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Diese Erfindung betrifft ein Differentialgetriebe, insbesondere
aber nicht ausschließlich für eine Verwendung in Kraftfahrzeugen.
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Differentialgetriebe, wie sie im allgemeinen in Fahrzeugen
eingesetzt werden, sind Planetengetriebe und zeigen einen gut
bekannten Nachteil darin, daß, wenn sich ein Rad auf einer
glatten Fläche, wie beispielsweise Schlamm oder Eis, und das
andere Rad auf einer festen Fläche befindet, die eine Zugkraft
zuläßt, sich das erste Rad einfach durchdrehen wird, während es
die gesamte auf das Differentialgetriebe übertragene verfügbare
Leistung aufnimmt.
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Differentialgetriebe mit begrenztem Rutschvermägen wurden bei
einem Versuch vorgeschlagen, dieses Problem zu überwinden, was
den Grad einschränkt, in dem sich ein Rad relativ zum anderen
durchdrehen kann, aber derartige Differentialgetriebe sind
komplizierter und daher kostspieliger herzustellen.
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In der Europäischen Patentanmeldung EP-A-0326289 wird ein
alternatives Differentialgetriebe vorgeschlagen, das aufweist:
zwei Abtriebsnockenglieder, die um eine Achse drehbar sind, wobei
jedes Glied eine einzige kegelstumpfförmige Nockenfläche darauf
in wellenartiger Form besitzt, die Paare von zueinander geneigten
Flächen aufweist; und eine Vielzahl von Nockenstößeln, deren
Stirnflächen mit den Nockenflächen der Abtriebsnockenglieder in
Eingriff kommen, wobei die Anordnung so erfolgt, daß die relative
Gegendrehung der Abtriebsnockenglieder bewirkt, daß sich die
Nockenstößel axial verschieben; und ein Antriebsglied, das mit
den Stößeln in Eingriff kommt, die verschiebbar durch das
Antriebsglied getragen werden und die Stößel peripher relativ zu
den Abtriebsnockengliedern bewegt.
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Ein derartiges Differentialgetriebe wird hierin nachfolgend als
ein Differentialgetriebe der Bezugsausführung bezeichnet.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein
Differentialgetriebe
der Bezugsausführung bereitzustellen, die die
vorangehend erwähnten Probleme mildert.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein
Differentialgetriebe der Bezugsausführung bereitgestellt, bei dem eine Sperre
für das Sperren von zwei Gliedern gegen eine relative Drehung
vorhanden ist, wobei die Sperre auf dem Antriebsglied montiert
ist und mit einem Nockenstößel in Eingriff kommt, um die axiale
Bewegung des Stößels und daher die Drehbewegung der
Abtriebsnockenglieder zu verhindern.
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Differentialgetriebe in Übereinstimmung mit der Erfindung werden
jetzt als Beispiel und mit Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Differentialgetriebe in
Übereinstimmung mit der Erfindung, durch die
Abtriebsnockenglieder geschnitten,
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Fig. 2 eine Seitenansicht des Differentialgetriebes aus Fig. 1,
teilweise herausgebrochen dargestellt,
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Fig. 3 eine Entwicklung der Nockenflächen, wobei die Nockenstößel
in Positionen dazwischen gezeigt werden,
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Fig. 4 eine zeichnerische Seitenansicht eines Stößels,
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Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles "A" in Fig. 1, die
den Sperrbetriebsmechanismus zeigt,
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Fig. 6 eine Einrichtung für das Betätigen des Getriebes und
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Fig. 7 eine alternative Sperre, die mit der Außenfläche des
Antriebsgehäuses in Eingriff kommt.
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In Fig. 1 bis 3 ist das Differentialgetriebe 10 in einem
teilweise ölgefüllten umgebenden Gehäuse 100 (siehe Fig. 6)
mittels der Lager 102 (in Fig. 7 gezeigt) montiert. Das
Differentialgetriebe 10 weist ein Gehäuse 11 auf, das ein Zahnrad 12 auf
seiner äußeren Fläche besitzt, das den Antrieb von einem Ritzel
(nicht gezeigt) in der bekannten Weise erhält. Das Zahnrad 12 ist
treibbar mit den Stirnwänden 13, 14 verbunden, die integriert mit
dem Gehäuse 11 ausgebildet sein können, oder die separat
ausgebildet und im Gehäuse 11 mittels geeigneter Hilfsmittel
gehalten werden können, wie beispielsweise durch Schrauben in das
Gehäuse 11 und danach Arretieren, Hämmern, Schweißen und peripher
beabstandete Schrauben.
