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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwellen-Anordnung mit einer verstellbaren Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller zum Verstellen der Nockenwelle.
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Eine Nockenwelle kommt üblicherweise zum Betätigen von Ventilen einer Brennkraftmaschine zum Einsatz. Zu diesem Zweck weist die Nockenwelle an einer Welle drehfest angeordnete Nocken auf, welche jeweils zugehörige Ventile entsprechend betätigen.
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Um die Variabilität der Betätigung der Ventile zu erhöhen, sind sogenannte verstellbare Nockenwellen, auch phasenverstellbare Nockenwellen genannt, beispielsweise aus der
DE 10 2015 224 012 A1 , bekannt. Eine derartige Nockenwelle weist eine Außenwelle sowie eine in der Außenwelle angeordnete Innenwelle, welche relativ zur Außenwelle drehbar ist, auf. Die jeweilige Welle ist mit zugehörigen Nocken verbunden, sodass eine relative Drehung zwischen der Innenwelle und der Außenwelle zu einer Phasenverschiebung zwischen den Nocken der Außenwelle und den Nocken der Innenwelle führt.
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Bei der Herstellung und im Betrieb derartiger verstellbarer Nockenwellen ist es wichtig, eine relative Ausrichtung der Innenwelle zur Außenwelle präzise einzuhalten, da Versätze zwischen der Innenwelle und der Außenwelle zu erhöhter Reibung und somit insbesondere zu einem erhöhten Verschleiß und/oder einer verringerten Lebensdauer führen. Zudem können derartige Versätze zu einem Verklemmen der Innenwelle an der Außenwelle führen, welches den Betrieb der Nockenwelle stört und/oder ein Verstellen der Nockenwelle blockiert.
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Zum Verstellen der Nockenwelle, d. h. zur relativen Drehbewegung zwischen der Innenwelle und der Außenwelle, kommen gewöhnlich Nockenwellenversteller zum Einsatz, welche mit einem Stator drehfest mit der Außenwelle und mit einem Rotor drehfest mit der Innenwelle verbunden sind.
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Eine solche Nockenwellen-Anordnung mit einer verstellbaren Nockenwelle und einem zugehörigen Nockenwellenversteller ist aus der
DE 10 2014 206 291 A1 bekannt. In der
DE 10 2014 206 291 A1 wird vorgeschlagen, den Rotor des Nockenwellenverstellers über eine Oldham-Kupplung mit der Innenwelle zu verbinden, um Versätze zwischen der Innenwelle und der Außenwelle in axialer und angularer Richtung auszugleichen. Hierbei ist an der Innenwelle eine Kontur oder Form und an einem Zwischenstück, das mit dem Rotor drehfest verbunden ist, eine Gegenform oder Gegenkontur zur Ausbildung der Oldham-Kupplung vorgesehen. Zudem dringt eine Hülse zur Versorgung der Nockenwellen-Anordnung mit einem Fluid zur gleichzeitigen Ansteuerung und Schmierung axial durch das Zwischenstück hindurch und in die Innenwelle hinein.
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Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellen-Anordnungen sind der weiterhin mangelnde Ausgleich von Versätzen zwischen der Innenwelle und der Außenwelle sowie eine unzureichende Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems. An der Nockenwelle treten wechselnde Nockenmomente auf. Ein vorhandenes Spiel wird bei einer Umdrehung der Nockenwelle mehrfach komplett durchfahren. Eine Reduzierung der Dauerfestigkeit und eine mögliche Vergrößerung des Spiels ist die Folge.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für eine Nockenwellen-Anordnung der vorstehend genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau und/oder einen verbesserten Ausgleich von Versätzen und/oder einer verbesserten Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Nockenwellen-Anordnung mit einer verstellbaren Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller zum Verstellen der Nockenwelle ein Kupplungselement in der Art einer Oldham-Kupplung zwischen einem Rotor des Nockenwellenverstellers und einer Innenwelle der Nockenwelle zu realisieren, welches einerseits einen Ausgleich von Versätzen zwischen den Wellen und zugleich die Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems ermöglicht. Ein derart verbessertes Kupplungselement erlaubt einen verbesserten Ausgleich von Versätzen zwischen der Innenwelle und der Außenwelle der Nockenwelle, insbesondere von Versätzen in axialer Richtung und/oder angularen Versätzen, d. h. Versätzen in Umfangsrichtung sowie eine Verbesserung der Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Nockenwellen-Anordnung die verstellbare Nockenwelle sowie den Nockenwellenversteller auf. Die Nockenwelle weist eine Außenwelle und eine in der Außenwelle drehbar angeordnete Innenwelle auf, wobei die Außenwelle und die Innenwelle jeweils mit wenigstens einem zugehörigen Nocken drehfest verbunden sind. Der Nockenwellenversteller weist einen Stator sowie den Rotor auf. Hierbei ist der Stator drehfest mit der Außenwelle verbunden. Der Rotor ist drehfest mit der Innenwelle verbunden. Dabei ist der Rotor über das Kupplungselement mittelbar oder unmittelbar mit der Innenwelle verbunden, so dass eine Drehung des Rotors relativ zum Stator zu einer relativen Drehung der Innenwelle zur Außenwelle führt.
