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Die
Erfindung betrifft eine drehelastische Wellenkupplung für
insbesondere Bootsantriebe mit einem antriebsseitigen Kupplungsflansch
und einer abtriebsseitigen Nabe, welche mittels zweier drehelastischer
Kupplungselemente kraftübertragend miteinander verbunden
sind.
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An
drehelastische Wellenkupplungen für den maritimen Einsatz,
insbesondere für Bootsantriebe, werden sehr spezifische
Anforderungen gestellt. Insbesondere bei Anliegen eines nur sehr
geringen Drehmomentes – bei Bootsantrieben gleichbedeutend
mit sehr geringen Drehzahlen – soll die eingesetzte Wellenkupplung
ausgesprochen drehweich sein. Mit zunehmendem Drehmoment – bei
Bootsantrieben gleichbedeutend mit zunehmender Drehzahl – ist
eine in Maßen erhöhte Drehsteifigkeit akzeptabel.
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Sofern
die Drehelastizität der Kupplung das anliegende Drehmoment
nicht ausreichend berücksichtigt, besteht die Gefahr des
sogenannten Zähneratterns im Getriebe. Dabei handelt es
sich um Geräusche, die durch das Abheben der Zahnflanken voneinander
entstehen, wenn die Wechsel drehmomente größer
sind als die Lastdrehmomente. Diese Problematik besteht insbesondere
beim Motorleerlauf sowie im Teillastbetrieb im Übergang
zwischen Leerlauf und Arbeitsbereich. Abgesehen von der Komfortminderung
durch die vorgenannten Geräusche bedeutet das Abheben der
Zahnflanken der Getriebezahnräder voneinander eine erhebliche
Getriebebelastung mit in der Folge erhöhtem Verschleiß.
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Der
Einsatz bekannter einstufiger Kupplungen mit einem linearen Kupplungselement
war nicht zielführend, da Kupplungselemente mit linearer Drehsteifigkeit
insbesondere bei niedrigen Drehmomenten keine ausreichende Elastizität
gewährleisten. Der Einsatz von Kupplungselementen mit progressiver
Drehsteifigkeit gewährleistete bei niedrigen Drehmomenten
einen akzeptablen Betrieb, bei hohen Drehmomenten sind derartige
Kupplungselemente gegebenenfalls zu drehsteif.
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Infolgedessen
wurden bisher zwei- und dreistufige Kupplungen in Bootsantrieben
verwendet. Ein Beispiel für eine Zweistufenkupplung ist
DE 43 09 745 A1 der
Anmelderin, bei welcher eine erste elastische Kupplungsstufe nach
Art einer Gummirollenkupplung mit zwischen der Nabe und einem äußeren Polygon
gelagerten Kupplungskörpern einer Klauenkupplung vorgeschaltet
wurde. Die Gummirollenkupplung gewährleistet eine hohe
Drehelastizität im Teillastbetrieb, ist für eine
Kraftübertragung im Volllastbetrieb jedoch nicht ausreichend
dimensioniert. Bei Erreichen eines bestimmten Drehmomentes greift
daher die zweite, als Klauenkupplung ausgeführte Kupplungsstufe
mit höherer Drehsteifigkeit ein.
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Als
Beispiel für eine dreistufige Kupplung sei
DE 44 03 477 C1 der Anmelderin
aufgeführt, bei welcher als erste Kupplungsstufe die aus
der vorgenannten Druckschrift bereits bekannte Rollenkupplung dient.
Diese ist wiederum für den Teillastbetrieb ausgelegt und
ausgesprochen drehweich. Bei Erreichen eines bestimmten Nenndrehmomentes
greift eine drehsteifere Klauenkupplung ein, an die sich eine drehweiche
dritte Kupplungsstufe anschließt.
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Mit
beiden Kupplungstypen konnte dem Zähnerattern bislang gut
begegnet werden. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der
Bootsantriebe geraten beide Kupplungskonzepte jedoch an ihre Grenzen. Problematisch
ist grundsätzlich der Übergangsbereich, in welchem
die erste Kupplungsstufe an ihre Leistungsgrenze gelangt und die
jeweils nächste Kupplungsstufe mit der Leistungsaufnahme
beginnt. Auch hat es sich herausgestellt, dass es Anwendungsbereiche
gibt, bei denen die zweite Stufe der Zweistufenkupplung bei hohen
Drehmomenten drehelastischer sein müsste.
