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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle-Nabe Verbindung, insbesondere einen Überlastschutz, mit einem Innenbauteil, einem Außenbauteil und einem Toleranzring, der in einem Toleranzringbereich zwischen dem Innenbauteil und dem Außenbauteil angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Verstellantrieb für ein Fahrzeug mit einer solchen Welle-Nabe Verbindung.
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Für reibschlüssige Welle-Nabe Verbindungen wird häufig ein Toleranzring verwendet. Denn mithilfe eines Toleranzringes sind große Bearbeitungstoleranzen sowie Fluchtungsfehler zwischen der Welle und der Nabe kompensierbar. Dadurch eignet er sich auch zum Ausgleich verschiedener Wärmeausdehungskoeffizienten von Welle und Nabe.
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Über die mit dem Toleranzring gebildete reibschlüssige Verbindung sind Drehmomente von der Welle auf die Nabe und in umgekehrter Richtung übertragbar. Dabei ist es möglich, die Verbindung gezielt als Überlastschutz zu nutzen, so dass Welle und Nabe ab einem definierten Drehmoment nicht mehr reibschlüssig miteinander verbunden sind, sondern die Welle in der Nabe durchrutscht. Eine solche Anwendung offenbart die Druckschrift
DE 10 2010 038 596 .
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Die 1(a) zeigt einen herkömmlichen Toleranzring 1. Der Toleranzring ist aus einem Federstahlband hergestellt und weist eine zylindrische Form auf, so dass er sich um eine Achse 10 in eine Längsrichtung 11 erstreckt. Der Ring ist offen ausgebildet, so dass er zwei offene Enden 31 aufweist, zwischen denen ein Spalt 30 angeordnet ist. Zwischen zwei sich in Umfangsrichtung 12 erstreckenden unverformten Zugbändern 51, 52 sind in den Toleranzring zylindrische Sicken 2 eingeformt, die sich in Längsrichtung erstrecken. Die Sicken sind kugelhalbschalenförmig mit den Zugbändern verbunden. Ein solcher Toleranzring weist einen kleinen Federweg auf und ist nur in einem verhältnismäßig kleinen Arbeitbereich verwendbar. Bei einer Anwendung wie beispielsweise einem Überlastschutz erfordert die Verwendung eines solchen Toleranzringes daher die Herstellung der beteiligten Bauteile in verhältnismäßig engen Toleranzen.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 077 361 offenbart einen Toleranzring mit einem größeren Arbeitsbereich, der die Herstellung von Welle und Nabe mit größeren Toleranzen zulässt. Der Toleranzring weist Materialausnehmungen
4 (s.
1(b) und (c) zu diesem Stand der Technik) auf, durch die die Federsteifigkeit des Toleranzringes
1 verringert ist.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Reibungskoeffizienten zwischen einer innen liegenden Welle und dem Toleranzring, und zwischen einer außen liegenden Nabe und dem Toleranzring bei diesem Toleranzring vergleichbar groß sind. Dadurch ist ein Durchrutschen entweder an der wellenzugewandten Seite des Toleranzringes oder an der wellenabgewandten Seite des Toleranzringes möglich, was zu einer großen Streuung des Durchrutschmomentes führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Welle-Nabe Verbindung mit einem Toleranzring, insbesondere einen Überlastschutz, zu schaffen, die gezielt entweder wellenseitig oder nabenseitig durchrutscht.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Welle-Nabe Verbindung gemäß Anspruch 1 und einem Verstellantrieb gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Dafür wird eine Welle-Nabe Verbindung, insbesondere ein Überlastschutz, geschaffen, der eine Welle, eine Nabe und einen Toleranzring umfasst. Der Toleranzring ist zwischen der Welle und der Nabe angeordnet. Die Welle und die Nabe weisen jeweils eine dem Toleranzring zugewandte Oberfläche mit einem Reibwert auf.
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Die Welle-Nabe Verbindung zeichnet sich dadurch aus, dass entweder die Welle in einem ersten Wirkbereich des Toleranzringes, in dem die Welle mit dem Toleranzring zusammenwirkt, oberflächenbehandelt ist, so dass der Reibwert der Oberfläche der Welle größer als der Reibwert der Nabe ist, oder die Nabe in einem zweiten Wirkbereich des Toleranzringes, in dem die Nabe mit dem Toleranzring zusammenwirkt, oberflächenbehandelt ist, so dass der Reibwert der Oberfläche der Nabe größer als der Reibwert der Welle ist.
