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Die Erfindung betrifft eine Servolenkung
mit einem Zahnradgetriebe mit einem Rad sowie einem Gegenrad gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Servolenkungen werden zwischenzeitlich
in Kfz regelmäßig zur
Unterstützung
der manuellen Lenkbewegungen, die ein Fahrrad am Lenkrad unternimmt,
eingesetzt. Die Lenkung wird dabei durch eine Hydraulik unterstützt, um
die Lenkkräfte
zu minimieren und das Lenken, vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten
oder im Stehen, zu verringern. Dies wurde zunächst nur bei großen Fahrzeugen
angeboten. Heute ist die Servolenkung auch schon in kleinen Fahrzeugen
keine Seltenheit mehr. Die Servolenkung unterstützt ein leichtes Lenken, das
vor allem beim Einparken, Rangieren und im Stadtverkehr den Fahrkomfort
deutlich erhöht.
Zwischenzeitlich wird an Servolenkungen gearbeitet, die nicht hydraulisch
die Lenkunterstützung
bewerkstelligen, sondern elektrisch. Hierfür sind besondere Getriebe notwendig.
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In 1 ist
das Übersichtsbild
einer Servolenkung mit elektromechanischer Lenkunterstützung gezeigt.
Die 1 zeigt ein Lenkrad,
das über
eine Lenksäule
mit einem Zahnradgetriebe, das ein Schneckenrad und eine Schnecke
aufweist, in Verbindung. Des weiteren ist ein Elektromotor mit Schneckengetriebe
an dieses Zahnradgetriebe gekoppelt. Dieses Zahnradgetriebe steht über eine
weitere Lenkstange mit der Zahnstange des Kraftfahrzeuges in Verbindung.
Koaxial zur Zahnstange sitzt die Spurstange.
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Zahnradgetriebe dienen allgemein
dazu, eine Drehbewegung von einer Welle auf eine andere zu übertragen,
was häufig
unter Umwandlung eines Drehmoments geschieht. Durch miteinander
kämmende
Zähne,
durch die eine formschlüssige
Verbindung zwischen den Wellen gewährleistet wird, garantieren
Zahnradgetriebe eine zwangsläufige
und schlupflose Übertragung
der Drehbewegung beziehungsweise des Drehmoments.
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Im Maschinenbau werden fast ausschließlich Zahnräder mit
einer Evolventenverzahnung verwendet. Bei einer Evolventenverzahnung
sind die wirksamen Profile der Zahnflanken – also die Profile der Zahnflanken,
die beim Kämmen
der Zähne
miteinander in Kontakt treten und über die eine Kraftübertragung
erfolgt – Kreisevolventen,
d.h. sie beschreiben eine Kurve, die man erhält, wenn man in sämtlichen Punkten
eines Kreises eine Tangente konstruiert und auf den Tangenten die
Länge des
Bogens vom Berührpunkt
von der Tangente mit dem Kreis bis zu einem bestimmten festen Punkt
des Kreises abträgt. Bei
außen
verzahnten Rädern
sind die wirksamen Profile einer Evolventenverzahnung konvex.
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Zahnräder mit Evolventenverzahnung
lassen sich einfach und genau mit dem Hüllschnittverfahren herstellen,
bei dem ein geradliniges und somit einfaches und kostengünstiges
Bezugsprofil als Werkzeug verwendet wird. Ein weiterer Vorteil dieser Zahngeometrie
ist darin zu sehen, daß unterschiedliche
Zahnformen und Achsabstände
mit dem gleichen Werkzeug lediglich durch eine Profilverschiebung
hergestellt werden können.
Im Betrieb zeichnen sich Zahnräder
mit einer Evolventenverzahnung dadurch aus, daß die Richtung und die Größe der Zahnnormalkraft
während
des Eingriffs der Zähne
konstant ist, woraus eine gleichmäßige Belastung des gesamten
Getriebes, insbesondere der Getriebelager resultiert.
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Die Verwendung von Zahnradgetrieben
ist vielfältig.
Sie finden sowohl in der Feinwerktechnik als auch im Fahrzeugbau,
beispielsweise bei Lenkunterstützungssystemen
Anwendung.
