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Die vorliegende Erfindung betrifft ein homokinetisches Antriebsgelenk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Art. Diese ist aus
JP 10 220 489 A bekannt.
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Die Erfindung findet Anwendung insbesondere bei homokinetischen Gelenken für die Kraftübertragungen von Kraftfahrzeugen.
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Im Folgenden verstehen sich die Ausdrücke ”axial” und ”radial” in Bezug auf die Achse des betrachteten Beins. Ebenso verstehen sich die Ausdrücke ”innerer” und ”äußerer” in Bezug auf die Drehachse der Außenrolle, wobei diese Achse für ein Gelenk mit Knickwinkel null mit derjenigen des Beins zusammenfällt.
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Auf dem Gebiet solcher Gelenke ist es bekannt, dass jedes Bein des Vaterteils in Bezug auf das Paar entsprechender Pisten zu Translationswechselbewegungen längs der Achse des Beins angeregt wird. Diese Bewegungen sind in Anbetracht der Aufbaugeometrie des Gelenks unvermeidbar. Sie ergeben sich aus dem Arbeiten des Gelenks unter einem Knickwinkel zwischen den beiden durch das Gelenk verbundenen Wellen und rühren auch von der sogenannten Offset-Erscheinung her, die aus einer Orbitalbewegung der Mitte des Vaterteils mit einer Frequenz, die das Dreifache der Drehfrequenz des Gelenks ist, besteht.
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Unter Drehmoment erzeugen diese Bewegungen durch Reibung eine Axialkomponente der Mitnahmekraft, die sich in eine Wechselkippkraft umsetzt, der jede Außenrolle unterworfen ist, deren Außenfläche üblicherweise torisch ist. Diese Kraft hat die Tendenz die Außenrolle um ihren Berührpunkt mit der Piste, auf welcher sie abrollt, oszillieren zu lassen. Der Teil der Außenfläche der Rolle, der dem anliegenden diametral gegenüber liegt, oszilliert dann stark gegenüber der Oberfläche der Piste, an der die Rolle nicht anliegt, wodurch der Übertragungswirkungsgrad des Gelenks vermindert wird.
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Diese Oszillationen erzeugen ferner ein hohes Geräuschniveau, was Unangenehmes für den Benutzer verursacht. Sie zwingen auch dazu, die Oberflächenhärte der Zonen der Pisten, die Oszillationsberührungen mit der Rolle unterworfen sind, durch geeignete Oberflächenbehandlungen zu verstärken, die oftmals in Anbetracht der Geometrie des Mutterteilelements komplex sind. Schließlich lassen diese Oszillationen das Risiko einer Verklemmung der Außenrolle an den Enden der Piste entstehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein homokinetisches Antriebsgelenk der genannten Art zu schaffen, bei welchem die gesamte Oszillationsbewegung der Außenrolle verhindert ist, wobei ihm gleichzeitig durch einfache Mittel eine bemerkenswerte Stabilität verliehen wird.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein homokinetisches Antriebsgelenk der genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Gemäß verschiedener Ausgestaltungen der Erfindung kann das Gelenk eines oder mehrere der Merkmale der Ansprüche 2 bis 10 isoliert genommen oder gemäß verschiedener technisch möglicher Kombinationen aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Übertragungseinrichtung für ein homokinetisches Antriebsgelenk, wie es vorstehend definiert ist.
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Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung besser verstanden werden, die allein als Beispiel gegeben wird und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgt, auf welchen
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1 eine Teilquerschnittsansicht eines homokinetischen Dreibein-Antriebsgelenks gemäß der Erfindung in gestreckter Stellung ist,
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1A eine Einzelheit der 1 veranschaulicht,
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2 bis 4 der 1 entsprechende Ansichten sind, welche jeweils eine besondere Ausführungsform eines homokinetischen Dreibein-Antriebsgelenks gemäß der Erfindung veranschaulichen.
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1 zeigt in Teilen ein homokinetisches Dreibein-Antriebsgelenk gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfingung, welche im Wesentlichen die folgenden Teile umfasst.
