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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung, insbesondere für den Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung.
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Verbindungsanordnungen der genannten Art sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie können beispielsweise ein Differentials umfassen, das ein Eingangsteil und zwei hiermit antriebsverbundene Ausgangsteile, aufweist die untereinander eine ausgleichende Wirkung haben. Hiermit wird eine unterschiedliche Drehzahl der Ausgangsteile ermöglicht, beispielsweise bei Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs. Es sind auch Verbindungsanordnungen bekannt, die eine Kupplung umfassen, beispielsweise zum bedarfsweisen Antreiben einer sekundären Antriebsachse im Antriebsstrang eines mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Aus der
DE 10 2004 034 736 A1 ist ein Differential für eine Fahrzeugachse bekannt. Das Differential umfaßt einen Differentialkorb und einen Differentialdeckel, die mit einem Tellerrad verbunden sind. Der Differentialkorb ist mit dem Differentialdeckel und dem Tellerrad über eine Radialschweißnaht verbunden. Hierfür hat der Differentialkorb an seinem Umfang im Flanschbereich der Tellerradanlage Aussparungen, in die Segmente des Differentialdeckels eingreifen. So kommen der Differentialkorb und der Differentialdeckel mit dem Tellerrad zur Anlage und die drei Teile sind mit nur einer Radialschweißnaht verbindbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsanordnung, insbesondere für den Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen, das eine einfache und kostengünstige Fertigung und Montage ermöglicht. Die Aufgabe besteht weiter darin, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung vorzuschlagen.
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Die Lösung besteht in einer Verbindungsanordnung umfassend ein Gehäuse, das ein erstes Gehäuseteil mit einem ersten Flanschabschnitt und ein zweites Gehäuseteil mit einem zweiten Flanschabschnitt aufweist, und ein Antriebsrad, das zumindest einen Aufnahmeabschnitt für das Gehäuse und einen diesen seitlich begrenzende Stützfläche aufweist, wobei der erste Flanschabschnitt des ersten Gehäuseteils axial zwischen der Stützfläche des Antriebsrad und dem zweiten Flanschabschnitt des zweiten Gehäuseteil angeordnet ist, und wobei der zweite Flanschabschnitt mit dem Antriebsrad verschweißt ist.
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Der Vorteil besteht darin, daß der Fertigungs- und Montageaufwand zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung besonders gering ist. Es ist lediglich eine einzige Schweißverbindung erforderlich, mit der gleichzeitig drei Bauteile, nämlich das Antriebsrad, das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil miteinander fest verbunden werden. Somit ist die Fertigung besonders schnell und kostengünstig. Außerdem hat die Verbindungsanordnung ein geringes Gewicht, da keine zusätzlichen Verbindungsmittel, wie Schrauben verwendet werden müssen.
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Bei dem Antriebsrad handelt es sich insbesondere um ein Zahnrad, das beispielsweise in Form eines Ringrads oder Tellerrads gestaltet sein kann. Das Zahnrad dient zum Einleiten eines Drehmoments in die Verbindungsanordnung. Anstelle eines Zahnrads kann auch eine Riemenscheibe oder eine Kettenscheibe zum Einleiten eines Drehmoments verwendet werden. Als Verbindungsanordnung wird im Rahmen der Erfindung eine Anordnung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verstanden, die drei oder mehr Bauteile miteinander verbindet, wobei ein Drehmoment von einem der Bauteile der Verbindungsanordnung, nämlich dem Antriebsrad, auf zumindest ein weiteres Bauteil der Verbindungsanordnung, nämlich dem zweiten Gehäuseteil, direkt übertragbar ist. Ein bevorzugtes Beispiel für eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ist ein Differential, welches über das Antriebsrad eingeleitetes Drehmoment aufteilt und auf zwei Ausgangsteile überträgt. Eine andere Anwendung könnte eine Kupplung sein, die zum Zuschalten einer sekundären Antriebsachse im Antriebsstrang eines mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugs dient.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind sowohl das erste Gehäuseteil mit seinem ersten Flanschabschnitt als auch das zweite Gehäuseteil mit seinem zweiten Flanschabschnitt in dem Aufnahmeabschnitt des Antriebsrads angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß lediglich eine Fläche im Aufnahmeabschnitt bearbeitet werden muß, die den Zentriersitz sowohl für den ersten Flanschabschnitt als auch für den zweiten Flanschabschnitt bildet. Auf diese Weise wird ein verbesserter Rund- und Planlauf erreicht. Es ist jedoch auch möglich, daß das Antriebsrad einen ersten Aufnahmeabschnitt für den ersten Flanschabschnitt sowie einen zweiten Aufnahmeabschnitt für den zweiten Flanschabschnitt aufweist, wobei der erste und der zweite Aufnahmeabschnitt bzw. der erste und der zweite Flanschabschnitt unterschiedliche Durchmesser haben können.
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Die Innenfläche des Aufnahmeabschnitts und die Außenflächen des ersten und zweiten Flanschabschnitts sind vorzugsweise zylindrisch, so daß sie einfach hergestellt werden können, beispielsweise durch eine Drehoperation. Der erste und der zweite Flanschabschnitt haben dabei vorzugsweise denselben Außendurchmesser. Es ist jedoch auch denkbar, daß der erste bzw. der zweite Flanschabschnitt und die entsprechende Aufnahmefläche konisch gestaltet sind. Hiermit lassen sich hohe Reibungskräfte erzeugen. In eingesetztem Zustand der beiden Flanschabschnitte schließt eine Seitenfläche des zweiten Flanschabschnitts vorzugsweise zumindest etwa bündig mit einer Seitenfläche des Antriebsrads ab. Der erste Flanschabschnitt kann, zumindest in einem Teilbereich der radialen Überdeckung mit der Stützfläche, eine kürzere axiale Erstreckung als der zweite Flanschabschnitt aufweisen.
