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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil für ein Schneckengetriebe, ein Schneckengetriebe, eine Servolenkung, ein Fahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Schneckengetriebe.
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Im Maschinenbau werden zur Übertragung von Drehmoment und Drehzahl in zahlreichen Anwendungen Schneckengetriebe verwendet. Zum Beispiel umfassen übliche EPAS-Systeme (EPAS - Electric Power Assisted Steering), also elektrische Servolenkungen, insbesondere Lenkstrang-basierte und Lenkgetrieberitzel-basierte Systeme, Schneckengetriebesätze zur Übertragung von Drehmoment und Drehzahl von dem unterstützten Bereich der elektrischen Servolenkung zur Ausgangswelle des Lenksystems und weiter zum Lenkgetriebe.
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Übliche Schneckengetriebe bestehen aus einem gegossenen bzw. gespritztem Kunststoff-Schneckenrad (z.B. Polyamid) und einer Schecke, auch Schneckenwelle genannt. Eine gekrümmte oder gerade Verzahnung oder die Evolventen-Verzahnung sind übliche Verzahnungsarten für die Zahnräder, insbesondere für die Verzahnung des Schneckenrades mit der Schnecke.
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In den Dokumenten
WO 2011/127919 A1 und
JP 4273296 B2 werden zur Erzielung einer gleichmäßigen Übertragung der Drehbewegung durch ein Schneckengetriebe die Kontaktoberflächen der Zähne des Schneckenrades globoidisch ausgestaltet.
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Um bei neuen Fahrzeugen die erforderliche Leistung und Performance einer Servolenkung sofort zur Verfügung zu stellen, muss die Lenkung bei dem Hersteller oder Zulieferer des Lenksystems eingelaufen werden. Die für den Einlaufprozess wesentlichen Parameter, wie zum Beispiel Drehmoment, Last, Drehzahl und Laufzeit, führen zu lokalen Temperaturanstiegen in den Bereichen des Zahnradeingriffs. Dies ist mit dem Risiko verbunden, dass die Kontaktoberfläche verändert wird, insbesondere in ihrer Qualität verschlechtert oder zerstört wird. Mit einer so verschlechterten Kontaktoberfläche ist es unter Umständen nicht möglich, das angestrebte oder erforderliche Performanceniveau, beispielsweise eine gleichmäßige Reibung, zu gewährleisten. Um dieses durch den Temperaturanstieg beim Einlaufen verursachte Risiko zu beschränken, müssen Parameter, wie Drehmoment, Last und Drehzahl, reduziert werden, was wiederum zu längeren Prozesszeiten führt. Das Einlaufen selbst führt zu verstärkten Kontaktmustern und dauerhaften lokalen Verformungen im Bereich des Zahnradeingriffs.
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Vor dem geschilderten Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Bauteil zur Verfügung zu stellen, welches die im Zusammenhang mit dem Einlaufen verbundenen Risiken bezüglich der Eigenschaften des eingelaufenen Schneckengetriebes zumindest reduziert und Prozesszeiten wesentlich reduziert. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgaben werden durch ein Bauteil für ein Schneckengetriebe gemäß Patentanspruch 1, ein Schneckengetriebe gemäß Patentanspruch 7, eine Servolenkung gemäß Patentanspruch 8, ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 9 und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Schneckengetriebe gemäß Patentanspruch 10 und gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Bauteil für ein Schneckengetriebe umfasst eine Rotationsachse und eine Anzahl radial hervorstehender Zähne. Die Zähne umfassen eine Oberfläche, die so geformt ist, dass sie zu einer Verzahnung ausgelegt ist, zum Beispiel zu einer Evolventen-Verzahnung. Mindestens ein Zahn, vorzugsweise alle Zähne, umfassen mindestens eine Zahnflanke, die eine konkave Vertiefung aufweist. Vorteilhafterweise weisen beide Zahnflanken eine konkave Vertiefung auf.
