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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Montagevorrichtung zur Montage einer Funktionselemente tragenden Welle, umfassend
- – eine Mehrzahl von axial beabstandet angeordneten Positionierscheiben mit Aufnahmen zur Halterung und fluchtenden Ausrichtung der scheibenförmigen und mit je einem zentralen Durchbruch versehenen Funktionselemente,
- – einen Zentrierdorn, der durch axiale Relativverschiebung zu den Positionierscheiben zwischen einer eingeschobenen Stellung, in der der Zentrierdorn die Aufnahmen der Positionierscheiben durchsetzt, und einer herausgeschobenen Stellung, in der der Zentrierdorn keine der Aufnahmen der Positionierscheiben durchsetzt, verfahrbar ist, wobei eine Stirnseite des Zentrierdorns Anspannmittel aufweist, mit denen eine Leerwelle in axialer Fortsetzung des Zentrierdorns an diesen anspannbar ist.
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Stand der Technik
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Derartige Montagevorrichtungen sind bekannt aus der
WO 2009/065970 A1 . Sie dienen insbesondere der Montage von Nockenwellen für Verbrennungsmotoren, wobei die Nocken, mit denen im Verbrennungsmotor die Betätigung der Ventile erfolgt, die „Funktionselemente” im Sinne der vorliegenden Beschreibung darstellen. Der Begriff des Funktionselementes im hiesigen Kontext ist jedoch weiter zu verstehen und umfasst beispielsweise auch Zahnräder, Geberräder, Pumpennocken und ähnliche Elemente. Es ist offensichtlich, dass sowohl die axialen Abstände als auch die relativen Winkellagen der einzelnen Funktionselemente zueinander entscheidende Bedeutung für die Funktionstüchtigkeit der montierten Welle haben. Bei der bekannten Montagevorrichtung ist daher vorgesehen, die Funktionselemente gemäß Ihrer beabsichtigten Axial- und Winkellage in Positionierscheiben so zu positionieren, dass zentrale Durchbrüche in den Körpern der Funktionselemente miteinander fluchten. Eine relativ zu den Funktionselementen stark unterkühlte Hohlwelle wird anschließend in die fluchtenden Durchbrüche eingeschoben. Ein anschließend herbeigeführter Temperaturausgleich führt zu einer relativen Vergrößerung des Außendurchmessers des Rohres im Vergleich zum Innendurchmesser der Funktionselemente, sodass eine Pressverbindung resultiert, mit der die Funktionselemente fest mit dem Rohr verbunden sind. Bei der bekannten Montagevorrichtung ist zusätzlich eine Halterung für ein Haubenelement vorgesehen, dessen Wandungen ebenfalls Durchbrüche aufweisen, die im montierten Zustand als Lagerstellen für die gebaute Welle dienen sollen. Das Haubenmodul wird relativ zu den Funktionselementen so positioniert, dass seine Durchbrüche mit deren Durchbrüchen fluchten. Das eingeschobene Rohr durchsetzt dann sowohl die Durchbrüche der Funktionselemente als auch die Durchbrüche des Haubenelementes, sodass nach dem Montagevorgang ein Wellen-Hauben-Modul resultiert. Bei der Montage wird zunächst ein geringfügig untermaßiger Zentrierdorn durch die Durchbrüche geschoben, um deren fluchtende Ausrichtung zu unterstützen und die Funktionselemente in ihren Positionierscheiben zu fixieren. Die unterkühlte Leerwelle ist mit einer Stirnseite an eine freie Stirnseite des Zentrierdorns angespannt. Durch Relativerschiebung der Zentrierdorn-Leerwellen-Einheit gegenüber den Positionierscheiben wird der Zentrierdorn aus den Durchbrüchen ausgeschoben und gleichzeitig die Leerwelle anstelle des Zentrierdorns in die Durchbrüche eingeschoben.
