12 in der Welle 2 angeordnet und verbinden dadurch Zahnrad 1 und Welle 2 miteinander.
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In 4b ist eine Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und eine Biegelinie 4 der Welle 2 gemäß 4a dargestellt. Dadurch, dass das Zahnrad 1 nicht einteilig mit der Welle 2 verbunden ist und axial sowie teilweise auch radial an der Welle 2 zur Anlage kommt, sind die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und die Biegelinie 4 der Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2 unterschiedlich ausgebildet. Mit anderen Worten verbiegen sich das Zahnrad 1 und die Welle 2 bei einer Belastung des Zahnrades 1 und/oder der Welle 2, insbesondere bei einem Zahneingriff am Zahnrad 1 auf unterschiedliche Weise in unterschiedliche Richtungen. Vorliegend beschreiben die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 und die Biegelinie 4 der Welle 2 zwei gekrümmte Kurven, wobei die beiden Kurven einen gemeinsamen Schnittpunkt 16 aufweisen. Der Schnittpunkt 16 befindet sich in der axialen Verbindungsebene zwischen Zahnrad 1 und Welle 2. Im Schnittpunkt 16 ist die Verbiegung von Zahnrad 1 und Welle 2 im Wesentlichen gleich. Zu einer ersten Seite hin angrenzend am Schnittpunkt 16 verläuft die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 in eine erste Richtung. Zu einer zweiten Seite hin angrenzend am Schnittpunkt 16 verläuft die Biegelinie 4 der Welle 2 in eine zweite Richtung, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung ausgebildet ist. Demgegenüber verläuft die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 zur zweiten Seite hin in die erste Richtung. Mithin ist die Biegelinie 3 des Zahnrades 1 parabelförmig ausgebildet.
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Die Verbindungselemente 10 gemäß 2a, 3a und 4a können entweder als Pins oder Schrauben ausgebildet sein. Sofern die Verbindungselemente 10 als Schrauben ausgebildet sind, wirken diese mit einem jeweiligen Gewinde in der Bohrung 12 an der Welle 2 zusammen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnrad
- 2
- Welle
- 3
- Biegelinie des Zahnrades
- 4
- Biegelinie der Welle
- 5
- erste Stirnfläche
- 6
- erste Aussparung
- 7
- Verzahnungsabschnitt
- 8
- Verbindungsabschnitt
- 9
- zweite Stirnfläche
- 10
- Verbindungselement
- 11
- axiale Bohrung im Verbindungsabschnitt
- 12
- axiale Bohrung in der Welle
- 13
- zweite Aussparung
- 14
- Wellenschulter
- 15
- Sattelpunkt
- 16
- Schnittpunkt