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Es ist vorgesehen, daß ausschließlich der zweite Flanschabschnitt mit dem Antriebsrad verschweißt ist, wobei ein Fügebereich zwischen dem Antriebsring und dem zweiten Flanschabschnitt insbesondere so gestaltet ist, daß der erste Flanschabschnitt durch die beim Abkühlen der Schweißnaht entstehenden Schrumpfkräfte axial beaufschlagt wird. In günstiger Weise wird somit die Schrumpfung der Bauteile, die beim Abkühlen nach dem Schweißen entsteht, dazu genutzt, eine axiale Vorspannung des ersten Flanschabschnitts zu erzeugen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest zwischen dem ersten Flanschabschnitt des ersten Gehäuseteils und dem Aufnahmeabschnitt des Antriebsrads eine Übermaßpassung gebildet ist, die auch als Preßpassung bezeichnet wird. In vorteilhafter Weiterbildung ist auch zwischen dem zweiten Flanschabschnitt des zweiten Gehäuseteils und dem Aufnahmeabschnitt eine solche Übermaßpassung gebildet. Nach dem Schweißvorgang ist der erste Flanschabschnitt axial zwischen der Stützfläche des Antriebsrads und dem zweiten Flanschabschnitt axial fixiert. Die Stützfläche des Antriebsrads ist vorzugsweise durch einen umlaufenden Innenflansch des Antriebsrads gebildet, der sich von der Innenfläche des Aufnahmeabschnitts nach radial innen erstreckt. Anstelle des umlaufenden Innenflanschs können selbstverständlich auch mehrere über den Umfang verteilte Flanschsegmente oder Mitnahmesegmente vorgesehen sein, die den Aufnahmeabschnitt seitlich begrenzen und so einen axialen Anschlag bilden.
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Aufgrund der Übermaßpassung sitzen der erste bzw. zweite Flanschabschnitt mit radialer Vorspannung in dem Antriebsrad ein, so daß bereits in nicht-verschweißtem Zustand ein gewisses Drehmoment aufgebracht werden müßte, um das erste bzw. zweite Gehäuseteil gegenüber dem Antriebsrad zu verdrehen. Nach dem Schweißvorgang ist das zur Verdrehung des ersten Gehäuseteils relativ zum Antriebsrad erforderliche Drehmoment aufgrund der durch die beim Abkühlen entstehenden Schrumpfkräfte und die so erzeugte axialen Vorspannung deutlich erhöht, insbesondere mindestens um mehr als Doppelte. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Vorspannkräfte nach dem Verschweißen so hoch sind, daß eine Relativdrehung des ersten Gehäuseteils relativ zum zweiten Gehäuseteil bzw. dem Antriebsrad vermieden wird, ohne daß zusätzliche Verdrehsicherungsmittel erforderlich sind.
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Eine besonders hohe axiale Vorspannung wird dadurch erreicht, daß zumindest eines der Bauteile Antriebsrad oder zweiter Flanschabschnitt, vorzugsweise beide der genannten Bauteile, im Fügebereich eine Ringlippe mit einer bestimmten Geometrie aufweisen. Unter Ringlippe wird hier ein Abschnitt des Antriebsrads bzw. des zweiten Flanschabschnitts verstanden, der eine axiale Erstreckungskomponente von dem Bauteil weg aufweist. Die Ringlippen sind in eingesetztem Zustand des zweiten Flanschabschnitts in den Aufnahmeabschnitt vorzugsweise zumindest teilweise miteinander in Anlagekontakt. Gegebenenfalls kann zwischen den Ringlippen im Bereich des seitlichen Endes des Fügebereichs eine V-Nut zur Aufnahme von Schweißdraht vorgesehen werden. Der zwischen den Ringlippen gebildete Fügebereich, der später verschweißt wird, wird vorzugsweise durch eine ringförmige Ausnehmung im Inneren des Antriebsrads bzw. des zweiten Flanschabschnitts seitlich begrenzt. Die innere Ausnehmung ist insbesondere durch eine erste Ringnut in der zylindrischen Innenfläche des Aufnahmeabschnitts sowie eine dieser gegenüberliegende zweite Ringnut in der zylindrischen Außenfläche des zweiten Flanschabschnitts gebildet.
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Der Antriebsring und/oder das zweite Gehäuseteil haben nach einer bevorzugten Ausgestaltung in einer Seitenfläche eine ringförmige Ausnehmung, die radial beabstandet zum Fügebereich angeordnet ist. Die ringförmige seitliche Ausnehmung erstreckt sich vorzugsweise mindestens über die halbe axiale Länge der Ringlippe, insbesondere zumindest etwa bis zur Ringnut. Die ringförmige Ausnehmung ist zur jeweiligen Ringlippe hin vorzugsweise konisch gestaltet, wobei sich die Lippe in axialer Richtung zur Seitenwand verjüngt. Insgesamt ergibt sich durch diese Ausgestaltung eine besonders hohe axiale Vorspannung des ersten Flanschabschnitts, so daß eine Verdrehung des ersten Gehäuseteils zum Antriebsrad bzw. dem zweiten Gehäuseteil verhindert wird.
