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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lagerelement zur längsverschieblichen Lagerung einer Zahnstange eines Zahnstangenlenkgetriebes innerhalb eines Lenkgehäuses und ein Zahnstangenlenkgetriebe mit einem solchen Lagerelement.
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Zahnstangenlenkungen werden seit langem in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt. Bei Zahnstangenlenkungen wird allgemein das Lenkdrehmoment ausgehend vom Lenkrad über eine Lenksäule und ein Lenkritzel in die Lenkung eingeleitet. Das Lenkritzel steht dabei in Eingriff mit einem gezahnten Abschnitt einer Zahnstange und wandelt die Drehbewegung des Lenkrads in eine üblicherweise horizontale Linearbewegung zum Verschwenken der gelenkten Räder um.
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Dabei ist es bekannt, die Zahnstange in einem Lenkgehäuse längsverschieblich über zwei Lagerstellen zu lagern. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift
DE 101 18 642 A1 eine solche Zahnstangenlenkung mit zwei Lagerstellen in Form von linearen Wälzlagerungen. Hierbei handelt es sich um eine hilfskraftunterstütze Lenkung, eine sogenannte Servolenkung, bei der die Hilfskraft durch einen Elektromotor aufgebracht wird. Auch die Patentschrift
DE 10 2006 011 752 B3 offenbart eine Zahnstangenlenkung mit einer Zahnstange in einem Lenkgehäuse, wobei die Zahnstange mit einem reibungsarmen Lager wie beispielsweise einem hydrostatischen Lager gelagert ist.
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Die Hilfskraft einer Servolenkung kann jedoch auch hydraulisch oder pneumatisch aufgebracht werden. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift
DE 31 01 968 A1 eine hydraulische Servolenkung für Fahrzeuge mit einer Lagerkappe, die in den Endbereich eines Zylinders eingebracht ist, innerhalb dem die Zahnstange längsverschieblich geführt ist. Die Lagerkappe umfasst ein Gleitlager, das diesen Endabschnitt der Zahnstange lagernd trägt. Ferner ist im Bereich der Lagerkappe eine Dichtung vorgesehen, um das Auslaufen von Hydrauliköl zu verhindern.
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Auch die Offenlegungsschrift
DE 10 2012 023 817 A1 beschreibt eine Dichtungsanordnung für eine Servolenkungsvorrichtung. Dabei ist ein Kolben an einem Zahnstangenstab angebracht, der einen Zylinder in zwei Kammern unterteilt, in die Hydrauliköl zuführbar ist. Die Zahnstange ist an einer Seite durch die Dichtungsanordnung geführt, wobei ein Dichtungselement engen Kontakt mit dem Zahnstangenstab hat und ein an das Dichtungselement angrenzender Abstandshalter dazu konfiguriert ist, das Dichtungselement zu schützen, wenn der Zahnstangenstab sich unter Last verbiegt. Diese Ausführungsform weist jedoch eine Überbestimmung der Zahnstangenlagerung auf, die bedingt durch Toleranzen und elastische Verformung der Bauteile unter Lasteinwirkung zu einer Reibungserhöhung führt. Hierdurch können Bauteile verklemmen, was eine Verschlechterung der Funktionswerte des Lenkgetriebes nach sich zieht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Zahnstange einer hydraulisch unterstützten Zahnstangenlenkung so zu lagern, dass Durchbiegungen der Zahnstange ausgeglichen werden, ohne dass dabei die Dichtfunktion von Dichtelementen gegen das Austreten von Hydraulikflüssigkeit negativ beeinträchtigt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Lagerelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Lagerelements ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–14. Ferner wird die Aufgabe durch ein Zahnstangenlenkgetriebe gemäß dem unabhängigen Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Zahnstangenlenkgetriebes ergeben sich aus den Ansprüchen 16–18.