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Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit zur Lagerung einer Welle, aufweisend ein Lager mit einem Innenring und einem Außenring, wobei der Innenring und der Außenring umfangsgemäß zueinander verdrehbar sind, und wobei der Außenring eine äußere, gewölbte Mantelfläche aufweist, wobei das Lager eine Rotationsachse aufweist und gegenüber mindestens einem Schwenkring abgestützt ist, und wobei das Lager gegenüber dem Schwenkring um mindestens eine quer zu der Rotationsachse orientierte Schwenkachse verschwenkbar ist, wobei der Schwenkring mindestens eine als Kugelkalotte ausgebildete Innenfläche aufweist, die korrelierend zur äußeren, gewölbten Mantelfläche des Außenrings ausgebildet ist, sodass zwischen diesen Flächen ein Kontaktbereich ist, wobei der Schwenkring, der Innenring und der Außenring koaxial zueinander angeordnet sind.
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In elektrisch unterstützten Servolenkungen kommen häufig Antriebe mit Schneckenwelle und Schneckenrad zum Einsatz. Die Schneckenwelle ist in der Regel in einem Festlager und einem Loslager abgestützt. Das Festlager ist bei manchen Anwendungen als Schwenklager ausgeführt und kann den Verschleiß im Zahneingriff und die Wellenverkippung nachstellen. Die Verschwenkfunktion ist durch den Einsatz eines separaten Schwenkrings mit Innensphäre gegeben, der den sphärischen Kugellager-Außenring aufnimmt. Eine elektrisch angetriebene Servolenkung ist eine elektrische Hilfskraftlenkung, die nur dann arbeitet, wenn Lenkbewegungen stattfinden. Bei einem elektromechanischen Antrieb unterstützt und überlagert ein programmgesteuerter Elektrostellmotor an der Mechanik der Lenkung, also an der Lenksäule oder dem Lenkgetriebe, die Lenkbewegungen des Fahrers. Bekannt sind diese Systeme als Electric Power Steering (EPS) und Electric Power Assisted Steering (EPAS), wobei die Hydraulik bei diesen Systemen stets entfällt. Somit entfallen die Servopumpe, die Schläuche von der Servopumpe zum Lenkgetriebe und zurück, die Hydraulikflüssigkeit und der Nehmerkolben
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Lagerkonstruktionen für elektrisch unterstützte Servolenkungen werden mit hoher Präzision hergestellt, weil die Kalotte möglichst spielfrei sein sollte, um eine geräuscharme Funktion der Lagereinheit ohne Umschlagklacken zu gewährleisten. Dabei bilden der Außenring und der Schwenkring ein Kalottenpaar, das mit genau definierten Toleranzen gefertigt wird und in mehreren Toleranzgruppen zugepaart ist. Der Schwenkring weist zum Einführen und Verschwenken des sphärischen Außenrings Montagefenster auf.
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Eine Lagereinheit nach Stand der Technik ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 044 618 A1 bekannt. Diese Erfindung ist auf eine Lagereinheit gerichtet, über die verschwenkbar eine Schneckenspindel für eine Servolenkung gelagert ist. Eine Verschwenkbarkeit eines Lagers wird über zwei Außenringe gewährleistet, die für veränderbare relative Lage über ein Verbindungselement derart miteinander verbunden werden können, dass eine Mantelfläche einer äußeren Lagerschale des Lagers spielfrei, aber unter Gewährleistung eines Schwenk-Freiheitsgrades um eine Schwenkachse ermöglicht ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine alternative Lagereinheit mit guten Akustikeigenschaften, leichter Montierbarkeit und einfach herstellbarem Außenring und Schwenkring zu schaffen, wobei die Lagereinheit Verschleiß im Zahneingriff und eine Wellenverkippung nachstellen können sollte.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit zur Lagerung einer Welle, aufweisend ein Lager mit einem Innenring und einem Außenring, wobei der Innenring und der Außenring umfangsgemäß zueinander verdrehbar sind, und wobei der Außenring eine äußere, gewölbte Mantelfläche aufweist, wobei das Lager eine Rotationsachse aufweist und gegenüber mindestens einem Schwenkring abgestützt ist, und wobei das Lager gegenüber dem Schwenkring um mindestens eine quer zu der Rotationsachse orientierte Schwenkachse verschwenkbar ist, wobei der Schwenkring mindestens eine als Kugelkalotte ausgebildete Innenfläche aufweist, die korrelierend zur äußeren, gewölbten Mantelfläche des Außenrings zur Bildung eines Kontaktbereichs ausgebildet ist, wobei der Schwenkring, der Innenring und der Außenring koaxial zueinander angeordnet sind. Der Schwenkring weist in Umfangsrichtung eine Ausnehmung auf, die sich über die gesamte Schwenkringbreite erstreckt.