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Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Zahnflanke mindestens einen Oberflächenbereich, der als Kontaktfläche im Rahmen des Zahneingriffs ausgelegt ist. Die konkave Vertiefung ist vorteilhafterweise im Bereich der Kontaktfläche, insbesondere im Bereich der vorgesehenen bzw. sich ergebenden Kontaktfläche, angeordnet. Sie ist bevorzugt gewölbt oder bogenförmig ausgestaltet. Insbesondere kann sie die Evolventenform der verwendeten Schnecke aufweisen.
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Die Erfindung beinhaltet die Idee, die durch plastische Deformation erzeugte Verformung der Kontaktflächen teilweise oder vollständig bereits während der Herstellung, insbesondere während des Gießens bzw. Spritzens des Bauteils oder durch externes Einlaufen des Bauteils, zu erzeugen. Dabei ist es das Ziel, ausgehend von einer unverfälschten Evolvente oder einer anderem Zahnflankenform zu einer konkav gewölbten Kontaktfläche im Bereich des Zahneingriffs überzugehen. Dadurch wird die Kontaktfläche von vornherein vergrößert. Von Vorteil ist insbesondere ein Einlaufen des Bauteils mit einer Schnecke außerhalb des für das Bauteil vorgesehenen Systemverbunds, um den Kontaktbereich bereits vor dem Zusammenbau, insbesondere vor dem Einbau in das Schneckengetriebe, entsprechend zu vergrößern und mit einer konkaven Vertiefung auszugestalten. Dieser Prozess ist weniger eingeschränkt als der eingehend erwähnte Einlauf-Prozess des Zusammenbaues, also des bereits zusammengebauten Schneckengetriebes, da bei einem externen Einlaufen z.B. ein erhöhter Leistungseintrag aufgrund verbesserter Kühlmöglichkeiten und/oder eine Temperaturüberwachung möglich ist.
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Das Vorsehen einer konkaven Vertiefung im Bereich der Zahnflanke bewirkt, dass die Form der Zahnflanke an die im Ergebnis eines Einlaufens erzeugte Form vorab erzeugt bzw. angepasst wird. Dies hat den Vorteil, dass der mit dem Einlaufen eines Schneckengetriebes verbundene Aufwand reduziert werden kann. Gleichzeitig wird die Qualität des Getriebes verbessert, da die Form der Zahnflanken bereits an die beim Betrieb erzeugte Form angepasst ist. Zudem wird die Kontaktfläche im Bereich des Zahnradeingriffs vergrößert. Weiterhin kann so das Getriebespiel verlässlich eingestellt werden, da die Kontaktflächen im Bereich des Zahnradeingriffs nicht weiter oder nur unwesentlich verändert werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch Einlaufprozesse hervorgerufene Performanceveränderungen im Laufe der Betriebszeit des Getriebes zumindest verringert werden, im günstigsten Fall vollständig eliminiert werden. Dies betrifft zum Beispiel die NHV-Charakteristik (NHV - Noise, Harshness, Vibration, deutsch: Geräusch, Vibration, Rauigkeit), aber auch die Reibungsmerkmale und Steuereigenschaften.
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Bevorzugt weist die Zahnflanke in einem Schnitt senkrecht zur Rotationsachse, also in einem radialen Schnitt, eine Oberfläche mit einer konvexen Evolventenform auf, die die konkave Vertiefung umfasst. Prinzipiell kann die konkave Vertiefung eine Tiefe von 0,1 Millimetern bis 0,3 Millimetern aufweisen. Dabei wird die Tiefe vorzugsweise ausgehend von der zur Evolventenverzahnung ausgelegten Oberfläche der Zahnflanke beziehungsweise der vollständigen konvexen Evolventenform gemessen. Eine Tiefe von 0,1 Millimetern bis 0,3 Millimetern hat sich als besonders günstig erwiesen, da sie die durch das Einlaufen verursachte Verformung gut abbildet. Die Breite der Vertiefung wird durch das Verzahnungsdesign an sich und den Grad des Einlaufs bzw. der Tiefe der Konkave bestimmt.