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Zunächst umfasst das Gelenk 1 ein Vaterteilelement oder Dreibein 10 mit ternärer Symmetrie in Bezug auf eine Mittelachse X-X senkrecht zur Ebene der 1, welches eine Nabe 12 und drei radiale Beine 14, die in einem Winkelabstand von 120° liegen und von denen nur eines dargestellt ist, umfasst. Der Endabschnitt eines jeden Beins 14 bildet einen Lagerzapfen 16 sphärischer Form und zentriert auf die Achse Y-Y des Beins. Das Dreibein 10 ist mit einer ersten Welle 18 fest verbunden.
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Dann umfasst das Gelenk 1 ein Mutterteilelement oder Tulpe 20 mit ternärer Symmetrie in Bezug auf eine Mittelachse X'-X', wobei diese letztere Achse mit der Achse X-X in der gestreckten Stellung des dargestellten Gelenks zusammenfällt. Zu beiden Seiten eines jedes Beins 14 weist die Tulpe zwei einander gegenüberliegenden Pisten 22 und 23 auf. Die Tulpe ist mit einer nicht dargestellten zweiten Welle fest verbunden.
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Schließlich umfasst das Gelenk 1 für jedes Bein 14 eine mechanische Kraftübertragungseinrichtung 30, die durch das Paar von Pisten 22, 23 axial gehalten wird. Die mechanische Kraftübertragungseinrichtung 30 umfasst eine Außenrolle 32, die für ein Abrollen auf der einen oder anderen dieser Pisten 22, 23 bestimmt ist, einen Innenring 34, der im Inneren der Außenrolle 32 angeordnet ist, und Kopplungsmittel 36 zum Koppeln des Innenrings 34 und der Außenrolle 32. Die Rolle 32 weist ein Drehachse Z-Z auf, die mit der Achse Y-Y in 1 zusammenfällt.
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Da die drei mechanischen Kraftübertragungseinrichtungen 30 identisch sind, und aufgrund der Tatsache der ternären Symmetrien des Dreibeins 10 und der Tulpe 20 wird nun der in 1 dargestellte Teil des Gelenks 1 weiter unten beschrieben.
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Die mechanische Kraftübertragungseinrichtung 30 errichtet eine Verbindung, die kugelgelenkig und längs der Achse Y-Y des Beins 14 auf Höhe des Kontakts, den sie zwischen der Innenfläche des Innenrings 34 und der Außenfläche des Lagerzapfen 16 aufrecht erhält, beweglich ist. Der Innenring 34 ist also um das Bein 14 kugelgelenkig und gleitend.
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Die Kraftübertragungseinrichtung 30 ist auch in Längsrichtung des Paares von Pisten 22, 23, d. h. in der Senkrechten zur Ebene der 1 beweglich.
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Die Außenrolle 32 weist im meridianen Halbschnitt, beispielsweise in der linken seitlichen Halbebene in Bezug auf die Achse Z-Z in 1, ein Außenprofil auf, welches zwei konvexe Kreisbögen 32A, 32B umfasst, während die entsprechende Piste 22 ein Innenprofil aufweist, welches zwei konkave Kreisbögen 22A, 22B umfasst, die im Wesentlichen zu den konvexen Bögen 32A, 32B des Außenprofils der Rolle 32 konjugiert sind. Auf Höhe dieser Bögen bilden für jede Mitnahmerichtung des Gelenks die Rolle 32 und die zugehörige Piste 22 zwei Berührzonen 37A, 37B, welche betreffende resultierende RA, RB aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zur Achse Z-Z der Rolle sind. Diese Berührzonen 37A, 37B befinden sich am Boden der beiden Bögen 22A und 22B des Innenprofils der Piste 22 und liegen im Abstand voneinander.
