DE3446495A1 - Kreuzgelenk fuer eine gelenkwelle - Google Patents

Kreuzgelenk fuer eine gelenkwelle

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DE3446495A1 DE19843446495 DE3446495A DE3446495A1 DE 3446495 A1 DE3446495 A1 DE 3446495A1 DE 19843446495 DE19843446495 DE 19843446495 DE 3446495 A DE3446495 A DE 3446495A DE 3446495 A1 DE3446495 A1 DE 3446495A1
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Description

G 4157 J.M. Voith GmbH
Kennwort: "Lagerkombination11 Heidenheim
Kreuzgelenk fur eine Gelenkwelle
Die Erfindung betrifft ein Kreuzgelenk mit einem Zapfenkreuz, das über eine Wälzlagerung die Gabelarme zweier Gelenkgabeln verbindet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein Kreuzgelenk dieser Gattung ist bekannt aus der DE-AS 26 07 515. Beim Einsatz im Schwermaschinenbau, z.B. in Walzwerken, unterliegen Gelenkwellen zwar nicht extrem hohen Drehzahlen, sondern besonders hohen Drehmomenten und Drehmomentschwankungen, vor allem auch stoßartigen Beanspruchungen und Querbeschleunigungen bei großen und sich rasch verändernden Beugewinkeln. Es kommt unter Last zu elastischen Verformungen der Gelenkgabel sowohl im Bereich der Flansche als auch innerhalb des Gabelauges, welche die als Wälzlager ausgebildete Lagerung aufnimmt. Die Bohrung weitet sich und nimmt dabei unrunde Form an. Diese Verformungen übertragen sich sinngemäß auf die beteiligten Lager. Die Folge kann sein, daß dadurch der Lagerdeckel zerstört wird und die Wälzkörper des Radial- oder Axiallagers aus dem Gelenk herausgeschleudert werden. Es hat sich gezeigt, daß die Wälzlager nicht allein durch zu geringe Tragzahl ausfallen, sondern infolge ungleichmäßiger Lastver-
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teilung auf die Rollen beziehungsweise zu hoher Traganteile in bestimmten Zonen des Lagers. Insbesondere dann, wenn ein Axiallager an der Zapfenwurzel des Zapfenkreuzes, also radial innerhalb des Radiallagers angeordnet ist und direkt auf einer entsprechenden Fläche am Zapfengrund aufliegt, ergeben sich infolge Verbiegung des Zapfens unter Last Fluchtungsfehler zwischen Radial- und Axiallager mit entsprechenden Kantenpressungen und örtlichem Abheben der Rollen im Axiallager. Dabei nehmen die Axiallagerringe an der Zapfenverformung nicht teil und können sich nicht in die Lage oewegen, die eine günstige Lastverteilung auf die Rollen gewährleistet. Die Folge ist ein Ausfall des Lagers lange vor der rechnerisch ermittelten Lebensdauer.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lagerung in einem Kreuzgelenk so auszubilden, daß auch bei höchster Beanspruchung und trotz der auftretenden Verformungen am Zapfenkreuz und an der Gelenkgabel die Wälzlager, vor allem aber das Axiallager, die theoretischen Werte fur Tragzahl und Lebensdauer erreichen bei gleichzeitig optimaler Gestaltung des Zapfenkreuzes, einfacher Montage und Wartungsfreundlichkeit.
Diese Aufgabe wird durch Anwendung der kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist dazu der Innenring des Radial-Wälzlagers so ausgebildet, daß er bis zu einem als Bund ausgebildeten Anschlag auf den Zapfen des Zapfenkreuzes aufgesetzt wird. Im radial inneren Bereich ist der Innenring mit einem weiteren Bund versehen, der als Laufbahn für die Rollen des Axiallagers ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Das Zapfenkreuz ist nicht mehr der unmittelbare Träger für einen der beiden Ringe des Axiallagers. Die an der Zapfenwurzel, also dem Ubergangsbereich zwischen zwei Zapfen, auftretende maximale Verformung ist nicht mit einer unmittelbaren Verlagerung beziehungsweise Kippung des Axiallager-Ringes verbunden. Vielmehr wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Innenring des Radiallagers und ein Axiallagerring zu einem Bauteil vereinigt. Eine so gebildete aus Radiallager-Innenring und Axiallagerring bestehende Lagerhülse wird über den Zapfen-
durchmesser zentriert und über die Zapfenstirnseite axial fixiert. Bei Belastung bildet die Achse dieser Lagerhülse eine Tangente an die Biegelinie des Zapfens·an der Zapfenstirnseite oder im Bereich der Radiallagerung. Bei einer Verformung nimmt der Innenring mit dem Axiallagerring stets die Lage des Zapfenendes an, weil die Lagerhülse beziehungsweise der mit der Lagerhülse integrierte Axiallagerring keinen unmittelbaren Sitz auf dem Grund des Zapfenkreuzes hat. Dadurch wird gewährleistet, daß die Ebenen der beiden Axiallagerringe stets parallel bleiben, weil auch die beiden Ringe des Radiallagers ihre feste Zuordnung behalten. Ein einseitiges Tragen des Axiallagers mit den sich daraus ergebenden Folgen wird somit vermieden.
