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Die Erfindung betrifft einen Käfigfreilauf zum Einbau in den Klemmspalt zwischen einer Welle und einer Nabe, insbesondere im Antrieb eines E-Bikes, mit einem Klemmkörperkäfig, der in Umfangsrichtung fortlaufend mit schwenkbar in dem Klemmkörperkäfig angeordneten Klemmkörpern bestückt ist, wobei die Klemmkörper federnd in Einkuppelrichtung belastet sind.
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Grundsätzlich benötigen Freiläufe eine externe Radial- und Axiallagerung, denn ihre Funktion wird erst durch die korrekte Ausrichtung der Klemmkörper sichergestellt. Für eine kippfreie Lagerung einer Welle gegenüber einer Nabe müssen Welle und Nabe an zwei Lagerpunkten gegeneinander gelagert werden. Wird in den Klemmspalt zwischen einer Welle und einer Nabe ein Käfigfreilauf eingebaut, so wird herkömmlich beiderseits des Käfigfreilaufs ein Gleit- oder Wälzlager angeordnet, um die sichere Funktion des Freilaufs zu gewährleisten. Dies führt je nach Lastauslegung der Bauteile zu einem entsprechend großen axialen Baumaß. Außerdem werden drei separate Bauteile, zwei Lager und ein Freilauf, benötigt.
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Im Zuge der Entwicklung von E-Bike-Antrieben wurde erkannt, dass herkömmliche Freiläufe sowie die zur Lagerung benötigten externen Wälz- bzw. Gleitlager erheblichen Einbauraum benötigen. Dies ist unerwünscht, da sich hierdurch der Abstand zwischen den Pedalen gegenüber einem herkömmlichen Fahrrad bzw. der axiale Bauraum des Antriebsgehäuses vergrößert. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Klemmkörper-Käfigfreilauf zu entwickeln, der eine in axialer Richtung möglichst kompakte Welle/Nabe-Verbindung ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Käfigfreilauf der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, dass an dem Klemmkörperkäfig axial benachbart eine Lagerscheibe angeordnet ist. Außen- und Innendurchmesser der Lagerscheibe entsprechen hierbei abzüglich Lagertoleranzen dem Nennmaß des Lagerspalts, sodass die Lagerscheibe als Gleitlager zwischen Wellen- und Nabenbauteil wirkt. Die Lagerscheibe ermöglicht hierdurch, den Käfigfreilauf in einer Welle/Nabe-Verbindung mit einer nur einseitigen, vom Freilauf separaten Lagerung zu verbauen, da die Lagerscheibe, die sich vorzugsweise auf der dem externen Wälzlager gegenüberliegenden Seite des Freilaufs befindet, einen zweiten Lagerpunkt bildet und so ein Verkippen der Welle gegenüber der Nabe trotz Verwendung nur eines Wälzlagers verhindert. Durch die Einsparung eines zweiten Wälzlagers kann die Welle/Nabe-Verbindung somit axial kompakter aufgebaut werden, was zudem zu einem kostengünstigen und robusten Aufbau führt.
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Der ringförmige Klemmkörperkäfig ist in Umfangsrichtung fortlaufend mit Klemmkörpern bestückt, die in entsprechende Ausnehmungen bzw. Taschen des Klemmkörperkäfigs eingesetzt sind. Damit geht die Erfindung einen anderen Weg als beispielsweise die
DE 10 2019 218 785 A1 , die einen mit einem Wälzlager kombinierten Freilauf zum Einsatz in einem E-Bike Antrieb vorschlägt, bei dem in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend Klemmkörper und Lagerrollen verwendet werden. Durch die erfindungsgemäß in Umfangsrichtung fortlaufende Bestückung mit Klemmkörpern steht eine in Summe größere Klemmfläche zur Verfügung, sodass der Freilauf bei gleicher Dimensionierung für höhere Lasten ausgelegt werden kann bzw. bei gleicher Lastauslegung kleiner dimensioniert werden kann, als ein kombinierter, aufeinanderfolgend mit Lagerrollen und Klemmkörpern bestückter Freilauf.