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l zeigt
ein Schneckengetriebe mit einem stirnradförmigen Schneckenrad 1 und
einer mit dem Schneckenrad 1 in Eingriff stehenden Schnecke 2, jeweils
mit Evolventenverzahnung. Im Betrieb, d.h. wenn die Zähne von
Schnecke 2 und Schneckenrad 1 miteinander kämmen, kommt
es aufgrund dieser Zahngeometrie zu einer punktförmigen Anlage 3 der Zähne des
Schneckenrades 1 mit den Zähnen der Schnecke 2.
Diese Art der Anlage 3 führt zu einer hohen Belastung
der Zähne
in diesem Punkt, was je nach Werkstoffpaarung zu einem hohen Verschleiß und im
Extremfall sogar zu einer Überlastung
der Zähne
führen
kann. Die Tragfähigkeit
von Zahnrädern
mit einer punktförmigen
Anlage ist also begrenzt.
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2 zeigt
ebenfalls ein Schneckengetriebe mit einem Schneckenrad 1 und
einer mit dem Schneckenrad 1 in Eingriff stehenden Schnecke 2.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten
Schneckengetriebe ist das Schneckenrad 1 in 2 nicht zylindrisch sondern
globoidförmig
ausgeführt.
Durch diese Ausgestaltung des Schneckenrades 1 wird erreicht,
daß die
Anlage 3 nicht mehr punktförmig, sondern linienförmig über die
Breite der Zähne
ist, wodurch sich die durch die Zähne zu übertragende Last auf eine größere Fläche verteilt.
Dadurch wird die Belastung der einzelnen Zähne pro Flächeneinheit reduziert und somit
die Tragfähigkeit
der Zahnräder
erhöht.
Das hat zur Folge, daß sowohl
der Verschleiß als
auch die Gefahr einer Überlastung
der Zähne
abnehmen.
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Um ein globoidförmiges Schneckenrad herzustellen,
ist eine spanende Bearbeitung notwendig, weil globoidförmige Schneckenräder Bereiche
mit Hinterschneidungen aufweisen. Eine spanende Bearbeitung bringt
jedoch im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren für Zahnräder, wie
beispielsweise einer Spritzgußfertigung,
erhöhte
Kosten mit sich. Hinzu kommt, daß die Montage von Schneckengetrieben
mit globoidförmigen
Schneckenrädern
aufwendiger ist, weil das Schneckenrad nicht in axialer Richtung
sondern lediglich in radialer Richtung montiert werden kann. Ein
radiales Einführen
des Schneckenrades erfordert mehr Platz als ein axiales Einführung und
bringt zudem die Gefahr von Beschädigungen am Schneckenrad mit
sich, wenn dieses nicht in der richtigen Winkelstellung auf die
Schnecke zubewegt wird. Das gilt insbesondere dann, wenn das Schneckenrad
aus einem Werkstoff mit geringerer Festigkeit als der Werkstoff
der Schnecke besteht. Zudem müssen
Schnecke und Schneckenrad exakt zueinander positioniert werden,
damit ein einwandfreies Kämmen
der Zähne
gewährleistet
ist. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß wenn der
Winkel zwischen den Achsen von Schnecke und Schneckenrad ungleich
90° ist,
die Globoidform des Schneckenrades abgeschwächt werden muß. Dadurch
verkürzt
sich die linienförmige
Anlagefläche 3,
was sich wiederum negativ auf die Tragfähigkeit auswirkt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der
vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine Servolenkung eines Kraftfahrzeugs
ein Zahnradgetriebe mit einer erhöhten Tragfähigkeit zu schaffen, welches zudem
einfach und kostengünstig
herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demnach zeichnet sich die Erfindung
durch eine Servolenkung mit einem Zahnradgetriebe mit einem Rad
und einem Gegenrad aus, die über
Zähne miteinander
in Eingriff stehen und deren Zähne
wirksame Profile aufweisen, die so aufeinander abgestimmt sind,
daß die
Anlage über
die Höhe
der Zähne linienförmig ist.
