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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Drehschwingungsdämpfer zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Es ist bekannt, Bogenfederdämpfer als Schwingungsdämpfer im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen einzusetzen, beispielsweise als Zweimassenschwungrad (ZMS), Doppelkupplungsdämpfer, Hybrid- und CVT-Dämpfer (CVT = Continuously Variable Transmission, stufenloses Automatikgetriebe), jeweils mit oder ohne Rutschkupplung als Drehmomentbegrenzer (DMB).
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In sensiblen Antriebssträngen insbesondere bei Hybrid- oder CVT-Anwendungen können, beispielsweise aufgrund von Unterschieden im Momentanreibwert der einzelnen Räder auf der Fahrbahn, Impacts (Drehmomentstöße) mit hoher Lastwechselzahl auftreten, die den Antriebsstrang schädigen können. Bekannte Rutschkupplungen zu deren Dämpfung haben den Nachteil, nur relativ hohe Impacts abfangen zu können, die mit begrenzter Lastwechselzahl auftreten. Gegen kleinere Impacts mit hoher Lastwechselzahl helfen sie in der Regel nicht oder nur wenig.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine impactreduzierende Dämpferausführung bereitzustellen, die kleine, mittlere und hohe Impacts dämpfen kann, wobei die Häufigkeit der Impacts umgekehrt proportional zur Höhe der Impacts sein kann.
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Dieses Problem wird durch einen Antriebsstrang nach Anspruch 1 sowie einen Drehschwingungsdämpfer nach Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen, Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das oben genannte Problem wird insbesondere gelöst durch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, zumindest aufweisend einen Verbrennungsmotor und einen Drehschwingungsdämpfer zur Dämpfung von Drehschwingungen, die aufgrund der Zündreihenfolge des Verbrennungsmotors entstehen, ferner aufweisend zumindest ein angetriebenes Rad, durch das das vom Verbrennungsmotor erzeugte und über den Drehschwingungsdämpfer geleitete Drehmoment auf eine Fahrbahn übertragbar ist, wobei der Verbrennungsmotor ausgebildet ist, ein bestimmtes oder maximales Drehmoment zu erzeugen, und wobei der Drehschwingungsdämpfer zumindest eine ein Anschlagmoment aufweisende Federeinrichtung aufweist, wobei das Anschlagmoment der Federeinrichtung derart eingestellt ist, dass der 1,3 fache Wert des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors kleiner als das Anschlagmoment ist, das wiederum kleiner als der 3,0-fache Wert des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors ist (1,3·maximales Drehmoment Verbrennungsmotor < Anschlagmoment < 3,0·maximales Drehmoment Verbrennungsmotor). Das Anschlagmoment der Federeinrichtung ist also größer als der 1,3 fache Wert und kleiner als der 3,0-fache Wert des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors. Die Wahl dieses Bereiches für das Anschlagsmoment bewirkt die Dämpfung des Großteils der auftretenden Impacts, nur bei wenigen hohen Impacts wird der federnde Bereich zur Energieaufnahme der Federeinrichtung überschritten.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Anschlagsmoment größer als der 1,5 fache Wert des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors und kleiner als der 2,8-fache Wert des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors (1,5·maximales Drehmoment Verbrennungsmotor < Anschlagmoment < 2,8·maximales Drehmoment Verbrennungsmotor). In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Anschlagsmoment größer als der 1,8 fache Wert des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors und kleiner als der 2,3-fache Wert des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors ist (1,8·maximales Drehmoment Verbrennungsmotor < Anschlagmoment < 2,3·maximales Drehmoment Verbrennungsmotor). Die beiden letzgenannten Ausführungsformen ermöglichen eine Auslegung der Dämpfungswirkung auf die am häufigsten auftretenden Impacts.
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Die Federeinrichtung weist in einer Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Bogenfeder auf. Die Federeinrichtung weist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Schraubendruckfeder auf, die vorzugsweise als Bogenfeder ausgebildet ist.
