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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil zu einer Baugruppe, wobei zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine Presssitzverbindung ausgebildet wird, wofür das zweite Bauteil mit einem ringförmigen Bauteilabschnitt hergestellt wird, in dem eine Ausnehmung ausgebildet wird, in der das erste Bauteil zumindest teilweise angeordnet wird.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Baugruppe umfassend ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil, wobei zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine Presssitzverbindung ausgebildet ist, wofür das zweite Bauteil eine Ausnehmung aufweist, die in einem ringförmigen Bauteilabschnitt ausgebildet ist und in der das erste Bauteil zumindest teilweise aufgenommen ist.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Zahnrad umfassend einen ringförmigen Bauteilabschnitt, der eine äußere Mantelfläche aufweist, auf der eine Außenverzahnung ausgebildet ist.
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Presspassungen zwischen zwei Bauteilen sind im Maschinenbau eine bekannte Verbindungsmethode, die insbesondere häufig im Bereich der Welle-Nabe-Verbindungen Anwendung finden. Beispielsweise beschreibt die
DE196 27 454 A1 ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen durch Presspassung mit Hilfe eines Pressenstößels unter Einwirkung einer Fügekraft durch einen Fügehub, wobei die Fügeflächen der Fügepartner während der Anschnäbelphase mit geringfügiger Neigung zueinander gefügt werden und anschließend die Neigung unmittelbar nach der Anschnäbelphase im ersten Abschnitt der Einpressphase aufgehoben wird, wobei die Neigung unterhalb des für die Werkstoffpaarung als schädigend geltenden Grenzwertes toleriert wird.
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Aus der
WO2011147755A1 ist bekannt, dass Kreissägeblätter und ähnliche Werkzeuge über fein tolerierte Passungen an die Wellen der Bearbeitungs- und Schleifmaschinen angepasst werden. Durch die Wahl einer möglichst engen Passung wird der notwendige Rundlauf der Werkzeuge garantiert. Dies erfordert die Einhaltung sehr enger Fertigungstoleranzen bei Werkzeugbohrungen und Wellen. Für eine spielfreie Aufnahme des Werkzeugs wird in dieser WO-A1 daher vorgeschlagen, dass die Werkzeuge im Bereich der Nabe Durchbrüche erhalten, so das Teile der Nabe selbst eine federnde Wirkung auf die Welle ausüben und damit eine mechanisch vorgespannte Zentrierung beim Aufstecken des Sägeblattes auf die Welle bewirken. Dazu wird die Nabe des Werkzeugs so ausgestaltet, dass im entspannten Zustand die Nabe ein Untermaß hat und somit eine Presspassung entsteht. Durch die federnde Wirkung der Nabengestaltung lässt sich das Werkzeug trotzdem einfach per Hand mit der Welle fügen und auf dieser verschieben. Die federnde Wirkung zentriert hierbei das Werkzeug, womit der Rundlauf verbessert wird.
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Bei Zahnrädern wurde bisher der Innendurchmesser für Presspassungen entweder gedreht, gefräst oder geschliffen, um dadurch Toleranzen von kleiner 30 µm zu erreichen. Dieser zusätzliche Arbeitsschritt der mechanischen Bearbeitung des Zahnrades im Bereich des Innendurchmessers verteuert die Herstellung derartiger Presspassungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung einer Presspassung zu vereinfachen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung die Ausbildung des Rundlaufs einer Baugruppe mit einer Presspassung kostengünstiger zu gestalten.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, bei dem vorgesehen ist, dass zumindest der ringförmige Bauteilabschnitt des zweiten Bauteils als Sinterbauteil und zumindest im Bereich der Ausnehmung in Net Shape- oder eine Near Net Shape-Qualität hergestellt wird.
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Weiter wird die Aufgabe der Erfindung bei der eingangs genannten Baugruppe dadurch gelöst, dass zumindest der ringförmige Bauteilabschnitt des zweiten Bauteils zumindest im Bereich der Ausnehmung ein Net Shape- oder ein Near Net Shape-Sinterbauteil ist.
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Zudem wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Zahnrad gelöst, bei dem Zähne der Außenverzahnung um die mittlere Aufdehnung der Zahnfußsehne vorgehalten sind.
