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Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung mit (a) einem Antriebswellen-Kopplungselement zum Koppeln mit einer Antriebswelle, (b) einem Abtriebswellen-Kopplungselement zum Koppeln mit einer Abtriebswelle und (c) einer Verbindungsvorrichtung, die das Antriebswellen-Kopplungselement drehfest mit dem Abtriebswellen-Kopplungselement verbindet, und ein erstes Übertragungselement und zumindest ein zweites Übertragungselement, aufweist.
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Wellenkupplungen verbinden im Allgemeinen einen treibenden Teil mit einem angetriebenen Teil und gleichen einen Axialversatz und/oder einen Winkelversatz beider Teile aus. Die Größe des realisierbaren Versatzausgleichs erfordert eine angepasste Konstruktion, die einen drehfreien, sicheren, dauerfesten und komfortablen Betrieb ermöglicht. Wellenkupplungen sind unter anderem im Antriebsstrang von Fahrzeugen eingebaut.
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Für den Ausgleich von einem kleinen Axial- oder Winkelversatz haben sich Kupplungselemente etabliert, die fest mit der Antriebs- und Abtriebswelle verbunden sind und keine kinematischen Freiheiten haben, wie beispielsweise bei einer Kardanwelle. Derartige Wellenkupplungen ermöglichen den Ausgleich durch Nachgiebigkeiten. Diese Funktionsweise ruft in der Antriebswelle, der Abtriebswelle und der Verbindungsvorrichtung Sekundärkräfte und mit diesen einhergehende Bauteilbeanspruchungen hervor, die die Größe des ausgleichbaren Versatzes limitieren.
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Aus der
EP 0 064 151 A1 ist bekannt, einen Faserverbundwerkstoff zu verwenden, um dessen geringen Formwiderstand gegenüber Biegung und die relativ geringen möglichen Biegesteifigkeiten dazu zu nutzen, eine elastische Ankopplung in Achsrichtung bei einer hohen Radial- und Torsionssteifigkeit zu erreichen. Dies wird durch den Einsatz eines hutförmigen Faserverbundelements realisiert, dessen zylindrischer Ansatz koaxial zur Antriebswelle realisiert und dessen Flansch im Außenbereich zur Abtriebswelle verschraubt ist. Nachteilig hieran ist eine recht aufwändige Herstellungsweise, die eine Vielzahl an unterschiedlichen Arbeitsschritten erfordert.
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Aus der
US 5,286,231 und der
DE 22 57 903 sind Gelenkscheiben auf Basis von Elastomerwerkstoffen bekannt, wobei Scheiben in Hexaederform mit sechs Verbindungspunkten verwendet werden, bei denen jeder Verbindungspunkt alternierend mit der Antriebs- bzw. der Abtriebswelle verschraubt ist. Die Verbindung zur Antriebswelle einerseits und zur Abtriebswelle andererseits erfolgt mittels zweier versetzt angeordneter Dreibeine. Ungünstig ist hierbei die geringe Torsionssteifigkeit, die zur sicheren Übertragung hoher Drehmomente wichtig ist.
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Aus der
DE 10 2004 029 989 A1 ist bekannt, versteifende Fasern in das Elastomer einzubetten, um eine höhere Torsionssteifigkeit zu erzielen.
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Aus der
DE 40 33 594 C1 ist ein Konzept basierend auf einer formschlüssigen Kraftübertragung in der Scheibe bekannt, deren Realisierung lediglich auf den Einsatz von spritzbaren, unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Kunststoffen beschränkt ist.
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Aus der
DE 197 12 302 C2 ist ein flexibles, scheibenförmiges Wellenkupplungselement bekannt, welches aus sechs radial vorstehenden, über den Umfang gleich verteilten Nasen besteht, die jeweils abwechselnd mit der Antriebswelle und der Abtriebswelle verbunden sind. Nachteilig an der dort beschriebenen Ausführungsform ist, dass in der Scheibenebene keine definierte Lastübertragung und daher beträchtliche Lastumlagerungen stattfinden, was der Lebenserwartung abträglich ist. Zudem bedingt der quasi isotrope Aufbau der Scheibe eine große Biegesteifigkeit, die zu hohen Verstellkräften und einer geringen realisierbaren Ausgleichsbewegung führt.
