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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb für eine Hilfskraftlenkung, insbesondere für ein elektrisches Lenksystem, und eine solche Hilfskraftlenkung.
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Kugelgewindetriebe werden zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt eingesetzt. Einsatzgebiete finden sich in Werkzeugmaschinen, wie z.B. Drehmaschinen, und auch in Lenksystemen, bspw. zur Umsetzung der Drehbewegung einer Abtriebswelle eines Motors in eine Längsbewegung einer Zahnstange.
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So werden insbesondere bei elektrischen Lenksystemen mit achsparallelem Antrieb zur Wandlung der rotativen Antriebsbewegung des Elektromotors in eine lineare Bewegung der Zahnstange bzw. Spindel Kugelgewindetriebe eingesetzt. Durch äußere Einflüsse im Betrieb sind diese Kugelgewindetriebe erheblichen Anforderungen ausgesetzt.
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Zur rotativen Lagerung der Lenkmutter des Kugelgewindetriebs wird meist ein sogenanntes Vierpunktlager eingesetzt, da dieses vornehmlich eine Axialkraft übertragen muss. Damit beim Umlenken (Lenkrichtungswechsel) kein so genanntes "Umlenkklacken" oder beim Überfahren von Schlechtwegstrecken, bspw. bei Kopfsteinpflaster, kein "Klappern" hörbar wird, ist das Vierpunktlager mit einem kleinen Axialspiel ausgeführt. Ist das Axialspiel des Vierpunktlagers zu groß, dann werden die Kugeln im Lager über das freie Axialspiel beim Umlenken so stark beschleunigt, dass Sie beim Aufprallen auf der gegenüberliegenden Laufbahnflanke ein "Klack-Geräusch" erzeugen. Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass es durch äußere Einflüsse, wie bspw. Temperaturschwankungen und mechanische Beeinflussungen, z.B. durch Stöße von außen, zu Beeinträchtigungen des Lagers kommen kann.
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Zur Übertragung des Antriebsmoments des Elektromotors werden üblicherweise Riemengetriebe verwendet. Das Riemenrad bzw. die Riemenscheibe ist auf der Lenkmutter des Kugelgewindetriebes meist starr mit der Lenkmutter verbunden. Dadurch stützt sich der Riemenzug über das Lager und den Kugelgewindetrieb ab. Zusätzlich wird der Kugelgewindetrieb durch Bauteiltoleranzen der Einzelteile im Lenkungszusammenbau verspannt. Durch die Verspannung des Kugelgewindetriebs entstehen jedoch unerwünschte Reibungseffekte am Kugelgewindetrieb, die sich durch höhere Reibung und einen hakeligen Lauf in der Verschiebekraft des Kugelgewindetriebes äußern können.
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Zur Reduzierung der Verspannungen des Kugelgewindetriebs durch den Lenkungszusammenbau werden heute schon Federelemente aus Stahl/Elastomer oder Wellfedern eingesetzt, die üblicherweise am Lageraußenring des Vierpunktlagers angeordnet sind. Diese Elemente haben zusätzlich die Aufgabe, den Kugelgewindetrieb biegeweich zu lagern, um auftretende Querbelastungen, die aus der Einfederung und Pfeilung der Spurstangen resultieren, auf den Kugelgewindetrieb zu minimieren. Zudem kann mit der richtigen Steifigkeitskennlinie der Federelemente das "Umlenkklacken" des Vierpunktlagers verbessert, aber nicht komplett eliminiert werden.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, eine Riemenscheibe gemäß Anspruch 10, eine Lenkmutter mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und eine Hilfskraftlenkung nach Anspruch 12 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
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Der vorgestellte Kugelgewindetrieb dient für eine Hilfskraftlenkung und weist unter anderem eine Lenkmutter auf, auf der eine Riemenscheibe vorgesehen ist. Dabei ist die Lenkmutter kippweich unter der Riemenscheibe gelagert, so dass die Lenkmutter verspannungs- bzw. querkraftarm auf dem Kugelgewinde der Zahnstange über die KGT-Kugeln abrollen kann.
