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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebswelle und betrifft ferner einen Prüfstand umfassend eine entsprechende Antriebswelle.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein eine Lösung zur Verringerung bzw. Unterdrückung von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang. Hierzu werden heutzutage drehelastische Dämpferkupplungen bzw. Masseschwinger verbaut. Die entsprechenden Dämpfungselemente werden in Reihe zum Antriebsstrang geschaltet. Als ein Beispiel für ein solches vorbekanntes Dämpfungselement sei eine Elastomerkupplung mit zwei sich parallel zueinander und rechtwinklig zu der Drehachse der Antriebswelle erstreckenden Flanschen genannt, zwischen denen ein elastomeres Material angeordnet ist. Solche Dämpfungselemente verändern durch ihre Masse bzw. Drehsteifigkeit des Schwingungsverhaltens des Antriebsstranges. In der Regel verringert sich die Drehfedersteifigkeit, wohingegen die Massenträgheit erhöht wird. Hierdurch werden neue, niedrige Resonanzfrequenzen geschaffen. Sowohl die ungedämpfte wie auch die herkömmlich gedämpfte Antriebswelle verfälschen aber beispielsweise in einem Prüfstand die Messergebnisse und damit die angenommenen Lastkollektive, wenn die Antriebswelle den Prüfling mit einer Messeinrichtung koppelt. Durch die zusätzlich geschaffenen Resonanzfrequenzen kann es zu weiteren, störenden Überhöhungen der Torsionsschwingungen kommen.
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Auch wird bei drehelastischen Dämpferkupplungen das gesamte Drehmoment über die weichen Bauteile geleitet, was im Falle einer Elastomerkupplung Flansche von erheblichem Durchmesser bedingt. Antriebswellen mit vorbekannten Dämpfungselementen erfordern dementsprechend einen erheblichen Einbauraum. Das systembedingte hohe Gewicht drehelastischen Dämpferkupplungen muss von den angrenzenden Lagerungen abgestützt werden. Aufgrund der Materialeigenschaften und Größe drehelastischen Dämpferkupplungen kommt es zu massiven Drehzahleinschränkungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebswelle mit einem Dämpfungselement anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht hat.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung eine Antriebswelle mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Bei der erfindungsgemäßen Antriebswelle umfasst das Dämpfungselement eine die Antriebswelle umfänglich umgebende Hülse, die unter Zwischenlage einer Dämpfungsschicht an der Außenumfangsfläche der Antriebswelle anliegt. Die Hülse der erfindungsgemäßen Antriebswelle kann in axialer und/oder radialer Richtung ganz oder teilweise geschlossen sein. So kann die Hülse aus Ringsegmenten bestehen, die über sich in axialer Richtung erstreckende Stege miteinander verbunden sind. Die Hülse muss nicht streng zylindrisch ausgebildet sein. Der Durchmesser der Hülse kann sich in Umfangsrichtung oder axialer Richtung verändern. Die Hülse liegt indes unter Zwischenlage einer Dämpfungsschicht an der Außenumfangsfläche der Antriebswelle an. Die Verbindung zwischen der Außenumfangsfläche der Antriebswelle, der Dämpfungsschicht und der Hülse ist üblicherweise als fest zu bezeichnen. Die Außenumfangsfläche der Hülse ist regelmäßig funktionslos, d.h. kann frei drehen. Die Antriebswelle wird bei Torsion verdrillt. Das wiederum führt zu einer Scherung der Dämpfungsschicht, da die Dämpfungsschicht sowohl die Welle als auch die Hülse kontaktiert. Versuche der Anmelderin haben zu der überraschenden Erkenntnis geführt, dass die Dämpfung dieser Anordnung geeignet ist, Torsionsschwingungen der Antriebswelle zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Solche Torsionsschwingungen können zu ungewünschten Vibrationen auch der Lagerung und des Maschinengestells und/oder eines Chassis der Antriebswelle führen. Insbesondere bei Prüfständen, bei welchen über die Antriebswelle das Messsignal abgetragen wird, verfälschen entsprechende Torsionsschwingungen das Mess- bzw. Prüfergebnis.