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Es
sei angemerkt, dass die ordnenden Begriffe "erste, zweite, dritte"
bezogen auf Kupplungsstufen oder Kupplungselemente grundsätzlich
lediglich der begrifflichen Unterscheidung dienen und nicht zwingend
die serielle Ordnung in Bezug auf den Kraftfluss innerhalb der vorgestellten
Wellenkupplungen definieren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine drehelastische Wellenkupplung zu schaffen,
welche über den gesamten Drehmoment- bzw. Drehzahlbereich
insbesondere eines Bootsantriebes eine möglichst niedrige
Drehelastizität zur Verfügung stellt.
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Gelöst
wird die Aufgabe von einer drehelastischen Wellenkupplung mit den
Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere den kennzeichnenden Merkmalen,
wonach ein erstes Kupplungselement mit progressiver Drehsteifigkeit
und ein zweites Kupplungselement mit linearer Drehsteifigkeit einstufig
in Serie hintereinander angeordnet sind.
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Zur
Lösung des Problems wendet sich die Erfindung von den bisher
eingeschlagenen Wegen der Kupplungskonstruktion ab. An Stelle des
naheliegenden feineren Unterteilens in Teillastbereiche und des
Aufbaus einer mehrstufigen Kupplung mit je einem Kupplungsglied
für den jeweiligen Teillastbereich werden die problematischen Übergangsbereiche
beim Ein griff der jeweiligen Kupplungsstufe vermieden, indem ein
einstufiges Kupplungselement geschaffen wird.
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Um
bei niedrigen Drehmomenten eine ausreichend hohe Drehelastizität
zu gewährleisten, wird ein progressives Kupplungselement
eingesetzt, dessen hohe Drehsteifigkeit bei großen Drehmomenten durch
die Kombination mit einem linearen Kupplungselement stark abgemildert
wird. Durch die Serienschaltung beider Kupplungselemente ist die
resultierende Drehsteifigkeit der Kombination beider Kupplungselemente
immer geringer als die Drehsteifigkeit jedes einzelnen Kupplungselementes.
Dies gewährleistet über den gesamten Drehzahl-
bzw. Drehmomentverlauf eine überaus hohe Drehelastizität,
so dass das Abheben der Zahnflanken der Getriebezahnräder
auch im kritischen Teillastbereich sicher vermieden wird. Im Betrieb
tragen grundsätzlich beide Kupplungselemente zur Gesamtdrehelastizität bei.
Die niedrige Drehsteifigkeit bei hohem Drehmoment ergibt sehr niedrige
Wechseldrehmomente in der Kupplung und im Getriebe. Daraus resultiert
ein sehr ruhiger Lauf und eine hohe Lebensdauer des Antriebstranges.
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Aufgrund
der Serienschaltung des progressiven und linearen Kupplungselementes
sind beide Kupplungselemente jeweils für das volle Nenndrehmoment
des Antriebes ausgelegt. Aufgrund ihres Kennlinienverlaufes eignet
sich als progressives Kupplungselement insbesondere eine Rollenkupplung.
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Zudem
kann der Kraftfluss axial oder radial durch das lineare Kupplungselement
geführt werden.
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Um
eine in Axialrichtung möglichst kompakt bauende Kupplung
zu schaffen, ist vorgesehen, dass das progressive Kupplungselement
zumindest teilweise innerhalb des linearen Kupplungselementes angeordnet
ist, oder dass das lineare Kupplungselement innerhalb des progressiven Kupplungselementes
angeordnet ist. Eine axiale Hintereinanderschaltung der beiden Kupplungselemente
ist ebenfalls möglich.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
die zentrale Nabe radial nach außen geöffnete,
umfangsverteilt angeordnete erste Mulden trägt und von
einem Ringkörper umgeben ist, der radial nach innen geöffnete,
umfangsverteilt angeordnete und mit den ersten Mulden korrespondierende
zweite Mulden ausbildet, wobei zwei miteinander korrespondierende
Mulden einen Raum für jeweils einen gummielastischen Rollenkörper
der Rollenkupplung bilden, insbesondere wenn der Ringkörper
einen radial nach außen gerichteten Kragen mit axialer
Vulkanisationsfläche ausbildet, dem axial benachbart der
antriebsseitige Kupplungsflansch mit ebenfalls einer Vulkanisationsfläche
zugeordnet ist und wenn Kragen und Kupplungsflansch mittels eines
ringförmigen, gummielastischen Kupplungskörper
miteinander verbunden sind.
