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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Gleichlaufgelenk, umfassend ein Gelenkaußenteil
und ein Gelenkinnenteil mit einer Vielzahl einander gegenüberliegender
Kugellaufbahnen, einen Käfig, der zwischen dem Gelenkaußenteil
und dem Gelenkinnenteil angeordnet ist und eine Vielzahl von bogenförmigen
Fenstern aufweist, welche in Axialrichtung des Käfigs durch
gekrümmte Seitenwände begrenzt sind, und eine
Vielzahl von Kugeln, die in den Fenstern des Käfigs angeordnet
sind und mit den Kugellaufbahnen des Gelenkaußenteils und
des Gelenkinnenteils zur Drehmomentübertragung in Eingriff
stehen.
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Zur
Gewährleistung der Funktion des Gelenks müssen
die Kugeln bei einer Beugung des Gelenks, das heißt bei
einer Abwinkelung der Längsachsen des Gelenkaußenteils
und des Gelenkinnenteils zueinander in die so genannte Halbwinkelebene
des Gelenks gesteuert werden, welche senkrecht zur Beugeachse des
Gelenks verläuft. Die Beugeachse stellt die Winkelhalbierende
zwischen den Längsachsen des Gelenkaußenteils
und des Gelenkinnenteils dar und verläuft durch deren Schnittpunkt,
das so genannte Beugezentrum des Gelenks. Hierzu sind unterschiedliche
Steuerungssysteme bekannt.
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Ein
erstes Steuerungssystem beruht auf einem entgegengesetzten axialen
Offset der Krümmungsmittelpunkte der Kugellaufbahnen am
Gelenkaußenteil und am Gelenkinnenteil vom Gelenkbeugezentrum.
Dieses Prinzip ist erstmals in dem
US-Patent
Nr. 1,975,758 von Bernard Stuber aus dem Jahr 1934 beschrieben.
Die Verwendung dieses Prinzips in Verbindung mit einem Käfig
wird in dem
US-Patent Nr. 2,046,584 von
Alfred Rzeppa aus dem Jahr 1936 offenbart.
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Ein
zweites Steuerungssystem nutzt einen axialen Offset der Krümmungsmittelpunkte
der sphärischen Führungsflächen zwischen
dem Käfig und dem Gelenkinnenteil sowie dem Käfig
und dem Gelenkaußenteil. Dieses Prinzip ist ebenfalls aus
dem
US-Patent Nr. 1,975,758 von
Bernard Stuber bekannt.
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Werden
an einem Gleichlaufgelenk beide Steuerungssysteme kombiniert, kann
es infolge von Fertigungstoleranzen zu Zwängungen kommen,
welche den Wirkungsgrad des Gelenks beeinträchtigen und
den Käfig stark beanspruchen.
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Derartige
Zwängungen entstehen unabhängig vom gewählten
Steuerungssystem grundsätzlich immer dann, wenn die durch
die Anlage der Kugeln an den Käfigfenstern definierte Ebene
nicht exakt durch das tatsächliche Beugezentrum des Gelenks verläuft.
Entsprechende Abweichungen können sowohl aus dem Steuerungssystem
als auch aus Fertigungstoleranzen resultieren und zu einer erhöhten Reibung
im Gelenk führen.
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Ein
Gelenk der eingangs genannten Art ist aus der
GB 2 269 438 A bekannt. Der
Käfig des Gelenks weist Fenster mit bogenförmig
gekrümmten Seitenwänden auf. Der Abstand zwischen
den Seitenwänden entspricht hierbei dem Durchmesser einer
Kugel. Dementsprechend unterscheiden sich die Krümmungsradien
der Seitenwände um den Kugeldurchmesser und weisen einen
gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt auf. Durch die Krümmung
der axialen Seitenwände der Fenster soll die Hertz'sche Pressung
im Bereich der Kugelanlage verringert und dadurch die Gefahr von
Beschädigungen des Käfigs reduziert werden. Die
in der
GB 2 269 438
A offenbarte Gestaltung der Fenster kann jedoch ein Verklemmen
bei großen Beugewinkeln nicht ausschließen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reibung im Gelenk zu vermindern
und so dessen Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Gleichlaufgelenk gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Das erfindungsgemäße Gelenk
zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Kugeln zu den einander
in Axialrichtung des Käfigs gegenüberliegenden
gekrümmten Seitenwänden der Fenster eine sich
in Umfangsrichtung des Käfigs verändernde Passung
aufweisen.
