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Die Erfindung betrifft ein Stirnrad, insbesondere für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung eines Stirnrads.
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Es ist bereits ein Stirnrad für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, welches ein Hauptrad sowie ein Ausgleichsrad, das koaxial zum Hauptrad angeordnet ist und eine gleiche Zähnezahl aufweist, und zumindest ein Spannelement, das dazu vorgesehen ist, das Hauptrad und das Ausgleichsrad in Umlaufrichtung gegeneinander zu verspannen, und eine axiale Sicherung, die dazu vorgesehen ist, das Hauptrad und das Ausgleichsrad in axialer Richtung fest miteinander zu verbinden, aufweist.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Stirnrad als ein Montagemodul mit einer besonders zuverlässigen axialen Sicherung bereitzustellen. Sie wird durch ein Stirnrad entsprechend dem Anspruch 1 und ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 11 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einem Stirnrad, insbesondere für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, welches ein Hauptrad sowie ein Ausgleichsrad, das koaxial zum Hauptrad angeordnet ist und eine gleiche Zähnezahl aufweist, und zumindest ein Spannelement, das dazu vorgesehen ist, das Hauptrad und das Ausgleichsrad in Umlaufrichtung gegeneinander zu verspannen, und eine axiale Sicherung, die dazu vorgesehen ist, das Hauptrad und das Ausgleichsrad in axialer Richtung fest miteinander zu verbinden, aufweist.
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Es wird vorgeschlagen, dass die axiale Sicherung zumindest eine Formschlusseinheit aufweist, die einstückig mit dem Hauptrad und dem Ausgleichsrad ausgebildet ist.
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Dadurch kann das Stirnrad als ein Montagemodul bereitgestellt und gesichert werden ohne eine Verwendung zusätzlicher getrennt ausgebildeter Sicherungselemente. Eine Entsorgung oder Handhabung solcher zusätzlicher Sicherungselemente entfällt. Ebenso entfallen zusätzliche Qualitätssicherungsmaßnahmen für die Sicherungselemente und für Formgebungen, die für eine Lagerung der Sicherungselemente in die Elemente des Stirnrads eingebracht sind. Unter einem „Hauptrad eines Stirnrads” soll insbesondere ein Zahnrad verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, mit einem anderen Stirnrad zu kämmen und ein Drehmoment zu übertragen. Unter einem „Ausgleichsrad” soll insbesondere ein mit dem Hauptrad gekoppeltes Zahnrad verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, gleichzeitig mit dem Hauptrad in eine Verzahnung des anderen Stirnrads einzugreifen und dabei ein Abheben einer Verzahnung des Hauptrads von der Verzahnung des Stirnrads zu vermeiden, indem es mit dem Hauptrad durch das Spannelement verspannt ist. Durch die Verspannung mittels des Federelements ist das Ausgleichsrad insbesondere dazu vorgesehen, ein Abheben der Verzahnung des Hauptrads von der Verzahnung des Stirnrads auch dann zu vermeiden, wenn das Stirnrad unbelastet ist. Unter „koaxial” soll insbesondere verstanden werden, dass das Ausgleichsrad und das Hauptrad eine gemeinsame Drehachse aufweisen. Darunter, dass das Federelement das Hauptrad und das Ausgleichsrad „gegeneinander verspannt, soll insbesondere verstanden werden, dass das Hauptrad und das Ausgleichsrad zumindest um einen begrenzten Winkel gegeneinander verdrehbar sind und das Federelement eine Spannkraft bereitstellt, welche die Verzahnung des Hauptrads und die Verzahnung des Ausgleichsrads gegeneinander verspannt, wodurch die Verzahnung des Ausgleichsrads und die Verzahnung des Hauptrads an gegenüberliegenden Flanken der Verzahnung des kämmenden Stirnrads anliegen. Unter einer „axialen Sicherung” soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine axiale Bewegung von zueinander in einer vorgegebenen Art und Weise angeordneten Elementen zu begrenzen. Vorzugsweise werden das Spannelement und das Ausgleichsrad in einer Anordnung relativ zum Hauptrad gehalten, welche in einem Vormontageschritt hergestellt wird. Grundsätzlich kann die axiale Sicherung aber auch erst bei einer Endmontage bereitgestellt werden. Unter „axial” soll insbesondere eine Richtung entlang einer Drehachse des Stirnrads verstanden werden. Unter „einstückig” soll insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder Klebeprozess, und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Spritz- oder Sinterverfahren. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt, ausgestattet und/oder angeordnet verstanden werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Formschlusseinheit zumindest eine Nut und zumindest ein Nuteingriffselement umfasst, die dazu vorgesehen sind, miteinander einen Formschluss zu bilden. Dadurch kann das Ausgleichsrad besonders sicher mit dem Hauptrad verbunden werden. Unter ”formschlüssig” soll insbesondere verstanden werden, dass die Nut und das Nuteingriffselement jeweils eine Fläche aufweisen, die miteinander in Kontakt sind und eine in Normalenrichtung der Flächen wirkende Haltekraft aufeinander ausüben. Insbesondere befinden sich die Nut und das Nuteingriffselement in einem geometrischen Eingriff miteinander. Vorteilhafterweise umfasst die Formschlusseinheit mehrere Nuten und/oder Nuteingriffselemente.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Hauptrad die Nut der Formschlusseinheit und das Ausgleichsrad das Nuteingriffselement der Formschlusseinheit aufweist. Dadurch kann die Nut besonders kostengünstig an einem Außenumfang eines Grundkörpers des Hauptrads eingebracht werden. Bevorzugt ist die Nut der Formschlusseinheit als eine nach außen hin geöffnete Vertiefung in einen Außenumfang des Grundkörpers eingebracht und das Ausgleichsrad weist mehrere Nuteingriffselemente auf, die dazu vorgesehen sind, in die eine Nut einzugreifen. Grundsätzlich kann auch das Ausgleichsrad die Nut aufweisen und das Hauptrad weist das Nuteingriffselement auf. Wenn die Formschlusseinheit mehrere Nuten und/oder mehrere Nuteingriffselemente umfasst, können sowohl das Hauptrad als auch das Ausgleichsrad sowohl Nuten als auch Nuteingriffselemente aufweisen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Ausgleichrad einen Grundkörper aufweist, an den das Nuteingriffselement in Form eines radial nach innen gerichteten Stegs angeformt ist. Dadurch kann das Nuteingriffselement besonders kostengünstig in einem Urformprozess an einem Innenumfang eines Grundkörpers des Ausgleichsrads angeformt werden. Unter „radial” soll insbesondere in Richtung eines Radius verstanden werden, der von einer Drehachse des Ausgleichsrads ausgeht. Besonders bevorzugt weist das Nuteingriffselement die gleiche Breite wie das Ausgleichsrad auf.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Ausgleichsrad einen Innenumfang aufweist, der zumindest in einem Teilbereich dazu vorgesehen ist, das Ausgleichsrad koaxial zu dem Hauptrad zu lagern. Dadurch kann das Ausgleichsrad besonders einfach gegenüber dem Hauptrad axial fest aber drehbar gelagert werden. Unter einem „Innenumfang” soll eine Fläche verstanden werden, die das Ausgleichsrad radial nach innen begrenzt. Vorzugsweise ist das Ausgleichsrad ringförmig ausgebildet und der Innenumfang weist zumindest in dem Teilbereich, der dazu vorgesehen ist, das Ausgleichsrad koaxial zu dem Hauptrad zu lagern, eine radial auf die Drehachse gerichtete Normalenrichtung auf. Besonders bevorzugt weist der Innenumfang mehrere Teilbereiche auf, die dazu vorgesehen sind, das Ausgleichsrad koaxial zu dem Hauptrad zu lagern, und der Innenumfang weist in diesen Teilbereichen einen kleineren Radius auf als außerhalb dieser Bereiche.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Ausgleichsrad in dem Teilbereich des Innenumfangs, der dazu vorgesehen ist, das Ausgleichsrad koaxial zu dem Hauptrad zu lagern, das Nuteingriffselement ausbildet. Dadurch kann ein vorhandener Bauraum für das Ausgleichsrad besonders vorteilhaft genutzt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Nut eine Breite aufweist, die einer Breite des Ausgleichsrads entspricht. Dadurch kann das Ausgleichsrad sicher in der Nut gehalten werden und es kann ein besonders kompaktes Stirnrad bereitgestellt werden. Unter einer „Breite” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine axiale Erstreckung verstanden werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Formschlusseinheit das Ausgleichsrad gegenüber dem Hauptrad axial fest, aber drehbar lagert. Dadurch kann das Ausgleichsrad gegenüber dem Hauptrad verdreht und ein gewünschtes Drehmoment aufgrund einer Spannkraft des Spannelements eingestellt werden. Ferner ist ein Bauraum für die Formschlusseinheit auf einen Lagerbereich des Hauptrads für das Ausgleichsrad beschränkt, wodurch ein besonders flexibel einsetzbares Stirnrad bereitgestellt werden kann. Unter „axial fest aber drehbar” soll insbesondere verstanden werden, dass eine Bewegung des Ausgleichsrads in den beiden axialen Richtungen durch einen Formschluss vermieden wird und gleichzeitig eine Drehbewegung relativ zum Hauptrad möglich ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Formschlusseinheit als ein Bajonettverschluss ausgebildet ist. Dadurch kann die Formschlusseinheit besonders wirkungsvoll und ohne von dem Hauptrad oder dem Ausgleichsrad getrennt ausgebildete Zusatzteile ausgebildet werden. Unter einem „Bajonettverschluss” soll insbesondere ein Verschluss verstanden werden, bei dem zwei Bauteile ineinander gesteckt und dann gegeneinander verdreht werden, wodurch sie zumindest in der Steckrichtung formschlüssig miteinander verbunden werden. Bevorzugt ist die Drehbewegung des Ausgleichsrads gegenüber dem Hauptrad unbegrenzt, d. h. insbesondere frei von Rastpositionen.
