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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drehstarren Verbindung einer Welle mit einer ringförmigen Schwungmasse mittels einer Mitnehmerplatte, welche innenseitig über innere Befestigungselemente zu der Welle und außenseitig über äußere Befestigungselementen zu der ringförmigen Schwungmasse verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorrichtung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ausgleichen des Taumelns einer Welle, welche mit einer ringförmigen Schwungmasse verbunden ist.
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In Kraftfahrzeugen mit Kolbenmotoren entsteht durch die taktgebundene Arbeitsweise der einzelnen Zylinder eine Ungleichförmigkeit in der Belastung einer angebundenen Kurbelwelle. Um diese Ungleichförmigkeit zu mildern, werden verbreitet Schwungräder eingesetzt. Ein Schwungrad ist im Allgemeinen als ringförmige Masse mit möglichst großem Ringdurchmesser ausgeführt und an einem Ende der Kurbelwelle in konzentrischer Anordnung befestigt. Durch die Speicherung von Energie in Form rotatorischer Bewegung der Schwungmasse werden Lastsprünge in der Kurbelwelle gemildert. Außerdem bewirkt ein solches Schwungrad eine automatische Überwindung von Totpunkten im Zylindertakt.
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Die Verbindung zwischen einer Kurbelwelle und einem Schwungrad wird zur optimalen Wirkungsweise möglichst drehstarr ausgeführt, um eine hohe Torsionssteifigkeit um die Hauptachse sicherzustellen. Dies erlaubt die wirksame Übertragung der Rotationsenergie von der Welle zum Schwungrad und umgekehrt. Weiterhin stellt eine hohe Torsionssteifigkeit sicher, dass Eigenfrequenzen rotatorischer Schwingungen um die Hauptachse ausreichend weit oberhalb des Bereiches liegen, der der Betriebsdrehzahl des Motors entspricht.
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Aufgrund taktbezogener Lastwechsel treten am Austrittsende der Kurbelwelle und damit an der Verbindungstelle zum Schwungrad Taumelbewegungen auf, also Abweichungen des Winkels wischen der Kurbelwellenhauptachse und der des Schwungrades von Null. Diese können zum Aufschwingen und zu hoher mechanischer Belastung beteiligter Komponenten und damit zu deren Schädigung führen. Außerdem kann es so zu akustischen Auffälligkeiten kommen.
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Aus
DE 196 49 712 C2 ist eine antreibbare Welle mit einem beschleunigungsabhängig änderbaren Trägheitsmoment bekannt. In Verbindung mit dieser Welle ist keine ringförmige Schwungmasse offenbart, die mittels einer Mitnehmerplatte mit der Welle verbunden ist.
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Aus der Druckschrift
DE 102 92 980 T5 ist eine flexible Schwungradaufhängung bekannt, die eine drehstarre Verbindung zwischen einer Welle und einem Schwungrad mittels geschichteter parallel angeordneter Bleche realisiert. Da die Bleche an ihren Kontaktflächen grundsätzlich aneinander abgleiten können, ist das Flächenträgheitsmoment dieser Vorrichtung in dem einem Taumeln entsprechenden Belastungsfall kleiner als bei einteiliger Ausführung mit gleicher Gesamtdicke. Die Verwendung von geschichteten Blechen anstatt einer einteilig ausgeführten Befestigungseinrichtung für das Schwungrad führt also dazu, dass die Steifigkeit des Systems gegenüber Taumeln abnimmt. So wird ein Taumeln der Kurbelwelle weniger stark an die Schwungmasse übertragen. Nach der technischen Lehre der genannten Schrift wird die Verbindung zwischen den geschichteten Blechen und der Schwungmasse fest durch Verschraubung ausgeführt. In der Nähe von Verschraubungspunkten sind die Bleche aber gegenüber einander derart festgelegt, dass lokal im Wirkbereich der Befestigungspunkte kein Abgleiten erlaubt wird. In dieser Ausgestaltung ist zwar die Steifigkeit gegenüber Taumeln reduziert, jedoch wird eine hinreichend große Anzahl an Verschraubungspunkten benötigt, um weiterhin hohe Torsionssteifigkeit um die Hauptachse zu gewährleisten. Eine weitere Verbesserung des Taumelausgleichs durch Reduzierung der Schraubenanzahl hätte also eine Verminderung der Torsionssteifigkeit um die Hauptachse zur Folge.