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In einer vorteilhaften Variante umfasst jeder Zahn zwei Zahnflanken und jede der beiden Zahnflanken umfasst eine konkave Vertiefung, vorzugsweise im Bereich einer mitnehmenden Fläche. Dies hat den Vorteil, dass für beide Drehrichtungen der Aufwand für das Einlaufen des Getriebes reduziert werden kann und die bereits genannten Vorteile für beide Drehrichtungen zur Verfügung stehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann es sich um ein Schneckenrad eines Schneckengetriebes handeln.
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Das erfindungsgemäße Schneckengetriebe umfasst mindestens ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Bauteil, zum Beispiel ein Schneckenrad oder eine Schnecke. Das erfindungsgemäße Schneckengetriebe hat die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauteil erwähnten Merkmale und Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen Scheckengetriebe kann es sich um ein Bauteil eines Rotationsgetriebes handeln. Weiterhin kann es sich um ein Bauteil des Fahrwerks, z.B. einen Einzelrad Aktuator zum Drehen um die Radhochachse, handeln.
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Die erfindungsgemäße Servolenkung umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Schneckengetriebe. Bei der Servolenkung handelt es sich bevorzugt um eine elektrische Servolenkung, zum Beispiel eine Column-EPAS (C-EPAS, Positionierung der Servoeinheit im oberen Lenkstrang bzw. der Lenksäule) oder Pinion-EPAS (P-EPAS, Positionierung der Servoeinheit am Lenkgetrieberitzel) Servolenkung. Die erfindungsgemäße Servolenkung hat dieselben Vorteile wie das erfindungsgemäße Schneckengetriebe.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Schneckengetriebe und/oder eine erfindungsgemäße Servolenkung umfasst. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, zum Beispiel einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen, oder ein Schiff oder ein anderes Fahrzeug handeln. Das erfindungsgemäße Fahrzeug hat die bereits genannten Vorteile. Insbesondere lassen sich bei seiner Herstellung Kosten, die durch das Einlaufen von Schneckengetrieben verbunden sind, ohne Qualitätseinbußen reduzieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Schneckengetriebe bezieht sich auf die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils. Im Rahmen des Verfahrens wird das Bauteil unter Verwendung einer Gießform/Spritzform gegossen/gespritzt. Dabei ist die Gieß-bzw. Spritzform so geformt, dass sie im Bereich mindestens einer Zahnflanke, zum Beispiel im Bereich einer mitnehmenden Fläche, ein Negativ der konkaven Vertiefung umfasst. Mit anderen Worten umfasst die Gieß- bzw. Spritzform eine der konkaven Vertiefung entsprechende konvexe Erhebung im Bereich mindestens einer Zahnflanke. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils ermöglicht. Der Verzahnungsring kann aufgrund des geringen Ausmaßes der Verformung gewöhnlicher Weise zwangsentformt werden.
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Die Gieß-bzw. Spritzform kann beispielsweise einen äußeren Werkzeugring umfassen. Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens das gegossene Bauteil von der Gieß- bzw. Spritzform zwangsentformt.
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In einer vorteilhaften Variante wird das Bauteil vor einem Einbau in das Schneckengetriebe, für welches das Bauteil vorgesehen ist, außerhalb des Schneckengetriebes, für welches das Bauteil vorgesehen ist, eingelaufen. Ein externer Einlauf-Prozess ermöglicht, wie oben bereits erwähnt, einen höheren Leistungseintrag als dies beim Einlaufen des fertiggestellten Getriebes möglich ist. Das externe Einlaufen kann somit in kürzerer Prozesszeit und effizienter durchgeführt werden. Durch das externe Einlaufen wird die Kontaktfläche in ihrer Form weiter verbessert.
