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Die Erfindung betrifft ein Stirnrad nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie betrifft auch ein Stirnradgetriebe, bei dem ein solches Stirnrad ein Zwischenrad bildet, insbesondere für eine Stirnradstufe für einen elektrischen Achsantrieb und ein einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stirnradgetriebe.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in der elektrischen Antriebstechnik, insbesondere in der Automobilindustrie bei Anwendungen für die Elektromobilität.
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Das Konstruieren von Getriebe und einzelnen Zahnradkörpern ist insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen bei der Herstellung, der Betriebsbelastung, der Belastungsdauer und des Bauraumes eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von kompletten elektrischen Antrieben.
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In elektrischen Antrieben spielt darüber hinaus besonders das Geräuschverhalten (NVH - Noise Vibration Harshness) und die Masse des Gesamtsystems eine sehr wichtige Rolle.
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Bei PKW-Elektroantrieben, wie in der vorliegenden Erfindung elektrische Achsantriebe auch genannt werden, wird durch das Fehlen des Verbrennungsmotors als Geräuschquelle im Antriebsstrang ein besonderer Fokus auf das Akustikverhalten des elektrischen Antriebs bzw. der Getriebestufe gelegt. Durch die Verzahnungsteile in einem Elektroantrieb können Schwingungen hervorgerufen werden, welche u. U. für den Endkunden als akustisch unangenehmes Geräusch im Fahrzeug wahrnehmbar sind. Um dies zu verhindern ist es erforderlich, bereits in der Entwicklung des Elektroantriebes das NVH-Verhalten zu berücksichtigen und das Schwingverhalten der Einzelkomponenten und des Gesamtsystems durch gezielte konstruktive Gestaltung zu steuern. Dabei muss jedoch stets das Gewicht, welches bei PKW-Elektroantrieben ein besonderes Entwicklungsziel darstellt, berücksichtigt werden.
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Je höher das Gewicht der Getriebe und damit einzelner Zahnradkörper ist, desto höher wird das Gesamtgewicht des Fahrzeuges und somit das Trägheitsmoment, sodass bei jedem Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeuges auch Energie zum Beschleunigen bzw. zum Bremsen der Masse des Getriebes aufgewendet werden muss.
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Des Weiteren führt der breite Arbeitsbereich eines Elektromotors, der ein maximales Drehmoment in einem weiten Drehzahlbereich aufweist und deshalb nur eine geringe Anzahl von Gängen erfordert, bei einer typischen Ein-Gang-Konfiguration dazu, dass alle Zahnräder ununterbrochen ineinander kämmen und infolge der hohen Drehzahlen einer stark gestiegenen Anzahl von Überrollungen standhalten müssen und damit einer hohen Betriebsbelastung ausgesetzt sind. Aufgrund der Lebensdauervorschriften für Getriebe in Elektrofahrzeugen führt das zu deutlich steigenden Anforderungen an die Standfestigkeit der einzelnen Zahnräder. Diese kann dadurch erhöht werden, dass Zahnraddurchmesser und/oder die Zahnbreite vergrößert werden. Insbesondere eine Erhöhung des Zahnraddurchmessers führt jedoch wieder zu einem größeren Platzbedarf und insbesondere zu einem größeren Gewicht.
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Folglich wird für Antriebszahnräder zum einen ein Leichtbaudesign und eine Massereduzierung und zum andern eine hohe Steifigkeit und Stabilität gefordert. Die Notwendigkeit einer steifen Gestaltung des Zahnrades ergibt sich aus den NVH-Anforderungen zur Vermeidung von akustischen Auffälligkeiten im Fahrzeug.
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Beide Zielvorgaben müssen unter Einhaltung des verfügbaren Bauraumes erreicht werden, welcher durch die Einbausituation des Elektroantriebs im Fahrzeug beschränkt wird.
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Darüber hinaus dürfen die Herstellkosten und die Materialkosten nicht außer achtgelassen werden.
