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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kugelverschiebegelenk umfassend eine
Gelenkbuchse mit an ihrer Innenwand ausgebildeten Kugellaufbahnen
und eine Gelenknabe mit an ihrer Außenwand ausgebildeten Kugellaufbahnen,
wobei die Kugellaufbahnen der Gelenkbuchse und der Gelenknabe einander paarweise
gegenüberliegen,
sowie Kugeln, die in den Kugellaufbahnen aufgenommen sind, und einen Käfig, der
zwischen der Gelenkbuchse und der Gelenknabe angeordnet und mit
Fenstern für
die Kugeln versehen ist.
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Derartige
Verschiebegelenke können
als aus dem Stand der Technik allgemein bekannt vorausgesetzt werden.
Sie dienen dazu, zueinander angewinkelte Komponenten zum Zweck der Übertragung
einer Antriebsleistung miteinander zu koppeln. Aufgrund ihrer Winkelbeweglichkeit
ermöglichen
diese Gelenke einen Ausgleich von im Betrieb auftretenden Winkelveränderungen
zwischen den miteinander gekoppelten Komponenten. Im Unterschied
zu Gleichlauffestgelenken, die bisweilen auch als Rzeppa-Gelenke
bezeichnet werden, ist bei Verschiebegelenken in einem begrenzten
Ausmaß auch
ein Ausgleich von Axialverschiebungen zwischen den Komponenten möglich.
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Bei
Kugelverschiebegelenken der eingangs genannten Art ist der an den
Kugellaufbahnen realisierbare Schrägungswinkel α der Mittelachsen,
die durch die Aufenthaltsorte der Kugelmittelpunkte definiert werden,
auf Winkel von maximal etwa 14 bis 16° beschränkt. Bei größeren Schrägungswinkeln leiden die akustische
Qualität
und der Wirkungsgrad. Zudem nehmen die Kräfte an den Kugeln und Laufbahnen
zu.
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Unter
dem Schrägungswinkel α wird der Winkel
zwischen der Bauteilmittelachse der Gelenkbuchse bzw. der Gelenknabe
und der Mittelachse verstanden. Bei einer spiralförmigen Nut
ergeben sich bei einer Abwicklung der Kugellaufbahnen in Umfangsrichtung
der Gelenkbuchse bzw. der Gelenknabe jeweils konstante Schrägungswinkel α. Bei Betrachtung
in der Seitenansicht zeigt sich hingegen ein schraubenförmiges Bild;
lediglich in Blickrichtung senkrecht auf die Gelenkbuchse bzw. auf
die Gelenknabe stimmt der wahrgenommene Schrägungswinkel α mit dem
Schrägungswinkel α in der Abwicklung überein.
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Beispiele
für derartige
Kugellaufbahnen sind unter anderem in der
DE 199 58 147 A1 , der
DE 101 02 550 A1 und
der
US 3,133,431 dargestellt.
In sämtlichen
Fällen
ergeben sich damit in der Abwicklung der Kugellaufbahnen konstante
Schrägungswinkel α. Zudem fehlt
bei diesen bekannten Kugelverschiebegelenken jeweils der Käfig zwischen
der Gelenkbuchse und der Gelenknabe.
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Ein
Gelenk eines gattungsfremden Typs, nämlich ein Gleichlauffestgelenk
ist aus der
DE 199 07
153 A1 bekannt. Bei diesem weisen die jeweils durch die
Aufenthaltsorte der Kugelmittelpunkte gebildeten Mittelachsen der
Kugellaufbahnen sowohl bei Betrachtung in einer Seitenansicht als
auch in einer Abwicklung mit der jeweiligen Bauteilmittelachse entlang
derselben einen variablen Schrägungswinkel α auf. Der
Verlauf des Schrägungswinkels α ist dabei so
gewählt,
das dieser zur Bauteilmitte hin zunimmt. Dadurch sollen die auf
den Käfig
einwirkende Kräfte senkrecht
zur Halbwinkelebene des Gleichlauffestgelenks verringert werden,
welche durch den bei Rzeppa-Gelenken typischen axialen Offset der Krümmungsmittelpunkte
der Außen-Kugellaufbahnen
und Innen-Kugellaufbahnen entstehen. Derartige geometrische Gegebenheiten
sind jedoch bei Kugelverschiebegelenken im Regelfall nicht vorhanden.