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Die Schwenkringbreite ist die Breite, die der Schwenkring über die Erstreckungsachse der Rotationsachse aufweist.
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Die sich über die gesamte Schwenkringbreite erstreckende Ausnehmung ist vorgesehen, um das Lager, vorzugsweise ein Wälzlager, besonders bevorzugt ein Kugellager, leicht in den Schwenkring montieren zu können, wobei die montierte Lagereinheit gute Akustikeigenschaften aufweist. Die guten Akustikeigenschaften sind insbesondere auf die im Kontaktbereich bestehende Federspannung zwischen der als Kugelkalotte ausgebildeten Innenfläche des Schwenkrings und der äußeren, gewölbten Mantelfläche des Außenlagers. Durch die konstante Spannung im vorgenannten Kontaktbereich werden Geräusche durch Umschlagklacken vermieden.
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Besonders bevorzugt wird die Ausnehmung erzeugt, indem eine im Bereich der künftigen Ausnehmung eine Einkerbung vorgesehen ist, die zu der Ausnehmung weiterverarbeitet wird.
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Der Schwenkring ist insbesondere elastisch ausgebildet, sodass die Ausnehmung einen federnden Effekt des Schwenkrings unterstützt.
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Der Schwenkring ist, abgesehen von der Ausnehmung, bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet. Vorzugsweise weist er in seinem Innenbereich eine Kugelkalotte auf.
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Insbesondere besteht der Schwenkring aus einem durchhärtenden Werkstoff, beispielsweise aus 100Cr6. Durch dieses Merkmal lässt sich der Schwenkring besonders gut mittels Laserstrahlschneiden einkerben und mithin leicht herstellen.
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Alternativ kann der Schwenkring auch aus einem nicht-durchhärtenden Material, z.B. Einsatzstahl oder Sintermaterial hergestellt werden. Hierdurch lässt sich der Schwenkring besonders einfach Sägen, um eine Einkerbung im Schwenkring zu erzeugen.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Außenring und der Schwenkring zueinander überdeckend ausgebildet sind. Überdeckung kann hierbei analog zu einer Übermaßpassung verstanden werden. Wegen der insbesondere elastischen Ausbildung des Schwenkrings wirkt der Schwenkring in diesem bevorzugten Fall wie eine Feder, die die Kugelkalotte spielfrei vorspannt. Diese Eigenschaft kann zur spielfeien Lagerung der Welle verwendet werden, in dem das Schwenklager nach der Montage in das Lenkgetriebegehäuse über eine Mutter kraftschlüssig oder formschlüssig fixiert wird. Die federelastische Vorspannung wird nach dem Anziehen der Mutter beibehaltend fixiert.
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Eine alternative Möglichkeit einer spielfreien Lagerung besteht darin, dass der Schwenkring außenseitig in Umfangsrichtung zumindest ein elastisches Mantelelement, insbesondere einen O-Ring, aufweist. Der mit beispielsweise elastischen Ringen oder elastischer Ummantelung ausgestattete Schwenkring ermöglicht eine dauerhaft elastische Vorspannung nach der Montage. Die elastischen Komponenten sorgen außerdem für die Geräuschentkopplung, bzw. Schwingungsdämpfung im Betrieb.