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Die Oberflächenbehandlung bewirkt eine Reibwerterhöhung der behandelten Oberfläche. Dadurch wird eine Vergrößerung des Durchrutschmomentes im Wirkbereich erreicht.
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Bevorzugt ist die Oberflächenbehandlung eine Material abtragende Oberflächenbehandlung. Besonders bevorzugt bewirkt die Oberflächenbehandlung eine größere Rauheit der behandelten Oberfläche. Ganz besonders bevorzugt weist die behandelte Oberfläche einen Rauheitswert Rz von 5–20μm nach DIN EN ISO 4287 1998-10 auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist entweder die Welle oder die Nabe im Wirkbereich des Toleranzringes entweder grob geschliffen oder gerändelt. Ebenfalls bevorzugt ist sie alternativ oder zusätzlich im Wirkbereich des Toleranzringes sand- oder kugelgestrahlt. Da entweder die Welle oder die Nabe in ihrem Wirkbereich bestrahlt, geschliffen und/oder gerändelt ist, bleiben der Reibwert und das Durchrutschmoment an der unbehandelten Nabe oder Welle erhalten. Bei vormals vergleichbarem Reibwert zwischen dem Toleranzring und der Welle sowie zwischen dem Toleranzring und der Nabe haftet der Toleranzring der erfindungsgemäßen Welle- Nabe Verbindung daher an der behandelten Welle oder Nabe, und rutscht gezielt an der unbehandelten Nabe oder Welle durch. Es ist daher bevorzugt, dass die Oberfläche der Welle und der Nabe bei unbehandelter Welle oder Nabe einen vergleichbaren oder gleichen Reibwert aufweisen.
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Bei behandelter Oberfläche der Welle haftet der Toleranzring dann wellenseitig und rutscht nabenseitig durch. Bei behandelter Oberfläche der Nabe haftet der Toleranzring dann nabenseitig und rutscht wellenseitig durch.
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Dabei ist die behandelte Oberfläche zumindest in dem jeweiligen Wirkbereich der Welle oder Nabe behandelt. Es ist aber ebenfalls bevorzugt, dass nicht nur der Wirkbereich sonder ein größerer Bereich der Welle oder der Nabe, oder die gesamte Welle oder Nabe behandelt ist.
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Der Toleranzring ist bevorzugt so ausgebildet, dass er ein Durchrutschen sowohl an einer wellenabgewandten Seite als auch an einer wellenzugewandten Seite zulässt. Bevorzugt weist er dafür Materialausnehmungen auf, durch die die Federsteifigkeit des Toleranzringes verringert ist.
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Unter einer Materialausnehmung im Sinne der Erfindung ist dabei eine Schwächung des Ausgangsmaterials zu verstehen, durch die der Toleranzring bei gleicher Federkraft eine geringere Federkonstante aufweist, so dass seine Federkennlinie insgesamt flacher verläuft.
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Eine Materialausnehmung ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Veränderung, insbesondere eine Verringerung, der Dicke des Ausgangsmaterials, oder ein Loch.
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Bei Verwendung eines solchen Toleranzringes ist der Federweg unter Belastung mit einer Federkraft größer. Die Herstellung des Toleranzringes der mit ihm zusammenwirkenden Welle und Nabe ist daher mit größeren Toleranzen möglich.
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Es ist bevorzugt, dass die Rändelung eine Längsrändelung oder eine Kreuzrändelung ist. Besonders bevorzugt ist die Rändelung zusätzlich überdreht und/oder geschliffen.
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Dabei werden die durch die Rändelung entstehenden Ausformungen abgeflacht und der Durchmesser ist dadurch mit einer sehr großen Genauigkeit herstellbar.
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Ein grobes Schleifen im Sinne der Erfindung ist ein Schleifen mit einer groben Körnung, so dass die grob geschliffene Oberfläche Riefen und/oder Rillen enthält.