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Zwei Abtriebsnockenglieder 16, 17 weisen die Paßfedern 15 in
deren Mitte auf, um die Abtriebswellen (nicht gezeigt) beim
Einsatz anzutreiben, die sich durch die Bohrungen 18 in den
Stirnwänden 13, 14 erstrecken. Die Bohrungen 18 besitzen jeweils
eine spiralförmige Ölzuführungsnut 19 in deren Innenfläche, um
beim Einsatz dem Differentialgetriebe eine Schmierung zuzuführen.
Die Abtriebsglieder 16, 17 sind drehbar in den Lagern 50 um eine
Achse X relativ zum Gehäuse 11 angeordnet. Die Abtriebsglieder
16, 17 besitzen jeweils eine entsprechende wellenartige
Nockenfläche 22, 23 darauf, die eine kegelstumpfförmige, wellenartige
Fläche aufweist. Die Nockenfläche 22 weist eine ringförmige
Zickzackfläche auf, die in Fig. 3 im Detail gezeigt wird, und die
aus sieben Paar von zueinander geneigten schrägen Flächen 24, 25
besteht. Die Nockenfläche 23 weist ebenfalls eine ringförmige
Zickzackfläche auf, die in Fig. 3 sichtbar ist, die aber aus acht
Paar von zueinander geneigten schrägen Flächen 26, 27 besteht.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist die wellenartige Nockenfläche 22
unter einem Winkel P zur Achse X-X geneigt, und die Nockenfläche
23 ist unter einem Winkel P2 zur Achse X-X geneigt, wodurch jede
Nockenfläche zur anderen hin konvergiert.
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Fünfzehn Nockenstößel 28 sind zwischen den Nockenflächen 22, 23
angeordnet. Jeder Nockenstößel zeigt eine druckfingerförmige,
längliche Form und weist zwei Sätze von zueinander geneigten
Stirnflächen 29, 30, 32 und 33 auf, die an den relativ längeren
Seitenflächen 34, 35 enden. Der Neigungswinkel Q zwischen den
Stirnflächen 29, 30 entspricht dem Neigungswinkel zwischen den
Nockenflächen 24, 25, und der Neigungswinkel S zwischen den
Stirnflächen 32, 33 entspricht dem Neigungswinkel zwischen den
Nockenflächen 26, 27. Die Stirnflächen 29, 30 sind ebenfalls
unter einem Winkel P geneigt, und die Stirnflächen 32, 33 sind
unter einem Winkel P2 geneigt, wie in Fig. 1 erkennbar ist. Wenn
von der Stirnseite aus betrachtet wird, ist jeder Nockenstößel
bogenförmig, wodurch gestattet wird, daß die Stößel
zusammengebaut werden können, wie es in Fig. 2 zu sehen ist. Jeder
Nockenstößel besitzt eine bogenförmige Umhüllende von im
wesentlichen 360/nf Grad, worin nf die Anzahl der Nockenstößel
ist. Wenn es jedoch gewünscht wird, kann die bogenförmige
Umhüllende kleiner sein, um die Zwischenräume 28' (siehe Fig. 4)
zwischen den Stößeln zu lassen.
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Jeder Nockenstößel umfaßt einen länglichen Mitnehmer 36, der
zueinander geneigte Seitenflächen 37, 38 aufweist (Fig. 4). Die
Mitnehmer 36 sind mit einem geringen Zwischenraum 36a in den
komplementär ausgebildeten Nuten 39 angeordnet, die im
Innenumfang eines zylindrischen Antriebsgliedes 40 ausgebildet sind,
das am Antriebsgehäuse 11 ausgebildet ist. Der Zwischenraum 36a
ist gerade ausreichend, um zu sichern, daß der bogenförmige
äußere Umfang (mit 28a angezeigt) eines jeden Stößels 28 an die
innere Umfangsfläche (40a) des Antriebsgliedes 40 anstoßen kann.
Die Nuten 39 liefern eine Auflage für die Stößel 28 zumindestens
angrenzend an ihre axialen Enden und vorzugsweise, wie gezeigt
wird, über im wesentlichen ihre gesamte Länge.
