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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft dynamische Gelenke zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen und im Spezielleren Manschetten für dynamische Gelenke, welche in Verbindung mit diesen zum Einsatz kommen.
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HINTERGRUND
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Ein dynamisches Gelenk überträgt eine Drehung zwischen zwei Teilen oder Wellen. Die Längsachsen der entsprechenden Teile können während der Drehung und während der Anwendung eines Drehmoments relativ zueinander winkelig angeordnet sein. Eine Dichtmanschette ist an einem Ende über dem dynamischen Gelenk und an einem entgegengesetzten Ende an einer Welle montiert, um Schmiermittel innerhalb des Gelenks abdichtend einzuschließen und um einen Eintritt von Feststoffpartikeln und Feuchtigkeit in das Gelenk zu verhindern. Bekannte Dichtungsmanschetten werden beispielsweise durch Festklemmen um die Welle und den Körper des dynamischen Gelenks herum fixiert, um eine relative axiale Bewegung zwischen Welle und Manschette zu verhindern und um ein Eintreten von Verunreinigungsstoffen in das Gelenk sowie ein Austreten von Schmiermittel aus dem Gelenk zu verhindern.
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Bei Anwendungen mit hohen Last-, Drehmoment-, oder sonstigen Leistungsanforderungen, wie sie beispielsweise unter Rennsportbedingungen, beim Ziehen von Lasten oder im Geländeeinsatz auftreten können, kann das dynamische Gelenk infolge der durch dieses übertragenen Kraft einen beträchtlichen Temperaturanstieg erfahren. Durch den Temperaturanstieg des Gelenks erhöhen sich auch die Schmiermitteltemperatur und die Umgebungstemperatur im Inneren der Dichtmanschette, was zu einem Druckunterschied zwischen dem Innenraum und der äußeren Umgebung der Manschette führt. Der Temperatur- und Druckanstieg kann dazu führen, dass die Manschette so weit anschwillt, bis schließlich der auf das Innere der Manschette ausgeübte Druck die um die Welle und/oder den Körper des dynamischen Gelenks herum ausgeübte Klemmkraft überwindet. Bei Überwindung der Klemmkräfte kommt es zu einem Ausstoß von Gas mit hohem Druck und hoher Temperatur aus dem Inneren der abgedichteten Manschette, und zwar üblicherweise vorbei an den Klemmschellen an der Welle oder dem Gehäuse des dynamischen Gelenks (sprunghafte, unkontrollierte Lüftung). Zusammen mit dem ausgestoßenen Gas kann auch Schmiermittel ausgeworfen werden.
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Beim Abkühlen des Gelenks wird zwischen dem Innenraum und der äußeren Umgebung der Dichtmanschette ein negativer Druckunterschied erzeugt, wodurch bewirkt wird, dass nach demselben Prinzip Luft in die Manschette hineingezogen wird. Verunreinigungsstoffe und Feuchtigkeit können zusammen mit der Luft in die Manschette eingesaugt werden, was zu Problemen für die Lebensdauer des dynamischen Gelenks führen kann. Überdies wird das ausgeworfene Schmiermittel nicht ersetzt, was ebenfalls zu einer verringerten Lebensdauer des dynamischen Gelenks führen kann. Bei ausreichender Klemmkraft hingegen kann keine Luft in die Manschette hinein nachströmen, wodurch bewirkt wird, dass diese an dem dynamischen Gelenk in sich zusammenfällt, wodurch wiederum das Gelenk während des weiteren Betriebs des Fahrzeugs beschädigt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Gelenkanordnung eine drehbare Welle mit einem ersten, proximalen Ende, das mit einer Drehquelle verbunden ist, und einem zweiten, distalen Ende, das mit einem drehbaren Element verbunden ist, ein dynamisches Gelenk, das am Schnittpunkt der drehbaren Welle und der Drehquelle angeordnet ist und ein Gelenkaußenelement, ein Gelenkinnenelement sowie eine um das dynamische Gelenk herum angeordnete Dichtmanschettenanordnung umfasst. Die Dichtmanschettenanordnung umfasst eine flexible Manschette mit einem ersten Ende in abdichtendem Eingriff mit einer Außenfläche des Gelenkaußenelements und einem zweiten Ende in abdichtendem Eingriff mit einer Außenfläche des ersten Endes der drehbaren Welle, um darin eine Innenkammer zu definieren, eine Lüftungsmündung, die sich von der Innenkammer durch die flexible Manschette hindurch bis in die Außenumgebung erstreckt, und mit einer feuchtigkeitsabschirmenden, dampfdurchlässigen Membran, die über die Lüftungsmündung hinweg zwischen der Innenkammer und der Außenumgebung angeordnet ist, wobei während eines Hochtemperaturbetriebs des dynamischen Gelenks Gas aus der Innenkammer entweicht und während des Abkühlens desselben Luft wieder in die Innenkammer zurückströmt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Dichtmanschettenanordnung eine flexible Manschette mit einem ersten Ende in abdichtendem Eingriff mit einer Außenfläche einer Welle, um darin eine Innenkammer zu definieren, eine Lüftungsmündung, die sich von der Innenkammer durch die flexible Manschette hindurch bis in die Außenumgebung erstreckt, und eine feuchtigkeitsabschirmende, dampfdurchlässige Membran, die über die Lüftungsmündung hinweg zwischen der Innenkammer und der Außenumgebung angeordnet ist, wobei während eines Hochtemperaturbetriebs der Welle Gas aus der Innenkammer entweicht und während des Abkühlens derselben Luft wieder in die Innenkammer zurückströmt.
