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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Leichtgewichtsradnabe für eine Radnabenanordnung, die mit einer Lagereinheit versehen ist, die wiederum ein Paar von Wälzkörpern, zum rotierbaren Tragen eines Rads eines Fahrzeugs, das an einer Aufhängung montiert ist, aufweist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Radnabe, die mittels mehrerer Blechelemente realisiert ist, die starr miteinander verbunden sind.
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Diese Lösung kann auf alle Generationen von Radnabenanordnungen angewendet werden. Insbesondere umfassen solche Anwendungen sowohl den Fall, bei dem der Außenring der Lager rotierbar ist, während die Innenringe der Lager feststehend sind, und den umgekehrten Fall, bei dem die Innenringe rotieren und der Außenring feststehend ist. Die Erfindung ist ebenfalls für jede Art von Wälzkörper (Kugeln, Rollen, Kegelrollen, etc.) geeignet.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Radnabe, die mit einer Leichtgewichtsradnabe versehen ist.
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Stand der Technik
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Eine Radnabenanordnung, die mit einer Lagereinheit zum rotierbaren Lagern eines Rads eines Fahrzeugs an einer Aufhängung versehen ist, ist bekannt und wird gemeinhin verwendet. Die Lagereinheit umfasst im Allgemeinen ein Paar von Wälzkörpern, aber unterschiedliche Konfigurationen einer Lagereinheit, an die die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, sind offensichtlich ebenfalls bekannt.
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Gemäß dem Stand der Technik umfasst die Radnabenanordnung eine rotierbare Nabe, die mit einer Kopplung zum Eingreifen eines rotierenden Elements des Kraftfahrzeugs, z. B. des Rads oder der Scheibe eines Bremselements, gekoppelt ist, während die Lagereinheit einen Außenring, ein Paar von Innenringen, wovon einer die Nabe selbst sein kann, und mehrere Wälzkörper, z. B. Kugeln, Rollen oder Kegelrollen, aufweist. Alle diese Komponenten haben eine axiale Symmetrie mit Bezug auf die Rotationsachse der rotierenden Elemente, z. B. der Radnabe und der Innenringe der Lagereinheit.
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Ebenfalls gibt es als ein Resultat des stetig wachsenden globalen Wettbewerbs eine konstante Forderung von Kunden, nämlich Kraftfahrzeughersteller, nach kontinuierlichen technischen oder kostenbezogenen Verbesserungen der Radnabenanordnungen. Insbesondere gibt es eine konstante Forderung sowohl nach einer Gewichtsreduktion für die gesamte Einheit, nach einer verbesserten Verwendung von Materialien als auch einem Bearbeitungsvorgang mit einer kleineren ökologischen Auswirkung (z. B. durch Eliminieren des Warmschmiedevorgangs). Offensichtlich sollte alles weiterhin aus dem Gesichtspunkt des Endkunden durch eine Reduktion der Kosten begleitet werden.
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Es ist daher notwendig, eine geeignete Lösung für eine Radnabenanordnung zu definieren, die nicht durch die voranstehend genannten Nachteile beeinflusst ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um im Wesentlichen die voranstehend genannten technischen Probleme zu lösen, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Leichtgewichtsradnabe für eine Radnabenanordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das Herstellen der Radnabe nicht als ein einzelnes Stück erreicht, das mittels Warmschmiedens erhalten wird, sondern ist eine Anordnung von zwei oder mehr Blechmetallelementen, die starr miteinander verbunden sind.
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Dies führt zu einer signifikanten Reduktion im Gewicht, einer Optimierung hinsichtlich des Verbrauchs von Materialien, der Eliminierung des Schmiedevorgangs und folglich ebenfalls einer nicht insignifikanten Reduktion der Kosten.
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Mit anderen Worten ist die Idee, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, eine Radnabe zu definieren, bei der Material nur verwendet wird, wo es aus funktionalen und strukturellen Gründen notwendig ist. In dem Fall einer Radnabenanordnung bedeutet dies, dass Stahl nur an den Oberflächen verwendet wird, die Kontakt mit den Wälzkörpern haben und dass gleichzeitig eine „boxförmige“ Struktur erhalten wird, die die benötigte strukturelle Stärke hat. Auf diese Weise wird das Gewicht reduziert, ohne die Stärke der Anordnung selbst zu reduzieren.