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Bei der Dämpfungsschicht kann es sich um eine Schicht aus einem elastomeren Material handeln, welches in dem Ringspalt zwischen der Hülse und der Außenumfangsfläche der Antriebswelle aufvulkanisiert ist. Denkbar sind auch relativ dünne Lagen beispielsweise einer Gummi-, Kunststoff-, Kautschuk-, Latex-, oder PVC-Folie die aufgeklebt oder lose mit einer vordefinierten Pressung aufgebracht werden. Die Dämpfungsschicht kann relativ dünn sein. Als dünne Dämpfungsschicht wird insbesondere eine Schicht mit einer Schichtdicke von < 0,5 mm, vorzugsweise > 0,1 mm verstanden.
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Wenngleich Lösungen denkbar sind bei welchen die Dämpfungsschicht in einen Ringspalt zwischen der Hülse und der Außenumfangsfläche der Antriebswelle zunächst eingebracht und dort mit den einander gegenüberliegenden Flächen verbunden wird, beispielsweise durch Aushärten bzw. Ausvulkanisieren, ist es zu bevorzugen, die Dämpfungsschicht zwischen Hülsensegmenten zu klemmen, die miteinander verbunden sind. Hierzu wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Hülse aus wenigstens zwei miteinander verbundenen Hülsensegmenten auszubilden. Die Hülsensegmente sind üblicherweise miteinander verschraubt unter Zwischenlage der Dämpfungsschicht. Diese wird dabei zwischen der Innenumfangsfläche der Hülse und der Außenumfangsfläche der Antriebswelle geklemmt.
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Das Wesen der erfindungsgemäßen Lösung besteht auch darin, dass das erfindungsgemäße Dämpfungselement nicht an der Übertragung des Drehmoments teilnimmt. Vielmehr ist das Dämpfungselement parallel zum Antriebsstrang geschaltet. Die Übertragung des Drehmomentes über die Antriebswelle zu Antriebs- oder Messzwecken wird dementsprechend nicht durch ein im Kraftfluss angeordnetes Dämpfungselement beeinflusst bzw. verfälscht.
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Die radiale Dicke der Hülse bzw. deren axiale Erstreckung, die materielle Beschaffenheit, die Masse sowie die Dichte des die Hülse bildenden Materials sind abhängig von den auftretenden Torsionsschwingungen und damit abhängig von den Abmessungen und der Einbausituation der Antriebswelle. Es versteht sich von selbst, dass die Hülse vorzugsweise ausgewuchtet ist.
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Insbesondere bei einer Antriebswelle, die zwischen einer Messeinrichtung, beispielsweise einer Drehmomentmesseinrichtung, und einer Messkammer eines Prüfstandes, beispielsweise eines Bremsenprüfstandes, angeordnet ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Hülse mit einer axialen Länge bezogen auf die Antriebswelle von wenigstens 50%, vorzugsweise 60% auszubilden. Das Dämpfungselement erstreckt sich vorzugsweise in axialer Richtung zwischen zwei, die Antriebswelle lagernden Wälzlagern. Dabei reicht die Hülse vorzugsweise in axialer Richtung nahezu bis an die Wälzlager heran und ist gegenüber diesen lediglich über einen Ringspalt mit verhältnismäßig kleiner axialer Erstreckung beabstandet.
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In der praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen Antriebswelle in einem Prüfstand ist diese vorzugsweise von einer Lagerhülse umgeben, welche die beiden Wälzlager aufnimmt und dementsprechend die Antriebswelle umgibt. Das erfindungsgemäße Dämpfungselement ist dementsprechend in axialer Richtung zwischen den beiden Wälzlagern und in radialer Richtung von der Lagerhülse eingeschlossen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Hülse im Bereich eines ihrer axialen Enden mit der Antriebswelle verbunden. Diese Ausgestaltung gilt auch bevorzugt für solche Weiterbildungen, bei welchen das Dämpfungselement mehrere, im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete und jeweils unter Zwischenlage einer Dämpfungsschicht aneinander anliegende Hülsen umfasst. Diese Hülsen sind über die Dämpfungsschicht üblicherweise miteinander verbunden, jedoch nicht starr, sondern in geringen Grenzen in Umfangsrichtung elastisch beweglich. Bei dieser Weiterbildung sind die in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Hülsen vorzugsweise jeweils an ihren gegenüberliegenden Enden mit der Antriebswelle und/oder mit der benachbarten Hülse verbunden.
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Die Verbindung zwischen der Hülse und der Antriebswelle bzw. einer benachbarten Hülse erfolgt üblicherweise über einen Ringflansch. Dieser Ringflansch ist üblicherweise fest mit der Hülse und mit dem in radialer Richtung zugeordneten Partner verbunden.