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Die obigen Merkmale und Vorteile, sowie andere Merkmale und Vorteile der Erfindung, erschließen sich mit größerer Deutlichkeit aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Merkmale, Vorteile und Details werden in lediglich beispielhafter Weise in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
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1 eine teilweise Querschnittsansicht eines dynamischen Gelenks mit einer Dichtmanschettenanordnung ist, welche Merkmale der Erfindung verkörpert;
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2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der in 1 gezeigten Anordnung gemäß Kreis 2 ist;
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3 eine Endansicht einer flexiblen Manschette der Dichtmanschettenanordnung ist, welche Merkmale der Erfindung verkörpert;
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4 eine Endansicht einer flexiblen Manschette samt Klemmschelle der Dichtmanschettenanordnung ist, welche Merkmale der Erfindung verkörpert;
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5 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der in 1 gezeigten Anordnung gemäß Kreis 5 ist, die eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
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6 ein Graph ist, der Leistungsmerkmale der Erfindung veranschaulicht;
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7 eine teilweise Querschnittsansicht einer zusätzlichen Ausführungsform eines dynamischen Gelenks mit einer Dichtmanschettenanordnung ist, welche Merkmale der Erfindung verkörpert; und
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8 eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 aus 7 ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und es sollen dadurch die vorliegende Offenbarung, deren Anwendung oder deren Nutzungsbereiche nicht eingeschränkt werden. Es versteht sich, dass einander entsprechende Bezugszahlen über die Zeichnungen hinweg gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. Der hier verwendete Begriff 'Fahrzeug' ist nicht nur auf ein Automobil, einen Lastkraftwagen, einen Transporter oder einen sportlichen Geländewagen (SUV) beschränkt, sondern schließt jedes selbstfahrende oder gezogene Beförderungsmittel ein, das zum Transport einer Last geeignet ist.
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In 1, auf welche nun Bezug genommen wird, hat gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine Wellenanordnung mit einer drehbaren Welle, etwa einer Halbwelle oder einer Gelenkwelle 10 für eine Maschine oder ein Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) ein erstes, proximales Ende 12, das mit einer Drehquelle, wie etwa einer Getriebeabtriebswelle 14 verbunden ist, und ein zweites, distales Ende 16, das mit einem drehbaren Element, wie etwa einer Rad- und Reifennabe (nicht gezeigt) verbunden ist, die dafür ausgelegt sein kann, sich in einer radialen Richtung, wie durch die Pfeile ”X” gezeigt, zu bewegen. Um die Drehung der Gelenkwelle 10 und die radiale Bewegung wie veranschaulicht zu erleichtern, ist ein dynamisches Gelenk 22 am Schnittpunkt mit der Abtriebswelle 14 angeordnet. Das dynamische Gelenk umfasst ein Gelenkaußenelement 24 und ein Gelenkinnenelement 26. Eine Mehrzahl von Rollen oder drehmomentübertragenden Kugellagern 28 ist zwischen dem Gelenkaußen- und -innenelement 24, 26 angeordnet. Eine Drehung von einem der Gelenkelemente 24, 26 wird über Kugellager 28 auf das jeweils andere Gelenkelement übertragen. Die Gelenkwelle 16 wird mit dem Gelenkinnenelement 26 in Eingriff gebracht, indem sie in die Durchbrechung 30 des Gelenkinnenelements eingeführt wird. Der Eingriff zwischen der Gelenkwelle 16 und dem Gelenkinnenelement 26 sowie der Eingriff zwischen dem Gelenkinnenelement 26 und dem Gelenkaußenelement 24 wird durch Schmiermittel verbessert. Im Lauf des Betriebs kann die Temperatur des Schmiermittels in Reaktion auf die Winkelgeschwindigkeit der sich drehenden Teile ansteigen.
