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Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufdrehgelenk zur Drehmomentübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Gleichlaufgelenk ist eine mechanische Kupplung, die zwei Wellen miteinander verbindet, wobei die Drehgeschwindigkeit einer Ausgangswelle unabhängig vom Beugewinkel des Gelenks gleich der Drehgeschwindigkeit einer Eingangswelle ist. Ein Gleichlaufdrehgelenk weist dabei ein Gelenkaußenteil mit mehreren äußeren Kugelbahnen, ein Gelenkinnenteil mit mehreren inneren Kugelbahnen und drehmomentübertragende Kugeln auf, die jeweils in Bahnpaaren aus äußeren Kugelbahnen und inneren Kugelbahnen geführt sind. Ferner ist ein Käfig vorgesehen, der die Kugeln in Käfigfenstern aufnimmt und bei gestrecktem Gleichlaufdrehgelenk in einer gemeinsamen Gelenkmittelebene hält. Bei Abwinkelung des Gelenks hält der Käfig die Kugeln in der homokinetischen Ebene. Eine sphärische Außenfläche des Käfigs liegt dabei mit Spiel an einer sphärischen Innenfläche des Gelenkaußenteils an, während eine sphärische Innenfläche des Käfigs mit Spiel an einer sphärischen Außenfläche des Gelenkinnenteils anliegt, um so ein freies Schwenken des Käfigs zwischen den beiden Gelenkteilen zu ermöglichen.
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Bei Abwinkelung des Gelenkes bewegen sich die Kugeln in den jeweiligen Kugelbahnen nach innen und außen, wobei sie vom Käfig in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden. Auch bei hohen Abwinkelungen soll dabei ein sicheres und geräuscharmes Übertragen von Drehmoment der Eingangswelle auf die Ausgangswelle gewährleistet sein. Hierzu können die Verläufe der Kugelbahnen entsprechend gewählt werden, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, eine Kugelbahn aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Krümmungen zu bilden. Um eine möglichst hohe Abwinkelung zu ermöglichen, ist es beispielsweise bekannt, dass sich eine konkav gekrümmte Kugelbahn des Gelenkaußenteils zur Öffnungsseite des Gelenks hin aufweitet. Diese Aufweitung kann linear ausgeführt sein, wie es beispielsweise in der
US 6,431,988 B1 beschrieben ist. Die
DE 197 06 864 C1 offenbart hingegen ein Gleichlaufdrehgelenk, bei dem sich bei einer äußeren Kugelbahn an einen konkaven Innenabschnitt ein konvexer Außenabschnitt anschließt.
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Durch derartige Maßnahmen lassen sich große Beugewinkel von bis zu 53° oder sogar 54° erreichen, da Kugeln teilweise aus dem Gelenkaußenteil austreten können, wobei sie vom Käfig gehalten werden. Allerdings neigen Gleichlaufgelenke mit sich zur Gelenköffnung hin aufweitenden äußeren Kugelbahnen zu Geräuschentwicklungen. Durch Addition von axialen Luftspielen in den Bereichen zwischen den Komponenten Gelenkaußenteil, Käfig und Gelenkinnenteil kann es im Bereich höherer Gelenkbeugungen zu erhöhtem Spiel zwischen den Kugeln und den Kugelbahnen kommen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gleichlaufdrehgelenk bereitzustellen, welches bei möglichst geringer Geräuschentwicklung hohe Beugewinkel im Bereich von 54° ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Gleichlaufdrehgelenk gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gleichlaufdrehgelenks ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-13.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Das erfindungsgemäße Gleichlaufdrehgelenk zur Drehmomentübertragung weist ein Gelenkaußenteil mit mehreren äußeren Kugelbahnen, ein Gelenkinnenteil mit mehreren inneren Kugelbahnen und drehmomentübertragende Kugeln auf, die jeweils in Bahnpaaren aus äußeren Kugelbahnen und inneren Kugelbahnen geführt sind. Ferner ist ein Käfig vorgesehen, der die Kugeln in Käfigfenstern aufnimmt und bei gestrecktem Gleichlaufdrehgelenk in einer gemeinsamen Gelenkmittelebene E hält. Bei Abwinkelung des Gelenks hält der Käfig die Kugeln in der homokinetischen Ebene. Das Gelenkaußenteil weist eine Längsachse La und axial zueinander entgegengesetzt liegend eine Öffnung und ein Anschlussteil auf. Es handelt sich vorzugsweise um ein Kugelgleichlauffestgelenk. In axialer Richtung wird die Seite der Öffnung des Gelenks als „außen“ bezeichnet, während die Seite des Anschlussteils als „innen“ bezeichnet wird.
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Die äußeren Kugelbahnen des Gelenkaußenteils weisen Mittellinien Sa und äquidistant dazu verlaufende Bahngrundlinien auf, während die inneren Kugelbahnen Mittellinien Si und äquidistant dazu verlaufende Bahngrundlinien aufweisen. Die Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen weisen dabei wenigstens einen konkav gekrümmten Innenabschnitt auf und, jeweils dazu entgegengesetzt, einen Außenabschnitt, der sich in Richtung Öffnung des Gelenkaußenteils und in Bezug zur Längsachse La des Gelenkaußenteils aufweitet. Die Bahnkurven der äußeren Kugelbahnen weiten sich daher zur Gelenköffnung hin auf. Entsprechend weisen die Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen wenigstens einen konvex gekrümmten Außenabschnitt auf und, jeweils dazu entgegengesetzt, einen Innenabschnitt, der sich in Richtung Anschlussteil des Gelenkaußenteils und in Bezug zur Längsachse La des Gelenkaußenteils aufweitet. Der abschnittsweise konkave und konvexe Verlauf der Mittellinien der Kugelbahnen ergibt sich dabei bei gestrecktem Gelenk und in radialer Blickrichtung auf die jeweilige Kugelbahn.