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Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, erfolgt die Montage der
Nockenstößel 28 vorzugsweise so, daß die Seitenflächen 34, 35 der
benachbarten Stößel so angeordnet werden, daß sie
ineinandergreifen oder eng nebeneinander liegen. Auf diese Weise wird der
verfügbare periphere Raum für die Nockenstößel maximal
ausgenutzt, wobei die Stößel zusammen eine im wesentlichen
kontinuierliche und kompakte ringförmige Anordnung bilden, wie in
Fig. 2 zu sehen ist.
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Wenn die Antriebseingangsleistung mittels des Antriebsgehäuses
11 angelegt wird und unter der Annahme, daß ein Fahrzeug das
Differentialgetriebe besitzt, das in einer geraden Führung
angetrieben wird, wenden die Nockenstößel eine Last auf die
Flächen der Nockenflächen 22, 23 so an, daß die
Abtriebsnockenglieder 16, 17 mit der gleichen Drehzahl gedreht werden. Wie aus
Fig. 3 ersichtlich ist, wenn eine Antriebslast in der Richtung
Y angewandt wird, sind die Stirnflächen 30, 33 des Nockenstößels
28 auf der äußersten linken Seite in treibendem Eingriff mit den
Flächen 24, 26, und die abwechselnden Stößel sind gleichermaßen
in treibendem Eingriff mit den Nockenflächen 22, 23. Bei den
dazwischenliegenden Nockenstößeln sind jedoch deren Flächen in
nichttreibendem Eingriff mit den Flächen 25, 27.
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Die durch die Stößel 28 auf die geneigten Flächen 24, 26
angewandte Antriebskraft erzeugt eine Gegenkraft F, wie in Fig.
4 gezeigt wird. Die Neigung der Stirnflächen der Nockenstößel
unter dem Winkel P und P2 bewirkt die Anwendung der Kräfte auf
die Nockenstößel, die nur für die Nockenfläche 22 mit dem Winkel
P gezeigt wird. Die Anwendung der Kraft F auf den Stößel 28
erzeugt eine nach außen gerichtete Kraft G, wodurch eine
resultierende Kraft R erzeugt wird, die radial außerhalb des
Randes E vorzugsweise annähernd durch oder angrenzend an eine
Ecke C1 zwischen dem Mitnehmer 36 und einem angrenzenden äußeren
peripheren Teil 28a des Stößels 28 passiert. Auf diese Weise
tendiert die Lasteinwirkung auf den Nockenstößel dazu, ihn fest
gegen eine Ecke C2 des Antriebsgliedes 40 so zu verkeilen, daß
ein Abkippen des Stößels um seinen Rand E herum vermieden wird.
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Die Differentialwirkung kann am besten erkannt werden, indem das
Antriebsglied 40 als stationär betrachtet wird, und durch
Anwenden einer Gegendrehbewegung auf die Nocken 16, 17 und das
Antriebsglied 40 erhalten alle eine zusätzliche Drehbewegung in
der Richtung des Pfeiles J, und so wird man erkennen, daß sich
die Nocken 16 und 17 entsprechend schneller und langsamer als das
Glied 40 drehen werden. Der Unterschied hinsichtlich der
Drehzahlen zwischen den zwei Nocken 16, 17 und dem Antriebsglied
40 wird sich aus der unterschiedlichen Anzahl der Nockenflächen
auf den Nocken ergeben. Da ein beträchtliches Maß an Reibung
zwischen den Stößeln und den Nocken zu verzeichnen ist, wird das
Drehmoment auf einen Nocken übertragen, selbst wenn der andere
treibbar mit einem Rad verbunden ist, das auf einer rutschigen
Fläche durchdreht, was gegenüber den konventionellen
Differentialsystemen sehr vorteilhaft ist. Dadurch, daß ein Rad schneller
als das andere bewegt wird, wird es zu einer Reduzierung des
Nutzdrehmomentes kommen, das an jenes Rad durch den
dazugehörenden Nocken infolge der Last angelegt wird, die durch die sich
axial bewegenden Nockenstößel angewandt wird, an die das
Eingangsdrehmoment angelegt wird. In jenem Fall wird es zu einer
Vergrößerung des Nutzdrehmomentes kommen, das an den anderen
Nocken angelegt wird, und das Verhältnis zwischen den
Nutzdrehmomenten wird von den Werten der Winkel Q, S abhängig sein.
