DE2005086A1

DE2005086A1 - Zahnrad, welches aus einer Zahnradnabe und einer Vielzahl von Zahnstücken zusammengesetzt ist

Info

Publication number: DE2005086A1
Application number: DE19702005086
Authority: DE
Inventors: John Dewar East Kilbride Glasgow McAllan (Schottland)
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1969-02-05
Filing date: 1970-02-04
Publication date: 1970-09-03
Also published as: GB1303804A; CH508149A

Description

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N. 185

Augsburg, den 3· Februar 1970

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74· Victoria Street, London, S.W. 1, England

Zahnrad, welches aus einer Zahnradnabe und einer Vielzahl von Zahnstücken zusammengesetzt ist.

Die Erfindung betrifft Zahnräder oder dgl., welche aus einer Zahnradnabe und einer Vielzahl von Zahnstücken zusammengesetzt sind.

Üblicherweise werden Zahnräder derart hergestellt, daß in den Umfang von kreisscheibenförmigen Zahnradrohlingen

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Zähne eingeschnitten werden. Die stark beanspruchten Zähne bilden dabei mit dem schwach beanspruchten Kern ein gemeinsames Teil und bestehen aus dem gleichen Material wie der Kern.

Die Fähigkeit eines Zahnrades, Drehkräfte zu übertragen, ist eine Funktion der Trag- und Festigkeitseigenschaften des Materials im Bereich der Zähne. Bei kleinen Zahnrädern sind günstige derartige Eigenschaften leicht durch Wärmebehandlung bzw. Oberflächenhärtung erzielbar. Bei großen Zahnrädern ist es jedoch wegen der großen Masse des Materiales schwierig, die Wärmebehandlung derart ausreichend zu steuern, daß nur im Bereich der Zähne eine hohe Festigkeit und gute Trageigenschaften erzielt werden. Aus diesem Grund bleiben bisher für die Zahnradherstellung nur zfcei Alternativen übrig, d.h. man verwendet entweder hochlegiertes Material für das gesamte Zahnrad, welches damit im allgemeinen zu teuer wird, oder aber man nimmt schlechtere Festigkeitseigenschaften und eine geringere Haltbarkeit der Zähne in Kauf. In letztgenanntem Fall muß das betreffende Zahnrad beträchtlich größer ausgeführt sein als es dann der Fall wäre, wenn die gewünschten Festigkeits- und Trageigenschaften in den Zähnen örtlich

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durch Wärmebehandlung bzw. Oberflächenhärtung erzielt worden wären.

In dem zweitgenannten Fall müssen außerdem die Maschinen, für welche die Zahnräder bestimmt sind, größer ausgeführt werden,so daß die Zahneigenschaften in beträchtlichem Maße die Kosten einer Maschinenanlage beeinflussen.

Es sind zwar bereits Zahnräder bekannt, bei welchen die Zähne vom Kern getrennt und aus in bezug auf den Kernwerkstoff unterschiedlichem Material hergestellt sind. Mittels bekannten Lösungen dieser Art ist es jedoch bislang nicht gelungen, die Zähne derart am Kern zu befestigen, daß an diesem keine starken örtlichen Beanspruchungen auftreten, welchen der Kern nicht standhält. Das Anschweißen eines geschmiedeten Zahnkranzes an einen Flußstahlformkörper stellt ebensowenig eine völlig zufriedenstellende Lösung dar.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein zusammengesetztes Zahnrad so zu verbessern, daß sich eine spannungsfreie, lösbare Verbindung zwischen Nabe und Zähnen und außerdem eine arbeits- und materialsparende Herstellung ergibt.