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Aus
DE 103 07 064 A1 ,
DE 10 2007 040 143 A1 und
DE 10 2007 008 834 A1 sind eine verbesserte Kraftübertragungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, eine Bremsscheiben/Nabenverbindung und ein Torsionsschwingungsdämpfer mit mehrteiligem Primärelement bekannt, die als Vorrichtungen zur drehstarren Verbindung einer Welle mit einer ringförmigen Schwungmasse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 angesehen werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zuvor genannten Kompromiss zwischen hoher Torsionssteifigkeit um die Hauptachse einerseits und niedriger Steifigkeit gegenüber Taumeln andererseits zu beseitigen. Die Steifigkeit der Schwungradbefestigung gegenüber Taumeln soll erniedrigt werden, ohne dass dies eine gleichzeitige Erniedrigung der Torsionssteifigkeit um die Hauptachse nach sich zieht.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung legt zumindest ein Teil der inneren und/oder äußeren Befestigungselemente die Mitnehmerplatte und ringförmige Schwungmasse in tangentialer Richtung formschlüssig gegenüber einander im Wirkbereich des jeweiligen Befestigungselements fest und hat in radialer Richtung gegenüber der Mitnehmerplatte und/oder dem Schwungrad Spiel.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieser Vorrichtung besteht ein Vorteil darin, dass die Steifigkeit der Mitnehmerplatte gegenüber Taumeln erniedrigt wird, ohne dass die Steifigkeit gegenüber Torsion um die Hauptachse signifikant abnimmt. Die Befestigungselemente sind in tangentialer Richtung formschlüssig festgelegt. Es besteht also in tangentialer Richtung im Wesentlichen Kontakt zwischen dem Befestigungselement und der Mitnehmerplatte oder der Schwungmasse. Dieser Kontakt ist bevorzugt unmittelbar oder direkt ausgeführt. Über diesen Kontakt wird Kraft resultierend aus einer Drehbeschleunigung zum Schwungrad hin geleitet. So wird eine wirksame Energieübertragung hin zur Schwungmasse gewährleistet. Die Befestigungselemente haben in radialer Richtung gegenüber der Mitnehmerplatte und/oder dem Schwungrad Spiel, also insbesondere keinen Formschluss. Spiel in radialer Richtung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Befestigungselement gegenüber der Mitnehmerplatte und/oder dem Schwungrad in radialer Richtung im Wesentlichen kontaktfrei ist. So wird eine Verschiebbarkeit des Befestigungselementes in radialer Richtung bewirkt.
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Taumeln bedeutet in diesem Zusammenhang eine vorübergehende Abweichung des Winkels zwischen der Hauptachse der Welle und der Hauptachse der ringförmigen Schwungmasse von Null. Diese erweist sich in der Praxis oft als periodisch. Tritt bei Verwendung einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ein Taumeln der Welle auf, wird die Mitnehmerplatte verzerrt, da die Schwungmasse aufgrund der Zentrifugalkraft infolge hoher Rotationsgeschwindigkeit auf eine ebene Kreisbahn gezwungen wird. Liegt bei einer solchen Verzerrung an den Befestigungspunkten eine Festlegung in alle Raumrichtung vor, also z.B. durch Verschraubung, so bildet sich infolge dieser Festlegung eine Gegenspannung im Gefüge der Mitnehmerplatte und die Steifigkeit gegenüber Taumeln ist erhöht.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung wird dadurch, dass in radialer Richtung Spiel, also kein kraftübertragender Kontakt, vorliegt, die lokale Relativverschiebung in der Nähe der Befestigungselemente erlaubt. So treten keine Spannungen infolge einer Festlegung auf, die die Steifigkeit des Systems gegenüber Taumeln erhöhen. Gleichzeitig ist durch die tangentiale Festlegung gemäß der Erfindung die Steifigkeit gegenüber Torsion um die Hauptachse groß. So wird eine wirksame Übertragung der Rotationsenergie sichergestellt und die Eigenfrequenz der Rotationsschwingung gemäß einer hohen Betriebssicherheit eingestellt.