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Aus der
DE 31 08 007 C2 ist ein Wellenkupplungselement mit einer sechseckigen Polygonalausführung bekannt. Dieses ist durch eine polygonzugförmige Konzeption mit geraden Verbindungsstegen zwischen den Befestigungsbolzen der treibenden und der angetriebenen Welle charakterisiert, so dass die Drehmomentkräfte zwischen den Befestigungsaugen direkt, ohne Lastumlagerungen weitergeleitet werden. Die Stege sind lamellar ausgeführt und weisen Freiräume zwischen den einzelnen Steglamellen auf zwecks Abminderung der Biegesteifigkeit und einhergehender Verbesserung des Ausgleichsverhaltens.
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Ein weiteres Konzept auf Basis der sechseckigen Polygonform mit geraden Stegelementen ist in
DE 37 25 957 C1 und
DE 40 33 596 C1 beschrieben. Diese Ausführung ist durch den Einsatz dünner Stegbereiche und verstärkter Befestigungsbereiche charakterisiert. Der Aufbau der Scheibe erfolgt durch alternierende Laminierung von Schichtabschnitten in den Stegbereichen; durch Überlappung der Schichtabschnitten in den Verbindungsbereichen wird die lokale Aufdickung zur Aufnahme der Bolzen generiert. Die Laminatkonfiguration ist durch den Einsatz von 0°-Lagen – orientiert in Steglängsrichtung und platziert in Laminatmitte – und ±45°-Schichten gekennzeichnet. Das Konzept zeigt eine recht hohe Komplexität auf, die hohe zeitliche Anforderungen an den Fertigungsprozess setzen und einen Einsatz für hohe Produktionsraten nicht möglich macht. Eine Abwandlung mit optimierter Stegquerschnittsform ist in der
DE 197 07 138 C2 beschrieben.
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Bekannte, scheibenartig ausgebildete Gelenkelemente aus Faserverbundwerkstoff in Form eines gleichmäßigen, geradzahligen Polygons weisen somit eine viel zu große Komplexität im Aufbau auf, die den Anforderungen der Serienproduktion mit hohen Fertigungsraten nicht gerecht werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wellenkupplung vorzuschlagen.
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Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Wellenkupplung, bei der das erste Übertragungselement eine erste Erstübertragungselement-Scheibe, die aus Faserverbundwerkstoff, der zumindest zwei Faserschichten von zumindest zwei Faserrichtungen aufweist ist, aufgebaut ist und Ausnehmungen, die an den Eckpunkten eines gedachten gleichseitigen Polygons angeordnet sind, und zumindest eine zweite Erstübertragungselement-Scheibe, die baugleich zur ersten Erstübertragungselement-Scheibe aufgebaut ist, aufweist, wobei die erste Erstübertragungselement-Scheibe und die zumindest eine zweite Erstübertragungselement-Scheibe in und/oder benachbart zu den Eckpunkten miteinander verbunden sind und das zweite Übertragungselement eine erste Zweitübertragungselement-Scheibe, die aus Faserverbundwerkstoff, der zumindest zwei Faserschichten von zumindest zwei Faserrichtungen aufweist, aufgebaut ist und Ausnehmungen, die an den Eckpunkten eines gedachten gleichseitigen Polygons angeordnet sind, aufweist, und zumindest einer zweiten Zweitübertragungselement-Scheibe, die baugleich zur ersten Zweitübertragungselement-Scheibe aufgebaut ist, aufweist, wobei die erste Zweitübertragungselement-Scheibe und die zumindest eine zweite Zweitübertragungselement-Scheibe in und/oder benachbart zu den Eckpunkten miteinander verbunden sind und das erste Übertragungselement und das zweite Übertragungselement benachbart zu den Eckpunkten miteinander formschlüssig verbunden sind.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die gattungsgemäße Wellenkupplung eine geringe Komplexität aufweist, so dass sie gut für eine Serienproduktion geeignet ist. Vorteilhaft ist zudem, dass der Faserverbundwerkstoff in den Scheiben fasergerecht und beanspruchungsgerecht belastet wird. Das führt zu einer vorteilhaften hohen Verformbarkeit und einem resultierenden hohen Wirkungsgrad.