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So wie sich die äußeren Kugelbahnen zur Gelenköffnung hin aufweiten, weiten sich die inneren Kugelbahnen in Richtung Anschlussteil auf. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass sich bei den Außenabschnitten der äußeren Kugelbahnen der Abstand zwischen der jeweiligen Mittellinie bzw. Bahngrundlinie und der Längsachse La des Gelenkaußenteils zur Gelenköffnung hin erhöht. Entsprechend erhöht sich bei den Innenabschnitten der inneren Kugelbahnen der Abstand zwischen der jeweiligen Mittellinie bzw. Bahngrundlinie und der Längsachse Li des Gelenkinnenteils zum Anschlussteil hin. So sind die Kugeln bei einer Beugung des Gelenks stets zwischen zwei Kugelbahnen eines Bahnpaares gehalten. Die Aufweitung der äußeren Kugelbahnen beginnt jedoch vorzugsweise relativ weit außen, d.h. im letzten Bereich der Gelenkglocke.
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Bei maximal gebeugtem Gleichlaufdrehgelenk kontaktiert eine Kugel den Außenabschnitt einer äußeren Kugelbahn und den Innenabschnitt einer inneren Kugelbahn eines Bahnpaares. Zwischen dem konkaven Innenabschnitt einer äußeren Kugelbahn und ihrem Außenabschnitt und zwischen dem konvexen Außenabschnitt einer inneren Kugelbahn und ihrem Innenabschnitt können weitere Bahnsegmente vorgesehen sein. Hierbei kann es sich um gerade oder gekrümmte Abschnitte handeln. An einen Außenabschnitt und einen Innenabschnitt können sich auch weitere Bahnsegmente anschließen, die gerade oder gekrümmt ausgeführt sind. Die Mittellinie einer Kugelbahn setzt sich so aus mehreren gekrümmten oder gekrümmten und geraden Segmenten zusammen. Dabei können die Radien der gekrümmten Abschnitte und die Steigungen der geraden Abschnitte über die gesamte Kugelbahn variieren. Somit kann eine Kugelbahn weitere innen oder außen liegende Abschnitte aufweisen. Der Innenabschnitt einer inneren Kugelbahn und der Außenabschnitt einer äußeren Kugelbahn sind für die vorliegende Erfindung jedoch dahingehend definiert, dass es sich um diejenigen Abschnitte handelt, in deren Bereich eine Kugel bei maximal ausgelenktem Gleichlaufdrehgelenk eine äußere Kugelbahn und eine innere Kugelbahn eines Bahnpaares kontaktiert.
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Erfindungsgemäß weiten sich die äußeren Kugelbahnen jedoch nicht in gleichem Maß auf wie die inneren Kugelbahnen. Vielmehr sieht die Erfindung vor, dass sich bei gestrecktem Gleichlaufdrehgelenk die Mittellinien einer äußeren und einer inneren Kugelbahn eines Bahnpaares in einem Schnittpunkt S schneiden und dabei nicht spiegelsymmetrisch sind gegenüber einer Spiegelebene Z durch diesen Schnittpunkt S. Die angenommene Spiegelebene Z liegt dabei in der Gelenkmittelebene E oder parallel zu dieser. Die Bahnkurve der inneren Kugelbahnen ist somit keine direkte Abbildung der Bahnkurve der äußeren Kugelbahnen, während dies bei bekannten Gleichlaufgelenken mit spiegelsymmetrischen Bahnkurven der Fall ist.
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Dabei liegt der Unterschied zwischen den Verläufen der Mittellinien der Kugelbahnen eines Bahnpaares darin, dass sich der Innenabschnitt der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen in Bezug zur Längsachse La des Gelenkaußenteils stärker aufweitet als der Außenabschnitt der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen bzw. der Außenabschnitt der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen weitet sich geringer auf als der Innenabschnitt der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen. So kann erreicht werden, dass bei stark und insbesondere bei maximal gebeugtem Gelenk der Abstand zwischen äußerer und innerer Kugelbahn eines Bahnpaares reduziert wird, wodurch sich das Spiel der Kugel in dieser Position verringert. Hierdurch lassen sich negative Geräuschentwicklungen reduzieren und mögliche Klopfgeräusche insbesondere bei Kurvenfahrten verhindern. Gleichzeitig können hohe Beugewinkel bis zu 54° verwirklicht werden.
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Dabei können sich die Verläufe der inneren und äußeren Bahnkurven aber auch in anderen Teilbereichen unterscheiden. Die unterschiedliche Aufweitung der inneren und äußeren Kugelbahnen kann auf verschiedenen Arten erreicht werden. Gegenüber bisher bekannten Ausführungsformen, bei denen sich die Außenabschnitte der äußeren Kugelbahnen und die Innenabschnitte der inneren Kugelbahnen in gleichem Maß aufweiten, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Aufweitung der Innenabschnitte der inneren Kugelbahnen verstärkt wird. Alternativ kann auch die Aufweitung der Außenabschnitte der äußeren Kugelbahnen verringert werden.