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Ein hinsichtlich Torsion gedämpfter Prüfstand, insbesondere ein Bremsenprüfstand zur Prüfung von Scheiben- oder Trommelbremsen eines Kraftfahrzeuges, hat einen Antriebsmotor, eine Messeinrichtung, beispielsweise eine Drehmomentmesseinrichtung, sowie eine Prüfkammer zur Aufnahme eines Prüflings. Zwischen dieser Prüfkammer und der Messeinrichtung erstreckt sich die erfindungsgemäße Antriebswelle, so dass die in der Prüfkammer erzeugten Prüfereignisse torsionsschwingungsarm über die erfindungsgemäße Antriebswelle an die Messeinrichtung übertragen werden. Des weitern können eigenerregte Torsionsschwingungen hervorgerufen durch Stick-Slip-Effekt von (ein- oder mehrscheibigen) Bremsen bzw. Lamellen komplett unterbunden werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
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1 eine schematische Längsschnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebswelle;
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2 eine schematische Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebswelle;
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3 eine schematische Längsschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebswelle;
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4 eine schematische Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Bremsenprüfstandes; und
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5 das in 4 gekennzeichnete Detail D in vergrößerter Darstellung.
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6 eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebswelle;
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Die 1 bis 3 zeigen jeweils schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Dämpfungselementes. In den Figuren kennzeichnet Bezugszeichen 1 eine Antriebswelle, an deren Ende jeweils Anschlussflansche 2 zum Anschluss der Antriebswelle 1 an weitere Elemente eines nicht näher dargestellten Antriebsstranges vorgesehen sind. Zwischen den Anschlussflanschen 2 ist eine Hülse 3 vorgesehen, die konzentrisch zu der Antriebswelle 1 angeordnet ist, deren Innendurchmesser indes größer als der Außendurchmesser der Antriebswelle 1 ist, so dass zwischen der Antriebswelle 1 und der Hülse 3 ein Ringspalt ausgebildet ist. In diesem Ringspalt befindet sich ein elastisches Material 4. Das elastische Material 4 ist zwischen der Hülse 3 und der Antriebswelle 1 verpresst, verklebt oder vulkanisiert oder anderweitig verbunden, so dass sich eine innige Verbindung zwischen der Außenumfangsfläche, der Antriebswelle 1 und der Innenumfangsfläche der Hülse 3 ergibt. Dementsprechend ist die Hülse 3 mit der Antriebswelle 1 über das elastische Material 4 mechanisch gekoppelt.
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Aufgrund dieser Koppelung ist die Hülse 3 im Wesentlichen fest mit der Antriebswelle 1 verbunden. Oszillierende innere Bewegungen der Antriebswelle 1, die durch Torsion innerhalb der Antriebswelle 1 hervorgerufen werden, werden durch Vermittlung des elastischen Materials 4 an die Hülse 3 weitergeleitet. Durch diese Dämpfung über das elastische Material 4 ist die Hülse 3 von den Torsionsschwingungen der Antriebswelle 1 entkoppelt. Die Hülse 3 kann dementsprechend in Verbindung mit dem elastischen Material die Torsionsschwingungen der Antriebswelle 1 dämpfen. Für diese Dämpfungseigenschaften ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel maßgeblich die innige Verbindung zwischen den den Ringspalt für das elastische Material 4 begrenzenden Oberflächen von Hülse 3 und Antriebswelle 1 mit dem elastischen Material 4.
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Wesentlich für die Dämpfungseigenschaften der Hülse 3 ist eine gewisse Steifigkeit der Hülse, vor allen Dingen in Umfangsrichtung. Die Hülse 3 kann dementsprechend auch ihre Wirkung zeigen, wenn sie aus mehreren eher mit geringer axialer Länge ausgebildeten Ringsegmenten gebildet ist. Diese können in axialer Richtung über Stege miteinander verbunden sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Hülse 3 im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge der Antriebswelle 1 zwischen den Anschlussflanschen 2.
