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Die Erfindung betrifft eine Tretkurbelschnittstelle für ein Fahrrad.
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Stand der Technik
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Zur Befestigung der Tretkurbeln an der Tretlagerwelle sind für Fahrräder verschiedene Varianten verfügbar. Neben dem Vierkantkonus werden dabei zunehmend gerade bei hochwertigen oder sportlichen Rädern Vielzahn-Verbindungen eingesetzt. Bei diesen Vielzahn-Verbindungen sind besonders die Ausgestaltungen mit acht Zähnen (Octalink) und zehn Zähnen (International Spline Interface Standard, kurz ISIS) verbreitet.
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Eine Tretkurbelwelle 100 gemäß dem ISIS ist in 1a dargestellt. In der Seitenansicht der 1b sind die 10 Zähne entsprechend abgebildet. Zur Herstellung dieser Zähne 110 wird mittels eines Schaftfräsers 120 der Rohling der Tretkurbelwelle bearbeitet. Nach dem Fräsen der Nut 115 wird die Kurbelwelle um 36° gedreht, so dass die zweite Nut gefräst werden kann. Für jede Seite der Tretkurbelwelle 100 sind daher nach dem Einspannen des Tretkurbelrohlings 10 Fräsvorgänge sowie 9 Drehvorgänge vorgesehen. Dabei kann es durch die mehrmaligen Einzeldrehungen zu Teilungsfehler kommen, die unterschiedliche Spannungseinträge in die Zähne erzeugt. Diese unterschiedlichen Spannungseinträge belasten die Zähne bei dem anliegenden Drehmoment der Tretkurbel unter Umständen in der Art und Weise, dass ein Bruch von einzelnen Zähnen erfolgt. Statt einer individuellen Prozessierung beider Seiten der Tretkurbelwelle ist auch eine gleichzeitige Bearbeitung beider Seiten des Rohlings möglich. Hierbei ist jedoch ein zweiter Schaftfräser notwendig. Alternativ kann eine derartige Tretkurbelwelle auch geschmiedet werden.
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In der
1c ist eine erste Variante einer möglichen Schnittstelle zur Aufnahme der Tretkurbel an der ISIS-Tretkurbelwelle
100 dargestellt. Die Tretkurbelwelle
100 weist an dem Schnittstellenende eine Montageöffnung
130 und ein zumindest im Bereich der Öffnung angeordnetes Innengewinde
170 auf. Dieses Innengewinde
170 ermöglicht die Verwendung einer Positionierungsschraube
175 (dargestellt in der
1e) zur Verschraubung der Tretkurbel
400 an der Tretkurbelwelle
100. Eine entsprechende Beschreibung einer derartigen Befestigung ist in der nicht vorveröffentlichten Schrift
DE 10 2015 213905 A1 beschrieben. Weiterhin weist die Schnittstelle der Tretkurbelwelle
100 einen Bereich
160 auf, in dem im Wesentlichen die Aufnahme der Tretkurbel
500 in die Zähne
110 der Kurbelwelle
100 eingreift. Dieser Bereich
160, der bei einer typischen ISIS-Drive-Tretkurbelwelle einen Wert von 12,7 mm annehmen kann, ist mit einem Anstieg von 1° (gegenüber der zentralen Mittelachse
190 der Tretkurbelwelle
100) leicht konisch ansteigend ausgestaltet. Fertigungsbedingt steigt dieser Bereich
160 anschließend über eine Flanke im Bereich
150 an, dem sogenannten Sweepout. Ein typischer Werte für diesen Sweepout beträgt 3 mm. An diesen Flankenanstieg schließt sich unmittelbar eine Schulter
140 an, die als Anschlag für die Tretkurbel
500 dienen kann. Der Durchmesser
10 einer typischen ISIS-Drive
100 beträgt etwa 21,5 mm, wobei der Durchmesser
20 im Bereich der Schulter
140 mit ca. 24 mm leicht höher liegt.
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Wie in einer zweiten alternativen Varianten gemäß der
1d dargestellt wird, kann diese Schulter
140 auch gegenüber dem Flankenanstieg versetzt angeordnet sein, um z.B. einen Anschlagsring
180 aufzunehmen, der üblicherweise aus einem nicht flexiblen Material geformt ist. In diesem Fall kann der Bereich
155, der dem Sweepout entspricht, auch nur einen Teil der Flanke betreffen. In der
1e, die sich an die entsprechende Figur und Beschreibung der Schrift
DE 10 2015 213905 A1 anlehnt, wird in einem Querschnitt die Montage des Gesamtsystems mit der Tretkurbel
500 auf der Schnittstelle der Tretkurbelwelle
100 mit der Positionierungsschraube
175 als Befestigungselement gezeigt.
