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Die Erfindung betrifft ein Nutmuster für Reiblamellen mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Nuten bzw. Nutmuster - im Rahmen dieser Schrift auch als Padgeometrie bezeichnet - dienen zur Kühlung der Lamellen durch Ölstrom auch bei geschlossenen Schaltelementen. Sie zerschneiden den Ölfilm und stabilisieren dadurch den Reibwert. Dadurch wird das gewünschte Reibverhalten bei der Schaltung geschaffen. Das Leerlaufverhalten wird verbessert und das Schleppmoment reduziert.
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Der Einsatzbereich der Erfindung:
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Nasslaufende Lamellenkupplungen und -bremsen finden breite Anwendung in konventionellen lastschaltbaren Getrieben, in neuartigen Hybridmodulen in hochbeanspruchten Antriebssträngen oder in schaltbaren E-Achsen, und stellen dabei leistungsfähige, hoch beanspruchte Bauteile dar. Die Forderungen nach geringerem CO2-Ausstoß und Verbesserung des Wirkungsgrades von Antriebssträngen in Kraftfahrzeuganwendungen sind von großer Bedeutung. Neben der Reduzierung von lastunabhängigen Verlusten bei Schaltelementen sind die thermische Belastung und die ausreichende Kühlung zu beachten. Im Spannungsfeld von Reibcharakteristik, Wärmehaushalt und Effizienz nimmt das Nutmuster der Reiblamelle eine zentrale Rolle ein. (vgl. 1)
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WO 2016/ 180 540 A1 offenbart ringförmige nasslaufende Reibbeläge mit einem ersten Nutensatz aus geradlinig verlaufenden Nuten die den Innenumfang und den Außenumfang verbinden aber nicht radial verlaufen und sich nicht schneiden.
US 6 293 382 B1 weist einen zusätzlichen zweiten Nutensatz auf, wobei jede Nut dieses zweiten Nutensatzes jeweils zwei benachbarte Nuten des ersten Nutensatzes verbindet.
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Der Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde, bei Reiblamellen durch ein geeignetes Nutmuster die Schleppverluste zu minimieren (vgl. 2) und die Kühlleistung zu optimieren (vgl. 4).
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Die Aufgabe wird durch ein Nutmuster mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Nutmuster für Reiblamellen sieht also vor, dass das Nutmuster mittels Reibbelagpads gebildet wird und die Reibbelagpads eine rautenförmige Gestalt aufweisen wobei jedes Reibbelagpad eine geprägte Nut aufweist.
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Auf diese Weise wird das Schleppmoment weiter reduziert.
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Die rautenförmigen Reibbelagpads sind an einer Trägerlamelle, zum Beispiel einem Trägerblech, befestigt. Die Trägerlamelle hat im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisringscheibe. Radial innen oder radial außen ist an der Trägerlamelle eine Verzahnung vorgesehen, die zur Darstellung einer drehfesten Verbindung mit einem Lamellenträger dient. Radial innen und radial außen verbleibt vorteilhaft ein Rand an der Trägerlamelle frei von Reibbelagpads. So wird ein Ausgleich von Toleranzen in der Größe und/oder Gestalt der Reibbelagpads beim Befestigen an der Trägerlamelle ermöglicht. Darüber hinaus sind die Reibbelagpads in Umfangsrichtung vorteilhaft gleichmäßig voneinander beabstandet. Durch die Abstände zwischen den Reibbelagpads in Umfangsrichtung voneinander ergeben sich Nuten zwischen den Reibbelagpads. Diese Nuten werden im Folgenden als Padnuten bezeichnet. Die Padnuten erstrecken sich aufgrund der rautenförmigen Gestalt der Reibbelagpads schräg zu einer radialen Richtung. In Abhängigkeit von einer Drehrichtung, in welcher die Reiblamellen verdreht werden, wobei sich die Stahllamellen schneller als die Reiblamellen drehen, ergibt sich entweder ein Sperreffekt oder ein Pumpeffekt. Beide Effekte werden im Folgenden in der Figurenbeschreibung ausführlich beschrieben. Durch die geprägten Nuten in den Reibbelagpads kann der Ölfluss von radial innen nach radial außen zwischen