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Alternativ zu dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils für ein Schneckengetriebe die konkave Vertiefung in die mindestens eine Zahnflanke des mindestens einen Zahns eingebracht, indem das Bauteil außerhalb des Schneckengetriebes, für welches das Bauteil vorgesehen ist, eingelaufen wird. Ein Einlaufen des Bauteils mit einer Schnecke außerhalb des für das Bauteil vorgesehenen Systemverbunds ermöglicht es den Kontaktbereich bereits vor dem Zusammenbau, insbesondere vor dem Einbau in das Schneckengetriebe, entsprechend zu vergrößern und mit einer konkaven Vertiefung auszugestalten. Dieser Prozess ist weniger eingeschränkt als der eingehend erwähnte Einlauf-Prozess des bereits zusammengebauten Schneckengetriebes, da bei einem externen Einlaufen z.B. ein erhöhter Leistungseintrag aufgrund verbesserter Kühlmöglichkeiten und/oder eine Temperaturüberwachung möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung hat insgesamt den Vorteil, dass der mit dem Einlaufen des Getriebes beziehungsweise des Lenksystems verbundene Aufwand, insbesondere Zeitaufwand und Kosten, reduziert wird. Damit werden gleichzeitig Herstellungskosten insgesamt verringert. Zudem wird durch die verbesserte Form der Zahnflanken die Qualität und die Kontinuität des Betriebes des Schneckengetriebes verbessert.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken.
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Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
- 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Schneckengetriebes in zwei geschnittenen Ansichten
- 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Schneckengetriebes in einer perspektivischen Ansicht.
- 3 zeigt schematisch den Bereich des Zahnradeingriffs eines Schneckengetriebes in einer geschnittenen Ansicht.
- 4 zeigt schematisch den Bereich des Zahnradeingriffs eines Schneckengetriebes in einer geschnittenen und vergrößerten Ansicht.
- 5 zeigt schematisch eine Servolenkung.
- 6 zeigt schematisch ein Fahrzeug.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils schematisch einen Ausschnitt eines Schneckengetriebes 1. In der 1 sind geschnittene Ansichten gezeigt, wobei die Ansicht auf der rechten Seite einen Schnitt entlang I-I der Ansicht auf der linken Seite zeigt. In der 2 ist eine perspektivische Ansicht gezeigt.
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Das Schneckengetriebe 1 umfasst eine Schnecke oder Schneckenwelle 2 mit einer Rotationsachse 4 und ein Schneckenrad 3 mit einer Rotationsachse 5. Weiterhin umfasst das Schneckengetriebe 1 ein Gehäuse 20. Die Schnecke 2 ist über ein festes Lager 22 und ein loses Lager 21 an dem Gehäuse 20 befestigt.
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Die Schnecke 2 weist mindestens einen, schneckenförmig um die Rotationsachse 4 herum verlaufenden und radial hervorstehenden Zahn 6 auf. Der Zahn 6 umfasst zwei Zahnflanken 10 und 12. Das Schneckenrad 3 weist eine Anzahl an radial hervorstehenden Zähnen 7 auf. Die Zähne 7 sind entlang des Umfangs des Schneckenrades 3 angeordnet. Jeder der Zähne 6 umfasst zwei Zahnflanken 11 und 13.
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In den 1 bis 3 befinden sich die Schnecke 2 und das Schneckenrad 3 in Zahneingriff. Dabei befinden sich jeweils die Zahnflanken 11 und/oder 13 der Zähne 7 des Schneckenrades 3 im Kontakt mit den Zahnflanken 10 und/oder 12 des mindestens einen Zahns 6 der Schnecke 2. Die so entstehenden Kontaktflächen sind in der 3 beispielhaft mit den Bezugsziffern 8 und 9 gekennzeichnet. Die Zahnflanken 10, 11, 12 und 13 haben (10 und 12 sind die Flanken der Schecke und 11 und 13 die Flanken des Rades) z.B. die Form einer Evolvente, können aber auch gerade oder gekrümmt sein. Sie sind mit anderen Worten zur Verzahnung, insbesondere zur Evolventenverzahnung, ausgelegt.