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Die Federeinrichtung ist in einer Ausführungsform der Erfindung als High-Capacity-Feder ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Federeinrichtung bei einer Blockbelastung, dabei wird die Feder so weit zusammengedrückt, dass die Windungen aneinander anliegen, also auf Block gehen, in einem zeitfesten (nicht mehr dauerfesten) Bereich beansprucht wird. In der Federeinrichtung treten bis zu dem Auslegungsmoment Spannungen durch Verformung der Federeinrichtung auf, die den Dauerfesten Bereich nicht überschreiten, es sind also beliebig viele Lastwechsel bis zu dem Auslegungsmoment möglich. Darüber sind nicht mehr beliebig viele Lastwechsel möglich, allerdings sinkt auch die Anzahl der im Betrieb auftretenden Impacts in diesem Bereich, so dass die Lebensdauer der Federeinrichtung dadurch nicht unzulässig vermindert wird.
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Der Drehschwingungsdämpfer weist in einer Ausführungsform der Erfindung eine Rutschkupplung auf, wobei die Rutschkupplung vorzugsweise auf einer Sekundärseite des Drehschwingungsdämpfers angeordnet ist. Die Rutschkupplung begrenzt das maximal übertragbare Moment und bewirkt dadurch eine Dämpfung durch Dissipation bei Impacts, die dieses Moment überschreiten.
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Die Rutschkupplung weist in einer Ausführungsform der Erfindung ein Rutschmoment auf, das größer als das Anschlagmoment der Federeinrichtung ist. Dadurch tritt die Dämpfungseinrichtung erst dann in Aktion, wenn die Federeinrichtung bereits auf Block ist, nachdem also auch der High-Capacity-Bereich der Federeinrichtung ausgenutzt ist.
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Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch einen Drehschwingungsdämpfer zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, die entgegen der Wirkung zumindest einer Bogenfeder gegeneinander verdrehbar sind, wobei sich die Bogenfeder einerseits an der Primärseite und andererseits an einem Sekundärflansch abstützt, der über eine Rutschkupplung mit der Sekundärseite verbunden ist, wobei die Rutschkupplung ein Rutschmoment aufweist, das größer als ein Anschlagmoment der Bogenfeder ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
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2 ein Zweimassenschwungrad mit Rutschkupplung als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehschwingungsdämpfers,
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3 ein Diagramm des Verdrehwinkels der Sekundärseite gegenüber der Primärseite aufgetragen über dem Motormoment für das Zweimassenschwungrad nach 2,
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4 ein Zweimassenschwungrad als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehschwingungsdämpfers,
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5 ein Diagramm des Verdrehwinkels der Sekundärseite gegenüber der Primärseite aufgetragen über dem Motormoment für das Zweimassenschwungrad nach 4.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs als sogenannter Hybridantrieb umfassend einen Verbrennungsmotor sowie einen elektrischen Antrieb. Der in 1 skizzierte Antriebsstrang stellt nur eine von vielen Möglichkeiten der Gestaltung eines Hybridantriebes dar. Der Antriebsstrang 1 umfasst alle Komponenten in einem Kraftfahrzeug, die in diesem die Leistung für den Antrieb generieren und bis auf die Straße übertragen. Der Antriebsstrang 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 mit einer Kurbelwelle 3. Die in 1 nicht dargestellten Zylinder mit Kolben und Pleuelstangen wirken mit ebenfalls nicht näher dargestellten Wangen- und Hubzapfen der Kurbelwelle zusammen und erzeugen durch periodische Verbrennungsvorgänge in Brennräumen, die den Kolben zugeordnet sind, ein Antriebsmoment an der Kurbelwelle 3. Bei einem Viertaktmotor beispielsweise wird je Zylinder jeweils nur über einen kurzen Kurbelwellenwinkel °KW innerhalb zweier Umdrehungen der Kurbelwelle (720° Kurbelwellenwinkel) ein positives Drehmoment an der Kurbelwelle 3 erzeugt, über den restlichen Kurbelwellenwinkel liegt ein negatives Drehmoment bezogen auf den einzelnen Zylinder an der Kurbelwelle an. Dese systembedingte Arbeitsweise des Verbrennungsmotors 2 hat zur Folge, dass ein oszillierendes Moment von der Kurbelwelle 3 auf den Antriebsstrang 1 übertragen wird. Das oszillierende Moment erzeugt Drehschwingungen im Antriebsstrang 1. Zusätzliche, auch oszillierende, Momente können beispielsweise durch den Straßenbelag (z. B. Unebenheiten) oder den Straßenverlauf (z. B. Steigungen) über die angetriebenen Räder in den Antriebsstrang 1 übertragen werden oder können durch Resonanzerscheinungen innerhalb des Antriebsstrangs 1 selbst auftreten.