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Erfindungsgemäß ist das Kupplungselement zum Ausgleich von Versätzen selbstregulierend ausgebildet und weist hierzu Mittel in Form von Federelementen auf. Damit kann die Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems verbessert werden, ohne Einbußen hinsichtlich der Ausgleichsfunktion in Kauf nehmen zu müssen.
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Versätze entstehen aufgrund von Fertigungstoleranzen und möglicherweise während der Montage. Ebenso können Versätze entstehen aufgrund von Verschleiß, welcher durch Reibung von in Kontakt stehenden Bauteilen entsteht.
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Das bedeutet, dass mit Hilfe des selbstregulierenden Kupplungselements ein bspw. aufgrund von Fertigungstoleranzen vorhandenes und/oder ein sich während des Betriebes aufgrund von bspw. Verschleiß einstellendes Spiel zwischen zwei Bauteilen durch das Kupplungselement eliminiert wird. Das heißt mit anderen Worten, dass das Kupplungselement auf ein vorhandenes Spiel reagiert, wodurch es selbstregulierend eine Spielkompensation, bzw. die Spielelimination herbeiführt. Oder mit weiter anderen Worten weisen die einander zugewandten Bauteile ein Spiel auf, welches jedoch aufgrund des Kupplungselementes eliminiert wird und somit effektiv nicht vorliegt. Somit ist das Kupplungselement selbstregulierend ausgebildet.
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Die Mittel in Form von Federelementen können erfindungsgemäß ein oder mehrere Federelemente umfassen.
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Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sich insbesondere auf eine Achse der Außenwelle. Die Axialrichtung entspricht also insbesondere der Drehachse der Außenwelle. Die Angularrichtung entspricht dementsprechend der die Axialrichtung umgebenden Umfangsrichtung. Die Lateralrichtung entspricht dementsprechend einer senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Radialrichtung. Dementsprechend sind Axialversätze der Innenwelle zur Außenwelle relative Verschiebungen der Innenwelle zur Außenwelle in Axialrichtung, Angularversätze relative Bewegungen der Innenwelle zur Außenwelle in Umfangsrichtung und Lateralversätze relative Bewegungen der Innenwelle zur Außenwelle in Radialrichtung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Figurenliste
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- 1 eine isometrische Ansicht einer bekannten Nockenwellen-Anordnung,
- 2 eine isometrische Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kupplungselements einer erfindungsgemäßen Nockenwellen-Anordnung,
- 3 eine Seitenansicht des Kupplungselements gemäß 2,
- 4 eine Vorderansicht des Kupplungselements gemäß 2,
- 5 einen Längsschnitt des Kupplungselements gemäß 2,
- 6 eine teilweise geschnittene, isometrische Ansicht des Kupplungselements gemäß 2,
- 7 eine isometrische Explosionsdarstellung einer Kreuzscheibe eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Nockenwellen-Anordn u ng,
- 8 eine Seitenansicht der Kreuzscheibe gemäß 7,
- 9 eine Vorderansicht der Kreuzscheibe gemäß 7,
- 10 einen ersten Längsschnitt der Kreuzscheibe gemäß 7,
- 11 einen zweiten Längsschnitt der Kreuzscheibe gemäß 7,
- 12 eine isometrische Ansicht der Kreuzscheibe gemäß 7,
- 13 eine teilweise geschnittene, isometrische Ansicht der Kreuzscheibe gemäß 7,
- 14 eine isometrische Explosionsdarstellung einer Kreuzscheibe eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Nockenwellen-Anordnung,
- 15 eine Seitenansicht der Kreuzscheibe gemäß 14,
- 16 eine Vorderansicht der Kreuzscheibe gemäß 14,
- 17 einen Längsschnitt der Kreuzscheibe gemäß 14,
- 18 eine teilweise geschnittene, isometrische Ansicht der Kreuzscheibe gemäß 14,
- 19 eine isometrische Explosionsdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Kupplungselements einer erfindungsgemäßen Nockenwellen-Anordnung,
- 20 einen vergrößerten Ausschnitt des Kupplungselements gemäß 19,
- 21 eine Seitenansicht des Kupplungselements gemäß 19,
- 22 eine Vorderansicht des Kupplungselements gemäß 19,
- 23 einen ersten Längsschnitt des Kupplungselements gemäß 19,
- 24 einen zweiten Längsschnitt des Kupplungselements gemäß 19 und
- 25 eine teilweise geschnittene, isometrische Ansicht des Kupplungselements gemäß 19.