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Das erfindungsgemäße Lagerelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eignet sich zur längsverschieblichen Lagerung einer Zahnstange eines Zahnstangenlenkgetriebes innerhalb eines Lenkgehäuses. Das Lagerelement umfasst einen ringförmigen Grundkörper mit einer Durchgangsöffnung zur Aufnahme, d. h. zur Durchführung der Zahnstange. Im Bereich dieser Durchgangsöffnung sind Lagermittel zur längsverschieblichen Lagerung der Zahnstange gegenüber dem Grundkörper vorgesehen. Erfindungsgemäß ist auf der Außenseite des Grundkörpers wenigstens ein Dämpfungselement angebracht, wobei die Außenkontur dieses Dämpfungselements so an die Innenkontur eines Lenkgehäuses angepasst ist, dass das Lagerelement bei Einbringung in das Lenkgehäuse Kontakt mit der Innenseite des Lenkgehäuses hat, ohne dass jedoch der Grundkörper des Lagerelements das Lenkgehäuse kontaktiert. Hierdurch dient das Dämpfungselement als Abdichtung gegen das Auslaufen von beispielsweise Hydrauliköl, welches sich typischerweise in einer Hydraulikkammer befindet, die auf einer Seite des Lagerelements ausgebildet ist. Das Dämpfungselement verhindert so einen Durchtritt von Hydraulikflüssigkeit durch den Spalt zwischen dem Lagerelement und der Innenseite des Lenkgehäuses. Gleichzeitig stellt das Dämpfungselement aber auch ein flexibles Element dar, das als Dämpfung und Toleranzausgleich bei Durchbiegung der Zahnstange wirkt.
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So kann zusammen mit den Lagermitteln, durch welche die Zahnstange geführt ist, eine schwimmende Lagerung erzeugt werden. Die Zahnstangenführung mit einem elastischen Ausgleichselement in Form des Dämpfungselements verhindert so eine unerwünschte Verschlechterung der Funktionswerte des zugehörigen Lenkgetriebes, wodurch wiederum komfort- und sicherheitsrelevante Eigenschaften des Lenkgetriebes verbessert werden.
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Erfindungsgemäß weist das Lagerelement dabei ferner ein Dichtelement auf, das so ausgeformt und am Grundkörper angebracht ist, dass es bei Einbringung der Zahnstange in die Lagermittel dichtenden Kontakt mit der Zahnstange hat. Der Innendurchmesser des Dichtmittels ist somit vorzugsweise kleiner als der Innendurchmesser der Lagermittel, damit das Dichtmittel bei Einbringung der Zahnstange unter Druck an der Zahnstange anliegt. Durch dieses Dichtelement wird der Durchtritt von Hydraulikflüssigkeit durch den Spalt zwischen der Zahnstange und dem Lagerelement verhindert. Dabei ist das Dichtelement vorzugsweise so ausgeformt, dass die Dichtfunktion auch bei Durchbiegung der Zahnstange unter hohen Lasten nicht nachlässt. Beispielsweise ist das Dichtelement dafür als Radial-Wellendichtring ausgeführt, dessen Dichtlippe konstant Kontakt zu der Zahnstange hat und nicht abhebt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Dämpfungselement aus einem Elastomer. Vorzugsweise umgibt es dabei den Grundkörper des Lagerelements umfangsseitig in Form einer bandförmigen Ummantelung. Das Dämpfungselement kann dabei auf der Außenfläche des Grundkörpers fixiert sein, was auf unterschiedliche Arten erfolgen kann. Beispielsweise kann dies durch eine Verklebung, Umspritzung oder Vulkanisierung erfolgen. Ferner kann das Dämpfungselement dazu in eine umlaufende Nut eingebracht sein, die auf der Außenseite des Grundkörpers ausgebildet ist, wobei die Dicke des Dämpfungselements größer ist als die Tiefe der Nut. Das Dämpfungselement ragt somit teilweise aus der Nut heraus, wobei die Nut das Dämpfungselement in axialer Richtung auf dem Grundkörper fixiert. Das Dämpfungselement ragt dabei so weit aus der Nut heraus, dass es die Innenseite des Lenkgehäuses kontaktiert, ohne dass der Grundkörper des Lagerelements ebenfalls Kontakt zum Lenkgehäuse hat. So kann das Dämpfungselement als Dicht- und Dämpfungselement zwischen der Außenseite des Grundkörpers und der Innenseite des Lenkgehäuses agieren.