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Insbesondere zeichnet sich das erfindungsgemäße Wellengelenk durch eine geringe Biegesteifigkeit bei hoher Festigkeit aus.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Faserverbundwerkstoff insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff, aramidfaserverstärkter Kunststoff oder ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff verstanden.
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Bei dem Polygon handelt es sich vorzugsweise um ein Quadrat, in anderen Worten haben die Scheiben eine quadratische Grundform. Im mittleren Bereich der Grundform wird die Verbindung zur Welle vorgesehen, an den Eckpunkten des Quadrats sind die einzelnen Scheiben und/oder die Übertragungselemente miteinander verbunden.
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Vorzugsweise sind die Erstübertragungselement-Scheiben und die Zweitübertragungselement-Scheiben baugleich. Das hat den Vorteil, dass die Wellenkupplung besonders einfach und rationell gefertigt werden kann.
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Günstig ist es zudem, wenn die erste Erstübertragungselement-Scheibe zumindest zwei Faserlagen an Fasern aufweist, die sich jeweils entlang einer Faserrichtung erstrecken, wobei alle Faserrichtungen unter einem Faserwinkel von zumindest im Wesentlichen +45° oder von zumindest –45° bezüglich einer gedachten Seitenlinie des Quadrats verlaufen. Auf diese Weise ergibt sich eine hohe Drehsteifigkeit bei einer geringen Biegesteifigkeit und daraus resultierendem hohen Wirkungsgrad der Wellenkupplung.
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Insbesondere besteht der Laminataufbau der Scheibe, die auch als Faserverbundscheibe bezeichnet werden kann, lediglich aus ±45°-Lagen. Diese sind vorzugsweise so angeordnet, dass die entsprechenden Faserrichtungen senkrecht und parallel zu den fiktiven Verbindungslinien der Befestigungspunkte in den Eckbereich verlaufen. Durch diesen Laminataufbau und die quadratische Grundform resultiert ein und dieselbe Laminatkonfiguration in jedem Befestigungspunkt. Im Hinblick auf die in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente des Drehmoments liegt bei jedem Befestigungspunkt somit ein ±45°-Aufbau vor, der optimale Schereigenschaften und Lochleibungseigenschaften und somit optimale Eigenschaften zur Aufnahme der Befestigungsbolzen, mittels denen die Übertragungselemente und gegebenenfalls zudem die einzelnen Scheiben vorzugsweise miteinander verbunden werden, aufweist. Im Hinblick auf die Drehmomentübertragung in der Scheibe, vom Antriebswellen-Kopplungselement in der Scheibenmitte zu den Befestigungen an den Eckenbereichen liegt stets ein ±45°-Aufbau vor, der die optimalen Schubeigenschaften hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Hinsichtlich der Verformbarkeit der Scheibe weist der ±45°-Aufbau hohe Biegenachgiebigkeiten auf, die für den Versatzausgleich ausgenutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Übertragungselement und das zweite Übertragungselement mittels Klammern an den Ecken verbunden. Insbesondere existieren also vier Klammern, die zumindest zwei Übertragungselemente miteinander verbinden. Günstig ist es, wenn die Klammern die Ecken kappenartig umgreifen. Auf diese Weise ist eine besonders sichere Verbindung der Verbindungselemente mit einer einfach aufgebauten und zudem stabilen Klammer verbindbar.