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Nach einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform können für eine besonders zuverlässige Fixierung Verdrehsicherungsmittel vorgesehen werden, die zumindest mittelbar zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem Antriebsrad wirksam sind. Zumindest mittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang, das die Verdrehsicherungsmittel direkt zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem Antriebsrad gebildet sein können, oder indirekt, indem sie zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil wirksam angeordnet sind. Die Verdrehsicherungsmittel können beispielsweise in Form eines oder mehrerer Vorsprünge gestaltet sein, die an einem der beiden Bauteile angeformt sind, und die in entsprechende Ausnehmungen des anderen der beiden Bauteile eingreifen. Auf diese Weise wird ein Verdrehen des ersten Gehäuseteils relativ zum Antriebsrad bzw. dem zweiten Gehäuseteil zuverlässig verhindert. Die Verdrehsicherungsmittel können auch in Form von Bolzen, Noppen oder einer zusätzlichen Segment-Schweißung gestaltet sein. Ebenso ist die Verwendung anderer Reibkraft erhöhender Mittel denkbar, wie aufgerauhte Oberflächen oder Mikrozähne zwischen den kontaktierenden Flächenpaarungen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem Gehäuse ein Differentialträger und eine Schaltkupplung angeordnet, wobei der Differentialträger um eine Drehachse drehbar in dem Gehäuse gelagert ist. In geschlossenem Zustand überträgt die Schaltkupplung Drehmoment von dem Antriebsrad bzw. dem hiermit verschweißten zweiten Gehäuseteil auf den Differentialträger und in geöffnetem Zustand der Schaltkupplung ist eine Drehmomentübertragung zwischen den genannten Bauteilen unterbrochen. Im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform besteht der besondere Vorteil der Erfindung darin, daß zwischen den Bauteilen, zwischen denen Drehmoment übertragen wird, nämlich zwischen dem Antriebsrad und dem zweiten Gehäuseteil, durch die Schweißnaht eine sichere Verbindung gegeben ist. Demgegenüber ist zwischen den Bauteilen, zwischen denen unmittelbar kein Drehmoment übertragen wird, nämlich dem Antriebsrad und dem ersten Gehäuseteil, keine stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Mit der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist somit die zur Drehmomentübertragung nötige Verbindung auf die tatsächlich an der Drehmomentübertragung unmittelbar teilnehmenden Bauteile beschränkt.
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Vorzugsweise umfaßt die Schaltkupplung ein erstes Kupplungsteil, das mit dem Differentialträger fest verbunden ist, insbesondere einteilig mit diesem gestaltet ist, und ein zweites Kupplungsteil, das drehfest mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden ist, wobei das zweite Kupplungsteil relativ zum zweiten Gehäuseteil axial beweglich gehalten ist. Es ist ferner ein steuerbarer Aktuator zum Betätigen der Schaltkupplung vorgesehen, der das zweite Kupplungsteil wahlweise axial in Richtung zum ersten Kupplungsteil beaufschlagen kann, so daß die Kupplung geschlossen ist, oder vom ersten Kupplungsteil abrücken kann, so daß die Kupplung geöffnet ist.
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Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht weiter in einem Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung mit den folgenden Schritten: Herstellen eines Antriebsrads mit einem Aufnahmeabschnitt und einer seitlichen Stützfläche; Einsetzen eines ersten Gehäuseteils in den Aufnahmeabschnitt des Antriebsrads, wobei ein erster Flanschabschnitt des ersten Gehäuseteils gegen die seitliche Stützfläche zur Anlage kommt; Aufsetzen eines zweiten Gehäuseteils auf das erste Gehäuseteil; und Verschweißen des zweiten Gehäuseteils mit dem Antriebsrad.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß der Fertigungs- und Montageaufwand zur Herstellung der Verbindungsanordnung besonders gering ist. Es ist lediglich eine einzige Schweißverbindung erforderlich, mit der zwei Bauteile, nämlich das Antriebsrad und das zweite Gehäuseteil, stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das dritte Bauteil, nämlich das erste Gehäuseteil, wird dabei zwischen der Stützfläche des Antriebsrads und dem zweiten Gehäuseteil axial fixiert, insbesondere aufgrund von Schrumpfspannungen axial eingeklemmt. Eine separate Schweißverbindung ist hier nicht erforderlich. Somit ist das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren besonders schnell und kostengünstig.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird neben dem ersten Gehäuseteil auch das zweite Gehäuseteil in den Aufnahmeabschnitt des Antriebsrads eingesetzt. Dabei wird ein zweiter Flanschabschnitt des zweiten Gehäuseteils gegen den ersten Flanschabschnitt des ersten Gehäuseteils axial in Anlage gebracht. Die axiale Breite des ersten und zweiten Flanschabschnitts sind so gestaltet, daß eine dem ersten Flanschabschnitt abgewandte Seitenfläche des zweiten Flanschabschnitts zumindest etwa bündig mit einer Seitenfläche des Antriebsrads abschließt.
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Vorzugsweise sind zumindest die Außenfläche des ersten Flanschabschnitts und die Innenfläche des Aufnahmeabschnitts so hergestellt, daß eine Übermaßpassung zwischen dem ersten Flanschabschnitt und dem Aufnahmeabschnitt gebildet ist. Vor dem Schweißen wird zunächst das erste Gehäuseteil in den Aufnahmeabschnitt des Antriebsrads eingepreßt. Vorzugsweise hat auch der zweite Flanschabschnitt des zweiten Gehäuseteils, das nach dem Einsetzen des ersten Gehäuseteils in den Aufnahmeabschnitt eingesetzt wird, gegenüber dem Aufnahmeabschnitt eine Übermaßpassung.