Je größer die Winkel sind, desto größer wird die Reibung auf den
Nockenflächen infolge der darauf durch die Stößel angewandten
axialen Last sein. Die Winkel Q, S werden normalerweise
ausgewählt, wodurch die Nockenflächen 22, 23 die Nockenstößel axial
antreiben können, aber die nur axiale Bewegung der Nockenstößel
kann nicht die Nockenflächen antreiben. Wenn es jedoch gewünscht
wird, können die Winkel Q, S so ausgewählt werden, daß ein Grad
an Umkehrbarkeit bewirkt wird.
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Wie vorangehend erwähnt wird, können die benachbarten
Nockenstößel mit ihren Seitenflächen 34, 35 dicht angrenzend oder in
Eingriff angeordnet werden. Die Antriebskraft F, die bei
irgendeinem Stößel 28 in einem nichttreibenden Eingriff mit den
Nockenflächen angewandt wird, kann so angeordnet werden, daß die
darauf angewandte Antriebslast auf den nächsten treibenden Stößel
durch die ineinandergreifenden Flächen übertragen wird. Die
Verwendung von ineinandergreifenden Flächen verhindert ebenfalls
das Abkippen der Nockenstößel relativ zu den Nocken.
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Der Eingriff der Fläche wird im wesentlichen über ihre gesamte
Länge erfolgen. Die Anforderung an das Drehmomentverhältnis
zwischen den zwei Nutzdrehmomenten der inneren und äußeren
Abtriebswellen ist bei einigen Anwendungen höher als bei anderen.
Wo hohe Drehmomentdifferentiale erforderlich sind, sagen wir von
3:1 bis 5:1, kann das Probleme hinsichtlich der Verschleißraten
zwischen den Nockenstößeln und den Nockenflächen hervorrufen.
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Durch Verstärken des Reibungseingriffes zwischen einem der
Abtriebsnockenglieder 16, 17 und dem Antriebsglied kann das
Drehmomentverhältnis für ein bestimmtes Differentialgetriebe
vergrößert werden. Außerdem kann dann durch Auswählen der
Nockenfläche 23, die die höhere Anzahl der Paare von geneigten
Flächen 26, 27 aufweist, die mittlere Drehmomentdifferenz
vergrößert werden, und die Verteilung der Drehmomentdifferenz
zwischen rechten und linken Drehungen kann bis zu einem
speziellen Niveau des Reibungseingriffes verringert werden.
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Über jenen Punkt hinaus konnte jegliche Verstärkung des
Reibungseingriffes bewirken, daß sich die Drehmomentverteilung umkehrt,
sagen wir, wobei sich das maximale Verhältnis von der linken
Drehung zu einer rechten Drehung verschiebt und die Verteilung
danach größer wird. Eine Druckscheibe 51 oder ein Nadellager wird
zwischen dem Abtriebsnockenglied 17 und der Stirnwand 14
angeordnet und kann, wenn erforderlich, auf den Unterlegscheiben
52 für das Festlegen der erforderlichen axialen Position der
Nockenfläche 23 getragen werden.
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Die auf die Nocken 16, 17 durch die Stößel 28 angewandte
Axialbelastung wird auf die Stirnwand 14 durch die Druckscheibe
51 und auf die Stirnwand 13 durch die Drucknadellager übertragen.
Wiederum können Unterlegscheiben 52 verwendet werden, um die
relativen axialen Positionen der Nocken zu regulieren. Eine
Tellerfeder 54 (in Fig. 1 zu einer flachen Konfiguration
zusammengedrückt dargestellt) kann angeordnet werden, um gegen
eine Lagerunterlegscheibe 55 zur Wirkung zu kommen, damit die
Stößel 28 in einen festen Eingriff mit den Nockenflächen 22, 23
gedrückt werden. Das Drücken der Stößel gegen die Nockenflächen
erzeugt ebenfalls eine radial nach außen gerichtete Kraft Z auf
die Stößel 28, die aus den Neigungswinkeln P und P2 resultiert,
und hilft außerdem dabei, das Spiel zu reduzieren.