Mit anderen Worten erfolgt eine Anpassung der Flankenform über die
Höhe eines
Zahns an die Flankenform des mit diesem Zahn kämmenden Zahns in der Art, daß die Krümmungen
der Flankenverläufe über die
Höhe der
Zähne so
ausgewählt werden,
daß einer
Wölbung
nach innen eine entsprechende Wölbung
nach außen
auf dem anderen Zahn zugeordnet ist und umgekehrt. Eine linienförmige Anlage
bringt den Vorteil mit sich, daß die
von einem Rad auf das andere Rad zu übertragende Last auf eine größere Fläche verteilt
wird, wodurch die Last der Zähne
pro Flächeneinheit
sinkt. Dadurch verringert sich zum einen der Verschleiß der Zahnräder zum
anderen aber auch die Gefahr einer Überlastung. Insgesamt steigt
somit die Tragfähigkeit
der Zahnräder.
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Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Eine linienförmige Anlage über die
Höhe der Zähne kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, daß einem konkaven Bereich eines
Zahns ein konvexer Bereich des mit diesem Zahn in Eingriff stehenden
Zahns zugeordnet ist, wobei der konkave und der konvexe Bereich
dieselbe Krümmung
aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel
besteht das Schneckenrad aus einem Werkstoff mit einer geringeren
Festigkeit als der Werkstoff der Schnecke. Beispielsweise besteht
die Schnecke aus Stahl und das Schneckenrad aus Kunststoff. Die
Verwendung eines Schneckenrades aus Kunststoff bringt Vorteile mit
sich, die sich auf die Herstellung beziehen. Kunststoffzahnräder lassen
sich mit Hilfe des kostengünstigen
Spritzgußverfahrens
herstellen, ohne daß eine anschließende spanende
Bearbeitung notwendig ist.
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Durch die erfindungsgemäße Reduzierung der
Flächenlast
pro Zahn lassen sich die Zahndicken der Zahnräder optimieren. Eine besonders
gute Optimierung ergibt sich, wenn die Materialeigenschaften der
Werkstoffpaarungen einbezogen werden. So sind die Zahndicken des
Schneckenrades gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
größer als
die Zahndicken der Schnecke. Eine Reduzierung der Zahndicken bringt
wiederum Kostenvorteile mit sich, weil dadurch Material eingespart
werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist
das Schneckenrad zylindrisch ausgeführt. Ein zylindrisches Schneckenrad
weist – im
Gegensatz zu globoidförmigen
Schneckenrädern – keine
Hinterschneidungen auf. Diese Form von Schneckenrädern begünstigt die
Herstellung mittels des Spritzgußverfahrens, was sich wiederum
positiv auf die Kosten auswirkt. Zudem ist die Montage von Schneckengetrieben
mit zylindrischen Schneckenrädern einfacher,
weil das Schneckenrad auch in axialer Richtung montiert werden kann.
Für ein
axiales Einführen
ist kein zusätzlicher
Platz erforderlich. Beim axialen Einführen ist die Gefahr von Beschädigungen des
Schneckenrades gegenüber
einem radialen Einführen
erheblich reduziert. Weiterhin ist es nicht erforderlich, das Schneckenrad
bezüglich
der Schnecke axial exakt zu positionieren, wodurch sich der Montageaufwand
weiter verringert. Hinzu kommt, daß bei einem zylindrischen Schneckenrad
auch Achswinkel abweichend von 90° eingestellt
werden können,
ohne daß sich
die Tragfähigkeit
der Zahnräder
verändert,
weil die Größe der Anlagefläche konstant
bleibt.
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Wenn die Schnecke globoidförmig ausgeführt ist,
wird die Anlage über
die Breite der Zähne vergrößert. Eine
größere Anlage
verringert zusätzlich die
Last pro Fläche,
wodurch die Tragfähigkeit
der Zahnräder
weiter erhöht
wird.
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Obwohl die Erfindung in erster Linie
für die Anwendung
in Servolenkungen von Kfz bestimmt und geeignet ist, ist die Erfindung
hierauf nicht beschränkt.