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Genauer (1A) ist der Radius der Bögen 32A, 32B etwas kleiner als derjenige der Bögen 22A, 22B, und der konkave Bogen 32C, der die Bögen 32A und 32B verbindet, hat einen Radius, der ausreichend klein ist, um ein Nichtvorhandensein einer Berührung mit dem konvexen Bogen 22C, der die Bögen 22A und 22B verbindet, zu gewährleisten. Die Radiusdifferenzen sind im Sinne der Klarheit der Zeichnung in 1A übertrieben.
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Die Kopplungsmittel 36 zur Kopplung des Innenrings 34 und der Außenrolle 32 umfassen einen Nadelkranz 38, der zwischen der zylindrischen Außenfläche des Innenrings 34 und der zylindrischen Innenfläche der Außenrolle 32 angeordnet ist, sowie zwei ebene Auflagescheiben 39 und 40, die beiderseits des Rings 34 und des Nadelkranzes 38 angeordnet sind. Der Umfangsbereich jeder Auflagescheibe 39, 40 ist in einer Ringnut aufgenommen, die in der Innefläche der Außenrolle ausgebildet ist.
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Diese Kopplungsmittel 36 gestatten also bis auf funktionelles Spiel allein eine Relativdrehung zwischen der Außenrolle 32 und dem Innenring 34 um die Achse Z-Z.
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Die Arbeitsweise des Gelenks ist die folgende.
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Unter der Wirkung eines auf die Welle 18 aufgebrachten und in der 1 im Gegenuhrzeigersinn orientiert angenommenen Antriebsmoments bringt das Bein 14 eine Übertragungskraft T auf die mechanische Kraftübertragungseinrichtung 30 auf. Der Angriffspunkt dieser Kraft ist der Berührpunkt zwischen dem Lagerzapfen 16 des Beins 14 und dem Innenring 34 der Einrichtung 30. Diese Kraft setzt sich aus einer Radialkomponente TR, die sich direkt aus dem Aufbringen des auf die Welle 18 aufgebrachten Antriebsmoments ergibt, und einer Axialkomponente TA in Bezug auf die Achse Z-Z, die sich aus der Reibung zwischen der Außenfläche des Gelenkzapfens 16 und der Innenfläche des Innenrings 34 ergibt. Diese Reibung wird durch die relativen Gleitbewegungen zwischen dem Gelenkzapfen 16 und dem Ring 34 während eines Arbeitens des Gelenks unter einem Knickwinkel und bei der bereits angesprochenen ”Offset”-Orbitalbahnbewegung der Achse X-X des Vaterteilelements 10 erzeugt.
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Die Radialkomponente TR der Kraft wird auf das Mutterteilelement 20 an den Berührzonen 37A und 37B übertragen, die die der Radialkomponente TR unterworfene Außenrolle 32 mit der zugeordneten Piste 22 des Mutterteils 20 aufrechterhält.
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Die Axialkomponente TA der Übertragungskraft, deren Nennwert üblicherweise ein Zehntel desjenigen der Radialkomponente TR beträgt, erzeugt eine Kippkraft auf die Kraftübertragungseinrichtung 30. Diese Kraft ist jedoch durch die Piste 22 des Mutterteilelements auf Höhe der Berührzonen 37A und 37B, die die Rolle 32 mit dieser Piste 22 aufrechterhält, völlig eingeschlossen.
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Die Resultierenden RA und RB an jeder Berührzone bleiben in der Tat senkrecht zur Achse Z-Z der Rolle, und der Abstand d jeder Zone von Mittelebene P der Pisten 22 und 23 ist ausreichend dafür gewählt, dass der Angriffspunkt der Kraft TR dauernd in dem Raumabschnitt bleibt, der durch die beiden parallelen Ebenen PA und PB begrenzt wird, die alle beide senkrecht zur Achse Z-Z liegen und die jeweiligen Mitten der Berührzonen 37A und 37B enthalten.
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Auf diese Weise ist es unter der Wirkung eines Antriebsmoments, im Sinne der Bewegungsfreiheit, der mechanischen Übertragunseinrichtung 30 nur gestattet, auf den genannten Pisten abzurollen und entlang der Längsachse des Paares dieser Pisten zu gleiten.