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Dies
ermöglicht einen Toleranzausgleich über den Drehfreiheitsgrad
des Käfigs. Beim Abbeugen des Gelenks führt jede
Kugel während einer Umdrehung des Gelenks eine Relativbewegung
in Umfangsrichtung des zugehörigen Käfigfensters
aus. Wird die Käfiganlage als gekrümmte Fläche
ausgeführt, so resultiert hieraus zusätzlich eine
axiale Bewegung der jeweiligen Kugel. Hierdurch verschiebt sich
die Lage der durch die Kugelanlagen definierten Halbwinkelebene,
so dass eine dynamische Anpassung an das von der Laufbahnsteuerung
vorgegebene Drehzentrum erfolgen kann.
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Über
die Abstimmung der Passung zwischen der Kugel und den gekrümmten
Seitenwänden des zugehörigen Fensters erhält
jede Kugel ein definiertes dynamisches Spiel, das sich je nach Stellung
der Kugeln im Fenster verändert und dazu genutzt wird, Toleranzen
des gewählten Steuerungssystems auszugleichen.
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Im
Gegensatz zu der aus der
GB
2 269 438 A bekannten Konfiguration kann mit der erfindungsgemäßen
Lösung der Kontakt zwischen einer Kugel und dem zugehörigen
Käfigfenster bei geringen Beugewinkeln im wesentlichen
spielfrei ausgeführt werden, während zu größeren
Beugewinkeln hin ein zunehmendes Spiel vorgesehen wird, so dass
eine zunehmende Reibung oder ein Verklemmen der Kugeln bei großen
Beugewinkeln vermieden wird.
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Durch
die Einstellung der Passung der Kugeln entlang der Umfangsrichtung
der Käfigfenster kann die Reibung im Gelenk vermindert
und damit dessen Wirkungsgrad erhöht werden.
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Weitere,
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen
angegeben.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung werden die gekrümmten Seitenwände
durch Krümmungsradien erzeugt, deren Zentren in Axialrichtung des
Käfigs zueinander versetzt sind. Hierdurch lässt sich
mit geringem fertigungstechnischen Aufwand je nach Lage der Krümmungszentren
zueinander ein zu den in Umfangsrichtung liegenden Fensterenden
zunehmendes oder abnehmendes Spiel realisieren.
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Es
ist möglich, die gekrümmten Seitenwände als
Kreisbögen oder mit kreisbogenähnlichen Kurvenverläufen
auszuführen.
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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
Schnittansicht eines Gleichlaufgelenks nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung im gestreckten Zustand,
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2 eine
Teilansicht des Gelenks aus 1 im gebeugten
Zustand,
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3 eine
räumliche Ansicht des Käfigs des Gelenks,
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4 eine
Detailansicht eines Fensters des Käfigs mit angedeuteter
Lage der zugehörigen Kugel in unterschiedlichen Stellungen,
und in
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5 eine
Darstellung der Einzelheit X aus 4.
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Das
Ausführungsbeispiel zeigt ein Gleichlauffestgelenk 1,
das beispielsweise in eine Gelenkwelle eines Kraftfahrzeugs eingebaut
werden kann, um eine Antriebsleistung von einem Getriebe zu einem
Fahrzeugvorderrad zu übertragen. Es gestattet Beugewinkel
von bis zu etwa 52 Grad.
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Wie 1 zeigt,
umfasst das Gleichlauffestgelenk 1 ein Gelenkaußenteil 2 und
ein Gelenkinnenteil 3. Zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und
dem Gelenkinnenteil 3 ist ein Käfig 4 angeordnet,
der eine Vielzahl von Fenstern 5 zur Aufnahme jeweils einer Kugel 6 ausbildet.
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Das
Gelenkaußenteil 2 weist an seinem Innenumfang
eine Käfigführungsfläche 7 sowie
eine Vielzahl von rillenartigen Kugellaufbahnen 9 auf.