Die Lagerhülse als Träger des Axiallagerringes bietet den weiteren Vorteil, daß auch bei Verformungen der Gabeln mit einer eventuellen Schrä'gstellung der Bohrungsachsen unter der Wirkung von Umfangskraft oder Querkraft die Rollen des Axiallagers nicht einseitig be- und entlastet weraen. Erreicht wird dies dadurch, daß die Lagerhülse selbst elastisch nachgiebig ausgebildet ist, vor allem im zylindrischen Teil und im Übergangsbereich zu dem Bund, der den Axiallagerring bildet.
Dadurch, daß der Axiallagerring nicht direkt auf der Zapfenwurzel gelagert ist, kann am Zapfenkreuz der gefährdete Übergangsbereich zwischen zwei Zapfen noch besser den Belastungserfordernissen gemäß gestaltet und für höchste dynamische und statische Beanspruchung ausgelegt werden. Durch den Wegfall der Auflagefläche für einen Axiallagerring können große Übergangsradien vorgesehen werden. Mit der verbesserten Axiallagerung ist somit auch eine Erhöhung der Festigkeit des Zapfenkreuzes verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Kombination des Radiallagers mit dem Axiallager zu einer Einheit ergeben sich auch für die Montage vorteilhafte Vereinfachungen. Die Lagerhülse kann als ganzes Bauteil und als Ersatzteil vormontiert werden. Auch das Einfä-
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dein des Zapfenkreuzes in die Gelenkgabeln ist durch den Wegfall des behindernden Axiallagersitzes auch bei Gelenkgabeln mit ungeteiltem Lagerauge problemlos. Die komplette Lagerung kann samt Dichtungssatz gemäß Anspruch 2 in die Bohrung der Gelenkgabel von auSen her eingesetzt und gemäß den Ansprüchen bis 5 gesichert werden. Die Einstellung des Axiallagerspieles kann gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12 erfolgen. Die Führung des Axiallagerkäfigs kann gemäß Anspruch 13 vorteilhaft an dessen Außendurchmesser über die Innenseite der Hülse für die Dichtungsanordnung nach Anspruch 2 erfolgen. Des weiteren ist gemäß Anspruch 14 eine Dichtung zwischen der Zapfenwurzel und der Lagerhulse im Bereich des als Axiallä'gerring ausgebildeten Bundes vorgesehen. Da sich unter der Wirkung des Drehmomentes bzw. der Umfangskraft eine Relativbewegung zwischen der Lagerhülse und der Zapfenwurzel einstellt, besteht die Gefahr der Verschmutzung und Entstehung von Passungsrost vor allem bei gleichzeitiger Einwirkung aggressiver und abrasiver Medien.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
eine Zapfenkreuzlagerung gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung eine Zapfenkreuzlagerung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung
die erfindungsgemäße Lagerung im Längsschnitt einen Längsschnitt durch die Lagerung mit weiteren konstruktiven Ausgestaltungen
Fig. 5 bis 7 weitere konstruktive Ausgestaltungen der Axialspiel-Einstellung.
In allen Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Die Figur 1 zeigt eine bekannte Zapfenkreuzlagerung unter Last mit einem Zapfenkreuz, dessen Zapfen 1 mit dem Gelenkgabelauge 2 über eine Wälzlageranordnung verbunden ist. Diese besteht aus
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einem Radiallager mit einem Außenring 3, den Wälzkörpern, meist Zylinderrollen 4, einem Innenring 5 und einem Axiallager mit einem Lagerring 8, einem Rollenkäfig 6 und einer an der Stirnseite des Radiallager-Außenringes 3 befindlichen Laufbahn 7. Der Axiallagerring 8 ist auf einer entsprechenden Zentrierung an der Wurzel 23 des Zapfens 1 aufgesetzt. Es wurde erkannt, daß bei Belastung durch ein in Pfeilrichtung wirkendes Drehmoment die Radiallagerung, die fest vom Gelenkgabelauge 2 umfaßt ist, keine Durchbiegung im Bereich der Wälzkörper 4 erfährt. Dies bedeutet, daß die Verformung sich vor allem an der Zapfenwurzel 23 einstellt, also im Übergangsbereich vom zylindrischen Teil zum massiven Teil des Zapfenkreuzes.' Dort hat die Biegelinie ihre stärkste Krümmung. Es entsteht somit ein klaffender Spalt innerhalb der Axiallagerung, beziehungsweise eine Unparallelität zwischen den Ebenen der beiden Laufflächen 7 und 8 mit nachteiligen Folgen durch ungleiche Lastverteilung. Darüberhinaus mindern die Kerben im Bereich der Zapfenwurzel an der Zentrierung des Innenringes 5 und des Axiallagerringes 8 die Festigkeit des Zapfenkreuzes.
