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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Planetenwälzgewindetrieb und einen Aktuator einer Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Hinterachslenkung mit einem derartigen Planetenwälzgewindetrieb.
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In zahlreichen Anwendungen wird ein einspielfreier Eingriff von Planeten des Planetenwälzgewindetriebes mit einer Gewindespindel gefordert. Aus
DE 10 2013 213 704 A1 ist ein Planetenwälzgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Dieser ist versehen mit einer Gewindespindel, und mit einer auf der Gewindespindel angeordneten Mutter, die aus entlang der Gewindespindel hintereinander angeordneten Mutterteilen gebildet ist, und mit über den Umfang der Gewindespindel verteilt angeordneten Planeten, die einerseits mit der Gewindespindel und andererseits mit der Mutter kämmen, und mit einem die Mutter axial vorspannenden Spannelement. Das Spannelement ist hier durch einen mehrteiligen Distanzring gebildet, der zwischen den beiden Mutterteilen eingesetzt ist und die beiden Mutterteile axial weg voneinander drückt. Diese Kraft wird abgestützt durch die Planeten, mit denen die beiden Mutterteile in Eingriff stehen. Die Planeten werden durch die Vorspannkraft auf Zug belastet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen alternativen Planetenwälzgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Planetenwälzgewindetrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckdienliche Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
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Der Planetenwälzgewindetrieb ist versehen mit einer Gewindespindel, und mit einer auf der Gewindespindel angeordneten Mutterelement, das eine Mutter aufweist, die aus entlang der Gewindespindel hintereinander angeordneten Mutterteilen gebildet ist, und mit über den Umfang der Gewindespindel verteilt angeordneten Planeten, die einerseits mit der Gewindespindel und andererseits mit der Mutter kämmen, wobei das Mutterelement mit einem die Mutter axial vorspannenden Spannelement versehen ist.
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Die Mutterteile sind erfindungsgemäß mittels des Spannelementes gegenseitig abgestützt und miteinander verbunden. Die aus der
DE 10 2013 213 704 A1 bekannte Anordnung benötigt zwingend einen mehrteiligen Distanzring der die beiden Mutterteile weg voneinander drückt. Die Mutterteile müssen entweder über weitere Bauteile axial abgestützt werden oder über die Planeten, die mit den Mutterteilen kämmen. Demgegenüber benötigt die Erfindung keine zusätzlichen Bauteile und hält die Mutterteile axial oder in sich zusammen. Dadurch, dass die Mutterteile in Richtung aufeinander zu vorgespannt sind ergeben sich außerdem weitere Vorteile: in dieser Anordnung werden die Planeten auf Druck vorbelastet. Da die Abstützung der Mutterteile gegenseitig erfolgt, muss diese Stützkraft nicht durch weitere Bauteile aufgefangen werden. Wenn beispielsweise das Mutterelement drehbar mittels eines Lagers an einem Bauteil gelagert werden soll, wird diese Stützkraft nicht in das Lager eingeleitet. Wenn eine äußere axiale Last in die Gewindespindel eingeleitet wird, trägt dieses Lager demzufolge lediglich die axiale äußere Last und nicht die axiale Last aufgrund der Vorspannung der Mutterteile. Das Lager kann demzufolge schwächer dimensioniert werden.
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Das Spannelement kann zwei in axialer Richtung sich gegenseitig stützende Spannhülsen aufweisen, von denen die eine an dem einen Mutterteil und die andere an dem anderen Mutterteil abgestützt ist. Ein mehrteiliger Distanzring ist nicht erforderlich. Eine auf die Mutter wirkende Vorspannkraft des Spannelementes wird aufgenommen von den Spannhülsen, die sich gegenseitig abstützen in axialer Richtung. Die zwischen den beiden Spannhülsen wirkende Stützkraft entspricht in der beschriebenen Anordnung der zwischen den beiden Mutterteilen wirkenden axialen Kraft zuzüglich einer axialen Kraftkomponente, die im Fall einer Vorspannung der Planeten gegebenenfalls zwischen den Mutterteilen und den Planeten wirkt.
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Die beiden Spannhülsen spannen die Mutterteile axial in Richtung aufeinander zu, drücken diese also zusammen mit einer Druckkraft. Die Spannhülsen untereinander werden mit Blick auf ihre gegenseitige Abstützung demzufolge auf Zug belastet. Die der Druckkraft entsprechende Zugkraft wird von den beiden Spannhülsen aufgebracht. Die Druckkraft kann vollständig zwischen den beiden Mutterteilen übertragen werden, oder aber auch teilweise oder vollständig von dem einen Mutterteil über die in Wälzeingriff stehenden Planeten auf das andere Mutterteil.