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Der Schweißprozeß erfolgt in Bezug auf die Drehachse des Antriebsrads vorzugsweise in axialer Richtung zwischen der Innenfläche des Antriebsrads und der Außenfläche des zweiten Flanschabschnitts, und zwar insbesondere durch relatives Drehen der Verbindungsanordnung zur Schweißvorrichtung bzw. zum Schweißstrahl. Unter axialer Richtung sollen in diesem Zusammenhang auch gewisse Abweichungen mit umfaßt sein. Das Verschweißen des zweiten Gehäuseteils mit dem Antriebsrad erfolgt vorzugsweise mittels eines Hochenergiestrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Dabei bietet insbesondere das Laserstrahlschweißen den Vorteil einer hohen Prozeßgeschwindigkeit und durch eine schnelle Abkühlung der Fügezone werden verhältnismäßig hohe Schrumpfkräfte erzeugt, die wiederum zu einer hohen axialen Vorspannung des ersten Flanschabschnitts führen. Bei Verschweißung verschiedener Werkstoffpaarungen, beispielsweise Stahl mit Guß, kann insbesondere ein Füllwerkstoff für die Schweißnaht verwendet werden, beispielsweise ein Nickeldraht. Bei gleichen Werkstoffpaarungen ist dies nicht erforderlich, so daß das Antriebsrad und der zweite Flanschabschnitt so gestaltet sind, daß sie vor dem Schweißen im Fügebereich in direktem Anlagekontakt sind.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Antriebsrad mit einer ersten Ringlippe hergestellt und das zweite Gehäuseteil wird mit einer zweiten Ringlippe hergestellt, wobei die erste und zweite Ringlippe in eingesetztem Zustand des zweiten Flanschabschnitts in den Aufnahmeabschnitt einander zumindest angenähert sind. Weiter wird an dem Antriebsrad in der zylindrischen Innenfläche insbesondere eine umlaufende Ausnehmung eingearbeitet, welche den zu verschweißenden Fügebereich seitlich begrenzt. Vorzugsweise wird auch in der zylindrischen Außenfläche des zweiten Flanschabschnitts eine entsprechende umlaufende Ausnehmung eingearbeitet, welche die zu verschweißende Kontaktfläche seitlich begrenzt. Durch den Schweißprozeß werden die Ringlippen im Bereich zwischen der äußeren Seitenfläche und der inneren Ausnehmung miteinander stoffschlüssig verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird das Antriebsrad vorzugsweise aus einem Einsatzstahl, beispielsweise 20MnCr5, oder einem ähnlichen Werkstoff hergestellt. Einsatzstahl zeichnet sich durch eine hohe Zähigkeit im inneren und eine hohe Härte an der Oberfläche und somit insgesamt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß aus. Das erste und zweite Gehäuseteil sind vorzugsweise aus einem Gußwerkstoff hergestellt, insbesondere einem Gußeisen mit Kugelgraphit, beispielsweise EN-GJS-500 (GGG50) oder EN-GJS-600 (GGG60).
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung mit Schaltkupplung in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt in geöffneter Schaltposition der Schaltkupplung;
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2 die Verbindungsanordnung aus 1 in Explosionsdarstellung in perspektivischer Ansicht;
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3 den Verbindungsbereich zwischen dem Antriebsrad und dem Gehäuse der Verbindungsanordnung gemäß 1 im Detail im Längsschnitt;
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4 eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt;
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5 das erste Gehäuseteil der Verbindungsanordnung aus 4 in perspektivischer Ansicht;
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6 das zweite Gehäuseteil der Verbindungsanordnung aus 4 in perspektivischer Ansicht; und
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7 eine Antriebsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung nach 4 schematisch.
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Die 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 2 in einer ersten Ausführungsform und werden im Folgenden zunächst gemeinsam beschrieben. Es ist eine Verbindungsanordnung 2 gezeigt, die ein Differentialgetriebe 3, eine Schaltkupplung 4 sowie einen Aktuator 5 zum Betätigen der Schaltkupplung 4 aufweist. Zum Einleiten eines Drehmoments von einem hier nicht dargestellten Antriebsmotor ist ein Antriebsrad 6 vorgesehen, das in weiter unten noch näher zu beschreibender Art fest mit einem Gehäuse 7 verbunden ist. Das Gehäuse 7 ist zweiteilig aufgebaut und umfaßt ein erstes topfförmiges Gehäuseteil 8 und ein zweites topfförmiges Gehäuseteil 9, die im Bereich ihrer öffnungsseitigen Enden jeweils einen Flanschabschnitt 10, 12 aufweisen, mit dem sie mit dem Antriebsrad 6 verbunden sind. In dem ersten Gehäuseteil 8 ist das Differentialgetriebe 3 angeordnet, das um eine Drehachse A drehend antreibbar ist.
