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Die
Erfindung betrifft eine Überlagerungslenkung für
ein Fahrzeug, insbesondere für eine Servo- oder Hilfskraftlenkung
eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Überlagerungslenkungen
für Fahrzeuge sind bekannt und zeichnen sich dadurch aus,
dass dem von einem Fahrer an einer Lenkhandhabe gewählten Lenkwinkel
bei Bedarf ein zusätzlicher Drehwinkel durch einen Servomotor
mit Getriebe überlagert werden kann. Der zusätzliche
Drehwinkel wird durch eine elektronische Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
(ASP-Regler) gesteuert und dient zur Erhöhung der Fahrstabilität
des Fahrzeugs oder zu sonstigen Zwecken. Beispielsweise wird dazu
ein Überlagerungsgetriebe, das als Planetenradgetriebe, wie
es in der
DE 101 59
800 A1 oder als Wellgetriebe (harmonic drive), wie es in
der
US 6 938 724 B1 offenbart
ist, herangezogen.
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Die Übersetzung
der Servo- oder Hilfskraftlenkung setzt sich aus den Übersetzungen
des jeweiligen Lenkgetriebes und des Überlagerungsgetriebes zusammen.
Ein Überlagerungsgetriebe weist zu diesem Zweck eine erste
Getriebeeingangswelle und eine zweite Getriebeeinganswelle auf und überlagert die
an den beiden Getriebeeingangswellen auftretenden Drehwinkel auf
eine Getriebeausgangswelle, die mit einem Lenkgetriebe und lenkbaren
Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden ist. Soll die Übersetzung beispielsweise
aus fahrdynamischen Gründen geändert werden, wird
im Fall eines Planetenradgetriebes als Überlagerungsgetriebe
der Käfig über einen elektrischen Servomotor angetrieben.
Bei einem Well- oder Pulsatorgetriebe wird ein exzentrischer Antriebskern
des Wellgetriebes durch einen Servomotor in Drehung versetzt.
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Um
bei abgeschaltetem Servomotor, etwa bei Ausfall dessen Energieversorgung,
die Funktion der Überlagerungslenkung aufrecht zu erhalten
und nicht den an einer Lenkhandhabe durch den Fahrer auf die erste
Getriebeeingangswelle eingegebenen Soll-Lenkwinkel durch einen Leerlauf
der mit dem Servomotor wirkverbundenen zweiten Getriebeeingangswelle
zu kompensieren, sind Verriegelungseinrichtungen, wie sie etwa in
der
DE 103 34 057
A1 offenbart ist, bekannt.
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Die
bekannten Wellgetriebe, die als Überlagerungsgetriebe eingesetzt
sind, und die dazu verwendeten Servomotoren sind aufgrund ihrer
Dimensionierung und insbesondere ihrer unterschiedlichen Abmaße
in Bezug auf ihre Montage und in Bezug auf ihren Einbau in ein Fahrzeug
(package) nicht optimiert und bedürfen eines nicht minimierten
Aufwandes diesbezüglich. Zudem verhindern ihre Verriegelungseinrichtungen
aufgrund ihrer Dimensionierung eine rasche Montage. Im Fall der
Leistungsflußumkehr, also im Fehlerfall, verursachen die
verschiedenen Massenträgheitsmomente der Wellgetriebe-
und der Servomotormassen aufgrund ihrer verschiedenen Dämpfungskonstanten
vermeidbare Spannungsspitzen in den rotierenden Teilen (keine homogene Kette).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlagerungslenkung
zu schaffen, die betriebssicher ist und rasch zu montieren und flexibel und
rasch in ein Fahrzeug einbaubar ist.
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Die
Aufgabe wird mit einer Überlagerungslenkung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch
daß ein Gehäuse des Wellgetriebes und/oder ein
Gehäuse des Servomotors der Überlagerungslenkung
so konstruiert sind, dass sie karosseriefest in einem Fahrzeug angeordnet
werden können und dass zumindest bei der Wahl der Dimensionierung
der zweiten Getriebeeingangswelle und der ersten Getriebeeingangswelle
oder Lenkwelle im Axialbereich des Servomotors und des Wellgetriebes darauf
geachtet wird, dass diese quasi gegenseitig eine Zentrierfunktion
für sich und für an diesen Wellen angebaute Bauteile übernehmen
können, indem das Verhältnis des kleinsten Innendurchmessers
der zweiten Getriebeeingangswelle zu dem Außendurchmesser
der Lenkwelle so gewählt ist, dass dieses etwa 1 bis 2,
vorzugsweise nahe 1 beträgt, ist eine Überlagerungslenkung
geschaffen, die einfach und rasch in eine Fahrzeugkarosserie einbaubar
ist und deren sämtliche Komponenten ihres Wellgetriebes beispielsweise
auf die fliegend vormontiert vorliegenden erste und zweite Getriebeeingangswelle
rasch selbstzentrierend montierbar sind.
