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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad und ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads.
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Bei der Entwicklung innovativer Getriebekonzepte wird zunehmend auf eine möglichst geringe Umweltbelastung geachtet. Hierbei ist ein möglichst wartungsfreier Betreiben sowie eine Reichweiten- und Dynamikerhöhung wünschenswert, die mit einer möglichst ressourceneffizienten Herstellung verbunden ist. Ein Zielkonflikt besteht hierbei in den Anforderungen bezüglich Festigkeit, Leichtbau und Akustik. Bei Ölverlusten in einem Getriebe stellen sich hohe Temperaturen ein, die sich unmittelbar auf eine Kühlung auswirken. Zudem steigt die Reibung und somit ein Wärmeeintrag in Zahnflanken. Auch wenn bereits Funktionsflächenbeschichtungen für Zahnräder bzw. Getriebekomponenten bekannt sind (beispielsweise offenbart das Patent
EP 2 376 667 B1 eine entsprechende Lösung), können Zahnräder bzw. Getriebe mit diesen Zahnrädern bisher nur kurze Zeit im Notlaufbetrieb nach einem Schmierstoffverlust weiterbetrieben werden.
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DE 10 2011 011 242 A1 offenbart einen Verzahnungskörper mit zumindest einem Fluidströmungskanal. Der Fluidströmungskanal kann von einem Kühlmittel oder von einem Kühlmittel und Schmierstoff durchströmt werden und somit die Beharrungstemperatur des Verzahnungskörpers reduzieren. Der Verzahnungskörper wird vorzugsweise durch generative Fertigungsverfahren hergestellt und anschließend einer Nachbearbeitung unterzogen.
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EP 3 403 744 A1 betrifft ein Maschinenbauteil. Das Maschinenbauteil wurde durch 3D-Druck erzeugt. Das Maschinenbauteil weist durch den 3D-Druck erzeugte räumliche Strukturen auf. Die durch den 3D-Druck erzeugten räumlichen Strukturen dienen zur Einstellung eines Massenträgheitsmoments des Maschinenbauteils und/oder zur Reduktion des Gewichts des Maschinenbauteils und/oder zur Aufnahme eines Kühlmittels des Maschinenbauteils.
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DE 10 2008 032 656 A1 betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Zahnrads mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Zahnrads, - Aufbringen einer reibungsmindernden, verschleißarmen Beschichtung auf die Zahnflanken der Zähne des Zahnrads. Vor dem Aufbringen der Beschichtung werden zwischen den einzelnen Zähnen des Zahnrads befindliche Zahngrundbereiche maskiert. Die maskierten Zahngrundbereiche bleiben somit unbeschichtet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad und ein Verfahren zum Herstellen des Zahnrads vorzuschlagen, mit dem die genannten Nachteile überwunden werden, d. h. ein einfach zu fertigendes Zahnrad mit erhöhtem Verschleißschutz und verbesserter Kühlung bereitgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Zahnrad nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein Zahnrad, insbesondere ein Zahnrad für ein Kraftfahrzeuggetriebe, weist einen zylinderförmigen Grundkörper mit einer auf der Zylindermantelfläche umlaufenden Zahnung mit mehreren Zähnen und einen unterhalb der Zähne im Grundkörper angeordneten mindestens einen Kühlkanal auf.
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Die Zylindermantelfläche, die die Fläche bezeichnet, die um die Längsachse bzw. Rotationsachse des Zahnrads umlaufend verläuft, ist mit den einer mechanischen und thermischen Belastung besonders ausgesetzten Zähnen versehen. Indem mindestens ein Kühlkanal, typischerweise aber mehrere Kühlkanäle im Grundkörper angeordnet sind, wird bei Durchströmen des Kühlkanals mit einem Kühlmittel, vorzugsweise einem flüssigen Kühlmittel, eine thermische Belastung des Zahnrads als Bauteil verringert und somit auch Vorsorge gegen übermäßigen Verschleiß getroffen.
