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Die
Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 1
ein Querdifferential eines Kraftfahrzeuges.
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Aus
der
DE-OS 2 359 828 ist
bereits ein Querdifferential bekannt, dessen Gehäuse dreigeteilt ist. Die drei
Gehäuseteile
sind mittels eines Elektronenstrahl-Schweißverfahrens miteinander verschweißt. Es wird
darauf hingewiesen, dass mittels des Elektronenstrahl-Schweißverfahrens
zur Verbilligung der Herstellung für die Gehäuseteile verschiedene Materialien
verwendet werden können.
Ein Tellerradkranz des Querdifferentials ist mit einem der Gehäuseteile
verschraubt.
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Ferner
zeigt die
DE 43 17
073 A1 ein Querdifferential eines Kraftfahrzeuges. Um dieses
Querdifferential einfach und rationell zu fertigen, ist vorgesehen,
das Differentialgehäuse
aus tiefgezogenen gut verformbaren Stahlblechen herzustellen. Zum Antrieb
des Querdifferentials findet ein Stirnrad Anwendung.
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Die
DE-Z: „Dilthey.
U: Laser- und Elektronenstrahlschweißen von Werkstoffkombinationen
aus Gusseisen und Einsatz- oder Vergütungsstählen, in: Schweissen und Schneiden,
50/1998, Heft 11, S. 718-723" zeigt
u. a. ein Differentialgehäuse,
das mit einem als Stirnrad ausgeführtem Zahnkranz laserverschweißt ist.
Das Differentialgehäuse
besteht dabei aus GGG-40,
wohingegen der Zahnkranz aus Einsatzstahl 16MnCr5 besteht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Querdifferential zu
schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Vorrichtungsanspruchs 1 gelöst.
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Der
Patentanspruch 1 sieht die Verwendung von zumindest zwei unterschiedlichen
Werkstoffen für
das Tellerrad und zumindest eines von zwei Ausgleichsgehäuseteilen
vor. Diese drei Bauteile sind bewegungsfest zueinander. Zur Verbindung
zwischen dem einen Ausgleichsgehäuseteil
und dem Tellerrad ist eine Laserverschweißung vorgesehen.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist der, dass das Ausgleichsgehäuse aus
dem kostengünstigen
Werkstoff Grauguss, wie beispielsweise GGG – d.h. Gusseisen mit Kugelgraphit
bzw. Grauguss Globular – gefertigt
wird. Hingegen besteht das Tellerrad aus dem qualitativ hochwertigen
und damit teuren Werkstoff Einsatzstahl. Somit sind für die Hypoidverzahnung an
der Paarung Tellerrad-Ritzel eine hohe Verschleißfestigkeit, eine hohe Ausfallsicherheit
und durch die sich so über
die Zeit kaum verändernde Zahneingriffsgeometrie
auch langfristig ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Laufruhe gewährleistet.
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Das
Laserschweißverfahren
ist besonders geeignet für
die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe.
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Beim
Laserstrahlschweißverfahren
wird ein Laserstrahl u.a. mittels Linsen über einen Laserstrahlenkegel
auf einen Laserfocus gebündelt.
Im Rahmen dessen, was der Winkel des Laserstrahlenkegel zulässt, ist
im Verhältnis
zu anderen Schweißverfahren
eine gute Bearbeitbarkeit von schwer zugänglichen Stellen möglich. Dabei
ist die Ausgestaltung von Patentanspruch 6 von besonderem Vorteil,
da sie eine gute Zugänglichkeit
der Schweißnähte auch
bei einem Laserstrahlenkegel von 15° ermöglicht.
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Die
Schweißgeschwindigkeit
kann zusätzlich zu
der ohnehin hohen Schweißgeschwindigkeit
des Laserstrahlschweißverfahrens
weiter erhöht
werden, indem zwei Laserfoci zeitlich parallel das um dessen Rotationsachse
umlaufende Querdifferential verschweißen. Diese beiden Laserfoci
können
dabei einem optisch geteilten Laserstrahl entstammen.
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Ein
weiterer Vorteil der Laserverschweißung ist der, dass der für das Querdifferential
vorzuhaltende Bauraum klein sein kann, da das Laserschweißverfahren
besonders schmale Schweißnähte mit schmaler
Wärmeeinflußzone aufgrund
der hohen Leistungsdichte in der Schweißnaht produziert. Auch werden
bei der Laserverschweißung
in vorteilhafter Weise die Materialeigenschaften nur geringfügig verändert.