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Bevorzugte
Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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De
erfindungsgemäße Überlagerungslenkung
weist bevorzugt ein Verhältnis des Außendurchmessers
eines elektrischen Stators des Servomotors im Axialbereich des Servomotors
zu dem Außendurchmesser der Getriebeausgangswelle im Axialbereich
des Wellgetriebes auf, das zumindest im Axialbereich des Servomotors
zwischen etwa 0,5 und 2 liegt. Durch die Wahl dieses Größenverhältnisses sind
günstige package-Verhältnisse geschaffen.
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An
die Massenträgheitsmomente der drehenden Teile des Wellgetriebes
angepasste Massenträgheitsmomente des Servomotors ergeben
sich aus der Wahl des Verhältnisses des Innendurchmessers
eines Rotors eines elektrischen Servomotors zu dem Außendurchmesser
des Rotors, das etwa 0,3 bis 0,9 beträgt. Ist der Rotor
unmittelbar auf der als Hohlwelle gebildeten, zweiten Getriebeeingangswelle
montiert, so ergeben sich solche angepassten Massenträgheitsmomente
bei einem Verhältnis des Außendurchmessers des
Rotors zu dem Außendurchmesser der zweiten Getriebeeingangswelle
von etwa 1,1 bis 3. Eine in ihrem Konturverlauf ohne größere
Sprünge ausgebildete Außenfläche von
Servomotor und Wellgetriebe und damit gute package-Verhältniss
ergeben sich, wenn erfindungsgemäß das Verhältnis
der aktiven Länge des Rotors zu der Länge einer
Membran einer radialflexiblen Abrollbuchse des Wellgetriebes etwa
zu 0,5 bis 1,5 gewählt wird.
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Die
erfindungsgemäße Überlagerungslenkung
kann bevorzugt eine Verriegelungseinrichtung aufweisen. Zu diesem
Zweck weist die zweite Getriebeeingangswelle einen Bund auf oder
ist drehfest mit einem Innenring der Verriegelungseinrichtung verbunden,
wobei der Innenring ein oder mehrere vorzugsweise radial verlaufende
Vorsprünge trägt, die unter Zwischenlage eines
geräuschdämpfenden Elements mit elastomeren Eigenschaften
in eine oder mehrere Ausnehmungen eines den Innenring radial umschließenden
Außenrings eingreifen. Der Außenring weist vorzugsweise
an seinem radialen Umfang taschenartige Vertiefungen mit ein oder
mehreren Vorsprüngen auf, die als Anschläge für
ein Sperrelement der Verriegelungseinrichtung dienen. Mit Hilfe des
Sperrelements lässt sich die zweite Getriebeeingangswelle
und damit der Rotor des Servomotors an dem karosseriefesten Gehäuse
des Wellgetriebes oder des Servomotors formschlüssig lösbar
festlegen.
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Um
die Massenträgheitsmomente der rotierenden Teile der Verriegelungseinrichtung
an die Massenträgheitsmomente des Wellgetriebes und die des
Servomotors anzu passen, kann es zweckmäßig sein,
das Verhältnis des Außendurchmessers des Rotors
bevorzugt zu dem größten Außendurchmesser
des Außenrings der Verriegelungseinrichtung bei etwa 0,5
bis 1,5 zu wählen.
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Es
hat sich überraschend gezeigt, dass bei der Wahl des Verhältnisses
des größten Außendurchmessers des Außenrings
der Verriegelungseinrichtung zu dem kleinsten Durchmesser des Innenrings
von etwa 1,1 bis 3 diese Verhältnisse der Massenträgheitsmomente
unterstützt werden, insbesondere auch, wenn der Außenring
und der Innenring so dimensioniert werden, dass das Verhältnis
des größten Außendurchmessers des Innenrings
zu dem größten Außendurchmesser des Außenrings
etwa 0,3 bis 1,5 beträgt.
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Besonders
günstige Verhältnisse der Massenträgheitsmomente
und besonders günstige Montageverhältnisse von
Verriegelungseinrichtung zu Servomotor ergeben sich, wenn das Verhältnis
des größten Außendurchmessers des Außenrings
zu dem Außendurchmesser des Rotors etwa 0,5 bis 1,5 beträgt.