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Beispielsweise ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich der Außenabschnitt der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen und der Innenabschnitt der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen in Bezug zur Längsachse La des Gelenkaußenteils linear aufweiten. So wird zwischen dem Außenabschnitt einer äußeren Kugelbahn und der Längsachse La des Gelenkaußenteils ein Winkel Alpha a aufgespannt. Zwischen dem Innenabschnitt einer inneren Kugelbahn und der Längsachse Li des Gelenkinnenteils wird ein Winkel Alpha i aufgespannt. Damit sich die geraden Außenabschnitte der äußeren Kugelbahnen stärker aufweiten als die geraden Innenabschnitte der inneren Kugelbahnen ist vorgesehen, dass bezüglich der Längsachse La des Gelenkaußenteils die Steigung des Innenabschnitts der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen größer ist als die Steigung des Außenabschnitts der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen. In diesem Fall ist der Winkel Alpha a kleiner als der Winkel Alpha i.
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Neben unterschiedlichen Steigungen können unterschiedlichen Aufweitungen auch durch eine axiale Verschiebung des Beginns eines Innen- bzw. Außenabschnitts erreicht werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise vorgesehen, dass bei einem gestreckten Gelenk und bei einer Spiegelung der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen an der Spiegelebene Z der gesamte gespiegelte Innenabschnitt der gespiegelten Mittellinien Si' der inneren Kugelbahnen näher am Anschlussteil liegt als der gesamte Außenabschnitt der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen. Gegenüber dem Außenabschnitt der äußeren Kugelbahn ist der gespiegelte Innenabschnitt der inneren Kugelbahn daher parallel entlang der Längsachsen La, Li verschoben, und zwar in Richtung Anschlussteil des Gelenks. Die Aufweitung des linearen Innenabschnitts einer inneren Kugelbahn beginnt dann näher am Schnittpunkt S als beim Außenabschnitt einer äußeren Kugelbahn. Dabei kann ausschließlich eine solche Parallelverschiebung vorliegen oder die Steigungen der geraden Innen- und Außenabschnitte unterscheiden sich zusätzlich.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Außenabschnitt der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen gekrümmt mit einem Radius Ra aufweitet, und sich der Innenabschnitt der Mittellinien Si der inneren Kugelbahn gekrümmt mit einem Radius Ri aufweitet. Damit sich die gekrümmten Außenabschnitte der äußeren Kugelbahnen stärker aufweiten als die gekrümmten Innenabschnitte der inneren Kugelbahnen kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Radius Ri des Innenabschnitts der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen kleiner ist als der Radius Ra des Außenabschnitts der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen. Auf diese Weise ist der Innenabschnitt einer inneren Kugelbahn stärker gekrümmt als der Außenabschnitt einer äußeren Kugelbahn.
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Alternativ oder ergänzend kann auch bei gekrümmten Innen- und Außenabschnitten vorgesehen sein, dass unterschiedliche Aufweitungen durch eine axiale Verschiebung des Beginns eines Innen- bzw. Außenabschnitts in Bezug zum Schnittpunkt S erreicht werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise vorgesehen, dass bei einem gestreckten Gelenk und bei einer Spiegelung der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen an der Spiegelebene Z der gesamte gespiegelte Innenabschnitt der gespiegelten Mittellinien Si' der inneren Kugelbahnen näher am Anschlussteil liegt als der gesamte Außenabschnitt der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen. In diesem Fall liegt folglich bei einer Spiegelung der Mittellinien Si der inneren Kugelbahnen an der Spiegelebene Z der Mittelpunkt des zum Radius Ri des gespiegelten Innenabschnitts der gespiegelten Mittellinien Si' der inneren Kugelbahnen gehörenden Kreises näher am Anschlussteil als der Mittelpunkt des zum Radius Ra des Außenabschnitts der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen gehörenden Kreises, da der gespiegelte Innenabschnitt der inneren Kugelbahn insgesamt näher am Anschlussteil liegt als der Außenabschnitt der äußeren Kugelbahn. Dies ist aber auch gegeben, wenn der gekrümmte Innenabschnitt einer inneren Kugelbahn bei einer Spiegelung an der Spiegelebene Z am gleichen Punkt beginnt wie der Außenabschnitt einer äußeren Kugelbahn, der Innenabschnitt der inneren Kugelbahn aber zum Anschlussteil des Gelenks hin gedreht ist. Ferner kann gleichzeitig eine Verschiebung des Innenabschnitts einer inneren Kugelbahn und ein solches Drehen in Richtung Anschlussteil vorgesehen werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Gleichlaufdrehgelenk einen Käfig-Offset auf. Es schneiden sich dabei die Längsachse La des Gelenkaußenteils und die Gelenkmittelebene E in einem Gelenkmittelpunkt O. Der Käfig weist eine sphärische Käfigaußenfläche und eine sphärische Käfiginnenfläche auf. Die sphärische Käfigaußenfläche steht in Flächenkontakt mit einer sphärischen Gelenkinnenfläche des Gelenkaußenteils, während die sphärische Käfiginnenfläche in Flächenkontakt mit einer sphärischen Gelenkaußenfläche des Gelenkinnenteils steht. Um den Käfig-Offset zu bewirken, liegen die Mittelpunkte der sphärischen Käfiginnenfläche und der sphärischen Käfigaußenfläche auf der Längsachse La auf entgegen gesetzten Seiten des Gelenkmittelpunktes O. Insbesondere liegen die Mittelpunkte der sphärischen Käfiginnenfläche und der sphärischen Käfigaußenfläche dabei im gleichen Abstand zum Gelenkmittelpunkt O.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Gleichlaufdrehgelenk einen Kugelbahn-Offset auf. Der Kugelbahn-Offset ist dadurch gegeben, dass bei gestrecktem Gelenk die Mittelpunkte der konkaven Innenabschnitte der äußeren Kugelbahnen und die Mittelpunkte der konvexen Außenabschnitte der inneren Kugelbahnen auf der Längsachse La auf entgegen gesetzten Seiten des Gelenkmittelpunktes O liegen. Dieser Kugelbahn-Offset kann auch mit einem Käfig-Offset kombiniert werden. In diesem Fall liegen vorzugsweise die Mittelpunkte der konkaven Innenabschnitte der äußeren Kugelbahnen und die Mittelpunkte der konvexen Außenabschnitte der inneren Kugelbahnen jeweils in einem größeren Abstand zum Gelenkmittelpunkt O als die Mittelpunkte der sphärischen Käfiginnenfläche und der sphärischen Käfigaußenfläche.