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Zielsetzung
der vorliegenden Erfindung ist die Optimierung von Kugelverschiebegelenken
der eingangs genannten Art im Hinblick auf den Wirkungsgrad, das
akustische Verhalten, die Lebensdauer und die Bruchlast.
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Zu
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Kugelverschiebegelenk mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich insbesondere
dadurch aus, dass die jeweils durch die Aufenthaltsorte der Kugelmittelpunkte
gebildeten Mittelachsen der Kugellaufbahnen sowohl bei Betrachtung in
einer Seitenansicht als auch in einer Abwicklung mit der jeweiligen
Bauteilmittelachse entlang derselben einen variablen Schrägungswinkel α aufweisen, und
dass in der Abwicklung und/oder der Seitenansicht der Schrägungswinkel α jeweils
zur Bauteilmitte hin abnimmt.
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Hierdurch
stehen im Mittelbereich der Gelenkbuchse bzw. der Gelenknabe die
Kraftvektoren der Kugelnormalkräfte
bedingt durch den kleineren Schrägungswinkel α der Kugellaufbahnen
in einem für
die Drehmomentübertragung
günstigeren
Winkel. Es ergeben sich folglich geringere Störkräfte in Axialrichtung. Dementsprechend
bleiben auch die Kräfte, welche
die Kugeln jeweils auf einen Steg des Käfigs ausüben, kleiner als bei konventionellen
VL-Gelenken.
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Hieraus
resultiert ein verbesserter Wirkungsgrad des Gelenks verbunden mit
einer geringeren Erwärmung.
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Im
Vergleich zu konventionellen VL-Gelenken bleibt bei konstantem zu übertragenden
Moment die Verschiebekraft geringer. Zudem ergibt sich eine Verbesserung
der Akustik durch das bessere Standabkopplungsverhalten im Fahrzeug.
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Weitere
Vorteile liegen in einer Steigerung der Lebensdauer durch die Verringerung
der Kugelnormalkräfte
sowie in einer Steigerung der Bruchlast infolge reduzierter Käfigstegbelastungen.
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Bei
Einhaltung der bisher gebräuchlichen Maximalgrenzen
für den
Schrägungswinkel α sind außerdem größere radiale
Abstände
zwischen den Laufbahnen möglich.
Dies erlaubt den Einsatz größerer Kugeln
und damit eine weitere Steigerung der Lebensdauer. Zudem können die
Stege zwischen den Käfigfenstern
verstärkt
und damit die Käfigbruchlast erhöht werden.
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Weitere,
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einer
ersten, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die
Mittelachsen der Kugellaufbahnen spiralförmig, wobei die Steigung der jeweiligen
Spirale zur Bauteilmitte hinzunimmt, so dass sich dort kleine Schrägungswinkel α ergeben.
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Dabei
kann die Steigung der Spirale an axialen Randabschnitten der Kugellaufbahnen
anfangs konstant sein, so dass sich in der Abwicklung entsprechend
ein konstanter Anfangsschrägungswinkel α ergibt.
Vorzugsweise ist für
einen weichen Übergang
zum Bereich mit variabler Steigung gesorgt. Auch die Veränderung
der Steigung über
die Axiallänge
erfolgt kontinuierlich.
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Das
Steigungsmaximum der Spirale liegt bevorzugt in einem Mittelabschnitt
der jeweiligen Kugellaufbahn. Jedoch kann unabhängig davon, ob für die Kugellaufbahnen eine
Spiralform gewählt
wird, vorgesehen sein, dass das Minimum des Schrägungswinkels α in einem
Mittelabschnitt der jeweiligen Kugellaufbahn liegt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung liegt der Schrägungswinkel α an axialen
Randabschnitten der Kugellaufbahnen im Bereich von 12 bis 18 Grad.
Bevorzugt beträgt
der Schrägungswinkel α an den axialen
Randabschnitten der Kugellaufbahnen maximal etwa 14 bis 16 Grad.
