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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur axialen Verlagerung einer Spindel, für eine Lenkung sowie ein Verfahren zur Schmierung einer solchen Vorrichtung und die Verwendung einer Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der
DE 10 2016 209 036 A1 ist ein Spindelantrieb mit einem Trapezgewinde bekannt, wobei an den Stirnseiten der Spindelmutter Dichtelemente angeordnet sind. Diese bewirken, dass der bei der Montage innerhalb der Spindelmutter in einen Hohlraum eingebrachte Schmierstoff im laufenden Betrieb innerhalb der Spindelmutter gehalten wird. Wird die Spindelmutter drehangetrieben, so verlagert sich die Spindel linear je nach der Richtung der Spindelmutter. Der in dem Hohlraum befindliche Schmierstoff, z. B. ein Fett, kann sich aufgrund der Zentrifugalkraft an der zylindrischen Innenwand der Spindelmutter anlagern und wird unter Umständen nicht optimal auf das Außengewinde der Spindel aufgebracht bzw. in dem Spindeltrieb verteilt.
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Die Erfindung befasst sich mit einer verbesserten Schmiermittelversorgung innerhalb eines Spindelantriebes für eine Lenkung.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum axialen Verlagern einer Spindel, für eine Lenkung, wobei die Spindel ein Außengewinde aufweist und von einer Spindelmutter mit Innengewinde umgriffen wird. Die Spindelmutter weist einen Hohlraum auf, durch welchen zumindest ein Spindelabschnitt während der Verlagerung der Spindel bewegt wird, wobei der Hohlraum mit einem Schmierstoff gefüllt ist. Die vorgenannte Vorrichtung zum axialen Verlagern einer Spindel wird auch Spindelantrieb genannt und ist für eine Lenkung geeignet. Der bei der Montage in den Hohlraum eingebrachte Schmierstoff erlaubt eine Schmierung des Spindelgewindetriebes über den gesamten Lebenszyklus. Mit anderen Worten sind keine Serviceintervalle vorgesehen, bei denen eventuell ein Schmierstoff nachgefüllt werden könnte. Der Hohlraum der Spindelmutter wird daher soweit mit Fett gefüllt, dass beim anschließenden Einschrauben der Spindel die Oberfläche des Spindelgewindes mit dem Schmierstoff, z. B. einem für Gewindetriebe üblichen Schmierfett, ausreichend benetzt wird. Im Betrieb findet eine erneute Benetzung der Gewindeflanken jedoch nur im begrenzten Umfange statt. Die zur linearen Verlagerung der Spindel erforderliche Rotation der Spindelmutter bewirkt, dass sich das Fett an der Innenwand des Hohlraumes der Spindelmutter anlagert.
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Damit unverbrauchter Schmierstoff für die Schmierung des Spindelgewindetriebes zur Verfügung steht, ist nach einem ersten Aspekt der Erfindung im Bereich des Hohlraums ein Mittel zum Verteilen des Schmierstoffes innerhalb des Hohlraums angeordnet. In vorteilhafter Weise bewirkt dieses Mittel, dass der Schmierstoff innerhalb des Hohlraums zum einen durchmischt wird, zum anderen aber auch, dass dieser derart verteilt wird, dass sich der Schmierstoff nicht ausschließlich an der Innenwand des Hohlraumes anlagert, sondern immer wieder erneut auf die Gewindeflanken der Spindel verteilt wird.
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Damit der Schmierstoff über den gesamten Lebenszyklus des Spindelgewindetriebes innerhalb der Spindelmutter verbleibt, sind stirnseitig an der Spindelmutter Dichtungen mit Dichtlippen angeordnet, die bis auf den Grund des Gewindes der Spindel reichen.
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Die Spindelmutter weist in einem ersten Bereich ein Innengewinde auf, welches mit dem Außengewinde der Spindel in Eingriff ist. Dieser Bereich kann axialer Längsrichtung gesehen z.B. außerhalb der Mitte der Spindelmutter liegen. Die gegen Verdrehen gesichert angeordnete Spindel wird durch die in Rotation versetzte und ortsfest gelagerte Spindelmutter, die innerhalb eines Gehäuses eines Spindelantriebes angeordnet sein kann, linear verlagert bzw. verschoben. Die Innenwand des Hohlraums, die im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, weist somit kein Innengewinde auf.
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Das Mittel zum Verteilen des Schmierstoffs ist bevorzugt auf einem Spindelabschnitt des Spindelgewindes, also auf der Spindel selbst, angeordnet. Alternativ ist das Mittel auf der Innenseite des Hohlraums der Spindelmutter angeordnet. Mit anderen Worten ist das Mittel fest mit dem jeweiligen vorgenannten Bauteil verbunden.