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Insgesamt kann so ein Gleichlaufdrehgelenk bereitgestellt werden, mit dem große Beugewinkel von 54° verwirklicht werden können, wobei nachteilige Geräuschentwicklungen reduziert sind. Dabei muss der Gelenkbauraum gegenüber Gelenken mit spiegelsymmetrischen Verläufen von äußeren und inneren Kugelbahnen nicht verändert werden. Ferner können realistische Zwischenwellendurchmesser verwendet werden, und der Außendurchmesser des Gelenks kann gegenüber bekannten Gelenken mit hohen Beugewinkeln weiter reduziert werden. Die Erfindung kann bei Gleichlaufgelenken mit verschiedenen Anzahlen von Kugeln eingesetzt werden.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Von den Abbildungen zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichlaufgelenks bei gestrecktem Gelenk;
- 2 ein Gleichlaufgelenk gemäß 1 mit dem gespiegelten Verlauf des Innenabschnitts einer inneren Kugelbahn;
- 3 einen Längsschnitt durch ein Gleichlaufgelenk gemäß 1 bei maximal gebeugtem Gelenk;
- 4 ein gebeugtes Gleichlaufgelenk gemäß 3 mit unterschiedlichen Winkeln der Mittellinien der inneren und äußeren Kugelbahnen bezüglich der Längsachsen Li und La;
- 5 eine erste Ausführungsform des Verlaufes der Mittellinien zweier Kugelbahnen eines Bahnpaares mit linearer Aufweitung;
- 6 eine zweite Ausführungsform des Verlaufes der Mittellinien zweier Kugelbahnen eines Bahnpaares mit gekrümmter Aufweitung;
- 7 den Verlauf gemäß 5 mit einer gespiegelten Mittellinie der inneren Kugelbahn;
- 7 eine dritte Ausführungsform des Verlaufes der Mittellinien zweier Kugelbahnen eines Bahnpaares mit linearer Aufweitung;
- 8 eine vierte Ausführungsform des Verlaufes der Mittellinien zweier Kugelbahnen eines Bahnpaares mit linearer Aufweitung;
- 9 eine fünfte Ausführungsform des Verlaufes der Mittellinien zweier Kugelbahnen eines Bahnpaares mit linearer Aufweitung;
- 10 eine vierte Ausführungsform des Verlaufes der Mittellinien zweier Kugelbahnen eines Bahnpaares mit gekrümmter Aufweitung;
- 11 eine fünfte Ausführungsform des Verlaufes der Mittellinien zweier Kugelbahnen eines Bahnpaares mit gekrümmter Aufweitung;
- 12 eine öffnungsseitige Frontansicht eines Gleichlaufdrehgelenks gemäß 1 bei gestrecktem Gelenk;
- 13 einen Schnitt A-A durch das Gleichlaufdrehgelenk der 12; und
- 14 eine öffnungsseitige Frontansicht eines Gleichlaufdrehgelenks gemäß 1 bei maximal gebeugtem Gelenk.
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Das in 1 gezeigte Gleichlaufdrehgelenk 10 ist auf bekannte Art ausgeführt und in gestreckter Stellung dargestellt, d.h. bei einem Beugewinkel Omega von 0°. Das Gleichlaufdrehgelenk 10 wird im Folgenden zur Vereinfachung auch einfach als Gelenk bezeichnet. Das Gelenk 10 weist ein Gelenkaußenteil 20 und ein Gelenkinnenteil 30 auf. Zwischen dem Gelenkaußenteil 20 und dem Gelenkinnenteil 30 befindet sich ein Käfig 50 mit über den Umfang des Käfigs 50 verteilten Käfigfenstern. In diesen Käfigfenstern ist jeweils eine drehmomentübertragende Kugel aufgenommen, wobei in 1 zwei gegenüberliegende Kugeln 40 und 41 in zwei Käfigfenstern 51 und 52 ersichtlich sind. Insgesamt sind bei dieser Ausführungsform eines Gleichlaufdrehgelenks 10 im Käfig sechs Kugeln aufgenommen, wie es den Ansichten der 12 und 14 zu entnehmen ist. Die Mittelpunkte der Kugeln liegen bei gestrecktem Gelenk in der Gelenkmittelebene E, die in einem Winkel von 90° zur Längsachse La des Gelenkaußenteils 20 und der Längsachse Li des Gelenkinnenteils 30 verläuft.