Dies unterstützt auch die Wahl des Verhältnisses
des größten Außendurchmessers des Außenrings
zu dem Außendurchmesser des Stators des Servomotors von
etwa 0,2 bis 1,2.
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Günstige
Einbau – und package-Verhältnisse der Überlagerungslenkung
ergeben sich durch gleichgroße oder ähnlich große
Außenabmessungen oder Außendurchmesser der Gehäuse
des Wellgetriebes und des Servomotors. Der Durchmesser der Getriebeausgangswelle
kann gleich oder ähnlich groß gewählt
werden, wie der Außendurchmesser des Stators des Servomotors.
Es kann zweckmäßig sein, das Verhältnis
zwischen 0,5 bis 1,5 zu wählen. In einem aus package-Gründen
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Überlagerungslenkung
ist der Servomotor etwa gleichlang oder genau gleich lang wie das
Wellgetriebe. Es kann auch zweckmäßig sein, das
Verhältnis der Länge des Servomotors zu der Länge
des Wellgetriebes zwischen 0,5 und 1,5 zu wählen.
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Die
Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
In der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
elektrische Überlagerungslenkung,
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2 einen
Querschnitt entlang der Linie II-II in 1.
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In 1 ist
in einem Längsschnitt eine als Active Steering ausgebildete Überlagerungslenkung 1 für
einen Personenkraftwagen gezeigt. Sie besteht aus einem als elektrischen
Hohlwellenmotor ausgebildeten Servomotor 9, der sich an
einem karosseriefesten Bauteil über ein Schwenklager 26 an
seinem Gehäuse 25 abstützt. Eine Lenkwelle 7,
die drehfest mit einer Lenkhandhabe 8 verbunden ist, bildet
eine erste Getriebeeingangswelle 2 für ein zu
der Überlagerungslenkung 1 gehörigen Überlagerungsgetriebe 5.
Das Überlagerungsgetriebe 5 ist als Wellgetriebe 4 gebildet
und dessen Gehäuse 24 ist mit dem Gehäuse 25 des
Servomotors 9 verschraubt. Das Wellgetriebe 4 dient
zur Überlagerung eines auf die erste Getriebeeingangswelle 2 aufgebrachten
Lenkwinkel mit einem, von dem Servomotor 9 auf eine zweite Getriebeeingangswelle 3,
die koaxial um die erste Getriebeeingangswelle 2 angeordnet
ist, aufgebrachten Drehwinkel. Auf der zweiten Getriebeeingangswelle 3 sind
Magnete eines Rotors 11 festgelegt.
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Das
Verhältnis des Innendurchmessers dIW2 der
zweiten Getriebeeingangswelle 3 zu dem Außendurchmesser
dAW1, der ersten Getriebeeingangswelle 2 oder
Lenkwelle 7 im Axialbereich A des Servomotors 9 und
des Wellgetriebes 4 ist nahe 1 gewählt,
sodaß die beiden Getriebeeingangswellen 2, 3 zentrieren
und an und auf ihnen alle rotierenden und nicht rotierenden Teile
insbesondere des Wellgetriebes 4 in fliegender Anordnung
montierbar sind und anschließend statisch und dynamisch
zentriert werden können, bevor das Wellgetriebegehäuse
und das Servomotorgehäuse endgültig verschraubt
werden. Zur Unterbrechung eines Schallpfades von der ersten zu der
zweiten Getriebeeingangswelle 3 sind die erste Getriebeeingangswelle 2 und
die zweite Getriebeeingangswelle 3 in Wälzlagern 27 in
dem Gehäuse 25 des Servomotors 9 gelagert.
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Die
zweite Getriebeeingangswelle 3 ist einstückig
mit einem exzentrischen Antriebskern 28 gebildet. Um den
ellipsenförmigen Umfang des exzentrischen Antriebskerns 28 ist
ein flexibles Kugellager 29 aufgezogen. Der exzentrische
Antriebskern 28 greift mit seiner axialen Erstreckung in
eine aus elastischem Stahlblech gebildete, topfförmige,
einstückig mit einer Membran 12 gebildeten radialflexiblen
Abrollbuchse 13 ein. Die radialflexible Abrollbuchse 13 greift
unter Wirkung der ellipsenförmigen Aufweitung ihrer Membran 12 durch
den exzentrischen Antriebskern 28 mit einer Außenverzahnung
an ihrer Membran 12 in an sich bekannter Weise in eine
Innenverzahnung an einem drehfest mit einer Getriebeausgangswelle 6 des Überlagerungsgetriebes 5 verbundenen
Stützring 30 ein. Der Stützring 30,
der Getriebeeingangswellen 2, 3 und die Getriebeausgangswelle 6 sind
konzentrisch zueinander angeordnet. Der innenverzahnte Stützring 30 weist
eine größere Zähnezahl (z. B. um 2 Zähne
größere) auf als die radialflexible Abrollbuchse 13,
wodurch eine Verdrehung des Stützrings 30 und
damit der Getriebeausgangswelle 6 relativ zu der ersten
Getriebeeingangswelle 2 pro Umdrehung des exzentrischen
Antriebskernes 28 um die Differenz der Zähnezahl
erfolgt. Die erste Getriebeeingangswelle 2 und die radialflexible Abrollbuchse 13 sind
drehfest verbunden.