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Bei einer Durchbiegung der Zahnstange wird das Dämpfungselement partiell verformt bzw. zusammen gequetscht. Um diese Verformung zu unterstützen und einen konstanten Dichtkontakt zwischen Lagerelement und Lenkgehäuse zu gewährleisten, weist die Außenseite des Dämpfungselements beispielsweise wenigstens eine umtaufende Vertiefung auf. Durch diese Rille bzw. Rinne bilden sich seitlich davon zwei umlaufende Erhebungen bzw. Rippen aus, die sich in axialer Richtung verbiegen und/oder in radialer Richtung gequetscht werden können. So können die Rippen wie Dichtlippen wirken, aber die Zahnstange gleichzeitig auch federnd lagern. Der gleiche Effekt kann auch mit mehreren axial zueinander versetzten Ringen erreicht werden, welche den Grundkörper des Lagerelements umgeben und so ein oder mehrere Dämpfungselemente bilden. Dabei können als Ringe beispielsweise O-Ringe, Quad-Ringe und/oder X-Ringe eingesetzt werden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Gesamtdicke des Dämpfungselements in radialer Richtung in der Größenordnung von 2 bis 4 mm, insbesondere von 2,5 bis 3,5 mm liegt. Dabei kann das Dämpfungselement beispielsweise 0,5 bis 2 mm, insbesondere 0,8 bis 1,7 mm aus der Vertiefung einer Nut heraus ragen. Erhebungen in Form von Rippen bzw. Ringen können dann ebenfalls eine gegenüber der Nut überstehende Höhe im Bereich von 0,5 bis 2 mm, insbesondere von 0,8 bis 1,7 mm haben. Die Gesamtbreite des Dämpfungselements in axialer Richtung liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10 bis 50 mm, insbesondere von 20 bis 35 mm. Die Breite einer Rippe bzw. eines Rings kann im Bereich von 3 bis 5 mm liegen.
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Die Lagermittel des Lagerelements können insbesondere als Gleitlager ausgeführt sein. Hierzu kann eine Gleitbuchse mit dem Grundkörper verbunden sein, wobei die Zahnstange durch die Gleitbuchse hindurch geführt werden kann. Ferner kann das Lagerelement auch eine ringförmige Stützbuchse umfassen, deren Innendurchmesser wenigstens so groß ist wie die Lageröffnung der Lagermittel, wobei der Grundkörper in axialer Richtung seitlich an der Stützbuchse anliegt. Die Zahnstange wird dann durch die Stützbuchse und durch das Lagerelement geführt. Innerhalb der Stützbuchse ist die Zahnstange jedoch mit relativ viel Spiel geführt, denn die Stützbuchse dient lediglich als Anschlag für das Lagerelement bzw. zur Fixierung des Lagerelements bezüglich des Lenkgehäuses. Vorzugsweise weist die Stützbuchse dazu Mittel zur Fixierung der Stützbuchse an einer definierten Stelle innerhalb des Lenkgehäuses auf.
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Von der Erfindung umfasst ist auch ein Zahnstangenlenkgetriebe mit hydraulischer Hilfskraftunterstützung, umfassend ein drehbar gelagertes Lenkritzel, das über eine Verzahnung in einen Zahnbereich einer Zahnstange derart eingreift, dass eine Drehung des Lenkritzels zu einer Verschiebung der Zahnstange in Richtung ihrer Längsachse führt, wobei die Zahnstange längsverschieblich in einem Lenkgehäuse geführt ist. Erfindungsgemäß ist in das Lenkgehäuse wenigstens ein Lagerelement gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so eingebracht, dass das wenigstens eine Dämpfungselement des Lagerelements Kontakt mit der Innenseite des Lenkgehäuses hat. Die Zahnstange ist längsverschieblich in den Lagermitteln des Lagerelements geführt, wobei das Dichtelement dichtenden Kontakt mit der Zahnstange hat.
