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Bei einer Reihe von Anwendungen sind
zwei Wellenabschnitte so miteinander zu kuppeln, daß die Drehbewegung
eines der beiden Wellenabschnitte möglichst starr auf den anderen
Wellenabschnitt übertragen
wird, während
Axialbewegungen auf denjenigen Wellenteil beschränkt sein sollen, an dem die Axialbewegungen
auftreten. Ein Beispiel für
eine Wellenkupplung, die dies leistet, ist eine Kerbverzahnung,
die in einem entsprechenden komplementären Muffenteil axial verschieblich
ist. Eine solche Kupplung kann sehr große Axialbewegungen zwischen den
beiden Wellenteilen aufnehmen und überträgt das Drehmoment praktisch
vollkommen unelastisch.
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Nachteilig bei dieser Form der Wellenkupplung
ist der große
Fertigungsaufwand. Damit die beiden Kupplungsteile einigermaßen ohne
Umfangsspiel ineinandergreifen, müssen sehr hohe Fertigungsgenauigkeiten
eingehalten werden. Wenn im Laufe der Zeit Spiel zwischen den Verzahnungen
auftritt, wird diese Form der Kupplung klapperempfindlich und bekommt
zunehmend toten Gang.
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Eine andere Form von Wellenkupplungen zur
Drehmomentübertragung
und Entkopplung von Axialbewegungen sind gewellte Rohre, wie sie
heute überwiegend
bei Lenkspindeln von PKW-Lenkungen eingesetzt werden. Diese Wellrohre
haben eine verhältnismäßig große Länge und
sind in der Herstellung nicht unproblematisch.
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Zum Kuppeln von Wellen ist es ferner
bekannt, sogenannte Hardy-Scheiben zu verwenden. Diese bestehen
aus einem elastomeren Ring, an den von beiden Seiten her gegabelte
Verbindungselemente angeschraubt sind. Solche Wellenkupplungen sind
zwar praktisch spiel- und klapperfrei, erfordern aber einen verhältnismäßig großen Einbauraum.
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Darüber hinaus zeigt die
US 1 979 969 eine Kardanwelle,
bei der ein Gummielement zur Schallentkopplung verwendet wird. Die
Kardanwelle besteht aus einem inneren Einsatzstück, das auf seiner Außenseite
mit einer Rändelung
in Längsrichtung versehen
ist. Auf dieses zylindrische Teil wird ein Gummiring aufgesetzt.
Die so erhaltene Einheit wird in den rohrförmigen Teil der Kardanwelle
eingesteckt, die dann mit einem Werkzeug in Längsrichtung gewalzt wird, um
den Durchmesser zu verringern. Dabei wird der Gummiring in Längsrichtung
ausgebreitet und es entsteht eine reibschlüssige Verbindung zwischen dem
Gummielement und dem äußeren Rohr
einerseits sowie zwischen dem Gummielement und dem Einsatzstück andererseits.
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Bei einer Relativdrehung zwischen
dem inneren Einsatzstück
und dem äußeren Rohr
entsteht in dem Gummielement lediglich eine Scherkraft, was dazu
führt,
dass die Festigkeitsverhältnisse
der Verbindung zwischen dem Einsatzstück und dem Rohr in Längsrichtung
genauso sind wie die Verhältnisse
in Umfangsrichtung.
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Eine weitere Wellenverbindung mit
zwischengelegtem Gummielement ist aus der
DE 1 103 772 B bekannt. Bei
dieser Anordnung werden zwei kreiszylindrische Rohre unter Zwischenlage
eines rohrförmigen
elastomeren Stücks
zusammengesteckt. Nach dem Zusammenfügen dieser Rohre, von denen
jedes an einem Ende mit einem Antriebs- oder Kupplungselement versehen
ist, werden die Rohre in der Mitte, ausgehend von ihrem ursprünglich kreisförmigen Querschnitt,
elliptisch verformt.
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Die so erhaltene Anordnung lässt bei
einer Relativdrehung zwischen den beiden verformten Rohren in dem
Elastomer eine Kompressionskraft entstehen. Allerdings entsteht
auch eine Kompressionskraft bei einer Relativbewegung in Axialrichtung, weshalb
eine bessere Entkopplung in Axialrichtung gleichzeitig eine weichere
und nachgiebigere Mitnahme in Umfangsrichtung bedingt.