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Zapfenkreuzlagerung unter Last schematisch dargestellt. Eine aus Außenring 3, Wälzkörpern 4 und Innenring 5 bestehende Lagerung verbindet den Zapfen 1 mit dem Gelenkgabelauge 2. Eine Axiallagerung ist so gestaltet, daß der Außenring 3 wie bekannt eine Laufbahn 7 für die Axiallagerrollen 6 aufweist. Die radial innere Laufbahn des Axiallagers jedoch ist als Bund 11 ausgebildet, der Bestandteil des Radiallager-Innenringes 5 ist. Der Innenring 5 weist außerdem einen radial außenliegenden und zur Zapfenachse weisenden Bund 10 auf, der bei Montage als Anschlag auf der Zapfenstirnseite dient und außerdem eine vom Zapfenkreuz ausgehende Axialkraft durch den Schaft des Innenringes 5 und den Bund 11 überträgt, die von den Rollen 6 auf den Außenring 3 und der Sicherung 9 auf die Gelenkgabel weitergeleitet wird. Der Bund 11 hat mit der Zapfenwurzel keine Berührung, dadurch ruft die an der Zapfenwurzel auftretende Verformung keine Lageveränderung des
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Axiallagers relativ zum Radiallager hervor. Der Übergang von einem Zapfen zum anderen bleibt frei von Kerben und kann dadurch optimal mit großen Ausrundungsradien gestaltet werden.
In Fig. 3 ist eine konstruktive Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zapfenkreuzlagerung dargestellt. Zwischen dem Zapfen und dem Gabelauge 2 befindet sich ein Radiallager, bestehend aus dem Außenring 3, den Walzkörpern 4 und dem Innenring 5. Dieser Innenring weist zwei Bunde auf, nämlich (bezogen auf das Zentrum des Zapfenkreuzes) am radial äußeren Ende einen ersten Bund 10, der zur Zapfenachse hin gerichtet ist. Ein zweiter Bund 11 befindet sich am radial inneren EHde des Innenringes 5, erstreckt sich von der Zapfenachse weg und weist eine Radialfläche 12 auf, die die innere Laufbahn fur die Axiallagerrollen 6 darstellt. Die Rollen 6 stutzen sich radial außen an einer Lauffläche 7 am stirnseitigen Ende des Außenringes 3 ab. Der Bund 10 des Innenringes dient nicht nur als Anschlag bei der Montage des Innenringes, sondern hat auch während des Betriebes die auftretenden Axialkräfte von der Zapfenstirnseite aufzunehmen und an den Schaft des Innenringes zu leiten. Von dort aus erfolgt der Kraftfluß zum Bund 11, den Rollen 6, dem Außenring
3 zu einer Axialsicherung 9. Diese Sicherung kann gemäß dem Beispiel ein federnder Sprengring sein. Zur Führung der Rollen
4 des Radiallagers dienen zwei Radialflächen, von denen die eine als Bord 17 am Außenring 3, die andere als Fläche 18 an einem Lagerdeckel 19 ausgebildet sein kann. Der Lagerdeckel ist am Außenring 3 befestigt, z.B. durch Schrauben 20, wobei die Sicherung 9 zwischen einer Nut am Lagerdeckel 19 und dem Außenkranz 3 eingespannt ist.