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Ferner wird ein Ventiltrieb mit einem erfindungsgemäßen Stirnrad vorgeschlagen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Explosionszeichnung des Stirnrads mit Hauptrad 11, Ausgleichsrad 12 und Spannelement 13,
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2 einen Ausschnitt des Hauptrads 11 in perspektivischer Darstellung,
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3 einen Ausschnitt des Ausgleichsrads 12 in perspektivischer Darstellung und
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4 einen Längsschnitt des Stirnrads in perspektivischer Darstellung.
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Die 1 bis 4 zeigen einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Stirnrad 10. Das Stirnrad 10 umfasst ein Hauptrad 11, ein Ausgleichsrad 12 und ein Spannelement 13. Das Hauptrad 11 und das Ausgleichsrad 12 sind dazu vorgesehen, gleichzeitig mit einem nicht näher dargestellten anderen Stirnrad zu kämmen. Dabei dient das Hauptrad 11 der Übertragung eines Drehmoments für den Antrieb einer nicht näher dargestellten Nockenwelle. Das Ausgleichsrad 12 ist im montierten Zustand mit dem Spannelement 13 gegen das Hauptrad 11 verspannt und dazu vorgesehen, ein Abheben einer Verzahnung 21 des Hauptrads 11 von einer Verzahnung des anderen Stirnrads zu vermeiden. Das Spannelement 13 ist wirkungsmäßig zwischen dem Hauptrad 11 und dem Ausgleichsrad 12 angeordnet und verspannt das Hauptrad 11 und das Ausgleichsrad 12 gegeneinander. Das Spannelement 13 ist in axialer Richtung räumlich vollständig zwischen Hauptrad 11 und Ausgleichsrad 12 angeordnet.
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Das Hauptrad 11 weist einen Grundkörper 20 auf. Der Grundkörper 20 trägt die Verzahnung 21 des Hauptrads 11, die als eine Stirnverzahnung ausgebildet ist. Das Hauptrad 11 weist an seiner Verzahnung 21 einen Fußkreis 22 und einen Kopfkreis 23 auf, die konzentrisch in Bezug auf eine Drehachse 24 des Hauptrads 11 angeordnet sind. Der Grundkörper 20 weist eine Aufnahme 25 für das Spannelement 13 auf. Die Aufnahme 25 bildet einen ringförmigen Kanal aus, der konzentrisch zur Drehachse 24 des Hauptrads 11 in den Grundkörper 20 eingebracht ist. Die Aufnahme 25 wird radial nach innen, radial nach außen und axial an einer dem Ausgleichsrad 12 abgewandten Seite von einem Material des Grundkörpers 20 begrenzt. Die Aufnahme 25 wird in radialer Richtung von der Verzahnung 21 überdeckt. Das Spannelement 13 kann innerhalb der Aufnahme 25 unterschiedlich stark gespannt werden.
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Der Grundkörper 20 weist ein innerhalb der Aufnahme 25 für das Spannelement 13 angeordnetes Stützelement 26 auf, das dazu vorgesehen ist, eine Spannkraft des Spannelements 13 aufzunehmen. Das Stützelement 26 ist in Form eines Höckers innerhalb der Aufnahme 25 für das Spannelement 13 ausgebildet. Der Grundkörper 20 des Hauptrads 11 weist an einem Innenumfang vier Hohlstege 27 auf, die in axialer Richtung verlaufen und die jeweils eine nierenförmige Öffnung 28 in axialer Richtung aufweisen. Die Hohlstege 27 sind für eine nicht näher dargestellte Deckelverschraubung vorgesehen. Eine axiale Erstreckung der Hohlstege 27 entspricht einer axialen Erstreckung des Grundkörpers 20.