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Eine weitere Wellenkupplung ist aus
der
DE 17 08 560 U bekannt.
Diese Wellenkupplung weist zwei koaxiale ineinander gesteckt Teile
auf. Der innere Teil ist im Quer schnitt gesehen etwa sternförmig gestaltet
und ragt mit den Fortsätzen
in die Nuten, die in dem äußeren Teil
enthalten sind. Der Spalt zwischen den Fortsätzen und den Wänden der
Nut ist durch ein Elastomer gefüllt.
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Zufolge des meanderförmigen Verlaufs
des Spaltes ist die Nachgiebigkeit des inneren Teils gegenüber dem äußeren Teil
auch in axialer Richtung sehr gering.
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Die
DE 17 23 788 U zeigt eine Verbindung zwischen
einer rohrförmigen
Welle und einer Hülse, ebenfalls
unter Verwendung eines den Ringspalt füllenden Elastomers. Sowohl
an der Innenseite der Hülse
als auch an der Außenseite
der Welle sind in Längsrichtung
verlaufende Rippen angeordnet. Diese Anordnung ist in Umfangsrichtung
und in axialer Richtung verhältnismäßig weich.
Bei einer Verdrehung in Umfangsrichtung können aufgrund der Konfiguration
im Elastomer praktisch keine Druckkräfte aufgebaut werden.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe
der Erfindung, eine Wellenkupplung zu schaffen, die einen geringen
Platz beansprucht und trotzdem in der Lage ist, relativ steif Drehmomente
zu übertragen,
während
sie in axialer Richtung zumindest für Relativbewegungen mit kleinem
Hub gut elastisch ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Wellenkupplung mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 2 gelöst.
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Würden
zwei rohrförmige
Hülsen
unterschiedlichen Durchmessers ineinander gesteckt und durch ein
Elastomer stoffschlüssig
miteinander verbunden werden, dann würde bei einer Relativdrehung
zwischen den beiden Hülsen
lediglich eine Scherkraft in dem Elastomer entstehen. Die Folge dieser
Anordnung wäre,
daß die
Nachgiebigkeit in Axialrichtung im wesentlichen gleich der Nachgiebigkeit
in Umfangsrichtung wäre.
Für die
eingangs geschilderte Anwendung ist dies aber von Nachteil, denn
je stärker
die Entkopplungswirkung für
Relativbewegungen in Axialrichtung zwischen den so gekuppelten Wellenteilen
wäre, umso
größer wäre die Relativdrehung
bei gleichem, über
die Wellenabschnitte zu übertragendem
Drehmoment. Bei der Erfindung sind dagegen Mittel vorgesehen, um
bei einer Relativdrehung in dem Elastomer eine Kompressionskraft
zu erzeugen. Dadurch wird eine Unsymmetrie hinsichtlich der Belastungsverhältnisse
bei der Axialverschiebung an der Kupplung, verglichen mit einer
Rotation, erzeugt. Für
die axiale Relativbewegung bleibt es bei der Scherbewegung und dementsprechend
bei einer großen
Nachgiebigkeit, während die
Drehbewegung die Kompression in dem Elastomer auslöst, womit
die Kupplung bezüglich
der Drehbewegung steif wird, wiederum vorglichen mit der Axialbewegung.
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Eine sehr gute Mitnahmewirkung zwischen den
beiden Hülsen
läßt sich
erreichen, wenn die Kompressionskraft, die durch die Relativdrehung ausgelöst wird,
eine radial bzw. in Drehrichtung der antreibenden Hülse wirkende
Komponente hat.
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Je nach Anwendungsfall kann es zweckmäßig sein,
wenn die Wellenkupplung insofern symmetrisch wirkt, als, unabhängig von
der Wirkrichtung der Relativdrehung, symmetrische Kompressionsverhältnisse
vorliegen, d.h. die Kompressionskräfte, die durch die Relativdrehung
erzeugt werden, sind betragsmäßig. gleich,
unabhängig
davon, welchen Drehsinn die Relativdrehung hat.