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Der Kühlkanal ist vorzugsweise in einem Abstand zu der Rotationsachse des Zahnrads angeordnet, der mindestens neun Zehnteln des maximalen Radius des Zahnrads entspricht. Durch die Rotationsachse, die in der Regel mit dem Mittelpunkt einer Zylindergrundfläche des Grundkörpers zusammenfällt, ist ein definierter Abstand bestimmbar. Durch den genannten Abstand wird der Kühlkanal in unmittelbarer Nachbarschaft zu den thermisch und mechanisch besonders belasteten Zähnen platziert, so dass eine zuverlässige Kühlung ermöglicht wird. In besonders bevorzugter Weise ist der mindestens eine Kühlkanal derart geführt, dass er einer Kontur der Zähne folgt, also immer einen gleichbleibenden Abstand zu einer der Rotationsachse abgewandten Außenoberfläche der Zähne aufweist. Vorzugsweise ist der mindestens eine Kühlkanal in einem Abstand von 0,3 mm zur Außenoberfläche angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Kühlkanal in einem Bereich des Zahnrads angeordnet ist, der ausgehend von dem Mittelpunkt des Zahnrads einen Abstand zu dem Mittelpunkt aufweist, der mindestens 90 Prozent, besonders vorzugsweise 95 Prozent, des Radius des Zahnrads entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Kühlkanal auch in einem Abstand zur Außenoberfläche ausgebildet, der maximal einer Hälfte eines Zahn-/Flankenabstands der Zähne des Zahnrads entspricht. In besonders bevorzugter Weise ist wenigstens ein Teil des Kühlkanals, vorzugsweise der gesamte Kühlkanal innerhalb eines der Zähne bzw. innerhalb der Zähne liegend ausgeführt. Hierdurch wird eine besonders effiziente Kühlung der thermisch besonders belasteten Teile erreicht. Wenigstens einer der Kühlkanäle, typischerweise mehrere Kühlkanäle, aber auch alle Kühlkanäle können somit innerhalb, teilweise innerhalb oder außerhalb eines Zahnquerschnitts angeordnet sein.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Kühlkanal einen Durchmesser oder eine Breite aufweist, die maximal einer Höhe der Zähne entspricht, um einen möglichst effizienten Wärmetransport zu ermöglichen.
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An der Zylindergrundfläche weist der mindestens eine Kühlkanal seinen Zufluss bzw. Abfluss auf. Der Zufluss und der Abfluss sind dabei vorzugsweise koaxial zueinander ausgestaltet, d. h. der Zufluss verläuft typischerweise entlang der Rotationsachse des Zahnrads und wird von dem Abfluss umschlossen. Alternativ kann aber auch der Zufluss den Abfluss gerade umschließen.
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Zudem kann an der Zylindergrundfläche ein Verteilkanal vorgesehen sein, der typischerweise umlaufend um die Rotationsachse ausgebildet ist und sowohl mit dem Zufluss und dem Abfluss als auch mit dem mindestens einen Kühlkanal verbunden ist.
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Ein Modul des Zahnrads kann größer als 0,5 mm sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Eingriffswinkel größer als 30°, vorzugsweise größer als 24° sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Sprungüberdeckung ganzzahlig und bzw. oder größer als 1 oder gleich 1 ist. Somit ergeben sich vorteilhafte geometrische Parameter des Zahnrads, die typisch für ein sogenanntes Low-Loss-Zahnrad sind. Diese Zahngeometrie hat einen verlauf der Eingriffslinien unmittelbar um den Wälzkreisdurchmesser zur Folge und im Ergebnis verbessert sich der Wirkungsgrad aufgrund geringerer Gleitreibungsanteile, was zu einem verminderten Wärmeeintrag in die thermisch beanspruchten Bauteile führt.
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Es kann vorgesehen sein, die Zähne mit einer Verschleißschutzschicht, insbesondere einer Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (DLC, diamondlike carbon), vorzugsweise einer ta-C-Beschichtung, also einer Beschichtung mit tetraedisch koordiniertem amorphem und wasserstofffreiem Kohlenstoff, zu versehen. Hierdurch wird die Verschleißfestigkeit des Zahnrads weiter erhöht. Diese Verschleißschutzschicht wird typischerweise mit einem PVD-Verfahren (physical vapour deposition) aufgebracht. Die ta-C-Beschichtung hat auch den Vorteil, dass sie bei deutlich niedrigeren Temperaturen, und damit auf Stahl, abgeschieden werden kann, ohne dessen Werkstoffeigenschaften thermisch zu beeinflussen. Mit den Voraussetzungen einer superharten Kohlenstoffschicht, die durch geeignete Maßnahmen, insbesondere einer konturangepassten Haftschichttechnologie, mit großer Dicke abgeschieden werden können, ist die Machbarkeit einer lebensdauerstabilen Zahnradbeschichtung für Fahrantriebe gegeben.