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Vorzugsweise besitzen die Scheiben, die auch als scheibenförmiges Faserverbundelement bezeichnet werden können, eine Aufdickung im Bereich der Befestigungspunkte, in denen die einzelnen Scheiben miteinander verbunden sind. Die Materialstärke im Bereich der Aufdickung ist so ausgebildet, dass die Lochleibungsspannung und die Scherspannung sicher von der Scheibe aufgenommen werden. In anderen Worten ist es günstig, wenn zumindest eine der Scheiben benachbart zu den Ausnehmungen eine Aufdickung besitzt. Diese ermöglichen eine sichere Befestigung der Scheiben aneinander.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Faserlagen Ausnehmungen verschiedener Größen, so dass eine Dicke der Scheibe mit zunehmendem Abstand von einem Schwerpunkt der Scheibe zunimmt. In anderen Worten nimmt die Dicke der Scheibe in Richtung der Drehachse stetig ab, um die Biegenachgiebigkeit der Scheibe hoch zu halten.
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Vorzugsweise sind die Scheiben durch Presstechnik hergestellt. Hierzu werden die Rohlinge mittels entsprechend gestalteter Stempelwerkzeuge verpresst. Die Presstechnik ermöglicht hohe Fertigungsraten sowie eine endkonturnahe Fertigung der Scheiben. Erfindungsgemäß ist somit auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wellenkupplung, das das Herstellen der Scheiben mittels Presstechnik umfasst.
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Vorzugsweise ist das Antriebswellen-Kopplungselement entlang einer Befestigungslinie mit dem ersten Übertragungselement verbunden, wobei die Befestigungslinie einem Quadrat folgt, das den gleichen Schwerpunkt hat wie das gedachte Quadrat, an dessen Eckpunkten die Ausnehmungen angeordnet sind, und gegenüber diesem um 45° gedreht angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist das erste Übertragungselement mit dem Antriebswellen-Kopplungselement in dessen mittleren Bereich des formschlüssig verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise das zweite Übertragungselement mit dem Antriebswellen-Kopplungselementes in dessen im mittleren Bereich formschlüssig gekoppelt ist. In anderen Worten sind die Übertragungselemente zentrisch am Antriebswellen-Kopplungselement befestigt, deren Massenschwerpunkt fällt vorzugsweise auf die Drehachse.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wellenkupplung,
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2 eine Querschnittsansicht einer Scheibe der Wellenkupplung gemäß 1 und
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3 eine schematische Schnittansicht der Scheibe gemäß 2 mit den angreifenden Kräften,
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4 eine Explosionsansicht der Wellenkupplung,
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5 ein Übertragungselement der Wellenkupplung gemäß 1 und
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6 eine Explosionszeichnung des Übertragungselements gemäß 5.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Wellenkupplung 10 mit einem Antriebswellen-Kopplungselement 12, einem Abtriebs-Kopplungselement 14 sowie einer beide Kopplungselemente 12, 14 verbindenden Verbindungsvorrichtung 16. Die Verbindungsvorrichtung 16 umfasst ein erstes Übertragungselement 18 und zweites Übertragungselement 20, die miteinander formschlüssig verbunden sind.
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Das erste Übertragungselement 18 umfasst eine erste Erstübertragungselement-Scheibe 22.1 und eine zweite Erstübertragungselement-Scheibe 22.2, die baugleich aufgebaut ist, eine dritte Erstübertragungselement-Scheibe 22.3, sowie eine vierte Erstübertragungselement-Scheibe 22.4, die ebenfalls baugleich aufgebaut sind. Das zweite Übertragungselement 20 ist gleichartig aufgebaut und umfasst Zweitübertragungselement-Scheiben 24.1, 24.2, 24.3, 24.4.