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So
sind das progressive Kupplungselement in Form einer Rollenkupplung
und das lineare Kupplungselement in Form eines gummielastischen
Ringkörpers ineinander verschachtelt angeordnet, was eine
konkrete Ausgestaltung einer axial kompakt bauenden Kupplung darstellt.
In vorliegendem Falle wird der Kraftfluss axial durch das lineare
Kupplungselement geführt.
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Alternativ
kann der Ringkörper eine radial nach außen weisende
Vulkanisationsfläche aufweisen, der eine radial nach innen
weisende Vulkanisationsfläche des Kupplungsflansches zugeordnet
ist, wobei Ringkörper und Kupplungsflansch mittels eines
ringförmigen, gummielastischen Kupplungskörpers
miteinander verbunden sind. Anstelle des Anvulkanisierens an den äußeren
Ringkörper kann dieser formschlüssig mittels einer
Verzahnung mit oder ohne Vorspannung mit dem ringförmigen
gummielastischen Körper verbunden sein. So lässt
sich eine drehelastische Wellenkupplung mit radialem Kraftfluss
realisieren.
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Weitere
Vorteile der Erfindung sowie ein besseres Verständnis ergeben
sich aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung. Es zeigen:
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1 eine
Ansicht auf die Abtriebseite einer drehelastischen Kupplung,
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2 eine
Ansicht auf die Antriebsseite der drehelastischen Kupplung gemäß 1,
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3 einen
Schnitt der drehelastischen Kupplung gemäß Schnittlinie
IV-IV in 2 mit axialem Kraftfluss durch
das Kupplungselement mit linearer Drehsteifigkeit,
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4 eine
Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform
der drehelastischen Wellenkupplung mit radialem Kraftfluss durch
das Kupplungselement mit linearer Drehsteifigkeit in Analogie zu
Schnittlinie IV-IV in 2,
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5 ein
Diagramm mit Kennlinien verschiedener Kupplungsarten.
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In
den Figuren ist eine drehelastische Wellenkupplung für
Bootsantriebe insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die
drehelastische Wellenkupplung 10 umfasst einen zentralen,
im Wesentlichen scheibenförmigen Körper 11,
der eine zentrale Nabe 12 für eine nicht dargestellte
Ausgangswelle ausbildet. Die radiale Außenfläche
des Körpers 11 bildet außenumfänglich
verteilte und nach außen hin offene erste Mulden 13 aus,
wie insbesondere in der 2 gut erkennbar ist.
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Der
zentrale Körper 11 ist radial beabstandet von
einem Ringkörper 14 umgeben, der seinerseits zum
Körper 11 hin offene, umfangsverteilte und mit den
ersten Mulden 13 korrespondierende zweite Mulden 15 ausbildet.
Dies lässt sich sehr gut aus der 1 ersehen.
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Korrespondierende
erste und zweite Mulden 13, 15 bilden zusammen
je einen Raum für einen gummielastischen Rollenkörper 16.
Der Durchmesser eines jeden elastischen Rollenkörpers 16 kann gleich,
geringfügig kleiner oder geringfügig größer
als der maximale Abstand zwischen den Innenflächen 17 korrespondierender
erster und zweiter Mulden 13, 15 sein.
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Nach
Art einer klassischen Rollenkupplung dienen einzig die Rollenkörper 16 der Übertragung einer
vom Ringkörper auf die zentrale Nabe 12 aufzubringenden
Torsionskraft. Ohne das Vorhandensein der Rollenkörper 16 innerhalb
der mittels der Mulden 13 und 15 gebildeten Lagerschalen
fände keine Kraftübertragung vom Ringkörper 18 auf
den zentralen Körper 11 statt.
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Aus 1 und 2 ist
noch erkennbar, dass die jeweiligen Mulden 13 und 15 im
zentralen Körper 11 und Ringkörper 14 in
Umfangsrichtung asymmetrisch ausgebildet sind. Dabei ist (der äußere Ringkörper 14 dreht
sich in Richtung des Pfeiles D relativ zum Körper 11)
die Anordnung so getroffen, dass die flachere Flanke der jeweiligen
Mulde 13 und 15 wirksam wird, wodurch die Kupplung
in dieser Drehrichtung, welche der Drehrichtung des Motors entspricht,
weicher ist als in der entgegengesetzten Drehrichtung, wie man sich
ohne weiteres vorstellen kann, wenn der Rollenkörper 16 von
den zur Umfangsrichtung steileren Flächenbereichen der
jeweiligen Mulde 13 und 15 tangiert ist.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 3 trägt
der äußere Ringkörper 14 einen
im Wesentlichen radial nach außen gerichteten Kragen 18 mit
einer axial zu einem Kupplungsflansch 20 weisenden Vulkanisationsfläche 19.