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Um alle dem gerecht zu werden, können die Materialauswahl für das Zahnrad oder Bereiche des Zahnrades, die Dimensionierung und das Design des Zahnrades optimiert werden. Dabei kommt dem Design, das heißt der geometrischen Form des Zahnrades, dann eine besondere Bedeutung zu, wenn es auch um eine bauraumoptimierte Gestaltung des Zahnrades geht.
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Das meistverwendete Zahnrad, auch in Zahnradgetrieben von Elektrofahrzeugen ist das Stirnrad (oder Zylinderrad). In der Regel ist ein Stirnrad aus einer zylindrischen Scheibe gefertigt und umfasst eine Radnabe, einen Zahnkranz und einen Stützkörper. Der Stützkörper verbindet die Radnabe mit dem Zahnkranz, wobei der Übergang zwischen Radnabe und Stützkörper bzw. Stützkörper und Zahnkranz oft fließend ist.
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Als Radnabe wird ein innerer Durchmesserbereich des Stirnrades verstanden, der dem Stirnrad einen stabilen Sitz auf einer Welle sichert. Sie hat eine Nabendicke in axialer Richtung des Stirnrades und eine Nabenbreite in radialer Richtung, deren Maße sich aus der zu erwartenden Belastung des Stirnrades ergeben.
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Als Zahnkranz wird ein äußerer Durchmesserbereich des Stirnrades verstanden, der größer der Zahnhöhe der Zähne des Stirnrades ist. Er hat eine Kranzdicke in axialer Richtung des Stirnrades und eine Kranzbreite in radialer Richtung, deren Maße sich aus der zu erwartenden Belastung des Stirnrades ergeben.
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Um das Stirnrad in einem Leichtbaudesign auszuführen sind aus dem Stand der Technik Maßnahmen bekannt, die sich insbesondere auf eine Massereduktion des Stützkörpers richten.
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Ein optimaler Kraftfluss bei der Drehmomentübertragung zwischen dem Zahnkranz und der Radnabe ist in einem Stirnrad dann gegeben, wenn die Mitte des Zahnkranzes bezogen auf die Kranzbreite und die Mitte der Radnabe, bezogen auf die Nabenbreite auf einer Senkrechten zur Radachse liegen, weshalb in der Regel eine zylindrische Scheibe als Rohling für ein Stirnrad verwendet wird. Zur Massenreduktion wird dann im einfachsten Fall die Dicke des Stützkörpers reduziert. Darüber hinaus ist es bekannt alternativ oder zusätzlich Durchbrüche in den Stützkörper einzubringen.
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Aus der
DE 35 23 941 A1 ist es nicht nur bekannt den Stützkörper in der Dicke zu reduzieren und Durchbrüche einzubringen, sondern auch, als eine weitere das Gewicht des Stirnrades reduzierende Maßnahme, den Stützkörper aus einem Leichtbaumaterial herzustellen, während die Radnabe und der Zahnkranz aus einem hochbelastbaren Material hergestellt wird.
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Nachteilig an allen Stirnrädern, bei denen die Mitte des Zahnkranzes und die Mitte der Radnabe auf einer Senkrechten zur Radachse liegen ist, dass keine flexible axiale Bauraumnutzung für andere Getriebeteile, wie z.B. Lager oder mit dem Stirnrad kämmende Räder, möglich ist. Im vorliegenden Anwendungsfall der Erfindung wäre die Einhaltung der Bauraumvorgaben durch eine derartige Konstruktion nicht möglich. Ein solches Stirnrad ist aus der
JP 2017-082858 A und aus der
US 2021/ 0 062 906 A1 bekannt.
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Aus der
DE 10 2004 002 847 B4 ist eine Zahnradanordnung mit einem zwischen zwei Flanschen angeordnetem Zahnrad bekannt und an mindestens einem der Flansche Stege zur Verstärkung vorhanden sind, die als Verstärkungsknoten ausgebildet sind an denen andere Stege zusammenlaufen.
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Es sind aus der Praxis auch Stirnräder bekannt, bei denen die Mitte des Zahnkranzes und die Mitte der Radnabe in axialer Richtung des Stirnrades zueinander versetzt und damit nicht auf einer Senkrechten zur Radachse liegen. Der Stützkörper ist in diesem Fall kegelmantelförmig geformt und vergleichsweise massiv ausgeführt, um eine ausreichende Steifigkeit insbesondere in radialer Richtung des Stirnrades zu gewährleisten.