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Das dynamische Gelenk 22 umfasst eine Dichtmanschettenanordnung 32, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Gelenk sowie ein Eintreten von Verunreinigungsstoffen in dieses zu verhindern. Die Dichtmanschettenanordnung 32 umfasst eine flexible Manschette 34 mit einem ersten Ende 36 in abdichtendem Eingriff mit einer Außenfläche 38 des Gelenkaußenelements 24 und ein zweites Ende 40 in abdichtendem Eingriff mit einer Außenfläche 42 des ersten Endes 12 der Gelenkwelle 10. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform komprimiert eine Bandklemmschelle 46 das erste Ende 36 der flexiblen Manschette in Bezug auf das Gelenkaußenelement 24 und kann eine ähnliche Bandklemmschelle 48 das zweite Ende 40 der flexiblen Manschette 34 in Bezug auf das erste Ende 12 der Gelenkwelle 10 komprimieren. Die flexible Manschette 34 kann einen gewundenen Abschnitt 52 zwischen dem ersten Ende 36 und dem zweiten Ende 40 umfassen.
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In 2–4, auf welche nun nebst weiterer Bezugnahme auf 1 Bezug genommen wird, kann das erste Ende 36 der flexiblen Manschette 34 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform einen sich um dieses herum erstreckenden Sitzabschnitt 54 umfassen. Der Sitzabschnitt stellt eine Plattform 56 bereit, auf welcher die Bandklemmschelle 46 positioniert ist. Die Lüftungsmündung(en) 60 erstreckt/erstrecken sich von der durch die Dichtmanschettenanordnung 32 definierten Innenkammer 62 durch den Sitzabschnitt 54 des ersten Endes 36 hindurch in die Außenumgebung 64. Durch diese Lüftungsmündungen entweicht heißes Gas 66 aus der Innenkammer 62 während eines Hochtemperatur- und Hochleistungsbetriebs des dynamischen Gelenks 22. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist eine feuchtigkeitsabschirmende, dampfdurchlässige Membran 70 an der Schnittstelle zwischen der Plattform 56 des Sitzabschnitts 54 und der Bandklemmschelle 46 angeordnet. Die Bandklemmschelle kann, wie in 4 veranschaulicht, mit Schlitzen 73 oder anderen Perforationen ausgelegt sein, die es ermöglichen, dass das heiße Gas 66 von den Lüftungsmündungen 60 durch die feuchtigkeitsabschirmende, dampfdurchlässige Membran 70 hindurch in die Außenumgebung 64 gelangt. Beim Abkühlen des dynamischen Gelenks erlaubt die Membran 70 nur einen Rückstrom von Luft in die Innenkammer 62, wodurch es sich verhindern lässt, dass die flexible Manschette an dem dynamischen Gelenk 22 in sich zusammenfällt, ohne dass jedoch dadurch ein Eindringen von Feuchtigkeit und anderen Stoffen fester Natur in das Gelenk erlaubt wird. Darüber hinaus wird durch das Entlüften des heißen Gases 66 während des Temperaturanstiegs in der Innenkammer 62 eine sprunghafte, unkontrollierte Lüftung, in deren Verlauf es zu einem Auswurf von Schmiermittel aus dem dynamischen Gelenk 22 kommen kann, verhindert.
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Wie beschrieben, ist das dynamische Gelenk 22 samt Dichtmanschettenanordnung 32 gut für die OEM-Fertigung geeignet, da die Lüftungsmündungen 60 im Zuge der Fertigung in die flexible Elastomermanschette 34 eingeformt oder maschinell darin ausgebildet werden können. Das dynamische Gelenk 22 samt Dichtmanschettenanordnung 32 eignet sich darüber hinaus gut für Nachrüstungsanwendungen, da die Lüftungsmündungen 60 gebohrt, gestanzt oder sonst wie in der flexiblen Manschette 34 ausgebildet werden können und beispielsweise die feuchtigkeitsdichte/atmungsfähige Membran 70 anschließend über den Mündungen platziert werden kann. Außerdem kann die feuchtigkeitsabschirmende, dampfdurchlässige Membran 70 über einzelne oder mehrere Lüftungsmündungen 60 platziert werden. Gemäß manchen Ausführungsformen kann die Membran 70, wie hier beschrieben, zwischen der Manschette und der Klemmschelle befestigt sein, in das Manschettenmaterial eingeformt bzw. mit dem Manschettenmaterial verklebt oder verschweißt sein. Darüber hinaus kann die Membran auf jede beliebige Art und Weise zwischen der Innenkammer 62 und der Außenumgebung befestigt sein, die eine Funktion des Systems wie hier beschrieben erlaubt.