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Nicht nur die relative Lage der Funktionselemente zueinander ist wichtig für die korrekte Funktion des Moduls. Auch die relative Winkellage der Gesamtheit der Funktionselemente zu der Winkellage der Leerwelle ist von Bedeutung. Bei typischen Anwendungen ist die Leerwelle nämlich keineswegs vollständig rotationssymmetrisch. Insbesondere kann sie an ihren Stirnseiten Asymmetrien und/oder Markierungen aufweisen, die dazu dienen, weitere, nicht im Wellen-Hauben-Modul enthaltene Komponenten des Verbrennungsmotors phasenrichtig anzukoppeln. Diese Markierungen werden sogar typischerweise als Bezugspunkt des gesamten konstruktiven Systems verwendet. Die Ausrichtung und Einstellung der Positionierscheiben kann nur in Relation zu einer angenommenen Winkellage der Leerwelle erfolgen. Um eine funktionstüchtige Funktionswelle zu erhalten muss die tatsächliche Winkellage der Leerwelle beim Einschieben der bei der ursprünglichen Ausrichtung angenommen Winkellage entsprechen. Die tatsächliche Winkellage der Leerwelle wird durch die Anspannung an den Zentrierdorn vorgegeben. Hier ist eine sichere und spielfreie Anspannung erforderlich. Die genannte Druckschrift offenbart hierzu keine Details.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Montagevorrichtung derart weiterzubilden, dass ein phasenrichtiges und spielfreies Anspannen der Leerwelle an den Zentrierdorn ermöglicht wird.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Anspannmittel wenigstens einen auf der Stirnseite des Zentrierdorns exzentrisch angeordneten und/oder nicht rotationssymmetrischen Vorsprung aufweisen, der durch wenigstens einen radialen Spalt in wenigstens zwei azimutal benachbarte Teilvorsprünge geteilt ist, wobei ein Fußstück wenigstens eines Teilvorsprungs ein Festkörpergelenk umfasst, sodass ein Kopfstück desselben Teilvorsprungs azimutal federnd gelagert ist.
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Die Erfindung geht aus von dem grundsätzlich bekannten Gedanken einer Kronenverzahnung, wobei ein oder mehrere Zähne der Stirnseite des Zentrierdorns in korrespondierende Ausnehmungen auf der Stirnseite der Leerwelle eingreifen. Um die gewünschte Verdrehsicherheit zu erhalten, muss der Eingriff nicht-rotationssymmetrisch erfolgen. Dies kann realisiert werden, indem der bzw. die Vorsprünge des Zentrierdorns in sich nicht-rotationssymmetrisch geformt oder zumindest nicht-rotationssymmetrisch auf der Stirnseite des Zentrierdorns angeordnet sind. Allerdings fallen bei der bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung, nämlich beim Bau von Nockenwellen für Verbrennungsmotoren, bereits geringste Winkelabweichungen erheblich ins Gewicht. Eine herkömmliche auf reinen Formschluss setzende Kronenverzahnung erfüllt aufgrund des notwendig auftretenden Spiels die Anforderungen an die Präzision des Eingriffs nur ungenügend. Das Spiel ist dabei um so schwerer kontrollierbar, als bei der bevorzugten, oben erläuterten Verwendung einer stark unterkühlten Leerwelle temperaturbedingte Dimensionsänderungen auftreten können, sodass das Spiel in unterschiedlichen Verfahrensstufen unterschiedlich groß ausfallen kann. Die vorliegende Erfindung sieht daher weiter vor, dass wenigstens ein Vorsprung des Zentrierdorns einen radialen Spalt aufweist. „Radial” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang nicht zwingend, dass der gesamte Spalt exakt radial ausgerichtet sein muss; vielmehr sollen auch Ausführungsformen umfasst sein, bei denen der Spalt nur eine radiale Komponente aufweist. Ein derartiger, radialer Spalt unterteilt den Vorsprung in zwei azimutal benachbarte Teilvorsprünge. ”Azimutal” bedeutet dabei kolinear der Laufrichtung des Azimut φ im Sinne zylindrischer Polarkoordinaten (r, φ, z). Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der der wenigstens eine Vorsprung am Rand der Zentrierdorn-Stirnseite angebracht ist, sind die resultierenden Teilvorsprünge in Umfangsrichtung oder, anders ausgedrückt, entlang des Umfangs der Stirnseite benachbart zueinander angeordnet.
