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Die
Erfindung betrifft eine Metallwelle, beispielsweise eine zylindrische
Welle, mit einem einen Kragen bildenden Bereich vergrößerten Durchmessers
zur Aufnahme eines aufzuspritzenden Teils, z.B. eines Kunststoffrades,
das zusammen mit der Metallwelle ein Element einer kinematischen
Kette bilden kann. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung aus dieser
Welle und dem auf diese aufgespritzten oder aufgesteckten Teil.
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Bekanntlich
ist das einfachste Mittel zur Verankerung eines gespritzten Materials
auf einer zylindrischen Welle die Schaffung von auf dem Wellenumfang
verteilten Befestigungsbereichen durch Schleifen oder Fräsen. Die
Form und die Abmessungen der Ausnehmungen oder anderer Befestigungsbereiche sind
abhängig
von dem zu übertragenden
Moment und dem Anwendungsfall. Eine solche Verankerung ist aber
nicht sehr stabil. Bei sehr hoher Belastung des Rads und der Welle
kann die Verbindung zwischen Welle und Rad an der Verankerungsstelle
brechen.
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Das
einzige Mittel zur widerstandsfähigen Befestigung
bei sehr hoher Belastung besteht in einer Durchmesservergrößerung des
Befestigungsbereichs.
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Mehrere
Lösungen
sind denkbar:
- – Eine erste Lösung bestünde in der
Vergrößerung des Durchmessers
der Welle insgesamt. Dies ist häufig
nicht möglich,
weil die von der Welle angetriebene Vorrichtung eine Durchmesservergrößerung nicht
zuläßt. Zudem
würde diese Lösung die
Gesamtkosten der Anordnung erhöhen.
- – Eine
zweite Lösung
bestünde
darin, die Welle aus dem Vollen zu drehen, so daß ein Kragen größeren Durchmessers
im Befestigungsbereich für das
aufzuspritzende Ritzel stehen bleibt. Dies ist aber für eine industrielle
Serienproduktion schwer vorstellbar, einerseits, weil sehr viel
Material abgedreht werden müßte, und
andererseits, weil das abschließende
Feinschleifen dann nicht in einem Zug durchgeführt werden könnte, beispielsweise mittels
des sogenannten spitzenlosen Feinschleifverfahrens, sondern beidseits
des Bereichs größeren Durchmessers
zwischen Spitzen.
- – Eine
dritte Lösung
wäre das
Aufpressen eines Rings auf einen in Höhe des aufzuspritzenden Kunststoffritzels
liegenden Bereich der Welle. Hierfür müßte dieser Bereich der Welle
einen etwas größeren Durchmesser
als die Welle selbst haben und an dieser Stelle gerieft sein, um
den Ring auf der Welle durch die Riefung festzusetzen. Wegen des
gerieften Bereichs etwas größeren Durchmessers
könnte
das Feinschleifen wiederum nicht in einem Zug durchgeführt werden. Auch
wäre es
nicht möglich,
den gerieften Bereich mit konventionellen, mit einer Serienproduktion kompatiblen
Mitteln nach dem Feinschleifen herzustellen, denn die Wellen werden
vor dem Feinschleifen gehärtet.
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Zur
Beseitigung dieser Nachteile wird in der
FR 2 747 602 A1 ein Verfahren
zum Herstellen einer Metallwelle mit einem Kragen zur Aufnahme eines aufzuspritzenden
Teils vorgeschlagen, bei dem
- – der Durchmesser
des Wellenrohlings vor dem Feinschleifen in dem der Aufnahme dienenden Bereich
auf einen kleineren Durchmesser verringert wird,
- – die
Welle, wenn sie aus Stahl ist, nach einem etwaigen Abschrecken bevorzugt
in einem Zug feingeschliffen wird,
- – ein
ringförmiger
metallischer Einsatz, der beispielsweise gedreht ist und aus einem
kleinen Ring und einem an diesen koaxial anschließenden,
mit diesem über
einen dünnen
Metallsteg verbundenen großen
Ring besteht, wobei
- a) der kleine Ring einen Innendurchmesser hat, der das Aufschieben
des kleinen Rings auf die Welle ermöglicht, und an mindestens einer
Stelle mit einem Längsschlitz
versehen ist und
- b) der große
Ring einen Innendurchmesser hat, der um die Dicke des die zwei Ringe
verbindenden dünnen
Metallstegs kleiner als der Außendurchmesser
des kleinen Rings ist,
auf die feingeschliffene Welle
aufgeschoben wird, bis der große
Ring in Höhe
des Bereiches verringerten Durchmessers liegt, und dann der kleine
Ring unter Bruch des Verbindungssteges in den großen Ring eingepreßt wird,
bis die zwei Ringe unter Verringerung des Innendurchmessers des
kleinen Rings koplanar liegen.