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Das Differentialgetriebe 3 umfaßt einen Differentialträger 13, der eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche 14 aufweist, mit der der Differentialträger 13 gegenüber einem entsprechenden innenzylindrischen Flächenabschnitt 15 des ersten Gehäuseteils 8 um die Drehachse A drehbar gleitgelagert ist. In dem Differentialträger 13 sind zwei Bohrungen 16 vorgesehen, in die ein Zapfen 17 eingesteckt und mittels eines Sicherungsstifts 18 fixiert ist. Auf dem Zapfen 17 sind zwei Differentialräder 19 um eine Zapfenachse B drehbar gelagert. Die beiden Differentialräder 19 sind mit einem ersten und einem zweiten Seitenwellenrad 20, 22 in Verzahnungseingriff, die koaxial zur Drehachse A angeordnet sind. Die beiden Seitenwellenräder 20, 22 haben jeweils eine Längsverzahnung 23, in die eine entsprechende Gegenverzahnung einer Seitenwelle (nicht dargestellt) zur Drehmomentübertragung eingesteckt werden kann. Das erste Seitenwellenrad 20 ist gegenüber dem ersten Gehäuseteil 8 axial abgestützt, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Seitenwellenrad 20 und der Stützfläche des ersten Gehäuseteils 8 eine Gleitscheibe angeordnet ist. Entsprechend ist zwischen dem zweiten Seitenwellenrad 22 und dem zweiten Gehäuseteil 9 ebenfalls eine Gleitscheibe zur Abstützung der axialen Kräfte angeordnet.
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Die Schaltkupplung 4 ist in Form einer formschlüssigen Kupplung, insbesondere einer Zahnkupplung, gestaltet. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Formen von Kupplungen verwendet werden können, beispielsweise auch eine Reibungskupplung. Die formschlüssige Schaltkupplung 4 umfaßt ein erstes Kupplungsteil 25, das mit dem Differentialträger 13 fest verbunden ist, sowie ein zweites Kupplungsteil 26, das gegenüber dem ersten Kupplungsteil 25 axial beweglich ist. Das zweite Kupplungsteil 26 kann zur Übertragung eines Drehmoments in das erste Kupplungsteil 25 eingerückt werden, wobei eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kupplungsteilen 25, 26 entsteht. Durch erneutes Ausrücken des zweiten Kupplungsteils 26 kann die Drehmomentübertragung wieder unterbrochen werden. Das erste Kupplungsteil 25 hat als Formschlußmittel einen Zahnring, der an einer Stirnseite des Differentialträgers 13 einteilig angeformt ist. Entsprechend hat das zweite Kupplungsteil 26 einen gegengleichen Zahnring, der innerhalb des Gehäuses 7 angeordnet ist. Weiter hat das zweite Kupplungsteil 26 mehrere über den Umfang verteilte axiale Ansätze 27, die durch entsprechende Durchgangsöffnungen 28 des Gehäuses 7 hindurchtreten. Durch Ansteuern des Aktuators 5 kann das zweite Kupplungsteil 26 relativ zum ersten Kupplungsteil 25 axial bewegt werden, wobei eine Drehmomentübertragung vom Antriebsrad 6 auf das Differentialgetriebe 3 in eingerücktem Zustand gewährleistet ist, während die Drehmomentübertragung in ausgerücktem Zustand unterbrochen ist.
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Der Aktuator 5 umfaßt einen Elektromagneten 29 sowie einen Kolben 30. Dabei ist der Aktuator 5 so gestaltet, daß bei Bestromen des Elektromagneten 29 der Kolben 30 in Richtung zur Schaltkupplung 4 beaufschlagt wird. Hierfür hat der Elektromagnet 29 ein ringförmiges Gehäuse 32, das an einem radial inneren und der Schaltkupplung 4 zugewandten Ende eine Öffnung 33 aufweist. Innerhalb dieses Gehäuseabschnitts ist der Kolben 30 axial bewegbar angeordnet. Das Gehäuse 32 ist mittels eines Trägerelements 31 auf einem Hülsenansatz des zweiten Gehäuseteils 9 angeordnet. Der Kolben 30 umfaßt ein Ankerelement 34 aus einem ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise einem Eisenwerkstoff, sowie eine Hülse 35 aus einem paramagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus Edelstahl, Kupfer oder Aluminium. Das Ankerelement 34 ist hülsenförmig gestaltet und auf die Hülse 35 aufgepreßt. Dadurch, daß das Ankerelement 34 aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist, wird es bei Betätigen des Elektromagneten 29 in Richtung der Schaltkupplung 4 bewegt, wobei der Spalt 33 überbrückt wird. In der Endposition kommt das Ankerelement 34 gegen eine Schulter 36 des Magnetgehäuses 32 zur Anlage, wobei ein Reibkontakt entsteht. Die Hülse 35 ist paramagnetisch, damit eine ungewünschte Magnetflußleckage auf andere Bauteile verhindert wird. Es sind ferner ein Anschlußkabel 45 für den Elektromagneten 29 sowie eine Kabeldurchführung 46 zum Durchführen der Kabel 45 durch ein ortsfestes Gehäuse 41 erkennbar.
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Die Hülse 35 ist axial länger als das Ankerelement 34 und hat eine Stirnseite, die mit einer Gleitbuchse bzw. einem Gleitring 37 in Anlage ist. Der Gleitring 37 ist wiederum mittelbar gegenüber dem zweiten Kupplungsteil 26 axial abgestützt, und zwar über ein Geberelement 38. Das Geberelement 38 ist in Form einer Ringscheibe gestaltet. Diese hat radial innen mehrere über den Umfangs verteilte und sich in axialer Richtung erstreckende federnde Rastelemente 39, die mit ihren Enden in eine oder mehrere entsprechende Hinterschneidungen 40 des zweiten Kupplungsteils 26 formschlüssig eingreifen. Die Ringscheibe hat an ihrem radial außen liegenden Ende einen zylindrischen Mantelabschnitt 42. Zwischen dem Gehäuse 7, bzw. dem zweiten Gehäuseteil 9, und dem Geberelement 38 ist eine Rückstellfeder 43 angeordnet. Die Rückstellfeder 43 ist vorliegend in Form einer Tellerfeder gestaltet, wobei es sich versteht, daß auch andere Formen von Federn, beispielsweise Schraubenfedern, eingesetzt werden können.