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Die Steifigkeit der Mitnehmerplatte gegenüber Taumeln ist erniedrigt, weil die Mitnehmerplatte als Stapel aus parallel angeordneten Scheiben ausgeführt wird. Das Taumeln der Welle verursacht eine Verzerrung der Mitnehmerplatte. Diese Verzerrung bewirkt hier zusätzlich eine Relativbewegung der Kontaktpunkte der parallelen Mitnehmerbleche zueinander. Diese lokale Relativbewegung findet grundsätzlich über die gesamte Kontaktfläche statt, wobei in unmittelbarer Nähe von Punkten, an denen eine Festlegung gegenüber dieser Verschiebung vorliegt, der Wert der Verschiebung als Null angesehen werden kann. Eine Festlegung in alle Raumrichtungen würde lokal die Relativverschiebung zumindest im Wirkbereich der Befestigungspunkte wirksam unterbinden und so die Steifigkeit des Systems wieder erhöhen. Der Term lokal bezieht sich hier auf die Relativverschiebung zwischen den Mitnehmerblechen an einer örtlich eng begrenzten Stelle auf der Kontaktfläche. Im Zustand ohne Drehbeschleunigung des Systems liegt außerdem im Wesentlichen keine lokale Verschiebung in tangentialer Richtung vor. Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann also die Wirksamkeit der Erfindung weiter erhöhen. Weiterhin stellt die Relativbewegung der Scheiben ein reibungsbehaftetes Abgleiten der Kontaktflächen aneinander dar. Dieses wirkt dämpfend und kann so beispielsweise eine akustische Beeinträchtigung mindern.
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Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die parallelen Scheiben der Mitnehmerplatte können zweckmäßigerweise im Wesentlichen gleich ausgeführt sein. Die Scheiben, die auch Mitnehmerbleche genannt werden, weisen in der Praxis häufig Ausnehmungen auf. Dadurch lässt sich bei vorteilhafter Auslegung das Gewicht des Systems reduzieren, ohne die Steifigkeit gegenüber Torsion nennenswert zu verringern. Weitere Arten und Zwecke von Ausnehmung, wie z.B. hier zur Gewichtsreduzierung, sind möglich. Weiterhin weisen die Mitnehmerbleche bevorzugt Löcher oder Langlöcher zur Aufnahme der Befestigungselemente auf. Sind diese Ausnehmungen, Löcher, Langlöcher oder andere Formelemente aller Mitnehmerblechen, die Teil des Stapels sind, gleich ausgeführt, so wird eine Fertigung der einzelnen Mitnehmerbleche vereinfacht und beschleunigt.
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Die Laufruhe des Schwungrades lässt sich in einer weiteren bevorzugten Ausführung verbessern, indem die Scheiben so ausgeführt sind, dass sie sich durch Drehen um die Hauptachse um bestimmte Winkel auf sich selbst abbilden lassen. Dadurch wird eine Unwucht im rotierenden System verringert, bevorzugt sogar verhindert, und der Lauf des Schwungrades ist gleichmäßiger. Diese Verbesserung der Laufruhe wirkt sich außerdem positiv auf die mechanische Belastung der beteiligten Bauteile aus.