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Der besondere Vorteil dieser geschilderten Anordnung besteht darin, dass eine axial auf die Gewindespindel einwirkende äußere Betriebslast oder Missbrauchskraft über eines der beiden Mutterteile in das Spannelement eingeleitet wird und von dort über die erste Lagerung in den Planetenträger. Wenn der Planetenträger diese äußere Axiallast aufnimmt, werden nicht zusätzlich die Vorspannkräfte des Spannelementes in die erste Lagerung eingeleitet. Diese erste Lagerung kann demzufolge entlastet und schwächer dimensioniert werden gegenüber einer Lösung, mit der zusätzlich zu der äußeren Kraft die Vorspannkraft auf die erste Lagerung übertragen wird.
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Zur gegenseitigen Abstützung der beiden Mutterteile können die erste Spannhülse ein Außengewinde und die zweite Spannhülse ein Innengewinde aufweisen, wobei beide Spannhülsen jeweils eines der Mutterteile aufnehmen. Zu diesem Zweck können die beiden Spannhülsen jeweils mit einem Muttersitz versehen sein. Die beiden Spannhülsen arbeiten nach Art einer Schraubenverbindung miteinander, deren Schraubenachse vorzugsweise mit der Achse der Gewindespindel zusammenfällt. Die Muttersitze sorgen dafür, dass die Mutter und das Spannelement einwandfrei zueinander positioniert und axial vorgespannt sind.
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Alternativ und bauraumsparend wird eine Variante vorgeschlagen, dessen beide Mutterteile miteinander verschraubt sind. Das eine Mutterteil trägt ein Außengewinde, das andere Mutterteil ein mit dem Außengewinde kämmendes Innengewinde. Die beiden Spannhülsen können entfallen. Beide Mutterteile sind mittels der Schraubverbindung aneinander abgestützt und miteinander verbunden. Beide Mutterteile kämmen mit den Planeten und belasten diese auf Druck. Beide Mutterteile werden aufeinander zu vorgespannt.
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Eine zweckdienliche Weiterbildung sieht einen die Planeten aufnehmenden Planetenträger vor, an dem das Mutterelement mittels einer ersten Lagerung drehbar gelagert ist. Die über den Umfang verteilt angeordneten Planeten können in Taschen des Planetenträgers drehbar gelagert sein. Wenn ein steigungstreuer Planetenwälzgewindetrieb gefordert ist, ist es günstig, den Planetenträger des Planetenwälzgewindetriebes anzutreiben. Wenn der Planetenträger drehangetrieben wird, müssen die Planeten gemeinsam mit den Planeten um die Spindelachse drehen. Gleichgültig ob ein Schlupf zwischen Planet und Gewindespindel eintritt, wird pro Umdrehung des Planetenträgers eine axiale Relativverschiebung zwischen Planetenträger und Gewindespindel erfolgen, die der Steigung der Gewindespindel entspricht. Steigungstreue Planetenwälzgewindetriebe sind insbesondere in Aktuatoren von Hinterachslenkungen vorteilhaft. In dieser Anwendung muss ein exaktes Anlenken der hinteren Räder gewährleistet sein.
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Das Mutterelement kann mittels eines ersten Lagers der ersten Lagerung axial und radial an dem Planetenträger gelagert sein. Im Fall des drehangetriebenen Planetenträgers bewirkt dessen Antrieb eine Relativdrehung zwischen dem Planetenträger und dem Mutterelement. Die mit der Gewindespindel und der Mutter in Wälzeingriff stehenden Planeten werden unter Drehung des Planetenträgers in Eigenrotation versetzt und treiben somit die Mutter an, die ebenfalls rotiert, allerdings mit einer anderen Drehzahl als der Planetenträger.
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Die Planeten können - wie weiter oben ausgeführt wurde - mit ihrem planetenseitigen Rillenprofil mit einem mutterseitigen Rillenprofil der Mutter und einem Gewinde der Gewindespindel in Wälzeingriff stehen. Als Folge der Vorspannung der Mutter sind die Planeten in spielfreiem Eingriff mit der Mutter und die Spindel: die Rillen des Rillenprofils sowohl an der Mutter als auch an den Planeten sind im bekannterweise durch umlaufene Zähne begrenzt; die Zähne des einen Mutterteils und die Zähne des anderen Mutterteils liegen an voneinander abgewandten Zahnflanke der planetenseitigen Zähne an.