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Um diese innovative Radnabe herzustellen, wird ein radikal unterschiedlicher Herstellungsvorgang verwendet: Der Warmschmiedevorgang wird eliminiert und zumindest zwei Metallbleche werden anfänglich verwendet, um die korrekte Form mittels plastischen Verformungsvorgängen (Biegen, Tiefziehen, etc.) zu erlangen. Um die finale Form der Radnabe zu erhalten, ist es möglich, auf unterschiedlichen Arten vorzugehen, wobei zwei oder mehr Blechmetallelemente verwendet werden, die starr miteinander mittels Schweißens, Klebens oder anderen ähnlichen Verfahren verbunden werden. Auf diese Weise ist es möglich, viele Arten von Ringen für Lager, wie bspw. Innen- und Außenringe für viele Anwendungen von Lagern, oder geflanschte Innenringe für Kraftfahrzeuganwendungen zu erhalten.
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Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Radnabe für eine Radnabenanordnung bereitgestellt, die die charakteristischen Eigenschaften hat, die in dem unabhängigen Anspruch, der der vorliegenden Beschreibung angefügt ist, dargestellt sind.
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Weitere bevorzugte und/oder besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden gemäß den Eigenschaften beschrieben, die in den angehängten abhängigen Ansprüchen angegeben sind.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, die ein nichtbeschränkendes Ausführungsbeispiel davon darstellen, in denen:
- 1 ein Querschnitt durch eine Radnabenanordnung ist, die mit einer Lagereinheit versehen ist,
- 2 die Radnabe der Radnabenanordnung gemäß der 1 in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
- 3 die Radnabe der Radnabenanordnung gemäß der 1 in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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Mittels eines nichtbeschränkenden Beispiels wird die vorliegende Erfindung nun mit Bezug auf eine Radnabenanordnung für Kraftfahrzeuge beschrieben, die mit einer Lagereinheit versehen ist.
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Mit Bezug auf 1 bezeichnet 10 in seiner Gesamtheit eine Radnabenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Figur zeigt ein Detail eines Beispiels einer Konfiguration.
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Die Radnabenanordnung 10 hat eine zentrale Rotationsachse X und umfasst eine Radnabe 20, die, bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, rotierbar ist, die der Einfachheit halber in der 1 als ein einzelnes Element gezeigt ist, aber gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest zwei Elemente aufweist, die separat sind und starr miteinander verbunden sind, wobei eine ausführliche Beschreibung davon nachstehend bereitgestellt wird. Die Radnabeneinheit 10 umfasst ferner ein Lager 30, das wiederum aufweist:
- - einen radialen Außenring 31, bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, stationär,
- - einen radialen Innenring 20, der durch die Nabe 20 definiert ist,
- - einen weiteren radialen Innenring 34, der rotierbar an und einstückig mit der Nabe 20 montiert ist,
- - zwei Reihen von Wälzkörpern 32, 33, in diesem Beispiel Kugeln, die zwischen dem radialen Außenring 31 und den radialen Innenringen 20, 34 angeordnet sind, und
- - zwei Käfige 39, 40, um die Wälzkörper der Reihen von Wälzkörpern 32, 33 zu halten und in Position zu halten.
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In der Gesamtheit der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen werden die Begriffe und Ausdrücke, die Positionen und Orientierungen angeben, wie bspw. „radial“ und „axial“ verstanden, sich auf die zentrale Rotationsachse X der Lagereinheit 30 zu beziehen. Ausdrücke, wie bspw. „axial außen“ und „axial innen“ betreffen stattdessen den zusammengebauten Zustand der Radnabenanordnung und beziehen sich in dem infrage kommenden Fall bevorzugt auf eine Radseite bzw. eine Seite gegenüber der Radseite.
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Der radiale Außenring 31 ist mit zwei entsprechenden radialen Außenlaufbahnen 31' versehen, während die radialen Innenringe 20, 34 mit entsprechenden radialen Innenlaufbahnen 20', 34' versehen sind, um das Abrollen der axial äußeren Reihe von Wälzkörpern 32, die zwischen dem radialen Außenring 31 und der Nabe 20 angeordnet ist, und der axial inneren Reihe der Wälzkörper 33 zwischen dem radialen Außenring 31 und dem radialen Innenring 34 zu ermöglichen. Der einfachen grafischen Darstellung halber werden die Bezugszeichen 32, 33 sowohl den individuellen Kugeln als auch den Reihen von Kugeln zugewiesen. Wiederum der Einfachheit halber kann der Ausdruck „Kugel“ in der vorliegenden Beschreibung und in den angefügten Zeichnungen als Beispiel anstelle des allgemeineren Begriffs „Wälzkörper“ verwendet werden (und in gleicher Weise werden die gleichen Bezugszeichen verwendet).