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Zumindest ein Teil der Befestigungselemente lässt sich vorteilhaft als Nietstift ausführen. Dieser Nietstift kann ich einem Langloch geführt sein, wobei das Langloch seine Längenausdehnung in radialer Richtung hat. Befestigt wird der Nietstift an der Schwungmasse oder an der Mitnehmerplatte. Nietstifte sind einfach zu befestigen und ermöglichen vorteilhaft, dass die Montage schneller und einfacher durchgeführt werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass Nietstifte keine Festlegung in axialer Richtung bieten muss in dieser Ausführungsform die punkthaft erforderliche axiale Festlegung anderweitig realisiert werden. Beispielhaft lässt sich dies durch Niete realisieren.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführung sind zumindest ein Teil der Befestigungselemente Schiebestücke. Ein solches Schiebestück kann exemplarisch so ausgeführt sein, dass es an der Schwungmasse befestigt ist, und über einen viereckigen Kopf mit Führungsleisten auf zwei Seiten die Schwungmasse in radialer Richtung verschiebbar und in axialer Richtung fest mit der Mitnehmerplatte verbindet. Auch ist es möglich, an der Schwungmasse die verschiebbare Verbindung und an der Mitnehmerplatte die feste Verbindung zu realisieren. Die Verwendung von Schiebestücken als Befestigungselemente wirkt sich dahingehend vorteilhaft aus, dass zwar die Verschiebbarkeit in radialer Richtung sichergestellt ist, aber gleichzeitig eine Festlegung in axialer Richtung gewährleistet ist. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Festlegung in axialer Richtung.
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Vorteilhaft ist außerdem, einen Teil der Befestigungselemente als Teil der Mitnehmerplatte und/oder der ringförmigen Schwungmasse zu realisieren. Diese Ausführungsform lässt sich als Teileintegration beschreiben und kann sich vorteilhaft in der Montage auswirken. Auch kann es zu einer längeren Lebensdauer der Vorrichtung führen, da weniger Teile und weniger Reibung vorliegen.
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Weiterhin kann die Vorrichtung zweckmäßigerweise so ausgeführt werden, dass bei zumindest einem Teil der Befestigungselemente die Festlegung in tangentialer Richtung nur in jeweils einer Orientierung vorliegt. Mit anderen Worten erfolgt die Festlegung der Befestigungselemente nur in einer der zwei Drehrichtungen. In dieser Ausführungsform können beispielsweise jeweils zwei Nietstifte in einer Ausnehmung angeordnet sein, sodass jeweils nur eine Seite der Nietstifte an dem Rand der Ausnehmung und damit an der Mitnehmerplatte anliegt. Diese Anordnung kann sich dahingehend vorteilhaft auswirken, dass sich zwischen den Nietstiften Material an der Mitnehmerplatte einsparen lässt.
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Zweckmäßig ist auch, einen Teil der Befestigungselemente als Festlegung in allen Raumrichtungen, also auch zusätzlich in axialer Richtung, auszuführen. Wie zuvor beschrieben, ist dies vorteilhaft in Verbindung mit dem Einsatz von Nietstiften, wo an sich keine Festlegung in radialer Richtung vorliegt. Beispielsweise durch Niete lässt sich diese Festlegung einfach und kostengünstig ausführen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Mitnehmerplatte unmittelbar mit der Welle verbunden. Dies vermindert die Anzahl der Teile des Systems und vereinfacht so die Montage. In alternativer Ausführungsform kann die Mitnehmerplatte über ein Nabenteil mit der Welle verbunden werden. Diese lässt sich an die Form von Welle und Mitnehmerplatte anpassen und vereinfacht so speziell die Fertigung der Welle.
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Bei Verwendung eines Nabenteils lassen sich zweckmäßigerweise die Befestigungselemente so ausführen, dass zumindest ein Teil der inneren Befestigungselemente Teil der Nabe ist. Diese können als Mitnehmer ausgeführt sein. Auch hier kann eine Teileintegration eine Vereinfachung von Fertigung und speziell Montage bewirken.