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Auch
wenn die Tatsache, daß die
Welle in einem Zug feingeschliffen werden kann, die Kosten senkt,
hat dieser Vorschlag den Nachteil, daß der Metalleinsatz größeren Durchmessers
absolut. fest auf der Metallwelle verankert werden muß. Dies
bedeutet, daß die
mit der Befestigung des auf die Metallwelle aufgespritzten Kunststoffbereichs
verbundenen Probleme sich auf die Verbindung zwischen dem Metalleinsatz
und der ebenfalls aus Metall bestehenden Welle verlagern, was die
Sache keineswegs erleichtert.
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Zudem
geht gegenüber
den gebräuchlichsten
Verfahren ein bedeutender Vorteil verloren. Dieser besteht nämlich in
der Schaffung von Verankerungsprofilen direkt auf der Welle. Wenn
stark schwankende Kräfte
auf die Zähne
des aufgespritzten Kunststoffrads einwirken, werden diese Kräfte teilweise
durch die Elastizität
der Verbindung zwischen dem Kunststoffrad und der Metallwelle aufgefangen,
und zwar an der Stelle, an der sich die Verankerungsprofile befinden:
solange die Elastizitätsgrenze
des Kunststoffs nicht überschritten
wird, verformt sich dieser unter der Belastung und absorbiert damit
Lastspitzen beschädigungsfrei.
Dies ist bei der in der vorgenannten
FR 2 747 602 A1 beschriebenen Anordung nicht
der Fall, denn die Verankerung des Kunststoffs auf dem Einsatz größeren Durchmessers weist
praktisch keinerlei Elastizität
auf. Das gleiche gilt für
die Metall/Metall-Verbindung zwischen dem Einsatz und der Welle.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine
Metallwelle zur Aufnahme eines aufzuspritzenden oder aufzusteckenden
Teils gelöst,
umfassend einen Kragen zur Aufnahme und Verankerung des aufzuspritzenden
oder aufzusteckenden Teils, wobei
- – die Welle
und der Verankerungskragen nach einem Kaltstauchverfahren aus einem
Stück gefertigt
sind
- – und
der Kragen zumindest auf einer Seite Verankerungsprofile aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6.
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Vorteilhaft
sind die Verankerungsprofile Vertiefungen, deren zu ihrer radialen
Achse rechtwinkliger Querschnitt die Form einer Wanne mit trichterartig
aufgeweiteten oder gegebenenfalls senkrechten Flanken hat.
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Weiterhin
wird die Aufgabe gelöst
mit einer Anordnung aus einer Welle und einem Ritzel gemäß den Merkmalen
der Ansprüche
7 oder 8.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Welle nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht
dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Aufsicht der Vorrichtung zur Herstellung der Metallwelle durch Kaltstauchen;
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2 den
am Einlaß der
Maschine gewonnenen Metallrohling nach dessen Ablängen;
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3 bis 8 die
aufeinanderfolgenden Schritte zur Herstellung der Welle durch Kaltstauchen;
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9 eine
perspektivische Ansicht der Matrize nach 8, mit der
das Kaltstauchwerkzeug versehen ist, sowie eine fertige Welle;
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10 einen
Schnitt, der das Zusammenwirken der Verankerungsbereiche und des
in diesen Bereichen anschließend
aufgespritzen Kunststoffs darstellt;
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11 einen
Teilschnitt eines nach dem Aufspritzen eines Kunststoffs auf die
Welle nach 9 erhaltenen Ritzels;
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12 eine
vergrößerte Detailansicht
des Ritzels nach 11;
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13 einen
Schnitt entlang VIII-VIII in 12 zusammen
mit einer Spritzform, in die Kunststoff eingespritzt ist;
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14 einen
Längsschnitt
einer Abwandlung, mit einem nicht auf die Welle aufgespritzten sondern
aufgesteckten Ritzel.