Dies gewährleistet
die Aufrechterhaltung guter akustischer Eigenschaften sowie eines
guten Wirkungsgrads.
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Der
minimale Schrägungswinkel α liegt hingegen
im Bereich von 6 bis 10 Grad. Vorzugsweise beträgt dieser 8 Grad +/–0,5 Grad.
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Gemäß einer
weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schrägungswinkelverlauf
eine zwischen den Enden der Kugellaufbahnen stetige, differenzierbare
mathematische Funktion. Dadurch wird ein gutes Beugeverhalten des
Gelenks unter Last sichergestellt.
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Die
vorliegende Erfindung ist prinzipiell unabhängig von der Anzahl der verwendeten
Kugeln bzw. Kugellaufbahnpaare. So können am Umfang der Gelenkbuchse
und der Gelenknabe jeweils sechs, sieben oder acht Kugellaufbahnen
vorgesehen sein. Jedoch sind auch kleinere oder größeren Anzahlen
von Kugeln bzw. Kugellaufbahnpaaren realisierbar.
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Zudem
ist es möglich,
dass benachbarte Kugellaufbahnen in Axialrichtung betragsgleiche,
jedoch vorzeichenverschiedene Schrägungswinkelverläufe aufweisen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in:
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1 eine
räumliche
Ansicht eines Ausführungsbeispiels
für ein
Kugelverschiebegelenk nach der Erfindung,
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2 eine
räumliche
Ansicht der Gelenkbuchse des in 1 dargestellten
Kugelverschiebegelenks,
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3 eine
räumliche
Ansicht der Gelenknabe des in 1 dargestellten
Kugelverschiebegelenks,
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4 eine
Abwicklung eines Innenumfangsabschnitts der Gelenkbuchse,
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5 eine
Abwicklung des korrespondierenden Außenumfangsabschnitts der Gelenknabe,
und in
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6 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des Schrägungswinkelverlaufs in Axialrichtung.
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Das
Ausführungsbeispiel
zeigt in 1 ein Kugelverschiebegelenk 1,
das beispielsweise in eine Gelenkwelle eines Kraftfahrzeugs eingebaut
werden kann. Das Kugelverschiebegelenk 1 weist eine ringförmige Gelenkbuchse 2 auf,
in der eine Gelenknabe 3 winkelbeweglich und axial verschiebbar
angeordnet ist. 1 zeigt das Kugelverschiebegelenk 1 in seiner
neutralen Stellung, bei der die Bauteilachsen A und B der Gelenkbuchse 2 und
der Gelenknabe 3 koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Im Betrieb des Kugelverschiebegelenks 1 können diese
jedoch Winkel bis zu maximal 20 Grad miteinander einschließen.
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Sowohl
die Gelenkbuchse 2 als auch die Gelenknabe 3 können mit
einer Welle verbunden werden und weisen hierzu geeignete Anschlusseinrichtungen
auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
lässt sich
die Gelenkbuchse 2 über
Längsöffnungen 4 an
ein weiteres Bauteil anschließen,
beispielsweise anschrauben. Die Gelenknabe 3 ist hingegen
mit einer zentralen Öffnung 5 versehen, über welche
diese auf einen Wellenzapfen aufgeschoben werden kann. Die Drehmomentübertragung
erfolgt hier über
eine Kerbverzahnung. Es sind jedoch auch andere, drehmomentübertragende
Verbindungen einsetzbar. Darüber
hinaus ist es möglich,
die Gelenknabe 3 integral mit einer Welle auszubilden.
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Die
Gelenkbuchse 2 weist an ihrer zu der Gelenknabe 3 weisenden
Innenwand eine Vielzahl von rillenartigen Kugellaufbahnen 6 auf.
Ebenso ist die Gelenknabe 3 an ihrer zu der Gelenkbuchse 2 weisenden
Außenwand
mit einer Vielzahl von Kugellaufbahnen 7 versehen. Dabei
liegen die Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 der Gelenkbuchse 2 und
der Gelenknabe 3 einander paarweise gegenüber.
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Die
so gebildeten Kugellaufbahnenpaare nehmen zum Zweck der Drehmomentübertragung
jeweils eine Kugel 8 auf, so dass sich die Gelenknabe 3 in
der Gelenkbuchse 2 radial abstützt. Zwischen der Gelenkbuchse 2 und
der Gelenknabe 3 ist ein Käfig 9 angeordnet.