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Ein Stirnrad, bei dem ebenfalls die Mitte des Zahnkranzes und die Mitte der Radnabe in axialer Richtung des Stirnrades zueinander versetzt ist, ist auch aus der
DE 10 2017 201 383 A1 bekannt. Es weist einen im Wesentlichen scheibenförmigen Zwischenbereich auf, der radial zwischen einem Nabenbereich und einem Zahnkranzbereich angeordnet ist. Der Zwischenbereich weist erste und zweite Versteifungsrippen auf, mit einer radial verlaufenden ebenen Oberfläche.
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In der
WO 2017/056764 ist ein Getriebe offenbart mit einem Stirnrad bei dem ebenfalls die Mitte des Zahnkranzes und die Mitte der Radnabe in axialer Richtung des Stirnrades zueinander versetzt ist. Der Zahnkranz und die Radnabe sind über einen Zwischenbereich verbunden, der auf einer Seite eine Rippenstruktur von radial verlaufenden Rippen aufweist. Die Rippen sind über die gesamte Länge mit der Radnabe verbunden, wobei die Oberfläche zur Radnabe hin eben ausgebildet ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Stirnrad, bei dem die Mitte der Kranzbreite und die Mitte der Nabenbreite nicht auf einer Senkrechten zur Radachse liegen, in einem Leichtbaudesign zu schaffen, welches auf ein besonders günstiges akustisches Schwingverhalten des Stirnrads ausgerichtet ist.
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Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein Stirnradgetriebe mit einem besonders kurzen axialen Bauraum und mindestens einem Stirnrad in einem NVH-optimierten Leichtbaudesign zu schaffen.
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Letztendlich ist es die Aufgabe der Erfindung einen PKW-Elektroantrieb zu schaffen mit einem kurzen axialen Bauraum und mindestens einem Stirnrad im NVH-optimierten Leichtbaudesign.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Stirnrad mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass der Stützkörper eine Vielzahl von Hauptrippen aufweist, die jeweils eine radiale Verbindung zwischen dem Zahnkranz und der Radnabe bilden, wobei eine vordere Oberfläche der Hauptrippen jeweils zu dem Zahnkranz hin, senkrecht zur Radachse, verläuft und zu der Radnabe hin von der Radachse weg gewölbt sind.
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Vorteilhaft ist eine hintere Oberfläche der Hauptrippen jeweils Teil einer geschlossenen Rückseite des Stirnrades, die zum Zahnkranz hin durch eine Planfläche und zur Radnabe hin durch eine kuppelförmige Fläche, die um die Radachse einen Hohlraum bildet, gebildet ist.
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Eine optimale Masseverteilung über die Stützstruktur ist gegeben, wenn die Hauptrippen eine Rippendicke in radialer Richtung aufweisen, die an jeder Stelle über eine Rippenhöhe, in axialer Richtung, größer ist als eine Rippenbreite senkrecht zur Radachse ist. Dabei entspricht bevorzugt die Rippendicke mindestens dem dreifachen der Rippenbreite.
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Zum Abstützen der Hauptrippen weist der Stützkörper vorteilhaft eine Vielzahl erster Hilfsrippen auf, wobei jeweils zwei der Hauptrippen über jeweils eine der ersten Hilfsrippen miteinander verbunden sind. Bevorzugt ist eine monolithische Verbindung.
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Die ersten Hilfsrippen sind vorteilhaft jeweils tangential zu einer gedachten Kreislinie um die Radachse angeordnet und sind bevorzugt auf die mit ihnen verbundenen Hauptrippen höhenmäßig angepasst.
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Zusätzlich kann der Stützkörper eine Vielzahl zweiter Hilfsrippen aufweisen, über die der Zahnkranz mit einer der ersten Hilfsrippen verbunden ist und die die Steifigkeit bei gleicher Geometrie und Dimension der Hauptrippen weiter verbessern, bzw. bei gleicher Steifigkeit eine Reduzierung der Dimension der Hauptrippen erlaubt.