den Stahllamellen und den Reiblamellen, insbesondere im Hinblick auf eine Kühlleistung, optimiert werden. Besonders vorteilhaft kann die sich aus dem Sperreffekt ergebende Sperrwirkung durch das Zusammenspiel zwischen den Padnuten und den geprägten Nuten in Kombination mit den rautenförmigen Reibbelagpads höchst effektiv variiert werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Nutmusters ist dadurch gekennzeichnet, dass Pad-Innenwinkel in Pad-Ecken ein Gradmaß zwischen vierzig und einhundertfünfundvierzig Grad aufweisen. In jeder Pad-Ecke ist ein Pad-Innenwinkel eingeschlossen. Aufgrund der rautenförmigen Gestalt der Reibbelagpads umfasst jedes Reibbelagpad zwei gegenüberliegende Innenwinkel, die größer als neunzig Grad sind, und zwei weitere gegenüberliegende Innenwinkel, die kleiner als neunzig Grad sind. Darauf bezieht sich der angegebene Größenbereich. Zwei der Innenwinkel haben vorzugsweise zwischen vierzig und fünfzig Grad. Die zwei anderen Innenwinkel haben vorzugsweise zwischen einhundertfünfundzwanzig und einhundertfünfundvierzig Grad.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Nutmusters ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Pad-Ecken entlang ihrer Umfangskontur verrundet sind. Das hat sich im Hinblick auf die Umströmung der Reibbelagpads als vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Nutmusters ist dadurch gekennzeichnet, dass Rundungsradien in den Pad-Ecken größer als oder gleich ein Millimeter sind. Das hat sich im Hinblick auf die Umströmung der Reibbelagpads als ausreichend erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Nutmusters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbelagpads Breiten und Höhen haben, die ein Breiten zu Höhen Verhältnis aufweisen, das für jedes Reibbelagpad kleiner als zwei ist. Das Breiten zu Höhen Verhältnis der Reibbelagpads liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 1,7. Dieses Breiten zu Höhen Verhältnis gilt vorteilhaft für beide Drehrichtungen, in denen die Reiblamellen verdreht werden können.
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Erfindungsgemäß ist das Nutmuster dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Reibbelagpads jeweils eine Padnut mit einer Nutbreite angeordnet ist, die kleiner als eine Nutbreite der geprägten Nuten in den Reibbelagpads ist. Die Breite der Padnuten wird durch den Abstand der rautenförmigen Reibbelagpads relativ zueinander definiert. Die kleinere Nutbreite der Padnuten ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil die Padnuten vorzugsweise eine größere Nuttiefe als die geprägten Nuten aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist das Nutmuster dadurch gekennzeichnet, dass ein Verzweigungswinkel zwischen den Padnuten und den geprägten Nuten zwischen neunzig und einhundert Grad beträgt. Ein besonders bevorzugter Verzweigungswinkel zwischen den Padnuten und den geprägten Nuten beträgt 90, 4 Grad. Durch den angegebenen Winkelbereich ergibt sich, dass die geprägten Nuten im Wesentlichen quer zu den Padnuten verlaufen. Das hat sich im Hinblick auf eine gewünschte Beeinflussung des Ölflusses in dem beanspruchten Nutmuster als sehr effektiv erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Nutmusters ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Prägetiefe der geprägten Nuten maximal fünfzig Prozent einer Dicke der Reibbelagpads entspricht. Das hat sich im Hinblick auf die Fertigung und Befestigung der Reibbelagpads als vorteilhaft erwiesen.
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Erfindungsgemäß ist das Nutmuster dadurch gekennzeichnet, dass alle Reibbelagpads die gleiche Gestalt und Größe aufweisen. Auch das hat sich im Hinblick auf die Herstellung und Montage der Reibbelagpads als vorteilhaft erwiesen. Der Begriff gleiche Gestalt und Größe umfasst Fertigungstoleranzen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Reibbelagpad für ein vorab beschriebenes Nutmuster. Die Reibbelagpads sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibung.