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In Fig. 1 kann man sehen, daß die Neigungswinkel zur Achse X-X
der wellenartigen Nockenflächen 22, 23 unterschiedlich sind,
wobei die wellenartige Nockenfläche 22 unter einem Winkel P und
die wellenartige Nockenfläche 23 unter einem Winkel P2 geneigt
sind. Die Nockenstößel 28 zeigen gleichermaßen geneigte
Stirnflächen 29, 30 und 32, 33. Die Stirnflächen 29, 30 sind ebenfalls
zueinander unter dem gleichen Winkel geneigt wie die schrägen
Flächen 24, 25, und die Stirnflächen 32, 33 sind unter dem
gleichen Winkel geneigt wie die schrägen Flächen 26, 27.
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Da der Neigungswinkel zwischen den Flächen 24, 25 von dem
zwischen den Flächen 26, 27 abweicht, wird die Aufteilung des
Drehmomentes zwischen den Abtriebswellen, die an den
Abtriebsnocken 16 und 17 durch Paßfedern gesichert sind, anders sein,
wenn sich die Nocken relativ zueinander in einer Richtung drehen,
als wenn sie sich relativ in der entgegengesetzten Richtung
drehen. Es wurde ermittelt, daß die geeignete Auswahl der Winkel
P und P2 das Verhältnis der Drehmomente beeinflussen kann, die
auf die Wellen übertragen werden. Die Enden des Nockenstößels 28,
die unter verschiedenen Winkeln P und P2 geneigt sind,
unterstützen ebenfalls die richtige Montage des Differentialgetriebes.
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Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, das
Differentialgetriebe zu sperren. Ein Verfahren für das Sperren wird in
Fig. 1 und 5 gezeigt, bei dem ein Bolzen 60 in der Stirnwand 14
montiert und darin axial verschiebbar ist. Der Bolzen besitzt
einen Kopf 61, der mit einem Schneckennocken 62 in Eingriff
kommen kann, der außen am Gehäuse 11 drehbar angeordnet ist. Der
Schneckennocken 62 wird mittels einer verschiebbaren Hülse 63
betätigt, um den Bolzen 60 gegen einen Nockenstößel 28 zu
schieben, um die Bewegung des Stößels zu begrenzen, und um daher
das Differentialgetriebe zu sperren. Die Schneckennockenfläche
ist ausreichend flach, um zu verhindern, daß die Axialbelastungen
des Nockenstößels den Bolzen zurückdrücken, oder daß alternativ
die Schneckennockenfläche über die Mitte hinweggehen könnte.
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Die Hülse 63 könnte mehr als einen Bolzen mittels einer Anzahl
von gleichen Schneckennockenvorrichtungen betätigen.
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Die Bewegung des Bolzens muß vorzugsweise 25 bis 75 % des
vollständigen axialen Hubes des Stößels 28 betragen, um eine
angemessene Berührungsfläche auf der Nockenstößelfläche nahe der
mittleren Hubposition des Stößels zu erhalten. Wo mehr als ein
Bolzen eingesetzt wird, muß dann die Bewegung des Bolzens auf
weniger als 50 % reduziert werden, um zu sichern, daß alle
betroffenen Stößel die gleiche Position gemeinsam erreichen
können.
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Mit Bezugnahme auf Fig. 6 wird die Hülse 63 axial mittels eines
Gabel/Hebelsystems 70 bewegt, das mittels des Drehbolzens 101 am
Differentialgehäuse 100 montiert ist. Die Gabel wird mittels
eines hydrostatischen Druckbetätigungselementes 72 betätigt, und
bei Beendigung der Funktion des Betätigungselementes 72 wird der
Hebel in seine Position mittels einer Rückstellfeder 73
zurückgeführt. Eine Warnvorrichtung 74 wird durch die Gabel betätigt,
um anzuzeigen, wenn die Sperre in Eingriff ist.
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Mit Bezugnahme auf Fig. 7 wird eine alternative Sperre gezeigt,
die eine Hülse 83 aufweist, die auf einer Abtriebswelle 84 von
einem Abtriebsnocken 16 oder 17 durch eine Paßfeder gesichert
ist. Die Hülse 83 besitzt darauf die Mitnehmerzähne 85, die mit
der Außenverzahnung 86 in Eingriff kommen können, die die Bohrung
18 in der Stirnwand des Gehäuses 11 umgibt.
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Die Betätigung ist so, wie sie vorangehend für Fig. 6 beschrieben
wird.
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In diesem Fall wird die relative Drehung eines Abtriebsgliedes
und Antriebsgliedes direkt durch ein Eingreifen der Zähne der
Hülse in die Zähne auf der Stirnwand des Gehäuses verhindert.