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Das Gelenkaußenteil 20 ist halbkugelförmig wie eine Gelenkglocke ausgebildet und steht über einen Boden mit einem Anschlussteil 61 in Verbindung. Dieses Anschlussteil 61 wird durch einen Gelenkzapfen gebildet, der mit einer Welle verbindbar ist (nicht dargestellt). Dem Anschlussteil 61 axial gegenüber liegt eine Öffnung 60 des Gelenkaußenteils 20 und damit des gesamten Gelenks 10. Durch diese Öffnung 60 sind das Gelenkinnenteil 30 und der Käfig 50 mit den Kugeln 40, 41 in das Gelenkaußenteil 20 eingebracht. Das Gelenkinnenteil 30 ist mit einer inneren Längsverzahnung versehen, in die eine Welle mit Außenverzahnung einsteckbar ist, um so eine drehmomentübertragende Welle-Nabe-Verbindung auszubilden (nicht dargestellt).
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Am Gelenkaußenteil 20 sind zwei von mehreren umfangsseitig verteilten äußeren Kugelbahnen 21 und 22 gezeigt, während am Gelenkinnenteil 30 zwei von mehreren umfangsseitig verteilten inneren Kugelbahnen 31 und 32 gezeigt sind. Die Beschreibung dieser Kugelbahnen gilt analog auch für die weiteren Kugelbahnen, die vorzugsweise identisch ausgeführt sind. Die Kugelbahnen 21 und 31 bilden ein Bahnpaar zur Aufnahme der Kugel 40, während die Kugelbahnen 22 und 32 ein weiteres Bahnpaar zur Aufnahme der Kugel 41 bilden. Diese Kugelbahnen haben bei einem Schnitt entlang der Gelenkmittelebene E einen rinnenförmigen Querschnitt, wie er auch der 12 zu entnehmen ist. Beispielsweise weist die äußere Kugelbahn 21 eine Bahngrundlinie 23 auf, während die innere Kugelbahn 31 eine Bahngrundlinie 33 aufweist. Das Gleiche gilt für die Bahngrundlinie 24 der äußeren Kugelbahn 22 und die Bahngrundlinie 34 der inneren Kugelbahn 32.
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Gestrichelt dargestellt sind in 1 für die äußere Kugelbahn 21 und die innere Kugelbahn 31 die Mittellinien der jeweiligen Kugelbahn, die äquidistant zu den zugehörigen Bahngrundlinien 23 und 33 verlaufen. Dabei setzt sich der Verlauf der Kugelbahnen in axialer Richtung aus mehreren Abschnitten zusammen, die verschiedene Radien und Steigungen haben. Die äußere Kugelbahn 21 und damit ihre Mittellinie Sa weist auf der Innenseite einen konkav gekrümmten Abschnitt auf, wobei die Kugelbahn 21 anschließend im Bereich der Kugel 40 beginnt, sich zur Öffnung 60 hin aufzuweiten. Diese Aufweitung setzt sich beispielsweise aus mehreren geraden oder gekrümmten Segmenten zusammen.
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Ebenso weist die innere Kugelbahn 31 und damit ihre Mittellinie Si auf der Außenseite einen konvex gekrümmten Abschnitt auf, wobei die Kugelbahn 31 im Bereich der Kugel 41 beginnt, sich zum Anschlussteil 61 hin aufzuweiten. Diese Aufweitung kann sich ebenfalls aus mehreren geraden oder gekrümmten Segmenten zusammensetzen. Die Mittellinie Si der inneren Kugelbahn 31 und die Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn Sa schneiden sich in einer Spiegelebene Z, die in der Ausführungsform der 1 mit der Gelenkmittelebene E zusammenfällt. Je nach Toleranzfeldlage des Gelenks kann die Spiegelebene Z jedoch auch neben der Gelenkmittelebene E liegen.
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Die beiden Mittellinien Sa und Si sind erfindungsgemäß nicht spiegelsymmetrisch bezüglich dieser Spiegelebene Z, sondern die innere Kugelbahn 31 ist keine direkte Abbildung der äußeren Kugelbahn 21. 2 zeigt die an der Spiegelebene Z gespiegelte Mittellinie Si' der inneren Kugelbahn 31, und es ist ersichtlich, dass der Verlauf des gespiegelten Innenabschnitts der inneren Kugelbahn 31 nicht dem Verlauf des Außenabschnitts der äußeren Kugelbahn 21 entspricht. Der gespiegelte Innenabschnitt der inneren Kugelbahn 31 weitet sich stärker auf als der Außenabschnitt der äußeren Kugelbahn 21. Dies hat insbesondere bei einer Beugung des Gelenks 10 um einen maximalen Beugewinkel gegenüber herkömmlichen Gleichlaufdrehgelenken den positiven Effekt, dass der Abstand zwischen äußerer Kugelbahn 21 und innerer Kugelbahn 31 reduziert ist.
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3 zeigt das Gelenk 10 bei maximaler Auslenkung in einem Beugewinkel Omega. Der Winkel Omega liegt im Bereich von 53° oder vorzugsweise sogar 54°. Bei dieser Darstellung handelt es sich um einen Schnitt B-B durch das Gelenk der 14. In dieser Stellung des Gelenks 10 tritt die Kugel 40 teilweise aus der Gelenkglocke des Gelenkaußenteils 20 aus und wird dort über drei Punkte gehalten. Ein erster Kontaktbereich 80 entsteht zwischen Kugel 40 und dem Außenabschnitt der äußeren Kugelbahn 21. Ein zweiter Kontaktbereich 81 entsteht zwischen der Kugel 40 und dem Innenabschnitt der inneren Kugelbahn 31. Ein dritter Kontaktbereich 82 entsteht zwischen Kugel 40 und der Innenseite des Käfigfensters 51 des Käfigs 50. Zwischen Gelenkaußenteil 20, Gelenkinnenteil 30 und dem Käfig 50 liegt jeweils axiales Spiel vor, das sich bei hoher Auslenkung des Gelenks addiert. Dabei bewegt sich das Gelenkinnenteil mit zunehmender Beugung des Gelenks in Richtung Öffnung 60. Bei herkömmlichen Gelenken kann die Kugel 40 mit so großem Spiel zwischen den drei Kontaktbereichen 80, 81 und 82 gehalten sein, dass es zu nachteiligen Geräuschentwicklungen kommt. Durch den stärkeren Anstieg des Innenabschnitts der inneren Kugelbahn 31 wird die Kugel 40 bei hohen Auslenkungen in Richtung Außenabschnitt der äußeren Kugelbahn 21 und Innenseite des Käfigfensters 51 bewegt, wodurch sich das Spiel und somit die Geräuschentwicklung reduzieren.