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Die vorgenannte Vorrichtung kann die Spindel axial verlagern. Mit anderen Worten wird die Spindel linear entlang ihrer Längsachse in die eine oder andere Richtung verlagert. Je nach Drehrichtung der Spindelmutter erfolgt demnach eine lineare Verlagerung der Spindel solange, bis die Drehrichtung der Spindel umgekehrt wird, oder bis zum Ende der möglichen Verlagerung, das z. B. durch einen Endanschlag begrenzt sein kann. Das bedeutet für die Spindel, dass diese einen Abschnitt aufweist, der bei ihrer linearen Verlagerung den Hohlraum der Spindelmutter durchfährt. Von seiner axialen Längserstreckung ist der Hohlraum daher vorteilhafter Weise so dimensioniert, dass der gesamte Gewindebereich der Spindel den Hohlraum durchfährt, wenn die Spindel maximal in die beiden möglichen Richtungen verlagert wird. Es wird so eine Benetzung mit Schmierstoff des gesamten Spindelgewindes immer wieder gewährleistet.
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Befindet sich das Mittel auf der Spindel, so verlagert sich auch dieses in Längsrichtung der Spindel linear. Dadurch wird beim Durchfahren des Hohlraums der Schmierstoff derart verdrängt, dass sich dieser immer wieder erneut in dem Hohlraum vermischt und damit auf dem Spindelgewinde verteilt. Das ist gleichermaßen der Fall, wenn das Mittel in der Spindelmutter bzw. in dessen Hohlraum angeordnet ist. Im letzteren Fall wird verdreht sich das Mittel zusätzlich mit der Spindelmutter, wodurch eine Durchmischung und Verteilung erreicht wird.
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Bevorzugt ist das Mittel in Längsrichtung betrachtet mittig auf dem Spindelabschnitt oder mittig in dem Hohlraum angeordnet. Wie zuvor gesagt, durchfährt ein gewisser Spindelabschnitt je nach Drehrichtung der Spindelmutter den Hohlraum der Spindelmutter. Ist das Mittel mittig angeordnet, so kann dieses den Hohlraum bis zu dessen Ende maximal durchfahren und so eine maximale Verteilung des Schmierstoffes bewirken.
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Ist das Mittel auf der Spindel angeordnet, so kann dieses ebenfalls den Endanschlag selbst darstellen. Die Spindelmutter kann die Spindel solange linear verlagern, bis das Mittel mit der ein oder anderen Stirnseite des Hohlraumes in Kontakt gerät. Dabei ist vorzusehen, dass durch den Anschlag nicht ein Festfahren der Spindelmutter auf der Spindel oder umgekehrt bewirkt wird, so dass bei Linearverlagerung in der anderen Richtung die Spindelmutter durch den Antrieb sich wieder losdrehen kann. Dieses kann z. B. durch einen elastomeren Anschlag an dem Mittel oder der Stirnseite des Hohlraums vorgesehen sein. Der Anschlag kann z.B. aus einer Scheibe gebildet sein, die aus einem Elastomer gefertigt ist und stoffschlüssig fixiert ist. Alternativ kann das Elastomer auch an der Stirnseite angespritzt sein.
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Um seinen Zweck zu erfüllen, muss das Mittel mit dem Spindelgewinde oder der Innenseite der Spindelmutter fest verbunden sein. Es darf sich seine Position nicht ändern, weil sich dadurch der verlagerbare Bereich der Spindel ändern würde. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel daher mit einem Innengewinde ausgestattet, welches einen geringeren Durchmesser aufweist, als das Gewinde der Spindel. Mit anderen Worten wird bei der Montage des Spindelantriebes bzw. der vorgenannten Vorrichtung das Mittel mit einer Übermaßpassung, auch genannt Presspassung, auf dem Spindelgewinde aufgeschraubt. Alternativ oder zusätzlich kann das Mittel stoffschlüssig auf dem Spindelgewinde oder innerhalb der Spindelmutter befestigt sein.
