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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abdichtung einer
Welle, so dass ein an der Welle in deren Axialrichtung angeordneter
erster Bereich von einem zweiten Bereich an der Welle abgedichtet
ist, wobei die Welle in ihrer Radialrichtung verstellbar ist.
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Im
Verpackungsmaschinenbau ergibt sich beispielsweise aufgrund der
Anpassung der Verpackungsmaschine an unterschiedliche Verpackungsgrößen die
Anforderung, dass Wellen linear in einer Radialrichtung der Welle
verschiebbar sein müssen. Dies
ist insbesondere bei Verpackungsmaschinen für die pharmazeutische Industrie
erforderlich. Bei der Anwendung derartiger Verpackungsmaschinen
im pharmazeutischen Bereich sind hohe Anforderungen hinsichtlich
der Hygiene zu erfüllen,
insbesondere eine dichte Trennung zwischen einem Arbeitsraum, in
welchem die pharmazeutischen Produkte verpackt werden und dem restlichen
Maschinenraum. Eine weitere Anforderung in der pharmazeutischen
Industrie sind dabei ebene und damit einfach zu reinigende Oberflächen. Ferner
sind im pharmazeutischen Bereich sogenannte Isolator-Maschinen im Einsatz, welche
höchste
Anforderungen hinsichtlich der Hygiene aufweisen. Derartige Isolator-Maschinen
müssen
komplett abdichtbar sein und ferner auch sterilisierbar sein.
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Eine
bekannte Lösung
zum Abdichten von Wellen, welche in ihrer Radialrichtung verschiebbar sein
müssen,
ist in 9 dargestellt. Hierbei weist eine Abdeckung 30 ein
Langloch 31 auf, in welchem eine Welle 32 angeordnet
ist. Die Welle 32 ist im Langloch 31 über eine
maximale Höhe
H verschiebbar. An der Welle 32 ist ein Abdeckblech 33 angeordnet,
welches mitsamt der Welle 32 verschoben wird. Das Abdeckblech 33 weist
dabei eine derartige Länge
auf, dass in den beiden Endpositionen der Welle 32 im Langloch 31 das
Langloch immer noch abgedeckt ist. Wenn nun nach einer Sterilisation
die Position der Welle 32 im Langloch 31 verstellt
wird, wird ein unsteriler Bereich des Abdeckblechs 33,
welcher zuvor unter der Abdeckung 30 lag, freigelegt. Somit kann
die Sterilität
nicht mehr gewährleistet
werden. Ferner ist die gesamte Anordnung mit dem unterhalb der Abdeckung 30 abgeordneten
Abdeckblech 33 relativ schwierig zu reinigen.
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Es
ist ferner bekannt, in Radialrichtung verschiebbare Wellen mittels
eines Faltenbalgs, welcher bei der Verstellung der Welle die Positionsänderung der
Welle durch seine Verformung ausgleicht, abzudichten. Bei der Verwendung
eines Faltenbalgs ergibt sich jedoch ebenfalls das Problem, dass
die stark gewellte Oberfläche
des Faltenbalgs nur schwer zu reinigen ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Abdichtung von in Radialrichtung der Welle bewegbaren Wellen
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass die Abdichtung einfach aufgebaut ist und leicht
zu reinigen bzw. zu sterilisieren ist. Die Position der Welle kann dabei
in ihrer Radialrichtung verstellt werden, ohne dass unsaubere bzw.
unsterile Flächen
durch eine Verstellung der Welle freigelegt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Linearbewegung der Welle durch zwei Rotationsbewegungen ausgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst
dabei eine erste kreisförmige
Scheibe mit einer ersten Öffnung,
in welcher die Welle angeordnet ist, und eine zweite kreisförmige Scheibe
mit einer zweiten Öffnung.