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Unter einer behandelten Welle oder Nabe ist im Rahmen der Erfindung eine Welle oder Nabe zu verstehen, die im Wirkbereich der Welle oder Nabe behandelt ist, oder an der ein behandeltes Bauteil drehfest angeordnet ist. Eine Welle oder Nabe ist ein konzentrisch um eine Drehachse angeordnetes Getriebebauteil. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nabe als Stirnrad ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Welle als ein Rändel ausgebildet.
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Die Welle-Nabe Verbindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Überlastschutz. Besonders bevorzugt weist der Überlastschutz ein überdrehtes oder geschliffenes Rändel als Welle oder eine im Wirkbereich eines Toleranzringes überdrehte oder geschliffene gerändelte Welle, oder eine im Wirkbereich eines Toleranzringes grob geschliffene Welle auf, sowie den Toleranzring. Dabei ist der Toleranzring bevorzugt so ausgebildet, dass er beidseitig ein Durchrutschen zulässt. Weiterhin bevorzugt ist die Nabe als Stirnrad ausgebildet.
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Der so ausgebildete Überlastschutz ist aufgrund der geringen Federsteifigkeit des Toleranzringes mit großen Toleranzen herstellbar. Er ermöglicht einen sehr guten Ausgleich verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle und der Nabe. Aufgrund der Behandlung der Welle haftet er gezielt an der Welle und rutscht an der Nabe durch. Er weist daher ein definiertes Durchrutschmoment auf.
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Es ist auch eine Welle-Nabe Verbindung bevorzugt, die als Überlastschutz ausgebildet ist, mit einer Oberflächen-behandelten Nabe und einem Toleranzring, so dass die Welle-Nabe Verbindung gezielt nabenseitig durchrutscht. Auch in dieser Ausführungsform lässt der Toleranzring bevorzugt beidseitig ein Durchrutschen zu.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verstellantrieb für ein Fahrzeug, der zum Antrieb einer Komponente vorgesehen ist, insbesondere einer Heckklappe, einer Fahrzeugtür, eines Fensters oder eines Schiebedaches, und der eine solche Welle-Nabe-Verbindung umfasst.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei weitere Vorteile der Erfindung deutlich werden.
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1 zeigt in (a)–(c) jeweils einen Toleranzring gemäß dem Stand der Technik,
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2 zeigt in (a)–(d) jeweils eine Welle für eine erfindungsgemäße Welle-Nabe Verbindung und in (e) die Welle der 2(b) im Querschnitt, und
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Welle-Nabe Verbindung.
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Der Toleranzring 1 der 1(a) gemäß dem Stand der Technik ist oben bereits beschrieben.
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Die Toleranzringe 1 der 1(b) und (c) unterscheiden sich von dem Toleranzring 1 der 1 (a) jeweils durch Materialausnehmungen 4, die gezielt in die Toleranzringe 1 eingebracht sind, um ihre Federsteifigkeiten zu verringern.
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In dem Toleranzring 1 der 1(b) sind dafür in die im Toleranzring 1 der 1(a) kugelhalbschalenförmig ausgebildeten Verbindungen zwischen den Sicken 2 und den Zugbändern 51, 52 Löcher 4 eingebracht.
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Bei dem Toleranzring 1 der 1(c) sind anstelle zylindrischer Sicken eckige Erhebungen 2 vorgesehen, zwischen denen abwechselnd entweder eine Materialausnehmung 4 oder die Zugbänder 51, 52 verbindende, unverformte Bereiche 501 vorgesehen sind.
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Es hat sich gezeigt, dass die hier beispielhaft gezeigten Toleranzringe 1 der 1(b) und (c) zwar eine Fertigung des Toleranzringes 1 und der in einer Welle Nabe Verbindung 8 (s. 3) mit ihm zusammenwirkenden Welle 6 (s. 3) und Nabe 7 (s. 3) mit größeren Toleranzen zulassen. Jedoch ermöglichen sie bei unbehandelter Welle und Nabe ein Durchrutschen sowohl an ihrer wellenzugewandten 40 als auch an ihrer wellenabgewandten 41 Seite. Dadurch ist bei Verwendung dieser Toleranzringe 1 in einer als Überlastschutz 8 (s. 3) ausgebildeten Welle-Nabe Verbindung 8 das Durchrutschmoment nicht ausreichend definiert.