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Eine bekannte Nockenwellen-Anordnung 1, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist, dient in einem im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschinensystem der Betätigung von nicht gezeigten Ventilen einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine. Die Nockenwellen-Anordnung 1 weist eine verstellbare Nockenwelle 3 mit einer hohlen Außenwelle 4 und einer nicht gezeigten Innenwelle 5 auf, die in der Außenwelle 4 drehbar angeordnet ist. Die Außenwelle 4 ist um eine Drehachse 6 drehbar, die einer Axialrichtung 7 entspricht. Bei einer optimalen Anordnung sind die Innenwelle 5 und die Außenwelle 4 koaxial angeordnet, d. h., dass die Innenwelle 5 und die Außenwelle 4 die gleiche Drehachse 6 besitzen. An der Außenwelle 4 ist zumindest ein zugehöriger, nicht gezeigter Nocken drehfest angebracht, mit dem ein Ventil der Brennkraftmaschine betätigt werden kann. Zudem ist an der Innenwelle 5 ein zugehöriger Nocken 8 drehfest angebracht, mit dem ein Ventil der Brennkraftmaschine betätigt werden kann. Die Nockenwellen-Anordnung 1 der 1 kann ferner ein Antriebsrad 9 aufweisen, das drehfest mit der Außenwelle 4 verbunden ist und somit die Außenwelle 4 dreht. Zum relativen Drehen der Innenwelle 5 zur Außenwelle 4 und somit zum Verstellen der Nockenwelle 3 weist die Nockenwellen-Anordnung 1 einen Nockenwellenversteller 10 auf, welcher einen drehfest mit der Außenwelle 4 verbundenen Stator 11 sowie einen drehfest mit der Innenwelle 5 verbundenen Rotor 12 auf, der relativ zum Stator 11 drehbar ist, wobei dies über eine entsprechende Drehung des Rotors 12 zum Stator 11 erfolgt. Der Stator 11 kann über Schraubverbindungen mit dem Antriebsrad 9 drehfest verbunden sein.
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Der Rotor 12 ist axial stirnseitig des Antriebsrads 9 angeordnet.
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Wie 1 entnommen werden kann, weist die Nockenwellen-Anordnung 1, nachfolgend auch kurz Anordnung 1 genannt, eine Buchse 2 auf, welche der Versorgung der Anordnung 1 mit einem Hydraulikfluid dient.
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Der Rotor 12 ist über die Buchse 2 drehfest mit der Innenwelle 5 verbunden. Dabei ist die Buchse 2 axial zwischen dem Rotor 12 und der Innenwelle 5 angeordnet. Zur drehfesten Verbindung des Rotors 12 mit der Innenwelle 5 weist die Buchse 2 auf ihrer axial der Innenwelle 5 zugewandten Stirnseite 13 eine Form 14 auf, die mit einer Gegenform 15 an der Innenwelle 5 eine Formschlussverbindung in der Art einer Oldham-Kupplung bildet. Zu diesem Zweck ist ein die Gegenform 15 aufweisendes Kupplungselement 16 drehfest an der Innenwelle 5 angebracht und axial zwischen der Stirnseite 13 der Buchse 2 und der Innenwelle 5 angeordnet. Das Kupplungselement 16 erlaubt einen für die einwandfreie Funktion notwendigen axialen und angularen Ausgleich von Versätzen zwischen Außen- und Innenwelle 4, 5.