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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung ein Zahnrad, welches aus einer Zahnradnabe und einer Vielzahl von Zahnstücken zusammengesetzt ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß diese Zahnstücke jeweils einen Zahnkörperteil und einen Zahnwurzelteil aufweisen, daß weiter um die Zahnradnabe herum von einer Vielzahl aneinandergefügter Zahnwurzelteile eine vollständige Kreisringanordnung gebildet ist und daß schließlich das Zahnrad mit Haltemitteln versehen ist, welche zwischen der Nabe und den Zahnstücken derart angeordnet sind, daß sie die vollständige Kreisringanordnung von Zahnwurzelteilen zusammenhalten und die einzelnen Zahnstücke jeweils mit der Nabe verriegeln, wobei die vollständige Kreisringanordnung von Zahnwurzelteilen bewirkt, daß die Einzelzahnkräfte über sämtliche Haltemittel derart auf die Nabe übertragen werden, daß keine starken örtlichen Kräfte auf die Nabe einwirken.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, zusammengesetzten Zahnrades näher beschrieben, welche in den Zeichnungen dargestellt ist, die im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teiles

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eines zusammengesetzten Zahnrades nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie

II-II gemäß der Darstellung in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie

III-III gemäß der Darstellung in
Fig. 1, und

Fig. 4- in perspektivischer Darstellung

einen Teil der Nabe des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemaßen
Zahnrades.

In Fig. 1 ist eine Teilansicht von drei Zahnstücken 1, 2 und 3 dargestellt, welche jeweils auf einer Zahnradnabe 4- befestigt sind.

Die Zahnstücke 1 bzw. 2 weisen jeweils einen Zahnkörperteil 5 bzw. 5¹ sowie jeweils einen Zahnwurzelteil 6 bzw. 6¹ auf.

Das Zahnstück 3 stellt ein Hauptzahnstück dar und

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unterscheidet sich von sämtlichen anderen Zahnstücken, was im folgenden noch näher beschrieben wird. Das Zahnstück 3 weist einen Zahnkörperteil 5'¹, welcher in gleicher Weise gestaltet ist wie die Zahnwurzelteile 5 und 5', und außerdem einen Zahnwurzelteil 6" auf, welch letzterer etwas anders gestaltet ist als die Zahnwurzelteile 6 und

Sämtliche Zahnwurzelteile 6, 6' und 6" sind gemäß der Stirnansicht in Fig. 1 jeweils keilförmig und weisen jeweils ebene Flächen auf, welch letztere jeweils derart ausgerichtet sind, daß sie in Ebenen liegen, in welchen jeweils eine Achse 7 der Zahnradnabe 4- liegt und welche jeweils zwischen einander benachbarten Zahnwurzelteilen 6 jeweils einander benachbarter Zahnstücke hindurchverlaufen, wodurch die aneinandergefügten Zahnstücke gemeinsam eine vollständige Kreisringanordnung bilden. Jeweils im Mittelbereich sind die genannten ebenen Anlageflächen derart ausgespart, daß sich Zwischenräume 8 ergeben bzw. daß ein geringerer Aufwand an Präzisionsbearbeitung erforderlich ist. Die radial-inneren Enden 9 bzw. die radial-äußeren Enden 10 der Anlageflächen sind jeweils miteinander in Berührung.

Zum Erreichen einer vollständigen, aus Zahnwurzelteilen gebildeten Kreisringanordnung können selbstverständlich auch

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andere Wege beschriften werden. Beispielsweise könnten die Zahnwurzelteile auch in bezug auf die Darstellung in Pig. 1 parallel-flankig sein und dabei durch jeweils keilförmige Zwischenstücke jeweils voneinander getrennt sein.

Eine in bezug auf die Darstellung in Fig. 1 auf

den Zahnkörperteil 5¹ des Zahnstückes 2 nach rechts aus- m geübte Belastung bewirkt, daß das Zahnstück 5 wie ein Hebel wirkt. Der radial-äußere Teil des Zahnwurzelteiles 6" des Zahnstückes 3 bildet ein Widerlager und eine Kraft bzw. ein in bezug auf die Zahnbelastung um das Widerlager herum betragsmäßig gleiches, jedoch entgegengesetzt gerichtetes Moment wird gegen das radial-innere Ende des Zahnwurzelteiles 6 des Zahnstückes 1 ausgeübt.