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Die
in 1 dargestellte Kaltstauchmaschine ist eine herkömmliche,
horizontal arbeitende Presse, die aus einem ortsfesten Matrizenblock 13 und
einem in den zwei angegebe nen Richtungen horizontal beweglichen
Schlitten 14 mit Lochstempeln besteht.
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Der
ortsfeste Block 13 hat sechs Matrizen 7 bis 12,
denen jeweils ein Auswerfer 15 bis 20 zugeordnet
ist, mittels dem nach jedem Stempelschlag der Rohling aus der jeweiligen
Matrize entnommen werden kann. Der Rohling wird mittels eines üblichen (nicht
dargestellten) Zangensystems von einer Matrize zu einer anderen überführt. Die
Zangen greifen den Rohling beim Austritt aus einer Matrize und überführen ihn
zur nächsten
Matrize. Die Matrizen werden nachstehend anhand der 3 bis 8 ausführlich beschrieben.
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Der
Schlitten 14 hat sechs Stempel 1 bis 6, die
jeweils einer der Matrizen 7 bis 12 zugeordnet sind,
und kann mittels einer (nicht dargestellten) Stange in horizontaler
Richtung von hinten nach vorne und umgekehrt verschoben werden.
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Am
vorderen Totpunkt sind die Stempel einige zehntel Millimeter von
der Stirnseite der jeweils zugeordneten Matrize entfernt, was die
gewünschte Deformation
des Rohlings ermöglicht.
Am hinteren Totpunkt sind die Stempel so weit von der Stirnfläche der
jeweiligen Matrize entfernt, daß der
Rohling ausgeworfen und mittels der Zangen zur nächsten Matrize überführt werden
kann.
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Die
Maschine ist zudem mit einer Vorrichtung 21 zum Heranführen und
Ablängen
von Rohmaterial durch Translation des Maschinenvorderendes ausgerüstet, wodurch
ein Metallrohling gegebener Länge
in Stücke
mit zur Herstellung der Welle nach der Erfindung ausreichender Länge geschnitten
wird.
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Die
verschiedenen Schritte zur Herstellung der Welle werden nun anhand
der 2 bis 8 beschrieben.
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Im
ersten Schritt wird der in 2 dargestellte
Metallrohling 22 mittels der Zufuhr- und Ablängvorrichtung 21 abgelängt.
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Während der
Schlitten 14 zurückgefährt, bringen
die Zangen den Rohling 22 zur ersten Matrize 7.
Der Rohling 22 wird dann durch Verfahren des Schlittens
in dessen vordere Extremstellung durch die Schlagwirkung zwischen
dem Stempel 1 und der zugeordneten Matrize 7 an
seinen beiden Enden verformt und auf ein geeignetes Maß gebracht.
Die durch das Ablängen
entstandenen Oberflächenunebenheiten
werden so minimiert (3).
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Der
Schlitten läuft
dann zurück.
Der Rohling 22 kann mit Hilfe des Auswerfers 15 der
Matrize 7 entnommen werden, so daß ihn die Zangen greifen und
zur nächsten
Matrize 8 überführen können.
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Wie 4 zu
entnehmen ist, wird durch den dann erfolgenden Schlag der Querschnitt
eines Endes 220 des Rohlings 22 verringert, und
zwar nach Art eines Strangpreßverfahrens.
Damit wird dieser Bereich der Welle zum späteren Aufrollen eines Gewindes
vorbereitet. Der Rohling wird dann, wie vorher, mittels des Auswerfers 16 entnommen
und mittels der Zangen zur nächsten
Schlagstelle 9, 3 überführt.
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Wie 5 zu
entnehmen ist, wird im nächsten
Schritt der Kragen angestaucht. Da das aufzustauchende Volumen beträchtlich
ist, sind zur Schaffung des Kragens mehrere Schläge erforderlich. Bei diesem
Schritt liegt das für
den fertigen Kragen bestimmte Materialvolumen 221 in dem
Stempel 3.