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Um
bei einer Fehlfunktion oder bei einem Ausfall des Servomotors 9 zu
verhindern, dass die zweite Getriebeeingangswelle 3 mit
dem Rotor 11 dreht und somit eine Übertragung
eines Drehwinkels der ersten Getriebeeingangswelle 2 und
der Lenkhandhabe 8 über die radialflexible Abrollbuchse 13 auf
den Stützring 30 und die Getriebeausgangswelle 6 gänzlich
unmöglich gemacht und das Fahrzeug nicht steuerbar ist,
ist eine elektromechanische Verriegelungseinrichtung 14,
wie sie in den 1 und 2 gezeigt
ist, zur formschlüssigen Festlegung der zweiten Getriebeeingangswelle 3 an
dem karosseriefesten Gehäuse 24 des Wellgetriebes 4 vorgesehen.
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Die
Verriegelungseinrichtung 14 ist aus einem Innenring 15,
der mit Hilfe einer Kerbzahnwellenverbindung auf der zweiten Getriebeeingangswelle 3 festgelegt
ist, einem Außenring 19, der den Innenring 15 radial
umgibt und einem dazwischen angeordneten Geräuschdämpfungselement 17 mit elastomeren
Eigenschaften gebildet. Der Innenring 15 weist, wie 2 zeigt,
mit 120 °Versatz zueinander im Wechsel je drei stiftförmige
Vorsprünge 16' und je drei höckerförmige
Vorsprünge 16 auf, die in insgesamt sechs Ausnehmungen 18 eingreifen.
Das Geräuschdämpfungselement 17 mit elastomeren
Eigenschaften dient zur Schwingungsentkopplung und zur Schaffung
einer definierten Verdrehmöglichkeit des Innenrings 15 relativ
zu dem Außenring 19. Es umgibt alle tangentialen
Anschlagflächen der Vorsprünge 16, 16' zu
dem Außenring 19 hin. Der Außenring 19 weist
in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
in seiner radial äußeren Umfangsfläche
taschenartige Vertiefungen 20 auf, in deren Mitte je ein
Vorsprung 21, der als Anschlag 22 für
ein axialbeweglich gelagertes Sperrelement 23 dient, angeordnet
ist.
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Das
Sperrelement 23 ist zur Schwingungsentkopplung mit dem
Gehäuse 24 in einer elastischen Führung 31 gehalten.
Es hat sich gezeigt, dass besonders günstige räumliche
Verhältnisse für die Montage der Überlagerungslenkung 1 entstehen, wenn
das Verhältnis des Außendurchmessers dAS des Stators 10 des Servomotors 9 zu
dem Außendurchmesser dAW3 der Getriebeausgangswelle 6 im Axialbereich
AS des Servomotors 9 etwa 0,5 bis
2 ist.
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Zur
Anpassung der Massenträgheitsmomente rotierender Teile
des Servomotors 9, des Wellgetriebes 4 und der
Verriegelungseinrichtung 14 ist es zweckmäßig,
das Verhältnis des Innendurchmessers dIR des
Rotors 11 des Servomotors 9 zu seinem Außendurchmesser
dAR etwa zwischen 0,3 und 0,9 zu wählen.
In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt dieses etwa 0,6.
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Auch
aus denselben Gründen ist es zweckmäßig
das Verhältnis des Außendurchmessers dAR des Rotors 11 zu dem Außendurchmesser
dAW2 der zweiten Getriebeeingangswelle 3 etwa
1,1 bis 3 zu wählen. In dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel beträgt dieses Verhältnis
1,7.
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Günstige
Einbauverhältnisse der Überlagerungslenkung 1 ergeben
sich, wenn das Vehältnis der aktiven Länge LR des Rotors 11 zu der Länge
LM der Membran 12 der radialflexiblen
Abrollbuchse 13 des Wellgetriebes 4 etwa 0,5 bis
1,5 beträgt. In dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel beträgt dieses Verhältnis
0,77.