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Die Kurbelwelle 3 ist mit einer Primärseite eines Drehschwingungsdämpfers 4 verbunden. Die Sekundärseite ist mit einem Kupplungsgehäuse einer Fahrzeugkupplung 5 verbunden. Die Fahrzeugkupplung 5 dient dazu, wahlweise die Drehmomentübertragung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang ein- oder auszuschalten oder beispielsweise beim Anfahren einen Teil des Drehmomentes durch Schleifen zu übertragen und so eine wahlweise Drehmomentübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und nachgeordneten Antriebselementen zu bewirken. Das Drehmoment an der Kupplungsscheibe wird über ein elektrisches Motor/Genarator-Element 6, ein Schaltgetriebe 7 und ein Differenzialgetriebe 8 auf angetriebene Räder 9 übertragen. Die Räder 9 rollen auf einer Fahrbahn ab und wandeln das Drehmoment des Verbrennungsmotors in eine Vortriebskraft für das Kraftfahrzeug. Das Motor/Genarator-Element 6 dient dem rein elektrischen Antrieb des nachgeordneten Antriebsstranges bei ausgekuppeltem Verbrennungsmotor 2, dem Zusatzantrieb bei eingekuppeltem Verbrennungsmotor 2 und dem Aufladen von nicht dargestellten elektrischen Akkumulatoren bei eingekuppeltem Verbrennungsmotor. Das Schaltgetriebe 7 dient der wahlweisen Änderung der Untersetzung zwischen einer mit der Kupplungsscheibe verbundenen Getriebeeingangswelle und einer mit dem Differenzialgetriebe 8 verbundenen Getriebeausgangswelle. Das Differenzialgetriebe 8 dient in an sich bekannter Art und Weise der Aufteilung des Antriebsmoments beispielsweise bei Kurvenfahrt auf die Räder 9. Die Fahrzeugkupplung 5 und das Schaltgetriebe 7 werden über elektromechanische Aktoren durch ein Steuergerät gesteuert, sind also Teil eines automatisierten Schaltgetriebes (ASG). Alternativ können beide manuell betätigbar sein.
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Der Antriebsstrang 1 kann statt einer Fahrzeugkupplung 5, einem elektrischen Motor/Genarator-Element 6 und einem Schaltgetriebe 7 auch einen Getriebeautomaten oder ein stufenlos verstellbares Automatikgetriebe (CVT) umfassen. Auch diese können einen elektrischen Antrieb und einen Generator als Teil eines Hybridantriebes umfassen.
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2 zeigt ein Zweimassenschwungrad (ZMS) als Ausführungsbeispiel eines Drehschwingungsdämpfers 4. Die Rotationsachse des Drehschwingungsdämpfers 4 ist in 1 mit R bezeichnet. Im Folgenden wird unter der axialen Richtung die Richtung parallel zur Rotationsachse R verstanden, entsprechend wird unter der radialen Richtung eine Richtung senkecht zur Rotationsachse R verstanden. Die Umfangsrichtung ist eine Drehung um die Rotationsachse R.