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Die unterschiedliche Aufweitung der inneren und äußeren Kugelbahnen kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Verläuft die Aufweitung linear, können diese linearen Aufweitungen beispielsweise mit unterschiedlichen Steigungen bezüglich der jeweiligen Längsachsen La, Li ausgeführt sein. 4 zeigt das Gelenk 10 in der maximal gebeugten Stellung, wobei der Innenabschnitt 31i der Mittellinie Si der inneren Kugelbahn 31 in einem Winkel Alpha i zur Längsachse Li des Gelenkinnenteils 30 verläuft. Der lineare Außenabschnitt 21a der Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn 21 verläuft in einem Winkel Alpha a zur Längsachse La des Gelenkaußenteils 20. Der Winkel Alpha a ist dabei größer als der Winkel Alpha i.
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Zur einfacheren Darstellung der stärkeren Aufweitung des Innenabschnitts 31i der inneren Kugelbahn 31 ist in 5 der Verlauf von inneren und äußeren Kugelbahnen einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichlaufdrehgelenks dargestellt. In dem dargestellten Bahnpaar schneiden sich die Mittellinie Si der inneren Kugelbahn und die Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn in einem Schnittpunkt S. Dieser Schnittpunkt S stellt gleichzeitig den Schnittpunkt einer Spiegelebene Z und einer Achse L dar, die in einem Winkel von 90° zur Spiegelebene Z verläuft. Dabei liegt die Öffnung des Gelenks in 5 links, während sich das Anschlussteil rechts befindet (siehe 1). Die linke Seite wird daher in den Figuren als „außen“ bezeichnet, während die rechte Seite als „innen“ bezeichnet wird.
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Beide Mittellinien Sa, Si setzen sich aus mehreren Segmenten zusammen, die insgesamt eine wellenförmige Bahnkurve formen. Die Mittellinie Si der inneren Kugelbahn weist einen Außenabschnitt 31a auf, der in Blickrichtung auf die innere Kugelbahn gesehen konvex ausgebildet ist. Auf der rechten Innenseite ist ein linearer Innenabschnitt 31i ausgebildet, der bezüglich der Achse L in einem Winkel Alpha i verläuft. Entsprechend weist die Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn einen Innenabschnitt 21a auf, der in Blickrichtung auf die äußere Kugelbahn gesehen konkav ausgebildet ist. Auf der linken Außenseite ist ein linearer Außenabschnitt 21a ausgebildet, der bezüglich der Achse L in einem Winkel Alpha a verläuft. Wie bereits in Bezug zu 4 erläutert, ist Alpha a < Alpha i.
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Bezüglich der Spiegelebene Z sind die beiden Mittellinien Sa, Si daher nicht spiegelsymmetrisch. In einem einheitlichen Abstand a rechts und links vom Schnittpunkt S ist die Entfernung h, H zwischen der Achse L und dem jeweiligen Innenabschnitt 31i und dem Außenabschnitt 21a somit nicht gleich. Die Entfernung H zwischen der Achse L und dem Innenabschnitt 31i der inneren Kugelbahn ist vielmehr größer als die Entfernung h zwischen der Achse L und dem Außenabschnitt 21a der äußeren Kugelbahn. Der Abstand a ist dadurch definiert, dass in diesem Bereich der jeweiligen Bahnkurven bei stark und insbesondere bei maximal gebeugtem Gelenk der Kontakt zwischen einer aus dem Gelenkaußenteil austretenden Kugel und den Kontaktbereichen 80, 81 und 82 stattfindet (siehe 3).
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In 6 ist der Verlauf von inneren und äußeren Kugelbahnen einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichlaufdrehgelenks dargestellt, wobei die gleiche Darstellungsform gewählt wurde wie in 5. Die Mittellinien Sa, Si setzen sich erneut aus mehreren Segmenten zusammen, die insgesamt eine S-förmige Bahnkurve formen. Die Mittellinie Si der inneren Kugelbahn weist wieder einen Außenabschnitt 31a auf, der in Blickrichtung auf die innere Kugelbahn gesehen konvex ausgebildet ist. Auf der Innenseite ist ein ebenfalls gekrümmter Innenabschnitt 31i ausgebildet, dessen Krümmung jedoch entgegengesetzt zur Krümmung des Außenabschnitts 31a ausgeformt ist. Dieser gekrümmte Innenabschnitt 31i weist einen Radius Ri auf.