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Zwischen den beiden Mutterteilen der Mutter kann eine Distanzscheibe angeordnet sein. Abhängig von der Breite der Distanzscheibe kann die Vorspannung der Planeten variiert werden, so dass der Wirkungsgrad des Planetenwälzgewindetriebs beeinflusst werden kann. Die Planeten stehen vorzugsweise in spielfreiem Eingriff mit der Mutter und der Spindel.
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Der drehangetriebene Planetenträger kann an einem Gehäuse mittels einer zweiten Lagerung drehbar gelagert sein. Diese Anordnung kann in einem Aktuator vorteilhaft sein, der den Planetenwälzgewindetrieb aufweist. Das Gehäuse kann den Planetenwälzgewindetrieb aufnehmen und mit Lagersitzen für zweite Lager der zweiten Lagerung versehen sein.
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Der Planetenträger kann einen das Mutterelement aufnehmenden Hülsenabschnitt, sowie an den axialen Enden des Hülsenabschnitts gelegene Flansche aufweisen. Diese Flansche können mit Lagersitzen für die zwei Lager der genannten zweiten Lagerung versehen sein.
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In günstiger Weise ist der erfindungsgemäße Planetenwälzgewindetrieb Teil eines Aktuators für eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise für eine Hinterachslenkung. Dieser Aktuator ist mit einem Gehäuse versehen, in dem der Planetenwälzgewindetrieb angeordnet ist, und mit einer das Gehäuse durchdringenden Lenkstange, deren Teil die Gewindespindel ist. Der Planetenträger kann über einen Riementrieb durch einen Elektromotor angetrieben werden. Die Gewindespindel kann an ihren axialen Enden Lenkstangenteile aufweisen, die das Gehäuse durchstoßen und starr mit der Gewindespindel verbunden sind.
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In Aktuatoren von Hinterachslenkungen wird im Fall eines Ausfalls des Aktuators angestrebt, dass keine Lenkbewegungen durchgeführt werden können unter Einwirkung von äußeren auf den Aktuator einwirkenden Kräften. Der Aktuator soll „eingefroren“ werden. Wenn über die Lenkstange äußere axiale Kräfte in den Aktuator eingeleitet werden, kann mit dem erfindungsgemäßen Planetenwälzgewindetrieb sichergestellt werden, dass eine Relativverschiebung zwischen Lenkstange und fahrzeugseitig festem Gehäuse ausgeschlossen ist.
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Die Erfindung kann alternativ auch in sogenannten steer-by-wire Aktuatoren zum Einsatz kommen. In diesem Fall werden die Räder der Vorderachse des Kraftfahrzeuges angelenkt. Die Amplituden der Lenkstange sind in diesem Fall im Vergleich zur Hinterachse deutlich größer. Die Lenkstange kann demzufolge für entsprechend große Stellwege ausgelegt werden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in insgesamt vier Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Planetenwälzgewi ndetrieb,
- 2 einen Planetenwälzgewindetrieb gemäß 1 im Längsschnitt,
- 3 den Planetenwälzgewindetrieb aus 2 in perspektivischer Darstellung, und
- 4 einen Aktuator einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges mit einem derartigen Planetenwälzgewindetrieb.
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1 zeigt einen Planetenwälzgewindetrieb im Längsschnitt. Auf einer in diesem Beispiel drehfest angeordneten Gewindespindel 1 ist eine Mutter 2 angeordnet, die aus entlang der Gewindespindel 1 hintereinander angeordneten Mutterteilen 3 gebildet ist. Über den Umfang der Gewindespindel 1 verteilt angeordnet sind Planeten 4, die einerseits mit der Gewindespindel 1 und andererseits mit der Mutter 2 kämmen.