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Es zeigen im Einzelnen:
- 1 Zusammenhänge: Lufteinzug und Schleppmoment
- 2 Aufgabe und Verbesserungen
- 3 Förderwirkung und Sperrwirkung
- 4 Kühlleistung
- 5 erfindungsgemäßes Nutdesign
- 6 Dimensionierung des erfindungsgemäßen Nutdesigns
- 7 Dimensionierung des erfindungsgemäßen Nutdesigns
- 8 Dimensionierung des erfindungsgemäßen Nutdesigns
- 9 Ein Pad des erfindungsgemäßen Nutdesigns
- • Winkel (1) in 6 sind zwischen 40 und 145 Grad (Details siehe 9)
- • Pad-Außenkanten entlang des Umfangs verrundet, bevorzugt >= 1 mm (vgl. 7 (2))
- • zweireihiges Design bei Berücksichtigung der mittigen Prägung ergibt nahezu identische Padflächen in Dreiecksform für Innenreihe und Außenreihe, Grundgeometrie ohne Berücksichtigung der Prägung: Pad als Raute ausgeführt
- • Breiten- (3) zu Höhen- (4) -Verhältnis des Pads unter 2 (vorzugsweise von 1,5 bis 1,7) (vgl. 7)
- • Breite der Prägung (5) > Breite der Nut (6) (vgl. 8)
- • Verhältnis Nutwinkel zu Prägewinkel (7) zwischen 90 und 100 Grad, vorzugsweise 90,4 Grad (vgl. 8)
- - Optimierung der Fertigungsqualität durch optimierte Padgeometrie.
- - Verbesserung der Faserigkeit und der Kantenqualität und dadurch Reduzierung der Schleppmomente im geöffneten Zustand des Reibsystems, z.B. durch eine Nutprägung.
- - Robustes Verschleißverhalten der Padkanten und Padecken über Lebenszeit. Erhaltung der Kantengeometrie (geringe Verrundung (1)) führt zu einem robusten, gleichbleibenden hydrodynamischen Verhalten (Schmierkeil) und somit zu einer stabilen Reibcharakteristik. Applikationsaufwand der Regelung wird reduziert.
- - schnelle Abfuhr des Ölfilmes durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der der Verzweigungswinkel (7) zwischen 90° und 100°, vorzugsweise 90,4°, beträgt.
- - Durch die Winkellage der Nuten kann je nach relativer Drehrichtung der Stahllamelle gegenüber der Reiblamelle eine Förderwirkung (3 A) oder Sperrwirkung (3 B) des Öls erzielt werden (Richtungsabhängigkeit). Je nach relativer Drehrichtung zwischen Reiblamelle und Stahllamelle kann so die Kühlleistung (vgl. 4) anwendungsabhängig variiert werden. Durch die Padprägung (5 „Geprägte Nut“) kann dieser Einfluss beliebig gestaltet (vgl. 8: Prägetiefe, Breite (5), Winkel (7)) und für die jeweilige Anwendung optimiert werden.
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In 1 sind drei kartesische Koordinatendiagramme übereinander dargestellt. Auf einer x-Achse 20 ist jeweils eine Drehzahl im Betrieb der nasslaufenden Lamellenkupplung 1 mit dem Reibteil 15 in einer geeigneten Einheit aufgetragen. Auf einer y-Achse 21 ist ein Volumenstrom in einer geeigneten Einheit aufgetragen. Auf einer y-Achse 22 ist ein Spaltfüllungsgrad in einer geeigneten Einheit aufgetragen. Auf einer y-Achse 23 ist ein Schleppmoment in einer geeigneten Einheit aufgetragen.
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In 1 ist veranschaulicht, wie durch einen geförderten Volumenstrom 24 ein Lufteinzug 26 erfolgt, wenn dieser den zugeführten Volumenstrom 25 übersteigt. Ab dieser Grenze sinkt der Spaltfüllungsgrad 26 und der Schmierspalt zwischen den Lamellen enthält Luft. Ab dieser Grenze enthält ein zugeführter Volumenstrom 25 Luft. In 2 unten sieht man, dass der Lufteinzug 26 bei einem maximalen Schleppmoment 27 auftritt.
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In 2 ist gezeigt, wie mit dem beanspruchten Reibteil 15 eine Verschiebung des Lufteinzugs 28 zu einer niedrigen Drehzahl in einem Schleppmomentverlauf 30 erreicht wird. Durch das in 3 dargestellte Nutmuster kann die Förderwirkung des Kühl- und/oder Schmiermediums verbessert werden.
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3 umfasst die 3A und 3B. In den 3A und 3B ist ein erfindungsgemäßes Nutmuster 10 dargestellt, das auch als Nutdesign bezeichnet wird. Das Nutmuster 10 umfasst Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16, die auf einer Trägerlamelle 18 angeordnet sind. Die Trägerlamelle 18 mit den Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis16 wird als Reiblamelle 19 bezeichnet.
