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Die Erfindung betrifft ein Taumelkugelgelenk mit einem Gehäuse, einem einen Zapfen und eine Gelenkkugel umfassenden Kugelzapfen, der mittels der Gelenkkugel bewegbar in dem Gehäuse gelagert ist und sich durch eine Zapfenöffnung des Gehäuses hindurch aus diesem heraus erstreckt, sodass der Zapfen aus dem Gehäuse herausragt, und einem Antrieb, mittels welchem der Kugelzapfen und das Gehäuse relativ zueinander bewegbar sind.
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Für schwenkbare Anhängerkupplungen werden Kugelgelenke eingesetzt, die eine Taumelbewegung ausführen können. Diese Kugelgelenke weisen nur einen Freiheitsgrad hinsichtlich einer räumlich taumelnden Bewegungsbahn auf. Eine derartige Anhängerkupplung umfasst eine Kugelkopfstange, die am Gehäuse des Kugelgelenks befestigt ist, dessen Kugelzapfen fest mit dem Fahrzeugaufbau, insbesondere mit einem Querträger im Bereich der hinteren Stoßstange verbunden ist. Das Kugelgelenk lässt eine Taumelbewegung der Kugelkopfstange mit nur einem Freiheitsgrad zu, wobei die Kugelkopfstange bei einer 180°-Drehung des Kugelgelenkes um ca. 90° schwenkt. In einer ausgefahrenen Stellung (Betriebsstellung) zeigt die Kugelkopfstange in Fahrtrichtung nach hinten, wobei der Kugelkopf in Fahrzeughochrichtung nach oben weist, um das Ankuppeln eines Anhängers zu ermöglichen. In einer eingefahrenen Stellung (Ruhestellung) zeigt die Kugelkopfstange hingegen quer zur Fahrtrichtung und ist von der Stoßstange verdeckt, sodass die Kugelkopfstange von außen nicht sichtbar ist. Die Betätigung der Kugelkopfstange erfolgt manuell, wobei nach dem Entriegeln der in der Ruhestellung positionierten Kugelkopfstange diese aufgrund ihres Eigengewichts in eine für eine Bedienperson leicht erreichbare Position nach unten schwenkt. Die Kugelkopfstange wird nun mit der Hand ergriffen und in Richtung der Betriebsstellung bewegt, bis sie einrastet.
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Diese manuelle, zum Teil die Hände beschmutzende Betätigung der Kugelkopfstange ist unerwünscht. Aus diesem Grund verlangt der Markt nach einer automatischen (z. B. elektromotorischen) Schwenkmöglichkeit für die Kugelkopfstange, insbesondere bei höherwertigen Fahrzeugen.
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Die
EP 1 894 752 A1 offenbart eine Anhängerkupplung mit einer an einem Fahrzeug montierten Lagerungseinrichtung, einem von der Lagerungseinrichtung abragenden Zughaken, den die Lagerungseinrichtung um winkelig zueinander weisende Kupplungsachsen rotatorisch beweglich lagert, um den Zughaken wahlweise in eine operative Position zum Anhängen eines Anhängers oder eine inoperative Position bewegen zu können, einer Kurvenbahn an dem Zughaken und einem von der Lagerungseinrichtung um eine Verstellradachse drehbar gelagerten und als Kegelzahnrad ausgebildeten Verstellrad, das in einem als Zahneingriff ausgebildeten Verstelleingriff mit dem Zughaken an der Kurvenbahn abrollbar ist und bei einer Drehbewegung um die Verstellradachse den Zughaken um wenigstens eine der Kupplungsachsen bewegt. Der Zughaken weist einen sphärischen Lagerkopf auf, der mit einem Lagergehäuse der Lagerungseinrichtung ein Gelenk bildet, wobei die Kurvenbahn um wenigstens eine der Kupplungsachsen einen Teilkreis beschreibt. Zum Antreiben des Verstellrads ist ein Motor vorgesehen. Am äußeren Umfang des Lagerkopfes ist eine Ausnehmung oder Nut geformt, in der die verzahnte Kurvenbahn angeordnet ist.