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In bekannter Weise sind die Planeten 4 jeweils mit radial verjüngten Endabschnitten 5 sowie einem zwischen den beiden Endabschnitten 5 angeordneten radial vergrößerten Mittelabschnitt 6 versehen. Alle Abschnitte sind an ihrem Umfang jeweils mit einem Rillenprofil 7, 8 versehen. Das Rillenprofil 8 des Mittelabschnitts 6 kämmt mit einem am Außenumfang der Gewindespindel 1 angeordneten Gewindeprofil 9. Die Rillenprofile 7 der Endabschnitte 5 kämmen mit einem am Innenumfang der Mutter 2 ausgebildeten Rillenprofil 10. Alle Rillenprofile 7, 8, 10 sind in bekannter Weise durch in sich geschlossene, quer zur jeweiligen Längsachse angeordnete Rillen gebildet. Einander benachbart angeordnete Rillen sind durch in sich geschlossene Zähne begrenzt.
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Auf der Mutter 2 ist ein die Mutter 2 axial vorspannendes Spannelement 11 angeordnet, das zwei in axialer Richtung sich gegenseitig stützende Spannhülsen 12, 13 aufweist, von denen die eine an dem einen Mutterteil 3 und die andere an dem anderen Mutterteil 3 abgestützt ist. Die erste Spannhülse 12 weist ein Außengewinde 14 und die zweite Spannhülse 13 weist ein Innengewinde 15 auf. Die beiden Spannhülsen 12, 13 sind mit ihrem Außengewinde 14 und Innengewinde 15 miteinander verschraubt, wobei beide Spannhülsen 12, 13 jeweils einen Muttersitz 18, 19 zur Aufnahme eines der Mutterteile 3 aufweisen. Die Abstützung der beiden Spannhülsen 12, 13 an den beiden Mutterteilen 3 erfolgt beispielsweise mittels Radialborden 16, 17, die an den Spannhülsen 12, 13 ausgebildet sind. Axial zwischen den beiden Spannhülsen 12, 13 ist eine Distanzscheibe 40 angeordnet, deren Dicke derart bemessen ist, dass die beiden in Richtung aufeinander zu vorgespannten Mutterteile 3 in spielfreiem Eingriff mit den Planeten 4 stehen. Die Planeten 4 sind demzufolge auf Druck vorgespannt.
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Die Mutter 2 kann Teil eines Mutterelementes 20 sein, das im vorliegenden Fall aus der Mutter 2 sowie dem Spannelement 11 gebildet ist. Die Vorspannkraft wirkt innerhalb dieses Mutterelementes 20.
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Die Planeten 4 sind in einem Planetenträger 21 drehbar gelagert. Der Planetenträger 21 weist Taschen 22 auf, in denen die Planeten 4 drehbar gelagert sind, so dass die Planeten 4 um ihre jeweilige Längsachse rotieren können. Der Planetenträger 21 weist axial zu beiden Seiten des Mutterelementes 20 gelegene Flansche 23 auf, an deren einander zugewandten Seiten die Taschen 22 angeordnet sind. Der Planetenträger 21 umgreift das Mutterelement 20 mit einem Hülsenabschnitt 24, der mit seinen axialen Enden an die Flansche 23 angeschlossen ist.
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Das Mutterelement 20 ist an dem Planetenträger 21 mittels einer ersten Lagerung 25 drehbar gelagert. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Spannhülsen 12, 13 jeweils mittels eines ersten Lagers 26 der ersten Lagerung 25 axial und radial an dem Planetenträger 21 gelagert.
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Der Planetenträger 21 ist mittels einer zweite Lager 28 aufweisenden zweiten Lagerung 27 an einem Gehäuse 28 drehbar gelagert. Die ersten und die zweiten Lager 26, 29 sind an voneinander abgewandten Stirnseiten der beiden Flansche 23 angeordnet.
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Jeder Flansch 23 ist mit einem ersten Lagersitz 30 für das erste Lager 26 sowie mit einem zweiten Lagersitz 31 für das zweite Lager 29 versehen. Die Flansche 23 sind mittels des Hülsenabschnitts 24 drehfest miteinander und axial mit einem Stellspiel spielbehaftet verbunden. Das Gehäuse 28 weist zwei Lagersitze 42 zur Aufnahme der zweiten Lager 29 auf. Der Planetenträger 21 weist erste Lagersitze 41 zur Aufnahme der ersten Lager 26 auf.