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Um die Kompressionskraft zu erzeugen,
gibt es eine Reihe von Möglichkeiten:
Eine Möglichkeit geht
davon aus, daß die
innere Hülse
mit in Längsrichtung
der Hülse
verlaufenden Nuten versehen ist, die vorzugsweise etwa V-förmigen Querschnitt
haben. Diese V-förmigen
Nuten wirken mit Bolzen zusammen, die in dem Elastomer eingebettet
sind. Bei einer Relativdrehung zwischen der inneren Hülse und
der äußeren Hülse wirken
die Bolzen, die sich in dem Spalt zwischen den Hülsen befindet, wie eine Art
Klemmkörper
in einem Klemmkörperfreilauf,
wobei sie sich über
das Elastomer an der Innenumfangsfläche der äußeren und an der Außenumfangsfläche der
inneren Hülse
abstützen.
Die Relativdrehung sorgt so für
eine radiale Kompressionskraft und eine bessere Mitnahmewirkung.
Gleichzeitig kann mit Hilfe der Bolzen bereits bei der Herstellung
eine bestimmte Radialvorspannung erzeugt werden. Dies wird erreicht,
indem nach dem Ausvulkanisieren des Elastomers in vorgeformte Bohrungen
entsprechende Bolzen mit radialer Vorspannung eingepreßt werden.
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Eine andere Möglichkeit, die radiale Kompression
bei der Relativdrehung zu erhalten, besteht darin, die äußere Hülse mit
nach innen vorspringenden Rippen zu versehen, damit sich bei einer
Relativdrehung zwischen den Nuten der inneren Hülsen und den Rippen der äußeren Hülse ebenfalls
Kompressionskräfte
aufbauen. Dabei haben die Nuten in der inneren Hülse praktisch die Wirkung,
auf der inneren Hülse
ebenfalls Rippen entstehen zu lassen, jenachdem was man als Grundform
ansieht.
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Auch bei dieser Ausführungsform
kann während
der Herstellung bzw. danach eine Vorspannung in dem Elastomer erzeugt
werden. Die äußere Hülse ist
bis nach dem Vulkanisie ren des Elastomers kreiszylindrisch und wird
nach dem Vulkanisieren umgeformt, in dem Sinne, daß nach innen
vorspringende keilförmige
Rippen entstehen.
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Um die Kompressionskraft zu erzeugen,
ist es keineswegs unbedingt notwendig, daß der Querschnitt der Rippen
an einer der beiden Hülsen
dem Querschnitt der Nuten an der anderen Hülse ähnlich ist.
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Im übrigen sind Weiterbildungen
der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des
Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 zwei
mittels der erfindungsgemäßen Wellenkupplungen
miteinander gekuppelte Wellen, in einer perspektivischen Explosionsdarstellung
und teilweise aufgeschnitten,
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2 die
Wellenkupplung nach 1,
in einer Stirnansicht,
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3 die
Wellenkupplung nach 1,
geschnitten entlang der Linie III-III nach 2 und
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4 eine
andere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Wellenkupplung,
in einer Stirnansicht.
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1 zeigt
in einem Maßstab
von ca 1:1 eine Wellenkupplung 1, die dazu dient, zwei
Wellen 2 und 3 im wesentlichen drehfest miteinander
zu kuppeln, wobei Axialbewegungen der einen der beiden Wellen 2 und 3 gegenüber der
anderen möglichst
wenig auf die jeweils andere Welle 2, 3 über tragen
werden.
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Die Welle 2 ist beispielsweise
die Achswelle eines Lenkgetrieberitzels. Sie hat zwecks formschlüssiger Verbindung
mit der Wellenkupplung 1 eine kreuzförmige Querschnittsgestalt,
d.h. sie besteht gedanklich aus zwei sich kreuzenden gleichen Rechtecken,
wodurch insgesamt vier rechteckförmige
Fortsätze 4 entstehen,
die über
die Länge
der Welle 2 mit konstanter Gestalt durchlaufen.