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Entsprechend weist die Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn einen Innenabschnitt 21i auf, der in Blickrichtung auf die äußere Kugelbahn gesehen konkav ausgebildet ist. Auf der Außenseite ist ein gekrümmter Außenabschnitt 21a ausgebildet, dessen Krümmung jedoch entgegengesetzt zur Krümmung des Außenabschnitts 21i ausgeformt ist. Dieser gekrümmte Außenabschnitt 21a weist einen Radius Ra auf. Bezüglich der Spiegelebene Z sind die beiden Mittellinien Sa, Si nicht spiegelsymmetrisch, sondern der Radius Ri ist kleiner als der Radius Ra. Hierdurch ist die Entfernung h kleiner als die Entfernung H.
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Dabei können die Mittellinien Sa, Si im Bereich des Schnittpunkts S und auch im Übergang zum Innenabschnitt 31i der Mittellinie Si und dem Außenabschnitt 21a der Mittellinie Sa verschiedene geeignete Verläufe annehmen. Beispielsweise kann dieser Übergang durch mehrere gerade oder gekrümmte Bahnsegmente geformt sein. Aufgrund einer speziellen Bauform eines Gleichlaufdrehgelenks könnten sich an die in den 5 und 6 freien Enden der Mittellinien Sa, Si auch weitere Segmente anschließen, die dann jedoch nicht dem Verlauf der zugehörigen Kugelbahnen zuzuordnen wären, wenn eine Kugel diese Bereiche beim Betrieb des Gelenks nicht durchläuft.
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Unterschiedliche Entfernungen h, H in einem Abstand a zum Schnittpunkt S können ferner auch mit anderen Variationen von Bahnkurven erreicht werden. Die 7, 8 und 9 zeigen beispielsweise Verlaufsvarianten bei einer linearen Aufweitung der Kugelbahnen, wobei die Mittellinien Sa und Si der äußeren und inneren Kugelbahn eines Bahnpaares jeweils gestrichelt dargestellt sind. Die Spiegelung der Mittellinie Si der inneren Kugelbahn an der Spiegelebene Z ist hingegen mit einer gepunkteten Linie dargestellt und mit Si' gekennzeichnet. Daraus ergibt sich ein gespiegelter Innenabschnitt 31i' der gespiegelten Mittellinie Si' der inneren Kugelbahn, anhand dessen der Verlauf dieses gespiegelten Innenabschnitts 31' gegenüber dem Außenabschnitt 21a der Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn verglichen werden kann.
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7 zeigt einen Verlauf der inneren Kugelbahn, bei dem eine Parallelverschiebung des geraden Außenabschnitts 21a der Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn entlang der Achse L nach rechts den gespiegelten Innenabschnitt 31i' der gespiegelten Mittellinie Si' der inneren Kugelbahn ergibt. Der gespiegelte Innenabschnitt 31i' befindet sich somit bei einer solchen gedachten Spiegelung insgesamt näher am Anschlussteil als der Außenabschnitt 21a. 8 zeigt hingegen einen Verlauf, bei dem die Mittellinie Si' zunächst dem Verlauf der Mittellinie Sa im Bereich des Schnittpunkts S und dem Verlauf des Außenabschnitts 21a folgt. Danach erhöht sich die Steigung des Innenabschnitts 31i' gegenüber dem Außenabschnitt 21a. 9 zeigt prinzipiell ebenfalls eine solche Bahnkurve, deren gespiegelte Mittellinie Si' jedoch noch länger dem Verlauf der Mittellinie Sa folgt, bevor sich ihre Steigung im Bereich des gespiegelten Innenabschnitts 31I' erhöht.
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Die 10 und 11 zeigen mögliche Verlaufsvarianten bei einer gekrümmten Aufweitung der Kugelbahnen. 10 zeigt einen Verlauf der inneren Kugelbahn, bei dem eine Parallelverschiebung des gekrümmten Außenabschnitts 21a der Mittellinie Sa der äußeren Kugelbahn entlang der Achse L nach rechts den gespiegelten Innenabschnitt 31i' der gespiegelten Mittellinie Si' der inneren Kugelbahn ergibt. Der gespiegelte Innenabschnitt 31i' befindet sich somit bei einer solchen gedachten Spiegelung insgesamt näher am Anschlussteil als der Außenabschnitt 21a. 11 zeigt hingegen einen Verlauf, bei dem der Radius Ra des gekrümmten Außenabschnitts 21a dem Radius Ri' des gespiegelten Innenabschnitts 31i' entspricht. Der gespiegelte Innenabschnitt 31i' ist jedoch insgesamt um den Schnittpunkt S nach rechts gedreht. Der Mittelpunkt des zum Radius Ri ,des gespiegelten Innenabschnitts 31i' der gespiegelten Mittellinien Si' gehörenden Kreises liegt dabei näher am Anschlussteil 61 als der Mittelpunkt des zum Radius Ra des Außenabschnitts 21a der Mittellinien Sa der äußeren Kugelbahnen gehörenden Kreises.
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Einzelne dieser Ausführungsformen von Bahnkurven lassen sich auch geeignet miteinander kombinieren. Beispielsweise kann ein gespiegelter Innenabschnitt 31i' um den Schnittpunkt S gedreht sein und gleichzeitig einen kleineren Radius haben als der Außenabschnitt 21a. Auch kann ein gekrümmter Innenabschnitt 31i' zunächst dem Verlauf des Außenabschnitts 21a folgen und dann seinen Radius verkleinern.
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Insgesamt kann das Gelenkinnenteil eine stärkere Aufweitung des sich öffnenden Bahnbereichs als das Gelenkaußenteil aufweisen. Ferner kann der Effekt durch ein früheres Einsetzen der sich nach außen öffnenden Aufweitung des Gelenkinnenteils erreicht werden. Außerdem kann der Effekt durch ein längeres Einsetzen einer ersten vorangehenden Krümmung der sich nach außen öffnenden Bahnbereiches des Gelenkinnenteils erreicht werden.