Da die Kreisringanordnung zwar vollständig geschlossen ist, andererseits jedoch aus vielen gesonderten Zähnstücken besteht, welche jeweils einzeln auf im folgenden noch näher beschriebene Weise auf die Zahnradnabe einwirken, wird die Reaktionskraft, welche bei betriebsmäßiger Belastung des Zahnrades auf einen einzelnen Zahnkörperteil einwirkt, nicht nur allein durch den Angriff des betreffenden Zahnstückes an der Zahnradnabe, sondern außerdem an sämtlichen Berührungs-

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stellen der anderen Zahnstücke mit der Zahnradnabe auf dieselbe übertragen, wodurch hohe örtliche Kräfte auf die Nabe vermieden werden.

Dadurch, daß die radiale Höhe der Zahnwurzelteile relativ zur Zahnhöhe groß ist, etwa das Doppelte der Zahnhöhe, stellt dabei ein Minimum dar, wird das Risiko starker örtlicher Beanspruchungen weiterhin vermindert.

Der genannte Hebel ist dabei derart bemessen, daß sich eine Verminderung der Jeweils auf die Enden der Zahnwurzelteile in der Nähe der Zahnradnabe einwirkenden Tangentialkräfte ergibt. Je größer außerdem die radiale Breite der Kreisringanordnung ist, umso besser wird verhindert, daß sich unter dem Einfluß einer auf den Zahn ausgeübten Belastung jeweils ein einzelnes Zahnstück tatsächlich um das Widerlager herum dreht.

Die Wirkung von Zahnbelastungen, welche eine Verschiebung der aus 'aneinandergefügten Zahnwurzelteilen gebildeten vollständigen Kreisringanordnung um die Zahnradnabe 4- herum hervorzurufen sucht, wird dadurch aufgehoben, daß zwischen den Zahnstücken und der Nabe angeordnete, erforderliche Haltemittel eine Nut 22 auf der Nabe 4 aufweisen.

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Diese Hut ist mit Ifutflankenfläclien 22a versehen, welche jeweils in Drehrichtung der Zähne weisen. Diese Nutflankenflächen sind auf Teile 3a der ebenen Anlageflächen
des Zahnstückes 3 derart ausgerichtet, daß dieses Zahnstück und damit die gesamte Kreisringanordnung gegen
eine Drehung relativ zur Nabe 4 verriegelt ist.

Die Zahnwurzelteile sind jeweils mit einer Nut 11
gemäß der Darstellung in J¹Ig. 2 versehen, welch letztere einen Teilschnitt durch das vollständig zusammengesetzte Zahnrad darstellt, wobei die Schnittebene durch die Achse der Nabe 4 und eine Linie II-II von Fig. 1 verläuft. Die Nut 11, beispielsweise der Zahnstücke 1 bzw. 2, umgreift einen ringförmigen Steg 12, welch letzterer vom Umfangsrand der Nabe 4· aufragt. Die Seitenflächen des Ringsteges sind jeweils über den gesamten Umfang mit einer Nut 13 auf der einen Seite bzw. mit einer Nut 14 auf der anderen Seite versehen. Die inneren Radialflanken der Nuten 11, beispielsweise der Zahnstücke 1 bzw. 2, sind jeweils mit einer Nut in der einen Flanke bzw. mit einer Nut 16 in der anderen Flanke versehen.

Diese Nuten 15 bzw. 16 liegen jeweils dann angenähert genau den Nuten 13 bzw. 14 des Ringsteges 12 gegenüber,

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\~_r wenn die Zahnstücke jeweils mit ihrer Nutsohle 17 der \ Nut 11 eine äußere zylindrische Fläche 18 des Ringsteges berühren. Der Teilkreisdurchmesser der aneinandergefügten Zahnstücke wird vom Durchmesser der zylindrischen Oberfläche 18 bestimmt, welcher den Auflagedurchmesser der Zahnstücke darstellt.