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Durch diese Verwendung des Lagerelements zur Lagerung einer Zahnstange innerhalb eines Zahnstangenlenkgetriebes können für die Zahnstangenlenkung die vorgenannten Vorteile erreicht werden. Fertigungstoleranzen werden ausgeglichen und Verklemmungen der Zahnstange verhindert, wobei das Lagerelement als Kombinationsbauteil dichtet, lagert und kompensiert. Dabei können zwei Lagerelemente jeweils auf einer Seite eines Kolbens vorgesehen sein, oder das erfindungsgemäße Lagerelement wird nur auf einer Seite zur schwimmenden Lagerung der Zahnstange verwendet. Vorzugsweise ist es dann auf der Getriebeseite, d. h. auf der Seite des Lenkritzels positioniert.
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Vorzugsweise hat das Dämpfungselement dabei Kontakt zur Innenseite des Lenkgehäuses, während der Grundkörper des Lagerelements das Lenkgehäuse nicht kontaktiert. Der Abstand zwischen dem Grundkörper des Lagerelements und dem Lenkgehäuse liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 1,0 mm.
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Umfasst das Lagerelement auch eine Stützbuchse, kann der Grundkörper des Lagerelements in axialer Richtung seitlich an dieser anliegen, wobei die Stützbuchse radial und axial im Lenkgehäuse fixiert ist.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Von den Abbildungen zeigt:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lagerelements;
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2 eine Aufsicht auf ein Lagerelement gemäß 1;
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3 einen schematischen Querschnitt A-A durch ein Lagerelement gemäß 1;
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4 eine schematische Darstellung eines Lagerelements innerhalb eines Lenkgehäuses; und
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5 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lagerelements.
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1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagerelements 10, das als Kombinationsbauteil ausgeführt ist. Das Lagerelement 10 ist ringförmig mit einer vorzugsweise kreisförmigen Außenkontur ausgeführt und weist einen Grundkörper 11 mit einer zentralen Durchgangsöffnung 15 auf, wie es auch dem Querschnitt A-A der 3 zu entnehmen ist. Der Grundkörper ist vorzugsweise einstückig aus Metall geformt und weist in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Außendurchmesser auf, so dass seine Außenkontur abgestuft ist. Er kann jedoch auch aus mehreren miteinander verbundenen Einzelteilen zusammengesetzt sein, die zusammen einen ringförmigen Grundkörper mit oder ohne Abstufungen bilden.
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Im Bereich eines größeren Außendurchmessers ist dann beispielsweise eine Gleitbuchse 12 in die Durchgangsöffnung 15 eingeschoben, während sich im Bereich eines kleineren Durchmessers ein Dichtelement 13 in Form eines Radial-Wellendichtrings befindet. Die Gleitbuchse 12 kann so von rechts in die Durchgangsöffnung 15 eingeschoben werden, bis sie an einen Anschlag anstößt, der durch eine Verengung des Innendurchmessers der Durchgangsöffnung gebildet wird. Anschießend kann der Radial-Wellendichtring 13 eingesetzt werden.
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Im Bereich des größeren Außendurchmessers ist ferner ein Dämpfungselement 20 angebracht, das vorzugsweise aus einem Elastomer gebildet wird. Das Dämpfungselement 20 umgibt die Außenkontur des Grundkörpers 11 vorzugsweise vollständig, so dass es eine Art Ummantelung bildet. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Dämpfungselement 20 dabei in eine Nut 14 eingebracht, die an der Außenseite des Grundkörpers 11 ausgebildet ist. So ist das Dämpfungselement 20 axial auf den Grundkörper gesichert. Die Dicke des Dämpfungselements 20 ist dabei so gewählt, dass es teilweise aus der Nut herausragt. Ferner sind in der Außenfläche des Dämpfungselements 20 mehrere umlaufende Erhebungen 21 vorgesehen, welche mehrere Rippen bilden. Neben diesen Erhebungen 21 sind so entsprechende umlaufende Vertiefungen ausgebildet. Ein beispielhafter Verlauf dieser Vertiefungen und der zugehörigen Rippen 21 ist der Aufsicht der 2 zu entnehmen. Die Rippen 21 liegen vorzugsweise parallel nebeneinander.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Lagerelements 10 innerhalb eines Lenkgehäuses 40. Das Lagerelement 10 ist dabei so in ein zylinderförmiges Lenkgehäuse 40 eingeschoben, dass das Dämpfungselement 20 Kontakt mit der Innenfläche des Lenkgehäuses 40 hat. Dieser Kontakt zum Zylinderrohr 40 ist vorzugsweise dichtend. Gleichzeitig ist eine Zahnstange 30 durch die Durchgangsöffnung des Lagerelements 10 geschoben, so dass sie in der Gleitbuchse 12 axial verschieblich gelagert ist. Dabei ist der Radial-Wellendichtring 13 so positioniert, dass seine Dichtlippe Kontakt mit der Außenfläche der Zahnstange 30 hat. Hydraulikflüssigkeit der hydraulisch unterstützten Zahnstangenlenkung befindet sich in 4 auf der rechten Seite des Lagerelements 10, wobei das Dichtelement 13 und das Dämpfungselement 20 ein Austreten der Hydraulikflüssigkeit auf die linke Seite verhindern.