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Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellen-Anordnungen sind der weiterhin mangelnde Ausgleich von Versätzen zwischen der Innenwelle und der Außenwelle sowie insbesondere eine unzureichende Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems.
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Die vorliegende Erfindung und die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beruhen auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Nockenwellen-Anordnung mit einer verstellbaren Nockenwelle 3 und einem Nockenwellenversteller zum Verstellen der Nockenwelle 3 ein verbessertes Kupplungselement 16 in der Art einer Oldham-Kupplung zwischen einem Rotor 12 des Nockenwellenverstellers 10 und der Innenwelle 5 der Nockenwelle 3 zu realisieren, welches einerseits einen Ausgleich von Versätzen zwischen den Wellen 4, 5 ermöglicht. Ein derart verbessertes Kupplungselement 16 erlaubt eine Verbesserung der Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems, da das Winkelspiel durch die Vorspannung der Kupplung eliminiert wird.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend ist das Kupplungselement 16 selbstregulierend ausgebildet und weist zur Selbstregulierung ein oder mehrere Federelemente auf. D.h. je nach Ausführungsform können die Mittel in Form von Federelementen ein oder mehrere Federelemente umfassen. Damit kann die Regelgüte des Nockenwellenverstellsystems verbessert werden, ohne Einbußen hinsichtlich der Ausgleichsfunktion in Kauf nehmen zu müssen.
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Den 2 bis 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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2 zeigt in isometrischer Explosionsdarstellung das Kupplungselement 16 einer erfindungsgemäßen Ausführung einer Nockenwellen-Anordnung 1. Das Kupplungselement 16 weist wenigstens eine antriebsseitige und eine abtriebsseitige Kupplungsnabe 17, 18 und eine zwischen den Kupplungsnaben 17, 18 angeordnete Kreuzscheibe 19 auf. Die antriebsseitige Kupplungsnabe 17 kann dabei grundsätzlich wie dargestellt als separates Bauteil, als mit dem Rotor 12 verbundene Ölführungsbuchse (beispielhaft in 1 gezeigt) oder einteilig mit dem Rotor 12 ausgebildet vorgesehen sein.
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Um die Flächen der beiden Kupplungsnaben 17, 18 stets in Anlage mit der Kreuzscheibe 19 zu halten und dadurch ein Spiel zwischen den Bauteilen 17, 18, 19 jederzeit auszuschließen, auch wenn es sich im Betrieb einstellt (z.B. durch Verschleiß), weist das Kupplungselement 19 eine innenliegende Feder 20 auf. Die Feder 20 ist als Drehstabfeder ausgebildet und ist nach der Montage zwischen den beiden Kupplungsnaben 17, 18 mit einem definierten Drehmoment vorgespannt. Wenn das Vorspannungsmoment stets größer ist, als das zu übertragende Drehmoment, kann ein Spiel sicher verhindert werden.
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Zur formschlüssigen Verbindung mit den Kupplungsnaben 17, 18 weist die Feder an ihren Enden eine mehrkantige Außenform 21 auf. Die Kupplungsnaben 17, 18 weisen eine entsprechende mehrkantige Innenform 22 auf. Selbstredend sind auch abweichende Formen im Rahmen der Erfindung denkbar, die einen Formschluss ermöglichen.
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Als nicht gezeigte Ausführungsform ist eine außenliegende Feder oder ein Federblech zur Drehmomentvorspannung zwischen den Kupplungsnaben 17, 18 denkbar.