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Die andere damit zu kuppelnde Welle 3 ist dementsprechend
eine Lenkspindel, die an ihrem in 1 erkennbaren
Ende mit einem Universalgelenk 4 versehen ist. Das Universalgelenk 4 endet
in einem rohrförmigen
Stück 5 mit
einer zylindrischen Innenbohrung 6.
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Zu der Wellenkupplung 1 gehört eine äußere Hülse 7 sowie
eine dazu koaxiale innere Hülse 8 mit gleicher
Länge.
Die äußere Hülse 7 besteht
aus einem zylindrischen Rohrstück,
das im wesentlichen unverformt ist und an allen Stellen dieselbe
Wandstärke
aufweist. Die Hülse 7 weist
eine zylindrische Außenumfangsfläche 9 und
eine dazu koaxiale, ebenfalls zylindrische Innenumfangsfläche 11 auf.
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Die innere Hülse 8 ist ein Blechformteil,
das, ausgehend von einem Rohrabschnitt, umgeformt ist. Die Umformung
erfolgt derart, daß nach
der Umformung eine innere Öffnung 12 entsteht,
die zu der Außenkontur
der Welle 2 komplementär
ist. Dementsprechend ist die Öffnung 12 etwa
kreuzförmig
und setzt sich aus insgesamt vier radial wegstehenden, im Querschnitt
etwa rechteckigen Armen 13 zusammen.
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Da die innere Hülse 8 aus einem vergleichsweise
dünn wandigen
Rohrteil hergestellt ist, bildet sich die Kontur der inneren Öffnung 12 auch
auf der Außenseite
der Hülse 8 ab,
wodurch zwischen den Fortsätzen 13 an
der Außenumfangsfläche 14 insgesamt
vier V-förmige
Nuten 15 entstehen, die über die Länge der Hülse 8 durchlaufen.
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Der Außendurchmesser der inneren
Hülse 8 ist
deutlich kleiner als die lichte Weite der äußeren Hülse 7, wodurch zwischen
beiden ein im weitesten Sinne zylindrischer Ringspalt 16 entsteht.
Dieser Ringspalt 16 ist mit einer elastomeren Masse 17 gefüllt, die
sowohl an der Innenumfangsfläche 11 der äußeren Hülse 7 als
auch an der Außenseite 14 der inneren
Hülse 8 fest
vulkanisiert ist. In dem ausvulkanisierten Elastomer 17 sind
insgesamt vier Durchgangsbohrungen 18 enthalten, die parallel
zu der Achse der äußeren Hülse 7 verlaufen.
Diese Durchgangsbohrungen 18 sind auf die V-förmigen Nuten 15 ausgerichtet,
wie dies 2 erkennen
läßt. Da die V-förmigen Nuten 15 gleich
verteilt sind, sind auch die Durchgangsbohrungen 18 gleich
verteilt. Sie liegen mit ihrem Mittelpunkt auf einem Radius, der
von der Längsachse
der äußeren Hülse 7 ausgeht
und durch einen Scheitel 21 der V-förmigen Nuten 15 verläuft, wobei
die Flanken der Nuten 15 symmetrisch bezüglich des
durch den Scheitel 21 der jeweiligen Nut 15 führenden
Radius liegen.
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In jeder der Durchgangsbohrungen 18,
die alle Kreisquerschnitt haben, steckt ein Bolzen 22 aus einem
gegenüber
dem Elastomer 17 steifen Material, beispielsweise Aluminium,
Stahl, Duroplast, Thermoplast oder glasfaserverstärkter Kunststoff.
Der Bolzen 22 ist an seinen beiden stirnseitigen Enden
mit Köpfen 23 versehen,
die einen etwas größeren Durchmesser
haben als sein dazwischen verlaufender zylindrischer Schaft 24.
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Der Abstand der beiden Köpfe 23 voneinander
entspricht der axialen Erstreckung des Elastomers 17, das
im übrigen
vollständig
den Ringspalt 16 ausfüllt.
Das Elastomer hat eine Shorehärte
von °Sh 40
bis 75, vorzugsweise 60. Zweckmäßigerweise
besteht das Elastomer 17 aus einem Kautschuk, also beispielsweise
Naturkautschuk oder Kunstkautschuk.