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Die zweiten Hilfsrippen verlaufen jeweils bevorzugt senkrecht zu der mit ihr verbundenen ersten Hilfsrippe.
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Die Aufgabe wird auch für ein Stirnradgetriebe, mit mindestens einem Zwischenrad, dadurch gelöst, dass das mindestens eine Zwischenrad durch ein erfindungsgemäßes Stirnrad gebildet ist.
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Des Weiteren wird die Aufgabe für einen PKW-Elektroantrieb gelöst, indem dieser ein Stirnradgetriebe aufweist, das mindestens ein Zwischenrad aufweist, das durch ein erfindungsgemäßes Stirnrad gebildet ist.
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Nachfolgend wird anhand von einem Ausführungsbeispiel die Erfindung unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei zeigen:
- 1a ein erfindungsgemäßes Stirnrad in perspektivische Ansicht,
- 1b das Stirnrad gemäß 1a in einer Vorder-Ansicht,
- 1c das Stirnrad gemäß 1a in einer Rück-Ansicht,
- 1d das Stirnrad gemäß 1a in einem Schnittbild und
- 2 eine schematische Darstellung eines PKW-Elektroantriebs mit einem Stirnradgetriebe in dem ein Stirnrad gemäß der 1a - 1c als Zwischenrad angeordnet ist.
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In den 1a -1d ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Stirnrad 1 mit einer Radachse 0 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Das Stirnrad 1 umfasst eine Radnabe 2, einen Zahnkranz 3 und einen die Radnabe 2 und den Zahnkranz 3 verbindenden Stützkörper 4. Die Mitte der Radnabe 2, bezogen auf eine Nabenbreite bn der Radnabe 2, in Richtung der Radachse 0 und die Mitte des Zahnkranzes 3 bezogen auf eine Kranzbreite bk des Zahnkranzes 3, sind in Richtung der Radachse 0 zueinander versetzt angeordnet sind. Ein dadurch entstehender Versatz v und die Nabenbreite bn sind dafür bestimmend wieviel Platz unterhalb des Zahnkranzes in Richtung der Radachse 0 bis zur Radnabe 2 durch eine erfindungsgemäße Ausführung des Stützkörpers 4 vorhanden ist, womit Bauraum für dem Stirnrad 1 axial nachgeordnete Bauteile vorhanden ist, der eine Bauraumverkürzung eines Stirnradgetriebes 9, dessen Bestandteil das Stirnrad 1 ist, in dieser Richtung ermöglicht.
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Im Unterschied zu gängigen Stirnrädern, bei denen die Steifigkeit zwischen Zahnkranz und Radnabe durcheinen Stützkörper gegeben ist, der eine massive, zur Radachse senkrecht ausgebildete Verbindung darstellt oder solche senkrechten Verbindungen aufweist, wird hier, erfindungswesentlich, der Stützkörper 4 durch eine gewölbte Rippenstruktur gebildet, die eine Vielzahl von Hauptrippen 5 sowie vorteilhaft zusätzlich erste und zweite Hilfsrippen 6, 7 umfasst. Dabei ist die Steifigkeit des Stützkörpers im Wesentlichen durch die Hauptrippen 5 gegeben, die durch die ersten Hilfsrippen 6 und indirekt durch die zweiten Hilfsrippen 7 gestützt sind, wobei die zweiten Hilfsrippen 7 im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils in eine der ersten Hilfsrippen 6 übergehen, an einer Stelle wo diese in eine der Hauptrippen 5 übergeht, womit die die Hauptrippen 5 jeweils aus zwei Richtungen, bestimmt durch die Anordnung der ersten und zweiten Hilfsrippen 6, 7 abgestützt wird.
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Die Hauptrippen 5 bilden eine radiale Verbindung zwischen dem Zahnkranz 3 und der Radnabe 2. Dabei verläuft eine vordere Oberfläche 51 der Hauptrippen 5 auf der Vorderseite des Stirnrades jeweils zum Zahnkranz 3 hin, in einer Ebene senkrecht zur Radachse 0 und zur Radnabe 2 hin, von der Radachse 0 weg gewölbt.