^ Halteringe 19 bzw. 20 sind derart in den Nuten 13 bzw. 15 und 14 bzw. 16 angeordnet, daß sie jeweils an der radial-inneren Flanke der in der Nut 11 des Zahnwurzelteiles gebildeten Nuten 15 bzw. 16 und außerdem jeweils an der radial-äußeren Flanke der Nuten 13 bzw. 14 des Ringsteges 12 tragen. Die Halteringe 19 bzw. 20 sind derjenige Teil der Haltemittel zwischen Nabe und Zahnstücken, durch welchen die Zannstücke entgegen der auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte und entgegen der Wirkung der Zahnfe belastungen, welche die Zahnstücke in ihrer Stellung zu neigen versucht, in ihrer betreffenden Lage festgehalten werden.

Die Halteringe 19 und 20 müssen nicht aus einem fortlaufenden Ring bestehen, sondern können jeweils in eine Anzahl kurzer Halteringstücke unterteilt sein. Durch diese Maßnahme wird außerdem ein wahlweises festes Zusammenfügen

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der Zahnstücke mit der Nabe erleichtert, daß die kurzen Halteringstücke jeweils gesondert derart ausgewählt werden können, daß sich für jedes einzelne Zahnstück jeweils eine feste Verbindung mit der Nabe ergibt.

Wenn die Halteringe 19 und 20 jeweils als fortlaufende Ringe ausgebildet sind, so muß jeweils zwischen den Ringenden ein Zwischenraum übrig bleiben, welcher derart groß ist, daß der Zahnwurzelteil 6" des Hauptzahnstuckes noch eingefügt werden kann.

Die Gestalt des Hauptzahnstuckes 3 ist aus der Darstellung in Fig. 3 ersichtlich, welche einen Schnitt in einer Ebene zeigt, in welcher gemeinsam die Achse 7 der Nabe 4 und die Linie III-III von Fig. 1 liegen.

Eine der Nut 11 jeweils in den Zahnstücken 1 bzw. 2 entsprechende, in dem Hauptzahnstück 3 gebildete Nut 21 weist mit Beeug auf die Nut 11 eine geringere Nuttiefe auf und in der äußeren Umfangsfläche 18 des Ringsteges ist gemäß der Darstellung in Fig. 4- derart eine Nut 22 gebildet, daß diese eine Nutsohle 21a der flachen Nut 21 aufnimmt. Durch diese Anordnung sind die aneinandergefügten Zahnstücke gegen Drehung relativ zur Zahnradnabe 4- verriegelt

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Die radial-inneren Enden des Zahnwurzelteiles 6" des Hauptzahnstückes 3 sind durchbohrt und nehmen Stifte 23 bzw. 24- auf, welche außerdem in eine Bohrung des Ringsteges 12 hineinragen und den Zentrifugalkräften entgegenwirken, welche das Zahnstück 3 radial nach auswärts zu ziehen versuchen.

Falls die Halteringe 19 bzw. 20 Jeweils als ein Stück ausgeführt sind, wird das Zahnrad nach der Erfindung derart zusammengefügt, daß die Zahnstücke, beispielsweise 1 bzw. 2, jeweils nacheinander im Bereich der Nut 22 auf den Steg 12 aufgesetzt und jeweils auf diesem Ringsteg 12 in Umfangsrichtung verschoben werden. Das zuerst eingefügte Zahnstück wird in Umfangsrichtung an eine Stelle geschoben, welche der Nut 22 diametral gegenüberliegt. Das anschließend eingefügte Zahnstück wird günstigerweise in entgegengesetzter Richtung in Umfangsrichtung so weit verschoben, bis es an dem zuerst eingefügten Zahnstück anliegt.

Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis sich die vollständige Kreisringanordnung von aneinandergefügten Zahnstücken ergibt bzw. bis nur ein Zwischenraum im Bereich der Nut 22 übrig bleibt, welcher sodann durch Einfügen eines Hauptzahnstückes 3 ausgefüllt wird, welch letzteres durch

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Eintreiben von Stiften 23 und 24 gesichert wird.