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Die Herstellung der beschriebenen
Kupplung 1 geschieht in der Weise, daß in einer Vulkanisiereinrichtung
die äußere Hülse 7 und
die innere Hülse 8 koaxial
zueinander angeordnet werden. Diese Vulkanisierform enthält außerdem zylindrische
Zapfen, die an jenen Stellen in den Ringspalt 16 hineinragen,
an denen später
die zylindrischen Bohrungen 18 entstehen sollen. Sodann
wird der Ringspalt 16 mit dem fließfähigen Elastomer gefüllt und
unter Temperatureinwirkung in dem Ringspalt 16 vulkanisiert.
Dabei entsteht eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem Elastomer 17 und der haftfähig vorbereiteten
Innenumfangsfläche 11 sowie
der ebenfalls haftfähig vorbereiteten
Außenumfangsfläche 14 der
inneren Hülse 8.
Nach dem Vulkanisieren des Elastomers 17 wird die zum Teil
vorgefertigte Wellenkupplung 1 aus der Vulkanisierform
entnommen, wobei infolge der Zapfen in der Vulkanisierform die zylindrischen
Bohrungen 18 vorgeformt sind. In diese vorgeformten zylindrischen
Bohrungen 18 werden unter Verwendung eines Gleitmittels
die Bolzen 22 eingepreßt,
so weit, bis ihr beim Einpressen vorauseilender Kopf 23 auf der
anderen Seite der Wellenkupplung 1 zum Vorschein kommt.
Da der Außendurchmesser
des zylindrischen Schaftes 24 größer ist als die lichte Weite der
unverformten Bohrung 18, entsteht in der Umgebung der zylindrischen
Bohrung 18 eine radiale Ruhevorspannung, die das Elastomer 17 gegen
die äußere Hülse 7 und
gegen die innere Hülse 8 anpreßt, und
zwar im wesentlichen im Bereich der V-förmigen Nuten 15.
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Beim Einbau der Wellenkupplung 1 wird
deren innere Hülse 8 mit
Preßsitz
auf die Welle 2 aufgepreßt. Ferner wird die äußere Hülse 7 ebenfalls
mit Preßsitz
in die zylindrische Bohrung 6 des Universalgelenks 4 eingesetzt.
Die Wellenkupplung 1 ist so reibschlüssig mit der Welle 3 und
formschlüssig
sowie in axialer Richtung reibschlüssig mit der Welle 2 verbunden.
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Wenn zwischen den beiden Wellen 2, 3 axiale
Relativbewegungen auftreten, wird die Bewegung der einen Welle,
beispielsweise der Welle 2, nur sehr vermindert auf die
Welle 3 übertragen,
weil in dieser Richtung das Elastomer 17 zwischen den beiden
Hülsen 7 und 8 lediglich
auf Scherung beansprucht wird, der Kupplungsgrad ist gering. Erschütterungen
oder Schwingungen in axialer Richtung können sich somit, wie dies bei
Gummimetallelementen üblich
ist, praktisch nicht über
die Wellenkupplung 1 übertragen.
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Bei einer Relativdrehung hingegen,
wenn z.B. die Welle 2 von der Welle 3 her angetrieben
werden soll, ergeben sich andere Wirkzusammenhänge. Bereits eine kleine Relativdrehung
der beiden Hülsen 7 und 8 gegeneinander
in Umfangsrichtung führt
zum Erzeugen einer Druckkraft in dem Elastomer 17, die zwischen
der inneren Hülse 8 und
der äußeren Hülse 7 in
radialer bzw. in Umfangsrichtung wirksam ist und die hervorgerufen
wird von dem Zusammenwirken des jeweiligen zylindrischen Bolzens 22 mit
der benachbarten V-förmigen
Nut 15. Die Anordnung läßt sich
in gewisser Weise mit einem Klemmkörperfreilauf vergleichen, wobei
jedoch bei der neuen Wellenkupplung 1 die einzelnen Klemmkörper, gebildet durch
die zylindrischen Bolzen 22, nicht unmittelbar metal lisch
an den Laufflächen
der Klemmkörper
angreifen, sondern zwischen den Klemmkörpern 22 und den entsprechenden
Laufflächen,
also der Innenumfangsfläche 11 und
den Flanken der V-förmigen
Nuten 15 sich das Elastomer 17 befindet.