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Da die Herstellung einer derartigen Tretkurbelwelle durch die zu berücksichtigten Taktzeiten aufwändig und durch die Teilungsfehler fehleranfällig ist, wird mit der vorliegenden Wellenverzahnung eine Schnittstelle vorgeschlagen, die hinsichtlich dieser Punkte optimiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Tretkurbelwelle beansprucht, deren Schnittstellen zur Aufnahme der Tretkurbeln auf eine bisher nicht gezeigte Art und Weise hergestellt worden sind und somit Merkmale aufweisen, die bei einer Tretkurbel bisher nicht bekannt sind. Darüber hinaus ermöglicht die veränderte Herstellung eine kompaktere Bauweise, ohne die notwendige mechanische Befestigung der Tretkurbel an der Tretkurbelwelle zu schwächen.
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Die erfindungsgemäße Tretkurbelwelle ist für ein Fahrrad vorgesehen, wobei auch eine Modifikation der Tretkurbelwelle für ein Elektrofahrrad denkbar ist. An wenigstens einer Seite der Tretkurbelwelle ist eine Aufnahme in Form einer Schnittstelle vorgesehen, die zur Befestigung einer Tretkurbel ausgestaltet ist. Die Schnittestelle sowie die Tretkurbelwelle sind als zylindrische Körper entlang einer Rotationsachse gestaltet. Im Bereich der Schnittstelle wird so der Tretkurbelwellenmantel mit einer Außenumfangsfläche gebildet. Auf diesem Tretkurbelwellenmantel sind rotationssymmetrisch nach außen ausgerichtete Zähne mit dazwischen liegenden Nuten angeordnet. Diese Zähne und dazwischen liegende Nuten sind dafür geeignet, eine Tretkurbel zur Befestigung aufzunehmen und bei einer Drehbewegung der Tretkurbel das Drehmoment auf die Tretkurbelwelle zu übertragen. Zur Übertragung des Drehmoments können vorzugsweise 8, 10 oder 12 Zähne vorgesehen sein, so dass die Kraft, die mit dem erzeugten Drehmoment verbunden ist, über eine größere Anzahl an Zähnen bzw. eine größere Fläche übertragen wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Außenumfangsfläche des Tretkurbelmantels wenigstens zwei Bereiche aufweist. Der erste Bereich wird dadurch bestimmt, dass in diesem ersten Bereich die Tretkurbel auf die Tretkurbelwelle aufgebracht und befestigt wird. Um diese Befestigung zu ermöglichen, ist der Boden der Nut in diesem eine Länge von ca. 12,7 mm aufweisenden Bereich leicht konisch ausgestaltet, mit einem Winkel von 0,69° bis 1,49°. Hierbei wird bevorzugt ein Wert von 1° vorgesehen. Der zweite Bereich, der sich direkt anschließt, weist eine vom Boden der Nut ausgehende ansteigende Flanke auf, die einen Kreisbogen darstellt.
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Durch die gegenüber dem Stand der Technik sanfter ansteigende Flanke am Ende der Nut kann bei einer geeigneten Ausgestaltung der Tretkurbelaufnahme eine Verlängerung der effektiven Verzahnungslänge erreicht werden.
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Je nach Ausgestaltung der Flanke im zweiten Bereich erstreckt sich diese über 4 bis 6 mm.
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Als Stoppelement für die aufgebrachte Tretkurbel kann in einer Weiterbildung der Erfindung ein erster Anschlag vorgesehen sein. In einer ersten Varianten dieser Weiterbildung ist dieser erste Anschlag direkt anschließend an die Flanke ausgebildet, indem sie sich senkrecht radial nach außen gegenüber der Rotationsachse erstreckt. In einer zweiten Varianten ist der erste Anschlag gegenüber der ansteigenden Flanke versetzt angeordnet, wobei zwischen der Flanke und dem ersten Anschlag ein in Richtung der Rotationsebene liegendes ebenes Teil des Tretkurbelwellenmantels liegt.