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Je nach benötigtem Hub ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Mittel als Hülse oder als Scheibe ausgebildet. Im Unterschied zur Hülse weist die Scheibe eine geringere axiale Erstreckung auf. Der Durchmesser der Hülse oder Scheibe wird so gewählt, dass diese einen geringeren Durchmesser aufweist als der im Wesentlichen zylindrische Hohlraum der Spindelmutter. Dadurch kann bei linearer Verlagerung der Spindel der Schmierstoff durch den ringförmigen Zwischenraum zwischen Mittel und Innenwand des Hohlraums hindurch verdrängt werden. Die Verdrängung bzw. Durchmischung kann dabei gezielt vorgenommen werden, indem die Hülse bzw. die Scheibe mit im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Spindel verlaufenden Kanälen bzw. Aussparungen ausgebildet ist. Die Kanäle bzw. Aussparungen können durch zylindrische bzw. elliptische Löcher ausgebildet sein, die z. B. durch Bohren oder Stanzen bei der Herstellung des Mittels zur Verteilung von Schmierstoff erstellt wurden. Das Mittel lässt sich somit kostengünstig herstellen.
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In einer alternativen Ausführungsform weisen die Hülse oder die Scheibe radiale Fortsetzungen auf. Die Scheibe oder Hülse weist dabei einen im Vergleich zur vorgenannten Hülse oder Scheibe deutlich geringeren Durchmesser auf. Von der Außenwand der Hülse oder Scheibe weist das Mittel radiale Fortsetzungen auf, die auch als Stege bezeichnet werden können. Die Stege reichen durch ihre radiale Erstreckung bis annähernd an die Innenwand des Hohlraums, ohne diese jedoch zu berühren. Es verbleibt ein Abstand ähnlich wie bei der Scheibe.
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In der vorgenannten alternativen Ausführungsform, wobei das Mittel an der Innenwand des Hohlraums der Spindelmutter befestigt ist, sind Stege mit der Innenwand verbunden bzw. daran befestigt. In diesem Fall ragen die Stege radial nach innen von der Spindelmutter in Richtung Längsachse der Spindel, so dass bei Drehung der Spindelmutter um die Spindel ebenfalls eine Durchmischung bzw. ein Transport des Schmierstoffes in der gewünschten Form stattfindet. Dabei besteht zwischen dem Ende der Stege und dem Gewinde der Spindel ein Abstand.
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Das Mittel zum Verteilen von Schmierstoff kann aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt sein. Hierzu bieten sich beispielsweise ein Kunststoff oder ein Metall an. Das Mittel kann dabei einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein. So kann beispielsweise die Hülse aus einem Metall sein und die Stege sind aus einem Kunststoff gefertigt. Die Stege oder die Hülse bzw. die Scheibe können auch aus einem Kunststoff bestehen, der durch Filamente eines anderen Werkstoffs, z.B. einem Kunststoff oder einem Metall verstärkt ist. Dabei kann es sich um Kunststofffilamente, Fiberglaselemente oder dergleichen handeln. Bevorzugt ist das Mittel als ein Spritzgussteil einstückig ausgebildet. Als Werkstoff eignet sich beispielsweise Kunststoff sehr gut, z. B. ein Polyamid (PA) oder ein PTFE (Polytetraflourethylen) oder dergleichen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Schmierung einer Vorrichtung bzw. des Spindelantriebes wie zuvor im Detail dargestellt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Hohlraum der Spindelmutter angeordnetes Mittel in axialer Richtung relativ zur Spindel oder relativ zur Spindelmutter bewegt wird. Dabei wird das Schmiermittel während der translatorischen oder linearen Verlagerung der Spindel gegenüber der Spindelmutter innerhalb des Hohlraums durch Verdrängen des vorhandenen Schmierstoffes verteilt. Es wird dadurch über den Lebenszyklus des Spindelantriebes bzw. der Vorrichtung zum linearen Verlagern einer Spindel gewährleistet, dass die Spindel fortwährend mit Schmierstoff benetzt werden. Es wird dadurch gewährleistet, dass die miteinander in Eingriff kommenden Gewindeabschnitte von Spindel und Spindelmutter optimal mit Schmierstoff versorgt werden.
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Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung, wie zuvor im Detail dargestellt, für einen Spindelantrieb einer steer-by-wire-Lenkung. Bei einer steer-by-wire-Lenkung besteht keine mechanische Verbindung zwischen der Lenkhandhabe eines Bedieners eines Fahrzeuges, wenn der Spindelantrieb der steer-by-wire-Lenkung in einem Fahrzeug eingebaut ist. Steer-by-wire-Systeme sind mechanisch entkoppelte Einrichtungen, bei denen eine mechanische Stellbewegung in ein elektrisches Stellsignal gewandelt und einem Steuergerät zugeführt wird. Durch elektrische Signale eines Steuergerätes wird der Stellantrieb in Bewegung gesetzt und die Spindelmutter bewirkt eine lineare Verlagerung der Spindel, die direkt oder über entsprechende Lenker mit Radträgern verbunden sind, die schließlich eine Lenkbewegung erzeugen und eine Änderung der Radlenkwinkel bewirken.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Aktuator gemäß Stand der Technik,
- 2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,
- 3 eine Detailansicht eines Mittels zur Verteilung von Schmierstoff,
- 4 eine Detailansicht eines weiteren Mittels zur Verteilung von Schmierstoff.