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Eine Brennkraftmaschine lässt sich vorteilhaft betreiben, wenn deren Kurbelwelle mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ringförmigen Schwungmasse verbunden ist. Tritt am der Schwungmasse zugewandten Wellenende ein Taumeln auf, so wird dieses von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeglichen. Dadurch, dass das Kurbelwellenende nun im Wesentlichen frei taumeln kann, wird die mechanische Belastung dieser Welle erniedrigt. Für die Brennkraftmaschine ergeben sich daraus zunächst eine im Allgemeinen längere Lebensdauer und weiterhin eine Verbesserung der Laufruhe. Dies kann weitere betriebsbezogene Vorteile wie zum Beispiel verringerte akustische Belastung bergen.
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In heutigen Brennkraftmaschinen werden häufig Zweimassenschwungräder zum Lastsprungausgleich an einer Kurbelwelle befestigt. Die Verbindung zwischen der Welle und einer der Massen oder der Massen untereinander lässt sich auch hier vorteilhaft durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ausführen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in seiner Wirkungsweise ein Verfahren, welches das Taumeln einer Welle ausgleicht. Die Welle ist dabei mit einer ringförmigen Schwungmasse mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einzelnen Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß der Darstellung drehstarr verbunden. Dabei verschiebt sich bei Kippen der Welle infolge der daraus resultierenden Verzerrung der Mitnehmerplatte dieselbe und/oder die Schwungmasse lokal gegenüber den jeweiligen Befestigungselementen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich nicht nur aus dieser allgemeinen Darstellung und/oder aus den zugehörigen Ansprüchen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren. Die Darstellungen der Figuren sind lediglich schematischer Natur und sollen der Verständlichkeit der Erfindung anhand von Ausführungsformen dienen.
- 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schwungrades, bei welchem eine Mitnehmerplatte an der Schwungmasse befestigt ist.
- 2 zeigt eine weitere Ausführung eines Schwungrades, an welchem eine Mitnehmerplatte befestigt ist.
- 3 zeigt Beispiele für Mitnehmerscheiben, welche zu einer Mitnehmerplatte gestapelt werden können.
- 4 zeigt verschiedene Beispiele für die Ausführung der Befestigungselemente: 4 A zeigt einen Niet, 4 B zeigt einen Nietstift und 4 C zeigt ein Schiebestück.
- 5 zeigt beispielhaft, wie sich Befestigungselemente vorteilhaft als Schiebestück ausführen lassen.
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In 1 ist die Schwungmasse 1 über die Mitnehmerplatte 5 und ein Nabenstück 2 mit der Welle verbunden. Die Welle, welche es durch die Mitnehmerplatte 5 mit der Schwungmasse 1 zu verbinden gilt, ist hier sowie in den weiteren Figuren nicht dargestellt. Die Befestigung zwischen der Schwungmasse 1 und der Mitnehmerplatte 5 ist zu einem Teil durch Niete 6 und zum anderen Teil durch Nietstifte 7 ausgeführt. Die Niete 6 bilden eine lokal feste Verbindung. Die Mitnehmerplatte 5 weist an den Befestigungsstellen mit Nietstift 7 äußere Langlöcher in radialer Ausdehnungsrichtung auf. In diesem Langloch ist das Stiftende des Nietstifts 7 mit Verschiebbarkeit in radialer Richtung geführt. Mit der Schwungmasse 1 ist der Nietstift 7 fest verbunden. Die Befestigung zur Welle wird durch das Nebenstück 2 realisiert. Das Nabenstück 2 weist Nabenstückmitnehmer 3 als integralen Teil desselben auf. Die Nabenstückmitnehmer 3 sind in inneren Langlöchern der Mitnehmerplatte 5 angeordnet. Über die Nabenstückmitnehmer 3 wird rotatorische Beschleunigung über die Mitnehmerplatte 5 an die Schwungmasse 1 übertragen. Die Mitnehmerplatte 5 hat einen kreisförmigen Grundkörper mit Ausnehmungen. Auch dargestellt sind Ausnehmungen mit einer Ausdehnung in radialer Richtung jeweils zwischen Sätzen von Befestigungselementen. Dies kann der Gewichtsreduzierung des Systems dienen. Die Ausnehmungen sind auf der Mitnehmerplatte 5 so angeordnet, dass sich bei einer Drehung um die Hauptachse um feste Winkel die Ausnehmungen aufeinander abbilden lassen.