In der zweiten Öffnung
ist dabei die erste Scheibe angeordnet. Die erste Scheibe ist dabei
relativ zur zweiten Scheibe drehbar angeordnet. Ferner ist die erste
Scheibe exzentrisch zur zweiten Scheibe angeordnet und die Welle
ist exzentrisch zur ersten Scheibe angeordnet. Erfindungsgemäß wird somit
eine Linearbewegung der Welle in ihrer Radialrichtung durch eine
Relativbewegung der ersten und zweiten Scheibe zueinander ausgeglichen.
Die Umfangsflächen
der Scheiben können
dabei einfach und sicher abgedichtet werden. Da sich die Scheiben während einer
Linearbewegung der Welle nur drehen, werden keine Flächen an
den Scheiben verdeckt bzw. wieder freigelegt. Somit kann eine Sterilität einer
Maschine durch eine Verstellung der Wellenposition nicht beeinträchtigt werden.
Dabei weisen die Scheiben einfach zu reinigende, glatte Oberflächen auf.
Es sei angemerkt, dass unter dem Begriff "Welle" erfindungsgemäß eine sich drehende, d.h. angetriebene,
Welle und eine stehende Achse verstanden wird.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist eine Exzentrizität
der Welle zur ersten Scheibe gleich einer Exzentrizität der ersten
Scheibe zur zweiten Scheibe. Damit ergibt sich eine maximale Verstelllänge H der
Welle von H = 2 x E1 + 2 x E2, wobei E1 die Exzentrizität zwischen
der Welle und der ersten Scheibe ist und E2 die Exzentrizität zwischen
der ersten und der zweiten Scheibe ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt ein Mittelpunkt
der zweiten Scheibe auf einer Geraden, entlang welcher die lineare
Bewegung der Welle erfolgt.
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Dadurch
kann ein maximaler Verstellweg der Welle in ihrer Radialrichtung
ermöglicht
werden.
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Um
eine einfache und möglichst
reibungsarme Bewegung zwischen den Scheiben und der Welle sicherzustellen,
ist zwischen der Welle und der ersten Scheibe ein erstes Lager,
zwischen der ersten Scheibe und der zweiten Scheibe ein zweites
Lager und zwischen der zweiten Scheibe und einem Abdeckbauteil der
Maschine ein drittes Lager angeordnet. Die Lager sind vorzugsweise
als Dünnringlager gebildet.
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Weiter
bevorzugt ist die Welle mit einem Antrieb verbunden, welcher die
lineare Verstellung der Welle ausführt.
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Um
eine sichere Verstellung der Welle zu ermöglichen, ist weiter bevorzugt
ein Führungselement vorgesehen.
Die Welle wird während
der Verstellung am Führungselement
entlanggeführt.
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Um
eine sichere Abdichtung des ersten vom zweiten Raum an der Welle
durch die erfindungsgemäßen Scheiben
sicherzustellen, sind vorzugsweise Abdichtelemente zwischen den
beiden Scheiben, der Welle und der ersten Scheibe sowie der zweiten Scheibe
und dem Abdeckbauteil angeordnet.
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Weiter
bevorzugt ist eine Anschlageinrichtung vorgesehen, um die maximale
Linearbewegung der Welle zu beschränken. Dadurch kann verhindert werden,
dass die Welle, die erste und die zweite Scheibe eine Position derart
einnehmen, dass ein Mittelpunkt der Welle und ein Mittelpunkt der
ersten Scheibe und ein Mittelpunkt der zweiten Scheibe auf einer
Geraden liegen. Diese Stellung ist deshalb nachteilig, da für eine Rückstellung
aus dieser Stellung sehr hohe Kräfte
notwendig sein können.
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Um
eine möglichst
gleichmäßige und
leichte Verdrehbarkeit der ersten und der zweiten Scheibe zu ermöglichen,
sind die erste und die zweite Scheibe vorzugsweise ausgewuchtet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
die zweite Scheibe über
ein Federelement mit einem feststehenden Bauteil verbunden. Das
Federelement ist dabei derart ausgelegt, dass in einer Neutralstellung des
Federelements die Welle sich an einer mittleren Position betreffend
ihres maximalen Verstellweges befindet. Die Federkraft des Federelements
ist dabei derart bemessen, dass bei einer Verstellung der Welle
aus ihrer Mittelposition das Federelement verhindert, dass die Vorrichtung
eine Stellung einnehmen kann, in welcher die Mittelpunkte der Welle,
der ersten Scheibe und der zweiten Scheibe auf einer gemeinsamen
Geraden liegen.