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Die Lagerscheibe in Kombination mit einem separaten, einseitigen des Freilaufs angeordneten Wälzlager verbreitert die Auflagefläche zwischen Wellen- und Nabenteil und macht den Freilauf damit steifer gegenüber Kippkräften, die etwa bei der Lagerung eines schrägverzahnten Zahnrades als Nabenteil, wie es typischerweise bei einem E-Bike-Antrieb verwendet wird, auftreten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lagerscheibe über eine zumindest abschnittsweise formschlüssig ineinandergreifende Rastverbindung mit dem Klemmkörperkäfig verbunden. Lagerscheibe und Klemmkörperkäfig können somit getrennt gefertigt und in einfacher Weise über die Rastverbindung verbunden werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist die Möglichkeit, die Lagerscheibe und den Klemmkörperkäfig aus unterschiedlichen, der jeweiligen Funktion bestmöglich angepassten Material zu fertigen, z.B. den Käfig aus einen elastischen Kunststoff wie Polyamid oder Polyetheretherketon (PEEK) und die Lagerscheibe aus einem geeigneten Metall wie Messing oder gehärtetem Stahl
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lagerscheibe gegenüber dem Klemmkörperkäfig drehbar, aber in Axialrichtung arretiert. Dies ist vor allem deshalb vorteilhaft, weil der Freilaufkäfig beim Aufrichten der Klemmkörper in Sperrrichtung gegenüber den gegeneinander gesperrten Anlageflächen eine Relativdrehung entgegen der Schwenkbewegung der Klemmkörper ausführt. Durch die gegenüber dem Freilaufkäfig drehbare Lagerscheibe wird die Relativdrehung somit nicht auf die Lagerscheibe übertragen, sodass die Lagerscheibe gegenüber einem der Anlageflächen drehfest gehalten sein kann.
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Für die konstruktive Ausbildung der zumindest abschnittsweise formschlüssig ineinandergreifenden Rastverbindung des Klemmkörperkäfigs und der Lagerscheibe bieten sich dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten. So kann die Rastverbindung ein schwalbenschwanzartiges, hakenförmiges oder pilzförmiges, in Umfangsrichtung verlaufendes Rastprofil aufweisen.
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Konstruktiv besonders günstig ist es, wenn das Rastprofil als konzentrischer durchlaufender oder abschnittsweise unterbrochener Ring ausgebildet ist. Ebenfalls konstruktiv besonders günstig ist es, wenn die Rastverbindung eine Ausnehmung aufweist, die in der Lagerscheibe ausgebildet ist und in Umfangsrichtung der Lagerscheibe durchläuft oder in Umfangsrichtung segmentiert ausgeführt ist. Beispielsweise kann die Ausnehmung drei Abschnitte mit jeweils 60° aufweisen, die über den Umfang der Lagerscheibe verteilt sind.
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Grundsätzlich ist es zweckmäßig, dass das Rastprofil am Klemmkörperkäfig ausgebildet ist und eine Ausnehmung der Lagerscheibe radial von innen nach außen hintergreift.
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Die axiale Fixierung der Lagerscheibe kann an der Welle oder der Nabe erfolgen, wobei sie gegenüber dem anderen Teil frei drehbar ist, etwa in Form eines Gleitlagers oder durch Zwischenschaltung eines Wälzlagers.
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Ebenfalls grundsätzlich zweckmäßig ist es, die Lagerscheibe als Gleitlager, insbesondere als Radial-Gleitlager, bevorzugt als Kombination aus Radial-Gleitlager und Axial-Gleitlager auszubilden.