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Ist weiter das Fußstück wenigstens eines Teilvorsprungs als ein Festkörpergelenk ausgebildet, d. h. der Teilvorsprung kann in azimutaler Richtung um seinen Anlenkpunkt an der Stirnseite des Zentrierdorns gegen die Federkraft des Materials verschwenkt werden, ist erfindungsgemäß ein Zahn geschaffen, dessen Zahnbreite durch seitlichen Druck reduzierbar ist, wobei durch die grundsätzlich jedem Material, insbesondere jedoch dem bevorzugt für den Zentrierdorn verwendeten Metall, insbesondere Stahl, innewohnende Federwirkung eine der Breitenreduzierung entgegenwirkende Rückstellkraft existiert, die im kräftefreien Zustand zu einer definierten Normalbreite des Zahnes führt (man beachte, dass diese Normalbreite in Abhängigkeit von der Temperatur schwanken kann). Bei einer derartigen Gestaltung der Montagevorrichtung werden Leerwellen, deren mit den erfindungsgemäß ausgelegten Zähnen korrespondierende Ausnehmungen geringfügig schmaler sind, als die Normalbreite der Zähne (und zwar bei jeder während des vorgesehenen Montageverfahrens auftretender Temperaturkonstellation), nicht nur form- sondern auch kraftschlüssig fixiert, wodurch jegliches Spiel unterbunden wird. Andererseits muss, um einen Eingriff der Zähne in korrespondierende Ausnehmungen der Leerwelle überhaupt zu ermöglichen, sichergestellt werden, dass die Zahnbreite in maximal zusammengedrücktem Zustand, d. h. die minimal erreichbare Zahnbreite kleiner ist als die Breite der korrespondierenden Ausnehmung. Mit anderen Worten wird die Leerwelle bevorzugt so gewählt, dass die azimutale Breite des Vorsprungs im kräftefreien Zustand größer und in einem gegen die Federkraft des Festkörpergelenks maximal gespannten Zustand kleiner als die azimutale Breite einer korrespondierenden Ausnehmung an einer Stirnseite der Leerwelle ist. Der Fachmann wird erkennen, dass bei der Auslegung des Festkörpergelenks darauf zu achten ist, dessen Federwirkung nicht zu schwach, insbesondere nicht schwächer als während des beabsichtigten Verfahrens auftretende Torsionskräfte zu gestalten.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die azimutal äußerste Oberkante des Kopfstücks des federnden Teilvorsprungs abgerundet ist. Hierdurch wird die Einführung des Vorsprungs in die korrespondierende Ausnehmung der Leerwelle erleichtert. Insbesondere dient die Abrundung als Anlaufschräge, über die eine den Einschub bewirkende Axialkraft in eine Tangentialkraft umgelenkt wird, welche ein Einfedern des federnden Teilvorsprungs bewirkt.
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Um eine hohe Robustheit der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung zu gewährleisten, sollten die Vorsprünge des Zentrierdorns nicht zu filigran gestaltet sein. Andererseits bewirkt eine große Zahnbreite erhebliche Federkräfte, sodass das Anspannen der Leerwelle an den Zentrierdorn erhebliche Axialkräfte erfordern würde. Dies ist hingegen nicht erwünscht. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Fußstück des federnden Teilvorsprungs azimutal schmaler als sein Kopfstück ist. Hierdurch können große Zahnbreiten und moderate Federkräfte kombiniert werden. Zudem hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass der Zahn, der kraftschlüssig in die korrespondierende Ausnehmung der Leerwelle eingreift, nicht über seine gesamte Höhe Kontakt zu der Seitenwand der Ausnehmung hat. Hierdurch werden Reibungskräfte verringert, was wiederum zu geringeren Axialkräften beim Anspannen der Leerwelle an den Zentrierdorn führt.
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Bevorzugt wird der zuvor genannte Ansatz konsequent weitergeführt, indem das Fußstück des federnden Teilvorsprungs eine dem Spalt zugewandte, sich radial erstreckende Nut aufweist. Hierdurch wird die azimutale Breite des federnden Teilvorsprungs im Bereich des Festkörpergelenks (nochmals) reduziert, was eine (weitere) Reduktion der Federkräfte nach sich zieht. Günstigerweise haben der Nutgrund und die Nutwände der Nut ein bogenförmiges Profil, d. h. es sind keine Kanten zwischen Nutgrund und Nutwänden vorgesehen, sodass die Materialbelastung bei der Federbewegung gleichmäßig verteilt und nicht auf einen Punkt konzentriert wird, an dem es bei Dauerbelastung zu Rissen oder Brüchen kommen könnte.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform des Zentrierdornes ist dessen Stirnseite kronenartig mit einer Mehrzahl randständig angeordneter Vorsprünge zum Eingriff in eine entsprechende Mehrzahl korrespondierender Ausnehmungen an der Stirnseite der Leerwelle ausgestaltet. Die Symmetrie der Anordnung der Vorsprünge ist entsprechend den Freiheitsgraden der Winkelorientierung der Leerwelle bei dem angestrebten Montageverfahren zu wählen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer bekannten Montagevorrichtung in der eingeschobenen Stellung,
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2: die Montagevorrichtung von 1 in der herausgeschobenen Stellung,
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3: perspektivische Detaildarstellung eines erfindungsgemäßen Zentrierdornvorsatzes,
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4: perspektivische Detaildarstellung einer Leerwellenstirnseite zur Verwendung mit dem Zentrierdornvorsatz von 3.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Montagevorrichtung in rein schematischer Darstellung in eingeschobener (1) bzw. herausgeschobener (2) Stellung.
