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Die Erfindung betrifft ein Entkopplungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit dem sich Drehschwingungen ausgesetzte Komponenten entkoppeln lassen, insbesondere Komponenten eines Antriebsstrangs eines Nebenaggregatantriebs einer Verbrennungskraftmaschine.
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Beim Antrieb von Nebenaggregaten von Brennkraftmaschinen kann es innerhalb des Antriebsstrangs aus mehreren Gründen zum Auftreten von Drehschwingungen kommen. Zum Beispiel wird die Kurbelwelle bei jedem Arbeitstakt in einem Zylinder kurzzeitig kräftig angeregt, während in den Zeiten zwischen den jeweiligen Arbeitstakten nahezu kein Drehmoment auf die Kurbelwelle wirkt. Während in diesem Fall die Ursache der Drehschwingungen auf der Primär- oder Antriebsseite des Antriebsstrangs liegt, werden Drehschwingungen auf der Sekundär- oder Abtriebsseite zum Beispiel durch periodisch schwankende Drehmomente an den Nebenaggregaten hervorgerufen. Unter ungünstigen Umständen können beide Arten von Drehschwingungen zu einer Schwingungsanregung in kraftübertragenden Komponenten des Antriebsstrangs führen, wie zum Beispiel in Stirnradgetrieben oder Umschlingungstrieben, vor allem wenn die Frequenz der Drehschwingungen im Wesentlichen der Eigenfrequenz dieser Komponenten oder eines von mehreren Komponenten gebildeten Systems entspricht. Dies wiederum hat zur Folge, dass die dynamische Belastung des Antriebsstrangs und der von diesem angetriebenen Nebenaggregate steigt, wodurch wiederum die Betriebslebensdauer der kraftübertragenden Komponenten und der Nebenaggregate abnimmt. Außerdem können Drehschwingungen infolge des vorhandenen Spiels zwischen benachbarten, im Zahneingriff stehenden Komponenten des Antriebsstrangs durch Zahnhämmern zu einer unerwünschten Verstärkung der Schallabstrahlung der Verbrennungskraftmaschine führen.
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Um die Übertragung von Drehschwingungen zu reduzieren, ist es bereits bekannt, im Antriebsstrang zwischen der Kurbelwelle und den Nebenaggregaten einer Verbrennungskraftmaschine Entkopplungselemente vorzusehen, die zur Schwingungsentkopplung von Komponenten des Antriebsstrangs dienen und Torsions- oder Drehfedern enthalten. Unter anderem offenbart zum Beispiel die
DE 199 19 449 A1 ein Entkopplungselement mit ineinander liegenden Spiralfedern in einem Riemen- oder Kettentrieb für ein Nebenaggregat. Weitere Vorschläge zur Schwingungsdämpfung und Entkopplung finden sich in der
EP 0 987 472 A2 und in der
WO 2006/070422 A1 .
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Außerdem beschreibt die
DE 101 18 277 A1 eine Vorrichtung zum Spannen eines Antriebsriemens für Nebenaggregate an einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Torsionsfeder, die mit Hilfe eines Elektromotors mehr oder weniger stark vorgespannt werden kann. Die bekannte Vorrichtung gestattet es, die Federkennlinie der Torsionsfeder aktiv um ein vorgegebenes Drehmoment in positiver oder negativer Richtung zu verschieben, wobei jedoch die Form der Federkennlinie unverändert bleibt.
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Auch die
DE 197 06 313 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Spannen von Riemen, insbesondere bei Riemenantrieben von Nebenaggregaten von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem ersten Teil, einem relativ zum ersten Teil verschwenkbaren zweiten Teil und einer zwischen dem ersten und dem zweiten Teil angeordneten Spiralfeder, die das erste Teil und das zweite Teil federnd miteinander verbindet, mit ihrem einen Ende am einen Teil und mit ihrem anderen Ende am anderen Teil befestigt ist und in einer Kammer mit einer viskosen Flüssigkeit als Dämpfungsmittel angeordnet ist. Das Funktionsprinzip dieser Vorrichtung besteht darin, durch Verdrängung von Flüssigkeit aus Zwischenräumen der Spiralfeder in andere Zwischenräume für eine Dämpfung der Relativbewegung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil zu sorgen.