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Die Radnabe 20 definiert an ihrem axial inneren Ende eine gerollte Kante 24, die dazu ausgelegt ist, axial den Innenring 34 vorzuspannen. Die Radnabe 20 hat des Weiteren einen axial äußeren geflanschten Abschnitt 25. Der geflanschte Abschnitt hat mehrere axiale Befestigungslöcher 25'. Diese Löcher sind Sitze für entsprechende Befestigungsmittel (z. B. Bolzen, die nicht in den Figuren gezeigt sind), die in einer bekannten Weise einen Teil des Kraftfahrzeugrads, z. B. ein nicht angetriebenes Rad oder die Bremsscheibe (ebenfalls per se bekannt und nicht in den Figuren gezeigt) mit der Radnabe 20 verbindet. Bevorzugt hat die Nabe 20 einen axial äußeren Zylinderabschnitt 26, der als ein Zentrierungsmittel für den Teil des Kraftfahrzeugrads agiert.
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Die Radnabenanordnung 20 ist mit einem Dichtmittel 50 zum Abdichten der Lagereinheit vor äußeren Verunreinigungen versehen.
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2 zeigt im Detail die Radnabe 20 in einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die den Gebrauch von drei Blechmetallelementen 21, 22, 23 vorsieht, wobei alle eine röhrenförmige geflanschte Form haben. Insbesondere ist beginnend von der axialen Innenseite die Radnabe 20 durch ein erstes Metallblechelement 23 gebildet, das wiederum hat: einen radial äußeren ringförmigen Abschnitt 231, der verwendet wird, um den geflanschten Abschnitt 25 der Radnabe 20 zu bilden, und mit mehreren Löchern 231' versehen ist, die verwendet werden, um die axialen Befestigungslöcher 25' zu bilden, einen axial inneren Zylinderabschnitt 232, der, falls durch die Anwendung benötigt, verwendet wird, um die gerollte Kante 24 zu bilden, einen ersten Zwischenabschnitt 233 mit einer gemischten radial äußeren und axial inneren Entwicklung, die angrenzend an den zylindrischen Abschnitt 232 und axial auf der Außenseite davon sitzt, und die die Laufbahn 20' mit ihrer radialen Außenfläche bildet, schließlich einen zweiten Zwischenabschnitt 234, der den ersten Zwischenabschnitt 233 und den Zylinderabschnitt 231 verbindet.
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Es ist offensichtlich, dass die Hauptfunktion des ersten Metallblechelements 23 (als auch die Hauptneuheit der vorliegenden Erfindung) ist, dass das Bilden der Laufbahn 20' direkt auf dem Metallblechelement (insbesondere an dem ersten Zwischenabschnitt 233) ist und nicht bereits auf einem Teil, der durch Schmieden erlangt wird, wie im Stand der Technik. Die Laufbahn benötigt offensichtlich eine hohe Oberflächenhärte, typischerweise von 58 HRC bis 62 HRC, und dies sollte ebenfalls an dem Metallblechelement 23 sichergestellt sein. Vorteilhafterweise kann dieses Element aus Stahl hergestellt sein, der für Kraftfahrzeuglager verwendet wird. Dieses Material kann lokal einer Induktionshärtungsbehandlungen in der Zone unterworfen sein, die die Laufbahn 20' umfasst, und die Härtetiefe sollte, damit die Laufbahn 20' ihre Funktionen durchführen kann, ohne verformt zu werden, zwischen 50 % und 70 % der Dicke des Metallblechelements 23, bevorzugt 60 % sein. Die Dicke des ersten Metallblechelements 23 kann zwischen 3 mm und 7 mm sein, abhängig von der Abwendung, typischerweise 5 mm. Diese Dicke ist gleich zu der des ringförmigen Abschnitts 231 und auch zu der des ersten Zwischenabschnitts 233 und des zweiten Zwischenabschnitts 234. Der zylindrische Abschnitt 232 kann, da er nicht großen strukturellen Lasten standhalten muss und geeignet sein sollte, verformt zu werden, um die gerollte Kante 24, wo notwendig, zu bilden, eine Dicke von sogar weniger als 50 % und daher zwischen 1,5 mm und 3,5 mm haben.