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Die Erfindung ermöglicht also eine Gewährleistung der Stabilität der Kraftübertragungseinrichtung 30, indem ihr gegenüber dem entsprechenden Pistenpaar jeder Translationsausschlag längs der Achse Z-Z der Außenrolle 32, jeder Rotationsausschlag um die Längsachse dieses Pistenpaares und jeder Rotationsausschlag um eine Senkrechte zur Achse Z-Z verboten ist.
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Da die Stabilität der Außenrolle 32 verbessert ist, sind das Schwingungsniveau und der Übertragungswirkungsgrad des Gelenks verbessert. Ebenso sind zweckdienliche Oberflächenbehandlungen, die bei Gelenken nach dem Stand der Technik zur Verstärkung der Oberflächenhärte gewisser Zonen des Mutterteilelements unverzichtbar sind, nicht mehr erforderlich.
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Eine nicht dargestellte Abwandlung dieser ersten Ausführungsform besteht im Vorsehen einer Außenrolle, deren Außenprofil zwei konkave Bögen aufweist, einer Piste gegenüber, deren Innenprofil zwei im Wesentlichen konjugierte konvexe Bögen aufweist.
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Eine weitere Ausführungsform eines Gelenks 1 gemäß der Erfindung ist in 2 dargestellt.
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Das Gelenk 1 weist die gleichen Elemente wie gemäß der ersten Ausführungsform lediglich mit den folgenden Unterschieden auf.
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Zunächst ist der Gelenkzapfen 16 des Beins 14 im Wesentlichen zylindrisch mit Drehachse Y-Y.
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Dann weist die mechanische Kraftübertragungseinrichtung 30 Kopplungsmittel zum Koppeln des Innenrings 34 und des Beins 14 auf. Diese Kopplungsmittel sind durch einen Nadelkranz 38 gebildet, der radial durch zwei den Gelenkzapfen 16 begrenzende Schultern 50 und 51 gehalten wird. Die Kopplungsmittel lassen also zwischen dem Innenring 34 und dem Bein 14 eine Relativdrehung um die Achse Y-Y und eine Translation längs der gleichen Achse zu.
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Ferner ist die Innenfläche der Außenrolle 32 im Wesentlichen sphärisch und wirkt mit der Außenfläche des Innenrings 34 mit konjugiertem sphärischem Profil zusammen, so dass allein eine Kugelgelenksbewegung zwischen der Außenrolle 32 und dem Innenring 34 möglich ist.
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Die Arbeitsweise dieser zweiten Ausführungsform entspricht der vorstehend beschriebenen.
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Die vom Bein 14 her zu übertragende Kraft T greift an einer Berührlinie zwischen der Außenfläche des Gelenkzapfens 16 und der Innenfläche des Nadelkranzes 38 an. Der Innenring 34 legt sich, da er dann dieser Kraft unterworfen ist, und wegen seines im Wesentlichen sphärischen Außenprofils, in den Boden der Krümmung der konjugierten Innenfläche der Rolle 32 und führt so die Angriffszone der zu übertragenden Kraft zum Äußeren des Gelenks in die Berührzone, die er mit der Außenrolle 32 aufrecht erhält, d. h. eine quasipunktuelle Zone, zurück.
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Die dann auf die Außenrolle 32 durch diese Anlage übertragene Kraft weist folglich eine Radialkomponente TR, wie vorstehend beschrieben, und eine Axialkomponente TA, die vollständig durch die beiden Berührzonen 37A, 37B eingeschlossen ist, welche die Rolle 32 mit der entsprechenden Piste aufrechterhält, auf. Der Angriffspunkt der Kraft TR ist in dem Raumabschnitt enthalten, der durch die beiden vorstehenden definierten Ebenen PA und PB begrenzt wird.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Gelenks 1 gemäß der Erfindung, welche sich von der in 2 dargestellten nur durch die folgenden Elemente unterscheidet.