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Das Ausgleichsrad 12 weist einen Grundkörper 17 und eine Verzahnung 29 auf. Der Grundkörper 17 trägt die Verzahnung 29, die als eine Stirnverzahnung ausgebildet ist. Das Ausgleichsrad 12 weist an seiner Verzahnung 29 einen Fußkreis 30 und einen Kopfkreis 31 auf. Die Verzahnung 29 des Ausgleichsrads 12 und die Verzahnung 21 des Hauptrads 11 weisen einen gleichen Fußkreisdurchmesser, einen gleichen Kopfkreisdurchmesser, sowie eine gleiche Zahnanzahl auf. Die Verzahnung 29 des Ausgleichsrads 12 und die Verzahnung 21 des Hauptrads 11 sind, abgesehen von einer Breite, identisch, d. h. sie weisen ein identisches Profil auf. Das Ausgleichsrad 12 weist an dem Fußkreis 30 der Verzahnung 29 einen Anlagering 32 auf. Der Anlagering 32 ist als ein axial zu dem Hauptrad 11 ausgerichteter umlaufender Steg ausgebildet.
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Das Ausgleichsrad 12 weist ein Stützelement auf, das innerhalb des Fußkreisdurchmessers der Verzahnung 29 angeordnet ist und das dazu vorgesehen ist, eine Spannkraft des Spannelements 13 aufzunehmen. Das Stützelement ist in Form eines Höckers ausgebildet, der an das Ausgleichsrad 12 angeformt ist.
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Das Spannelement 13 ist als eine Omegafeder ausgebildet und ist in Form eines offenen Rings ausgebildet. Das Spannelement 13 weist eine kreisförmige Grundform mit sich gegenüberliegenden Enden auf. Die Enden des Spannelements 13 bilden einander zugewandte Stirnflächen 33 aus. Das Spannelement 13 weist zwei zueinander symmetrische Schenkel 34 auf. Durch die Symmetrie ist eine Seite, die dem Hauptrad 11 zugewandt ist, nicht festgelegt.
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Das Stirnrad 10 weist eine Formschlusseinheit 14 auf. Die Formschlusseinheit 14 umfasst eine Nut 15, einen Schließring 35 und vier Nuteingriffselemente 16. Die Nut 15 und der Schließring 35 sind an dem Hauptrad 11 angeordnet. Die Nut 15 ist direkt benachbart zu der Aufnahme 25 für das Spannelement 13 an einem Außenumfang des Grundkörpers 20 des Hauptrads 11 angeordnet. Die Nut 15 ist an dem Außenumfang des Grundkörpers 20 als eine umlaufende Vertiefung in den Grundkörper 20 eingebracht. Die Nut 15 ist in radialer Richtung nach außen hin geöffnet und weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Nut 15 weist eine Bodenfläche 36 auf, deren Normalenrichtung radial nach außen gerichtet ist. Eine Breite der Nut 15 entspricht einer Breite des Ausgleichsrads 12. Die Nut 15 ist dazu vorgesehen, einen Bauraum des Ausgleichsrads 12 in axialer Richtung zu begrenzen. Direkt benachbart zu der Nut 15 ist an dem Außenumfang des Grundkörpers 20 der Schließring 35 angeordnet. Der Schließring 35 begrenzt die Nut 15 auf einer dem Spannelement 13 abgewandten Seite. Der Schließring 35 weist an einem Außenumfang in den Bereichen der Hohlstege 27 jeweils eine Passage 19 für die Nuteingriffselemente 16 für eine Montage auf. Die Passagen 19 sind als Aussparungen in den Schließring 35, eingebracht. Eine Tiefe der Passagen 19 entspricht einer Tiefe der Nut 15.