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Die Erstübertragungselement-Scheiben 22.1, ..., 22.4 sind durch vier Klammern 26.1, 26.2, 26.3, 26.4 miteinander verbunden. Die Klammern 26 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen das Objekt als solches) können auch als Befestigungsbügel bezeichnet werden. Die Übertragungselemente 18, 20 sowie die Scheiben 22, 24 sind über Bolzen 28.1, 28.2, ..., 28.8 mit den Klammern verbunden.
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Die Klammern 26.1, 26.2, 26.3, 26.4 sind an den Eckpunkten eines gedachten gleichseitigen Quadrats angeordnet. An jeder Ecke des gedachten Quadrats sind zwei im gleichen radialen Abstand zum Mittelpunkt des Verbindungselements 16 angeordnete Ausnehmungen ausgebildet und die Klammer ist jeweils an zwei benachbarten Bolzen befestigt, die diese Ausnehmung durchgreifen. So sind an der in 1 obersten Ecke des gedachten Quadrats die beiden Ausnehmungen 30.1, 30.2 angeordnet, die von den Bolzen 28.1, 28.1 durchgriffen werden und die Klammer 26.1 mit den Übertragungselementen 18, 20 formschlüssig verbinden. Dadurch, dass in den Eckenbereichen der Scheiben 22, 24 jeweils zwei Ausnehmungen 30 vorgesehen sind, wird die exzentrische Lastüberleitung zwischen den beiden Kopplungselementen 12, 14 und damit die Bolzenkippung teilweise abgemildert.
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1 zeigt, dass das Antriebswellen-Kopplungselement 12 entlang einer strichpunktiert gezeichneten Befestigungslinie 32 mit dem ersten Übertragungselement 18 verbunden ist. Die Befestigungslinie 32 folgt einem Quadrat, das den gleichen Schwerpunkt hat wie das gedachte Quadrat Q, an dessen Eckpunkten die Ausnehmungen 30 angeordnet sind. Das Quadrat, das durch die Befestigungslinie 32 gebildet wird, ist gegenüber dem Quadrat Q um 45° versetzt.
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2 zeigt eine Schnittansicht einer Scheibe 22 bzw. 24 mit den Ausnehmungen, im gezeigten Beispiel den Ausnehmungen 30.1 und 30.6. Es ist zu erkennen, dass eine Dicke d der Scheibe 22 mit zunehmendem Abstand r von einem Schwerpunkt S der Scheibe 22, 24 zunimmt.
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2 zeigt zudem Befestigungs-Ausnehmungen 34.1, 34.2, an denen das Antriebswellen-Kopplungselement 12 befestigt ist (vgl. 1). Die verminderte Dicke im mittleren Bereich erhöht die Biege- und Drillnachgiebigkeit der Scheibe, reduziert jedoch die Lochleibungsfestigkeit an den Befestigungs-Ausnehmungen 34.
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3 zeigt schematisch den Belastungszustand der Scheiben 22, 24. Das Drehmoment M der Antriebswelle wird in die Scheibe durch die Befestigungs-Ausnehmungen 34 und die dort eingreifenden, nicht eingezeichneten Bolzen eingeleitet. Vereinfacht kann man die hieraus resultierenden Lastkomponenten 36 angeben. An den jeweiligen Befestigungspunkten in den in der Ausführungsform gemäß 3 lediglich drei Ausnehmungen 30.1, 30.2, 30.3, 30.4 resultieren Reaktionslasten 38, die als Fr bezeichnet werden. Zwischen den Befestigungspunkten, die durch die Ausnehmungen 30 gebildet werden, werden die eingeleiteten Lasten 36, die als F →L bezeichnet sind, durch Schubkräfte FSchub weitergeleitet.
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3 zeigt zudem Faserrichtungen R1, R2 von Fasern des Verbundwerkstoffs, aus dem die Scheiben 22, 24 aufgebaut sind. Es ist zu erkennen, dass sich ein ±45°-Aufbau ergibt, wobei der Winkel relativ zu den Winkelhalbierenden im gedachten Quadrat gemessen sind. Es ergeben sich so eine optimale Lastübertragung und optimale Lochleibungseigenschaften im Bereich der Ausnehmungen 30.