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Die Radnabe 20 umfasst ferner ein zweites Metallblechelement 22, das wiederum hat: einen radialen äußeren ringförmigen Abschnitt 221, der verwendet wird, um den geflanschten Abschnitt 25 der Radnabe 20 zu bilden, und mit mehreren Löchern 221' versehen ist, die verwendet werden, um die axialen Befestigungslöcher 25' zu bilden, einen axial inneren zylindrischen Abschnitt 22, der mit dem ringförmigen Abschnitt 221 verbunden ist.
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Vorteilhafterweise kann dieses zweite Metallblechelement 22 aus Stahl hergestellt sein, das für Kraftfahrzeuglager verwendet wird, aber im Unterschied zu dem ersten Metallblechelement 23 keine Oberflächenhärtung und daher keine Induktionshärtungsbehandlung braucht. Die Dicke des zweiten Metallblechelements 23 kann abhängig von der Anwendung zwischen 3 mm und 6 mm, typischerweise 4 mm sein.
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Die Radnabe 20 umfasst ein drittes Metallblechelement 21, das wiederum hat: einen radial äußeren ringförmigen Abschnitt 211, der verwendet wird, um den geflanschten Abschnitt 25 der Radnabe 20 zu bilden, und mit mehreren Löchern 211' versehen ist, die verwendet werden, um die axialen Befestigungslöcher 25' zu bilden, einen axial äußeren zylindrischen Abschnitt 212, der die Funktion des Zentrierungsmittels für den Teil des Kraftfahrzeugrads, z. B. das nicht angetriebenen Rad oder die Bremsscheibe, durchführt, einen Zwischenabschnitt 213 zum Verbinden des ringförmigen Abschnitts 211 und des zylindrischen Abschnitts 212.
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Vorteilhafterweise kann auch dieses dritte Metallblechelement 21 aus Stahl hergestellt sein, der für Kraftfahrzeuglager verwendet wird, aber im Unterschied zu dem ersten Metallblechelement 23 keine Oberflächenhärtung und daher keine Induktionshärtungsbehandlung benötigt. Die Dicke des dritten Metallblechelements 21 kann abhängig von der Anwendung zwischen 2 mm und 4 mm, typischerweise 3 mm sein.
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Die drei Metallblechelemente 21, 22, 23 sind starr miteinander mittels Klebens, Schweißens (z. B. kontinuierliches Elektroschweißen) oder anderen Verbindungssystemen verbunden, die für die Zwecke geeignet sind. Die Verbindungen zwischen den Metallblechelementen können zwischen den entsprechenden ringförmigen Abschnitten 211, 221, 231 und zwischen den entsprechenden radialen inneren zylindrischen Abschnitten 222, 232 hergestellt sein.
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Wie angemerkt werden kann, kann eine boxförmige Struktur, die eine Aushöhlung 27 umgibt, zwischen dem ersten Metallblechelement 23 und dem zweiten Metallblechelement 22 gebildet werden. Diese Aushöhlung 27 stellt die Materialeinsparungen, insbesondere von Stahl, dar, die möglich sind, ohne negativ die strukturelle Stärke der Radnabe zu beeinflussen, wobei die Stärke, wie bekannt ist, bei die gleichen Materialmenge durch die Gegenwart eines geschlossenen Querschnitts erhöht wird, was typisch für boxförmige Strukturen ist. Geeignete Sensoren, z. B. Umdrehungssensoren, könnten in diese Aushöhlung 27 eingesetzt werden. Abhängig von den Anwendungen konnte, sollte es in einem Fall notwendig sein, die strukturelle Stärke zu erhöhen, ohne von den Einsparungen beim Stahl abzuweichen, die Aushöhlung 27 mit einem geeigneten Kunststoffmaterial gefüllt werden.
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3 zeigt im Detail eine Radnabe 20a in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese zweite Ausführungsform stellt, für einen Fall, bei dem die Anwendung es erlaubt, eine einfache Eliminierung des dritten Metallblechelements 21 in Aussicht. Daher umfasst die Radnabe 20a ein erstes Metallblechelement 23 und ein zweites Metallblechelement 22, die die gleichen Eigenschaften haben, wie das entsprechende erste und zweite Metallblechelement der Radnabe 20, die in 2 gezeigt ist.