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Auf einer Maschinenplattform 10, die fest oder beweglich gegenüber einem nicht dargestellten Maschinenfundament angeordnet ist, sind eine Mehrzahl von Positionierscheiben 12 angeordnet. Die nicht näher im Detail dargestellten Positionierscheiben 12 halten jeweils einen nicht dargestellten scheibenförmigen Nocken in einer vorgegebenen Winkellage. Weiter ist ein Haubenelement 14 in die Positionierscheiben 12 umgreifender Weise auf der Maschinenplattform gehaltert. Die äußeren Wandungen des Haubenelementes sowie die Nocken weisen miteinander fluchtende Durchbrüche auf, die in der eingeschobenen Stellung der Montagevorrichtung von einem Zentrierdorn 16 durchsetzt sind. An eine Stirnseite des Zentrierdorns 16 ist eine Leerwelle 18 angespannt. Die Leerwelle 18 ist gegenüber den Nocken stark unterkühlt, hierdurch ist ihr Außendurchmesser im Vergleich zu den Durchbrüchen in Nocken und Haubenelement 14 reduziert.
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Zur Montage wird die Einheit aus Zentrierdorn 16 und Leerwelle 18 relativ zu der Anordnung von Positionierscheiben 12 und Haubenelement 14 axial verschoben, sodass die Leerwelle 18 anstelle des Zentrierdorns 16 die Durchbrüche in Nocken und Haubenelement 14 durchsetzt. Dies ist die in 2 dargestellte Situation, die hier aus dem Blickwinkel des Zentrierdorns 16 als die herausgeschobene Stellung bezeichnet wird. In der herausgeschobenen Stellung wird ein Temperaturausgleich zwischen der Leerwelle 18 einerseits und den Nocken und dem Haubenelement 14 andererseits herbeigeführt. Bei geeigneter relativer Dimensionierung der Durchmesser der Durchbrüche und der Leerwelle 18 werden die Nocken hierdurch fest auf die Leerwelle 18 aufgeschrumpft, wohingegen die Leerwelle in den als Nockenwellenlager dienenden Durchbrüchen des Haubenelementes rotierbar spielfrei gelagert wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anspannung der Leerwelle 18 an den Zentrierdorn 16, d. h. insbesondere auf die spezielle Gestaltung der Schnittstelle zwischen den beiden Elementen.
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Die Schnittstelle ist in den 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. 3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des zentrierdornseitigen Teils der Schnittstelle 20. 4 zeigt eine korrespondierende Ausgestaltung des leerwellenseitigen Anteils der Schnittstelle 20.
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3 zeigt einen die Stirnseite des Zentrierdorns 16 tragenden Aufsatz. Zum Zwecke der Modularität und leichten Austauschbarkeit, z. B. bei Verschleiß, ist der Zentrierdorn 16 bevorzugt aus einem Körper und einer auf diesen aufsetzbaren Krone 22 zusammengesetzt. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, den Zentrierdorn 16 einstückig zu gestalten, sodass die erfindungsgemäßen Merkmale der Krone 22 am Zentrierdornkörper selbst verwirklicht sind.