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Der Bereich um die Eckpunkte des gedachten Quadrats und damit im in 3 gezeigten Fall in der Umgebung der Ausnehmungen 30 sind als Laschen 40 ausgebildet, von denen in 3 die Lasche 40.4 explizit eingezeichnet ist. Zwischen benachbarten Laschen verläuft eine Außenkontur 42 konkav, was ein Merkmal einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
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4 zeigt eine Explosionsansicht der Wellenkupplung 10. Es ist zu erkennen, dass die Klammern 26 ein Abstandelement 44 aufweisen. So besitzt die Klammer 26.1 ein Abstandselement 44.1, das die benachbarten Übertragungselemente auf Abstand hält.
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5 zeigt eine Detailansicht des ersten Übertragungselements 18 mit den vier Erstübertragungselement-Scheiben 22,1, 22.2, 22.3, 22.4. Zu erkennen sind zudem die Befestigungs-Ausnehmungen 34.
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6 zeigt das Übertragungselement 18 in einer Explosionsdarstellung, aus der die einzelnen Erstübertragungselement-Scheiben 22.1, 22.2. 22.3, 22.4 zu erkennen sind. Es ist zu ersehen, dass das Übertragungselement 18, wie in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, zwischen jeweils zwei Scheiben jeweils eine Distanzscheibe besitzt. So umfasst das erste Übertragungselement 18 die drei Distanzscheiben 46.1, 46.2, 46.3.
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Die Distanzscheiben 46 besitzen die gleichen Befestigungs-Ausnehmungen 34 wie die Erstübertragungselement-Scheiben 22. Alle Scheiben 22, 46 werden dadurch am Antriebswellen-Kopplungselement 12 befestigt, dass durch jede der Ausnehmungen ein Bolzen greift, der die Scheiben am Antriebswellen-Kopplungselement 12 formschlüssig befestigt. Bei der Montage der Wellenkupplung wird der Bolzen vorzugsweise mit einer vorgegebenen Kraft vorgespannt, was beispielsweise durch Verwendung eines Drehmomentschlüssels erreicht werden kann.
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Der Begriff des Bolzen ist dabei, wie in der gesamten Beschreibung, nicht dahingehend auszulegen, dass ein kein Gewinde aufweist. Vielmehr können Bolzen an einem oder an beiden Enden ein Gewinde aufweisen. Die Distanzscheiben 46 haben vorzugsweise eine solche Dicke, dass der Dickenunterschied der Scheiben 22 bzw. 24 zwischen den jeweiligen Aufdickungen und dem Zentralbereich kompensiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wellenkupplung
- 12
- Antriebswellen-Kopplungselement
- 14
- Abtriebswellen-Kopplungselement
- 16
- Verbindungsvorrichtung
- 18
- erstes Übertragungselement
- 20
- zweites Übertragungselement
- 22
- Erstübertragungselement-Scheibe
- 24
- Zweitübertragungselement-Scheibe
- 26
- Klammer
- 28
- Bolzen
- 30
- Ausnehmung
- 32
- Befestigungslinie
- 34
- Befestigungs-Ausnehmung
- 36
- Lastkomponente
- 38
- Reaktionslast
- 40
- Lasche
- 42
- Außenkontur
- 44
- Abstandselement
- 46
- Distanzscheibe
- Q
- Quadrat
- r
- Abstand
- d
- Dicke
- S
- Schwerpunkt
- FSchub
- Schubkraft
- Fr
- Reaktionslast
- M
- Drehmoment
- R
- Faserrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0064151 A1 [0004]
- US 5286231 [0005]
- DE 2257903 [0005]
- DE 102004029989 A1 [0006]
- DE 4033594 C1 [0007]
- DE 19712302 C2 [0008]
- DE 3108007 C2 [0009]
- DE 3725957 C1 [0010]
- DE 4033596 C1 [0010]
- DE 19707138 C2 [0010]