Das erfindungsgemäße Zahngetriebe
kann vielmehr auch in Fensterhebergetrieben, Sitzverstellungen,
Massenausgleichsgetrieben oder anderen Stellenantrieben eingesetzt
werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
von Ausführungsbeipielen
im Zusammenhang mit Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine Übersicht
einer elektromechanischen Servolenkung mit Lenkrad, Lenksäule, Zahnradgetriebe
sowie Zahnstange,
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2 einen
Schnitt parallel zur Schneckenradachse durch das schon erwähnte Schneckengetriebe
mit einem zylinderförmigen
Schneckenrad und einer mit dem Schneckenrad in Eingriff stehenden Schnecke
mit Evolventenverzahnung,
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3 einen
Schnitt parallel zur Schneckenradachse durch das ebenfalls schon
erwähnte Schneckengetriebe
mit einem globoidförmigen Schneckenrad
und einer mit dem Schneckenrad in Eingriff stehenden Schnecke mit
Evolventenverzahnung,
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4 einen
Schnitt parallel zur Schneckenradachse durch ein erfindungsgemäße Schneckengetriebe
mit einem Schneckenrad und einer mit dem Schneckenrad in Eingriff
stehenden Schnecke,
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5 Verzahnungsgeometrie
des erfindungsgemäßen Schneckengetriebes
gemäß 3,
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6 einen
Schnitt senkrecht zur Schneckenradachse durch das erfindungsgemäße Schneckengetriebe
gemäß 3 sowie
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7 einen
Schnitt senkrecht zur Schneckenradachse durch ein erfindungsgemäßes Schneckengetriebe
mit einer Globoidschnecke.
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In 4 ist
ein erfindungsgemäßes Schneckengetriebe
mit einem Schneckenrad 1 in einem Schnitt parallel zu seiner
Drehachse A und einer Schnecke 2 dargestellt. Das Schneckenrad 1 ist
zylinderförmig
und weist an seinem äußeren Rand
Zähne 4 auf.
Die Schnecke 2 dreht um eine Achse B, die senkrecht zur
Zeichenebene ausgerichtet ist. Die Schnecke 2 ist ebenfalls
zylinderförmig
und weist auf ihrem Umfang Zähne 5 auf.
Die Zähne 4 des
Schneckenrades 1 stehen mit den Zähnen 5 der Schnecke 2 im
Eingriff. Die Anlage der Zähne 4 des
Schneckenrades 1 mit den Zähnen 5 der Schnecke 2 ist
als Bereich 3 gekennzeichnet. Die Anlage 3 erstreckt
sich im wesentlichen entlang der Höhe h der Zähne 4, 5 und
ist linienförmig.
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In 5 ist
die Verzahnungsgeometrie des erfindungsgemäßen in 4 dargestellten Schneckengetriebes dargestellt. 4a zeigt von oben nach unten
weisend die Zähne 5 der
Schnecke 2 und von unten nach oben weisend die Zähne 4 des Schnecken rades 1.
Auch in dieser Darstellung stehen die Zähne 4, 5 miteinander
in Eingriff. Die Zähne 4, 5 weisen
jeweils eine Höhe
h4 bzw. h5 auf.
Die Höhe
h4 erstreckt sich von einem Fuß 6 des
Zahns 4 bis zu dessen Kopf 7. Die Höhe h5 erstreckt sich von einem Fuß 8 des
Zahns 5 bis zu dessen Kopf 9. Die Breite der Zähne 4, 5 ändert sich über die
Höhe h4 bzw. h5 und ist
abhängig
von der Form der Flanken 11, 12 der Zähne 4, 5.
Mit 3 sind wiederum jeweils die Bereiche gekennzeichnet,
in denen sich die Zähne 4, 5 berühren, wenn
sie miteinander in Eingriff stehen.
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5b ist
eine vergrößerte Detailansicht
von 5a von dem Bereich,
in dem sich ein zahnkopfnaher Bereich eines Schneckenzahns 5 mit
einem zahnfußnahen
Bereich eines Schneckenradzahns 4 berührt. Der Anlagebereich 3 erstreckt
sich über
eine Höhe
hA der Zähne 4, 5.
In dem Bereich der Anlage 3 ist die Zahnflanke 11 des
Schneckenradzahns 4 konkav. Der mit der Zahnflanke 11 in
Eingriff stehende Bereich des Schneckenrades 5 ist konvex
ausgeführt.