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Der Grundkörper 17 des Ausgleichsrads 12 weist einen Innenumfang 18 auf, der in vier Teilbereichen Lagerbereiche 37 aufweist, die dazu vorgesehen sind, das Ausgleichsrad 12 koaxial zu dem Hauptrad 11 zu lagern. Der Grundkörper 17 bildet in den vier Lagerbereichen 37 jeweils ein Nuteingriffselement 16 der Formschlusseinheit 14 aus. Die Nuteingriffselemente 16 sind jeweils in Form eines radial nach innen gerichteten Stegs an den Grundkörper 17 angeformt. Die Nuteingriffselemente 16 weisen die gleiche Breite wie der Grundkörper 17 des Ausgleichsrads 12 auf. Der Innenumfang 18 weist in den Lagerbereichen 37 jeweils einen kleineren Radius auf als zwischen den Lagerbereichen 37. Der Radius des Innenumfangs 18 in den Lagerbereichen 37 ist auf einen Radius der Nut 15 der Formschlusseinheit 14 abgestimmt. Die Nuteingriffselemente 16 weisen radial nach innen gerichtete Auflageflächen 38 auf. In einem montierten Zustand sind die Auflageflächen 38 in Kontakt mit der Bodenfläche 36 der Nut 15. Jeweils ein Nuteingriffselement 16 ist jeweils einer Passage 19 des Schließrings 35 zugeordnet. Eine Umfangserstreckung jeweils eines Nuteingriffselements 16 entspricht jeweils der Umfangserstreckung der zugeordneten Passage 19. Die Umfangserstreckung eines Nuteingriffselements 16 beträgt jeweils etwa 28 Grad. Die Nuteingriffselemente 16 sind asymmetrisch entlang des Umfangs angeordnet, d. h. in Umfangsrichtung jeweils benachbarte Nuteingriffselemente 16 sind um unterschiedliche Winkel gegeneinander versetzt. Die Formschlusseinheit 14 ist als ein Bajonettverschluss ausgebildet.
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Für eine Herstellung des Hauptrads 11 werden in einem Urformprozess, beispielsweise in einem Sinterverfahren, jeweils radial außerhalb der Hohlstege 27 die Passagen 19 im Grundkörper 20 ausgespart. Die Nut 15 der Formschlusseinheit 14 wird anschließend in einem Zerspanprozess in den Grundkörper 20 eingebracht, wodurch der Schließring 35 ausgebildet wird.
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Zur Montage wird das Spannelement 13 in die Aufnahme 25 des Hauptrads 11 eingelegt. Eine Verdrehung des Spannelements 13 wird auf die Position des Stützelements 26 des Hauptrads 11 abgestimmt, wodurch eine Stirnfläche 33 an einem Ende des Spannelements 13 mit dem Stützelement 26 in Kontakt kommt. Das Ausgleichsrad 12 wird mit einer den Anlagering 32 aufweisenden Seite auf den Grundkörper 20 des Hauptrads 11 aufgesetzt. Eine Position der Nuteingriffselemente 16 des Ausgleichsrads 12 wird auf eine Position der Passagen 19 für die Nuteingriffselemente 16 des Hauptrads 11 abgestimmt, wodurch das Ausgleichsrad 12 auf den Grundkörper 20 des Hauptrads 11 aufgeschoben werden kann und der Anlagering 32 mit dem Grundkörper 20 des Hauptrads 11 in Kontakt kommt. Das Ausgleichsrad 12 wird in Richtung auf das Hauptrad 11 gesehen im Urzeigersinn gegenüber dem Hauptrad 11 verdreht, wodurch das Stützelement des Ausgleichsrads 12 mit einer noch freien Stirnfläche 33 des Spannelements 13 in Kontakt kommt. Das Ausgleichsrad 12 wird axial von den Nuteingriffselementen 16 an dem Grundkörper 20 des Hauptrads 11 gestützt und in der Nut 15 geführt. Eine Spannkraft des Spannelements 13 wirkt der Verdrehung entgegen. Die Nuteingriffselemente 16 kommen jeweils mit einer axial gerichteten Fläche in Kontakt mit dem Schließring 35, wodurch eine axiale Bewegung des Ausgleichsrads 12 in eine vom Hauptrad 11 abgewandte Richtung vermieden wird. Eine nicht näher dargestellte Kralle, die zumindest vier auf die Verzahnung 21 des Hauptrads 11 abgestimmte Zähne aufweist, wird in die Verzahnung 21 des Hauptrads 11 und des Ausgleichsrads 12 eingesetzt. Die von dem Spannelement 13 bereitgestellte Spannkraft verspannt das Ausgleichsrad 12 gegenüber dem Hauptrad 11. Die Elemente des Stirnrads 10 sind fixiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stirnrad
- 11
- Hauptrad
- 12
- Ausgleichsrad
- 13
- Spannelement
- 14
- Formschlusseinheit
- 15
- Nut
- 16
- Nuteingriffselement
- 17
- Grundkörper
- 18
- Innenumfang
- 19
- Passage
- 20
- Grundkörper
- 21
- Verzahnung
- 22
- Fußkreis
- 23
- Kopfkreis
- 24
- Drehachse
- 25
- Aufnahme
- 26
- Stützelement
- 27
- Hohlsteg
- 28
- Öffnung
- 29
- Verzahnung
- 30
- Fußkreis
- 31
- Kopfkreis
- 32
- Anlagering
- 33
- Stirnfläche
- 34
- Schenkel
- 35
- Schließring
- 36
- Bodenfläche
- 37
- Lagerbereich
- 38
- Auflagefläche