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Die 4 zeigt vergrößert schematisch einen Bereich des Zahnradeingriffs des Schneckengetriebes 1 in einer geschnittenen Ansicht. In dem gezeigten Beispiel weist die Zahnflanke 11 des Zahnes 7 des Schneckenrades 3 im Bereich der Kontaktflächen 8 und 9 eine konkave Vertiefung 14 auf. Die Vertiefung ist gewölbt oder bogenförmig. Sie hat vorzugsweise eine Tiefe 15 von 0,1 Millimetern bis 0,3 Millimetern. Vorteilhafterweise sind alle Zahnflanken 11 und 13 mit einer solchen Vertiefung 14 ausgestaltet.
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Alternativ oder zusätzlich zu der der in der 4 gezeigten Variante kann auch mindestens eine, vorzugsweise alle, der Zahnflanken 10 und/oder 12 des mindestens einen Zahns 6 der Schnecke 2 mit einer zuvor beschriebenen Vertiefung 14 ausgestaltet sein. Durch die Vertiefung 14 wird die Kontaktfläche 9 auf der entsprechenden Seite vergrößert und damit die Eigenschaften des Schneckengetriebes 1 verbessert. Insbesondere wird die Performance verbessert. Zudem kann die Einlaufzeit verringert werden oder auf das Einlaufen vollständig verzichtet werden. Dies verringert damit verbundene Kosten.
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Die Vertiefung 14 kann im Rahmen der Herstellung der Schnecke 2 bzw. des Schneckenrades 3 erzeugt werden. Dabei kann die Schnecke 2 bzw. das Schneckenrad 3 unter Verwendung einer Gießform bzw. Spritzform, die so geformt ist, dass sie ein Negativ der konkaven Vertiefung 14 umfasst, gegossen bzw. gespritzt werden. Die Schnecke 2 bzw. das Schneckenrad 3 kann anschließend von der Gießform bzw. Spritzform zwangsentformt werden. Zusätzlich kann die Schnecke 2 bzw. das Schneckenrad 3 extern eingelaufen werden, also vor einem Einbau in das Schneckengetriebe.
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In einer alternativen Herstellungsvariante kann die konkave Vertiefung 14 in die mindestens eine Zahnflanke 10, 11, 12, 13 dadurch eingebracht werden, dass die Schnecke 2 bzw. das Schneckenrad 3, welches zunächst ohne konkave Vertiefung gefertigt wurde, außerhalb des Schneckengetriebes 1, für welches die Schnecke 2 bzw. das Schneckenrad 3 vorgesehen ist, eingelaufen wird.
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Die in der 5 schematisch gezeigte Servolenkung 40 beziehungsweise das gezeigte Servolenksystem ist bevorzugt als elektrische Servolenkung, zum Beispiel als C-EPAS oder P-EPAS, ausgestaltet. Die Servolenkung 40 umfasst ein erfindungsgemäßes Schneckengetriebe 1. Das in der 6 schematisch gezeigte Fahrzeug 50 umfasst eine erfindungsgemäße Servolenkung 40.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schneckengetriebe
- 2
- Schnecke
- 3
- Schneckenrad
- 4
- Rotationsachse
- 5
- Rotationsachse
- 6
- Zahn Schnecke
- 7
- Zahn Schneckenrad
- 8
- Kontaktfläche 1. Seite der Flanke
- 9
- Kontaktfläche 2. Seite der Flanke
- 10
- Zahnflanke Schnecke
- 11
- Zahnflanke Schneckenrad
- 12
- Zahnflanke Schnecke
- 13
- Zahnflanke Schneckenrad
- 14
- konkave Vertiefung
- 15
- Tiefe der konkaven Vertiefung
- 20
- Gehäuse
- 21
- loses Schneckenlager
- 22
- festes Schneckenlager
- 40
- Servolenkung
- 50
- Fahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/127919 A1 [0004]
- JP 4273296 B2 [0004]