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Weiter offenbart die
DE 38 21 982 C2 ein Entkoppelungselement der eingangs genannten Art, das als Rotationsdämpfer für Auszug- oder Drehascher oder Kleinartikelbehälter in einem Kraftfahrzeuginnenraum oder dergleichen eingesetzt wird. Die zwischen den beiden Körpern angeordnete Torsionsfeder dient dort zum Öffnen des Aschers oder Kleinartikelbehälters und wird beim Schließen desselben gespannt, indem die beiden Körper in Bezug zueinander um ein begrenztes Maß bis zu einer gegenseitigen Verriegelung gedreht werden. Die beiden Körper werden dort in Bezug zueinander nur um ein geringes Maß verdreht, zum Beispiel um weniger als 45 Grad bei dem in
6 und
7 dargestellten Auszugascher oder um etwa 90 Grad bei dem in
8 und
9 dargestellten Drehascher, so dass die Windungen der Torsionsfeder ihre Lage innerhalb des Ringspalts im Wesentlichen beibehalten und sich nicht gegen die äußere Umfangsfläche des inneren Körpers oder die innere Umfangsfläche des äußeren Körpers anlegen. Dadurch verformt sich die Feder über den Öffnungs- oder Schließwinkel des Auszug- oder Drehaschers oder Kleinartikelbehälters nur linear, wodurch die die Federkennlinie im Wesentlichen mit konstanter Steigung verläuft.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein passives Entkopplungselement zu entwickeln, mit dem sich die Übertragung von Drehschwingungen reduzieren und insbesondere eine Anregung von Komponenten durch die Drehschwingungen verhindern lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei nutzt die vorliegende Erfindung die Tatsache aus, dass sich die schraubenförmig gewundene Torsionsfeder im Falle einer durch Drehschwingungen verursachten Relativdrehung der beiden Körper in Bezug zueinander zuerst linear verformt und sich dann allmählich gegen die äußere Umfangsfläche des inneren Körpers oder gegen die innere Umfangsfläche des äußeren Körpers anlegt. Dadurch ergibt sich ein nicht-linearer Verlauf der Kennlinie der Federmoments, die während der elastischen Verformung der Torsionsfeder relativ flach ist und dann mehr oder weniger scharf abknickt und steil ansteigt bzw. abfällt, sobald sich die Windungen der Torsionsfeder gegen die äußere Umfangsfläche des inneren Körpers oder gegen die innere Umfangsfläche des äußeren Körpers anlegen. Durch eine geeignete Wahl der Form der Torsionsfeder sowie der äußeren Umfangsfläche des inneren Körpers und der inneren Umfangsfläche des äußeren Körpers kann der Verlauf der Federkennlinie am Übergang zwischen ihrem jeweiligen flachen Abschnitt und ihrem jeweiligen steilen Abschnitt wunschgemäß gestaltet werden. Zum Beispiel kann unter Berücksichtigung der in einem Antriebsstrang eines Nebenaggregatantriebs induzierten Drehschwingungen ein Verlauf gestaltet werden, der einer Schwingungsanregung von Komponenten dieses Antriebsstrangs wirkungsvoll entgegenwirkt.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich mindestens ein Teil der Windungen der Torsionsfeder entlang einer zur Drehachse koaxialen zylindrischen Fläche, während sich die äußere Umfangsfläche des inneren Körpers und die innere Umfangsfläche des äußeren Körpers in Richtung der Drehachse verjüngen, so dass in einer Richtung der Drehachse der radiale Abstand der Windungen der Torsionsfeder von der äußeren Umfangsfläche des inneren Körpers zunimmt und von der inneren Umfangsfläche des äußeren Körpers abnimmt und sich die Windungen der Torsionsfeder mit steigendem Drehmoment allmählich gegen eine der beiden Umfangsflächen anlegen. Dadurch wird eine Federkennlinie mit einem weichen Übergang zwischen ihrem flachen Abschnitt und ihrem steilen Abschnitt gestaltet.
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Die von den Windungen der Torsionsfeder aufgespannte Fläche ist in Bezug zur äußeren Umfangsfläche des inneren Körpers und zur inneren Umfangsfläche des äußeren Körpers vorzugsweise unter einem flachen Winkel geneigt, wobei der Neigungswinkel zu beiden Flächen vorzugsweise derselbe ist, so dass die Federkennlinie von der Richtung des aufgebrachten Drehmoments weitgehend unabhängig ist.