JaIQs jedoch die Halteringe 19 bzw. 20 in kurze Ringstücke unterteilt sind, ist es nicht erforderlich, die Zahnstücke jeweils im Bereich der Nut 22 einzuführen, da sie über dem Ringsteg 12 jeweils in der Nähe des Endes eines Halteringstückes befestigt werden und dafür jeweils nur um einen kurzen Weg so weit verschoben werden müssen, bis sie mit einem vorhergehend befestigten Zahnstück Berührung haben.

Damit der gesamte Vorteil eines in der genannten Weise mit wahlweiser Passung zwischen einzelnen Zahnstücken und der Nabe zusammengefügten Zahnrades nach der Erfindung ausgenützt werden kann, müssen die Trennstellen zwischen jeweils einander benachbarten Halteringstücken jeweils zwischen einander benachbarten Zahnwurzelteilen liegen. Ein einzelnes Halteringstück kann jedoch auch mehrere Zähne gleichzeitig halten.

Es ist außerdem möglich, daß Mehrfachzahnstücke vorgesehen werden, welche jeweils zwei bzw. mehr als zwei Zahnstücken, wie beispielsweise 1 und 2, gleichen und in einem Stück hergestellt sind bzw. daß Zahnstücke mit einem

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einzigen Zahnwurzelteil entsprechend den in den Fig. dargestellten Zahnwurzelteilen vorgesehen werden, bei welchen ein Zahnkörperteil jeweils mehrere Zähne aufweist. Gleiches gilt für das Hauptzahnstück 3·

Es ist außerdem möglich, zwei bzw. mehr als zwei Hauptzahnstücke 3 längs des Umfanges des Zahnrades zu verteilen.

Wenn man nicht den Vorteil eines Zusammenbaues mit jeweils bestimmter Passung zwischen den einzelnen Zahnstücken und der Nabe anstrebt, sondern sich auf eine genaue Herstellung verläßt, so können die Halteringe 19 bzw. 20 jeweils mit den Flanken des Ringsteges 12 ein gemeinsames Teil bilden und auf diesen Flanken bearbeitet werden.

Bei der in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ringsteg 12 der Zahnradnabe 4 in eine Nut 11 bzw. 21 eingepaßt, welche jeweils in den Zahnstücken gebildet sind. Bei einer v/eiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Ringsteg an den Zahnstücken selbst gebildet und in eine, in der Zahnradnabe ausgebildete Nut eingepaßt. In diesem Falle muß zur

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Erleichterung des Einfügens von Haltemitteln,welche den Nuten 13 bzw. 14· und 15 bzw. 16 und den Hal-teringen 19 bzw. 20 entsprechen, die Nabe bzw. müssen mindestens die radial-äußeren Teile der Nabe in einer zur Achse 7 der Nabe senkrecht verlaufenden Ebene unterteilt sein und müssen jeweils mit den Zahnstücken zwischen ihnen durch Stifte oder dgl. verbunden sein.

Es hat sich herausgestellt, daß die Betriebszuverlässigkeit des zusammengesetzten Zahnrades nach der Erfindung weitgehend von zwei Faktoren abhängt. Zum einen erleichtert die Anordnung von Zahnstücken in Form eines aus keilförmigen Zahnwurzelteilen bestehenden Kreisringes eine Drehung der Kreisringanordnung relativ zur Nabe dadurch, daß auf die letztere eine Scherkraft ausgeübt wird. Zum anderen wird durch eine ausreichende radiale Breite der Zahnwurzelteile gewährleistet, daß die Reaktionskräfte, welche durch auf die Zahnwurzelteile ausgeübte Belastungen hervorgerufen werden, im wesentlichen von jeweils einander benachbarten Zahnstücken aufgenommen werden, so daß die Zahnradnabe aus minderwertigem bzw. weichem Material hergestellt sein kann, welches nur radiale Kraftkomponenten auszuhalten hat.