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Die
Bearbeitungsqualität
bei der Laserverschweißung
ist in hohem Maße
reproduzierbar, so dass auch hohe Qualitätsanforderungen erfüllt werden.
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Der
Nachbearbeitungsbedarf bei der Laserverschweißung ist vorteilhaft gering.
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Die
Verwendung von einem Einsatzstahl ermöglicht das Schmieden des Tellerrades
vor dem Fräsen/Schleifen
der Verzahnung. Durch das Schmieden wird der Fräs-/Schleifaufwand sehr gering
gehalten, was mit Kostenvorteilen einhergeht.
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Bei
einem Querdifferentialgehäuse
mit zwei Ausgleichsrädern
können
90° versetzt
zu einem Differentialbolzen, welcher an dessen beiden Enden die Ausgleichsräder trägt, zwei
diametral zueinander angeordnete Gehäuseöffnungen vorgesehen sein. In diese
Gehäuseöffnung können die
Ausgleichsräder bei
der Montage eingesetzt werden.
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Patentanspruch
5 zeigt eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Ausgestaltung
gemäß Patentanspruch
2. Vier Ausgleichsräder
haben gegenüber
zuvor genannten zwei Ausgleichs rädern
den Vorteil, dass höhere
Drehmomente übertragbar
sind, weshalb diese Ausgestaltung insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen
Anwendung finden kann. Jedoch ist bei vier Ausgleichsrädern in
einem vorteilhaft kleinen Querdifferentialgehäuse kein Platz für die im
letzten Absatz genannten Gehäuseöffnungen. Grund
hierfür
ist, dass sich die beiden zusätzlichen Ausgleichsräder über zwei
zusätzliche
kurze Differenttialbolzen dort am Differentialgehäuse abstützen, wo
bei Querdifferentialen mit nur zwei Ausgleichsrädern vorgenannte Gehäuseöffnungen
sind. Gemäß Patentanspruch
5 ist eine mittels eines Deckels verschlossene Öffnung vorgesehen, durch welche
die Innenteile des Querdifferentials größenmäßig eingesetzt werden können.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Unteransprüchen, weiteren
Merkmalen der Beschreibung und der Zeichnung hervor.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand von einer in der Zeichnung dargestellten
Ausgestaltungsformen näher
beschrieben.
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Dabei
zeigt die Zeichnung ausschnittsweise ein Hinterachsgetriebe 1 eines
Nutzfahrzeuges.
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Die
nachfolgenden Richtungsangaben vorne, hinten, links, rechts beziehen
sich auf die Fahrtrichtung.
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Das
Hinterachsgetriebe 1 umfasst ein Hinterachsgetriebegehäuse 3 innerhalb
dessen ein nicht näher
dargestelltes Antriebsritzel und ein Querdifferential 2 mit
zwei Radantriebshalbwellen 6a, 6b angeordnet sind.
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Das
Antriebsritzel ist vorne im Hinterachsgetriebegehäuse 3 drehbar
gelagert und senkrecht zu einer Rotationsachse 17 des Querdifferentials 2 angeordnet.
Dabei weist ein am gehäuseinnenseitigen – d.h. hinteren – Ende des
Antriebsritzels angeordnetes Kegelrad eine Verzahnung auf, die in
eine Hypoidver zahnung 13 eines Tellerradkranzes 14 aus
dem Chrom-Molybdän-Einsatzstahl 25 MoCr
4E eingreift. Dieser Tellerradkranz 14 ist auf dessen linker
Seite mittels einer Schweißnaht 15 mit
einem Graugussdifferentialkorb 16 des Querdifferentials 2 laserverschweißt. Der
Graugussdifferentialkorb 16 besteht dabei aus einem Gusseisen
mit Kugelgraphit.
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Zeitlich
vor der Laserverschweißung
ist die Grundform des Tellerradkranzes 14 geschmiedet und die
Hypoidverzahnung 13 gefräst und geschliffen. Der Tellerradkranz 14 weist
zwischen dessen zentrischer Bohrung und einer linken Stirnfläche eine
Fase 19 zum montagefreundliche Aufstecken des Zahnkranzes 14 auf
eine drehend bearbeitete Oberfläche des
Graugussdifferentialkorbes 16 auf. Nach dem Aufstecken
kommt der Tellerradkranz 14 mit dessen bearbeiteter Stirnfläche 20 zum
Anliegen an einen radial auskragenden Bund 21 des Graugussdifferentialkorbes 16.