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Die 2 und 3 zeigen den Planetenwälzgewindetrieb aus 1 in einer konstruktiven Umsetzung. Einander entsprechende Bauteile der 1 und 2 tragen die gleichen Bezugszeichen. Deutlich kann dieser 2 entnommen werden, dass der Planetenträger 21 mehrteilig ausgeführt ist und eine dem Hülsenabschnitt (1) entsprechende Hülse 32 aufweist, die drehfest mit den beiden Flanschen 23 verbunden ist. Die drehfeste Verbindung wird in diesem Ausführungsbeispiel durch über den Umfang verteilt angeordnete Nasen 33 des Flansches 23 ermöglicht, die in Schlitze 34 der Hülse 32 mit axialem Spiel eingreifen (3). Das axiale Spiel dient als Stellspiel zum Einstellen der Lagerungen 25, 27 des Planetenwälzgewindetriebes in dem Gehäuse 28.
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Für das Einstellen der Lagerungen 25, 27 werden die zweiten Lager 29 axial in Richtung aufeinander zu gestellt. Unter dieser Stellbewegung können die Flansche 23 innerhalb des Spielspiels aufeinander zu bewegt werden bis eine einwandfreie Lagerung des Mutterelementes 20 an dem Planetenträger mittels der ersten Lager 26 eingestellt ist. Dieses Einstellen wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Stellring 35 ermöglicht, der axial einerseits an dem Gehäuse 28 abgestützt ist und andererseits gegen das zweite Lager 29 axial angestellt ist. Ein unerwünschtes axiales Spiel zwischen dem Mutterelement 20 und dem Gehäuse ist nach der Einstellung soweit beseitigt, dass ein einwandfreier hochgenauer Betrieb des Planetenwälzgewindetriebs ermöglicht ist.
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4 zeigt in schematischer Darstellung einen Aktuator für eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, und zwar für eine Hinterachslenkung oder für ein Steer-by-wire-Lenksystem. Ein Elektromotor 36 treibt den Planetenträger 21 des Planetenwälzgewindetriebs mittels eines Riementriebes 37 an. Das Gehäuse 28 umfasst hier den Planetenwälzgewindetrieb sowie den Riementrieb 37 und schützt diese Komponenten vor äußeren Einflüssen. Der Elektromotor 36 kann in das Gehäuse 28 integriert oder daran angeflanscht sein. Eine Lenkstange 38 durchdringt das Gehäuse 28 und ist mit ihren gabelförmigen Enden an nicht abgebildete Radlenker angeschlossen. Die Gewindespindel 1 ist Teil der Lenkstange 38, die aus endseitigen Lenkstäben 39 sowie der zwischen den Lenkstäben angeordneten Gewindespindel 1 gebildet ist. Stellsignale werden von einer ECU - Steuerungs-/Regelungseinheit - 43 gesteuert, die eine Vielzahl von Parametern eingangs- und ausgangsseitig berücksichtigt, bspw. IST und SOLL-Lage der Lenkstange 38, Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Querbeschleunigung.
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Dieser Aktuator ist selbsthemmend bzw. hemmend ausgeführt. Bei Ausfall des Elektromotors friert die Position der Lenkstange 38 ein. Unter äußeren an der Lenkstange 38 angreifenden Kräften ist eine Drehbewegung des Planetenwälzgewindetriebs ausgeschlossen, der mit einer ausreichend großen Vorspannung eingestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindespindel
- 2
- Mutter
- 3
- Mutterteil
- 4
- Planet
- 5
- Endabschnitt
- 6
- Mittelabschnitt
- 7
- Rillenprofil
- 8
- Rillenprofil
- 9
- Gewindeprofil
- 10
- Rillenprofil
- 11
- Spannelement
- 12
- Spannhülse
- 13
- Spannhülse
- 14
- Außengewinde
- 15
- Innengewinde
- 16
- Radialbord
- 17
- Radialbord
- 18
- Muttersitz
- 19
- Muttersitz
- 20
- Mutterelement
- 21
- Planetenträger
- 22
- Taschen
- 23
- Flansch
- 24
- Hülsenabschnitt
- 25
- ersten Lagerung
- 26
- erstes Lager
- 27
- zweite Lagerung
- 28
- Gehäuse
- 29
- zweites Lager
- 30
- ersten Lagersitz
- 31
- zweiten Lagersitz
- 32
- Hülse
- 33
- Nase
- 34
- Schlitz
- 35
- Stellring
- 36
- Elektromotor
- 37
- Riementrieb
- 38
- Lenkstange
- 39
- Lenkstab
- 40
- Distanzscheibe
- 41
- erster Lagersitz
- 42
- zweiter Lagersitz
- 43
- ECU
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013213704 A1 [0002, 0006]