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Diese ta-C-Beschichtung weist eine Schichtdicke von mindestens 1 µm und maximal 30 um, vorzugsweise mindestens 2,5 µm und maximal 20 µm, besonders vorzugsweise mindestens 5 µm und maximal 10 µm, auf, um einerseits eine ausreichende Schichtdicke für eine gesteigerte Lebensdauer zu erreichen, andererseits aber noch eine wirtschaftlich sinnvolle Beschichtung vorzusehen.
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Die Ausbildung der ta-C-Beschichtung kann mit einem beliebigen Gleichstrom-Vakuumbogenverfahren oder gepulsten Vakuumbogenverfahren durchgeführt werden.
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Bei der Ausbildung der ta-C-Beschichtung kann besonders vorteilhaft ein Plasma mittels gepulst betriebener Laserstrahlung sequentiell gezündeter elektrischer Bogenentladungen unter Vakuumbedingungen genutzt werden, bei dem die elektrische Bogenentladung zwischen einer Anode und einer Kathode aus Graphit betrieben wird. Aus diesem Plasma wird eine Schicht, die aus zumindest annähernd wasserstofffreiem, tetraedisch amorphem (ta-C), bestehend aus einer Mischung von sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff, gebildet, die auf einer Oberfläche der erhaltenen Verzahnung abgeschieden wird.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, die ta-C-Beschichtung mit einem Vakuumbogenverfahren mit integrierter Plasmafilterung durchzuführen, wobei das Filter eine zumindest teilweise Abtrennung/Separation von aus der Graphitkathode emittierten Partikeln aus dem Plasma bewirkt und die entstehenden ta-C-Schichten daher weniger Defekte enthält.
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Zur Verringerung der Eigenspannungen und zur Verbesserung der Belastbarkeit kann die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit einem variierenden sp3-Anteil zwischen 20 % und 80 % ausgebildet werden, wobei der sp3-Anteil über die Schichtdicke kontinuierlich oder alternierend verändert sein kann.
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Die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) kann mit einer Eindringhärte > 30 GPa ausgebildet werden. Anstelle einer reinen ta-C-Schicht kann auch eine dotierte ta-C:X-Schicht eingesetzt werden, wobei das Dotierungselement X aus einem oder mehreren der Elemente B, Si, W, Mo, Fe, Cu, N, Ti und Cr ausgewählt werden kann und mit einem Anteil von in Summe 0 at%, vorzugsweise 0,1 at%, bis 10 at% in der Schicht enthalten sein kann. Es kann also insbesondere auch keine Dotierung vorgesehen sein oder ein relativ geringer Anteil von 0,1 at%, also insbesondere der Bereich 0 at% bis 0,1 at%.
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Eine Zahnradanordnung umfasst ein erstes Zahnrad, das die beschriebenen Merkmale aufweist, sowie ein zweites Zahnrad, das in seiner Kontur korrespondierend zu dem ersten Zahnrad ausgestaltet ist. In besonders bevorzugter Weise ist das zweite Zahnrad ebenfalls ein Zahnrad mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften. Es kann sogar vorgesehen sein, dass das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad identisch aufgebaut sind. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass das erste Zahnrad mit der beschriebenen Kühlung, d. h. mit mindestens einem Kühlkanal, versehen ist und keine Verschleißschutzschicht aufweist, während das zweite Zahnrad die beschriebene Verschleißschutzschicht aufweist, allerdings ohne Kühlkanal ausgebildet ist.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften wird der Grundkörper mit dem mindestens einen Kühlkanal durch additive Fertigung, vorzugsweise mittels Laserstrahlschmelzen, insbesondere pulverbasiertem Laserstrahlschmelzen, gefertigt. Als Ausgangswerkstoff für die additive Fertigung kann Einsatzstahl (z.B. 16MnCr5, 20MnCr5, 18CrNiMo7-6),oder Vergütungsstahl (z.B. C35, C45, 42CrMo4) verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, die folgenden Werkstoffe zu verwenden: X15CrNiSi25-21, X20CrNiSi25-4, X15CrNiSi25-4, 17-4PH oder Uddeholm AM Corrax®. Somit wird eine flexible Anpassung des Kühlkanals an unterschiedliche Geometrien und erwünschte Kühlungsergebnisse erreicht. Das beschriebene Zahnrad ist somit durch additive Fertigung hergestellt.