Dieser besitzt eine Vielzahl von Fenstern 10 zur Aufnahme
der Kugeln 8. Über
diese Fenster 10 werden die Kugeln 8 im wesentlichen
in einer gemeinsamen Ebene gehalten, die unter Beugung des Gelenks 1 der
Halbwinkelebene zwischen den Bauteilachsen A und B entspricht. Der
Käfig 9 ist an
seinem Außenumfang
ballig oder sphärisch
ausgebildet und gleitet mit diesem an den zylindrischen Innenwandabschnitten 11 zwischen
den Kugellaufbahnen 6 der Gelenkbuchse 2. Dadurch
kann der Käfig 9 gegenüber der
Gelenkbuchse 2 sowohl verschwenkt als auch axial verschoben
werden. Zu der Gelenknabe 3 besteht hingegen ausreichend
Freiraum.
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Eine
Besonderheit des erfindungsgemäßen Kugelgleichlaufgelenks 1 besteht
in der besonderen Ausgestaltung der Kugellaufbahnen 6 und 7,
die im folgenden anhand der 4 bis 6 erläutert werden
soll. Die 4 und 5 zeigen
dabei abschnittsweise die Abwicklung der radialen Innenwand der
Gelenkbuchse 2 (vgl. 4) und der
radialen Außenwand
der Gelenknabe 3 (vgl. 5), wobei jeweils
eine Kugellaufbahn 6 bzw. 7 mit dargestellt ist. 4 zeigt
eine Ansicht der Gelenkbuchse 2 in Blickrichtung von innen
nach außen,
wohingegen in 5 für die Gelenknabe 3 die
Blickrichtung umgekehrt ist. Die Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 sind
zu der jeweiligen Bauteilachse A bzw. B angewinkelt, so dass sich
die Kugellaufbahnen 6 und 7 eines Kugellaufbahnenpaares
in dem in 1 dargestellten Zusammenbauzustand
kreuzen. Außerdem
weisen in Umfangsrichtung benachbarte Kugellaufbahnen 6 oder 7 in
Axialrichtung betragsgleiche, jedoch vorzeichenverschiedene Schrägungswinkelverläufe auf.
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Werden
die Kugellaufbahnen in herkömmlicher
Weise spiralförmig
ausgebildet, so ergeben sich in der Darstellung der Abwicklung für die Mittelachsen
der Kugellaufbahnen Geraden mit einem konstanten Schrägungswinkel α.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel variiert
jedoch der Schrägungswinkel α entlang
der jeweiligen Bauteilachse A bzw. B, wie dies in 6 gezeigt
ist. Die entsprechenden Mittelachsen, welche jeweils durch die Aufenthaltsorte
der Kugelmittelpunkte entlang der jeweiligen Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 definiert
sind, sind in 4 für die Gelenkbuchse 2 mit
dem Bezugszeichen 12 und in 5 für die Gelenknabe 3 mit
dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet.
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Der
Schrägungswinkel α variiert
nicht nur bei Betrachtung in der Ebene der Abwicklung, sondern zusätzlich auch
in einer Seitenansicht des jeweiligen Bauteils.
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Im
Hinblick auf die Verbesserung des Wirkungsgrads des Gelenks 1 ist
der Schrägungswinkelverlauf
so gewählt,
dass der Schrägungswinkel α in der Seitenansicht
und/oder der Abwicklung zur Bauteilmitte hin abnimmt. Wie insbesondere
die 1 bis 3 zeigen, unterscheiden sich
die Kugellaufbahnen 6 und 7 deutlich von einer
geraden Nut oder Rille.
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Durch
diese Maßnahme
werden die Kräfte, welche
die Kugeln 8 auf die Stege des Käfigs 9 ausüben, kleiner
als bei herkömmlichen
VL-Gelenken. Dadurch wird die Reibung im Gelenk 1 reduziert,
so dass sich dieses weniger stark erwärmt. Zudem ergeben sich aufgrund
der geringeren Reibung unter Last geringere Verschiebekräfte aus
der Mittelposition.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen
die Mittelachsen 12 bzw. 13 der Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 spiralförmig bzw.
schraubenförmig in
bezug auf die jeweilige Bauteilachse A bzw. B. Die Steigung der
jeweiligen Spirale nimmt dabei zur Bauteilmitte hin zu. In 6 drückt sich
dies durch eine Abnahme des Schrägungswinkels α Alpha aus.