Radial außen
an der Stoßfläche zwischen
der Stirnfläche 20 des
Tellerradkranzes 14 und dem Bund 21 ist die Schweißnaht 15 angeordnet. Diese
Schweißnaht 15 ist
durch den thermischen Einfluss eines von radial außen nach
dem Zusammensetzen von
- – dem Graugussdifferentialkorbes 16,
- – dem
Tellerradkranz 14,
- – einem
Graugussdeckel 22 und
- – weiter
unten erläuterten
Innenteilen
eingebrachten Laserstrahles hergestellt worden.
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In ähnlicher
Weise ist der Graugussdifferentialkorb 16 mit dem Graugussdeckel 22 des
Querdifferentials 2 laserverschweißt. Dazu weist der Graugussdifferentialkorb 16 zwischen
dessen zentrischer Bohrung 23 und einer linken Stirnfläche 24 eine
Fase 25 zum montagefreundliche Einstecken des Graugussdeckels 22 auf.
Die zur Bohrung 23 korrespondierende drehend bearbeitete
Mantelfläche 25 des Graugussdeckels 22 hat
eine Übergangspassung zum
Graugussdifferentialkorb 16. Nach dem Einstecken des Graugussdeckels 22 kommt
der Graugussdeckel 22 mit einem radial auskragenden Bund 26 zum
Anliegen an der Stirnfläche 27 des
Graugussdifferentialkorbes 16. Radial außen an der
Stoßfläche zwischen
dieser Stirnfläche 27 und
dem Bund 26 ist die Schweißnaht 28 angeordnet.
Diese Schweißnaht 28 ist
durch den thermischen Einfluss eines von radial außen nach
der Montage von
- – dem Graugussdifferentialkorbes 16,
- – dem
Tellerradkranz 14,
- – dem
Graugussdeckel 22 und
- – den
weiter unten erläuterten
Innenteilen
eingebrachten Laserstrahles hergestellt worden.
Somit sind die beiden Schweißnähte 15 und 28 konzentrisch
zueinander bzw. zur Rotationsachse 17 angeordnet.
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Das
Querdifferential 2 ist drehbar und axial unverschieblich
bezüglich
der Rotationsachse 17 im Hinterachsgetriebegehäuse 3 gelagert.
Dazu ist das Querdifferential 2 mit zwei Kegelrollenlagern 30a, 30b in
x-Anordnung im Hinterachsgetriebegehäuse 3 gelagert, wobei
dem Graugussdeckel 22 das linke Kegelrollenlager 30a zugeordnet
ist, wohingegen dem Graugussdifferentialkorb 16 das rechte
Kegelrollenlager 30b zugeordnet ist. Dabei stützen sich
die Lagerinnenringe der beiden Kegelrollenlager 30a und 30b mit
deren einander zugewandten Stirnflächen 31a und 31b an
Absätzen
des Graugussdeckels 22 und des Graugussdifferentialkorbes 16 ab, wobei
die notwendige Lageranstellung bzw. Vorspannung mittels Außengewinderingen 32a und 32b erzielt
wird, die gegen die voneinander abgewandten Stirnseiten 33a und 33b der
Lageraußenringe
der Kegelrollenlager 30a und 30b drücken. Zur
Einstellung Lageranstellung sind die koaxial zur Rotationsachse 17 ausgerichteten
Außengewinderinge 32a und 32b in
einem massiven Gussbereichen des Hinterachsgetriebegehäuses 3 verschraubt.
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Der
mit dem Graugussdifferentialkorb
16 laserverschweißte Graugussdeckel
22 weist
im Austrittsbereich der linken Radantriebshalbwelle
6a Kupplungsklauen
35 auf.
Diese Kupplungsklauen
35 bilden eine Kupplungshälfte einer
nicht näher
dargestellten formschlüssigen
Differentialsperre, wie diese in der
DE 199 50 171 A1 beschrieben ist. Die Kupplungsklauen
35 sind örtlich induktiv
randschichtgehärtet.