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Die
Montageverhältnisse der Überlagerungslenkung 1 und
ein gutes Dämpfungsmoment bei Leistungsflußumkehr
erreicht man bevorzugt auch durch die Wahl des Verhältnisses
des Außendurchmessers dAR des Rotors 11 zu
dem größten Außendurchmesser dAA des Aussenrings 19 der Verriegelungseinrichtung 14 zwischen
0,5 und 1,5. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt dieses 0,97. Ein gewähltes Größenverhältnis
des größten Außendurchmessers dAA des Außenrings 19 der Verriegelungseinrichtung 14 zu
dem kleinsten Durchmesser dII des Innenrings 15 von
etwa 1,1 bis 3 unterstützt diese gewünschten Eigenschaften
der Überlagerungslenkung 1 zudem, wie auch das
Verhältnis des größten Außendurchmessers
dAA des Innenrings 15 zu dem größten
Außendurchmesser dAA des Außenrings 19 im
Bereich zwischen 0,3 und 1,5.
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Die
beiden letztgenannten Größenverhältnisse
betragen in dem Ausführungsbeispiel in 1 1,8
bzw. 1,34.
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Es
ist zweckmäßig, um die rotierenden Teile des Servomotors 9 und
der Verriegelungseinrichtung 14 einfach auf die Getriebeeingangswellen 2, 3 aufschieben
zu können, den größten Aussendruchmesser
dAA des Außenrings 19 der
Verriegelungseinrichtung 14 etwa gleichgroß wie
den Außendurchmesser dAR des Rotors 11 zu
wählten. Es ist zweckmäßig, das Verhältnis
des größten Außendurchmessers dAA des Außenrings 19 zu
dem Außendurchmesser dAS des Stators 10 etwa
zwischen 0,2 und 1,2 zu wählen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt es 0,62.
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Es
ist ferner zweckmäßig, das Verhältnis
des größten Außendurchmessers dAW3 der Getriebeausgangswelle 6 zu
dem Außendurchmesser dAS des Stators 10 des
Servomotors 9 etwa 0,5 bis 1,5 zu wählen.
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Die
Gehäuse 24 und 25 des Wellgetriebes 4 und
des Servomotors 9 sind insbesondere in ihrem Außendurchmesser
dAW und dAG gleich
oder ähnlich zu wählen um eine möglichst
stufenarme Außenkontur der Überlagerungslenkung 1 zu
erhalten. Auch die Längen LS, LW der Gehäuse 25 und 24 sind ähnlich oder
gleich gewählt.
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- 1
- Überlagerungslenkung
- 2
- Getriebeeingangswelle,
erste
- 3
- Getriebeeingangswelle,
zweite
- 4
- Wellgetriebe
- 5
- Überlagerungsgetriebe
- 6
- Getriebeausgangswelle
- 7
- Lenkwelle
- 8
- Lenkhandhabe
- 9
- Servomotor
- 10
- Stator
- 11
- Rotor
- 12
- Membran
- 13
- Abrollbuchse,
radialflexibel
- 14
- Verriegelungseinrichtung
- 15
- Innenring
- 16,
16'
- Vorsprung
- 17
- Dämpfungselement
- 18
- Ausnehmung
- 19
- Außenring
- 20
- Vertiefung
- 21
- Vorsprung,
an 20
- 22
- Anschlag
- 23
- Sperrelement
- 24
- Gehäuse,
v. 4
- 25
- Gehäuse,
v. 9
- 26
- Schwenklager
- 27
- Wälzlager
- 28
- Antriebskern,
exzentrisch
- 29
- Kugellager,
flexibel
- 30
- Stützring
- 31
- Führung,
elastisch
- dIW2
- Innendurchmesser,
v. 3
- dAW1
- Außendurchmesser,
v. 2
- A
- Axialbereich
- dAS
- Außendurchmesser,
v. 10
- LR
- Länge,
aktiv, v. 11
- LM
- Länge,
v. 12
- dAW3
- Außendurchmesser,
v. 6
- AS
- Axialbereich,
v. 9
- dIR
- Innendurchmesser,
v. 11
- dAR
- Außendurchmesser,
v. 11
- dAW2
- Außendurchmesser,
v. 3
- dAA
- Außendurchmesser,
v. 19
- dII
- Innendurchmesser,
v. 15
- dAI
- Außendurchmesser,
v. 15
- LS
- Länge,
v. 9
- LW
- Länge,
v. 4
- dAW
- Außendurchmesser,
v. 24
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10159800
A1 [0002]
- - US 6938724 B1 [0002]
- - DE 10334057 A1 [0004]