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1 zeigt einen Aktuator 20, der vorzugsweise für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges verwendet wird, und zwar als einfach wirkender Aktuator, der einerseits am Fahrzeug befestigt ist und andererseits auf ein Lenkgestänge oder den Radträger eines Hinterrades wirkt. Zur Lenkung beider Räder einer Achse werden demnach zwei Aktuatoren benötigt. Der Aktuator 20 weist ein Gehäuse 21 auf, in welchem eine Vorrichtung 22 zum axialen Verlagern einer Spindel, auch Spindelantrieb genannt, angeordnet ist. Der Spindelantrieb 22 wird von einem Elektromotor 23 über einen Riementrieb 24 angetrieben. Der Spindelantrieb 22 umfasst eine Spindelmutter 25, welche gegenüber dem Gehäuse 21 drehbar gelagert und in axialer Lage fixiert ist, sowie eine mit der Spindelmutter 25 über ein Bewegungsgewinde 26 in Eingriff stehende, axial verschiebbare Spindel 27. Das Gehäuse 21 ist über ein Gelenk 28 mit der nicht dargestellten Fahrzeugstruktur verbunden, d. h. fahrzeugseitig abgestützt. Die gegen Verdrehen gesicherte Spindel 27 ist über einen Zapfen 29 mit einem Gelenkzapfen 30 verbunden, welcher auf ein nicht dargestelltes Lenkgestänge einer Hinterachslenkung oder unmittelbar auf einen Radträger wirkt.
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Die Spindelmutter 25 weist einen Hohlraum 16 auf, der mit einem Schmierstoff 16s gefüllt ist. Die Spindel 27 nimmt Schmierstoff auf, wenn diese axial innerhalb des Hohlraums 16 bewegt wird. Damit der Schmierstoff 16s innerhalb des Hohlraums 16 verbleibt ist stirnseitig die Spindelmutter 25 gegenüber der Spindel 27 mittels Dichtungen 33, 34 abgedichtet.
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2 ist eine Detaildarstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung, d. h. eines Spindelantriebes mit einer Spindel 7, die mit ihrem Gewinde 8 mit dem Gewinde 6 der Spindelmutter 5 in Eingriff ist. Wenn die Spindelmutter 5 drehangetrieben wird, z. B. über einen Elektromotor mit Zahnriemenantrieb (s. 1), dann wird zwangsweise die Spindel 7 entlang ihrer Längsachse a linear in die eine oder andere Richtung verlagert bzw. verschoben. Damit sich beim Drehen der Spindelmutter 5 die Spindel 7 nicht dreht, ist diese gegen Verdrehen gesichert (nicht gezeigt). Die Spindelmutter 5 verfügt über einen zylindrischen Hohlraum 16, der einen Abschnitt der Spindel 7 umgreift. Der Hohlraum 16 ist mit einem Schmierstoff 16s gefüllt. Die Schmierstoffmenge ist so bemessen, dass eine ausreichende Schmierung über den gesamten Lebenszyklus des Spindelantriebes gewährleistet ist. Es ist offensichtlich, dass aufgrund von Zentrifugalkräften eine gewisse Menge des Schmierstoffs sich durch die Drehung der Spindelmutter 5 an der Innenwand des Hohlraumes 16 anlagern wird. Dieses Schmiermittel steht für die Schmierung des Bewegungsgewindes mit den Gewinden 6 und 8 nicht zur Verfügung. Es lagert sich an der Innenwand ab und kann auf das Gewinde 8 der Spindel und somit nicht zwischen die Gewinde 6 und 8 gelangen.
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Zur Optimierung der Versorgung mit Schmierstoff ist deshalb auf dem Gewinde 8 der Spindel 7 ein Mittel bzw. Verteilelement 10 angeordnet, welches hier als Ringquerschnitt dargestellt ist. Das Verteilelement 10 weist ein Innengewinde 11 auf, welches einen geringeren Gewindedurchmesser aufweist, als das Gewinde 8 der Spindel 7. Es ergibt sich somit ein Presspassung, so dass nach der Montage des Verteilelementes 10 dieses auf der Spindel 7 fixiert in seiner Position verbleibt und diese im Betrieb des Spindelantriebes sich nicht mehr ändert. In der 2 ist das Verteilelement etwa mittig in dem Hohlraum angeordnet. Das heißt mit anderen Worten, dass bei Drehung der Spindelmutter 5 die Spindel 7 so weit nach links oder rechts bewegt werden kann, bis das Verteilelement 11 an die linke oder rechte Begrenzung des Hohlraums anstößt. Durch die axiale Längserstreckung ist konstruktiv der maximale lineare Stellweg der Spindel vorgegeben. Wird der Spindelantrieb gemäß 2 in einem Aktuator gemäß 1 eingebaut ist es daher von Vorteil, wenn das Verteilelement 10 in einer Nullstellung etwa mittig in dem Hohlraum 16 angeordnet ist. Es ergibt sich dann für beide Wege ein etwa gleicher maximaler Verstellweg.