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Besonders bevorzugt können der Außenring und/ oder der Schwenkring zumindest im Kontaktbereich eine reibungsmindernde Beschichtung aufweisen. Als reibungsmindernde Beschichtung gelten Beschichtungen mit einem Reibungskoeffizienten von kleiner oder gleich den Reibungskoeffizienten von Molybdändisulfid oder Manganphosphat. Molybdändisulfid oder Manganphosphat sind besonders bevorzugte Beschichtungen für den Außenring und/ oder den Schwenkring.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Lagereinheit mit mindestens einem der vorgenannten Merkmale sieht vor, dass der Schwenkring zumindest eine Einkerbung aufweist, um die Ausnehmung zu bilden. Diese Einkerbung wird derart belastet, beziehungsweise verformt, dass sie über die gesamte Schwenkringbreite bricht und in der Folge die Ausnehmung bildet. Anschließend wird der Schwenkring derart elastisch aufgeweitet, dass das zu montierende Lager eingeführt werden kann. Nachdem der Schwenkring und das zu montierende Lager die entsprechende Montageposition haben, wird die Aufweitung des Schwenkrings derart gelöst wird, dass der Schwenkring das Lager umfangsgemäß umgreift. Die Aufweitung erfolgt somit nur übergangsweise. Dies zeigt die leichte Montierbarkeit, wobei der Außenring und der Schwenkring einfach hergestellt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Maßnahme kann die Einkerbung zur Herstellung der Lagereinheit daher stammen, dass die Einkerbung bereits mit der Herstellung eines Schwenkringgrünlings vorhanden ist oder dass sie mittels eines Laserstrahls eingebracht wird. Hierzu eignet sich insbesondere ein Schwenkring aus einem durchhärtenden Werkstoff, vorzugsweise aus 100Cr6.
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Gemäß einer alternativen Maßnahme zur Erzeugung der Einkerbung ist vorgesehen, dass die Einkerbung mittels eines trennenden Fertigungsverfahrens, beispielsweise mittels Sägen oder Schneiden, eingebracht wird. Das Schneiden kann bevorzugt mit Laser oder Wasserstrahl erfolgen. Optional eignen sich diese Herstellungsmaßnahmen für die Einkerbung insbesondere für einen Schwenkring, der aus einem nicht-durchhärtenden Werkstoff besteht. Besonders bevorzugt besteht der Schwenkring dann aus einem Einsatzstahl oder Sintermaterial.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Schwenkring mit mindestens einem der vorgenannten Merkmale für ein Lager mit mindestens einem der vorgenannten Merkmale.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: einer Lagereinheit nach Stand der Technik in einer Seitenansicht,
- 2: eine Lagereinheit in einer vertikalen Schnittansicht durch die Schnittebene A-A nach 1,
- 3: eine erste Ausführungsform einer Lagereinheit nach Lehre der Erfindung in einer Seitenansicht,
- 4: eine Lagereinheit in einer vertikalen Schnittansicht durch die Schnittebene B-B nach 3,
- 5: eine Lagereinheit nach den 3 und 4 in einer perspektivischen Ansicht,
- 6: eine in einem Servolenkungsgehäuse angeordnete Lagereinheit nach 3, 4 und 5 in einer vertikalen Schnittansicht,
- 7: eine zweite Ausführungsform einer Lagereinheit nach Lehre der Erfindung in einer Seitenansicht,
- 8: eine Lagereinheit in einer vertikalen Schnittansicht durch die Schnittebene C-C nach 7,
- 9: eine Lagereinheit nach den 7 und 8 in einer perspektivischen Ansicht und
- 10: eine in einem Servolenkungsgehäuse angeordnete Lagereinheit nach 7, 8 und 9 in einer vertikalen Schnittansicht.
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1 zeigt eine Lagereinheit 10 nach Stand der Technik in einer Seitenansicht. Die Lagereinheit 10 weist ein Lager 12 mit einem Innenring 14 und einem Außenring 16 auf. Der Innenring 14 und der Außenring 16 sind umfangsgemäß um eine Rotationsachse R zueinander verdrehbar.
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Das Lager 12 ist gegenüber mindestens einem Schwenkring 20 abgestützt und gegenüber dem Schwenkring 20 um mindestens eine quer zu der Rotationsachse R orientierten Schwenkachse R verschwenkbar.