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Eine hintere Oberfläche 52 der Hauptrippen 5 ist jeweils Teil einer geschlossenen Rückseite 8 des Stirnrades 2. Die Rückseite 8 wird zum Zahnkranz 3 hin durch eine Planfläche 81 und zur Radnabe 2 hin durch eine kuppelförmige Fläche 82 gebildet. Die kuppelförmige Fläche 82 bildet um die Radachse (0) einen Hohlraum.
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Die Hauptrippen 5 weißen eine Rippendicke dr in radialer Richtung auf, die an jeder Stelle über eine Rippenhöhe hr, in axialer Richtung, größer ist als eine Rippenbreite br, senkrecht zur Radachse 0. Das Material des Stützkörpers 4 trägt damit mengenmäßig hauptsächlich zur Rippendicke dr bei, um Kräfte und Momente in Richtung der Rippendicke dr verlustfrei zu übertragen.
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Die Hauptrippen 5 können in einer geringeren Anzahl sowie schmaler und damit leichter ausgeführt werden, wenn sie, wie dargestellt, durch Hilfsrippen 6, 7 gestützt werden. Dabei gibt es eine Vielzahl erster Hilfsrippen 6, die jeweils zwei der Hauptrippen 5 miteinander verbinden. Sie sind jeweils tangential zu einer gedachten Kreislinie um die Radachse 0 angeordnet. An ihren Enden sind die ersten Hilfsrippen 6 jeweils an die Rippenhöhe hr der mit ihr verbundenen Hauptrippe 5 angepasst.
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Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Stützkörper 4 zusätzlich eine Vielzahl zweiter Hilfsrippen 7 aufweist, über die der Zahnkranz 3 jeweils mit einer der ersten Hilfsrippen 6 verbunden ist. Die zweiten Hilfsrippen 7 verlaufen jeweils senkrecht zu der mit ihr verbundenen ersten Hilfsrippe 6.
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Die ersten und zweiten Hilfsrippen 6, 7 sind bevorzugt flacher und schmaler als die Hauptrippen 5 und haben lediglich die Funktion die Hauptrippen 5 zu versteifen.
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Durch die beschriebene Rippenstruktur weist das Stirnrad eine hohe Steifigkeit auf, trotz geringem Materialeinsatz für die Stützstruktur und damit vergleichsweise geringem Gewicht, was den Regeln eines Leichtbaudesigns entspricht.
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Bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Stirnrades 1 bzw. des Stützkörpers 4 sind wahlweise ein Druckguss- oder Schmiedeverfahren. Die Werkzeugform ist dabei so gestaltet, dass die Hauptrippen 5 und die Hilfsrippen 6, 7 ein monolithisches Gebilde bilden.
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In 2 ist schematisch ein Fahrzeug mit einem PKW-Elektroantrieb gezeigt, welches ein Stirnradgetriebe mit drei Stirnrädern umfasst, von denen das mittlere Rad, ein Zwischenrad darstellt, das gemäß einem zuvor beschriebenen Stirnrad 1 ausgeführt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Radachse
- 1
- Stirnrad
- 2
- Radnabe
- 3
- Zahnkranz
- 4
- Stützkörper
- 5
- Hauptrippe
- 51
- vordere Oberfläche
- 52
- hintere Oberfläche
- 6
- erste Hilfsrippe
- 7
- zweite Hilfsrippe
- 8
- Rückseite
- 81
- Planfläche
- 82
- kuppelförmige Fläche
- 9
- Stirnradgetriebe
- 10
- PKW-Elektroantrieb
- bn
- Nabenbreite (in axialer Richtung)
- dn
- Nabendicke (in radialer Richtung)
- bk
- Kranzbreite (in axialer Richtung)
- dk
- Kranzdicke (in radialer Richtung)
- v
- Versatz (in axialer Richtung)
- dr (hr)
- Rippendicke (in radialer Richtung)
- hr
- Rippenhöhe (in axialer Richtung)
- br
- Rippenbreite (senkrecht zur radialen und axialen Richtung)
- Mn
- Mitte der Radnabe
- Mk
- Mitte des Zahnkranzes