Der Kupplungsflansch 20 dient der antriebsseitigen Anbindung von
Aggregaten, insbesondere einem Motorschwungrad, und weist neben
Befestigungsbohrungen 21 für Schraubbolzen ebenfalls
eine Vulkanisationsfläche auf, die mit 22 bezeichnet
ist. Diese ist der Vulkanisationsfläche 19 des
Kragens 18 zugewandt, wobei der Ringkörper 14 und
der Kupplungsflansch 20 mittels eines ringförmigen
anvulkanisierten, elastischen Kupplungskörpers 23 aus
einem Elastomer miteinander verbunden sind.
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Die
vorbeschriebene drehelastische Wellenkupplung 10 besteht
folglich aus zwei Kupplungselementen. Als erstes Kupplungselement
ist die Rollenkupplung zu betrachten, welche eine progressive Drehsteifigkeit
aufweist. Der Vorteil dieses ersten Kupplungselementes ist insbesondere
in der hohen Drehelastizität bei geringen Drehmomenten
zu sehen. Die vom Antrieb herrührenden torsionalen Schwingungen
werden insbesondere durch die Rollenkupplung im unteren Drehmomentbereich
sehr gut aufgenommen und gedämpft.
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Um
der aus der progressiven Drehelastizitätskennlinie der
Rollenkupplung herrührenden hohen Kupplungssteifigkeit
bei hohen Drehmomenten zu begegnen, die eine geringe Dämpfungswirkung zur
Folge hat und damit hohe Wechseldrehmomente erzeugen würde,
ist zur Rollenkupplung das zweite Kupplungselement mit linearer
Drehelastizitätskennlinie in Serie geschaltet. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel handelt es sich um das ringförmige Kupplungselement 23.
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4 zeigt
die Schnittdarstellung einer alternativen Bauform der erfindungsgemäßen
drehelastischen Wellenkupplung 10. Hierbei handelt es sich um
eine Kupplung mit radialem Kraftfluss durch das Kupplungselement
mit linearer Drehelastizitätskennlinie, wobei diese Wellenkupplung 10 in
Analogie zu den Schnittlinien IV-IV in 2 dargestellt
ist. Gleichwirkende Bauteile sind hierbei mit identischen Bezugsziffern
versehen worden, wobei sich die vorangehende Zeichnungsbeschreibung
weitestgehend auch auf die Ausführungsform der Erfindung
gemäß 4 liest.
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Wie
vorbeschrieben bildet der zentrale Kupplungskörper 11 eine
Nabe für eine nicht dargestellte Ausgangswelle aus und
trägt wie vorbeschrieben radial nach außen hin
geöffnete Mulden 13. Der um den zentra len Körper 11 angeordnete
Ringkörper 14 bildet in Analogie zur vorher beschriebenen
Ausführungsform radial nach innen geöffnete, den
ersten Mulden 13 korrespondierend zugeordnete zweite Mulden 15 aus,
so dass auch hier ein Raum für Rollenkörper 16 geschaffen
ist.
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Im
Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 3 weist
der Ringkörper 14 jedoch keine axial, sondern
eine radial nach außen gerichtete Vulkanisationsfläche 24 auf,
an die ein ringförmiger, gummielastischer Kupplungskörper 25 anvulkanisiert
ist.
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Der
ringförmige Kupplungskörper 25 ist von einem
Kupplungsflansch 26 mit einer radial nach innen weisenden
Vulkanisationsfläche 27 umgeben und über
diese mit dem ringförmigen Kupplungskörper 25 drehfest
verbunden. Alternativ kann diese Verbindung über den vorbeschriebenen
Formschluss erfolgen. Mittels Axialbohrungen 28 ist der
Kupplungsflansch 26 mit einem antriebseitigen Schwungrand verbindbar.
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Genau
wie bei der Ausführungsform gemäß 3 wird
auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 4 die
bei niedrigen Drehmomenten vorteilhafte Rollenkupplung mit progressiver
Drehelastizitätskennlinie mit einem ringförmigen Kupplungskörper 25 mit
linearer Drehelastizitätskennlinie in Serie geschaltet.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 3 ist
der Kraftfluss bei einer Ausführungsform gemäß 4 jedoch
ein radialer.