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Diese kippweiche Ausführung kann in dem Kugelgewindetrieb bspw. dadurch erreicht werden, dass die Lenkmutter unter der Riemenscheibe elastisch gelagert ist.
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Die elastische Lagerung wiederum kann durch eine ballige Ausführung des Innendurchmessers der Riemenscheibe und/oder eine ballige Ausführung des Außendurchmessers der Lenkmutter und mindestens einem Federelement erreicht werden. Das Federelement ist dabei axial an dem Lagerinnenring und/oder an der Anlagefläche der Riemenscheibe angeordnet. Über den eingestellten Federweg, der mit dem Sprengring eingestellt wird, kann dann die Lenkmutter über die ballige Anlagefläche elastisch kippen. Als Federelement kann eine Wellen-/Tellerfeder oder eine andere geeignete Feder eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein Elastomer eingesetzt werden.
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Zusätzlich kann in dem Kugelgewindetrieb ein Lager vorgesehen sein. Hier kann bspw. ein Vierpunktlager oder einanderes geeignetes Lager eingesetzt werden.
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In einer Ausführung ist das Lager mehrreihig, typischerweise zweireihig, ausgeführt ist. D.h. zwischen einem Innenring und einem Außenring sind zwei Kugelreihen, in O- oder X-Anordnung, geführt. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Innenring geteilt ist. Weiterhin sind dann regelmäßig auch Federelemente vorgesehen, die auf das Lager wirken, um dieses spielfrei zu gestalten.
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Bei geeigneter Anordnung der Federelemente können diese sowohl die Spielfreiheit des Lagers als auch die elastische Lagerung der Lenkmutter auf der Riemenscheibe ermöglichen.
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Die Übertragung eines Antriebsmoments der Riemenscheibe auf die Lenkmutter erfolgt in Ausgestaltung über mindestens einen Mitnehmer. Weiterhin können Anlageflächen des mindestens einen Mitnehmers ballig ausgeführt sein. Ebenso ist es möglich, dass die Anlageflächen der Nuten in der Riemenscheibe ballig ausgebildet sind.
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Es wird außerdem eine Riemenscheibe für einen Kugelgewindetrieb, insbesondere für einen Kugelgewindetrieb der vorstehend beschriebenen Art, vorgestellt, deren Innendurchmesser ballig ausgeführt ist. D.h. die Fläche, mit der die Riemenscheibe in Kontakt zu der Lenkmutter kommt, ist nicht eben, sondern gebogen bzw. gekrümmt ausgeführt. Daher können die beiden Bauteile zueinander geschwenkt werden, was die biegeweiche bzw. kippweiche Verbindung ermöglicht.
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Es wird weiterhin eine Lenkmutter für einen Kugelgewindetrieb, insbesondere für einen Kugelgewindetrieb, wie dieser vorstehend beschrieben ist, vorgestellt, deren Außendurchmesser ballig ausgeführt ist. Dies bedeutet, dass die Anlagefläche der Lenkmutter an die Riemenscheibe nicht eben bzw. plan ist, wodurch die zuvor erläuterte Biegeweichheit bewirkt wird. Auf diese Weise können ungewünschte Reibungseffekte vermieden werden. Des weiteren können auftretende Querbelastungen minimiert werden.
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Es wird darüber hinaus eine Hilfskraftlenkung vorgestellt, bei der ein Elektromotor zur Lenkunterstützung vorgesehen ist. Das von diesem Motor aufgebrachte Motor- bzw. Zusatzmoment wird über ein Kugelgewindetrieb der vorstehend beschriebenen Art auf die Zahnstange zum Bewegen der angelenkten Räder übertragen.
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Der vorgestellte Kugelgewindetrieb stellt, zumindest in einigen der Ausführungen, eine robustere Lösung bezüglich folgender Themen dar:
- – Umlenkklacken/Klappern des KGT-Lagers,
- – Verspannung des KGT durch Riemenzug sowie Verspannungen bedingt durch Bauteiltoleranzen im Lenkungszusammenbau und daraus resultierende Reibungsthemen, z.B. „hakeliger“ Lauf,
- – biegeweiche Lagerung des KGT zur Reduzierung der Querkräfte auf den KGT.