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Den 7 bis 18 sind zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung zu entnehmen. Diesen Ausführungsformen unterscheiden sich zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel darin, dass eine zwischen den Kupplungsnaben 17, 18 vorgesehene Kreuzscheibe 30 mehrteilig ausgebildet ist. Die Kreuzscheibe 30 weist dabei antriebs- und abtriebsseitig jeweils zwei Kreuzscheibenelemente 31 auf, wobei die jeweils zwei Kreuzscheibenelemente 31 mittels Konuselementen 33, 34 aufspreizbar ausgebildet sind.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 7 bis 13 weist dabei zwei Konuselemente 33 auf, welche auf der Außenseite jeweils einen axial nach innen steigenden Konus 32 aufweisen. Eine Feder 35 als Federmittel ist zwischen den beiden Konuselementen 33 angeordnet und ist jeweils mit einem Ende in einer Ausnehmung 48 des Konuselements 33 positioniert. Die Aufnahme der Feder 35 in den Ausnehmungen 48 dient einer gesicherten Aufnahme der Feder sowie einer Reduzierung des erforderlichen Bauraumes. Die Feder 35 spannt die Konuselemente 33 in axialer Richtung vor, d.h. drückt die beiden Elemente 33 auseinander, so dass die Kreuzscheibenelemente 31 in Lateral- und Axialrichtung aufgespreitzt werden und damit das Spiel zwischen den Bauteilen 17, 18, 30 auch im Betrieb eliminiert wird. Das heißt mit anderen Worten, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Aufspreizung der Kreuzscheibenelemente 31 in Folge einer axialen Bewegung der Konuselemente 33, welche aufgrund eines Spiels möglich ist, herbeigeführt wird. Die Winkel der Konusse 32 werden dabei so gewählt, dass eine Selbsthemmung zwischen Konuselement 33 und Kreuzscheibenelement 31 auftritt.
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Mehrere Nadelrollen 36 sind die Kreuzscheibe 30 axial durchgreifend vorgesehen, über welche die Drehmomentübertragung von einem auf das gegenüberliegende Kreuzschieberelementenpaar 31 erfolgt. Die Nadelrollen 36 sind in Ausnehmungen der Kreuzschieberelemente 31 angeordnet und werden durch O-Ringe 37 verliersicher gehalten.
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Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß den 7 bis 13 weist das Ausführungsbeispiel gemäß den 14 bis 18 ein Konuselement 34 auf, welches auf der Außenseite zwei axial nach außen steigenden Konusse 39 aufweist. Als weiterer Unterschied werden die Kreuzscheibenelemente 31 mittels einer Feder 38, welche an Innenflächen der Kreuzscheibenelemente 31 anliegt, in axialer Richtung vorgespannt, so dass die Kreuzscheibenelemente 31 in Lateral- und Axialrichtung aufgespreitzt werden und damit das Spiel zwischen den Bauteilen 17, 18, 30 auch im Betrieb eliminiert wird. Das heißt mit anderen Worten, dass in diesem Ausführungsbeispiel nicht das Konuselement 34 zur Herbeiführung des Spielausgleichs bewegt wird, sondern die beiden Kreuzscheibenelemente 31 aufgrund der Vorspannung der Feder 38 in axialer Richtung verschoben werden, wobei die Aufspreizung in radialer Richtung mit Hilfe der sich nach außen steigenden Konusse 39 erfolgt.
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In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kreuzscheibenelementes 31 zur gesicherten Aufnahme der Feder 38 die Ausnehmung 48 in Form einer ringförmigen Halbnut auf.
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Als viertes Ausführungsbeispiel eines Kupplungselements 16 zeigen die 19 bis 25 ebenfalls eine zwischen Kupplungsnaben 17, 18 angeordnete Kreuzscheibe 40. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungen weisen die zwei um 90° versetzte Federelemente 41, 42 der Kreuzscheibe 40 Schlitze 43, 44 auf, wodurch die Federelemente 41, 42 elastisch verformbar sind.
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Diese Federelemente 41, 42 weisen im unmontierten Zustand ein gewisses Übermaß auf, so dass diese nach der Montage in den jeweiligen Nuten 45, 46 der Kupplungsnaben ohne jegliches Spiel anliegen.
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Die beiden Federelemente 41, 42 weisen zur Steigerung ihrer Elastizität und zur Erhöhung einer Wechselfestigkeit bzw. zur Vermeidung der Kerbwirkung an ihren einem Scheibenelement 49 der Kreuzscheibe 40 zugewandt ausgebildeten Enden 50 an ihren Federelementteilen 51 beidseitig einen Radius 52 auf. Der Radius 52 kann beispielsweise durch eine durchgängige Bohrung gebildet sein.
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Aus 20, welche einen vergrößerten Ausschnitt der Kreuzscheibe 40 zeigt, ist ersichtlich, dass die Federelemente 41, 42 an den Außenseiten ihrer Federflanken eine Formkontur 47 aufweisen, welche eine gleichmäßigere Flächenpressen erlaubt und Kantenträger vermeidet. Diese Formkontur 47 kann auch bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015224012 A1 [0003]
- DE 102014206291 A1 [0006]