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Erfindungswesentlich
ist, dass es sich bei der vorgestellten drehelastischen Wellenkupplung um
eine einstufige Kupplung handelt. Beide Kupplungselemente, also
die Rollenkupplung wie auch die ringförmigen Kupplungskörper 25 bzw. 23 sind
jeweils für das volle Nenndrehmoment des Antriebs ausgelegt
und wirken in jedem Zustand der Kraftübertragung gleichzeitig.
Dabei überträgt in jedem Betriebszustand jedes
Kupplungselement für sich in vollem Umfang und gleichzeitig
mit dem anderen Kupplungselement das jeweilige Drehmoment. Lediglich der jeweilige
Anteil an der resultierenden Gesamtdrehelastizität verändert
sich mit steigendem Drehmoment. Dies geschieht jedoch im Gegensatz
zu zwei- und mehrstufigen Kupplungen dynamisch und ohne Übergangsbereich,
in welchem bei Stufenkupplungen die Drehelastizität der
ersten Stufe beinahe erschöpft, die der zweiten Stufe jedoch
noch nicht ausreichend ist.
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5 zeigt
drei Drehelastizitätskennlinien unterschiedlicher Kupplungen.
Mit der Bezugsziffer 1 ist die Kennlinie einer progressiven
Kupplung, beispielsweise der verwendeten Rollenkupplung allein dargestellt.
Wie aus der Darstellung offensichtlich ist, eignet sich diese sehr
gut zur Dämpfung torsionaler Schwingungen bei niedrigen
Drehmomenten. Sie ist in diesen Bereichen sehr weich und somit ausgesprochen
drehelastisch.
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Mit
der Bezugsziffer 2 ist die Kennlinie einer Kupplung mit
linearer Drehelastizität – wie beispielsweise
die Kupplungskörper 23 und 25 – bezeichnet. Diese
wird bei einer bestimmten Kupplungsauslastung (in diesem Beispiel
bei etwa 55%) von der progressiven Kennlinie 1 geschnitten.
Folglich ist bis zu diesem Schnittpunkt 4 die Drehelastizität
einer linearen Kupplung mit Kennlinie 2 höher.
Aus diesem Grund hatte man bislang mehrstufige Kupplungen gewählt,
bei welchen oberhalb eines bestimmten, relativ niedrigen Drehmomentes
von einer ersten Kupplungsstufe auf eine zweite Kupplungsstufe „umgeschaltet"
wurde.
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Mit
der Bezugsziffer 3 ist die Kennlinie einer drehelastischen
Wellenkupplung 10 dargestellt, die das progressive Kupplungselement
mit der Kennlinie 1 und das lineare Kupplungselement mit
der Kennlinie 2 in Serie hintereinander erfindungsgemäß schaltet.
Die resultierende Kennlinie 3 liegt unterhalb der Kennlinie 2 des
verwendeten linearen Kupplungselementes und nähert sich
asymptotisch an diese Kennlinie an. Dies erklärt sich daraus,
dass bei jedem anliegenden Drehmoment beide Kupplungselemente wirken.
Es ergibt sich also immer die Resultierende aus beiden Drehelastizitäten
und diese resultierende Drehelastizität ist immer niedriger als
die Drehelastizität der einzelnen Kupplungen, sogar niedriger
als die der Einzelkupplung mit der niedrigsten Drehelastizität.
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- 1
- Kennlinie
einer Kupplung mit progressiver Drehsteifigkeit
- 2
- Kennlinie
einer Kupplung mit linearer Drehsteifigkeit
- 3
- Resultierende
Kennlinie von 1 und 2
- 4
- Schnittpunkt
- 10
- Drehelastische
Wellenkupplung
- 11
- zentraler
Körper v. 10
- 12
- Nabe
- 13
- erste
Mulde
- 14
- Ringkörper
- 15
- zweite
Mulde
- 16
- gummielastischer
Rollenkörper
- 17
- Innenflächen
- 18
- Kragen
- 19
- axiale
Vulkanisationsfläche v. 18
- 20
- Kupplungsflansch
- 21
- Befestigungsbohrungen
v. 20
- 22
- axiale
Vulkanisationsfläche v. 20
- 23
- ringförmiger
Kupplungskörper
- 24
- radiale
Vulkanisationsfläche v. 14
- 25
- ringförmiger
Kupplungskörper
- 26
- Kupplungsflansch
- 27
- Vulkanisationsfläche
v. 26
- 28
- Radialbohrungen
v. 26
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4309745
A1 [0005]
- - DE 4403477 C1 [0006]