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Von Vorteil ist dabei, dass durch die Ausbildung des ringförmigen Bauteilabschnitts als Sinterbauteil die radiale Höhe dieses Abschnitts mit relativ hoher Gleichmäßigkeit hergestellt werden kann. So können beispielsweise auf diese Weise Zahnräder relativ einfach und damit kostengünstiger mit sehr gleichmäßigem Abstand des Zahnfußkreises vom Innendurchmesser, d.h. von der durch den Innendurchmesser definierten inneren Mantelfläche, hergestellt werden. Selbst bei Auftreten größerer Toleranzen von Innendurchmesser und Rundheit können diese durch das Aufpressen auf eine Welle mit kreisrundem Querschnitt ausgeglichen bei Sinterbauteilen einfacher ausgeglichen werden. Es ist damit keine mechanische, insbesondere spanende, Bearbeitung der inneren Mantelfläche des ringförmigen Bauteilabschnitts erforderlich, sodass dieser Sinterbauteilabschnitt, und vorzugsweise auch das gesamte zweite Bauteil in Net Shape- oder Near Net Shape-Qualität hergestellt werden kann. Durch die Plastifizierbarkeit des Sintermaterials bei der Herstellung der Presspassung können sich die Oberflächen des beiden Bauteile besser aneinander anpassen, sodass die Verbundfestigkeit verbessert und damit Reibdauerbeanspruchung verringert werden können. Die Auslegung des Presssitzes erfolgt somit nicht auf Sicherheit gegen plastische Verformung. Beim Fügen des Presssitzes kann das Sintermaterial auch am Innendurchmesser verdichtet werden.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der ringförmige Bauteilabschnitt mit einer radialen Wandstärke W hergestellt wird bzw. ausgebildet ist, dass weiter die Ausnehmung mit kreisförmigem Querschnitt und einem Innendurchmesser D hergestellt wird bzw. ausgebildet ist, wobei radiale Wandstärke W so hergestellt wird bzw. ausgebildet ist, dass ein Verhältnis von W/D < 1/2 ist. Durch die Anwendung dieser geometrischen Bedingung für den ringförmigen Bauteilabschnitt kann die Ausbildung der Presspassung beim Anordnen des zweiten Bauteils auf dem ersten Bauteil verbessert werden.
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Wie bereits erwähnt eignet sich das Verfahren aufgrund der einfacheren Herstellung der Rundlaufgenauigkeit insbesondere auch für die Verbindung eines Zahnrades mit einer Welle, beispielsweise einer Kurbelwelle, sodass entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein kann, dass das zweite Bauteil als Zahnrad hergestellt wird, wofür auf einer äußeren Mantelfläche des ringförmigen Bauteilabschnittes eine Außenverzahnung ausgebildet wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann für die weitere Vereinfachung der Montage des zweiten Bauteils auf dem ersten Bauteil vorgesehen sein, dass der ringförmige Bauteilabschnitt am Umfang der Ausnehmung mit einer Fase am Übergang zwischen der inneren, die Ausnehmung begrenzenden Mantelfläche und einer Stirnfläche des ringförmigen Bauteilabschnittes ausgebildet wird. Diese Fase kann dabei ohne mechanische Bearbeitung des zweiten Bauteils gleich bei der pulvermetallurgischen Herstellung des ringförmigen Bauteilabschnittes mitgepresst werden.
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Zur weiteren Verbesserung der Montage des zweiten Bauteils auf dem ersten Bauteil kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung dazu vorgesehen sein, dass die Fase mit einem Winkel zur inneren, die Ausnehmung des ringförmigen Bauteilabschnittes begrenzenden Mantelfläche ausgebildet wird, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 170° bis 178°.
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Für eine bessere Anpassung der Rundlaufgenauigkeit des zweiten Bauteils (des Zahnrades) an den Rundlaufgenauigkeit des ersten Bauteils (der Welle) kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Außenverzahnung um die mittlere Aufdehnung der Zahnfußsehne vorgehalten wird bzw. ist.