Zur radial inneren Abdichtung der Lagerung dient eine Dichtungsanordnung 14, die aus einer zylindrischen Hülse 15 besteht und am Außenring 3 über die Zentrierung 16 befestigt ist. Die Hülse 15 trägt am inneren Ende Dichtungselemente bekannter Bauart, die an einem radial innerhalb des Bundes 10 liegenden Durchmesser des Innenringes 5 dichtend anliegen. Der Außen-Qurchmesser der Hülse 15 kann dabei gleich oder kleiner gehal-
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ten werden als der Außendurchmesser des Außenringes 3. Dadurch ergibt sich folgender Montage-Vorteil: Die komplette Lagerung, also der Außenring 3, die Wälzkörper 4, der Innenring 5 und die Rollen 6 werden für sich allein zusammengebaut und danach erst über die Dichtungsanordnung 14 zusammengehalten. Eine vorteilhafte Anordnung besteht darin, zusätzlich einen Haltering 21 am radial äußeren Bereich der Innenring-Laufbahn anzubringen, wodurch die ganze Lagerung zu einer geschlossenen montagefertigen Baugruppe zusammengefaßt wird. Beim Zusammenbau des Zapfenkreuzes kann diese Baugruppe komplett von außen auf den Zapfen geschoben werden, nachdem das Zapfenkreuz in die Bohrungen der Gelenkgabel eingefädelt wurde.
Die Rollen 6 des Axiallagers werden vorzugsweise in einem Rollenkäfig 13 zusammengefaßt, der seinerseits an der Innenfläche der Hülse 15 oder an einer geeigneten Fläche des Innenringes 5 geführt ist.
Zur Einstellung des Lagerspiels am Axiallager, also zwischen den Flächen 7 und 12, dient im gezeigten Beispiel eine maßgenau bearbeitete Scheibe 22, die zwischen den Bund 10 und die Zapfenstirnfläche eingelegt ist. Mit dieser Maßnahme kann außerdem ein genaues Zentrieren des Zapfenkreuzes im kompletten Kreuzgelenk erfolgen sowie eventuell ein Ausgleich bei auftretender Unwucht.
Gemäß der Erfindung hat die Zapfenwurzel 23 am Übergang zwischen zwei Zapfen mit dem Innenring 5 keine Berührung, sondern es ist ein Spalt 24 vorgesehen als Raum für Verformungen im Wurzelbereich 23. Es besteht dann die Gefahr, daß Schmutz und Feuchtigkeit in den Spalt 24 eindringt. Es ist daher eine Abdichtung vorgesehen mit einem Dichtring 25, der im Körper des Innenringes eingelegt ist.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Zur axialen Sicherung des Außenringes 3 in der Gelenkgabel 2 dient nicht ein einteiliger Sicherungsring wie in
der Ausführung nach Fig. 3, sondern ein mehrteiliger Ring 30. Dieser Ring 30 greift an seinem äußeren Durchmesser wie üblich in eine Nut in der Gelenkgabel ein, ist an seinem inneren Durchmesser aber über eine Klauenverbindung 31 mit dem Außenring 3 verkrallt. Der Außenring weist in diesem Falle einen Bord 32 für die Rollen 4 auf. Ein Lagerdeckel 33 ist so gestaltet, daß er nach der Befestigung beispielsweise über die Schrauben 35 die einzelnen Teile des Sicherungsringes 30 über die Zentrierungen 34 in ihrer Montagelage festhält. Der Lagerdeckel 33 und der Sicherungsring 30 stellen eine Baueinheit dar, die den Vorteil höherer Sicherheit bei großen Axialkräften und einfacher Montage bietet.
Dargestellt ist ferner eine andere Einstellmöglichkeit für das Lagerspiel des Axiallagers. Sie besteht aus einer Feder, vorzugsweise einer Tellerfeder 36, die bei Montage zwischen den Bund 10 des Innenringes und die Zapfenstirnseite eingelegt wird. Die aufgegebene Federspannung bewirkt gleichzeitig eine Spielfreiheit im Axiallager und Nachgiebigkeit bei auftretenden Verformungen.
Die Fig. 5 zeigt ein konstruktives Ausführungsbeispiel für eine Einstellmöglichkeit des Lagerspiels im Axiallager. Der erste Bund 10 ist weit zur Zapfenachse hin erweitert und trägt eine Schraube 40, die mit einem Ende auf der Stirnfläche des Zapfens aufliegt. Vor der Montage des Lagerdeckels läßt sich von außen her jederzeit und auf einfache Weise das Axiallagerspiel einstellen.
In Fig. 6 ist im Prinzip dieselbe Einstellmöglichkeit gezeigt. Anstelle einer zentralen Schraube können mehrere am Umfang verteilte Schrauben 41 zur Axialspieleinstellung dienen.
Eine weitere Ausführungsform zur Spielverminderung im Axiallager ist in Fig. 7 gezeigt.