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Vorzugsweise
ist die Welle als stehende, sich nicht drehende, Achse ausgebildet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Verpackungsmaschine,
insbesondere für
den pharmazeutischen Bereich, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Abdichtung einer in Radialrichtung der Welle verstellbaren welle.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1a, 1b und 1c Draufsichten von
Einzelteilen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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3 eine
perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten
Vorrichtung,
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4a, 4b, 4c und 4d schematische
Darstellungen von unterschiedlichen Verstellpositionen der Welle
des ersten Ausführungsbeispiels,
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5a und 5b schematische
Darstellungen von unterschiedlichen Stellungen der Scheiben des
ersten Ausführungsbeispiels,
wenn sich die Welle in einer Mittelposition des Gesamtverstellweges
befindet,
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6 eine
Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7 eine
Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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8 eine
Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und
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9 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1a bis 5b eine
Vorrichtung 1 zur Abdichtung einer Welle, welche in Radialrichtung
linear verstellbar ist, beschrieben.
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Wie
insbesondere aus den 1a, 1b und 1c ersichtlich
ist, umfasst die Vorrichtung 1 eine erste Scheibe 3 mit
einer ersten Öffnung 4,
eine zweite Scheibe 5 mit einer zweiten Öffnung 6 und eine
Welle 2. Die Welle 2 ist in der ersten Öffnung 4 der
ersten Scheibe 3 angeordnet. Die erste Scheibe 3 ist
in der zweiten Öffnung 6 der
zweiten Scheibe 5 angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich
ist, ist zwischen der Welle 2 und der ersten Scheibe 3 ein
Lager 8, zwischen der ersten Scheibe 3 und der
zweiten Scheibe 5 ein Lager 9 und zwischen der
zweiten Scheibe 5 und einem Abdeckbauteil 7 einer
Maschine ein drittes Lager 10 angeordnet. Die Lager 8, 9 und 10 sind
dabei als Dünnringlager
ausgebildet. Die Vorrichtung 1 ermöglicht eine Abdichtung eines
Raumes 11, welcher sich in 2 am linken
Bereich der Welle 2 befindet, von einem Raum 12,
welcher sich in 2 am rechten Bereich der Welle 2 befindet.
Die Vorrichtung 1 ist zum Raum 12 ferner mittels
einer Abdeckung 13 abgedeckt, welche aus einer inneren Abdeckung 13a,
einer mittleren Abdeckung 13b und einer äußeren Abdeckung 13c besteht.
Zwischen den einzelnen Abdeckungen 13a, 13b und 13c befinden
sich minimale Spalte, um die Bewegung der Scheiben 3, 5 sicherzustellen.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer zusammengebauten Vorrichtung 1,
welche einen Raum 11 von einem Raum 12 abdichtet.
Eine lineare Verschiebbarkeit der Welle 12 in ihrer Radialrichtung wird
dabei durch zwei Rotationsbewegungen, nämlich der ersten Scheibe 3 und
der zweiten Scheibe 5, dargestellt. 1c zeigt
gestrichelt die beiden äußeren Endpositionen 2' und 2" der Welle 2,
welche sich in ihrer Radialrichtung auf einer Geraden X bewegen kann.
Die Gerade X liegt dabei genau im Mittelpunkt M der zweiten Scheibe 5 und
im Mittelpunkt N der Welle 2. Die maximale Hubhöhe der Welle 2 beträgt dabei
H. Wie aus den 1a und 1b ersichtlich ist,
ist eine erste Exzentrizität
E1 zwischen der ersten Scheibe 3 und der Welle 2 gleich
groß wie
eine zweite Exzentrizität
E2 zwischen der zweiten Scheibe 5 und der ersten Scheibe 3.