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3 zeigt den Verbindungsbereich zwischen dem Antriebsrad 6 und dem ersten und zweiten Gehäuseteilen 8, 9 im Detail. Das Antriebsrad 6 hat einen Aufnahmeabschnitt 63, der eine seitliche Einführöffnung für den ersten Flanschabschnitt 10 und den zweiten Flanschabschnitt 12 bildet. An seinem der Einführöffnung entgegengesetzten Ende ist ein nach radial innen gerichteter Innenflansch 64 vorgesehen, der eine seitliche Stützfläche 65 für den ersten Flanschabschnitt 10 bildet. Der erste Flanschabschnitt 10 des ersten Gehäuseteils 8 ist somit axial zwischen der Stützfläche 65 des Antriebsrads 6 und dem zweiten Flanschabschnitt 12 des zweiten Gehäuseteils 9 axial fixiert. Der zweite Flanschabschnitt 12 ist mit dem Antriebsrad 6 über eine Schweißnaht 66 stoffschlüssig verbunden.
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Der Aufnahmeabschnitt 63 umfaßt eine zylindrische Innenfläche und der erste und der zweite Flanschabschnitt 10, 12 haben entsprechend zylindrische Außenflächen. Der erste Flanschabschnitt 10 hat eine geringere axiale Breite als der zweite Flanschabschnitt 12. In eingesetztem Zustand der beiden Flanschabschnitte 10, 12 in den Aufnahmeabschnitt 63 liegt die außenliegende Seitenfläche 67 des zweiten Flanschabschnitts 12 etwa in einer Ebene mit der Seitenfläche 73 des Antriebsrads 6, welche den Aufnahmeabschnitt 63 seitlich begrenzt. Dadurch, daß beide Flanschabschnitte 10, 12 gemeinsam in dem Aufnahmeabschnitt 63 des Antriebsrads 6 aufgenommen sind, muß lediglich eine einzige Fläche am Aufnahmeabschnitt 63 bearbeitet werden, die den Zentriersitz für beide Flanschabschnitte 10, 12 bildet. Auf diese Weise wird ein guter Rund- und Planlauf der Verbindungsanordnung 2 erreicht.
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Es ist in 3 ferner erkennbar, daß das Antriebsrad 6 und der zweite Flanschabschnitt 12 im Fügebereich Ringlippen 68, 69 aufweisen. Die Ringlippen 68, 69 bilden in eingesetztem Zustand des zweiten Flanschabschnitts 12 in den Aufnahmeabschnitt 63 einen kleinen radialen Spalt, welcher beim Schweißprozeß geschlossen wird. Radial innerhalb der Ringlippe 69 hat der zweite Flanschabschnitt 12 eine ringförmige seitliche Ausnehmung 70. Entsprechend hat das Antriebsrad 6 radial außen von der Ringlippe 68 eine ringförmige seitliche Ausnehmung 71. Zwischen der Ringlippe 69 und der seitlichen Ausnehmung 70 ist eine Fläche gebildet, die sich in Richtung zur Seitenfläche 67 erweitert und insbesondere konisch gestaltet ist. Entsprechend hat die Ringlippe 68 des Antriebsrads 6 eine insbesondere konische Außenfläche, die sich in Richtung Seitenfläche 73 verjüngt.
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Zwischen dem Aufnahmeabschnitt 63 und dem zweiten Flanschabschnitt 12 ist eine ringförmige innere Ausnehmung 72 vorgesehen, die axial zwischen der Seitenfläche 67, 73 und der halben axialen Erstreckung des Aufnahmeabschnitts 63 angeordnet ist. Die innere Ausnehmung 72 ist durch eine erste Ringnut in der zylindrischen Innenfläche des Aufnahmeabschnitts 63 sowie eine zweite Ringnut in der zylindrischen Außenfläche des zweiten Flanschabschnitts 12 gebildet, die einander gegenüberliegen. Die innere Ausnehmung 72 begrenzt nach dem Schweißvorgang die Wurzel der Schweißnaht 66. Es ist erkennbar, daß sich die ringförmigen seitlichen Ausnehmungen 70, 71 axial etwa bis zur inneren Ausnehmung 72 erstrecken.
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Der erste und der zweite Flanschabschnitt 10, 12 haben gegenüber dem Aufnahmeabschnitt 63 eine Übermaßpassung, daß heißt die beiden Flanschabschnitte 10, 12 werden vor dem Schweißen in den Aufnahmeabschnitt 63 eingepreßt. Die aufgrund der Preßpassung von dem Antriebsrad 6 auf die Außenfläche des ersten Flanschabschnitts 10 einwirkende Radialkraft ist mit Fr bezeichnet. Nach dem Schweißvorgang ist der erste Flanschabschnitt 10 axial zwischen der Stützfläche 65 des Antriebsrads 6 und dem zweiten Flanschabschnitt 12 axial fixiert. Die Übermaßpassung ist vorzugsweise so ausgelegt, daß ein Drehmoment, bei dem das erste bzw. zweite Gehäuseteil 8, 9 gegenüber dem Antriebsrad 6 verdreht werden können, kleiner als 200 Nm, insbesondere kleiner als 175 Nm, vorzugsweise etwa 150 Nm beträgt. Nach dem Schweißvorgang ist das zur Verdrehung des ersten Gehäuseteils 8 relativ zum Antriebsrad 6 erforderliche Drehmoment aufgrund der durch die beim Abkühlen entstehenden Schrumpfkräfte und die so erzeugte axialen Vorspannung deutlich erhöht. Dies wird durch die Ausgestaltung der Ringlippen 68, 69 bzw. der Ausnehmungen 70, 71, 72 erreicht, was im folgenden näher erläutert wird.