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Weiterhin kann ein Umlenkklacken des Kugelgewindetrieblagers (KGT-Lager) verhindert werden. In diesem Fall ist das KGT-Lager als mehrreihiges, bspw. zweireihiges, Schulterkugellager in O-Anordnung mit einem Außenring und mehreren, bspw. zwei Innenringen, ausgeführt, wobei die Innenringe über Federelemente axial angefedert sind. Somit ist das KGT-Lager konstruktiv bedingt bezüglich Axial-und Radialspiel spielfrei und kann nicht klappern.
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Weiterhin kann die Verspannung des KGT durch den Riemenzug verhindert sowie die Verspannungen bedingt durch Bauteiltoleranzen im Lenkungszusammenbau und daraus resultierende Reibungsthemen, z.B. ein „hakeliger“ Lauf, reduziert werden.
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Es kann somit einerseits die Robustheit gegenüber einem Hakeln des KGT und andererseits die Robustheit gegenüber einem Klappern des KGT-Lagers gesteigert werden. Die Steigerung der Robustheit gegenüber Hakeln durch eine verspannungsarme Lagerung des KGT kann über eine kippsteife Ausführung des KGT-Lagers, bspw. in O-Anordnung, zur Aufnahme des Riemenzugs und durch eine ballige Innengeometrie der Riemenscheibe, die zwischen Federelementen, bspw. Wellen- oder Tellerfeder, zur biege- bzw. kippweichen Aufhängung der Lenkmutter gelagert ist, erreicht werden. Die Steigerung der Robustheit gegenüber einem Klappern des KGT-Lagers durch ein spielfreies Lagerkonzept wird über ein mehrreihiges, bspw. zweireihiges, Lager, bspw. Schulterlager, mit geteilten Innenringen, die axial über Federelemente, bspw. Wellfedern, angefedert sind, realisiert werden.
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Weiterhin kann die Übertragung eines Antriebsmoments der Riemenscheibe auf die Lenkmutter über Mitnehmer erfolgen, die in Lenkmutter und Riemenscheibe greifen. Damit die Riemenscheibe unter der Lenkmutter kippen kann, können die Anlageflächen der Mitnehmer ballig ausgeführt sein.
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Als Federelemente können bspw. auch Elemente aus einem Elastomer eingesetzt werden. Federn, wie bspw. Wellenfedern oder Tellerfedern, können ebenfalls zum Einsatz kommen. Die Riemenscheibe kann bspw. aus Stahl, Sinterstahl oder aus Aluminium, Zink (Druckguss) oder Kunststoff gefertigt sein. Die Mitnehmer können aus einem Kunststoff, einem Elastomer oder einem Elastomer ähnlichen Kunststoff gefertigt sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt ein Kugelgewindetrieb nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung.
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2 zeigt eine Ausführungsform des vorgestellten Kugelgewindetriebs in einer Schnittdarstellung.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus 2.
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4 zeigt eine weitere Ausführung des beschriebenen Kugelgewindetriebs in einer Schnittdarstellung.
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5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V in 4.
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6 zeigt eine Ausführung eines Mitnehmers, der in 4 und 5 dargestellt ist, in einer vergrößerten Darstellung.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Kugelgewindetrieb nach dem Stand der Technik, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen ist.
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Die Darstellung zeigt eine Zahnstange 12, eine Riemenscheibe 14, eine Lenkmutter 16, einen Gewindering 18, ein KGT-Lager 20, das als Vierpunktlager ausgebildet ist, und Federelemente 22.
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Das KGT-Lager 20 umfasst eine Kugel 30, die in einem Lageraußenring 32 und einem Lagerinnenring 34 geführt ist. Der Gewindering 18 dient zur axialen Fixierung des Lagerinnenrings 34. Die Riemenscheibe 14 liegt plan an der Lenkmutter 16 an.