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Als Resultat der Herstellung mittels additiver Fertigung ist das Zahnrad typischerweise einteilig bzw. einstückig ausgeführt. Durch die einteilige Ausführung, die auch als monolithische Ausführung bezeichnet werden kann, also insbesondere eine stoffschlüssige Ausführung der des Zahnrads als ein einziges Bauteil, wird ein besonders einfach zu fertigendes und stabiles Zahnrad bereitgestellt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Zahnrads und
- 2 eine perspektivische Ansicht des Zahnrads mit Kühlkanälen.
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In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Zahnrad mit einem zylinderförmigen Grundkörper 1 dargestellt. Auf der Zylindermantelfläche ist umlaufend eine Zahnung 2 mit mehreren Zähnen 3 angebracht. In einem Inneren des Grundkörpers 1 verläuft, in dieser Darstellung allerdings nicht zu sehen, ein Kühlkanal. Das gezeigte Zahnrad ist ein sogenanntes Low-Loss-Zahnrad, d. h. ein Modul des Zahnrads ist kleiner als 1,5 mm, ein Eingriffswinkel größer als 24° und die Sprungüberdeckung ist ganzzahlig und bzw. oder größer als 1.
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Außenoberflächen der Zähne 3 sind mit einer 15 um dicken Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem Kohlenstoff überzogen bzw. beschichtet. Das in 1 gezeigte Zahnrad wird vorzugsweise in einem Getriebe, beispielsweise einem Kraftfahrzeuggetriebe eingesetzt, wobei als Gegenrad ein zweites Zahnrad dient, das in seiner Kontur korrespondierend zu dem dargestellten Zahnrad ausgebildet ist. Das gezeigte Zahnrad ist durch additive Fertigung, nämlich Laserstrahlschmelzen, hergestellt, um eine möglichst flexible Anpassung an unterschiedliche Geometrien gewährleisten zu können. Strukturen für eine additiv-generative Fertigung können funktionsoptimiert ausgelegt und hergestellt werden. So können beispielsweise komplexe Kanalsysteme integriert werden, die den Wärmeübergang zwischen zwei Fluiden ohne deren Vermischung auf engstem Raum mit hoher Effizienz realisieren. Zudem kann auch vorgesehen sein, mindestens einen Sensor und bzw. oder mindestens einen Aktor durch eine additiv-generative Fertigung in dem Zahnrad vorzusehen, beispielsweise einen Temperatursensor in einem der Kühlkanäle 4. Dieses Bauteil kann in der Wellen- und bzw. oder der Radkörpergeometrie eingefügt werden, jedoch ohne dass dadurch eine Unwucht entsteht.
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2 zeigt in einer 1 entsprechenden Ansicht eine perspektivische Ansicht des Zahnrads mit den Kühlkanälen 4. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit identischen Bezugszeichen versehen. An einer der Zylindergrundflächen des Zahnrads ist ein Zufluss 5 und ein Abfluss 6 angeordnet, die beide konzentrisch um die Rotationsachse bzw. Längsachse des Zahnrads angeordnet sind. Der Zuflus5 ist hierbei innenliegend und komplett von dem Abfluss 6 umschlossen, die Anordnung kann in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch gerade umgekehrt sein.
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Der Zufluss 5 endet in einem Verteilerkanal 7, der um die Rotationsachse ringförmig umlaufend ausgebildet ist und zu den mehreren Kühlkanälen 4 führt, die ebenfalls umlaufend um die Rotationsachse angeordnet sind. Die Kühlkanäle 4 münden auf einer dem Verteilerkanal 7 abgewandten Seite in den Abfluss 6 und die Kühlflüssigkeit, die durch den Zufluss 5 und den Verteilerkanal 7 den Kühlkanälen 4 zugeführt wird, kann durch den Abfluss 6 wieder ausströmen.
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Die Kühlkanäle 4 sind hierbei einer Außenkontur des Zahnrads folgend ausgebildet, was durch eine additive Fertigung erfolgt. Da die Kühlkanäle 4 auch sehr dicht unterhalb der Bauteilkontur, d. h. unterhalb der Zähne 3 angeordnet sind, wird ein schnelleres und vor allem gleichmäßigeres Abkühlen des Zahnrads als zu kühlendem Bauteil, konkret der einzelnen Zähne 3, ermöglicht. Beispielhaft weisen additiv gefertigte Blechkomponenten mit einer ähnlich konturnahen Kühlung im Presswerkzeug eine um ca. 200 Kelvin niedrigere Durchschnittstemperaturverteilung im Einsatz auf. In den Kühlkanälen 4 wird ein Fluid als Kühlmittel geführt, es kann aber in weiteren Ausführungsformen auch vorgesehen sein, zwei unterschiedliche Fluide zu verwenden, bei denen durch die Führung der Kühlkanäle 4 ein Wärmeübergang realisiert wird. Jeder der Kühlkanäle 4 erstreckt sich typischerweise über die gesamte Länge des Grundkörpers 1.