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Der Drehschwingungsdämpfer 4 umfasst eine Primärmasse oder Primärseite 11 sowie eine Sekundärmasse oder Sekundärseite 12, die gegen die Kraft einer Federeinrichtung 10 relativ zueinander um die Rotationsachse R verdreht werden können. Die Federeinrichtung 10 umfasst zwei Bogenfedern 13. Jede Bogenfeder 13 kann koaxial angeordnete innere und äußere Federn umfassen. Die Bogenfedern 13 werden im Betrieb durch die auf diese einwirkende Fliehkraft nach außen gegen die Primärmasse 11 gedrückt. Daher sind an der radial außen gelegenen Seite Gleitschalen 14 angeordnet, welche den Verschleiß zwischen den Bogenfedern 13 und der Primärmasse 11 verringern. Die Primärmasse 11 umfasst ein motorseitiges Primärmassenblech 15 und einen kupplungsseitigen Primärmassedeckel 16. Das Primärmassenblech 15 und der Primärmassedeckel 16 schließen eine Bogenfederaufnahme 17 ein, in der die Bogenfedern 13 angeordnet sind. Die Bogenfedern 13 stützen sich mit einem Federende jeweils an der Primärmasse 11 ab, beispielsweise an hier nicht dargestellter Nasen, die in die von dem Primärmassenblech 15 und dem Primärmassendeckel 16 umschlossene Bogenfederaufnahme 17 ragen. Mit dem jeweils anderen Federende stützen sich die Bogenfedern 13 an Flanschflügeln 18 eines Sekundärflansches 19 ab. Die Flanschflügel 18 erstrecken sich radial nach außen und Fassen die Federenden der Bogenfedern 13 ein. Die Seelenachse der Bogenfedern 13, das ist eine kreisförmige Linie, die entlang der Kreismittelpunkte der Bogenfeder bei Schnitten parallel zur Rotationsachse entsteht, ein solcher Schnitt ist z. B. der gemäß 1, verläuft durch die Flanschflügel 18.
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Der Sekundärflansch 19 ist über eine Rutschkupplung 20 mit der Sekundärmasse 12 verbunden. Die Rutschkupplung 20 umfasst eine erste Reibscheibe 21 und eine zweite Reibscheibe 22, zwischen denen ein umlaufender Freiraum zur Aufnahme eines Flanschringes 23 des Sekundärflansches 19 verbleibt. Der Sekundärflansch 19 umfasst somit im Wesentlichen den Flanschring 23, von dem radial nach außen die Flanschflügel 18 abstehen. Die Flanschflügel 18 weisen einen Absatz 24 nach Art einer Kröpfung auf, wodurch die axiale Lage der Bogenfedern 13 und die axiale Lage der Rutschkupplung 20 relativ zueinander variiert werden können. Die erste Reibscheibe 21 und die zweite Reibscheibe 22 sind mittels Nieten 25 mit einem Abtriebsflansch 26 fest verbunden. Der Abtriebsflansch 26 ist mit einer Steckverzahnung 27 mit einer Welle 28 verbunden, über die das Drehmoment zu der Fahrzeugkupplung 5 oder zu anderen Drehmomentübertragungseinrichtungen im Antriebsstrang 1 übertragen werden kann. Das Primärmasseblech 15 ist mit Schrauben 29 mit der Kurbelwelle 3 des Verbrennungsmotors 2 verschraubt.
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Am Außenumfang der zweiten Reibscheibe 22 ist ein Reibring 30 angeordnet. Dieser wird über eine Tellerfeder 31, die sich an dem Primärmassendeckel 16 abstützt, gegen den Flanschring 23 des Sekundärflansches 19 gedrückt. Ein Stützring 32 dient der axialen Führung des Sekundärflansches 19 gegenüber dem Primärmassenblech 15 und dient zugleich als Reibelement diesem gegenüber.
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Die Rutschkupplung 20 rutscht bei überschreiten eines Rutschmomentes durch, wobei der Sekundärflansch 19 gegenüber der ersten Reibscheibe 21 und der zweiten Reibscheibe 22 gleitet, die Sekundärseite 12 somit gegen die Gleitreibung der Reibungseinrichtung 20 gegenüber der Primärseite verdreht wird.