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Um dem Entkopplungselement zusätzlich Dämpfungseigenschaften zu verleihen, wird bevorzugt die äußere Umfangsfläche des inneren Körpers und/oder die innere Umfangsfläche des äußeren Körpers mit einer druckfesten, in begrenztem Maß elastisch verformbaren Beschichtung versehen, in die sich die Torsionsfeder etwa eindrücken kann. Diese Beschichtung dient gleichzeitig auch zur Geräuschdämpfung.
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Das erfindungsgemäße Entkopplungselement kann mit Vorteil eingesetzt werden, um die Eigenfrequenzen eines Systems zu verstimmen, so dass es durch Drehschwingungen nicht so leicht angeregt werden kann. Wenn das System vom Antriebsstrang eines Nebenaggregatantriebs einer Verbrennungskraftmaschine gebildet wird, ist vorzugsweise einer der beiden Körper drehfest mit einem treibenden Glied des Antriebsstrangs und der andere der beiden Körper drehfest mit einem angetriebenen Glied des Antriebsstrangs verbunden. Wenn der Antriebsstrang eine über einen Umschlingungstrieb oder ein Zahnradgetriebe von der Kurbelwelle angetriebene Nebenaggregatantriebswelle umfasst, ist zweckmäßig der innere Körper drehfest mit dieser Welle verbunden, während der äußere Körper drehfest mit einem auf der Welle montierten Zahnrad des Umschlingungstriebs bzw. des Zahnradgetriebes verbunden ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements mit einer zylindrischen Torsionsfeder zwischen konischen Umfangsflächen zweier Körper;
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2: eine schematische Schnittansicht eines nicht-erfindungsgemäßen Entkopplungselements mit einer zylindrischen Torsionsfeder zwischen zylindrischen Umfangsflächen zweier Körper;
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3: eine Darstellung der jeweiligen Federkennlinie der Torsionsfedern aus 1 und 2 in Abhängigkeit von einem Drehmoment zwischen den Körpern.
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Das in der Zeichnung dargestellte Entkopplungselement 1 dient dazu, der Übertragung von Drehschwingungen zwischen zwei Komponenten entgegenzuwirken, insbesondere zwischen einer Antriebskomponente und einer von dieser drehend angetriebenen Komponente, und die Anregung eines aus den Komponenten oder einem Teil der Komponenten bestehenden schwingungsfähigen Systems mit einer der Schwingungsfrequenz der Drehschwingungen im Wesentlichen entsprechenden Eigenfrequenz zu verhindern.
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Das Entkopplungselement 1 besteht im Wesentlichen aus zwei um eine Drehachse 2 in Bezug zueinander drehbaren Körpern 3, 4 und einer die beiden Körper 3, 4 verbindenden Dreh- oder Torsionsfeder 5.
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Die beiden Körper 3, 4 umgeben die Drehachse 2, wobei der innere Körper 3 derart in eine zur Drehachse 2 koaxiale Ausnehmung 6 des äußeren Körpers 4 eingesetzt ist, dass zwischen den beiden Körpern 3, 4 ein umlaufender Ringspalt 7 gebildet wird. Dieser Ringspalt 7 weist in den Darstellungen der 1 und 2 eine relativ große Weite auf, ist jedoch in der Praxis so bemessen, dass sich die Dreh- oder Torsionsfeder 5 gerade noch mit etwas Spiel in den Ringspalt 7 einsetzen lässt.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel in 1 der innere Körper 3 durch eine in Richtung der Drehachse 2 konisch verjüngte äußere Umfangsfläche 8 und der äußere Körper 4 durch eine in derselben Richtung verjüngte, der äußeren Umfangsfläche 8 in konstantem Abstand gegenüberliegende innere Umfangsfläche 9 begrenzt wird, werden bei dem Ausführungsbeispiel in 2 sowohl der innere als auch der äußere Körper 3 bzw. 4 zum Ringspalt 7 hin von einer zylindrischen äußeren bzw. inneren Umfangsfläche 10 bzw. 11 begrenzt. Die in 1 und 2 dargestellten Formen der Umfangsflächen 8, 9; 10, 11 des inneren und äußeren Körpers 3, 4 stellen jedoch nur Beispiele dar und können stattdessen beliebige identisch, ähnlich oder unterschiedlich geformte Querschnittsprofile aufweisen.
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Der innere und der äußere Körper 3, 4 können beispielsweise aus Metall bestehen, das im Bereich der äußeren Umfangsfläche 8; 10 des inneren Körpers 3 und der inneren Umfangsfläche 9; 11 des äußeren Körpers 4 mit einer Beschichtung 12 aus einem druckfestem Polymermaterial, zum Beispiel Polyamid 4.6, versehen ist.