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Die Krone 22 weist einen ihren Umfang vorgebenden Ring auf, auf dessen Rand 24 vier Vorsprünge 26, angeordnet sind. Jeder Vorsprung 26 weist einen radialen Spalt 28 auf, der ihn in zwei Teilvorsprünge 26a und 26b unterteilt. Die Teilvorsprünge 26a, 26b sind einander azimutal benachbart. Ihre jeweiligen azimutal äußeren Radialkanten 30a, 30b sind abgerundet gestaltet. Einer der Teilvorsprünge, bei der gezeigten Ausführungsform der Teilvorsprung 26b, weist in seinem unteren, dem Rand 24 zugewandten Abschnitt, der hier als Fußstück bezeichnet wird, ein Festkörpergelenk auf. Das Festkörpergelenk wird durch eine radiale Nut 32 mit bogenförmigen Nutwänden und Nutgrund gebildet, deren Nutöffnung im Spalt 28 mündet und dessen untere Nutwand auf dem Niveau des Kronenrandes 24 endet. Zudem ist die Breite des Fußstücks auch von azimutal außen her gegenüber dem darüberliegenden Kopfstück verschmälert. Insgesamt ergibt sich eine deutliche Materialschwächung im Bereich des Fußstücks des Teilvorsprungs 26b, wodurch das Festkörpergelenk realisiert ist. Ein von azimutal außen auf das Kopfstück wirkender Druck führt zu einer Verschwenkung des Teilvorsprungs 26b um die von dem Festkörpergelenk vorgegebene Achse, die etwa an der tiefsten Stelle des Nutgrundes verläuft. Die Elastizität des Materials der Krone 22, die bevorzugt aus Stahl gefertigt ist, führt dazu, dass dem genannten Druck eine Federkraft entgegenwirkt, die den Teilvorsprung 26b bei Druckentlastung in seiner Ausgangsstellung zurückfedern lässt.
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4 zeigt die Stirnseite der Leerwelle 18, die eine zu der Krone 22 korrespondierende Randgestaltung aufweist. Insbesondere sind in einem den Umfang der Leerwelle 18 vorgebenden Rand 40 vier Ausnehmungen 42 angeordnet, die in ihrer Position den Positionen der Vorsprünge 26 der Krone 22 entsprechen. Die Ausnehmungen 42 weisen radial und parallel zur Wellenachse ausgerichtete Seitenwände 44 auf. Der Nutgrund 46 der Ausnehmungen 42 ist flach, d. h. radial und senkrecht zur Wellenachse ausgerichtet. Die Nutbreite der Ausnehmungen 42 ist geringfügig kleiner als die Breite der korrespondierenden Vorsprünge 26 an deren im kräftefreien Zustand breitester Stelle. Anderseits ist die Breite der Ausnehmungen 42 größer als die Breite der korrespondierenden Vorsprünge 26 an deren im maximal komprimierten Zustand breitester Stelle, d. h. bei maximal eingefedertem Teilvorsprung 26b.
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Zum Anspannen der Leerwelle 18 an den mit der Krone 22 ausgestatteten Zentrierdorn 18 werden die Stirnseiten der zu verspannenden Elemente so aufeinander gesetzt, dass die Vorsprünge 26 auf den Oberkanten der Ausnehmungen 42 aufsitzen. Ein dann ausgeübter axialer Druck wird von den abgerundeten Oberkanten 30a, 30b der Vorsprünge 26 in eine nach azimutal innen gerichtete Kraft umgelenkt, sodass die federnden Teilvorsprünge 26b unter Verjüngung des Spaltes 28 einfedern. Hierdurch verringert sich die Gesamtbreite jedes Vorsprungs 26, sodass er entlang der Seitenwände 44 der Ausnehmungen 42 in diese hineingleiten kann bis er einen Anschlag findet. In dieser Stellung ist die Leerwelle 18 verdrehsicher und spielfrei, weil kraftschlüssig, mit dem Zentrierdorn 16 verspannt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten gegeben. Insbesondere können die Anzahl, Position, spezielle Formgebung und Dimensionierung der Vorsprünge 26 des Zentrierdorns 16 und der korrespondierenden Ausnehmungen 42 der Leerwelle 18 von dem Gezeigten abweichen. Derartige Anpassungen an den jeweiligen Einzelfall wird der Fachmann jeweils in Ansehung seiner konkret zu lösenden Problematik vornehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Maschinenplattform
- 12
- Positionierscheibe
- 14
- Haubenelement
- 16
- Zentrierdorn
- 18
- Leerwelle
- 20
- Schnittstelle
- 22
- Krone
- 24
- Rand von 22
- 26
- Vorsprung
- 26a, b
- Teilvorsprünge von 26
- 28
- Spalt
- 30a, b
- azimutal äußere Oberkanten von 26a bzw. 26b
- 32
- Nut
- 40
- Rand von 18
- 42
- Ausnehmung
- 44
- Nutwand von 42
- 46
- Nutgrund von 42
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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