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Bei beiden Varianten ist zwar vorgesehen, dass der erste Anschlag umlaufend um die Tretkurbelwelle angeordnet ist, jedoch kann sie auch nur teilweise oder unterbrochen vorgesehen sein. Optional kann weiterhin der erste Anschlag radial nach außen auf der Höhe der Zähne beginnen, d.h. der Radius des Anschlags ist größer als der Radius der Zähne.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Tretkurbelwelle zwischen den beiden Schnittstellen an dessen Enden dem Durchmesser dieses ersten Anschlags entspricht. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Tretkurbelwelle dem Durchmesser der Zähne entspricht und nur der Anschlag mit einem wenigstens teilweise umlaufenden Kragen realisiert ist.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass sich an die ansteigende Flanke ein Freistich, z.B. in Form einer (Quer-)Nut, anschließt. Dieser Freistich kann rotationssymmetrisch wenigstens teilweise umlaufend realisiert sein. Die Ausgestaltung dieses Freistichs kann in Form eines abfallenden Bodens mit einem zweiten Anschlag realisiert sein, an dem ein Sicherungsring anliegen kann. Dieser zweite Anschlag kann dabei ebenfalls wie der erste Anschlag senkrecht zur Rotationsachse ausgebildet sein.
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Das Ende des zweiten Anschlags kann in einer Ausgestaltung mit den radialen Außenabmessungen der Zähne zusammen fallen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der höchste Punkt des zweiten Anschlags, d.h. dessen Radius ausgehend von der Rotationsachse, dem Radius der Tretkurbelwelle zwischen dessen beiden Enden, insbesondere zwischen dessen Schnittstellen entspricht.
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Zur Bildung eines Stopps für die Tretkurbel kann ein Sicherungsring vorgesehen sein, der in dem Freistich ganz oder teilweise angeordnet ist. Dieser Sicherungsring kann eine Breite von 1,5 bis 2,0 mm, bevorzugt 1,7 mm aufweisen. Darüber hinaus kann der Sicherungsring einen Innendurchmesser von ca. 16,5 mm und einen Außendurchmesser von 20,1 mm aufweisen. Vorteilhafterweise ist der Sicherungsring aus einem elastischen Material hergestellt, so dass er sich in einem begrenzten Umfang an die Kontur der angedrückten Tretkurbelbefestigung anformen kann.
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Die Verwendung eines Sicherungsrings als Axialanschlag reduziert die Material- und Fertigungskosten, da ein Axialanschlag nicht mehr in Form einer Planfläche an der Tretkurbelwelle vorgehalten werden muss. Somit kann der Außendurchmesser der Tretkurbelwelle auf den Außendurchmesser der Verzahnung, z.B. 18 mm, reduziert werden.
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Besonders vorteilhaft ist bei der beanspruchten Tretkurbelwellen mit der beschriebenen Schnittstelle, dass die Aufnahme für die Tretkurbel, d.h. die Nuten, mittels eines Wälzfräsverfahrens hergestellt werden können. Hierbei kann durch das Wälzfräsverfahren eine höhere Taktzeit erreicht werden, da kein einzelnes Drehen der Tretlagerwelle mit anschließendem Schaftfräsen eingesetzt werden muss. Dadurch kann eine Erzeugung der Nuten in einem durchgehenden Prozess erreicht werden. Darüber hinaus können beide Wellenenden in einer Aufspannung erzeugt werden. Hierdurch wird die Fertigungszeit deutlich verkürzt. Darüber hinaus wird der Winkelversatz zwischen den beiden Verzahnungen reduziert, so dass die Tretkurbeln genauer zueinander ausgerichtet werden können.
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Weiterhin verringert das Abwälzfräsen den Teilungsfehler, da der Abstand bzw. der Winkel der Nuten zueinander durch die genaue Geometrie des Abwälzfräsers erzeugt wird. Weiterhin ermöglicht die durch das Abwälzverfahren erzeugte genauere Geometrie mit seinen kleineren Teilungsfehlern eine gleichmäßigere Lastverteilung bzw. ein gleichmäßigeres Tragen aller Zahnpaare, so dass eine homogenere Spannungsverteilung an den Zahnflanken erzeugt werden kann. Dies resultiert in einer Erhöhung der Tragfähigkeit der Verbindung zwischen Tretkurbel und Tretkurbelwelle.