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Das Ausbilden einer gekrümmt verlaufenden Nut in einer Kugelfläche sowie einer diesem Verlauf folgenden Verzahnung an oder in dieser Nut ist mit einem relativ hohen Fertigungsaufwand verbunden. Ferner verläuft diese Nut zumindest teilweise im Bereich des Äquators der Kugelfläche des Lagerkopfs und reduziert dessen wirksame Lagerfläche in zumindest einer Hauptbelastungsrichtung.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Taumelkugelgelenk der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass zum Koppeln des Antriebs mit dem Kugelzapfen auf das Ausbilden einer Nut mit verzahnter Kurvenbahn in lagernden Bereichen der Kugelfläche der Gelenkkugel verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Taumelkugelgelenk nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
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Das erfindungsgemäße Taumelkugelgelenk weist ein Gehäuse, einen eine Gelenkkugel und einen Zapfen umfassenden Kugelzapfen, der mittels der Gelenkkugel bewegbar, vorzugsweise schwenkbar und/oder drehbar, in dem Gehäuse gelagert ist und sich durch eine Zapfenöffnung des Gehäuses hindurch aus diesem heraus erstreckt, sodass der Zapfen aus dem Gehäuse herausragt, und einen Antrieb auf, mittels welchem der Kugelzapfen und das Gehäuse relativ zueinander bewegbar sind, wobei eine dem Zapfen abgewandte Stirnseite der Gelenkkugel schräg zur Längsachse des Kugelzapfens verläuft und als Zahnradteller ausgebildet ist, der mit wenigstens zwei Kegelzahnrädern kämmt, die drehbar am Gehäuse gelagert und mittels des Antriebs drehbar sind.
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Da die Kopplung zwischen dem Antrieb und dem Kugelzapfen über den Zahnradteller an der dem Zapfen abgewandten Stirnseite der Gelenkkugel erfolgt, kann das Ausbilden einer Nut mit verzahnter Kurvenbahn in der lagernden Kugelfläche der Gelenkkugel vermieden werden. Die Stirnseite ist insbesondere nicht sphärisch ausgebildet. Vorzugsweise ist die Stirnseite, abgesehen von der Verzahnung des Zahnradtellers, im Wesentlichen flach oder abgeflacht ausgebildet. Da der Zahnradteller mit den Kegelzahnrädern kämmt, ist die Gelenkkugel mittels der Kegelzahnräder relativ zu dem Gehäuse drehbar, bevorzugt um eine Hauptdrehachse, die vorzugsweise mit der Längsachse des Gehäuses zusammenfällt und/oder diese definiert. Die Hauptdrehachse verläuft insbesondere schräg zur Längsachse des Kugelzapfens. Die Stirnseite ist bevorzugt senkrecht zur Hauptdrehachse und/oder zur Längsachse des Gehäuses ausgerichtet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein zweiter Zahnradteller vorgesehen, wobei die Kegelzahnräder zwischen den beiden Zahnradtellern angeordnet sind und mit dem zweiten Zahnradteller kämmen, der mittels des Antriebs zu einer Drehbewegung antreibbar ist. Der zweite Zahnradteller ermöglicht eine sehr kompakte Anordnung, da die Kegelzahnräder gemeinsam mittels des zweiten Zahnradtellers drehbar sind. Es reicht somit zum Drehen der Kegelzahnräder aus, den zweiten Zahnradteller mittels des Antriebs zu drehen.
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Der zweite Zahnradteller ist vorzugsweise um eine Tellerachse drehbar an dem Gehäuse gelagert und mittels des Antriebs um diese Achse drehbar. Die Tellerachse verläuft insbesondere schräg zur Längsachse des Kugelzapfens.
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Bevorzugt fällt die Tellerachse mit der Hauptdrehachse und/oder der Längsachse des Gehäuses zusammen.
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Der Antrieb ist vorzugsweise am Gehäuse befestigt. Insbesondere weist der Antrieb einen Motor auf, mittels welchem der zweite Zahnradteller drehbar ist. Der Motor ist vorzugsweise ein Elektromotor.
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Der Motor kann direkt mit dem zweiten Zahnradteller gekoppelt sein. Alternativ weist der Antrieb ein Getriebe auf, welches zwischen den Motor und den zweiten Zahnradteller geschaltet ist. Hierdurch kann eine Erhöhung des von dem Motor abgegebenen Drehmoments erzielt werden. Bevorzugt ist das Getriebe ein Planetengetriebe, da dieses flach baut und somit raumsparend ausbildbar ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung liegen die Drehachsen der Kegelzahnräder in einer gemeinsamen Ebene. Bevorzugt liegt auch die Hauptdrehachse und/oder die Tellerachse und/oder die Längsachse des Gehäuses in dieser Ebene. Die Kegelzahnräder sind insbesondere derart ausgerichtet, dass ihre Berührungslinien mit dem Zahnradteller der Gelenkkugel auf einer gemeinsamen Geraden liegen, die vorzugsweise senkrecht zur Hauptdrehachse und/oder zur Tellerachse und/oder zur Längsachse des Gehäuses verläuft. Diese Weiterbildungen der Erfindung sind insbesondere dann sinnvoll, wenn lediglich zwei Kegelzahnräder vorhanden sind.