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In 5, auf welche nun nebst weiterer Bezugnahme auf 1 Bezug genommen wird, kann das erste Ende 36 der flexiblen Manschette 34 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform einen sich um dieses herum erstreckenden Sitzabschnitt 54 umfassen. Der Sitzabschnitt stellt eine Plattform 56 bereit, auf welcher die Bandklemmschelle 46 positioniert ist. Die Manschettenlüftungsmündung(en) 72 erstreckt/erstrecken sich durch den Sitzabschnitt 54 der Dichtmanschettenanordnung 32 in die Außenumgebung 64. Ein Lüftungskanal (oder Lüftungskanäle) 74 ist/sind in der Außenfläche 38 des Gelenkaußenelements 24 ausgebildet. Die Lüftungskanäle 74 entsprechen über den Umfang hinweg den Manschettenlüftungsmündungen 72. Durch diese Kombination aus Manschettenlüftungsmündungen 72 und Lüftungskanälen 74 entweicht heißes Gas 66 aus der Innenkammer 62 während eines Hochtemperaturbetriebs (Hochleistungsbetriebs) des dynamischen Gelenks 22. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist eine feuchtigkeitsabschirmende, dampfdurchlässige Membran 70 an der Schnittstelle zwischen der Plattform 56 des Sitzabschnitts 54 und der Bandklemmschelle 46 angeordnet. Die Bandklemmschelle kann, wie in 4 veranschaulicht, mit Schlitzen 73 oder anderen Perforationen ausgelegt sein, die es ermöglichen, dass das heiße Gas 66 von den Lüftungsmündungen 60 durch die feuchtigkeitsabschirmende, dampfdurchlässige Membran 70 hindurch in die Außenumgebung 64 gelangt. Beim Abkühlen des dynamischen Gelenks erlaubt die Membran 70 jedoch nur einen Rückstrom von Luft in die Innenkammer 62, wodurch es sich verhindern lässt, dass die flexible Manschette an dem dynamischen Gelenk 22 in sich zusammenfällt, ohne dass dadurch jedoch ein Eindringen von Feuchtigkeit und anderen Stoffen fester Natur in das Gelenk erlaubt wird. Darüber hinaus wird durch das Entlüften des heißen Gases 66 während des Temperaturanstiegs in der Innenkammer 62 eine sprunghafte, unkontrollierte Lüftung, in deren Verlauf es zu einem Auswurf von Schmiermittel aus dem dynamischen Gelenk 22 kommen kann, verhindert.
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Das Betriebsverhalten eines dynamischen Gelenks mit einer Dichtmanschettenanordnung, die erfindungsgemäße Merkmale umfasst, lässt sich unter Bezugnahme auf das Diagramm aus 6 verstehen, in welchem die Zeit auf der x-Achse und die Temperatur sowie der Druck auf der y-Achse dargestellt sind. In dem Beispiel ist die Temperatur eines Ofens durch den Linienzug ”A” veranschaulicht und ist die Außentemperatur der Manschette durch den Linienzug ”B” dargestellt. Ein dynamisches Gelenk mit einer Dichtmanschettenanordnung ohne Hinzufügung von erfindungsgemäßen Merkmalen weist einen durch den Linienzug ”C” dargestellten Innendruck auf, während ein dynamisches Gelenk mit Hinzufügung der erfindungsgemäßen Merkmale einen durch den Linienzug ”D” dargestellten Innendruck aufweist.