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Zur weiteren Verbesserung der Ausbildung des Presssitzes kann nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Sinterbauteil mit Poren hergestellt wird, die ein mittlere Porengröße im Bereich von 5 µm bis 200 µm aufweisen.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:
- 1 eine Baugruppe umfassend zwei miteinander verbundene Bauteile in Seitenansicht;
- 2 ein Bauteil in Frontansicht;
- 3 eine Ausführungsvariante eines Bauteils;
- 4 einen Ausschnitt aus einem Zahnrad.
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Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
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In 1 ist eine Baugruppe 1 ausschnittsweise dargestellt, die ein erstes Bauteil 2 und ein zweites Bauteil 3 umfasst bzw. daraus besteht.
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Das zweite Bauteil 3 weist eine Ausnehmung 4 auf, wie dies anhand des in 2 dargestellten Beispiels für ein derartiges Bauteil 3 besser zu ersehend ist. Die Ausnehmung 4 kann ein Sackloch sein. Bevorzugt ist die Ausnehmung 4 jedoch durch das zweite Bauteil 3 durchgängig ausgebildet. Die Querschnittsform der Ausnehmung 4 ist an die Querschnittsform des ersten Bauteils 2 angepasst. Weist dieses also beispielsweise einen kreisrundem Querschnitt aus, ist auch die Ausnehmung 4 mit einem kreisrundem Querschnitt ausgebildet (im Rahmen der herstellungsbedingten Toleranzen).
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Die Ausnehmung 4 dient der Aufnahme des ersten Bauteils 2 bzw. eines Teils des ersten Bauteils 2. Wie aus 1 ersichtlich ist, kann sich das erste Bauteil 2 durch diese Ausnehmung 4 hindurch erstrecken. Er kann aber auch nur in die Ausnehmung 4 eingesteckt sein. Über die Ausnehmung 4, d.h. deren Mantelfläche 5, wird mit dem ersten Bauteil 2 eine Presssitzverbindung ausgebildet.
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Das erste Bauteil 2 kann beispielsweise eine Welle, eine Achse, ein Zapfen, etc. sein. Wie bereits erwähnt kann das erste Bauteil 2 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Das erste Bauteil 2 kann aber auch eine andere Querschnittsform haben, beispielsweise eine polygonale, wie z. B. einen viereckige oder sechseckige oder achteckige, etc.
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Weiter kann das erste Bauteil 2 als Hohlbauteil ausgeführt sein, wie beispielsweise als Hohlwelle, oder als Vollbauteil ohne Hohlraum (zumindest im Bereich des zweiten Bauteils 3).
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Das erste Bauteil 2 ist aus einem Metall gefertigt, besteht beispielsweise aus einem Stahl, aus Messing, aus einer Aluminiumlegierung, etc.
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Das zweite Bauteil 3 weist einen ringförmigen Bauteilabschnitt 6 auf bzw. besteht daraus. Dieser ringförmige Bauteilabschnitt 6 umgibt die Ausnehmung 4 bzw. bildet die Mantelfläche 5, die die Ausnehmung 4 begrenzt. Das zweite Bauteil 3 kann beispielsweise ein Hohlzylinder, ein Zahnrad, wie z.B. eine Kettenrad oder ein Zahnriemenrad, etc., sein.
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Das zweite Bauteil 3 ist bevorzugt einteilig ausgebildet, kann aber auch mehrteilig ausgebildet sein.
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Insbesondere der ringförmige Bauteilabschnitt 6, bevorzugt jedoch das gesamte zweite Bauteil 3, besteht aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Stahl, aus Messing, aus einer Aluminiumlegierung, etc. Das Bauteil 3 kann aber auch zumindest teilweise, beispielsweise die Verzahnung, oder zur Gänze aus einem polymeren Kunststoff gebildet sein bzw. bestehen.