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Im
nächsten
Schritt (6) wird durch Zusammenwirken
der Matrize 10 und des Stempels 4 der Übergangskonus 222 zwischen
dem Ende 220 und dem Körper
des Rohlings 22 fertiggestellt (der Konus 222 dient
zur Aufnahme einer Riefung) und das Volumen 221 zur Bildung
des Kragens ein zweites Mal aufgestaucht. So wird der Rohling annähernd in
die endgültige
Form gebracht.
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Im
nächsten
Schritt (7) wird durch Zusammenwirken
der Matrize 11 und des Stempels 5 die vorgenannte
Riefung 23 auf dem Konus 222 hergestellt und die
endgültige
Dicke und der endgültige Außendurchmesser
des Kragens 24 erzeugt.
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Im
letzten Schritt (8) wird durch Zusammenwirken
der Matrize 12 und des Stempels 6, deren Formen
in den 8 und 9 deutlich erkennbar sind, der
Befestigungskragen 24 durch Kalttiefziehen fertiggestellt.
Der endgültige
Kragen 24 ist an dem in 9 dargestellten
Endprodukt 29 erkennbar, das nach der Erfindung mit Verankerungsprofilen 25 versehen
ist, die auf beiden Seiten 26 und 27 des Kragens
und nicht wie nach dem Stand der Technik auf der Umfangsfläche 28 liegen.
Das Gewinde 30 an dem Ende 222 des Endprodukts 29 ist
natürlich
nicht durch kaltes Schlagen erzeugt sondern nachträglich aufgerollt.
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Der
Stempel 6 hat die gleiche Form wie die Matrize 12 nach 9.
Er ist aber gegenüber
der Matrize 12 um einen Winkel gedreht, der dem Winkel zwischen
aufeinanderfolgenden Verankerungsprofilen 25 entspricht.
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Das
in 11 dargestellte Kunststoffritzel oder Zahnrad 31 wird
anschließend
nach einer üblichen
Technik auf die Welle 29 aufgespritzt.
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Die
Verankerungsprofile 25 haben jeweils die gleiche Form und
liegen bei diesem Ausführungsbeispiel
abwechselnd auf der Seite 26 und der Seite 27 des
Kragens 24. Der Vorteil dieser Anordnung wird anhand 10 erläutert.
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Wie
den 8 bis 11 zu entnehmen ist, haben die
Veran kerungsprofile 25, betrachtet in dem in 10 dargestellten
Schnitt, rechtwinklig zu ihrer radialen Achse einen wannenförmigen Querschnitt mit
ebenem Boden 32 und trichterartig aufgeweiteten Flanken 33 und 34.
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Die
Winkel α und β, die die
Neigung der Flanken 33, 34 gegenüber dem
Boden 32 der Wanne 25 beschreiben, sind hier gleich,
können
aber bei anderen Ausführungsformen,
bei denen die Drehrichtung der Anordnung aus der Welle 29 und
dem Ritzel 31 von Bedeutung ist, auch unterschiedlich sein.
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Wenn
die Welle 29 blockiert, während das Kunststoffzahnrad 31 in
einer kinematischen Kette integriert ist, und durch letztere angetrieben
ist, z.B. in Richtung des Pfeils F, kann der Kunststoff, der eine gewisse
Elastizität
aufweist, aufgrund der Neigung der Flanken 33, 34 sich
deformieren und dabei auf den geneigten Flanken, z.B. der Flanke 33 des
Befestigungsprofils 25, gleiten. Die gesamte Blockierkraft
wird dann auf die Profile 25 übertragen und wirkt nicht auf
die Zähne 35 (11)
des Rads. Infolge der Neigung α der
Flanken 33, die in Drehrichtung liegen, profitiert man
also von einer gewissen Elastizität.
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Wenn
das Rad 31 in der dem Pfeil F entgegengesetzten Richtung
angetrieben ist, sind die anderen Flanken 34 für die elastische
Dämpfung
verantwortlich; der Winkel β bestimmt
dann die Dämpfung.