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Die Klemmkörper sind vorzugsweise unverlierbar im Klemmkörperkäfig angeordnet, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung elastischer Halteelemente. Der Anwender erhält dadurch eine Baugruppe, die einfach in den Ringspalt zwischen Welle und Nabe eingeschoben werden kann. Die axiale Arretierung der Lagerscheibe kann durch einen Presssitz an der Welle oder Nabe oder durch eine Verschraubung hergestellt werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Welle-Nabe-Anordnung mit einer Nabe, einer relativ zu dieser drehbaren Welle und einem in einem Klemmspalt zwischen Welle und Nabe angeordneten Käfigfreilauf der vorstehend genannten Art, wobei einseitig benachbart zu dem Käfigfreilauf ein als Radiallager ausgebildetes Wälzlager angeordnet ist, über welches Welle und Nabe gegeneinander gelagert sind. Durch diese Bauweise einer Welle-Nabe-Anordnung verkürzt sich deren Baulänge in Axialrichtung gegenüber einem Aufbau mit beiderseits des Freilaufs angeordneten Wälzlagern und dementsprechend kann insbesondere bei einer Anordnung eines E-Bikes die Kurbelgarnitur oder das Antriebsgehäuse in Axialrichtung enger gebaut werden.
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Konstruktiv besonders günstig ist es, wenn der Freilaufkäfig axial an dem Wälzlager anliegt, vorzugsweise auf seiner der Lagerscheibe abgewandten Seite. Möglich ist jedoch auch eine Anordnung, bei der die Lagerscheibe axial an dem Wälzlager anliegt.
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Es ist ebenfalls möglich beide Lagerstellen an den Käfig formschlüssig anzuklipsen.
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Ebenso ist es konstruktiv besonders günstig, wenn die Lagerscheibe des Käfigfreilaufs an der Welle oder Nabe fixiert und gegenüber dem jeweils anderen Teil drehbar ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von vier Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; dabei zeigt:
- 1 einer Welle-Nabe-Anordnung mit einem in den Klemmspalt zwischen einer Welle und einer Nabe verbauten Käfigfreilauf und einseitigem Wälzlager im Radialschnitt;
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Käfigfreilaufes mit verrasteter Lagerscheibe in Radiallagerausführung in einer Schrägansicht;
- 3 der Käfigfreilauf aus 2 in einem Radialschnitt;
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Käfigfreilaufes mit verrasteter Lagerscheibe in Radial-/Axiallagerausführung in einer Schrägansicht;
- 5 der Käfigfreilauf aus 4 in einem Radialschnitt;
- 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Käfigfreilaufes mit verrasteter Lagerscheibe in Radiallagerausführung in einer Schrägansicht;
- 7 der Käfigfreilauf aus 6 in einem Radialschnitt;
- 8 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Käfigfreilaufes mit verrasteter Lagerscheibe in Radial-/Axiallagerausführung in einer Schrägansicht;
- 9 der Käfigfreilauf aus 8 in einem Radialschnitt;
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1 zeigt eine Welle-Nabe-Anordnung mit einer Nabe 2, einer relativ zu dieser drehbaren Welle 1 mit einem in dem Klemmspalt zwischen Welle und Nabe angeordneten Käfigfreilauf 3 (vgl. 5 und 6). Die mit dem Käfigfreilauf 3 drehbar, aber axial starr an der Nabe 2 verbundene Lagerscheibe 7 ist in eine entsprechende Aufnahme der Nabe 2 eingesetzt und gegenüber der Welle gleitgelagert. Weiterhin ermöglicht die Lagerscheibe in diesem Beispiel eine Axiallagerung des Käfigfreilaufs, um somit den Klemmkörperkäfig durch die Arretierung in Axialrichtung vor Verkippen zu sichern. Die Radiallagerung wird bei dieser Ausführung durch das Zusammenwirken von Wälzlager 4 und Lagerscheibe 7 ausgebildet. Über das Wälzlager 4 sowie die Lagerscheibe 7 wird somit trotz Verwendung nur eines Wälzlagers 4 eine beidseitige Lagerung des Käfigfreilaufs erzielt.
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In 2 erkennt man einen Käfigfreilauf, der einen Klemmkörperkäfig 3 in Form eines flachen zylindrischen Ringes mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Taschen aufweist. Der Käfigfreilauf wird zwischen einem Wellenteil und einem Nabenteil (in dieser Darstellung nicht gezeigt) angeordnet. In die Taschen des Klemmkörperkäfigs 3 sind Klemmkörper 5 eingesetzt. Die Klemmkörper 5 können in ihren Taschen in an sich bekannter Weise eine leichte Kippbewegung durchführen und dadurch in Sperrrichtung eine Drehmomentübertragung zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil herbeiführen. Um hohe Drehmomente zu übertragen, wird der Klemmkörperkäfig 3 mit möglichst vielen Klemmkörpern 5 bestückt.