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Die Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16 haben alle eine rautenförmige Gestalt mit abgerundeten Ecken. In Umfangsrichtung sind die Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16 so voneinander beabstandet, dass zwischen zwei benachbarten Reibbelagpads 12, 13; 14, 15 jeweils eine Padnut 8 entsteht. Die Padnut 8 wird in der Tiefe von der Trägerlamelle 18 begrenzt. Die Padnuten 8 erstrecken sich schräg zu einer radialen Richtung.
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Darüber hinaus umfasst jedes der Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16 eine geprägte Nut 9. Die geprägten Nuten 9 erstrecken sich quer zu den Padnuten 8. Darüber hinaus haben die Padnuten 8 eine größere Nuttiefe als die geprägten Nuten 9. Die Nuttiefe der geprägten Nut 9 beträgt maximal fünfzig Prozent der Dicke der Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16. Die Nuttiefe der Padnuten 8 entspricht der Dicke der Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16.
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In einer Lamellenkupplung werden mehrere Reiblamellen 19 mit Stahllamellen in einem Lamellenpaket angeordnet. In den 3A und 3B sind durch Pfeile 60; 70 Drehrichtungen im Betrieb der Reiblamellen 19 angedeutet. Dabei gilt die Bedingung, dass sich eine zugeordnete Stahllamelle schneller dreht als die jeweils zugeordnete Reiblamelle 19. Durch Pfeile 61 bis 64; 71 bis 74 sind im Betrieb wirkende Kräfte angedeutet, die sich aus einem Ölfluss zwischen der Reiblamelle 19 und der Stahllamelle von radial innen nach radial außen ergeben.
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Der Pfeil 61; 71 veranschaulicht eine Zentrifugalkraft. Der Pfeil 62; 72 veranschaulicht eine Strömung durch die Padnut 8, welche durch die rautenförmige Gestalt der Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16, in Abhängigkeit von Pad-Innenwinkeln und von der Drehrichtung 60; 70, eine Kraft bewirkt, die durch den Pfeil 62; 72 angedeutet ist.
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Durch einen Pfeil 63; 73 ist in den 3A und 3B eine Kraft angedeutet, die durch die Relativbewegung zwischen der Stahllamelle und der Reiblamellen 19 bewirkt wird.
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Durch einen Pfeil 64; 74 ist die aus den Kräften 61 bis 63; 71 bis 73 resultierende Kraft angedeutet.
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3A veranschaulicht einen Sperreffekt, der sich durch die Reibbelagpads 11 bis 13 ergibt, wenn sich die Reiblamelle 19 weniger schnell als die zugeordnete Stahllamelle in der Drehrichtung 60 dreht. 3B veranschaulicht einen Pumpeffekt, der sich durch die Reibbelagpads 14 bis 16 ergibt, wenn sich die Reiblamelle 19 in der Drehrichtung 70 weniger schnell als die zugeordnete Stahllamelle dreht.
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In 4 ist ein Balkendiagramm mit einer y-Achse 40 und mit Balken 41 bis 44 gezeigt. Auf der y-Achse 40 ist eine Kühlleistung in Kilowatt aufgetragen. Die Balken 41 bis 44 stellen Kühlleistungen für unterschiedlich große Volumenströme dar, die mit den Nutmustern 10 der 3A und 3B realisiert werden können.
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Die Balken 41 und 42 veranschaulichen einen relativ niedrigen Volumenstrom des Öls. Die Balken 43, 44 veranschaulichen einen eher hohen Volumenstrom des Öls. Dabei sind die Balken 41, 43 in 3A dem Pumpeffekt zugeordnet. Die Balken 42, 44 sind in 3B dem Sperreffekt zugeordnet.
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Durch den Pumpeffekt ergibt sich sowohl bei einem niedrigen Volumenstrom als auch bei einem hohen Volumenstrom die größere Kühlleistung. Allerdings variiert die Kühlleistung, wie man in 4 sieht, bei einem hohen Volumenstrom nicht so stark wie bei einem niedrigen Volumenstrom. Der Sperreffekt kann anwendungsabhängig über die Ausführung der Prägenut, beziehungsweise den Querschnitt, das heißt Breite und Tiefe der geprägten Nut, abgemildert beziehungsweise variiert werden. Je größer der Querschnitt, desto mehr Öl kann über die geprägte Nut abfließen.