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In 2 ist die Schwungmasse 1 ebenfalls über eine Mitnehmerplatte 5 und ein Nabenstück 2 mit der Welle verbunden. Die Mitnehmerplatte 5 weist Ausnehmungen am wellenabgewandten Rand auf, in welcher die Stiftenden von Nietstiften 7 angeordnet sind. In einer solchen Ausnehmung sind zwei Nietstiftenden angeordnet. Ein Nietstift 7 liegt nur mit einer Seite am Rand der Ausnehmung an. So kann über einen Nietstift 7 nur Kraft in einer tangentialen Orientierung übertragen werde. Der jeweils andere Nietstift 7 in der Ausnehmung liegt mit der jeweils gegenüberliegenden Seite am Rand der Ausnehmung an. Die Kraftübertragung ist auch hier nur in einer tangentialen Orientierung möglich, jedoch handelt es sich um die entgegengerichtete.
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Wie in 3 dargestellt, lassen sich einzelne Mitnehmerbleche 4 zu einer Mitnehmerplatte 5 stapeln. Die Mitnehmerbleche 4 weisen Ausnehmungen und Bohrungen für verschiedene Zwecke auf. Die zu stapelnden Mitnehmerbleche 4 sind gleich ausgeführt und die Ausnehmungen und Bohrungen sind so angeordnet, dass sich die Mitnehmerbleche 4 durch eine Drehung um die Hauptachse um bestimmte Winkel auf sich selbst abbilden lassen.
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Der Niet 6 in 4 A stellt eine feste Verbindung zwischen Mitnehmerplatte 5 und Schwungmasse 1 oder Welle beziehungsweise Nabenstück 2 her, indem er über die beiden inneren Anschlagflächen zwei Bauteile gegeneinander presst. Der Nietstift 7 in 4 B nutzt Anschlagflächen um den Nietstift 7 an einem Bauteil zu befestigen. Das Stiftende steht fest und kann im Zusammenbau im Schwungrad 10 in einem der wellenabgewandten Langlöcher der Mitnehmerplatte 5 oder in dem einer Schwungmasse geführt sein. Die Zylinderhülle des Stiftendes bildet eine Schiebefläche, an welcher die Führungskante abgleiten kann. Das Schiebestück in 4 C wird ebenfalls über Anschlagsflächen an einem Teil befestigt. Das Stiftende, welches die Schiebefläche aufweist ist im Wesentlichen als Quader mit zusätzlichen Anschlagflächen für die axiale Abstützung ausgeführt. Es gleiten jeweils zwei gegenüberliegende Schiebeflächen an der Führungskante einer Mitnehmerplatte 5, einer Schwungmasse 1 oder eines Nabenstückes 7 ab.
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In 5 sind Schiebestücke 8 in den wellenabgewandten Langlöchern der Mitnehmerplatte 5 angebracht. Die Führungskanten der Mitnehmerplatte 5, welche die Schiebestücke 8 tangential festlegen, können in radialer Richtung am Schiebstück 8 abgleiten, wobei beide in axialer Richtung gegenüber einander festgelegt sind. Auch in wellenzugewandten Ausnehmungen sind hier Schiebstücke 8 zur Befestigung angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwungmasse
- 2
- Nabenstück
- 3
- Nabenstückmitnehmer
- 4
- Mitnehmerblech
- 5
- Mitnehmerplatte
- 6
- Niet
- 7
- Nietstift
- 8
- Schiebestück
- 10
- Schwungrad