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Die Klemmkörper 5 eines Klemmkörper-Freilaufs, die häufig auch als Klemmstücke bezeichnet werden, sind bauartbedingt unrund ausgeführt, weisen also eine lange und eine kurze Quererstreckungsrichtung auf. In ihrer langen Quererstreckung sind die Klemmkörper der Art ausgebildet, dass sie sich beim Einkuppeln in dem von der Außenfläche des Wellenteils und der Innenlauffläche des Nabenteils gebildeten Ringspalt verklemmen.
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Damit die Klemmkörper 5 zuverlässig einkuppeln, werden sie durch einen ringförmigen umlaufenden Federring 6, hier in Form einer in Umfangsrichtung um die Klemmkörperreihe gelegte Spiralfeder, im Einkuppelsinn belastet bzw. vorgespannt. Hierfür weisen die Klemmkörper an ihrer äußeren Anlagefläche eine umlaufende Nut auf, in die der Federring 6 eingelegt ist.
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Die Erfindung wäre auch mit anderen Käfigkonstruktionen, beispielsweise mit einzeln angefederten oder mit einer umlaufenden Blechfeder angefederten Klemmstücken realisierbar.
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Der Klemmkörperkäfig 3 weist an einem Seitenrand ein axial- und radial vorspringendes, im Profil hakenförmiges erstes Rastelement 3a (vgl. 3) auf. Das erste Rastelement 3a korrespondiert abschnittsweise mit einem mit zweiten Rastelement 7a an der Lagerscheibe 7, welches eine Ausnehmung bzw. einen Hinterschnitt ausgebildet, hinter dem das erste Rastelement 3a einrasten kann und dieses von außen nach innen hintergreift. Die beiden korrespondierenden Rastelemente 3a, 7a können somit ineinander einrasten und bilden eine formschlüssig ineinandergreifende Rastverbindung zwischen Lagerscheibe 7 und dem Klemmkörperkäfig 3 aus.
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Das Rastelement 3a ist hierbei segmentiert, d.h. in Umfangsrichtung abschnittsweise unterbrochen ausgebildet. Hierdurch lässt sich das Rastelement 3a leichter gegenüber dem Rastelement 7a der Lagerscheibe 7 federnd einschnappen.
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Das Rastelement 3a ist hierbei als Rasthaken mit Vorsprung ausgebildet. Dieser wird bei der Montage der Lagerscheibe 7 leicht nach innen gedrückt, bis er hinter dem von dem ebenfalls als Rasthaken ausgebildeten Rastelement 7a einrastet. Diese Ausführungsform einer Rastverbindung zwischen Klemmkörperkäfig 3 und Lagerscheibe 7 ist in einer einfachen Weise zu montieren, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist.
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An ihrem äußeren Umfang bildet die Lagerscheibe eine Gleitfläche gegenüber dem Nabenteil aus. Dadurch ist die Funktion als Radiallager gegeben. Im Rahmen der Erfindung wäre auch eine kinematische Umkehr der Lagerfunktion, d.h. eine Gleitlagerung gegenüber dem Wellenteil möglich.
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Die 4 bis 9 zeigen jeweils abgewandelte Ausführungsbeispiele. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eingegangen. Gleiche oder entsprechende Elemente sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Käfigfreilaufs. Man sieht, dass die Lagerscheibe einen sich in radialer Richtung erstreckenden Bereich 7b in der Art eines Flansches (vgl. 5) aufweist. Über diesen Flanschbereich 7b kann die Lagerscheibe 7 axial unverschiebbar, vorzugsweise auch drehfest, mit dem Wellenteil verbunden zu werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird somit durch die Lagerscheibe 7 nicht nur eine Lagerung in Radialrichtung sondern auch eine Axiallagerung erzielt.