In gleicher Weise sind am Außenumfang des Gelenkinnenteils 3 eine
Käfigführungsfläche 8 sowie
eine Vielzahl von rillenartigen Kugellaufbahnen 10 vorgesehen.
Der Käfig 4 gleitet mit einer im Wesentlichen sphärischen
Außenfläche 11 in der Käfigführungsfläche 7 des
Gelenkaußenteils 2 und mit einer im Wesentlichen
sphärischen Innenfläche 12 an der Käfigführungsfläche 8 des
Gelenkinnenteils 3. Durch die Krümmung der Käfigführungsflächen 7 und 8 ist
der Käfig 4 zwischen dem Gelenkinnenteil 2 und
dem Gelenkaußenteil 3 axial gesichert, kann jedoch
um das Beugezentrum Z des Gelenks schwenken.
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Die
sphärischen Außen- und Innenflächen 11 und 12 des
Käfigs 4 sowie die zugehörigen Käfigführungsflächen 7 und 8 weisen
Krümmungsmittelpunkte PKa und PKi auf, die zum Beugezentrum Z um einen Offset
OFFKA und OFFKi in
entgegengesetzte Richtungen axial geringfügig versetzt
sind.
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Über
den Käfig 4 werden die Kugeln 6, die
jeweils mit einer Kugellaufbahn 9 bzw. 10 des
Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 zum
Zweck der Drehmomentübertragung in Eingriff stehen, bei einer
Beugung des Gelenks in dessen Halbwinkelebene gehalten. 2 zeigt
das Gelenk 1 in gebeugter Stellung, in der die Bauteilachsen
A und B des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 einen
Beugewinkel β einschließen. Die Bauteilachse des
Käfigs 4 ist zu den Bauteilachsen A und B des Gelenkaußenteils 2 und
des Gelenkinnenteils 3 jeweils um β/2 angewinkelt.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kugellaufbahnen 9 und 10 vorzugsweise
so ausgeführt, dass sich alle Kugelbahnpaare bestehend
aus jeweils einer Kugellaufbahn 9 am Gelenkaußenteil 2 und
einer Kugellaufbahn 10 am Gelenkinnenteil 3 in
die gleiche Richtung öffnen, wodurch sich große
Beugewinkel β verwirklichen lassen. Hierdurch werden bei
einer Beugung des Gelenks die Kugeln 6 in einer Richtung
aus dem jeweiligen Kugellaugbahnpaar herausgedrängt. Die
dabei entstehenden Kräfte werden durch den Käfig 4 aufgefangen, der
sich seinerseits mit seinen Außen- und Innenfläche 11 und 12 an
den Käfigführungsflächen 7 und 8 des
Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkaußenteils 3 abstützt.
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Bei
dem dargestellten Gelenk werden die Kugeln 6 primär
durch einen Laufbahn-Offset in die Halbwinkelebene gesteuert. Dazu
sind die Krümmungsmittelpunkte OBa und
OBi der Kugellaufbahnradien RBa und
RBi des Gelenkaußenteils 2 und
des Gelenkinnenteils 3, die in 1 jeweils
auf den Mittelpunkt der betreffenden Kugel 6 bezogen sind,
um den gleichen Betrag VAXi und VAXi axial zu der Gelenkmitte Z versetzt.
Die entsprechenden Laufbahn-Steuerwinkel sind in 1 mit
den Bezugszeichen ψa und ψi gekennzeichnet. In einer Abwandlung des
Ausführungsbeispiels können die Krümmungsmittelpunkte OBa und OBi zusätzlich
einen radialen Versatz aufweisen.
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Wie
in 1 dargestellt, ergibt sich die Lage der Kugeln 6 beim
Abbeugen des Gelenks zum einen aus dem Schnittpunkt der Kugelmittelpunktsbahnen am
Gelenkaußenteil 2 und am Gelenkinnenteil 3. Zum
anderen werden die Kugeln 6 auch durch die Steuerung des
Käfigs 4 in einer gemeinsamen, so genannten homokinetischen
Ebene bzw. Halbwinkelebene geführt. Der Käfig 4 zentriert
hierbei das Gelenkaußenteil 2 und das Gelenkinnenteils 3 jeweils über
axial versetzte sphärische Außen- und Innenflächen 11 und 12 zueinander
und führt gleichzeitig die Kugeln 6 in den Fenstern 5.