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Die stoffliche Beschaffenheit von Hülse 3 und elastischem Material 4 kann in breiten Grenzen frei gewählt werden, und zwar insbesondere mit Blick auf die existierenden und zu dämpfenden Torsionsschwingungen. So ist es denkbar, bei niedrig frequenten Torsionsschwingungen bzw. großem Verdrillwinkel die Hülse aus Kunststoff oder hartem Lack auszubilden und ein relativ weiches elastisches Material in den Ringspalt zu klemmen. Dieses weiche Material kann eine Stärke von nur wenigen Zehntel Millimetern haben. Denkbar ist aber auch das Einbringen von elastischem Material in einen Ringspalt, der mehrere Millimeter groß ist. Wird indes der Ringspalt zu groß bzw. das elastische Material zu weich gewählt, besteht die Gefahr, dass die Torsionsschwingungen nur unzureichend gedämpft werden, da die Welle nur unzureichend an die Hülse 3 angebunden und damit durch diese insbesondere in Umfangsrichtung schwingungsgedämpft werden kann.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das elastische Material 4, welches als Dämpfungsschicht an der Außenumfangsfläche der Antriebswelle anliegt, aufgrund der Torsionsschwingung der Antriebswelle 1 in dem gesamten Ringspalt über die gesamte axiale Länge der Hülse 3 bzw. des elastischen Materials 4 um die axiale Mitte geschert. Die Scherung der Dämpfungsschicht nimmt von der axialen Mitte ausgehend nach links und rechts zu. An den beiden Enden der Hülse ist die Scherung am Größten.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Dämpfungselementes werden insofern anisotrope Dämpfungseigenschaften in axialer Richtung bewirkt. Hierzu ist die Hülse 3 an ihrem einen axialen Ende (vorliegend dem linken) über einen Ringflansch 5 mit der Antriebswelle 1 verbunden. Während an diesem axialen Ende der Hülse 3 selbige als ideal starr mit der Antriebswelle 1 verbunden angesehen werden kann, hat das andere Ende der Hülse 3 einerseits durch den axialen Abstand von dem Ringflansch 5 und andererseits durch das in dem Ringspalt vorgesehenen elastische Material 4 eine lediglich annähernd starre Verbindung zu der Antriebswelle 1. Auch hier werden Torsionsschwingungen der Antriebswelle 1 durch das Hindurchleiten der Oszillationsbewegungen durch das elastische Material 4 und Widerlagern in der Hülse 3 gedämpft. Zwischen dem freien Ende der Hülse 3 und dem mit der Antriebswelle 1 verbundenen gegenüberliegenden Ende der Hülse 3 nimmt dieser Effekt nach erster Anschauung linear ab. Die Scherung auf der linken geklemmten Hülsenseite ist annähernd bei Null und nimmt zur rechten Seite hin stetig zu. Am Ende der rechten Hülsenseite ist die Scherung am Größten. Sie ist an dieser Stelle doppelt so Groß wie beim Ausführungsbeispiel 1. Damit lässt sich eine annähernde Verdoppelung der Dämpfung mit dieser Ausführung erreichen.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 3 sind zwei Hülsen 3a, 3b konzentrisch zueinander und relativ zu der Antriebswelle vorgesehen und jeweils mit ihren gegenüberliegenden axialen Enden mit der Antriebswelle 1 in der bereits in Bezug auf 2 beschriebenen Weise verbunden. Hierzu weisen die Hülsen 3a, 3b jeweils Ringflansche 5a, 5b auf. Die äußere Hülse 3b schließt mit der Antriebswelle 1 einen Ringspalt 6 ein, in welchem die Hülse 3a unter Klemmung jeweils von zwei Zylindern aus elastischem Material 4a, 4b fixiert ist. Insbesondere durch Klemmung ist die Innenumfangsfläche der inneren Hülse 3a mit der Außenumfangsfläche der Antriebswelle 1 gekoppelt, wohingegen die Außenumfangsfläche der inneren Hülse 3a über das elastische Material 4b mit der Innenumfangsfläche der Hülse 3b gekoppelt ist.