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Während des Schweißvorgangs öffnen sich die Ringlippen 68, 69 geringfügig um die Werte w, die hier zur Verdeutlichung stark übertrieben dargestellt sind. Dabei bewegen sich die Ringlippen 68, 69 etwa um die zentralen Drehpunkte P nach außen. Aufgrund des schnellen Schweißvorgangs mit relativ geringer Energieeinbringung in den Fügebereich und einer hohen Abkühlgeschwindigkeit wird beim Abkühlen ein Schrumpfen erreicht, das mit den Buchstaben c eingezeichnet ist. Dabei ist die Schrumpfbewegung c beim Abkühlen größer als die zuvor beim Schweißen bewirkte Ausdehnungsbewegung w. Dabei bewegen sich die Ringlippen 68, 69 beim Abkühlen etwa um die zentralen Drehpunkte P aufeinander zu, und zwar jeweils um den Betrag c. Hierdurch wird eine Axialkraft Fa1 erzeugt, welche auf den zweiten Flanschabschnitt 12 in Richtung zum ersten Flanschabschnitt 10 wirkt. Auf diese Weise wird der erste Flanschabschnitt 10 zwischen der Stützfläche 65 und dem zweiten Flanschabschnitt 12 eingeklemmt und zwar mit einer Axialkraft Fa2. Durch diese Axialkraft Fa2, die auch als Vorspannkraft bezeichnet werden kann, wird das zum Verdrehen des ersten Gehäuseteils 8 relativ zum zweiten Gehäuseteil 9 bzw. zum Antriebsrad 6 erforderliche Drehmoment deutlich erhöht. Auf diese Weise werden hohe axiale Vorspannkräfte erzeugt, so daß eine Relativdrehung des ersten Gehäuseteils 8 relativ zum zweiten Gehäuseteil 9 bzw. dem Antriebsrad 6 auch ohne zusätzliche Verdrehsicherungsmittel vermieden wird.
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Das Antriebsrad 6 ist vorzugsweise aus einem Einsatzstahl, beispielsweise 20MnCr5, hergestellt. Dabei handelt es sich um Stähle mit einem relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,30%. Zur Erhöhung der Härte wird der Stahl in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre „eingesetzt” und erhitzt. Das erste und zweite Gehäuseteil sind vorzugsweise aus einem Gußwerkstoff hergestellt, insbesondere einem Gußeisen mit Kugelgraphit, beispielsweise EN-GJS-500 (GGG50) oder EN-GJS-600 (GGG60).
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung werden zunächst das Differentialgetriebe 3 mit seinen Bauteilen sowie die Schaltkupplung 4 in das erste Gehäuseteil 8 eingesetzt. Vor oder nach dem Einsetzen des Differentialgetriebes 3 und der Schaltkupplung 4 in das erste Gehäuseteil 8 wird dieses in das Antriebsrad 6 axial eingepreßt. Nach dem Einpressen des ersten Gehäuseteils 8 in das Antriebsrad 6 und nach dem Einsetzen des Differentialgetriebes 3 und der Schaltkupplung 4 wird das zweite Gehäuseteil 9 in das Antriebsrad 6 eingepreßt. Dabei wird der zweite Flanschabschnitt 12 gegen den ersten Flanschabschnitt 10 axial in Anlage gebracht, wobei sich der erste Flanschabschnitt 10 an der Stützfläche 65 axial abgestützt ist. Abschließend wird das Antriebsrad 6 mit dem zweiten Gehäuseteil 9 im Bereich zwischen den Ringlippen 68, 69 umlaufend verschweißt.
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Der Schweißprozeß erfolgt dabei in axialer Richtung zwischen der Innenfläche des Antriebsrads 6 und der Außenfläche des zweiten Flanschabschnitts 12, im Bereich der Ringlippen 68, 69. Hierfür werden die Verbindungsanordnung 2 und die Schweißvorrichtung relativ zueinander verdreht. Das Verschweißen des zweiten Gehäuseteils mit dem Antriebsrad erfolgt vorzugsweise mittels eines Hochenergiestrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls. Als Füllwerkstoff für die Schweißnaht 66 wird vorzugsweise ein Nickeldraht verwendet.
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Die 4 bis 6, die im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 2 in einer zweiten Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3, so daß hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche bzw. abgewandelte Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen, wie in den 1 bis 3. Im Folgenden wird auf die Unterschiede eingegangen.