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Zunächst umfasst die mechanische Kraftübertragungseinrichtung 30 zusätzlich zu den vorgenannten Kopplungsmitteln für Ring 34 und Bein 14 eine geschlitzte Auflagescheibe 32, die teilweise in einer das gelenkaußenseitige Ende des Gelenkzapfens 16 begrenzenden Ringnut aufgenommen ist. Der Gelenkzapfen 16 weist ferner eine Schulter 53 auf, die sein gelenkinnenseitiges Ende begrenzt. Diese Schulter 53 und die Scheibe 52 sind beiderseits des Nadelkranzes 38 und des Rings 34 angeordnet.
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Bis auf funktionelles Spiel ist auf diese Weise allein eine Relativdrehung um die Achse Y-Y zwischen dem Bein 14 und dem Ring 34 zugelassen.
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Ferner ist die Innenfläche der Außenrolle 32 zylindrisch mit Achse Z-Z, was für den Innenring 34 durch Zusammenwirken mit seiner sphärischen Außenfläche eine Gleit- und Kugelgelenksbewegung um die Achse Z-Z gegenüber der Rolle 32 zulässt.
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Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform entspricht der vorstehend beschriebenen. Die vom Bein 14 her zu übertragende Kraft T wird an die Außenrolle 32 in der Zone der Berührung angelegt, die der Innenring 34 mit dieser Rolle 32 aufrecht erhält.
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Dann verbleibt wie bei der vorstehenden Ausführungsform der Angriffspunkt der Radialkomponente TR der auf die Außenrolle 32 übertragenen Kraft dauernd zwischen den Ebenen TA und TB, wobei die Axialkomponente TA durch die beiden Berührzonen 37A, 37B eingeschlossen ist.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines homokinetischen Gelenks 1 gemäß der Erfindung, die sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform durch Folgendes unterscheidet.
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Die Außenrolle 32 ist aus zwei nebeneinander liegenden, in Bezug auf die Ebene P symmetrischen Hälften 33A und 33B gebildet.
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Mit Vorteil und wie in 4 dargestellt, weist die Innenfläche jeder Hälfte 33A, 33B jeweils eine nach innen springende Schulter 54A, 54B auf. Die beiden Abschnitte 33A und 33B, die zur Ausbildung der vollständigen Außenrolle nebeneinander liegen, die beiden Schulter 54A, 54B begrenzen einen Hohlraum, welcher die Kopplungsmittel 36 aufnimmt, die hier durch den Nadelkranz 38 gebildet sind.
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Die Axialhaltung des Innenrings 34 in Bezug auf die Achse Z-Z ist hier durch Einfügung des Nadelkranzes 38 in die Außenfläche dieses Rings 34 gewährleistet, welche einen Hohlraum 55 mit zur Innenfläche des Nadelkranzes 38 komplementärer Form mit zwei radial äußeren Endschultern 56A, 56B aufweist.
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Dieser Aufbau erlaubt, dass sich die gleichen Freiheiten und Beschränkungen der Bewegung zwischen der Kraftübertragungseinrichtung 30 und dem Bein 14 wiederfinden wie bei der ersten Ausführungsform, und die Arbeitsweise des Gelenks 1 ist identisch.
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Das Gelenk gemäß dieser vierten Ausführungsform bietet einen zusätzlichen Vorteil, weil seine Kopplungsmittel 36 keine Scheiben benötigen, da die Axialhaltung des Innenrings 34 in Bezug auf die Achse Z-Z direkt durch das Einfügen des Nadelkranzes 38 in den Hohlraum 55 sichergestellt wird, der seinerseits durch die Montage der beiden die Außenrolle bildenden Hälften 33A und 33B nebeneinander axial gehalten wird.
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Schließlich ist zu erwähnen, dass das Außenprofil der Außenrolle 32 in allen Figuren symmetrisch in Bezug auf die Mittelebene P der Rolle erscheint, dass es sich dabei aber keinesfalls um eine Einschränkung handelt. Eine asymmetrische Rolle 32 bleibt auch in Betracht ziehbar.