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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Welle, insbesondere eine Nockenwelle,
die im Betrieb um eine Wellenachse drehbar ist, wobei die Welle
mindestens zwei Segmente aufweist, die mittels eines Kuppelelements
miteinander kuppelbar sind.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Segment und ein Kuppelelement
einer derartigen Welle und eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens
einer derartigen Welle.
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Bei
Verbrennungskraftmaschinen werden Nockenwellen benötigt. Kleinere
Verbrennungskraftmaschinen, z. B. PKW-Motoren, weisen dabei eine einstückige Nockenwelle
auf, an der die Nocken für alle
Zylinder der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sind. Große Verbrennungskraftmaschinen,
z. B. Viertakt-Dieselmotoren für
Lokomotiven, Schiffe oder große
Notstromaggregate, weisen Nockenwellen auf, die aus mehreren Segmenten
bestehen. Je zwei Segmente sind dabei miteinander gekuppelt, so dass
sie axial und radial spielfrei sowie drehfest miteinander verbunden
sind.
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Aus
dem Prospekt der Firma WEISS GmbH sind Schiffswellenkupplungen bekannt,
die die einzelnen Segmente von Schiffsantriebswellen miteinander
verbinden.
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Im
Stand der Technik wird die Verbindung der Segmente miteinander in
der Regel dadurch bewirkt, dass die Segmente an ihren Stoßflächen Flansche
aufweisen, die über
entsprechende Bohrungen miteinander verschraubbar sind. Das Verschrauben der
Segmente miteinander ist jedoch zeitaufwändig und umständlich.
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Es
sind auch schon Nockenwellen der eingangs genannten Art bekannt,
bei denen das Kuppelelement auf einem der Segmente axial verschiebbar gelagert
ist, so dass es zwischen einer ersten und einer zweiten Endstellung
axial verschiebbar ist. Bei diesen Nockenwellen weisen die Segmente
im Stoßbereich
im Querschnitt zur Wellenachse gesehen gleiche radiale Grundaußenprofile
auf und weist das Kuppelelement im Querschnitt zur Wellenachse gesehen
ein mit den Grundaußenprofilen
korrespondierendes radiales Grundinnenprofil auf. Wenn das Kuppelelement
sich in der ersten Endstellung befindet, übergreift es ausschließlich dasjenige
der Segmente, auf dem es gelagert ist. In dieser Endstellung sind
die Segmente voneinander lösbar.
Wenn das Kuppelelement sich in der zweiten Endstellung befindet,
verbindet es die Segmente derart miteinander, dass sie axial aneinander
anstoßen
und axial, radial und tangential spielfrei gegeneinander fixiert
sind. Diese Bauweise ermöglicht
zwar ein schnelleres Verbinden der einzelnen Segmente miteinander,
erfordert jedoch eine erheblich größere Baulänge als eine Verbindung mit
Flanschen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Welle
der zuletzt genannten Art und deren Elemente derart auszugestalten,
dass die Segmente ebenso schnell und einfach miteinander kuppelbar
sind, die Baulänge
jedoch kürzer
gehalten werden kann.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Grundaußenprofile
und das Grundinnenprofil im Querschnitt zur Wellenachse gesehen
nicht kreisförmig
ausgebildet sind und/oder exzentrisch zur Wellenachse angeordnet
sind. Denn dann ergibt sich eine formschlüssige Verbindung, über die
ein hohes Betätigungsmoment übertragbar
ist.
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Die
Grundaußenprofile
und das Grundinnenprofil sind vorzugsweise im Querschnitt zur Wellenachse
gesehen als kontinuierlich gekrümmte
Profile ausgebildet. Denn dann sind sie zum Einen fertigungstechnisch
besonders einfach herstellbar und zeigen darüber hinaus im Betrieb der Welle
einen besonders geringen Verschleiß. Beispielsweise können die
Grundaußenprofile
und das Grundinnenprofil als Polygonprofile gemäß DIN 32711 ausgebildet sein.
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Das
Kuppelelement ist vorzugsweise radial an die Segmente anpressbar.