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Der Kugelzapfen ist vorzugsweise in einer Langlochführung geführt. Die Langlochführung dient dazu, einen zweiten Freiheitsgrad zu blockieren, insbesondere wenn lediglich zwei Kegelzahnräder vorhanden sind. Die Langlochführung kann mittels einer Kulisse realisiert werden, die ein Langloch aufweist, durch welches sich der Kugelzapfen hindurch erstreckt. Beispielsweise ist es möglich, die Zapfenöffnung als Langloch auszubilden, sodass die Langlochführung durch die die Zapfenöffnung begrenzende Wandung gebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind insgesamt drei Kegelzahnräder vorgesehen und rings einer Achse angeordnet. In diesem Fall können zwei Freiheitsgrade blockiert werden, sodass auf eine Langlochführung für den Kugelzapfen verzichtet werden kann. Vorzugsweise sind die Kegelzahnräder in einem Abstand von 120° zueinander rings der Achse angeordnet. Die Achse fällt insbesondere mit der Hauptdrehachse und/oder der Tellerachse und/oder der Längsachse des Gehäuses zusammen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Verriegelungsvorrichtung vorgesehen, die wenigstens einen in einem schräg oder quer zur Längsrichtung des Kugelzapfens verlaufenden und in der Gelenkkugel vorgesehenen Führungskanal verschiebbar geführten Führungsstift aufweist, der in eine im Gehäuse vorgesehene Arretierungsausnehmung einrückbar ist. Somit ist das Taumelkugelgelenk in einer Betriebsstellung arretierbar. Die Arretierungsausnehmung ist insbesondere in der dem Kugelzapfen zugewandten Innenwandung des Gehäuses vorgesehen und z. B. ein Loch. Bevorzugt ist die Arretierungsausnehmung mulden- oder kalottenförmig.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sitzt in der Arretierungsausnehmung ein Druckelement, gegen dessen Druckkraft der Führungsstift in die Arretierungsausnehmung einrückbar ist. Bevorzugt umfasst das Druckelement einen federbelasteten oder federnd gelagerten Druckstift, sodass die Druckkraft durch eine Feder aufgebracht wird. Das Druckelement dient insbesondere dazu, den Führungsstift aus der Arretierungsausnehmung herauszuschieben, wenn das Taumelkugelgelenk zum Ausführen der Taumelbewegung entsperrt werden soll. Das Druckelement trägt somit dazu bei, das Taumelkugelgelnk aus dem arretierten Zustand heraus sicher in einen bewegbaren Zustand überführen zu können.
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An dem Gehäuse ist bevorzugt eine Kugelkopfstange befestigt, die an ihrem freien Ende einen Kugelkopf aufweist der mit einem Kupplungsschloss eines Anhängerfahrzeugs kuppelbar ist. Ferner ist der Kugelzapfen bevorzugt am Fahrzeugaufbau eines Kraftfahrzeugs befestigt, insbesondere an einem hinteren Querträger des Kraftfahrzeugs. Alternativ können aber auch das Gehäuse an dem Fahrzeugaufbau oder dem Querträger des Kraftfahrzeugs befestigt und der Kugelzapfen mit der Kugelkopfstange fest verbunden sein. Die Kugelkopfstange ist vorzugsweise gekrümmt ausgebildet Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, mit Hilfe eines Kegelradsatzes und einem kleinen Elektromotor, gegebenenfalls mit angeflanschtem Getriebe, den Wunsch nach einem vollautomatischen Taumelkugelgelenk zu erfüllen, ohne dessen Grundaufbau stark verändern zu müssen. Das Taumelkugelgelenk umfasst einen Kegelzahnradsatz und einen Elektromotor, wobei an der abgeschrägten Stirnseite der Gelenkkugel ein Kegelzahnradteller ausgebildet ist, vorzugsweise durch Fräsen. Zwei kleine, in entgegengesetzter Richtung und senkrecht zur Kugelhochachse bzw. zur Längsachse des Gehäuses angeordnete Kegelzahnräder sind im Gehäuse drehbar gelagert. Vorzugsweise sind die Kegelzahnräder auch parallel zu einem Verriegelungsmechanismus angeordnet. Ein zweiter Zahnradteller, der insbesondere dem ersten Zahnradteller der Gelenkkugel gegenüberliegend angeordnet ist, ist ebenfalls drehbar am Gehäuse gelagert. Ferner ist der Elektromotor an der Rückseite des Gehäuses angeflanscht und treibt den zweiten Zahnradteller an. Die Kontaktstellen der Kegelzahnräder mit der Gelenkkugel liegen insbesondere auf einer Linie, sodass beim Drehen der Gelenkkugel, bedingt durch die schräg abgeflachte Stirnseite, eine Taumelbewegung des Kugelzapfens erfolgt. Im Zusammenwirken mit dem ersten Zahnradteller reduzieren die Kegelzahnräder die Drehfreiheit des Kugelgelenks. Werden lediglich zwei Kegelzahnräder eingesetzt, wird zur Reduzierung eines zweiten Freiheitsgrads der Kugelzapfen insbesondere zusätzlich in einer Langlochöffnung geführt.