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Um
eine einwandfreie Funktion des Gelenks 1 zu gewährleisten,
ist es bei einer Kombination dieser beiden Steuerungssysteme normalerweise
erforderlich, die Laufbahnsteuerung und/oder die Käfigzentrierung
mit Spiel auszuführen. Zudem muss die Lage der durch die
Kugelanlage an den Käfigfenstern 5 definierten
Ebene zu den Krümmungsmittelpunkten PKa und
PKi der sphärischen Außen-
und Innenflächen 11 und 12 des Käfigs 4 sehr
exakt eingehalten werden. Die entsprechenden Maße müssen
folglich mit einer hohen Genauigkeit und geringer Schwankungsbreite
hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird
der erforderliche Toleranzausgleich nun jedoch nicht primär über
die Steuerungssysteme sondern über die Käfigfenster 5 realisiert.
Hierbei macht man sich zunutze, dass die Kugeln 6 bei jeder
Umdrehung des abgebeugten Gelenks 1 eine Relativbewegung
zu den Käfigfenstern 5 in Umfangsrichtung des
Käfigs 4 vollführen. Diese Bewegung ist
in 4 durch SKrad gekennzeichnet. Die
Amplituden der Auslenkung in Umfangsrichtung SKrad um
eine durch die Lage der Kugel 6 bei gestrecktem Gelenk
definierte Mittelstellung nehmen mit zunehmendem Beugewinkel zu.
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Werden
die Seitenwände 13 und 14 der Fenster 5,
welche diese in Axialrichtung des Käfigs 4 begrenzen,
gekrümmt ausgeführt, wie dies in den 3 und 4 zu
erkennen ist, resultiert aus der Relativbewegung in Umfangsrichtung
SKrad zusätzlich eine axiale Bewegung
SKax der Kugeln 6. Hierdurch verschiebt
sich die Lage der homokinetischen Ebene, so dass eine dynamische
Anpassung an das von der Laufbahnsteuerung vorgegebene Drehzentrum erfolgen
kann.
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Die
einander gegenüberliegenden Seitenwände 13 und 14 der
Fenster 5 sind mit einer sich in Umfangsrichtung verändernden
Weite ausgeführt, so dass sich für die Kugeln 6 eine
von der Abweichung SKrad abhängige
Passung ergibt, die entsprechend dem benötigten Toleranzausgleich
gewählt wird.
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Beispielsweise
ist es möglich, die Kugeln 6 bei gestrecktem Gelenk 1,
d. h. bei koaxialer Ausrichtung des Gelenkaußenteils 2 und
des Gelenkinnenteils 3, spielfrei oder mit einem kleinen
Spiel Δ von maximal 0,2 mm zwischen den gekrümmten
Seitenwänden 13 und 14 der Fenster 5 zu
platzieren, während zu größeren Beugewinkeln
hin ein in Umfangsrichtung des Käfigs 4 zunehmendes
Spiel Δ vorgesehen wird, um Zwängungen und eine
damit verbundene höhere Reibung im Gelenk zu vermeiden.
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Vorzugsweise
nimmt dieses Spiel Δ ausgehend von einer Mittelstellung
bei gestrecktem Gelenk in beide Umfangsrichtungen des Käfigs 4 zu.
Diese Mittelstellung ist in 4 durch
eine Kugel 6 in Vollliniendarstellung gekennzeichnet.
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Wie 4 weiter
zeigt, sind die gekrümmten Seitenwände 13 und 14 der
bogenförmigen Fenster 5 durch zwei Krümmungsradien
R1 und R2 erzeugt, deren
Mittelpunkte OR1 und OR2 voneinander
beabstandet sind. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der kleinere Krümmungsradius R2 der
stärker gekrümmten Seitenwand 14 deutlich
kleiner, als R1–DK,
wobei DK den Kugeldurchmesser darstellt.