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Zusätzlich zu nicht spiegelsymmetrisch verlaufenden Bahnkurven kann das erfindungsgemäße Gleichlaufdrehgelenk ferner verschiedene Offsets aufweisen. Insbesondere wird vorzugsweise ein Käfig-Offset kombiniert mit einem Kugelbahn-Offset. 13 zeigt einen Schnitt A-A durch das Gelenk der 12, bei dem eine Welle 70 in die innere Längsverzahnung des Gelenkinnenteils 30 eingeschoben ist und sich das Gelenk in der gestreckten Stellung befindet. Die Längsachse La des Gelenkaußenteils 20 fällt dann mit der Längsachse Li des Gelenkinnenteils 30 zusammen. Die Gelenkmittellinie E schneidet die Längsachsen La, Li im Gelenkmittelpunkt O.
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Der Mittelpunkt der gekrümmten Bahngrundlinie 23 der äußeren Kugelbahn 21 liegt auf den Längsachsen La, Li links vom Gelenkmittelpunkt O, d.h. bezüglich dieses Gelenkmittelpunktes O auf der Seite der Öffnung 60 des Gelenks. Dieser Schnittpunkt mit den Längsachsen La, Li ist in 13 als OTa bezeichnet (Offset Track außen). Der Mittelpunkt der gekrümmten Bahngrundlinie 33 der inneren Kugelbahn 31 liegt auf den Längsachsen La, Li rechts vom Gelenkmittelpunkt O, d.h. bezüglich dieses Gelenkmittelpunktes O auf der Seite des Anschlussteils 61 des Gelenks. Dieser Schnittpunkt mit den Längsachsen La, Li wird als OTi bezeichnet (Offset Track innen).
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Der Käfig 50 hat eine sphärische Käfigaußenfläche 53, die an einer sphärischen Gelenkinnenfläche 25 des Gelenkaußenteils 20 anliegt. Ferner hat der Käfig 50 eine sphärische Käfiginnenfläche 54, die an einer sphärischen Gelenkaußenfläche 35 des Gelenkinnenteils 30 anliegt. Der Mittelpunkt der gekrümmten Käfigaußenfläche 53 liegt auf den Längsachsen La, Li links vom Gelenkmittelpunkt O, d.h. bezüglich dieses Gelenkmittelpunktes O auf der Seite der Öffnung 60 des Gelenks. Dieser Schnittpunkt mit den Längsachsen La, Li wird als OCa bezeichnet (Offset Cage außen). Der Mittelpunkt der gekrümmten Käfiginnenfläche 54 liegt auf den Längsachsen La, Li rechts vom Gelenkmittelpunkt O, d.h. bezüglich dieses Gelenkmittelpunktes O auf der Seite des Anschlussteils 61 des Gelenks. Dieser Schnittpunkt mit den Längsachsen La, Li ist in 13 als OCi bezeichnet (Offset Cage innen).
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Dabei befinden sich die Schnittpunkte OTa und OTi vorzugsweise im gleichen Abstand zum Gelenkmittelpunkt O. Das Gleiche gilt für die Schnittpunkte OCa und OCi. Die Schnittpunkte OCa und OCi liegen jedoch näher am Gelenkmittelpunkt O als die Schnittpunkte OTa und OTi, d.h. der Kugelbahn-Offset ist größer als der Käfig-Offset.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gleichlaufdrehgelenk, Gelenk
- 20
- Gelenkaußenteil
- 21,22
- Äußere Kugelbahn
- 21i
- Innenabschnitt einer äußeren Kugelbahn
- 21a
- Außenabschnitt einer äußeren Kugelbahn
- 23,24
- Bahngrundlinie einer äußeren Kugelbahn
- 25
- Gelenkinnenfläche
- 30
- Gelenkinnenteil
- 31,32
- Innere Kugelbahn
- 31i
- Innenabschnitt einer inneren Kugelbahn
- 31i'
- Gespiegelter Innenabschnitt einer inneren Kugelbahn
- 31a
- Außenabschnitt einer inneren Kugelbahn
- 33,34
- Bahngrundlinie einer inneren Kugelbahn
- 35
- Gelenkaußenfläche
- 36
- Längsverzahnung
- 40,41
- Kugel
- 50
- Käfig
- 51,52
- Käfigfenster
- 53
- Käfigaußenfläche
- 54
- Käfiginnenfläche
- 60
- Öffnung
- 61
- Anschlussteil
- 70
- Welle
- 80,81,82
- Kontaktbereich
- L
- Achse
- La
- Längsachse Gelenkaußenteil
- Li
- Längsachse Gelenkinnenteil
- E
- Gelenkmittelebene
- S
- Schnittpunkt
- Z
- Spiegelebene
- O
- Gelenkmittelpunkt
- OCi
- Schnittpunkt Käfiginnenseite
- OCa
- Schnittpunkt Käfigaußenseite
- OTi
- Schnittpunkt innere Kugelbahn
- OTa
- Schnittpunkt äußere Kugelbahn
- Si
- Mittellinie innere Kugelbahn
- Si'
- Gespiegelte Mittellinie innere Kugelbahn
- Sa
- Mittellinie äußere Kugelbahn
- Ri
- Radius Innenabschnitt innere Kugelbahn
- Ri'
- Radius gespiegelter Innenabschnitt innere Kugelbahn
- Ra
- Radius Außenabschnitt äußere Kugelbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6431988 B1 [0003]
- DE 19706864 C1 [0003]