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Gemäß einer anderen Variante der Erfindung kann auf diese Langlochführung verzichtet werden, da drei Kegelzahnräder eingesetzt werden, die insbesondere einen Winkel von jeweils 120° miteinander einschließen. Die drei Kegelzahnräder reduzieren zwei Freiheitsgrade.
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Um den Elektromotor klein halten zu können, kann zwischen dem Motor und der Gehäusestirnseite ein Planetengetriebesatz zur Erhöhung des Motordrehmoments angeordnet sein, der sehr flach baut. Der Planetengetriebesatz ist zwischen den Elektromotor und den zweiten Zahnradteller geschaltet.
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Durch die Erfindung wird insbesondere die Möglichkeit eröffnet, mit Hilfe eines Kugelgelenks einem Kegelradsatz und einem Elektromotor in kostengünstiger und platzsparender Art und Weise eine Taumelbewegung zu realisieren, wobei auf das Design eines herkömmlichen Taumelkugelgelenks weitgehend aufgebaut werden kann. Die Taumelbewegung wird auf elektromechanischem Wege vollautomatisch herbeigeführt. Ferner ist ein spielfreies Taumeln des Kugelgelenks möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Taumelkugelgelenks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine andere teilweise Schnittansicht des Taumelkugelgelenks gemäß der ersten Ausführungsform und
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3 eine Draufsicht auf einen Zahnradteller mit Kegelzahnrädern gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Aus 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Taumelkugelgelenks 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei ein eine Gelenkkugel 2 und einen Zapfen 3 aufweisender Kugelzapfen 4 mit seiner Gelenkkugel 2 unter Zwischenschaltung einer Kugelschale 5 bewegbar in einem Gehäuse 6 gelagert ist. Die Kugelschale 5 und die Gelenkkugel 2 sind mittels eines Verschlussrings 7 im Gehäuse 6 fixiert, der dem Gehäuse zugerechnet wird. Der Verschlussring 7 begrenzt eine als Langloch ausgebildete Zapfenöffnung 8, durch welche hindurch sich der Kugelzapfen 4 aus dem Gehäuse 6 heraus erstreckt. An dem Gehäuse 6 ist ein Flansch 9 zum Befestigen einer Kugelkopfstange angebracht.
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Eine dem Zapfen 3 abgewandte, abgeflachte Stirnseite 10 der Gelenkkugel 2 verläuft schräg zur Längsachse 11 des Kugelzapfens 4 und ist als Zahnradteller ausgebildet. Mit dem Zahnradteller 10 kämmen zwei Kegelzahnräder 12 und 13, die jeweils um eine Drehachse 14 bzw. 15 drehbar am Gehäuse 6 gelagert sind. Die Berührungslinien der Kegelzahnräder 12 und 13 mit dem Zahnradteller 10 liegen auf einer Geraden 16, die senkrecht zur Längsachse 17 des Gehäuses 6 verläuft. Ferner liegen die Drehachsen 14 und 15 der Kegelzahnräder 12 und 13 in einer gemeinsamen Ebene, die hier durch die Blattebene gegeben ist. Dem Zahnradteller 10 gegenüberliegend ist ein zweiter Zahnradteller 18 angeordnet und um die Längsachse 17 drehbar am Gehäuse 6 gelagert. Der Zahnradteller 18 kämmt mit den Kegelzahnrädern 12 und 13, die zwischen den beiden Zahnradtellern 10 und 18 angeordnet sind. Am Gehäuse 6 ist ein Elektromotor 19 befestigt, der unter Zwischenschaltung eines Planetengetriebes 20 mit dem Zahnradteller 18 derart gekoppelt ist, dass dieser mittels des Motors 19 um die Längsachse 17 relativ zum Gehäuse 6 gedreht werden kann. Die antriebsseitig mit dem Getriebe 20 gekoppelte Motorwelle des Motors 19 ist mit dem Bezugszeichen 31 und die mit dem Zahnradteller 18 gekoppelte Abtriebswelle des Getriebes 20 ist mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet.