Wenn sich die zwei Winkel α und β unterscheiden,
sind auch die Dämpfungen
in den beiden Drehrichtungen des Rads 31 verschieden.
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11 zeigt
eine fertige Anordnung aus der Welle 29 und dem Ritzel 31 nach
Aufspritzen des Kunststoffrads 31 auf die Welle 29.
Diese Figur zeigt in Verbindung mit den 12 und 13 ein
weiteres Merkmal nach der Erfindung, das auf den beschriebenen Fall
beschränkt
ist, bei dem das Zahnrad 31 durch Aufspritzen eines Kunsstoffs
aufgebracht ist.
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Bekanntlich
unterliegt Kunststoff nach dem Entformen aus einer Spritzform einer
Schrumpfung. Die Schrumpfung ist zwar gering und wirft bei den meisten
Anwendungen keine Probleme auf, kann aber manchmal, wie im vorliegenden
Fall, dem durch die Erfindung erreichten Dämpfungseffekt entgegenwirken.
Tatsächlich
bewirkt die Schrumpfung, die auch in radialer Richtung erfolgt,
einen dauerhaften radialen Schluß des Rads 31 und
der Umfangsfläche 28 des
Kragens 24. Wenn die Welle 29 blockiert, kann
dann auf Höhe
des Kragens 24 keine Bewegung mehr stattfinden, so daß keine
Dämpfung
wirksam wird.
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Um
dies zu verhindern, können
die beiden Spritzformteile 36, 37 (Boden und Deckel)
mit wechselnder Form so ausgestaltet sein (13), daß mindestens
ein im wesentlichen leerer Zwischenraum 38 entsteht. So
liegt unmittelbar über
der Umfangsfläche 28 des
Kragens 24 praktisch kein Kunststoff, mit Ausnahme kleiner
radialer Kunststoffzapfen 39, die sich jeweils an der Umfangsfläche 28 abstützen und
bevorzugt im Bereich des ebenen Bodens des jeweiligen Profils 25 liegen.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebende Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Wie 14 zu
entnehmen ist, muß das Zahnrad 31 nicht
unbedingt ein auf die Welle 29 aufgespritztes Rad sein.
Hier umfaßt
das Rad 31 zu den Verankerungsprofilen 25 komplementär geformte Teile
und ist axial aufgepreßt,
so daß die
komplementären
Teile und die Profile 25 ineinandergreifen. Dazu hat das
Zahnrad eine zentrale Öffnung 40,
die gerade groß genug
ist, um es auf die Welle 29 aufzuschieben. Eine elastische
Scheibe/Feder 41, die durch einen Ring 42 gehalten
ist, gewährleistet
einen hinreichenden elastischen Druck der komplementären Teile
gegen die Verankerungsprofile 25.
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Wenn
die Welle 29 blockiert, ermöglichen die Winkel α oder β (je nach
Drehrichtung) in Abhängigkeit
vom elastischen Druck der Scheibe/Feder 41 auf die komplementären Teile
des Rads 31 ein Gleiten des Rads über die Profile 25 der
Welle 29. Wenn das Ende der Profile 25 erreicht
ist, können
die komplementären
Teile nach Art einer Ratsche in dem jeweils nächsten Profil 25 einrasten.
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Bei
nicht dargestellten Ausführungsformen können die
Winkel α und/oder β statt stumpfen
Winkeln auch rechte Winkel sein.
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Die
Welle 29 kann auch mittels einer anderen Technik als dem
Kaltstauchen, z.B. durch Drehen und/oder Spanabheben, erzeugt werden.
Sie muß auch
nicht einstückig
sein. Bei einer weiteren Abwandlung können die Befestigungsprofile 25 nur
auf einer Seite des Kragens 24 liegen. Sie können zusammen
mit anderen Profilen vorliegen, die auf der Umfangsfläche 28 des
Kragens 28 liegen.
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Das
anhand der 1 bis 8 beschriebene
Verfahren zur Erzeugung der Welle durch Kaltstauchen kann je nach
Geometrie der Welle variieren. Die Anzahl der Stempel und der korrespondierenden
Matrizen kann je nach Bedarf schwanken und beeinflußt die Gestehungskosten.