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Im
Differentialkorb 16 sind vier am Umfang jeweils 90° versetzt
zueinander angeordnete Bohrungen eingearbeitet, in welchen sich
ein Differentialkreuz in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse 17 abstützt. Dieses
Differentialkreuz umfasst einen mittig mit Einfräsungen versehenen langen Differentialbolzen 36,
in den zwei kurze Differentialbolzen 37a, 37b senkrecht
eingesetzt sind. Radial außerhalb
des Differentialkreuzes und parallel zur Rotationsachse 17 sind
Kerbstifte 38 in Bohrungen des Differentialkorbes 16 geschlagen.
Diese Kerbstifte 38 ragen über die Enden der kurzen Differentialbolzen 37a und 37b,
so dass letztere auch bei hohen Drehzahlen des Querdifferentials 2 sicher
radial nach außen
gegen die Kerbstifte 38 bzw. den Graugussdifferentialkorb 16 abgestützt sind.
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Koaxial
zu den drei Differentialbolzen 36, 37a und 37b sind
vier Ausgleichsräder 39a, 39b drehbar
bezüglich
diesen angeordnet, von denen in der Zeichnungsebene nur zwei ersichtlich
sind. Diese bezüglich
der Rotationsachse 17 radial nach außen abgestützten Ausgleichsräder 39a, 39b weisen
Verzahnungen auf, die in üblicher
Weise in Verzahnungen von zwei Antriebskegelrädern 40a, 40b eingreifen.
Diese Antriebskegelräder 40a, 40b sind
koaxial zur Rotationsachse 17 angeordnet und sind mittels Welle-Nabe-Verzahnungen 41a, 41b jeweils
mit einer der beiden Radantriebshalbwellen 6a bzw. 6b drehfest
verbunden. Die Antriebskegelräder 40a, 40b stützen sich
infolge der Kräfte
an den Kegelradverzahnungen mit hohen Axialkräften nach außen ab. Diese
Axialkräfte
werden rechtsseitig vom Graugussdifferentialkorb 16 und
linksseitig vom Graugussdeckel 22 aufgenommen, wobei zwischen
den voneinander abgewandten Anlageflächen der Antriebskegelräder 40a und 40b und
den Anlageflächen
des Graugussdifferentialkorbs 16/Graugussdeckels 22 Abstandsscheiben 42a und 42b eingesetzt
sind.
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Zum
Einbau der Innenteile des Querdifferentials, d.h.
- – der Abstandsscheiben 41a und 41b,
- – der
vier Ausgleichsräder 39a, 39b und
- – der
beiden Antriebskegelräder 40a, 40b
weist
die Bohrung 23 des Graugussdifferentialkorbs 16 einen
Durchmesser auf, der größer als
jeder Durchmesser der drei vorgenannten Innenteile ist.
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Demzufolge
können
die Innenteile problemlos durch die Bohrung 23 eingesetzt
werden, bevor anschließend
der Graugussdeckel eingepasst und die beiden Schweißnähte erstellt
werden.
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Die
konzentrische Anordnung der beiden Schweißnähte erlaubt eine Verschweißung der
drei Bauteile Tellerradkranz 14/Graugussdifferentialkorb 16/Graugussdeckel 22 in
einem Arbeitsgang. Dabei wird das mit allen Innenteilen montierte
Querdifferential 2 in eine Laserschweißmaschine eingespannt, in welcher
sich das Querdifferential 2 um die Rotationsachse 17 dreht.
Beim anschließenden
Laserstrahlschweißverfahren
wird ein Laserstrahl mittels
- – optischer
Linsen und/oder
- – Spiegeln
und/oder
- – Prismen
und/oder
- – Fenstern
und/oder
- – Teilern
auf
zwei Laserstrahlenkegel mit zwei Laserfoci aufgeteilt, wobei jeder
der beiden Laserfoci auf jeweils eine der beiden zu verschweißenden Stoßflächen gerichtet
ist. Somit können
in einem Arbeitsschritt bei umlaufendem Gehäuse/Tellerradkranz beide Schweißnähte produziert
werden.
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In
einer alternativen Anordnung zur Verschweißung der beiden Schweißnähte wird
das ebenfalls mit allen Innenteilen montierte Querdifferential in
eine Schweißmaschine
eingespannt, in welcher das Querdifferential um dessen Rotationsachse dreht.
