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Dichtungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zwischen zwei aufeinander, z. B. auf Kugellager ge- lagerten, relativ zueinander verdrehbaren Teilen, die miteinander eine radial nach innen sich öffnende Ringnut zur Aufnahme einer Dichtung bilden, wobei der erste dieser Teile stirnseitig abgesetzt ist und eine im wesentlichen radial nach aussen sich erstreckende Stirnwand aufweist, welche die Vorderwand der Ringnut bildet, die in eine zylindrische, die Ringnut gegen das Rohrinnere abschirmende Umfangsfläche übergeht und der zweite dieser Teile eine sich nach vorne erstreckende, zylindrische innere Umfangsflä- che besitzt, mit welcher er auf dem ersten Teil drehbar, z.
B. mit Kugellagern lagert und die Ergänzung der Ringnut bildet, wobei ferner der zweite Teil eine Wand aufweist, die sich von der inneren Umfangsfläche radial nach innen, die Rückwand der Ringnut bildend, erstreckt und dass schliesslich die in der Ringnut liegende Dichtung, bestehend aus einem Dichtungsring aus elastomerem Werkstoff, mit einer vorderen Dichtfläche an der Vorderwand der Ringnut, mit einer rückwärtigen Dichtfläche an der Rückwand der Ringnut und mit ihrer äusseren Umfangsfläche an der inneren Umfangsfläche des zweiten der drehbaren Teile anliegt und ihre an der Rückwand der Ringnut anliegende rückwärtige Dichtfläche eine nach aussen weisende, von der Rückwand der Ringnut wegstrebende Abschrägung besitzt.
Solche Dichtungsanordnungen werden beispielsweise bei Strömungsmittel führenden Drehverbindungen von Leitungen und bei Wellendichtungen, z. B, von Pumpenwellen u. dgl. verwendet.
Im allgemeinen liegt bei diesen Dichtungsanordnungen der Dichtungsring mit axialer Vorspannung zwischen den beiden Umfangsflächen, denn die axiale Abmessung des Dichtungsringes wird etwas grö- sser gewählt als die axiale Ausdehnung der ihn aufnehmenden Ringnut. Durch die Vorspannung ist sichergestellt, dass schon im unbelasteten Zustand eine dichtende Berührung zwischen dem Dichtungsring und den anliegenden Umfangsflächen der gegeneinander abzudichtenden Teile besteht.
Der bereits im unbelasteten Zustand bestehende dichtende Kontakt wird aufrechterhalten und noch verstärkt, wenn ein Strömungsmittel unter Druck auf die Dichtstelle einwirkt, denn dieser Druck greift an der radial inneren Umfangsfläche des Dichtungsringes an und presst die eigentlichen Dichtflächen des Dichtungsringes noch stärker gegen die anliegenden Flächen der gegeneinander abzudichtenden Teile. Dichtungen dieser Art sind sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Gasen anwendbar.
Wegen der unvermeidlichen Fabrikationstoleranzen variiert der Abstand zwischen den in axialer Richtung voneinander abgelegenen Stirnwänden der Ringnut. Die axiale Abmessung des Dichtungsringes, bezogen auf den axialen Abstand dieser Stirnflächen muss so gross sein, dass ein ausreichender Dichtung kontakt schon im unbelasteten Zustande gegeben ist ; dieser Dichtungskontakt muss auch dann noch vorhanden sein, wenn sich die Fabrikationstoleranzen sämtlich in einer Richtung addieren und eine Ringnut von maximaler axialer Ausdehnung ergeben. Wenn anderseits sich die Toleranzen in entgegengesetzter Richtung addieren, also ein minimaler axialer Abstand in dieser Richtung vorliegt, wirkt eine erhebliche Vorspannkraft auf den Dichtungsring ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zu schaffen, welche die auftretenden Toleranzen aufnimmt, gleichgültig ob sie sich im Sinne maximaler oder minimaler axialer Abmessung der Ringnut addieren, u. zw. so, dass keine übermässigen Widerstandsmomente gegen Verdrehen der abzudichtenden Teile auftreten.