Die Welle 2 befindet sich mit einem nicht dargestellten
Führungselement
in Kontakt, um die Rotationsbewegungen der ersten und der zweiten
Scheibe 3, 5 in die Linearbewegung der Welle 2 auf
der Geraden X umzuwandeln.
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Wie
aus den 2 und 3 ersichtlich
ist, kann somit eine Radialbewegung der Welle auf der Geraden X
durchgeführt
werden, ohne dass hierbei Flächen
der ersten oder zweiten Scheibe durch das Abdeckbauteil 7 abgedeckt
sind. In den 4a, 4b, 4c und 4d ist
eine Linearbewegung der Welle ausgehend von einer mittleren Position
in 4a zu einer oberen Maximalposition in 4d dargestellt.
Die erste Scheibe 3 bewegt sich dabei in einer entgegengesetzten
Richtung zur zweiten Scheibe 5. In den 4a bis 4d verdeutlicht
der kleine Pfeil P1 die Rotation der ersten Scheibe über einen
Winkel von 90° und
der große
Pfeil P2 verdeutlicht die Rotation der zweiten Scheibe 5 ebenfalls über einen
Winkel von 90° entgegen
der Rotation der ersten Scheibe 3. Die 4d zeigt
hierbei einen oberen Totpunkt der Linearbewegung der Welle 2,
in welchem der Mittelpunkt N der Welle 2, der Mittelpunkt 0 der
ersten Scheibe 3 und der Mittelpunkt M der zweiten Scheibe 5 alle
auf der Geraden X liegen. Der Mittelpunkt 0 der ersten
Scheibe 3 bewegt sich während der
Verstellung der Welle 2 dabei auf einer Kreisbahn O' um den Mittelpunkt
M der zweiten Scheibe 5. Somit gleichen die erste Scheibe 3 und
die zweite Scheibe 5 eine Linearverschiebung der Welle 2 aus. Dabei
verdrehen sie sich in einer gegensätzlichen Richtung zueinander,
wobei ein Verdrehwinkel jeder Scheibe betragsmäßig jeweils gleich ist. Hierbei
ist kein separater Antrieb für
die Scheiben notwendig. Für
die Verstellung der Welle genügt
somit ein Antrieb an der Welle sowie eine entsprechende Führung.
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Um
zu verhindern, dass sich die Welle bis in den in 4d gezeigten
oberen Totpunkt bzw. in entsprechender Weise nach unten zu einem
unteren Totpunkt bewegt, ist vorzugsweise ein Anschlag vorgesehen,
da in den beiden Totpunkten eine relativ große Verstellkraft notwendig
ist, um die Welle wieder aus den Totpunkten herauszubewegen.
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In
den 5a und 5b ist
eine Stellung der Welle 2 dargestellt, in welcher sich
der Mittelpunkt N der Welle 2 genau im Mittelpunkt M der
zweiten Scheibe 5 befindet. In dieser Stellung gewinnt das
System einen zusätzlichen
Freiheitsgrad, da die Relativposition der ersten Scheibe 3 zur
zweiten Scheibe 5 unverändert
bleiben kann und lediglich die beiden Scheiben gemeinsam um die
Welle 2 gedreht werden können. Hierbei ist in der in 5b gezeigten Stellung
der beiden Scheiben 3, 5 zueinander das Gesamtsystem
blockiert. Um eine Blockade des Systems zu verhindern, ist es daher
vorteilhaft, einen Arbeitspunkt in der in den 5a und 5b gezeigten
Stellung der Welle 2 möglichst
zu vermeiden und die Mittelstellung jeweils nur zur durchfahren.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 6 eine Vorrichtung 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
sind die erste Exzentrizität
E1 zwischen der ersten Scheibe 3 und der Welle 2 und
die zweite Exzentrizität
E2 zwischen der ersten Scheibe 3 und der zweiten Scheibe 5 unterschiedlich.