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Insbesondere der ringförmige Bauteilabschnitt 6, bevorzugt jedoch das gesamte zweite Bauteil 3, ist ein Sinterbauteil, d.h. nach einem pulvermetallurgischem Verfahren hergestellt. Da diese Verfahren prinzipiell bekannt sind, erübrigen sich weitere Ausführungen dazu. Es sei nur so viel erwähnt, dass ein pulvermetallurgisches Verfahren das Verpressen eines metallischen Pulvers zu einem Grünling, das (ein- oder mehrstufige) Sintern des Grünlings sowie gegebenenfalls das Nachbearbeiten des gesinterten Bauteils 3, wie beispielsweise das Härten, umfasst. Es ist jedoch vorgesehen, dass zumindest der ringförmige Bauteilabschnitt 6 des zweiten Bauteils 3 zumindest im Bereich der Ausnehmung 4 ein Net Shape- oder ein Near Net Shape-Sinterbauteil ist bzw. in Net Shape- oder Near Net Shape-Qualität hergestellt wird. Es erfolgt somit nach dem Sintern an einem Innendurchmesser D 7 keine mechanische Nachbearbeitung der Mantelfläche 5 des ringförmigen Bauteilabschnitts 6, wie dies im Stand der Technik zur Ausbildung einer Presssitzverbindung üblich ist, um damit die Toleranzen zu reduzieren. Mit anderen Worten ausgedrückt hat der ringförmige Bauteilabschnitt 6 bereits unmittelbar nach dem Sintern und Abkühlen auf Raumtemperatur seine endgültige Abmessung des Innendurchmessers D 7 für die Ausbildung der Presssitzverbindung mit dem ersten Bauteil 2. Diese endgültigen Abmessungen werden bereits in der Pressform hergestellt, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der beim Sintern gegebenenfalls eintretenden Abmessungsänderungen durch Schrumpfung oder Bauteilwachsen (abhängig von der eingesetzten Legierung).
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Die Presssitzverbindung selbst kann dem Stand der Technik entsprechend hergestellt werden, indem das zweite Bauteil 3 auf das erste Bauteil 2 aufgepresst wird. Gegebenenfalls kann dazu das erste Bauteil 2 abgekühlt oder das zweite Bauteil 3 erwärmt werden.
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Wie bereits ausgeführt, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das zweite Bauteil 3 ein Zahnrad ist. Stellverstretend für mögliche Ausführungsvarianten von Zahnrädern ist in 2 ein derartiges Zahnrad dargestellt. Dieses weist an einer äußeren Mantelfläche 8 des ringförmigen Bauteilabschnittes 6 eine Außenverzahnung 9 mit Zähnen 10 auf.
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Prinzipiell kann die Außenverzahnung unterschiedlich ausgeführt sein, beispielswiese als Verzahnung für den Eingriff eines Zahnriemens oder einer Kette oder der Verzahnung eines weiteren Zahnrades.
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Der ringförmige Bauteilabschnitt 6 weist eine radialen Wandstärke W 11 auf bzw. wird mit dieser hergestellt. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann nun vorgesehen sein, dass die radiale Wandstärke W 11 so hergestellt wird bzw. ausgebildet wird, dass ein Verhältnis der radialen Wandstärke W 11 zum Innendurchmesser 7 des ringförmigen Bauteilabschnittes 6 kleiner 1 : 2 ist. Insbesondere kann dieses Verhältnis von W/D ausgewählt sein aus einem Bereich von 1/2 bis 1/15, vorzugsweise aus einem Bereich von 1/5 bis 1/15.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des zweiten Bauteils 3, der wiederum als Zahnrad mit der Außenverzahnung 9 ausgeführt ist, jedoch auch eine andere Form haben kann.
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Bei dieser Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der ringförmige Bauteilabschnitt 6 am Umfang der Ausnehmung 4 mit einer Fase 12 am Übergang zwischen der inneren, die Ausnehmung 4 begrenzenden Mantelfläche 5 und einer Stirnfläche 13 des ringförmigen Bauteilabschnittes 6 ausgebildet wird.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante des zweiten Bauteils 3 weist dieser beidseitig (in einer Axialrichtung 14 betrachtet) eine derartige Fase 12 auf. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass der ringförmige Bauteilabschnitt 6 an nur einem Übergang zwischen der inneren, die Ausnehmung 4 begrenzenden Mantelfläche 5 und einer der beiden Stirnflächen 13 die Fase 12 aufweist.
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Die Fase(n) 12 erstrecken sich bevorzugt über den gesamten Umfang der inneren Mantelfläche 5.