Das Problem des Widerstandsmomentes gegen Verdrehen lässt sich folgendermassen erklären : Dich-
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tungsanordnungen dieser Art sind im allgemeinen mit einem Verstärkungsring ausgerüstet, der ein Ausquetschen des Dichtungsringes aus der ihn aufnehmenden Kammer in den an diese Kammer sich notwendigerweise anschliessenden. Ringspalt verhindert, auch wenn es grosse Drücke abzudichten gilt. Wenn die zwei Teile, die voraussetzungsgemäss relativ zueinander verdrehbar sein sollen, nun gegeneinander verdreht werden, so tritt eine Relativbewegung zwischen der an den Verstärkungsring angrenzenden Fläche einerseits und der anliegenden Fläche der relativ zueinander zu verdrehenden Teile anderseits ein.
Da der Dichtungsring schon im unbelasteten Zustande infolge der Vorspannung deformiert ist, tritt zwischen den von der Relativbewegung betroffenen Flächen eine Reibung ein, und diese Reibung erzeugt ein Widerstandsmoment, das sich der Verdrehung entgegensetzt. Es ist also ein bestimmtes Drehmoment erforderlich, um die zwei an der Dichtung miteinander verbundenen Teile relativ zueinander zu verdrehen.
Dies gilt sogar dann, wenn die Dichtung noch unbelastet ist. Erwünscht ist es, dass der Widerstand gegen
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drehung der abzudichtenden Teile aufzuwendende Drehmoment auf ein Minimum reduziert ist. Die bisher bekannten Dichtungen waren hinsichtlich des Drehmomentes in hohem Masse unbefriedigend. Das erforder- liche Drehmoment war zwar unmittelbar nach dem Zusammenbau verhältnismässig klein, aber dieses An- fangsdrehmoment wuchs jedoch sehr rasch, wenn die Dichtung einige Zeit im zusammengebauten Zustand verblieb. In manchen Fällen hat man durch die Anwendung von Schmiermitteln zwischen den relativ zueinander bewegten Flächen eine gewisse Verbesserung erzielt.
Bei der Schaffung der erfindungsgemässen Dichtung war somit weiter darauf zu achten, das nach längerem Stehen der Dichtung sich aufbauende Dauerwiderstandsmoment zu vermindern. Untersuchungen haben ergeben, dass das Dauerwiderstandsmoment bei steigender Grösse der Drehverbindungen immer noch grösser wird.
Die erfindungsgemässe Dichtungsanordnung unterscheidet sich bekannten gegenüber dadurch, dass die Abschrägung einen Winkel von 23 bis 250 mit der Radialebene der Rückwand der Ringnut einschliesst und in einem Abstand von der inneren Ecke der Ringnut auf die innere Umfangsfläche des zweiten Teiles auftrifft. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt der Axialabstand im Querschnitt gesehen, zwischen dem Schnittpunkt'der Abschrägung und der äusseren Umfangsfläche des Dichtungsringes und dem Schnittpunkt von der Verlängerung der rückwärtigen Dichtfläche und der äusseren Umfangsfläche im Bereiche von 1, 78 bis 2, 29 mm.
Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung. Es stellen dar : Fig. l eineir Schnitt durch eine Drehverbindung, bei der die erfindungsgemässe Dichtungsanordnung angewendet ist, Fig. 2 einen vergrö- sserten Schnitt durch den Dichtungsring der Fig. 1 in seinem freien Zustande, Fig. 3 einen Teilschnitt zu Fig. l in vergrössertem Massstab, Fig. 4 den Verlauf des maximalen zur Verdrehung der relativ zueinander drehbaren Teile aufzuwendenden Drehmomentes in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel der konischen Abschrägung, Fig. 5 den Verlauf des maximalen Drehmomentes in Abhängigkeit von der axialen Abmessung des Dichtungsringes an seinem radial äusseren Umfang.
Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine typische Drehverbindung 10. Sie setzt sich zusammen aus axial aneinander anschliessenden Strömungsmittel führenden Leitungsteilen 11 und 12, welche relativ zueinander verdreht werden können. Sie umfasst weiter die üblichen Kugellager 13 diese sind aufgebaut aus Kugeln, welche in Laufrinnen eingelegt sind. Eine Staubdichtung 14 verhindert das Eindringen von Fremdkörpern in die Kugellager. Der Dichtungssatz ist mit S bezeichnet ; er liegt in einer als Ringnut geformtenDichtungsringkammer, die von denFlächen der relativ zueinander verdrehbaren Leitungsteile 11 und 12 gebildet wird. Der Leitungsteil 11 weist eine innere zylindrische Umfangsfläche 16 und eine radiale ebene Wand 17 auf. Die Schnittkante zwischen diesen Flächen bildet die eine der radial äusseren Kanten der Ringnut.
Der. andere Leitungsteil 12 besitzt eine ebene radiale Stirnwand 18 gegenüber der ebenfalls ebenen Wand 17 des Leitungsteiles 11. Die Stirnwand 18 bildet zusammen mit der zylindrischen Umfangsfläche 16 des Leitungsteiles 11 die andere radial äussere Kante der Ringnut.
Weiter umfasst die Dichtung einen Dichtungsring 20 aus elastomerem Werkstoff, der in der Ringnut untergebracht ist.
Der Dichtungsring kann aus natürlichem Gummi, Hycar, Neopren, Butyl oder ähnlichen elastomeren Stoffen aufgebaut sein. Der elastomere Werkstoff hat einen Durometerwert zwischen 70 und 80, gemessen auf der Härteskala A nach Shore. Butyl-Gummi ist besonders wirksam, wenn Gase abgedichtet werden sollen.
Mit dem Dichtungsring 20 ist ein Verstärkungsring 21 vereinigt ; dieser Verstärkungsring 21 liegt bei derjenigen Kante der Ringnut, welche durch den Schnitt der Radialwand 18 des Leitungsteiles 12 und der
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hen. Die angegebenen Masse sind teils kritisch, teils nicht. In der weiteren Beschreibung wird die Kante der Dichtung, welche mit dem Verstärkungsring 21 vereinigt ist, als die vordere Kante der Dichtung be- zeichnet. An die Kontur des Verstärkungsringes schliesst sich eine im wesentlichen radiale oder leicht konische Dichtfläche 22 an, welche in dichtende Berührung mit der anliegenden Wand 18 des Leitungs- teiles 12 tritt. Die radiale Abmessung der Dichtfläche 22 ist mit b bezeichnet ; die Dichtfläche 22 ist ge- gen eine Radialebene unter einem kleinen Winkel z geneigt.
Auf der andern Seite des Dichtungsringes be- findet sich die rückwärtige Dichtfläche 23, die mit der Radialwand 17 des Leitungsteiles 11 in Berührung steht, auch wenn die Dichtung unbelastet ist. Die radiale Abmessung der Dichtfläche 23 ist mit bl be- zeichnet. Die Dichtfläche 23 bildet einen Winkel y mit einer Radialebene. Die radial innere Fläche 24 des Dichtungsringes verläuft zwischen den zwei radial inneren Kanten a und a'der Dichtflächen 22 bzw.
23. Der Winkel, den die radial innere Begrenzungsfläche 24 des Dichtungsringes, d. h. der Fläche, die dem Strömungsmitteldruck ausgesetzt ist, mit der Achse einschliesst, ist unkritisch ; in der Fig. 2 verläuft die Fläche 24 im wesentlichen in axialer Richtung. An dem äusseren Umfange des Dichtungsringes liegt eine zylindrische Umfangsfläche 26 in dichtender Berührung an der zylindrischen Umfangsfläche 16 des
Leitungsteiles 11 an. Die zylindrische Umfangsfläche 26 gehört einem Absatz des Dichtungsringes an.
Die axiale Ausdehnung des Absatzes ist in Fig. 2 mit e bezeichnet. Die axiale Abmessung w des Dichtungs- ringes, zwischen den Kanten a und a'gemessen, und die radiale Ausdehnung h, zwischen der Kante a'und dem äusseren Umfang gemessen, sind in Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet.