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Um das Reibmoment gezielt zu erhöhen und ein definiertes Durchrutschmoment zu erzielen, ist entweder die Welle 6 oder die Nabe 7 in einem Wirkbereich 16, 17 des Toleranzringes 1 oberflächenbehandelt. Die Oberflächenbehandlung ist eine Material abtragende Oberflächenbehandlung. Bevorzugt ist die Welle 6 oder die Nabe 7 in dem Wirkbereich 16, 17, in dem sie mit dem Toleranzring 1 zusammenwirkt, gerändelt oder grob geschliffen. Zusätzlich oder alternativ ist sie sandgestrahlt oder kugelgestrahlt. Durch das grobe Schleifen, Rändeln und/oder Bestrahlen ist der Reibwert an der behandelten Oberfläche 60 (s. 2) der Welle 6 oder Nabe 7 gegenüber dem Reibwert der unbehandelten Welle 6 oder Nabe 7 größer.
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Sofern die Durchrutschmomente zwischen der unbehandelten Welle 6 und dem Toleranzring 1 und zwischen der unbehandelten Nabe 7 und dem Toleranzring 1 einer Welle Nabe Verbindung 8 vergleichbar groß sind, ist das Durchrutschmoment zwischen der behandelten Welle 6 oder Nabe 7 und dem Toleranzring 1 größer, als das Durchrutschmoment zwischen der unbehandelten Nabe 7 oder Welle 6 und dem Toleranzring 1. Daher haftet der Toleranzring 1 an der behandelten Welle 6 oder Nabe 7 und rutscht an der unbehandelten Nabe 7 oder Welle 6 durch. Das Durchrutschmoment ist daher das Durchrutschmoment zwischen der unbehandelten Nabe 7 oder Welle 6 und dem Toleranzring 1, und somit definiert.
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In den 2(a)–(d) sind beispielhaft Wellen 6 für eine solche Welle-Nabe Verbindung 8 gezeigt. Alle gezeigten Wellen 6 sind einer Material abtragenden Oberflächenbehandlung unterzogen.
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Die 2(a) zeigt als Welle 6 ein überdrehtes Kreuzrändel, die 2(b) als Welle 6 ein überdrehtes Längsrändel. In beiden Fällen ist die Welle 6 daher nicht nur gerändelt, sondern zudem anschließend überdreht. Die 2(c) zeigt eine sandgestrahlte Welle 6. Und die 2(d) zeigt eine grob geschliffene Welle 6.
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Alle gezeigten Wellen 6 erstrecken sich jeweils in eine Längsrichtung 11 konzentrisch um eine Achse 10. Durch die Behandlung ihrer Oberfläche 60 weist diese einen größeren Rauheitswert und somit einen erhöhten Reibwert auf im Vergleich zur unbehandelten Oberfläche. Beim groben Schleifen der Oberfläche der Welle 6 entstehen beispielsweise Rillen 64 und Riefen 62 (s. 2(d)). Die Rillen 64 sind in Umfangsrichtung 12 verlaufende Vertiefungen, durch die die behandelte Oberfläche 60 in Längsrichtung 11 der Welle 6 etwa wellenförmig erscheint. Die Riefen 63 sind Einschnitte der Oberfläche. Gegenüber einer unbehandelten Oberfläche, die einen Rauheitswert von 1–4 aufweist, weist die grob geschliffene Oberfläche 60 der Welle 6 einen Rauheitswert auf, der im Bereich 5–20μm liegt. Diese Ausführungsform ist für eine als Überlastschutz ausgebildete Welle Nabe Verbindung 8 (s. 3) mit einem Toleranzring 1, der beidseitig ein Durchrutschen zulässt, besonders bevorzugt.