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In 2 ist eine Ausführungsform des vorgestellten Kugelgewindetriebs, insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet, wiedergegeben. Zu erkennen ist u.a. ein Riemen 50, eine Riemenscheibe 52, ein KGT-Lager 54, eine Tellerfeder 56, ein Sprengring 58, eine Lenkmutter 60, eine Zahnstange mit einem Kugelgewinde 62, eine KGT-Kugel 63, ein Getriebedeckel 64 und ein Lenkgehäuse 66. Der Sprengring 58 dient zum Vorspannen der gesamten Anordnung.
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Innerhalb einer Umrandung 70 ist das KGT-Lager 54 detailliert dargestellt, das zweireihig ausgebildet ist. Dieses umfasst eine erste Kugel 80 und eine zweite Kugel 82, die zwischen einem Lageraußenring 84 und einem Lagerinnenring 86 geführt sind. Zu beachten ist, dass der Lagerinnenring 86 geteilt ausgeführt ist, d.h. dass dieser in dieser Ausführung zweiteilig ist.
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Weiterhin sind in dem Lager 54 Federelemente 88 vorgesehen, die bei dieser Ausführungsform als Wellfedern ausgebildet sind. Es sind aber auch andere Federelemente, wie bspw. Tellerfedern oder Elastomere, zu verwenden.
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3 zeigt den in 2 mit der Umrandung 70 gekennzeichneten Ausschnitt in einer vergrößerten Darstellung. Zu erkennen ist das zweireihig ausgeführte KGT-Lager 54 mit der ersten Kugel 80, der zweiten Kugel 82, dem Lageraußenring 84 und dem geteilten Lagerinnenring 86. Weiterhin sind die Lenkmutter 60 und die Riemenscheibe 52 zu erkennen. Der Innendurchmesser der Riemenscheibe 52 ist am Bund ballig ausgeführt (Bezugsziffer 90). Dies hat zur Folge, dass die Riemenscheibe 52 nicht plan bzw. eben an der Lenkmutter anliegt, sondern vielmehr die Lenkmutter 60 unter der Riemenscheibe elastisch gelagert ist. Hierzu sind auch ein erstes Federelement 88a und ein zweites Federelement 88b vorgesehen. Diese wirken auch auf das KGT-Lager 54. Die Federelemente führen zwei Funktionen aus. So bewirken diese, dass das Lager 54 spielfrei ist. Weiterhin unterstützen oder ermöglichen sogar die Kippelastizität der Lenkmutter 60 unter der Riemenscheibe 52.
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Grundsätzlich können Federelemente vorgesehen sein, die für die elastische Lagerung der Lenkmutter 60 unter der Riemenscheibe 52 vorgesehen sind, und zusätzliche Federelemente, die durch Einwirken auf das KGT-Lager 54 dessen Spielfreiheit gewährleisten. In dem dargestellten Fall bewirken die Federelemente 88a und 88b beides.
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Mit Bezugsziffer 96 ist eine erste Stelle und mit Bezugsziffer 98 eine zweite Stelle bezeichnet, die Einbaumöglichkeiten für zusätzliche Federelemente zur Reibreduzierung am KGT-Lager darstellen. Diese stellen zusätzliche Maßnahmen dar, mit denen das Lager 54 gespreizt wird, um die Lagerreibung bei konstanter Axialsteifigkeit zu reduzieren.
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Die beiden Kugeln 80 und 82 sind in O-Anordnung gelagert. Grundsätzlich ist auch eine X-Anordnung denkbar. Die O-Anordnung ist im Gegensatz zur X-Anordnung kippsteif.