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In 2 ist die Lagereinheit 10 in einer vertikalen Schnittansicht durch die Schnittebene A-A nach 1 dargestellt. Erkennbar ist, dass der Schwenkring 20 eine als Kugelkalotte ausgebildete Innenfläche 22 aufweist, die korrelierend zu einer äußeren, gewölbten Mantelfläche 18 des Außenrings 16 zur Bildung eines Kontaktbereichs 24 ausgebildet ist. Der Schwenkring 20, der Innenring 14 und der Außenring 16 sind koaxial zueinander angeordnet.
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Wie in den 1 und 2 erkennbar ist, weist der Schwenkring 20 nach Stand der Technik zwei sich diametral gegenüberliegende Montagefenster 28 auf, wobei die umfangsgemäß zum Schwenkring 20 schlitzartig ausgebildet sind und sich insbesondere bis zur halben Schwenkringbreite in den Schwenkring 20 erstrecken. Die Schwenkringbreite ist die Breite, die der Schwenkring 20 über die Erstreckungsachse der Rotationsachse R aufweist. Die Montagefenster 28 dienen dem Einführen und Verschwenken des Außenrings 16 mit der äußeren, gewölbten Mantelfläche 18. Ein Außenring 16 mit einer derart äußeren, gewölbten Mantelfläche 18 wird auch sphärischer Außenring genannt.
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3 zeigt eine Lagereinheit 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht. Die Lagereinheit 10 weist ein Lager 12 mit einem Innenring 14 und einem Außenring 16 auf. Der Innenring 14 und der Außenring 16 sind umfangsgemäß um eine Rotationsachse R zueinander verdrehbar.
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Das Lager 12 ist gegenüber mindestens einem Schwenkring 20 abgestützt und gegenüber dem Schwenkring 20 um mindestens eine quer zu der Rotationsachse R orientierten Schwenkachse S verschwenkbar.
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In 4 ist die Lagereinheit 10 in einer vertikalen Schnittansicht durch die Schnittebene B-B nach 3 dargestellt. Erkennbar ist, dass der Schwenkring 20 eine als Kugelkalotte ausgebildete Innenfläche 22 aufweist, die korrelierend zu einer äußeren, gewölbten Mantelfläche 18 des Außenrings 16 ausgebildet ist, sodass zwischen diesen Flächen ein Kontaktbereich 24 ist. Der Schwenkring 20, der Innenring 14 und der Außenring 16 sind hinsichtlich der Rotationsachse R koaxial zueinander angeordnet.
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In den 3 bis 6 ist weiterhin dargestellt, dass der Schwenkring 20 in Umfangsrichtung U eine Ausnehmung 26 aufweist, die sich über die gesamte Schwenkringbreite erstreckt. Die Schwenkringbreite ist die Breite, die der Schwenkring 20 über die Erstreckungsachse der Rotationsachse R aufweist.
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Eine elastische Vorspannung zwischen dem Außenring 16 und dem insbesondere elastischen Schwenkring 20, und die nach der Montage fortbesteht, wird gemäß der ersten Ausführungsform gebildet, indem der Außenring 16 und der Schwenkring 20 zueinander überdeckend ausgebildet sind. Dies bedeutet dass eine Übermaßpassung vorliegt.
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In 6 ist dargestellt, wie die Lagereinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform in einem Servolenkungsgehäuse 30 angeordnet ist. Dabei kann die Lagereinheit 10 insbesondere zur Lagerung einer Schneckenwelle vorgesehen sein. Dies gilt insbesondere für ein System mit einem Servolenkungsgehäuse 30 nach Electric Power Assisted Steering (EPAS). Das Schwenklager 20 ist über eine Gewindemutter 32 kraftschlüssig oder formschlüssig fixiert. Die Fixierung erfolgt insbesondere mit einer über den Schwenkring 20 mittels der Überdeckung erzeugten federelastischen Vorspannung. Diese Fixiermethode ermöglicht eine vorteilhaft feste und gleichzeitige lösbare Verbindung der Lagereinheit 10 in dem Servolenkungsgehäuse 30.