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Wird der Zahnradteller 18 um die Längsachse 17 gedreht, so treibt dieser die Kegelzahnräder 12 und 13 zu einer Drehbewegung um ihre jeweilige Drehachse 14 bzw. 15 an, was zu einer Drehbewegung der Gelenkkugel 10 um die Längsachse 17 führt. Da die Längsachse 11 des Kugelzapfens 4 mit der Längsachse 17 des Gehäuses 6 einen Taumelwinkel α einschließt, führt der Kugelzapfen 4 relativ zum Gehäuse 6 eine Taumelbewegung aus.
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Aus 2 ist eine andere teilweise Schnittansicht des Taumelkugelgelenks 1 ersichtlich, wobei allerdings in Abwandlung zu 1 das Planetengetriebe weggelassen wurde. Die Motorwelle 31 des Motors 19 ist somit direkt mit dem Zahnradteller 18 gekoppelt. In der Gelenkkugel 2 ist ein sich in Längsrichtung 11 des Kugelzapfens 4 erstreckendes Loch 21 vorgesehen, in dem ein Sperrbolzen 22 verschiebbar geführt ist. Quer zu dem Loch 21 erstreckt sich durch die Wandung der Gelenkkugel 2 in einer Führungsrichtung 30 ein Führungskanal 23 hindurch, in dem ein Führungsstift 24 verschiebbar geführt ist. Der Führungsstift 24 wird durch den Sperrbolzen 22 in eine Arretierungsausnehmung 25 des Gehäuses 6 gedrückt, sodass die Gelenkkugel 2 im Gehäuse 6 arretiert ist. Eine Bewegung des Kugelzapfens 4 relativ zum Gehäuse 6 ist somit in diesem Zustand nicht möglich. Wird allerdings der Sperrbolzen 22 in Richtung des Pfeils 26 von dem Führungsstift 24 abgerückt, wird dieser mittels eines federbelasteten Druckstifts 27 aus der Arretierungsausnehmung 25 ausgerückt, sodass der Kugelzapfen 4 relativ zum Gehäuse 6 bewegbar ist und eine Taumelbewegung ausführen kann.
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Aus 3 ist eine Draufsicht auf den Zahnradteller 10 eines Kugelzapfens eines Taumelkugelgelenks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind. Bevorzugt ist der Zahnradteller 10 für beide Ausführungsformen gleich ausgebildet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind gemäß der zweiten Ausführungsform aber insgesamt drei Kegelzahnräder 12, 13 und 28 vorgesehen, die rings der Längsachse 17, welche hier in die Blattebene hineinläuft, in Abständen von 120° angeordnet sind. Das Kegelzahnrand 28 ist um eine Drehachse 29 drehbar am Gehäuse 6 gelagert, wobei die Kegelzahnräder 12, 13 und 28 in gleicher Weise angetrieben werden, wie bei der ersten Ausführungsform.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Taumelkugelgelenk
- 2
- Gelenkkugel
- 3
- Zapfen
- 4
- Kugelzapfen
- 5
- Kugelschale
- 6
- Gehäuse
- 7
- Verschlussring
- 8
- Zapfenöffnung
- 9
- Flansch
- 10
- Stirnseite/Zahnradteller
- 11
- Längsachse des Kugelzapfens
- 12
- Kegelzahnrad
- 13
- Kegelzahnrad
- 14
- Drehachse des Kegelzahnrads
- 15
- Drehachse des Kegelzahnrads
- 16
- Gerade
- 17
- Längsachse des Gehäuses
- 18
- Zahnradteller
- 19
- Motor
- 20
- Getriebe
- 21
- Loch
- 22
- Sperrbolzen
- 23
- Führungskanal
- 24
- Führungsstift
- 25
- Arretierungsausnehmung
- 26
- Bewegungsrichtung Sperrbolzen
- 27
- Druckstift
- 28
- Kegelzahnrad
- 29
- Drehachse des Kegelzahnrads
- 30
- Führungsrichtung
- 31
- Motorwelle
- 32
- Abtriebswelle des Getriebes
- α
- Taumelwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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