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Das zweireihige KGT-Lager 54 bzw. Schulterkugellager in O-Anordnung ist eine kippsteife Lagerausführung, die geeignet ist, Kippmomente aufzunehmen. Diese Eigenschaft wird genutzt, um das Kippmoment, das aus dem Riemenzug resultiert und damit den KGT verspannt, aufzunehmen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass der Bund der Riemenscheibe unter das KGT-Lager gezogen wird. Um die Verspannung des KGT, die aus den Bauteiltoleranzen der Einzelteile aus dem Lenkungszusammenbau resultieren, zu reduzieren, ist die Lenkmutter biegeweich bzw. kippweich unter der Riemenscheibe gelagert. Dies ist bei dieser Ausführung realisiert, indem z.B. der Innendurchmesser des Bundes der Riemenscheibe ballig ausgeführt ist, so dass die Lenkmutter des KGT in Verbindung über die axial angeordneten Wellfedern unter der kippsteif gelagerten Riemenscheibe schwenken kann.
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Alternativ oder auch zusätzlich kann die Balligkeit auch in den Außendurchmesser der Lenkmutter gelegt werden. Durch die konstruktive Verlagerung der Federelemente, vom Lageraußenring nach innen, in Richtung Lenkmutter, wird die Kippsteifigkeit der KGT Lagerung bei gleicher Axialsteifigkeit reduziert. Hierdurch wird die Verspannung des KGT durch Bauteiltoleranzen im Lenkungszusammenbau reduziert.
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Die vorgestellte optimierte kippweiche Lagerung des KGT dient zur Reduzierung von Querkräften auf den KGT. Da die Federelemente (Wellfedern) gegenüber den geläufigen Varianten, bei denen sich die Federelemente am Lageraußenring befinden, radial innen angeordnet sind, kann bei gleichem axialen Federweg ein ca. 40% größerer Schwenkwinkel erreicht werden. Dies bewirkt, dass der KGT robuster bezüglich Querkrafteinflüsse wird und somit eine höhere Lebensdauer erreicht.
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In 4 ist der Kugelgewindetrieb 100 dargestellt, wobei in dieser Abbildung, die weitgehend der Darstellung der 2 entspricht, zwei Mitnehmer 102 zu erkennen sind. Weiterhin ist in der 4 eine Schnittlinie V-V eingetragen.
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Die Übertragung des Antriebsmoments der Riemenscheibe auf die Lenkmutter des KGT ist über die Mitnehmer 102 realisiert, die in Nuten in der Riemenscheibe und Lenkmutter greifen. Die Anzahl der Mitnehmer ist je nach Leistungsübertragung festzulegen und kann von 1 bis n sein. Bei dieser Ausführung sind vier Mitnehmer vorgesehen. Damit die Kippfähigkeit der Lenkmutter unter der Zahnscheibe durch die Mitnehmer nicht behindert wird, sind die seitlichen Anlageflachen der Mitnehmer, die in die Nuten der Riemenscheibe greifen, ballig ausgeführt. Alternativ kann die Balligkeit auch in die seitlichen Anlageflachen der Nuten in der Riemenscheibe gelegt werden. Die Mitnehmer 102 selbst sind vorzugsweise aus Elastomer, einem Elastomer ähnlichen Kunststoff oder Kunststoff ausgeführt.
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Sollte das KGT-Lager auf Grund der axialen Anfederung durch die Federelemente eine zu hohe Reibung erzeugen, besteht die Möglichkeit durch Einbau eines Federelementes, z.B. einer Wellfeder, zwischen die beiden Innenringe des KGT-Lagers (Stelle 1, Bezugsziffer 98 in 3) oder zwischen Lagerbund und Riemenscheibenbund (Stelle 2, Bezugsziffer 96 in 3) die axiale Verspannung des KGT-Lagers zu minimieren.
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5 zeigt den Schnitt entlang der Linie V-V in 4. Zu erkennen sind die vier Mitnehmer 102, eine Lenkmutter 160 und eine Riemenscheibe 152.
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6 zeigt einen Mitnehmer 102 in vergrößerter Darstellung. Bei diesem sind Anlageflächen 190 ballig ausgeführt. Dieser Mitnehmer 102 ist bspw. aus einem Elastomer gefertigt und dient zur Übertragung eines Antriebsmoments zwischen Riemenscheibe und Lenkmutter. Die Anzahl der Mitnehmer kann bedarfsgerecht gewählt werden.