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Mögliche Verzahnungsarten sind sämtliche Keil- und Zahnwellenprofile mit Flankenzentrierung, die durch Abwälzverfahren herstellbar sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1a bis 1e zeigen Ansichten einer bekannten Tretkurbelwelle (ISIS-Drive). In der 2 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel als perspektivische Zeichnungen dargestellt. Die 3a und 3b zeigen Querschnitte des ersten sowie eines zweiten Ausführungsbeispiels. Anhand der 4 ist ein Sicherungsring für das zweite Ausführungsbeispiel abgebildet. In der 5 ist die Montage einer Tretkurbel auf dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung als perspektivische Ansicht dargestellt. Hierbei sind an jedem der beiden Enden der Tretkurbelwelle 200 Zähne und Nuten angeordnet, die die Schnittstelle zur Aufnahme der Tretkurbel darstellen. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch eine Tretkurbelwelle vorgesehen sein kann, die nur an einem Ende eine derartige Schnittstelle zur Aufnahme der Tretkurbel aufweist. Darüber hinaus ist ein weiterer optionaler Zahnkranz erkennbar, der für die Nutzung in einem Elektrofahrrad vorgesehen sein kann. Dieser weitere Zahnkranz dient zur Drehmomentübertragung bei Elektrofahrrädern.
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In der 3a ist ein Querschnitt einer Schnittstellenseite der Tretkurbelwelle 200 mit Nuten 315 und Zähnen 310 dargestellt. Ausgehend von der Tretkurbelwelle 200 ist über eine Schulter mit einem Anschlag 340 ein Tretkurbelwellenmantel 320 abgebildet, der zum Aufsetzen der Tretkurbel vorgesehen ist. Hierzu ist ein erster Bereich 360 vorgesehen, in dem die Nut 315 gegenüber dem Zahn 310 bzw. der Rotationsachse 390 der Tretkurbelwelle 200 vom Ende her leicht konisch ansteigend ausgestaltet ist. Dieser erste Bereich 360 wird auch als nutzbarer Verzahnungsbereich bezeichnet, da in diesem Bereich die Übertragung der Kraft bzw. des Drehmoments von der Tretkurbel auf die Tretkurbelwelle erfolgt. An diesen leicht konisch ansteigenden ersten Bereich 360 schließt sich ein zweiter Bereich 350 an, der mittels eines Kreisbogens (z.B. mit einem Radius von 12 mm) eine ansteigende Flanke innerhalb des Endes der Nut 315 darstellt. Die Flanke steigt dabei bis auf die Höhe des Zahns 310 an, um die Nut 315 abzuschließen. Der Anschlag 340 ist von dem Ende der Nut beabstandet angeordnet. Dabei kann der Anschlag 340 vollständig umlaufend oder teilweise unterbrochen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 390 vorgesehen sein. Weiterhin kann der Abstand optional derart gewählt werden, dass der Kreisbogen des zweiten Bereichs verlängert bis zur Spitze des Anschlags 340 verlaufen würde.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass sich der Anschlag unmittelbar am Ende der Nut radial nach außen erhebt.
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Zur Arretierung der Tretkurbel 500 ist in der Tretkurbelwelle 200 eine erste Bohrung 330 eingebracht, die wenigstens bis unter den ersten Bereich 360 reicht. Optional kann auch vorgesehen sein, diese Bohrung bis in den zweiten Bereich 350 zu verlängern, z.B. bis zum Anschlag 340. Weiterhin weist die Innenwandung der Bohrung ein Innengewinde 370 auf, welches zur Verschraubung mit der Positionsschraube 520 vorgesehen ist (siehe beispielhaft die 5).
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Ein erfindungsgemäßer Wert für die Konizität des Bereichs 360 ist ein Winkel 220 von 1°, wobei der minimale Winkel bei 0,7° und der maximale Winkel bei 1,2° liegt. Der erste Bereich 360 hat typischerweise einen Wert von ca. 12,7 mm, während die Länge 230 der gesamten Nut 315, bestehend aus dem ersten und zweiten Bereich, eine Länge von ca. 18,7 mm aufweist. Der Sweepout im zweiten Bereich beträgt daher etwa 6 mm. Der Anschlag weist eine Höhe 250 von 1,4 mm auf uns ist 1,9 mm vom Ende der Nut 315 entfernt angeordnet. Die Tretkurbelwelle weist im Bereich des Anschlags einen Radius 210 von 10,9 mm und im Bereich der Zähne 310 einen Radius 260 von etwa 9 mm auf. Der Durchmesser der Tretkurbelwelle im Bereich der Nuten beträgt ca. 14 mm. Optional kann der Anschlag 340 auch durch einen in axialer Richtung begrenzten Aufsatz auf die Tretkurbelwelle 200 realisiert sein.