Die beiden Bereiche weisen eine mindestens abschnittsweise ähnliche
oder dieselbe Krümmung auf,
so daß sie
in einem linienförmigen
Bereich zur Anlage kommen. Die wirksamen Profile der Zahnflanken 11, 12 von
Schneckenzahn 5 und Schneckenradzahn 4 sind über ihre
gesamte Höhe
h4, h5 aufeinander
abgestimmt, so daß es – wie sich
aus 4a ergibt – über die
gesamte Höhe
h4, h5 zu gerade
beschriebenen linienförmigen
Anlagen 3 kommt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Flanken 11, 12 der
Zähne 4, 5 von
Schneckenrad 1 und Schnecke 2 jeweils in ihrem
zahnfußnahem Bereich
ein konkaves Profil und in ihrem zahnkopfnahem Bereich ein konvexes
Profil auf. Die Profile sind bezüglich
ihrer Krümmungen
so aufeinander abgestimmt, daß jeweils
Bereiche mit den mindestens abschnittsweise ähnlichen oder gleichen Krümmungen beim
Kämmen
miteinander in Berührung
treten.
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Die linienförmige Anlage 3 bringt
den Vorteil mit sich, daß sich
die von einem Rad auf das andere Rad zu übertragende Last auf eine Fläche verteilt, wodurch
die Last pro Flächeneinheit
sinkt. Dadurch können
sowohl der Verschleiß der
Zahnräder 1, 2 als auch
die Gefahr einer Überlastung
erheblich reduziert werden. Es erhöht sich somit die Tragfähigkeit der
Zahnräder 1, 2.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Zähne 5 der
Schnecke 2 dünner
ausgeführt
als die Zähne 4 des
Schneckenrades 1. Das ist darauf zurückzuführen, daß beide Zahnräder aus
herstellungstechnischen Gründen
sowie aus Kostengründen
aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Die Schnecke 2 besteht
aus einem Werkstoff mit einer höheren
Festigkeit, wie beispielsweise Stahl, während das Schneckenrad aus
einem Werkstoff mit einer geringeren Festigkeit, wie beispielsweise Kunststoff,
besteht. Die aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der wirksamen
Profile 11, 12 resultierende geringere Last pro
Flächeneinheit
bringt in diesem Zusammenhang zwei wesentliche Vorteile mit sich.
Zum einen wird der Verschleiß des
aus dem Werkstoff mit geringerer Festigkeit bestehenden Schneckenrades 1 erheblich
reduziert. Zum anderen kann die Dicke der Zähne 4, 5 unter
Berücksichtigung der
Werkstoffpaarung optimiert werden, so daß die Zähne 4, 5 nicht
dicker als nötig
ausgeführt
werden müssen,
wodurch Werkstoff und somit Kosten gespart werden können.
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6 zeigt
einen Schnitt durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Schneckengetriebe
mit zylinderförmigem
Schne ckenrad 1 und zylinderförmiger Schnecke 1 senkrecht
zur Drehachse A des Schneckenrades 1. Die Drehachse B der
Schnecke 2 verläuft
parallel zur Zeichenebene. Die Zähne 4, 5 von
Schnecke 2 und Schneckenrad 1 stehen wieder miteinander
in Eingriff. Mit 13 ist das Eingriffsfeld der miteinander
in Eingriff stehenden Zähne 4, 5 von
Schneckenrad 1 und Schnecke 2 gekennzeichnet.
Aufgrund der Form von Schneckenrad 1 und Schnecke 2 hat
das Eingriffsfeld 13 die größte Erstreckung in Richtung
der Höhe
der Zähne 4, 5 auf
Höhe einer
Mittenachse C von Schneckenrad 1 und Schnecke 2.
Diese Erstreckung nimmt mit zunehmendem Abstand von der Mittenachse
C ab.
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Bei Verwendung einer Globoidschnecke 14 – also einer
Schnecke, die so gestaltet ist, daß das Eingriffsfeld 13 über seine
gesamte Länge
dieselbe Erstreckung in Richtung der Höhe der Zähne 4, 5 hat – kann das
Eingriffsfeld 13 erheblich vergrößert werden (vgl. 7), wodurch die Anlage 3 zusätzlich über die
Breite der Zähne 4, 5 ausgedehnt
wird. Die Vergrößerung der
Anlage 3 bringt die zuvor beschriebenen Vorteile bezüglich der
Tragfähigkeit
von Zahnrädern
mit sich, so daß sich
durch den Einsatz einer Globoidschnecke 14 die Vorteile
der Erfindung verstärken.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 kommt weiterhin ein zylinderförmiges Schneckenrad 1 zum
Einsatz, welches die im Zusammenhang mit der Herstellung und der
Montage von Zahnradgetrieben mit einem zylinderförmigen Schneckenrad beschriebenen
Vorteil mit sich bringt.