Zwischen der rückwärtigen Dichtfläche ze und dem Absatz 26 erstreckt sich eine konische Abschrä- gung 30. Wenn diese Abschrägung vorhanden ist, so verringert sich das Drehmoment, welches zur Rela- tivdrehung der beiden Leitungsteile erforderlich ist. Die Abschrägung 30 bildet einen Winkel x mit einer Radialebene. Die Grösse dieses Winkels ist eine kritische Grösse. Der optimale Wert für den Winkel x liegt bei 240. Eine gute Drehmomentcharakteristik liegt aber auch noch in dem Bereich zwischen 23 und 250 vor.
Eine weitere ebenfalls kritische Grösse, die allerdings in einem grosseren kritischen Bereiche veränderlich ist, ist die Strecke d in Fig. 2. Diese Strecke entspricht dem Abstand zwischen einem Punkt p und einem Punkt c. Der Punkt c liegt auf der Schnittlinie der konischen Abschrägung 30 und der zylindrischen Umfangsfläche 26. Der Punkt p ist ein konstruierter Punkt. Er liegt auf der gedachten Schnittlinie einer Verlängerung der rückwärtigen Dichtfläche 23 und einer Verlängerung der zylindrischen Umfangsfläche 26 des Absatzes. Es hat sich herausgestellt, dass bei Dichtungen mit über 3, 75 cm Nenndurchmesser die Grö- sse von d zwischen 1, 78-2, 29 mm liegen sollte, um günstige Resultate zu erhalten.
Die entscheidende Bedeutung der Grösse des Winkels x ist in Fig. 4 graphisch gezeigt. In dieser graphischen Darstellung ist das maximale Drehmoment dargestellt, in Abhängigkeit von Winkel x, der in Grad aufgetragen ist. Eine Drehverbindung mit einem Nenndurchmesser von 7, 5 cm hat die Versuchsergebnisse erbracht, die in Fig. 4 dargestellt sind die Grösse der Strecke d war dabei l, 78 mm. In der Ordinatenrichtung entsprechen 1000/0 derjenigen Dichtungsform, bei der in der Ecke p der Fig. 2 keine Abschrägung vorhanden ist. Bei zunehmender Grösse des Winkels x nimmt, wie aus der graphischen Darstellung zu ersehen, der Prozentsatz des maximal aufzuwendenden Drehmomentes ab.
Wenn ein kritischer Winkel von 240 erreicht ist, so liegt die Grösse des maximalen Drehmomentes bei etwa 22% ; dieser Prozentsatz entspricht dem kleinsten Wert, der überhaupt erreicht werden kann. In der Gegend von 24 hat die Kurve annähernd eine Spitze. Das maximale Drehmoment nimmt deshalb sehr rasch zu, wenn der Winkel x von dem kritischen Wert von 240 abweicht, Die kritische Bedeutung des Winkels x ist völlig überraschend.
Fig. 5 zeigt, dass auch die Grösse d eine gewisse kritische Bedeutung hat. Die graphische Darstellung der Fig. 5 ist mit dem gleichen Versuchsgerät gewonnen worden, wie die Kurve der Fig. 4. Auch in Fig. 5 entspricht die Ordinate dem Prozentsatz des maximalen Drehmomentes : 1000/0 des maximalen Drehmomentes liegen dann vor, wenn die Strecke d gleich 0 ist, wenn also die Abschrägung wieder voll ausgefüllt, d. h. nicht vorhanden ist. Wenn-die Abmessung d grösser wird (und der Winkel x dabei auf einem Wert von 240 bleibt), so nimmt der Prozentsatz des maximalen Drehmomentes rasch ab.
Wenn die Grösse d einen Wert von 1, 78 mm erreicht, so erreicht der Prozentsatz des maximalen Drehmomentes einen Minimalwert von ungefähr 22'/0. Unerwarteterweise besitzt die Kurve an dieser Stelle die Neigung 0, so dass ein weiterer Anstieg der Grösse d auf den Prozentsatz des maximalen Drehmomentes keine Einwirkung hat ; dieses bleibt vielmehr konstant, bis die Grösse d den Wert 2, 29 mm erreicht hat. In
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Fig. 5 ist der kritische Bereich für die Grösse d mit r bezeichnet. An der oberen Grenze dieses Bereiches, d. h. bei 2, 29 mm geht die dichtende Berührung der rückwärtigen Dichtfläche mit der anliegenden Flä- che 17 verloren.