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In der 3b ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tretkurbelwelle 300 dargestellt. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel weist der erste Bereich 360 eine leicht konisch ansteigende Nut auf. Im zweiten Bereich 350 ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch ein Einstich bzw. Freistich 380 mit einem zweiten Anschlag 385 vorgesehen. Dieser Freistich 380 ist am Ende der ansteigenden Flanke und somit am Ende der Nut 315 angeordnet. Der Freistich 380 weist einen z.B. mit 10° Neigung leicht abfallenden Boden auf, so dass ein zusätzlich eingebrachter Sicherungsring 400 an den zweiten Anschlag 385 rutscht. Die Bohrung 330 weist ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel ein Gewinde auf. Bei der Bohrung 330 ist jedoch darauf zu achten, dass sie maximal bis zum Freistich 380 verläuft, da ansonsten aufgrund der Abdünnung des Tretkurbelwellenmantels in diesem Bereich bei einer Belastung ein Materialbruch möglich ist.
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Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Nut 315, bestehend aus dem ersten und zweiten Bereich eine Länge 270 von mindestens 18 mm auf, bevorzugt 18,4 mm. Somit kann dieses Ausführungsbeispiel kürzer realisiert werden. Die Breite des Freistichs 380 ist derart zu wählen, dass der Sicherungsring mit einer Breite von 1,7 mm locker eingesetzt werden kann, z.B. 1,8 mm. Der Sweepout liegt in diesem Fall bei ca. 3,9 mm, so dass sich eine Länge vom Anfang der Nut bis zum Sicherungsring von 16,6 mm ergibt. Da der Sicherungsring 400 als Anschlag für die Tretkurbel 400 dient (siehe 5), besteht bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, den Radius 215 der Tretkurbelwelle 300 auf 9 mm zu verringern. Durch die geringeren Abmessungen in radialer und axialer Richtung kann Masse eingespart werden und der Q-Faktor reduziert werden. Darüber hinaus ist dadurch eine Verkleinerung der Achsabstände im Getriebe möglich.
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Optional kann bei beiden Ausführungsbeispielen neben der Bohrung 330 eine weitere Bohrung durch einen Teil oder die Gesamte Länge der Tretkurbelwelle 200 bzw. 300 vorgesehen sein. Diese weitere Bohrung sollte jedoch mit einem geringeren Durchmesser ebenfalls zentral durch die Achse erfolgen, um beispielsweise beim Freistich 380 eine ausreichende Wandstärke übrig stehen zu lassen. Mit dieser weiteren Bohrung lässt sich ebenfalls das Gewicht der Tretkurbelwelle reduzieren.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die Bohrung 330 (mit einem Kerndurchmesser von z.B. 9 mm) durch die gesamte Tretkurbelwelle hindurchgeführt wird.
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In der 4 ist beispielhaft ein möglicher Sicherungsrung 400 für die Verwendung im zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Er weist dabei eine Höhe 420 von 20,1 mm mit einem Innendurchmesser 410 von 16,5 mm auf. Die Dicke 440 des Sicherungsrings 400 beträgt 2,4 mm während der Kopf 450 eine Dicke 430 von 3,82 aufweist.
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In der
5 ist beispielhaft die Befestigung der Tretkurbel
500 an einer Tretkurbelwelle
300 in einem Kurbellager
510 mit einer Positionsschraube
520 dargestellt (siehe auch die entsprechende Beschreibung zur Ausgestaltung dieser Positionsschraube in der Schrift
DE 10 2015 213905 A1 ). Deutlich zu sehen ist der Sicherungsring
400, an dem die Tretkurbel
500 als Anschlag anliegt.
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Die Erzeugung der Nut 315 in der Tretkurbelwelle 200 bzw. der Schnittstelle der Tretkurbelwelle erfolgt über ein Wälzfräsverfahren gegenüber einem Schaftfräsverfahren bei den bisher üblichen Tretkurbelwellenschnittstellen. Durch dieses Verfahren wird ein Fräskopf in einem Bogen in das Ende der Tretkurbelwelle geführt, so dass die ansteigende Flanke im zweiten Bereich einen Kreisbogen beschreibt. Anschließend kann in einem weiteren Bearbeitungsschritt der Einstich bzw. Freistich für das zweite Ausführungsbeispiel gedreht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015213905 A1 [0004, 0005, 0034]