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Die 1 bis 3 verdeutlichen lediglich schematische Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Dämpfungselementes. Neben den zwei Hülsen gemäß 3 können auch weitere Hülsen in der gezeigten Anordnung vorgesehen sein. Es können auch Hülsen mit unterschiedlicher axialer Erstreckung konzentrisch zueinander vorgesehen sein, um die Antriebswelle 1 und/oder eine konzentrisch vorgesehene Hülse zusätzlich torsionzudämpfen. In den 1 bis 3 wurde die Antriebswelle 1 lediglich als zylindrisches Bauteil verdeutlicht. Es versteht sich von selbst, dass bei einem gestuften Aufbau der Antriebswelle 1 in axialer Richtung mehrere Hülsen mit unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen sein können, die einer solchen gestuften Ausgestaltung der Antriebswelle 1 folgen. Dementsprechend kann einigen oder sämtlichen axialen Bereichen der Antriebswelle 1 mit konstantem Durchmesser eine eigene, außenumfänglich hierzu unter Zwischenlage des elastischen Materials 4 vorgesehene Hülse 3 zugeordnet sein. Weiter ist denkbar, dass die Stufungen der Antriebswelle durch eine erste innenliegende Hülse überbrückt werden. Auf dieser Hülse kann dann der vorher beschriebene Dämpferaufbau installiert werden
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Die 4 und 5 verdeutlichen ein konkretes Ausführungsbeispiel der Anwendung eines mit Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Dämpfungselementes nach der vorliegenden Erfindung, welches in etwa dem Ausführungsbeispiel nach 2 entspricht. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Bremsenprüfstand 11, der als wesentliche Elemente einen Motor 12 mit Motorwelle 13 umfasst, an welche eine Motorbremse 14 sowie an der anderen Seite eine Kupplung 15 angeschlossen ist. Es folgt ein Ausführungsbeispiel der bereits unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 gezeigten Antriebwelle 1. Diese Antriebswelle 1 wirkt benachbart zu der Kupplung 15 mit einer Drehmomentmesseinrichtung 16 zusammen, ist über Wälzlager 17 drehbar in einer Lagerhülse 18 gelagert, die mit einem Chassis 19 des Bremsenprüfstandes 11 verbunden ist, und liegt mit ihrem anderen Ende in einer Prüfkammer 20 für die Bremsenprüfung frei.
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Praktische Versuche an dem in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Bremsenprüfstandes 11 bei der Anmelderin haben gezeigt, dass durch Einsatz des zuvor beschriebenen Dämpfungselementes 10 massive eigenerregte Torsionsschwingungen hervorgerufen durch z.B. Stick-Slip-Effekte der Prüflingsbremse komplett unterbunden werden. Dabei konnten bei einem Bremsmoment von ca. 400 Nm entstehende Schwingungsamplituden von bis zu 2000 Nm mit einer Dreheigenfrequenz von ca. 150 Hz komplett unterbunden werden. Dementsprechend ermöglicht das erfindungsgemäße Dämpfungselement eine erheblich genauere Prüfung / Lasterprobung und Messung des Bremsverhaltens von Bremsen in dem Bremsenprüfstand 11. Das über die Drehmomentmesseinrichtung 16 abgegriffene Messsignal ist nur noch in einem zu vernachlässigenden Maß von durch Torsionsschwingungen bedingten Störgrößen beeinflusst.
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In 6 ist die Dämpfungsschicht nicht axial entlang der Antriebswelle 1 sondern radial zu ihrer Drehachse angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Anwendungsbeispiel eines Bremsenprüfstandes beschränkt. So kann eine Antriebswelle nach der vorliegenden Erfindung als Antriebswelle in Last- bzw. Antriebssträngen verschiedener Art in Frage kommen. Die erfindungsgemäße Antriebswelle 1 lässt sich vorzugsweise mit einer Kupplung 15 kombinieren, so dass die entsprechende Einheit aus erfindungsgemäßer Antriebswelle 1 und Kupplung 15 an eine Motorantriebswelle angeschlossen werden kann, um das dort erzeugte Drehmoment zu übertragen.
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Es besteht die Möglichkeit die Dämpfungsschicht in allen möglichen geometrischen Formen auszubilden, wobei die Dämpfungsschicht sowohl axial entlang der Welle als auch Radial zur Welle angeordnet sein kann.
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Ebenso sind alle denkbaren Anwendungen in weiteren industriellen Bereichen sowie in Bereichen des Automotivsegmentes denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Anschlussflansch
- 3
- Hülse
- 4
- elastisches Material
- 5
- Ringflansch
- 6
- Ringspalt
- 10
- Dämpfungselement
- 11
- Bremsenprüfstand
- 12
- Motor
- 13
- Motorwelle
- 14
- Motorbremse
- 15
- Kupplung
- 16
- Drehmomentmesseinrichtung
- 17
- Wälzlager
- 18
- Lagerhülse
- 19
- Chassis
- 20
- Prüfkammer