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Zufolge dieser Konfiguration, die
sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung eine Kompressionswirkung
in dem Elastomer 17 erzeugt, scheint das Elastomer 17 bezüglich einer
Relativdrehung zwischen den beiden Hülsen 7, 8 unelastischer
und weniger nachgiebig zu sein als hinsichtlich der Axialbewegung
zwischen den beiden Hülsen 7 und
B. Mit anderen Worten, Drehschwingungen, beispielsweise der Welle 3 gegenüber der
Welle 2, werden viel unmittelbarer übertragen als Längsschwingungen.
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Die gleiche Wirkung hinsichtlich
unterschiedlicher Nachgiebigkeiten bezüglich der Axialbewegung und
der Radialbewegung kann auch mit der Anordnung nach 4 erreicht werden, die eine andere Ausführungsform
der Wellenkupplung 1 in einer Stirnansicht zeigt. Bei der
Erläuterung
dieser Fig. werden, soweit es sich um bereits beschriebene Bauteile
gleicher oder ähnlicher
Funktion handelt, dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die innere Hülse 8 hat denselben
Aufbau wie bei dem vorerwähnten
Ausführungsbeispiel.
Hingegen ist die äußere Hülse 7 mit
mehreren, in axialer Richtung durchlaufenden Vförmigen Nuten 31 versehen,
die auf der Innenseite, also im Bereich des Ringspaltes 16,
Rippen 32 entstehen lassen. Die Anzahl der Rippen 32 stimmt
mit der Anzahl der V-förmigen
Nuten 15 auf der inneren Hülse 8 überein und außerdem sind
die Rippen 32 fluchtend zu den V-förmigen Nuten 15 angeordnet.
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Diese an der Innenseite ebenfalls
etwa V-förmigen
Rippen 32 entstehen durch das Einformen der Nuten 31 in
ein entsprechendes dünnwandiges
Rohrstück,
das die äußere Hülse 7 bildet.
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Der Ringspalt 16 zwischen
den beiden Hülsen 7, 8 ist
wiederum mit einem Elastomer 17 gefüllt, das stoffschlüssig mit
den beiden Hülsen 7 und 8 verbunden
ist.
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Eine Vorspannkraft innerhalb des
Elastomers 17 im Bereich der Rippen 32 wird erreicht,
wenn die Herstellung von einer äußeren Hülse 7 ausgeht, die
vor dem Vulkanisieren des Elastomers 17 die Gestalt eines
kreisrunden Rohrs hat. Nach dem Ausvulkanisieren werden in einer
Vorrichtung die Nuten 31 eingeprägt, wodurch an der Innenseite
entsprechende Rippen 32 entstehen, die in dem Bereich,
wo die Rippen 32 aufgeworfen werden, das Elastomer 17 vorspannen.
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Zufolge der Rippen 32 in
Verbindung mit den damit fluchtenden Nuten 15 entstehen
bei einer Relativdrehung zwischen den beiden Hülsen 7 und 8 in dem
Elastomer 17 Druckkräfte.
Zufolge dieser Druckkräfte
ist die Wellenkupplung bezüglich
Drehbewegungen steifer als gegenüber
Längsbewegungen
der gekuppelten Wellen.
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Eine Wellenkupplung besteht aus einer äußeren und
einer dazu koaxialen inneren Hülse.
In dem von den beiden Hülsen
begrenzten, im weitesten Sinne zylindrischen Spalt befindet sich
ein Elastomer. Außerdem
sind Maßnahmen
vor- gesehen, damit bei einer Relativdrehung zwischen den beiden Hülsen, wie
sie bei einer Drehmomentübertragung auftritt,
zusätzliche
Druckkräfte
aufgebaut werden, um die Hülsen steifer
miteinander zu kuppeln. Hinsichtlich der Axialbewegung ist die Wellenkupplung vergleichsweise
nachgiebig, weil bei Längsbewegungen
in dem Elastomer nur Scherkräfte
entstehen.