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Es ist anzumerken, dass die Lüftungsmündungen 60, 72 und die Lüftungskanäle 74 in den Figuren stark vereinfacht gezeigt worden sind. Es ist jedoch erwogen, dass die Lüftungskanäle und die Lüftungsmündungen gleichermaßen verschiedenen Formen und Auslegungen (zum Beispiel gewundene Pfade) aufweisen können, die dazu beitragen können, die Wahrscheinlichkeit eines Eintritts von Feststoffen in die flexible Manschette zu verringern. Überdies ist erwogen, dass die obige Beschreibung zwar ein dynamisches Gelenk mit konstanter Geschwindigkeit zum Gegenstand hat, dass sich die hier offenbarte Erfindung jedoch auf jede beliebige Gelenkart und -beschaffenheit, die einen abdichtenden Schutz mittels einer Vorrichtung wie der flexiblen Manschette 34 benötigt, anwenden lässt.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsformen umfassten Lüftungsmündungen, die integral mit der flexiblen Manschette 34 der Dichtmanschettenanordnung 32 ausgeformt sind. In manchen Beispielfällen kann es sein, dass es nicht wünschenswert oder nicht möglich ist, die Lüftungsmündungen in der flexiblen Manschette 34 zu platzieren und somit kann es in einer beispielhaften Ausführungsform wünschenswert sein, eine separate Lüftungsanordnung 80 vorzusehen, wie dies in 7 und 8 veranschaulicht ist. Gemäß der Ausführungsform aus 7 und 8 umfasst die Dichtmanschettenanordnung 32 eine flexible Manschette 34 mit einem ersten Ende 36, das beispielsweise um die Außenfläche 42 einer Gelenkwelle 10 herum abschließt. Zwischen dem Innenumfang 82 des ersten Endes 36 und der Außenfläche 42 der Gelenkwelle 10 ist die separate Lüftungsanordnung 80 angeordnet. Die separate Lüftungsanordnung umfasst gemäß der veranschaulichten Ausführungsform ein Scheibenelement 84 mit Öffnungen oder Durchgängen 86, die sich axial durch dieses hindurch erstrecken. Das Scheibenelement 84 umfasst eine Öffnung 88 zur Montage des Elements an der Gelenkwelle 10. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist die Öffnung 88 so bemessen, dass sie eine Presspassung definiert, wenn das Scheibenelement derart in Schubeingriff mit dem Ende der Gelenkwelle 10 platziert ist, dass eine Abdichtung zwischen diesen definiert ist. Eine Außenfläche 90 des Scheibenelements 84 definiert einen Sitzabschnitt, auf welchem das erste Ende 36 der flexiblen Manschette in abdichtendem Eingriff platziert ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform komprimiert eine Bandklemmschelle 46 das erste Ende 36 der flexiblen Manschette in Bezug auf das Gelenkaußenelement 24 und kann eine ähnliche Bandklemmschelle 48 ein zweites Ende 40 der flexiblen Manschette 34 in Bezug auf das erste Ende 12 der Gelenkwelle 10 komprimieren. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform komprimiert eine Bandklemmschelle 46 das erste Ende 36 der flexiblen Manschette in Bezug auf das erste Ende 36 der flexiblen Manschette und auf die Gelenkwelle 10. Eine feuchtigkeitsabschirmende, dampfdurchlässige Membran 70 ist über die Durchgänge 86 in dem Scheibenelement 84 hinweg positioniert. Die Membran kann derart an einem Ende der Scheibe (d. h. dem inneren oder dem äußeren) positioniert sein, dass sie abnehmbar und/oder auswechselbar sein kann, oder sie kann, wie in 7 gezeigt, auch in der Scheibe ausgebildet sein. Wie hier beschrieben, entweicht heißes Gas 66 durch die Durchgänge 86 aus der Innenkammer 62 während eines Hochtemperaturbetriebs (Hochleistungsbetriebs) in die Außenumgebung. Beim Abkühlen des dynamischen Gelenks erlaubt die Membran 70 nur einen Rückstrom von Luft in die Innenkammer 62, wodurch es sich verhindern lässt, dass die flexible Manschette in sich zusammenfällt, ohne dass dadurch jedoch ein Eindringen von Feuchtigkeit und anderen Stoffen fester Natur in die Manschette erlaubt wird. Darüber hinaus wird durch das Entlüften des heißen Gases 66 während des Temperaturanstiegs in der Innenkammer 62 eine sprunghafte, unkontrollierte Lüftung, in deren Verlauf es zu einem Auswurf von Schmiermittel aus dieser kommen kann, verhindert.
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Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben worden, es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und dass Teile davon durch äquivalente Elemente ersetzt werden können, ohne dass dadurch von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Außerdem können zahlreiche Abänderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne dass dadurch von dem grundsätzlichen Umfang derselben abgewichen wird. Die Erfindung soll daher nicht auf die im Speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der Anmeldung fallen.