Bei dieser Alternative werden jedoch zwei bereits in der Emittierung
getrennte Laserfoci auf das Querdifferential gerichtet, wobei jeder
Stoßfläche ein Laserfocus
zugeordnet ist.
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Ebenso
können
die beiden Schweißverbindungen
zeitlich aufeinander folgend hergestellt werden. Dadurch kann der
Wärmeeintrag über einen
definierten Zeitraum gesehen verringert werden.
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Einer
oder beide Laserfoci können
zur Herstellung der Verschweißung
auch um das Querdifferential umlaufenden. Dabei ist es möglich, die
Laserfoci mittels transmittierender oder reflektierender Optiken
zu führen.
Ebenso kann der Laseremittend auf einem konzentrisch zum Querdifferential
angeordneten Ring befestigt sein.
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Die
Laserverschweißung
kann zur Verringerung des Wärmeeintrages
bzw. zur Verringerung des Verzuges oder zur Beschleunigung des Arbeitsganges
auch eine unterbrochen Naht sein.
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Die
Bereiche, in denen die Schweißnaht
erstellt wird, müssen
je nach Schweißverfahren
keine Stoßflächen sein.
So können
auch Profile vorgesehen sein, mittels derer ein Formschluss hergestellt wird.
Auch können
mehrere Absätze
vorgesehen sein.
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Die
Laserstrahlen werden von einem Emittenden erzeugt, welcher beispielsweise
ein Gaslaser, wie beispielsweise ein Kohlendioxid-Laser oder ein Excimer-Laser
sein. Ferner kann der Emittend ein Festkörperlaser wie beispielsweise
ein Noedym-Ytrium-Aluminium-Granat-Laser
sein.
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Das
im Ausführungsbeispiel
gezeigte Querdifferential ist mit Ausnahme des Telleradkranzes und der
Differentialsperre im Wesentlichen symmetrisch zu einer Mittenebene,
in welcher das Differentialkreuz liegt. Daher ist es auch möglich, den
De ckel des Querdifferentials auf der rechten Seite und den Differentialkorb
auf der linken Seite anzuordnen.
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Als
Material für
den Graugussdifferentialkorb können
auch andere schweißbare
Gusseisenmetalle – wie
beispielsweise Gusseisen mit Lamellengraphit – Anwendung finden, ohne dass
auf den Kostenvorteil verzichtet wird.
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Neben
dem im Ausführungsbeispiel
gezeigten Chrom-Molybdän-Einsatzstahl können auch
andere schweißbare
Einsatzstähle
Anwendung finden. Insbesondere die laserschweißbaren Einsatzstähle 20 MnCr
5E, 20 NiMo Cr 6 E, 18 CrNi 8, 18 NiCr 5 haben sich als vorteilhaft
erwiesen.
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Neben
der im Ausführungsbeispiel
gezeigten Induktivhärtung
der Kupplungsklauen aus einem Gusseisen mit Kugelgraphit kann auch
ein Gusseisen mit Lamellengraphit mit induktiv gehärteten Kupplungsklauen
versehen sein.
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Der
Deckel des Differentialgehäuses,
welcher induktiv randschichtgehärtete
Kupplungsklauen trägt,
kann anstelle aus Gusseisen auch aus niedrig legiertem Schmiedestahl
bestehen. Dieser Schmiedestahl bietet sich für die induktive Randschichthärtung ebenfalls
an. Ein solcher niedrig legierter Schmiedestahl ist beispielsweise
C15 oder C45. Je nach Materialwahl, Größe des Deckels und der Größe des zu
härtenden
Bereiches kann in einem Fall die induktive Randschichthärtung das
vorteilhaftere Verfahren sein und in einem anderen Fall die Einsatzhärtung.
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Neben
einer Hypoidverzahnung an der Paarung Tellerrad-Ritzel ist insbesondere
bei geländegängigen Nutzfahrzeugen
die Verwendung einer lauten, jedoch vom Wirkungsgrad günstigen,
einfachen Kegelverzahnung möglich.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen handelt
es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der
be schriebenen Merkmale für
unterschiedliche Ausführungsformen
ist ebenfalls möglich.
Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung
gehörenden
Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien
der Vorrichtungsteile zu entnehmen.