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3 zeigt ein Diagramm des Verdrehwinkels φ der Sekundärseite 12 gegenüber der Primärseite 11 aufgetragen über das Motormoment M. Bei einem maximalen Drehmoment M_Motor des Verbrennungsmotors 2 beträgt der Verdrehwinkel φ = φ_Motor. Bei Drehmomentstößen, sogenannten Impacts, wird die Sekundärseite 12 weiter gegenüber der Primärseite 11 verdreht. Bis zu einem relativen Verdrehwinkel φ_theoretisch bei einem Auslegungsmoment M_theoretisch werden die Bogenfedern 13 nur so weit gespannt, wie deren Dauerfestigkeit dies zulässt. Die Feder kann also beliebig vielen Lastwechseln unterzogen werden. Bei einer weiteren Verdrehung der Sekundärseite 12 gegenüber der Primärseite 11 werden die Federn 13 bis zum Erreichen eines Verdrehwinkels φ_Anschlag bei dem Anschlagsmoment M_Anschlag in dem sogenannten High-Capacity-Bereich der Bogenfeder 13, in 3 und 5 gekennzeichnet mit HC, betrieben. Dies ist ein Bereich, in dem die Bogenfeder zeitfest ist, wobei ein Teil oder alle Windungen auf Block gehen können. In diesem Bereich kann die Bogenfeder 13 nur einer begrenzten Anzahl Lastwechseln, wenn auch einer sehr hohen, ausgesetzt werden. Bei dem Anschlagsmoment M_Anschlag sind die Bogenfedern 13 der Federeinrichtung 10 maximal gespannt und gehen auf Anschlag, die Federwindungen liegen dabei aufeinander. Bei Überschreiten des Anschlagsmomentes M_Anschlag und des Verdrehwinkels φ_Max wird das Rutschmomentes M_Rutsch der Rutschkupplung 20 erreicht, sodass diese bei weiterer Erhöhung des Motormomentes M durchrutscht.
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Das Anschlagmoment M_Anschlag ist größer als der 1,3-fache Wert des maximalen Drehmomentes M_Motor und kleiner als der 3,0-fache Wert des maximalen Drehmomentes M_Motor. Das Anschlagmoment M_Anschlag kann alternativ größer als der 1,5-fache Wert des maximalen Drehmomentes M_Motor und kleiner als der 2,8-fache Wert des maximalen Drehmomentes M_Motor. Das Anschlagmoment M_Anschlag kann alternativ auch größer als der 1,8-fache Wert des maximalen Drehmomentes M_Motor und kleiner als der 2,3-fache Wert des maximalen Drehmomentes M_Motor sein.
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Das Rutschmomentes M_Rutsch der Rutschkupplung 20 ist größer als der jeweils obere Wert des Anschlagmomentes der Federeinrichtung.
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Nur bei selten auftretenden Impacts größer als dem Anschlagsmoment M_Anschlag der Federeinrichtung 10 wird daher die Rutschkupplung 20 aktiviert.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zweimassenschwungrades als Drehschwingungsdämpfer 4 ohne Rutschkupplung 20. Der Sekundärflansch 19 ist dabei direkt mit dem Abtriebsflansch 26 verbunden.
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5 zeigt ein Diagramm des Verdrehwinkels φ der Sekundärseite 12 gegenüber der Primärseite 11 des Drehschwingungsdämpfers 4 nach 4 über dem Motormoment M, vergleichbar der Darstellung der 4. Die Auslegung entspricht der des vorherigen Ausführungsbeispiels, wobei durch Wegfall der Rutschkupplung 20 bei Überschreiten des Anschlagsmoment M_Anschlag der Federeinrichtung 10 keine weitere Relativverdrehung zwischen Sekundärseite 12 und Primärseite 11 möglich ist, die Kurve M über φ somit parallel zur M-Achse verläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Kurbelwelle
- 4
- Drehschwingungsdämpfer
- 5
- Fahrzeugkupplung
- 6
- elektrischen Zusatzantrieb
- 7
- Schaltgetriebe
- 8
- Differenzialgetriebe
- 9
- angetriebenes Rad
- 10
- Federeinrichtung
- 11
- Primärseite
- 12
- Sekundärseite
- 13
- Bogenfeder
- 14
- Gleitschale
- 15
- Primärmassenblech
- 16
- Primärmassedeckel
- 17
- Bogenfederaufnahme
- 18
- Flanschflügel
- 19
- Sekundärflansch
- 20
- Rutschkupplung
- 21
- erste Reibscheibe
- 22
- zweite Reibscheibe
- 23
- Flanschring
- 24
- Absatz
- 25
- Nieten
- 26
- Abtriebsflansch
- 27
- Steckverzahnung
- 28
- Welle
- 29
- Schraube
- 30
- Reibring
- 31
- Tellerfeder
- 32
- Stützring