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Die als Schraubenfeder ausgebildete Dreh- oder Torsionsfeder 5 weist mehrere schraubenförmig um die Drehachse 2 verlaufende Windungen 13 auf, die im Ringspalt 7 zwischen den zur Drehachse 2 rotationssymmetrischen Umfangsfläche 8, 9 bzw. 10, 11 des inneren und des äußeren Körpers 3, 4 angeordnet sind. Das eine Ende der Dreh- oder Torsionsfeder 5 ist drehfest mit dem inneren Körper 3 verbunden, während das entgegengesetzte Ende der Dreh- oder Torsionsfeder 5 drehfest mit dem äußeren Körper 4 verbunden ist. Diese Verbindung kann zum Beispiel dadurch hergestellt werden, dass man von den beiden an die äußersten Windungen anschließenden Enden (nicht sichtbar) der Dreh- oder Torsionsfeder 5 eines bei A radial nach innen und das andere bei B radial nach außen abbiegt und mit einer entsprechend angeordneten radialen Bohrung (nicht sichtbar) im inneren bzw. äußeren Körper 3 bzw. 4 in Eingriff bringt.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Dreh- oder Torsionsfeder 5 spannen die Mittelachsen M der Windungen 13 eine zur Drehachse 2 koaxiale zylindrischen Fläche auf, wobei benachbarte Windungen 13 in axialer Richtung der Drehachse 2 gegeneinander anliegen. Jedoch versteht sich, dass auch Dreh- oder Torsionsfedern 5 mit einer anderen Gestalt verwendet werden können, zum Beispiel kegelförmig verjüngte Dreh- oder Torsionsfedern mit schraubenförmigen Windungen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind und mit ihren Mittelachsen M eine zur Drehachse koaxiale konische Fläche aufspannen. Der Federdraht der Torsionsfeder kann ein runde Querschnittsform besitzen, wie in 1 und 2 dargestellt, jedoch können auch unrunde Querschnittsformen verwendet werden, wie beispielsweise rechteckige oder quadratische Querschnittsformen.
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Die Dreh- oder Torsionsfeder 5 ist jedoch stets so bemessen, dass in ihrem in 1 und 2 dargestellten entlasteten Ruhezustand sämtliche Windungen 13 in einem gewissen, wenn auch geringen Abstand von der äußeren Umfangsfläche 8; 10 des inneren Körpers 3 und der inneren Umfangsfläche 9; 11 des äußeren Körpers 4 angeordnet sind und nicht gegen diese anliegen.
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Wenn die beiden Körper 3, 4 in diesem Zustand durch ein auf einen der beiden Körper 3, 4 einwirkendes äußeres Drehmoment um die Drehachse 2 gegeneinander verdreht werden, wird die Dreh- oder Torsionsfeder 5 zuerst ausschließlich linear verformt und legt sich dann bei einem weiteren Anstieg des äußeren Drehmoments je nach Richtung des Drehmoments gegen die äußere Umfangsfläche 8; 10 des inneren Körpers 3 oder gegen die innere Umfangsfläche 9; 11 des äußeren Körpers 4 an, da sich infolge der elastischen Verformung der Dreh- oder Torsionsfeder 5 deren Innen- und Außendurchmesser verändert, wobei er je nach Richtung des Drehmoments bzw. der Relativdrehung kleiner oder größer wird.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel legen sich die Windungen 13 der Dreh- oder Torsionsfeder 5 ganz allmählich gegen die äußere Umfangsfläche 8 des inneren Körpers 3 oder die innere Umfangsfläche 9 des äußeren Körpers 4 an, und zwar beginnend mit derjenigen Windung 13, deren Abstand von der äußeren bzw. inneren Umfangsfläche 8 bzw. 9 am kleinsten ist, d. h. mit einer der beiden äußersten Windungen 13 in der Nähe der jeweiligen drehfesten Verbindung zwischen der Feder 5 und dem Körper 3 bzw. 4. Demgegenüber legen sich bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sämtliche Windungen 13 der Dreh- oder Torsionsfeder 5 nahezu gleichzeitig gegen die äußere Umfangsfläche 10 des inneren Körpers 3 oder gegen die innere Umfangsfläche 11 des äußeren Körpers 4 an.