In manchen Fällen hängt die maximal zulässige Grösse für die Strecke d vom Durchmesser der Dich- tung ab. Während bei einemDichtungsdurchmesservonlO cm die Grösse von d zwischen 1, 78 und 2, 69 mm liegen darf, kann die Grösse 2, 69 mm für b bei einem Dichtungsdurchmesser von 3, 25 cm zu gross sein, da die dichtende Berührung dann an der rückwärtigen Dichtfläche 23 bei höheren Drücken leicht verlorengehen kann. Für kleinere Dichtungen ist deshalb im Bereich höherer Drücke der Bereich r der Grösse d etwas enger als in Fig. 5 aufgezeigt.
Der Grund für die kritische Grösse des Winkels x und für den verhältnismässig engen Bereich optimaler
Werte für die Grösse d ist nicht völlig bekannt. Eine rohe Erklärung lässt sich aus Fig. 3 herleiten. Man weiss, dass Gummi und ganz allgemein jeder elastomere Werkstoff dann, wenn er eingeschlossen ist, sich ähnlich verhält wie eine Flüssigkeit, d. h. insbesondere inkompressibel ist. Auch wenn Gummi nicht eingeschlossen ist, so kann die Einwirkung von Kompressionskräften auf einander gegenüberliegenden Flächen eines Gummikörpers nur eine Verminderung des Abstandes zwischen diesen beiden Flächen verursachen unter Deformation oder Ausbeulung in den jeweils andern Richtungen, in denen eine Begrenzung nicht vorgesehen ist. Das Verhalten eines Gummikörpers unter der Einwirkung von Kompressionskräften ist weitgehend festgelegt durch den sogenannten "Formfaktor".
Der Formfaktor ist definiert als das Verhältnis einer Kompressionskräfte unterworfenen Fläche und der nicht eingeschlossenen Flächen, der Flächen also, die sich ausbeulen können. Wenn man z. B. eine Gummischeibe mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Stärke von 3 mm nimmt, so hat diese einen Formfaktor 4 und erleidet bei der Einwirkung von Kräften an ihren Stirnflächen keine wesentlichen Deformationen. Wenn man anderseits einen Gummikörper mit einem Formfaktor von weniger als 1 nimmt, so kann dieser unter Einwirkung komprimierender Kräfte leicht verformt werden.
Man erkennt aus Fig. 3, dass der Dichtungsring einen kleinen Formfaktor besitzt. Es ist ein Ringelement punktiert eingezeichnet, dessen radiale Ausdehnung f ist. Die Dimension f entspricht der radialen Ausdehnung einander entsprechender gegenüberliegender Dichtflächen des Dichtungsringes, die mit den zugehörigen Flächen der Leitungsteile in dichtender Berührung stehen. Der punktierte Gummiring hat einen verhältnismässig kleinen Formfaktor und macht es möglich, ohne übergrosse axiale Vorspannkraft eine Verformung des gesamten Dichtungsringes einzuleiten, solange keine Druckmittelbelastung vorhanden ist.
Die Versuche haben ergeben, dass der Winkel x der konischen Abschrägung 30 aus im einzelnen unbekannten Gründen die Ausbeulung des Gummis in der punktierten Zone massgebend beeinflusst,
Die obere Grenze der Grösse d (2, 29 mm) erklärt sich daraus, dass bei Überschreitung dieses Wertes die radiale Abmessung bl (Fig. 2) der rückwärtigen Dichtfläche 23 zu klein wird, um noch eine wirksame Dichtung zu gewährleisten. Eine Dichtung mit einem komprimierten Ring, wie es in Fig. 3 punktiert angedeutet ist, bringt dennoch bei Einhaltung der angegebenen Abschrägungskonizität ein niederes Anfangswiderstandsmoment und ein niederes Dauerwiderstandsmoment. Die notwendige Anfangsdichtwirkung ist gewährleistet.
Diese Anfangsdichtwirkung wird selbsttätig verstärkt durch die Einwirkung des Strömungsmitteldruckes, wenn sich dieser aufbaut.