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Sofern zwei Fasen 12 ausgebildet sind, sind beide Fasen 12 bevorzugt gleich ausgebildet. Sie können aber auch einer zueinander unterschiedliche Form aufweisen.
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Die Fase(n) 12 können als einfache Abschrägung und ebenflächig verlaufen. Sie können aber auch eine gerundete Form aufweisen, wobei die Rundung gegebenenfalls in der Axialrichtung 14 betrachtet mehrere unterschiedliche Radien aufweisen kann.
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Nach einer Ausführungsvariante dazu kann vorgesehen sein, dass die Fase(n) 12 mit einem Winkel 15 zur inneren, die Ausnehmung des ringförmigen Bauteilabschnittes begrenzenden Mantelfläche 5 ausgebildet wird(werden), der ausgewählt ist aus einem Bereich von 170 ° bis 178 °. Beispielsweise kann dieser Winkel zwischen 175 ° und 177 ° betragen.
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Eine Breite 16 des gefasten Bereiches in der Axialrichtung 14 kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 0,2 % bis 10 % einer Gesamtbreite 17 des ringförmigen Bauteilabschnittes 6.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen werden, dass das Sinterteil (der ringförmige Bauteilabschnitt 6) mit Poren hergestellt wird, die ein mittlere Porengröße im Bereich von 5 µm bis 200 µm aufweisen. Weiter kann das Sinterbauteil hat eine Porosität zwischen 1 % und 15% (nach DIN 30 911 - T3) aufweisen.
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In 4 ist ein Zahn 10 der Außenverzahnung 9 (siehe 2) dargestellt. Mit dieser 4 soll eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung verdeutlicht werden. Es besteht nämlich gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung die Möglichkeit, dass die Außenverzahnung 9 um die mittlere Aufdehnung einer Zahnfußsehne 17 vorgehalten wird. Das Zahnrad umfassend den ringförmigen Bauteilabschnitt 6, der die äußere Mantelfläche 5 aufweist, auf der eine Außenverzahnung 9 ausgebildet ist (in 2 dargestellt), weist daher eine Außenverzahnung 9 auf, bei der die Zähne 10 um die mittlere Aufdehnung der Zahnfußsehne 17 vorgehalten sind. Diese Vorhaltung wird durch die Verschiebung des Grundkreises der Verzahnung (laut ISO 6336) erreicht.
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Die Verschiebung des Grundkreises beträgt zwischen 55 % bis 90 % der mittleren Überdeckung in Richtung Zahnradmittelpunkt. Die mittlere Überdeckung ergibt sich dabei aus der Differenz dw - d, wobei dw der Durchmesser der Welle und d der Innendurchmesser 7 des Bauteils 3 ist.
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Mit Verschiebung ist dabei gemeint, dass der Durchmesser des Grundkreises um diesen Wert kleiner wird.
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Der Grundkreises ist dabei der Kreis mit dem Durchmesser, bei dem keine Berührung und damit keine Kraftübertragung zwischen den Zahnflanken zweier in Kontakt stehender Zahnräder stattfindet.
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Die Verschiebung des Grundkreises db der Verzahnung ergibt eine Kopf- (Kopfkreis da) und Fußkreisverschiebung (Fußkreis df) im selben Ausmaß.
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Bei Aufschieben des Zahnrades tritt einen Vergrößerung der Kopfkreises auf, gegebenenfalls werden auch der Zahnlücken aufgeweitet. Durch die Vorhaltung kann diese Geometrieänderung besser beherrscht werden.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
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Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis die Figuren nicht notwendigerweise maßstäbliche Darstellungen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Baugruppe
- 2
- Bauteil
- 3
- Bauteil
- 4
- Ausnehmung
- 5
- Mantelfläche
- 6
- Bauteilabschnitt
- 7
- Innendurchmesser
- 8
- Mantelfläche
- 9
- Außenverzahnung
- 10
- Zahn
- 11
- Wandstärke
- 12
- Fase
- 13
- Stirnfläche
- 14
- Axialrichtung
- 15
- Winkel
- 16
- Breite
- 17
- Zahnfußsehne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19627454 A1 [0004]
- WO 2011147755 A1 [0005]