Dieser ist. in Randbereichen, d. h. an axialen Randabschnitten 14 bzw. 15 und 16 bzw. 17 der
Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 größer, als am jeweiligen Mittelabschnitt 18 bzw. 19.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Steigung der Spirale an den axialen
Randabschnitten der Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 zunächst konstant
ist und dann gegen den Mittelabschnitt zunimmt, in dem das Steigungsmaximum
der Spirale liegt. In der nicht-gebeugten Stellung des Gelenks 1 bleiben
so die Störkräfte gering.
Vorzugsweise ist der Schrägungswinkelverlauf
zwischen den Enden der Kugellaufbahnen eine stetige, differenzierbare
mathematische Funktion.
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Für ein Kugelverschiebegelenk 1 mit
Käfig 9 liegt
der Schrägungswinkel α an den axialen Randabschnitten 14 bzw. 15 und 16 bzw. 17 der
Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 im Bereich von maximal
12 bis 18 Grad, vorzugsweise im Bereich von 14 bis 16 Grad.
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Der
minimale Schrägungswinkel α im Mittelabschnitt 18 bzw. 19.
liegt im Bereich von 6 bis 10 Grad, vorzugsweise bei 8 Grad +/–0,5 Grad.
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In
Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann
die vorstehend erläuterte
Geometrie der Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 mit variablem
Schrägungswinkel auch
bei käfigfreien
Kugelverschiebegelenken eingesetzt werden, wobei die angegebenen
Winkelbereiche von den vorstehend genannten Bereichen abweichen
können.
Jedoch unterscheidet sich der erfindungsgemäße Schrägungswinkelverlauf sowohl von einer
reinen Spirale mit konstanter Steigung um die Bauteilmittelachse
als auch von einer geradlinig in den Außen- bzw. Innenumfang eingebrachten
Nut. Das Minimum des Steigungswinkels befindet sich vorzugsweise
im Kugelanlagebereich in der Gelenkneutralstellung, d.h. einer Gelenkstellung
mit koaxialer Ausrichtung der Bauteilmittelachsen A und B.
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Auch
ist die erläuterte
Geometrie der Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 nicht auf
das Vorhandensein von sechs Kugellaufbahnen 6 bzw. 7 an
der Gelenkbuchse 2 oder der Gelenknabe 3 beschränkt. Vielmehr sind
auch mehr oder weniger Kugellaufbahnen, beispielsweise vier oder
acht Kugellaufbahnen je Bauteil 2 oder 3 möglich.
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Die
Erfindung ist folglich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern umfasst vielmehr alle durch die Patentansprüche definierten
Ausgestaltungsformen.
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- 1
- Kugelverschiebegelenk
- 2
- Gelenkbuchse
- 3
- Gelenknabe
- 4
- Längsöffnung
- 5
- zentrale Öffnung
- 6
- Kugellaufbahn
an der Gelenkbuchse 2
- 7
- Kugellaufbahn
an der Gelenknabe 3
- 8
- Kugel
- 9
- Käfig
- 10
- Fenster
- 11
- zylindrischer
Innenwandabschnitt
- 12
- Mittelachse
der Kugellaufbahn 6
- 13
- Mittelachse
der Kugellaufbahn 7
- 14
- Randabschnitt
der Kugellaufbahn 6
- 15
- Randabschnitt
der Kugellaufbahn 6
- 16
- Randabschnitt
der Kugellaufbahn 7
- 17
- Randabschnitt
der Kugellaufbahn 7
- 18
- Mittelabschnitt
der Kugellaufbahn 6
- 19
- Mittelabschnitt
der Kugellaufbahn 7
- A
- Bauteilachse
der Gelenkbuchse 2
- B
- Bauteilachse
der Gelenknabe 3
- α
- Schrägungswinkel