Wie man aus Fig. 3 ersieht, üben die Flächen 17 und 18 Kompressionskräfte in Richtung der Pfeile 31 aus. Wenn die konische Abschrägung 30 nicht vorhanden wäre, d. h. wenn das Eck bei p ausgefüllt wäre, so hätten die einer axialen Deformation sich widersetzenden Flächen eine radiale Ausdehnung, die mit g bezeichnet ist. Der Formfaktor des Gummikörpers wäre dann wesentlich höher und das Anfangswiderstandsmoment wäre ebenso wie das Dauerwiderstandsmoment stark vergrössert und in vielen Fällen zu gross.
Die nachstehend angeführte Tabelle 1 enthält die Daten, die man mit einer Drehverbindung von
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unmittelbar nach dem Zusammenbau bei einer älteren Dichtung 39, 4 kg/cm war. Das Dauerwiderstands- moment, d. h. das Widerstandsmoment, das sich nach Stehenlassen über Nacht einstellte, betrug 282 kg/cm Anderseits war bei einer erfindungsgemäss ausgebildeten Dichtung das Widerstandsmoment nach dem Zusammenbau nur 7, 88 kg/cm und das Daurwiderstandsmoment, d. h. das sich nach Stehenlassen über
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Nacht einstellende Widerstandsmoment nur 39, 4 kg/cm, also nicht mehr als das Anfangswiderstandsmoment bei den älteren Dichtungen.
Tabelle I
Widerstandsmoment bei einer Dichtung von 2, 5 und 3, 75 mm Nenndurchmesser
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<tb>
<tb> Widerstandsmoment <SEP> Dauerwiderstandsmoment
<tb> nach <SEP> dem <SEP> Zusammenbau
<tb> Geringfügige <SEP> konische
<tb> Abschrägung <SEP> 39, <SEP> 4 <SEP> kg/cm <SEP> 282 <SEP> kg/cm
<tb> Konische <SEP> Abschrägung
<tb> von <SEP> 24 ; <SEP> d <SEP> = <SEP> 1,78 <SEP> mm <SEP> 7,88 <SEP> kg/cm <SEP> 39,4 <SEP> kg/cm
<tb>
Tabelle II Widerstandsmomente bei einer Dichtung von 10 cm Nenndurchmesser
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<tb>
<tb> Widerstandsmoment <SEP> Dauerwiderstandsmoment
<tb> nach <SEP> dem <SEP> Zusammenbau
<tb> Geringfügige <SEP> konische
<tb> Abschrägung <SEP> 1350 <SEP> kg/cm <SEP> 14330 <SEP> kg/cm
<tb> Konische <SEP> Abschrägung
<tb> von <SEP> 24 <SEP> ;
<SEP> d <SEP> = <SEP> 2, <SEP> 29 <SEP> mm <SEP> 474 <SEP> kg/cm <SEP> 1215 <SEP> kg/cm
<tb>
Die Tabelle II zeigt die Widerstandsmomentdaten bei einer Drehverbindung von 10 cm Nenndurch- messer. Aus der Tabelle kann man ersehen, dass bei einer älteren Dichtung mit nur geringfügiger konischer Abschrägung das Drehmoment von einem Wert von 1350 kg/cm unmittelbar nach dem Zusammenbau auf einen Wert von 14330 kg/cm stieg, wenn die Dichtung über Nacht stehengelassen wurde. Auf der andern Seite stieg es bei einer erfindungsgemässen Dichtung mit einer konischen Abschrägung von 24 und bei einer Grösse d von 2, 28 mm von nur 474 kg/cm auf nur 1215 kg/cm. Dies bedeutet eine Verbesserung von 1200 % für das Dauerwiderstandsmoment bei grösseren Drehverbindungen.
Vergleicht man die Tabellen I und II, so sieht man, dass das Problem des Dauerwiderstandsmomentes bei steigender Kupplungsgrösse zunimmt. So tritt z. B. bei einer Drehverbindung älterer Art eine Vergrö- sserung des Dauerwiderstandsmomentes von 5000:lu ein, wenn der Durchmesser um 167je steigt. Bei einer erfindungsgemässen Drehverbindung dagegen steigt das Dauerwiderstandsmoment gegenüber dem Anfangswiderstandsmoment nur um 332%. Insgesamt ist die Verbesserung also 1500tao.
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