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Auf den Zähnen 3 ist, die Außenoberfläche der Zähne 3 vollständig überdeckend, eine ta-C-Beschichtung aufgebracht. Diese ta-C-Beschichtung weist eine extrem hohe Härte auf und kann nahezu die mechanischen Eigenschaften von kristallinen Diamantschichten erreichen, kann aber bei deutlich niedrigeren Temperaturen und damit auf Stahl, aus dem das Zahnrad gefertigt sein kann, abgeschieden. Diese Beschichtung hat eine Schichtdicke von mehr als 2,5 µm, im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Schichtdicke 2,5 µm am Zahnfuß und 5 µm am Zahnkopf. Durch eine derartig große Schichtdicke wird auch eine ausreichend lange Lebensdauer erreicht. Da sich jedoch Reibungs- und Verschleißeigenschaften von ta-C-Schichten mit zunehmender Temperatur verschlechtern, bedeutet eine Kombination der Beschichtung mit innenliegender Kühlung des Zahnrads wie zuvor beschrieben eine nochmalige signifikante Verbesserung von Belastbarkeit und Wirkungsgrad des Getriebes. Die ta-C-Beschichtung erlaubt auch die Substitution des für Getriebeanwendungen üblichen Öls. Alternativ lassen sich wasserbasierte Medien einsetzen und unter bestimmten Bedingungen kann vollständig auf einen Schmierstoff verzichtet werden. Bedingt durch das additive Fertigungsverfahren kann auch vorgesehen sein, den mindestens einen Kühlkanal bzw. alle Kühlkanäle innerhalb der Zähne 3 liegend auszubilden, dass einen Grundkörper 1 ohne Aussparungen, Durchbrechungen oder Löcher vorzusehen.
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Bei einer Zahnradanordnung aus Zahnrad und Gegenzahnrad als zweitem Zahnrad können beide gleich aufgebaut sein und den beschriebenen Aufbau aufweisen. Ausreichend ist es jedoch auch, wenn das Zahnrad entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufgebaut ist und das Gegenzahnrad einen konventionellen Aufbau zeigt ohne die beschriebenen Verbesserungen aufweist. Ein entsprechendes Getriebe kann somit öl- bzw. schmnierstofffrei betrieben werden.
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Insbesondere in Kombination der genannten Merkmale ergeben sich signifikante Vorteile: Die ta-C-Beschichtung wirkt als Verschleißschutz für die hochbeanspruchten Flächen am Zahnrad und reduziert Reibungsverluste deutlich. Die Wärmeabführung durch die Innenkühlung des Zahnrads senkt die Oberflächentemperatur der Reibfläche und somit den Reibwert weiter ab, was zu einer verbesserten Dauerstabilität führt. Durch die additive Fertigung bzw. den 3D-Druck können die Kühlkanäle 4 integriert werden, die beispielsweise der Zahnkontur folgen und den Wärmeabtransport verbessern. Der 3D-Druck ermöglicht zudem komplexe Kühlgeometrien mit individuell gestalteten Zulauf- und Ablaufsträngen, die flexibel für den jeweiligen Anwendungsfall eingesetzt werden können. Außerdem ermöglicht das Verfahren eine Integration verschiedener Sensoren, beispielsweise für Temperatur oder eine Zug- bzw. Druckbelastung.
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Das beschriebene System kann insbesondere als Getriebebestandteil von effizienten Hochdrehzahlantrieben (Verzahnungsstufen) für Lastgetriebe für den Bereich Nutzfahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen, und Personenkraftwagen, Sondergetriebe mit hoher Effizienzvorgabe, Antriebe für die Luftfahrttechnik mit besonderen Trockenlauf- und Notlaufanforderungen, zum Beispiel bei Hubschraubern, Flugzeug- oder Raumfahrtantrieben, Bahnantrieben und bzw. oder Schmiermittelfreie Getriebe für den Einsatz im Lebensmittelbereich.