Hierdurch erhält die Kugel 6 im Käfigfenster 5 ein dynamisches
Spiel Δ, das sich je nach Stellung der Kugel 6 verändert.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt das Spiel Δ mit
der Radialabweichung zu.
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Es
ist jedoch prinzipiell auch möglich, durch zwei unterschiedliche
Krümmungsradien in Verbindung mit einem Versatz der Krümmungsmittelpunkte OR1 und OR2 ein sich
mit der Radialabweichung verjüngendes Spiel einzustellen.
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Anstelle
von Kreisbögen können ersatzweise kreisbogenähnliche
Kurvenverläufe vorgesehen werden, deren Krümmungszentren
voneinander beabstandet sind.
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Da
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Toleranzausgleich
zwischen beiden Steuerungssystemen über den Verlauf des
Spiels Δ der Kugeln 6 zwischen den gekrümmten
Seitenwänden 13 und 14 der Fenster 5 vorgenommen
ist, können die für Laufbahnsteuerung sowie die
Käfigzentrierung erforderlichen Abmessungen mit größeren
Toleranzen gefertigt werden, ohne dass die Gefahr einer erhöhten
Reibung oder eines Verklemmens des Gelenks bei großen Beugewinkeln
besteht.
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Der
vorstehend erläuterte Toleranzausgleich über ein
lageabhängiges Spiel Δ in den Käfigfenstern 5 kann
auch dann den zum Einsatz kommen, wenn die Steuerung der Kugeln 6 in
die Halbwinkelebene allein durch einen axialen Versatz der Krümmungszentren
der Kugellaufbahnen oder allein durch einen axialen Versatz der
Krümmungszentren der Käfigführungsflächen
erfolgt.
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- 1
- Gleichlaufgelenk
- 2
- Gelenkaußenteil
- 3
- Gelenkinnenteil
- 4
- Käfig
- 5
- Käfigfenster
- 6
- Kugel
- 7
- sphärische
Käfigführungsfläche am Gelenkaußenteil
- 8
- sphärische
Käfigführungsfläche am Gelenkinnenteil
- 9
- Kugellaufbahn
am Gelenkaußenteil
- 10
- Kugellaufbahn
am Gelenkinnenteil
- 11
- sphärische
Außenfläche des Käfigs
- 12
- sphärische
Innenfläche des Käfigs
- 13
- gekrümmte
Seitenwand
- 14
- gekrümmte
Seitenwand
- A
- Längsachse
des Gelenkaußenteils
- B
- Längsachse
des Gelenkinnenteils
- DK
- Kugeldurchmesser
- OBa
- Krümmungsmittelpunkt
der Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
- OBi
- Krümmungsmittelpunkt
der Kugellaufbahn an Gelenkinnenteil
- OFFKa
- axialer
Offset des Krümmungsmittelpunkts der sphärischen
Außenfläche 11
- OFFKi
- axialer
Offset des Krümmungsmittelpunkts der sphärischen
Innenfläche 12
- OR1
- Krümmungsmittelpunkt
des Radius der Seitenwand 13
- OR2
- Krümmungsmittelpunkt
des Radius der Seitenwand 14
- PKa
- Krümmungsmittelpunkt
der sphärischen Außenfläche 11 und
der Käfigführungsfläche 7
- PKi
- Krümmungsmittelpunkt
der sphärischen Innenfläche 12 und der
Käfigführungsfläche 8
- R1
- Radius
der Seitenwand 13
- R2
- stärker
gekrümmter Radius der Seitenwand 14
- RBa
- Krümmungsradius
der Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil (bezogen auf die Kugelmitte)
- RBi
- Krümmungsradius
der Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil (bezogen auf die Kugelmitte)
- SKax
- axiale
Relativverschiebung zwischen Kugel und Käfig
- SKrad
- Relativverschiebung
zwischen Kugel und Käfig in Umfangsrichtung des Käfigs
- VAXa
- axialer
Offset des Krümmungsmittelpunkts der Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
- VAXi
- axialer
Offset des Krümmungsmittelpunkts der Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil
- β
- Beugewinkel
- Δ
- Spiel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 1975758 [0003, 0004]
- - US 2046584 [0003]
- - GB 2269438 A [0007, 0007, 0012]