Die Exzentrizitäten
E1 und E2 unterscheiden sich um den in 6 gekennzeichneten
Bereich V, wobei E1 = V + E2 ist. Hierbei ist die erste Exzentrizität E1 größer als
die zweite Exzentrizität
E2. Eine Gerade G, auf welcher sich die Welle 2 linear
zwischen den beiden Extrempositionen 2' und 2" verstellt werden kann, liegt dabei auf
einer linken Seite einer Linie X durch den Mittelpunkt der zweiten
Scheibe 5. In der mittleren Position, welche in 6 gezeigt
ist, liegt der Mittelpunkt M der zweiten Scheibe 5, der
Mittelpunkt O der ersten Scheibe 3 und der Mittelpunkt
N der Welle 2 auf einer Geraden Y, welche senkrecht zur
Geraden X ist. Somit kann bei der Vorrichtung 1 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
ein Blockieren der Vorrichtung 1 in der Mittelstellung
vermieden werden. In der in 6 gezeigten
Mittelstellung liegt dabei der Mittelpunkt M der zweiten Scheibe 5 zwischen
dem Mittelpunkt 0 der ersten Scheibe 3 und dem
Mittelpunkt N der Welle 2.
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7 zeigt
eine Vorrichtung 1 gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche
Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
bezeichnet sind.
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Das
dritte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
zum zweiten Ausführungsbeispiel die
erste Exzentrizität
E1 zwischen der Welle 2 und der ersten Scheibe 3 kleiner
ist als die zweite Exzentrizität
E2 zwischen der ersten Scheibe 3 und der zweiten Scheibe 5.
Hierbei ist E2 = V + E1. In der in 7 gezeigten
mittleren Stellung der Vorrichtung 1 liegen die Mittelpunkte
N, O und M wieder auf der Geraden Y, welche senkrecht zur Geraden
X durch den Mittelpunkt M der zweiten Scheibe 5 ist. Die
Gerade G, auf welcher die Welle 2 linear in ihrer Radialrichtung
verstellbar ist, ist im dritten Ausführungsbeispiel rechts von der
Geraden X angeordnet.
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In
der Mittelposition des dritten Ausführungsbeispiels liegt der Mittelpunkt
N der Welle 2 zwischen dem Mittelpunkt O der ersten Scheibe 3 und
dem Mittelpunkt M der zweiten Scheibe 5. Somit kann auch bei
diesem Ausführungsbeispiel
ein Blockieren in der Mittelposition verhindert werden. Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem zweiten Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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8 zeigt
eine Vorrichtung 1 gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wieder
mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Das
vierte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
zum ersten Ausführungsbeispiel an
der zweiten Scheibe 5 ein Federelement 14 angeordnet
ist. Das Federelement 14 ist mit einem feststehenden Bauteil 15 verbunden
und übt
im gespannten Zustand eine Federkraft F auf die zweite Scheibe 5 aus.
Hierdurch verhindert das Federelement 14, dass die Vorrichtung
gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
im oberen bzw. im unteren Totpunkt verbleibt und übt in diesen
Bereichen eine ständige
Federkraft F in Richtung der Mittelstellung aus. In der Mittelstellung
der Vorrichtung 1 ist das Federelement 14 dabei im
entspannten Zustand.
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Das
Federelement 14 hat ferner die Funktion, das in den 5a und 5b gezeigte
ungewollte Verdrehen der ersten und zweiten Scheibe 3 und 5 in
der Mittelstellung der Welle 2 zu verhindern. Dadurch kann
die Gefahr des Blockierens der Welle 2 durch eine Verstellung
der ersten und zweiten Scheibe 3, 5 vermieden
werden.
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Es
sei angemerkt, dass das oben beschriebene Federelement auch im zweiten
und dritten Ausführungsbeispiel
verwendet werden kann. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem ersten Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Im
Rahmen der Erfindung sind verschiedene Modifikationen und Änderungen
möglich,
ohne den Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, zu verlassen.