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Ohne das dritte Metallblechelement kann die Dicke des ersten Metallblechelements 23 abhängig von der Anwendung wiederum zwischen 3 und 7 mm sein, aber im Allgemeinen wird ein Wert näher an dem oberen Grenzwert, typischerweise 6 mm, angenommen. Der zylindrische Abschnitt 232 kann, da er nicht großen strukturellen Lasten standhalten muss, und geeignet sein muss, verformt zu werden, um die gerollte Kante 24, wo notwendig, zu bilden, wiederum eine Dicke zwischen 1,5 mm und 3,5 mm haben.
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Ähnlich kann die Dicke des zweiten Metallblechelements 22 abhängig von der Anwendung wiederum zwischen 3 mm und 6 mm sein, wird aber im Allgemeinen einen Wert näher an dem oberen Grenzwert, typischerweise 5 bis 6 mm, annehmen.
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Ähnlich sind die zwei Metallblechelemente 21, 22, 23 starr miteinander mittels Klebens, Schweißens (z. B. kontinuierliches Elektroschweißen) oder einem anderen Verbindungssystem verbunden, das für die Zwecke geeignet ist. Die Verbindungen zwischen den Metallblechelementen können zwischen den entsprechenden ringförmigen Abschnitten 221, 231 und zwischen den entsprechenden radial inneren zylindrischen Abschnitten 222, 223 gemacht werden.
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Bei dieser Ausführungsform wird ebenfalls eine boxförmige Struktur, die eine Aushöhlung 27 umgibt und die Einsparungen beim Stahl darstellt, zwischen dem ersten Metallblechelement 23 und dem zweiten Metallblechelement 22 gebildet. Ähnlich könnte, sollte es in einem Fall benötigt sein, die strukturelle Stärke zu erhöhen, ohne von den Einsparungen beim Stahl abzuweichen, die Aushöhlung 27 mit geeignetem Kunststoffmaterial gefüllt werden.
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Wie gesehen wurde, ist die Essenz der Erfindung eine Radnabe, die Material (und eine Wärmebehandlung) nur da verwendet, wo es aus funktionalen und strukturellen Gründen notwendig ist. Es gibt nicht länger den Bedarf, einen Warmschmiedevorgang durchzuführen, sondern zumindest zwei Metallblechelemente werden anfänglich verwendet und die gewünschte Form der Radnabe wird mittels einer einfachen plastischen Verformung der Bleche erreicht. Die Metallblechelemente werden dann starr miteinander verbunden, wobei in diesem Fall ebenfalls herkömmliche Technologien, wie bspw. Kleben, Schweißen und Ähnliches verwendet werden.
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Die Erfindung wurde für Radnaben entwickelt, aber es ist offensichtlich, dass unter Verwendung des gleichen Ansatzes, es möglich ist, viele Arten von Ringen für Lager, wie bspw. sowohl radiale Innenringe und radiale Außenringe als auch den kleinen radialen Innenring (z. B. der durch das Bezugszeichen 34 in 1 gekennzeichnet ist), der mit der geflanschten Nabe gemäß der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist, neu zu gestalten.
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Die vorliegende Erfindung erreicht daher die Hauptvorteile, die gesucht wurden: eine signifikante Reduktion im Gewicht, eine Optimierung hinsichtlich der Materialverwendung, Eliminierung des Schmiedevorgangs, und folglich eine nicht insignifikante Reduktion der Kosten.
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Zusätzlich zu den Ausführungsformen der Erfindung, wie voranstehend beschrieben, ist zu verstehen, dass zahlreiche andere Varianten existieren. Es sollte ebenfalls verstanden werden, dass diese Ausführungsformen nur Beispiele sind und weder den Umfang der Erfindung noch ihre Anwendungen noch ihre möglichen Konfigurationen begrenzen. Im Gegensatz sollte verstanden werden, dass, obwohl die voranstehende Beschreibung einem Fachmann ermöglicht, die vorliegende Erfindung zumindest gemäß einem ihrer Ausführungsbeispiele zu implementieren, viele andere Varianten der beschriebenen Komponenten möglich sind, ohne dadurch vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert ist, die wortwörtlich und/oder gemäß ihren legalen Äquivalenten interpretiert werden.