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Im vorhergehenden ist die Erfindung zwar mit Bezug auf ein Getriebezahnrad beschrieben worden, jedoch ist es selbstverständlich, daß das zusammengesetzte Zahnrad nach der Erfindung auch auf analoge Eotationsanordnungen, wie beispielsweise Ketten- bzw. Klinkenräder, anwendbar ist.

Die Erfindung ist außerdem in bezug auf denjenigen Fall beschrieben worden, bei welchem hauptsächlich eine hohe Leistung erforderlich ist. Das zusammengesetzte Zahnrad nach der Erfindung ist nichtsdestoweniger auch in solchen Fallen anwendbar, bei welchen geräuscharmer Lauf, Fortfall der Schmierung bzw. dgl. das Haupterfordernis darstellen. In derartigen Fällen werden die Zahnstücke aus Materialien hergestellt, welche diesen Anforderungen entsprechen und nicht allein nur die Anforderungen an die Materialbeanspruchung erfüllen.

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Claims

Patentansprüche

1.)Zahnrad, welches aus einer Zahnradnabe und einer Vielzahl von Zahnstücken zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zahnstücke (1, 2, 3) jeweils einen Zahnkörperteil (5, 5', 5") und einen Zahnwurzelteil (6, 6¹, 6") aufweisen, daß weiter um die Zahnradnabe (4) herum von einer Vielzahl aneinandergefügter Zahnwurzelteile eine vollständige Kreisringanordnung gebildet ist, und daß schließlich das Zahnrad mit Haltemitteln (13, 14, 15, 16, 19, 20, 3a, 22a) versehen ist, welche zwischen der Nabe und den Zahnstücken derart angeordnet sind, daß sie die vollständige Kreisringanordnung von Zahnwurzelteilen zusammenhalten und die einzelnen Zahnstücke jeweils mit der Nabe verriegeln, wobei die vollständige Kreisringanordnung von Zahnwurzelteilen bewirkt, daß die Einzelzahnkräfte über sämtliche Haltemittel derart auf die Nabe übertragen werden, daß keine starken örtlichen Kräfte auf die Nabe einwirken.

2. Zahnrad, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnwurzelteile (6, 6¹, 6") jeweils derart keilförmig sind, daß jeder der aneinandergefügten Zahnwurzelteile jeweils einen Sektor der Kreisringanordnung bildet.

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3· Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Länge der Zahnwurzelteile (6, 6', 6") Jeweils nicht geringer ist als etwa die doppelte Zahnhöhe .

4. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel (13, 14, 15, 16, 19, 20, 3a, 22a) einerseits jeweils in den Zahnwurzelteilen (6, 6¹, 6^W) gebildete stirnseitige Umfangsnuten (15 bzw. 16) mit jeweils einer radial auswärts weisenden Nutflanke sowie andererseits in der Nabe gebildete, jeweils diesen Nuten entsprechende und auf diese jeweils ausgerichtete Nuten (13 bzw. 14) mit jeweils einer in entgegengesetzter Richtung weisenden Nutflanke und schließlich Halteringe (19 bzw. 20) aufweisen, die jeweils ohne Spiel in diese aufeinander ausgerichteten Nuten eingepaßt sind und eine indirekte Berührung zwischen den in jeweils entgegengesetzten Richtungen weisenden Nutflanken derart bewirken, daß eine radiale Ablösung zwischen der Nabe einerseits und den aneinandergefügten Zahnstücken andererseits unmöglich gemacht ist.

5. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel (13, 14, 15, 16, 19, 20, 3a, 22a) außerdem eine an mindestens einem der Zahnwurzelteile gebildete

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Anlageflache (3a) aufweisen, die in Drehrichtung der Zähne weist und an einer auf der Nabe gebildeten Gegenfläche (22a) anliegt, welch letztere in zur Drehrichtung entgegengesetzter Richtung weist, so daß eine Relativdrehung zwischen der Nabe und den aneinandergefügten Zahnstücken verhindert ist.

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