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Dabei ist der erste Bund 10 des Innenringes zu einem geschlossenen Boden 51 erweitert. Der Innenring 5 mit Bund 10 ist dadurch zu einem Zylinder 50 erweitert. Nach der Montage wirkt der Zapfen 1 wie ein Kolben. In den zwischen Zapfenstirnfläche und Boden 51 entstandenen Raum kann nun ein Druckmedium, also Druckflüssigkeit oder Druckluft, eingepreßt werden, vorzugsweise über eine zentrale Bohrung 52 im Zapfen. Dadurch ergibt sich ein nachgiebiges Anlegen der Laufflächen 12 und 7 mit den Rollen 6 bei gleichzeitiger Spielfreiheit.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Kreuzgelenk mit einem Zapfenkreuz, desen Zapfen mit den Gabelarmen zweier Gelenkgabeln verbunden sind über je eine Wälzlagerung, bestehend aus einem Radiallager mit einem Innenring und einem in der Bohrung der Gelenkgabel gegen axiale Verschiebung gesicherten Außenring sowie einem radial innerhalb des Radiallagers auf dem Zapfen des Zapfenkreuzes angeordneten Axiallager, wobei der Außenring des Radiallagers eine Laufbahn für die Rollen des Axiallagers aufweist, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Innenring (5) für die Rollen des Radiallagers (4) an beiden Enden je einen Bund aufweist, nämlich einen ersten radial außenliegenden Bund (10), der zur Zapfenachse hin gerichtet ist und den axialen Anschlag für den Sitz des Innenringes im stirnseitigen Bereich des Zapfens (1) bildet sowie einen zweiten radial innenliegenden Bund (11), der sich von der Zapfenachse weg erstreckt und als radial innere Laufbahn (12) für die Rollen (6) des Axiallagers ausgebildet ist.
    2. Kreuzgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlagerung eine Dichtungsanordnug aufweist, deren Außendurchmesser kleiner ist als die Bohrung im Gabelarm (2) und am Außenring (3) des Radiallagers befestigt ist.
    3. Kreuzgelenk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (3) des Radiallagers im radial äußeren Bereich mit einem Sicherungsring (9) gegen Verschiebung gesichert ist und daß ein Lagerdeckel (19) vorhanden ist, der zumindest mittelbar am Außenring (3) befestigt ist und den Sicherungsring (9) von außen her umschließt.
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    4. Kreuzgelenk nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerdeckel (19) einen dem Lagerinneren zugewandten Bord (18) fur die Rollen (4) des Radiallagers aufweist.
    5. Kreuzgelenk nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherungsring (30) mehrteilig und als Bord (32) für die Rollen des Radiallagers (4) ausgebildet ist und daß die Teile des Sicherungsringes (3ü) durch den Lagerdeckel (33) zentriert und mit dessen Befestigung in ihrer Lage gehalten sind.
    6. Kreuzgelenk nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (5) des Radiallagers einen radial außerhalb der Rollenbahn angeordneten Haltering (21) aufweist.
    7. Kreuzgelenk nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnseite des Zapfens (1) und dem ersten radial außenliegenden Bund (10) des Radiallager-Innenringes (5) Mittel zur Einstellung des Spiels im Axiallager (6, 7, 11) vorgesehen sind.
    8. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Lagerspiels des Axiallagers (6, 7, 11) zwischen die Zapfenstirnseite und dem Bund (10) eine Scheibe (22) vorbestimmter Dicke eingelegt ist.
    9. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Lagerspiels des Axiallagers (6, 7, 11) der Innenring (5) mittels einer Schraube (40) am Bund (10) axial verstellt werden kann.
    10. Kreuzgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Lagerspiels des Axiallagers (6, 7, 11) der Bund (10) am Innenring (5) mit einer Vielzahl von Schrauben (41) versehen ist.
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    11. Kreuzgelenk nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung von Spielfreiheit im Axiallager (6, 7, 11) die Zapfenstirnseite und der radial äußere erste Bund (10) unter einer durch eine Feder (36) aufgebrachten axialen Vorspannung stehen.
    12. Kreuzgelenk nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (5) als Hülse (50) mit geschlossenem Boden ausgebildet ist, die auf dem Zapfen (1) druckdicht verschiebbar ist, und daß der zwischen Zapfenstirnseite und dem Boden (51) der Hülse (50) entstandene Raum unter Überdruck gesetzt ist zur Erzeugung von Vorspannung und Spielfreiheit im Axiallager (6, 7, 11).
    13. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (13) des Axiallagers an einem seiner Durchmesser geführt ist.
    14. Kreuzgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des zweiten radialinnenliegenden Bundes (11), der sich von der Zapfenachse weg erstreckt und die radial innere Laufbahn (12) des Axiallagers bildet, eine Dichtung (25) zur Zapfenwurzel (23) des Zapfens (1) vorgesehen ist.
    19.12.84 DK/Py
    0209k
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