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Die Rastverbindung zwischen Klemmkörperkäfig 3 und Lagerscheibe 7 ist in Axialrichtung formschlüssig, in Umfangsrichtung aber drehbeweglich. Dies hat den Vorteil, dass eine wirksame Fixierung des Käfigringes erzeugt wird und keine weitere axiale Abstützung notwendig ist.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Käfigfreilaufs, bei dem die Lagerscheibe 7 die Funktion als Radiallager hat. Wesentlich bei dieser Ausführung ist, dass die Lagerscheibe 7 an einem Seitenrand einen axial- und radial vorspringendes, umlaufendes Rastelement 3a (vgl. 6) aufweist. Dieses Rastelement 7a korrespondiert abschnittsweise mit einem Rastelement 3a des Klemmkörperkäfigs 3 und hintergreift dieses von innen nach außen. Somit ist eine formschlüssig ineinandergreifende Rastverbindung zwischen Lagerscheibe 7 und dem Klemmkörperkäfig 3 ausgebildet.
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Auch in diesem Fall ist das Rastelement 3a an dem Klemmkörperkäfigs 3 segmentiert, d.h. abschnittsweise unterbrochen ausgebildet. Hierdurch lässt sich der Vorsprung 7a leichter gegenüber dem Rastelement 3a des Klemmkörperkäfigs 3 federnd einschnappen.
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Das Rastelement 7a ist hierbei als Rasthaken mit Vorsprung ausgebildet. Dieser drückt bei der Montage an den Klemmkörperkäfig 3 dessen segmentiertes Rastelement 3a leicht nach innen, bis er hinter dem ebenfalls als Rasthaken ausgebildeten Rastelement 3a einrastet. Diese Ausführungsform einer Rastverbindung zwischen Klemmkörperkäfig 3 und Lagerscheibe 7 ist in einer einfachen Weise zu montieren, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist. Die Lagerscheibe weist in diesem Beispiel eine zusätzliche Fase auf, welche eine einfachere Montage ermöglichen soll.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Käfigfreilaufs. Man sieht, dass die Lagerscheibe einen sich in radialer Richtung erstreckenden Bereich 7b (vgl. 9) aufweist, welcher einen gegenüber dem Freilaufkäfig vergrößerten Außendurchmesser hat. Indem dieser im Durchmesser vergrößerte Bereich der Lagerscheibe 7 in einer entsprechenden Ausnehmung an der Nabe aufgenommen wird, kann die Lagerscheibe 7 unverschiebbar, vorzugsweise auch drehfest, mit dem Nabenteil verbunden werden. Die Lagerscheibe 7 bewirkt hierbei zusätzlich zu einer Gleitlagerung in Radialrichtung eine Axiallagerung. Die Lagerscheibe 7 weist ebenfalls, wie im Ausführungsbeispiel in 6 zu sehen, eine zusätzliche Fase zur einfachen Montage auf.
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Das Rastelement 3a das Klemmkörperkäfigs ist hierbei wieder segmentiert, d.h. abschnittsweise unterbrochen ausgebildet. Hierdurch lässt sich der Vorsprung 3a leichter gegenüber dem Rastelement 3a der Lagerscheibe 7 federnd einschnappen.
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Das Rastelement 3a weist ebenfalls wie im Ausführungsbeispiel in 6 zu sehen, einen Rasthaken mit Vorsprung auf. Dieser wird bei der Montage der Lagerscheibe leicht nach innen gedrückt, bis er hinter dem von dem ebenfalls als Rasthaken ausgebildeten Rastelement 7a an der Lagerscheibe 7 einrastet und dieses von innen nach außen hintergreift. Diese Ausführungsform einer Rastverbindung zwischen Klemmkörperkäfig 3 und Lagerscheibe 7 ist in einer einfachen Weise zu montieren, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist.
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Alle Ausführungsbeispiele zeichnen sich durch minimalen Bauraum aus, da durch die formschlüssige Verbindung zwischen Käfigring und Lagerscheibe und die Ausbildung der Lagerscheibe 7 als radiales und ggf. axiales Gleitlager auf ein zweites Wälzlager zur Lagerung von Welle und Nabe gegeneinander verzichtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009030614 [0002]
- DE 102011108413 [0002]
- DE 102019218785 A1 [0002, 0006]