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In 5 ist gezeigt, dass die Reibbelagpads 11 bis 13 an ihrem Pad-Ecken 31 bis 34 verrundet sind. In 7 sind Rundungsradien mit 2 bezeichnet, die im Wesentlichen in allen Pad-Ecken 31 bis 34 gleich sind. Die Rundungsradien 2 sind vorteilhaft größer als oder gleich ein Millimeter.
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In 6 sind Pad-Innenwinkel 1 an dem Reibbelag 12 durch Doppelpfeile angedeutet. Die Pad-Innenwinkel 1 betragen zwischen 40 und einhundertfünfundvierzig Grad.
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Durch die mittige Anordnung der geprägten Nut 9 in dem Reibbelagpad 12 ergibt sich ein zweireihiges Nutdesign mit identischen Padflächen radial innen und radial außen. Die identischen Padflächen haben aufgrund der rautenförmigen Gestalt des Reibbelagpads 12 jeweils eine Dreiecksform.
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In 7 ist durch einen Doppelpfeil 3 eine Breite des Reibbelagpads 12 angedeutet. Durch einen Doppelpfeil 4 ist eine Höhe des Reibbelagpads 12 angedeutet. Ein Verhältnis der Breite 3 zu der Höhe 4 ist vorzugsweise für alle Reibbelagpads kleiner als zwei. Das Verhältnis zwischen Breite 3 und Höhe 4 beträgt vorteilhaft für alle Reibbelagpads 11 bis 13; 14 bis 16 des Nutmusters 10 vorzugsweise zwischen 1,5 und 1,7.
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In den 6 und 7 sind an dem Reibbelagpad 12 Hilfslinien zur Bemaßung eingezeichnet. Zwischen den Hilfslinien und dem Reibbelagpad 12 sind teilweise Abstände vorhanden. Diese Abstände sollen Toleranzen veranschaulichen, die herstellungsbedingt an dem Reibbelagpad 12 vorhanden sein können.
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In 8 ist durch einen Doppelpfeil 5 eine Nutbreite der geprägten Nut 9 angedeutet. Durch einen Doppelpfeil 6 ist eine Nutbreite der Padnut 8 zwischen den Reibbelagpads 12 und 13 angedeutet. Durch einen Doppelpfeil 7 ist ein Verzweigungswinkel zwischen der Padnut 8 und der geprägten Nut 9 angedeutet.
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Der Verzweigungswinkel 7 zwischen der Padnut 8 und der geprägten Nut 9 beträgt in dem kompletten Nutmuster 10 vorteilhaft zwischen neunzig und einhundert Grad, vorzugsweise 90,4 Grad.
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In 9 sind durch Doppelpfeile 51 bis 54 Pad-Innenwinkel des Reibbelagpads 12 angedeutet. Die Gradmaße der Pad-Innenwinkel 51 bis 54 betragen in der genannten Reihenfolge 132; 44,5; 142; 41, 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pad-Innenwinkel
- 2
- Rundungsradien
- 3
- Breite
- 4
- Höhe
- 5
- Nutbreite
- 6
- Nutbreite
- 7
- Verzweigungswinkel
- 8
- Padnut
- 9
- geprägte Nut
- 10
- Nutmuster
- 11
- Reibbelagpad
- 12
- Reibbelagpad
- 13
- Reibbelagpad
- 14
- Reibbelagpad
- 15
- Reibbelagpad
- 16
- Reibbelagpad
- 18
- Trägerlamelle
- 19
- Reiblamelle
- 20
- x-Achse
- 21
- y-Achse
- 22
- y-Achse
- 23
- y-Achse
- 24
- geförderter Volumenstrom
- 25
- zugeführter Volumenstrom
- 26
- Lufteinzug
- 27
- Schleppmoment
- 28
- Lufteinzug
- 30
- Schleppmomentverlauf
- 31
- Pad-Ecke
- 32
- Pad-Ecke
- 33
- Pad-Ecke
- 34
- Pad-Ecke
- 40
- y-Achse
- 41
- Balken
- 42
- Balken
- 43
- Balken
- 44
- Balken
- 51
- Pad-Innenwinkel
- 52
- Pad-Innenwinkel
- 53
- Pad-Innenwinkel
- 54
- Pad-Innenwinkel
- 60
- Drehrichtung
- 61
- Pfeil
- 62
- Pfeil
- 63
- Pfeil
- 64
- Pfeil
- 70
- Drehrichtung
- 71
- Pfeil
- 72
- Pfeil
- 73
- Pfeil
- 74
- Pfeil