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Die Auswahl einer Befestigung der Lagereinheit 10 im Servolenkungsgehäuse 30 mittels der Gewindemutter 32 kann gemäß der Erfindung sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform, sowie gemäß nicht dargestellten Ausführungsformen insbesondere kraftschlüssig oder formschlüssig erfolgen.
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7 zeigt eine Lagereinheit 10 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht. Die Lagereinheit 10 weist ein Lager 12 mit einem Innenring 14 und einem Außenring 16 auf. Der Innenring 14 und der Außenring 16 sind umfangsgemäß um eine Rotationsachse R zueinander verdrehbar.
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Das Lager 12 ist gegenüber mindestens einem Schwenkring 20 abgestützt und gegenüber dem Schwenkring 20 um mindestens eine quer zu der Rotationsachse R orientierten Schwenkachse S verschwenkbar.
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In 8 ist die Lagereinheit 10 in einer vertikalen Schnittansicht durch die Schnittebene C-C nach 7 dargestellt. Erkennbar ist, dass der Schwenkring 20 eine als Kugelkalotte ausgebildete Innenfläche 22 aufweist, die korrelierend zu einer äußeren, gewölbten Mantelfläche 18 des Außenrings 16 ausgebildet ist, sodass zwischen diesen Flächen ein Kontaktbereich 24 ist. Der Schwenkring 20, der Innenring 14 und der Außenring 16 sind hinsichtlich der Rotationsachse R koaxial zueinander angeordnet.
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In den 7 bis 10 ist weiterhin dargestellt, dass der Schwenkring 20 in Umfangsrichtung U eine Ausnehmung 26 aufweist, die sich über die gesamte Schwenkringbreite erstreckt. Die Schwenkringbreite ist die Breite, die der Schwenkring 20 über die Erstreckungsachse der Rotationsachse R aufweist.
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Eine elastische Vorspannung zwischen dem Außenring 16 und dem insbesondere elastischen Schwenkring 20, und die nach der Montage fortbesteht, wird gemäß der zweiten Ausführungsform gebildet, indem der Schwenkring 20 außenseitig in Umfangsrichtung U zumindest ein elastisches Mantelelement 36 aufweist. In den 8, 9 und 10 ist dargestellt, dass zwei über die Schwenkringbreite voneinander beabstandete elastische Mantelelemente 36 vorgesehen sind, die insbesondere O-Ringe sind.
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In 10 ist dargestellt, wie die Lagereinheit 10 gemäß der zweiten Ausführungsform in einem Servolenkungsgehäuse 30 angeordnet ist. Dabei kann die Lagereinheit 10 insbesondere zur Lagerung einer Schneckenwelle vorgesehen sein. Dies gilt insbesondere für ein System mit einem Servolenkungsgehäuse 30 nach Electric Power Assisted Steering (EPAS). Das Schwenklager 20 ist über einen Sprengring 34 im Servolenkungsgehäuse 30 fixiert. Die Fixierung erfolgt insbesondere mit einer über den Schwenkring 20 mittels der elastischen Mantelelemente 36 erzeugten federelastischen Vorspannung. Diese Fixiermethode ermöglicht eine vorteilhaft günstige und gleichzeitige lösbare Verbindung der Lagereinheit 10 in dem Servolenkungsgehäuse 30.
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Die Auswahl einer Befestigung der Lagereinheit 10 im Servolenkungsgehäuse 30 mittels des Sprengrings 34 kann gemäß der Erfindung sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform, sowie gemäß nicht dargestellten Ausführungsformen insbesondere kraftschlüssig oder formschlüssig erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagereinheit
- 12
- Lager
- 14
- Innenring
- 16
- Außenring
- 18
- Mantelfläche des Außenrings
- 20
- Schwenkring
- 22
- Innenfläche
- 24
- Kontaktbereich
- 26
- Ausnehmung
- 28
- Montagefenster
- 30
- Servolenkungsgehäuse
- 32
- Gewindemutter
- 34
- Sprengring
- 36
- elastische Mantelelemente
- R
- Rotationsachse
- S
- Schwenkachse
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007044618 A1 [0004]