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Das Verteilelement 10 weist einen äußeren Durchmesser d auf, der geringer ist, als der Durchmesser des Hohlraumes 16. Bei einer Links-/Rechtsbewegung der Spindel 7 ist somit gewährleistet, dass der durch die Verstellbewegung der Spindel 7 bzw. des Verteilelementes 10 innerhalb des Hohlraums verdrängte Schmierstoff 16s sich über die umlaufende Aussparung zwischen Verteilelement 10 und der Innenwand des Hohlraums 16 hindurchgedrückt werden kann. Zur verbesserten Verdrängung des Schmierstoffes 16s innerhalb des Hohlraumes 16 sind Aussparungen 12 in dem Verteilelement 10 vorgesehen. Gemäß 2 handelt es sich hierbei um Kanäle 12, die etwa parallel zur Längsachse a der Spindel 7 angeordnet sind. Durch die Kanäle 12 ist zusätzlich eine Verdrängung von Schmierstoff 16s möglich, wenn sich das Verteilelement 10 der Spindel 7 durch den Hohlraum 16 bewegt.
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In 3 ist das Verteilelement 110 dargestellt, welches dem Verteilelement 10 aus 2 entspricht. Es sind auf einem konzentrischen Kreis um den Mittelpunkt des scheibenförmigen Verteilelementes 110 Aussparungen bzw. Kanäle 112 angeordnet, die kreisförmig in ihrem Querschnitt sind. Das Verteilelement 110 weist ein Innengewinde 111 auf, welches einen Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des Gewindes 8 der Spindel 7. In 3 ist ebenfalls der Durchmesser d als Außendurchmesser abgetragen.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Verteilelementes 210, welches als Hülse 214 ausgeführt ist und einen deutlich geringeren Durchmesser im Vergleich zum scheibenförmigen Verteilelement gemäß 3 aufweist. Die Hülse 214 weist radial nach außen abragende radiale Fortsetzungen bzw. Stege 215 auf. Zwei der Stege weisen Kanäle 212 zur Verdrängung von Schmierstoff auf, welche in axialer Richtung ausgeführt sind, so dass diese im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Spindel 7 verlaufen. Auch das Verteilelement 210 weist ein Innengewinde 211 für eine Presspassung mit dem Gewinde 8 der Spindel 8 auf. Die Durchmischung des Schmierstoffs 16s wird durch die Stege 215 gewährleistet. Alternativ können die Stege auch bogen- oder sicherartig von der Hülse 214 abragen. Statt der Stege können die radialen Abragungen auch wie Flügel wie bei einer Schiffsschraube aufweisen, wobei de Schränkung der Flügelfläche von der Hülse 214 bis zu ihrem Ende ab oder zunehmen kann. Ähnliche Formen sind ebenfalls denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelantrieb
- 3, 4
- Dichtung
- 5
- Spindelmutter
- 6
- Gewinde
- 7
- Spindel
- 8
- Gewinde
- 10
- Mittel, Verteilelement, Ringquerschnitt
- 11
- Gewinde
- 12
- Aussparung, Kanal
- 14
- Innenfläche
- 15
- Ringquerschnitt
- 16
- Hohlraum
- 16s
- Schmierstoff
- 20
- Aktuator
- 21
- Gehäuse
- 22
- Spindelantrieb
- 23
- Elektromotor
- 24
- Riementrieb
- 25
- Spindelmutter
- 26
- Bewegungsgewinde
- 27
- Spindel
- 28
- Gelenk
- 29
- Aufschraubzapfen
- 30
- Gelenkzapfen
- 33
- Dichtung
- 34
- Dichtung
- 110
- Mittel, Verteilelement
- 111
- Gewinde
- 112
- Aussparung, Kanal
- 210
- Mittel, Verteilelement
- 211
- Gewinde
- 212
- Aussparung, Kanal
- 214
- Hülse
- 215
- radiale Fortsetzung, Steg
- a
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016209036 A1 [0002]