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Das Lagerelement 10 liegt dabei an einer Stützbuchse 50 an, die eine Bohrung 52 aufweist, durch welche die Zahnstange 30 geführt ist. Die Stützbuchse 50 ist gegenüber dem Lenkgehäuse 40 fixiert, was im Ausführungsbeispiel der 4 durch Formschluss zwischen einer Einbuchtung 41 im Lenkgehäuse 40 und einer Vertiefung 51 in der Stützbuchse 50 realisiert ist. Die Fixierung kann jedoch auch durch jegliche andere Maßnahmen erfolgen. Die gesamte Einheit kann dann so innerhalb des Lenkgehäuses 40 montiert werden, dass zuerst die Stützbuchse 50 in das Lenkgehäuse 40 eingebracht und beispielsweise formschlüssig an einer definierten Stelle fixiert wird. Anschließend wird das Dämpfungselement 20 des Lagerelements 10 vorgespannt und das Lagerelement von rechts in das Lenkgehäuse 40 eingedrückt, bis es an der rechten Seite der Stützbuchse 50 anschlägt. Die Zahnstange 30 kann vorher oder anschließend in die Gleitbuchse 12 eingeschoben werden.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lagerelements 10', dessen Aufbau und Komponenten im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 entsprechen. Bei dem verwendeten Dämpfungselement handelt es sich jedoch nicht um ein einzelnes, bandförmiges Element, welches die Außenkontur des Lagerelements im Bereich des größeren Durchmessers umgibt. Vielmehr ist an dieser Außenkontur des Grundkörpers 11 eine Reihe von Ringen 20' aus einem elastischen Material angebracht, die zusammen ein Dämpfungselement bilden, das ebenfalls die zuvor genannten Funktionen erfüllt. In dieser Ausführungsform der Erfindung wurden als Ringe beispielsweise mehrere axial zueinander versetzte O-Ringe 20' gewählt. Diese O-Ringe 20' können auch jeweils für sich als Dämpfungselement im Sinne der Erfindung angesehen werden. Insbesondere können durch die O-Ringe mehrere umlaufende Erhebungen ausgebildet werden, die sich in axialer Richtung verbiegen und/oder in radialer Richtung gequetscht werden können. So kann auch eine Reihe von O-Ringen dichten und die Zahnstange gleichzeitig federnd lagern. Um die O-Ringe 20' dabei an einem Verrutschen zu hindern, können sie in Nuten 14' eingelegt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Lagerelement, Kombinationsbauteil
- 11
- Grundkörper
- 12
- Lagermittel, Gleitlager, Lagerbuchse
- 13
- Dichtelement, Radial-Wellendichtring
- 14, 14'
- Nut
- 15
- Durchgangsöffnung
- 20, 20'
- Dämpfungselement, Ring, O-Ring
- 21
- Erhebung, Rippe
- 30
- Zahnstange
- 40
- Lenkgehäuse, Zylinderrohr
- 41
- Einbuchtung
- 50
- Stützbuchse
- 51
- Vertiefung
- 52
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10118642 A1 [0003]
- DE 102006011752 B3 [0003]
- DE 3101968 A1 [0004]
- DE 102012023817 A1 [0005]