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Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform liegt darin, daß zwischen dem ersten Gehäuseteil 8 und dem zweiten Gehäuseteil 9 Verdrehsicherungsmittel vorgesehen sind. Diese verhindern ein ungewünschtes Verdrehen des ersten Gehäuseteils 8 relativ zum Antriebsrad 6 bzw. dem zweiten Gehäuseteil 9. Die Verdrehsicherungsmittel umfassen mehrere umfangsverteilte Vorsprünge 74, die an einem Hülsenansatz 75 des ersten Gehäuseteils 8 angeformt sind, sowie entsprechende Ausnehmungen 76, die in dem zweiten Gehäuseteil 9 eingeformt sind. Es versteht sich, daß auch eine umgekehrte Zuordnung der Vorsprünge und Ausnehmungen zum ersten bzw. zweiten Gehäuseteil 8, 9 möglich ist. Die Anzahl der Vorsprünge 74 und Ausnehmungen 76 ist beliebig und beträgt mindestens eins. Vorliegend sind zwei Verdrehsicherungsmittel über dem Umfang vorgesehen, die einander diametral gegenüberliegen. In 6 ist ferner ein Einführkonus 77 erkennbar, der ein einfaches Einführen und Zentrieren des zweiten Gehäuseteils 9 auf dem Hülsenansatz des ersten Gehäuseteils 8 ermöglicht. Die Ausnehmungen 76 sind dabei in der Konusfläche eingeformt. In 4 ist die Schaltkupplung 4 in Schließstellung gezeigt, das heißt die Stirnverzahnung des zweiten Kupplungsteils 26 greift in die Gegenverzahnung des ersten Kupplungsteils 25.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 47 mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung 2 gemäß den 4 bis 6 in schematischer Darstellung. Die Antriebsanordnung 47 umfaßt einen Elektromotor 48, der über eine Getriebestufe 49 die Verbindungsanordnung 2, bzw. das Antriebsrad 6 der Verbindungsanordnung 2, antreibt. Von dem Differentialgetriebe 3 wird das bei geschlossener Schaltkupplung 4 eingeleitete Drehmoment auf die beiden Seitenwellenräder 20, 22 übertragen. In die Längsverzahnungen 23 der Seitenwellenräder 20, 22 sind entsprechende Seitenwellen 50, 52 zur Drehmomentübertragung drehfest eingesteckt. An den Enden der Seitenwellen 50, 52 befinden sich Gleichlaufdrehgelenke 53, 54, welche wiederum über Gelenkwellen 55, 56 und Gelenke 57, 58 mit Rädern 59, 60 des Kraftfahrzeugs zur Übertragung eines Drehmoments verbunden sind. Die Verbindungsanordnung 2 ist mittels Lagern 61, 62 gegenüber dem stehenden Gehäuse 41 um die Drehachse A drehbar gelagert. Es ist ferner ein Sensor 44 erkennbar, der die Position des Geberelements 38 erfaßt und ein entsprechendes Sensorsignal an die Steuereinheit für den Elektromotor weitergibt.
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Insgesamt bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß zwischen den Bauteilen, zwischen denen Drehmoment übertragen wird, nämlich zwischen dem Antriebsrad 6 und dem zweiten Gehäuseteil 9, eine sichere Verbindung mittels Schweißen hergestellt wird. Demgegenüber ist zwischen den Bauteilen, zwischen denen unmittelbar kein Drehmoment übertragen wird, nämlich dem Antriebsrad 6 und dem ersten Gehäuseteil 8, lediglich eine kraftschlüssige bzw. eine formschlüssige erzeugt. Mit der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung 2 ist somit die zur Drehmomentübertragung nötige Verbindung auf die tatsächlich an der Drehmomentübertragung unmittelbar teilnehmenden Bauteile beschränkt. Insgesamt wird damit eine Verringerung des Fertigungs- und Montageaufwands erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Verbindungsanordnung
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- Schaltkupplung
- 5
- Aktuator
- 6
- Antriebsrad
- 7
- Gehäuse
- 8
- erstes Gehäuseteil
- 9
- zweites Gehäuseteil
- 10
- erster Flanschabschnitt
- 12
- zweiter Flanschabschnitt
- 13
- Differentialträger
- 14
- Außenfläche
- 15
- Flächenabschnitt
- 16
- Bohrung
- 17
- Zapfen
- 18
- Sicherungsstift
- 19
- Differentialrad
- 20, 22
- Seitenwellenrad
- 23
- Längsverzahnung
- 25
- erstes Kupplungsteil
- 26
- zweites Kupplungsteil
- 27
- Ansatz
- 28
- Durchbrüche
- 29
- Elektromagnet
- 30
- Kolben
- 31
- Trägerelement
- 32
- Magnetgehäuse
- 33
- Spalt
- 34
- Ankerelement
- 35
- Hülse
- 36
- Schulter
- 37
- Gleitring
- 38
- Geberelement
- 39
- Rastelement
- 40
- Hinterschneidung
- 41
- ortsfestes Gehäuse
- 42
- Mantelabschnitt
- 43
- Rückstellfeder
- 44
- Sensor
- 45
- Kabel
- 46
- Kabeldurchführung
- 47
- Antriebsanordnung
- 48
- Elektromotor
- 49
- Getriebe
- 50, 52
- Welle
- 53, 54
- Gelenk
- 55, 56
- Gelenkwelle
- 57, 58
- Gelenk
- 59, 60
- Rad
- 61, 62
- Lager
- 63
- Aufnahmeabschnitt
- 64
- Innenflansch
- 65
- Stützfläche
- 66
- Schweißnaht
- 67
- Seitenfläche
- 68, 69
- Lippe
- 70, 71
- seitliche Ausnehmung
- 72
- innere Ausnehmung
- 73
- Seitenfläche
- 74
- Vorsprung
- 75
- Hülsenansatz
- 76
- Ausnehmung
- 77
- Einführkonus
- A
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004034736 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN-GJS-500 (GGG50) [0023]
- EN-GJS-600 (GGG60) [0023]
- EN-GJS-500 (GGG50) [0043]
- EN-GJS-600 (GGG60) [0043]