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Dies führt dazu, dass man trotz Verwendung von ein und derselben Dreh- oder Torsionsfeder 5 stark unterschiedliche Federkennlinien erhält, wie in 3 dargestellt. Während die mit I gekennzeichnete Kennlinie der Dreh- oder Torsionsfeder 5 aus 1 während ihrer elastischen Verformung beiderseits des unbelasteten Ruhezustands im Koordinatennullpunkt zuerst flach und dann mit einem weichen Übergang steil ansteigt bzw. abfällt, sobald sich die Windungen 13 gegen die äußere oder innere Umfangsfläche 8 bzw. 9 anlegen, weist die mit II gekennzeichnete die Kennlinie der Dreh- oder Torsionsfeder 5 aus 2 zwischen ihrem flach und ihrem steil ansteigenden bzw. abfallenden Abschnitt einen harten abrupten Übergang auf.
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Somit zeigt 3, dass sich durch eine geeignete Form und geeignete Abmessungen der Umfangsflächen 8, 9; 10, 11 sowie durch eine daran angepasste Gestalt der Torsionsfeder 5 nicht nur der Drehwinkel der beiden Körper 3, 4 verändern lässt, bei dem der flache Abschnitt der Federkennlinie I, II in deren steilen Abschnitt übergeht, sondern dass auch die Form dieses Übergangs, das heißt der Verlauf der Federkennlinie bzw. des Federmoments im Übergangsbereich, in weiten Grenzen gestaltet werden kann.
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Durch den Kontakt zwischen der Dreh- oder Torsionsfeder 5 und dem benachbarten Körper 3 bzw. 4, gegen den sich die erstere anlegt, wird auch eine gewisse Dämpfung der Drehschwingungen erreicht, die durch die aus dem druckfesten Polymermaterial bestehende Beschichtung 12 der Umfangsflächen 8, 9; 10, 11 noch gesteigert werden kann. Infolge der durch das Polymermaterial hervorgerufenen weicheren Anschlagcharakteristik lassen sich auch die vom Entkopplungselement 1 zum Beispiele im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine erzeugten Störgeräusche minimieren.
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Die Anforderungen an die Federkennlinie I, II hängen dabei unter anderem von den Frequenzen der auf das Entkopplungselement 1 einwirkenden Drehschwingungen bzw. der Eigenfrequenzen der mit dem bzw. durch das Entkopplungselement 1 verbundenen Komponenten ab, zum Beispiel zwei rotierenden Komponenten (nicht dargestellt) eines Antriebsstrangs eines Nebenaggregatantriebs einer Verbrennungskraftmaschine, wie einer Nebenaggregatantriebswelle und einem zum Antrieb der Nebenaggregatantriebswelle dienenden Zahnrad, das über einen Umschlingungstrieb oder ein Zahnradgetriebe von der Kurbelwelle angetrieben wird. in einem solchen Fall wird zweckmäßig die Nebenaggregatantriebswelle drehfest mit dem inneren Körper 3 und das Zahnrad drehfest mit dem äußeren Körper 4 verbunden. Infolge der beschriebenen Nicht-Linearität verstimmt das derart im Antriebsstrang zwischen der Kurbelwelle und der Nebenaggregatantriebswelle angeordnete Entkopplungselement 1 die Eigenfrequenzen der Komponenten des Antriebsstrangs und erschwert so im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einerseits eine Anregung der Nebenaggregatantriebswelle durch primär- oder antriebsseitig erzeugte Drehschwingungen, andererseits jedoch auch eine Anregung der Kurbelwelle durch sekundär- oder abtriebsseitig erzeugte Drehschwingungen der Nebenaggregatantriebswelle.
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Alternativ könnte das Entkopplungselement
1 auch als Teil einer Spannvorrichtung zum Spannen eines Umschlingungstriebs verwendet werden, wie sie zum Beispiel in der
DE 101 18 277 A1 beschrieben ist, wobei in diesem Fall das passive erfindungsgemäße Entkopplungselement
1 das Federelement ersetzt, dessen Federvorspannung aktiv mittels eines Elektromotors veränderbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Entkopplungselement
- 2
- Drehachse
- 3
- innerer Körper
- 4
- äußerer Köper
- 5
- Torsionsfeder
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Ringspalt
- 8
- äußere Umfangsfläche des inneren Körpers
- 9
- innere Umfangsfläche des äußeren Körpers
- 10
- äußere Umfangsfläche des inneren Körpers
- 11
- innere Umfangsfläche des äußeren Körpers
- 12
- Beschichtung