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2(e) zeigt das Längsrändel 6 der 2(b) im Querschnitt. Beim Rändeln wird eine Oberfläche (nicht gezeigt) mit gleichmäßig in Umfangsrichtung 12 verteilten Nuten 61 versehen. Bei einem Längsrändel 6 verlaufen diese Nuten 61 in Längsrichtung 11 parallel zur Achse 10. Bei einem Kreuzrändel 6 (s. 2(a)) verlaufen erste Nuten 61’ in einem ersten Winkel α zur Längsrichtung 11, und zweite Nuten 61’’ in einem zweiten Winkel β = 360° – α zur Längsrichtung 11, so dass sich die Nuten 61’, 61’’ kreuzen. In beiden Ausführungsformen weisen die Nuten 61, 61’, 61’’ in der Regel schräge Wände 611 auf, so dass die gerändelte Oberfläche 60’ Zähne 62 aufweist.
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Durch Überdrehen oder Schleifen wird die gerändelte Oberfläche 60’ zusätzlich abgetragen und die Zähne 62 dabei abgeflacht. Die behandelte Oberfläche 60 weist einen kleineren Radius r2 auf, als der Radius r1 der gerändelten, nicht überdrehten oder geschliffenen Oberfläche 60’, oder der Radius der unbehandelten Oberfläche.
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Gegenüber einer ungerändelten Oberfläche weist die gerändelte Oberfläche 60’ einen größeren Reibwert auf. Und gegenüber der gerändelten Oberfläche 60’ weist die zusätzlich überdrehte oder geschliffene und gegebenenfalls zudem sand- oder kugelgestrahlte gerändelte Oberfläche 60 einen größeren Reibwert auf.
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3 zeigt eine Welle-Nabe Verbindung 8, und zwar in der Ausführung als Überlastschutz. Im Folgenden werden die Begriffe Welle-Nabe Verbindung 8 und Überlastschutz synonym verwendet.
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Die Welle 6 ist im Bereich des Toleranzringes 1 gerändelt ausgebildet. Und zwar verlaufen die Nuten 61 hier in Längsrichtung 11 parallel zur Achse 10, so dass die Welle 6 hier längsgerändelt ist. Die Nabe 7 erstreckt sich konzentrisch um die Achse 10. Beispielhaft ist in gestrichelten Linien eine Verzahnung 71 dargestellt. In einer Ausführungsform mit einer solchen Verzahnung 71 ist die Nabe 7 als Stirnrad ausgebildet. Ein Überlastschutz 8 dieser Ausführungsform ist leicht in eine Getriebeanordnung (nicht gezeigt) integrierbar.
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Zwischen der Nabe 7 und der Welle 6 ist der Toleranzring 1 angeordnet. Der hier gezeigte Toleranzring 1 weist Zugbänder 51, 52 auf, zwischen denen die Sicken 2 angeordnet sind. Er liegt mit den Zugbändern 51, 52 am längs gerändelten Teil der Welle 6 an. Wellenseitig ist der erste Wirkbereich 16 des Toleranzringes 1, in dem die Welle 6 mit dem Toleranzring 1 zusammenwirkt, daher der Bereich der Zugbänder 51, 52. Nabenseitig liegt er mit den Sicken 2 an der Nabe 7 an, so dass der zweite Wirkbereich 17 des Toleranzringes 1, in dem die Nabe 7 mit dem Toleranzring 1 zusammenwirkt, der Bereich der Sicken 2 ist.
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Es ist aber auch eine umgekehrte Anordnung des Toleranzringes 1 möglich, bei der dieser mit den Sicken 2 an der Welle 6 und mit den Zugbändern 51, 52 an der Nabe 7 anliegt. In diesem Fall verschieben sich die Wirkbereiche 16, 17 entsprechend.
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Aufgrund der Längsrändelung der Welle 6 ist das Durchrutschmoment zwischen dem Toleranzring 1 und der Welle 6 größer als zwischen dem Toleranzring 1 und der Nabe 7. Bei dieser Ausführungsform des Überlastschutzes 8 haftet der Toleranzring 1 daher an der Welle 6 und rutscht an der Nabe 7 durch.
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Ein Überlastschutz mit ansonsten gleichen Komponenten, der an der Nabe 7 haftet und an der Welle 6 durchrutscht, weist demgegenüber eine behandelte Nabe 7 und eine unbehandelte Welle 6 auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010038596 [0003]
- DE 102011077361 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 4287 1998-10 [0012]