Denn dann ist die Fixierung der Segmente gegeneinander besonders
zuverlässig
und absolut spielfrei. Um die radiale Anpressbarkeit des Kuppelelements
an die Segmente zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen,
- – dass
das Kuppelelement ein Innenelement und Außenelement aufweist,
- – dass
das Innenelement radial innen das Grundinnenprofil und im Querschnitt
zur Wellenachse gesehen radial außen ein radiales Zusatzaußenprofil
aufweist,
- – dass
das Außenelement
auf dem Innenelement axial verschiebbar gelagert ist und im Querschnitt zur
Wellenachse gesehen radial innen ein auf das Zusatzaußenprofil
abgestimmtes radiales Zusatzinnenprofil aufweist und
- – dass
ein Abstand des Zusatzaußenprofils
vom Zusatzinnenprofil von der Axialverschiebung des Außenelements
auf dem Innenelement abhängt, so
dass das Innenelement mittels des Außenelements an die Segmente
anpressbar ist.
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Wenn
das Zusatzaußenprofil
und/oder das Zusatzinnenprofil sich in Axialrichtung gesehen linear erweitern,
ist die Variierung des Abstands in Abhängigkeit von der Axialverschiebung
des Außenelements
auf dem Innenelement besonders einfach zu erreichen. Wenn dabei
sowohl das Zusatzaußenprofil als
auch das Zusatzinnenprofil sich in Axialrichtung gesehen gleichartig
linear erweitern, ergibt sich weiterhin ein flächiger Kontakt von Innenelement
und Außenelement,
so dass das Anpressen des Kuppelelements an die Segmente über eine
große
Fläche erfolgen
kann.
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Es
kann im Einzelfall möglich
sein, die Axialverschiebung des Außenelements auf dem Innenelement
durch eine Überwurfmutter
oder dergleichen zu bewirken. Vorzugsweise aber ist das Außenelement auf
dem Innenelement nach Art eines Hydraulikkolbens axial verschiebbar.
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Wenn
die Segmente zur Radialfixierung an ihren Stoßflächen miteinander korrespondierende Absätze aufweisen,
ist eine noch bessere radiale Fixierung der Segmente gegeneinander
möglich.
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Vorzugsweise
weist eines der Segmente auf seiner Außenseite eine Gleitfläche eines
Gleitlagers auf.
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Das
Gleitlager muss geschmiert werden. Vorzugsweise weisen daher die
Segmente eine durchgehende Axialbohrung für ein Schmiermedium auf. Dasjenige
der Segmente, das auf seiner Außenseite
die Gleitfläche
des Gleitlagers aufweist, weist seinerseits wiederum mindestens
eine Radialbohrung zum Zuführen
des Schmiermediums von der Axialbohrung zur Gleitfläche auf.
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Insbesondere
im Falle einer Nockenwelle trägt
eines der Segmente mindestens einen Nocken. In diesem Fall ist das
Kuppelelement vorzugsweise auf dem den Nocken tragenden Segment
gelagert.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:
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1 einen
Abschnitt einer Nockenwelle in der Draufsicht,
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2 einen
Längsschnitt
durch den Abschnitt von 1,
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3 einen
Längsschnitt
durch eine erstes Segment der Nockenwelle,
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4 eine
Draufsicht auf das Segment von 3 in Axialrichtung,
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5 eine
Seitenansicht auf ein zweites Segment der Nockenwelle,
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6 einen
Längsschnitt
durch das Segment von 5,
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7 eine
Draufsicht auf das Segment von 5 in Axialrichtung,
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8 einen
Längsschnitt
durch ein erstes Kuppelelement in einer ersten Endstellung,
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9 einen
Längsschnitt
durch das Kuppelelement von 8 in einer
zweiten Endstellung,
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10 eine
Draufsicht auf das Kuppelelement von 8 in Axialrichtung,
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11 einen
Längsschnitt
durch ein zweites Kuppelelement in einer ersten Endstellung und
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12 einen
Längsschnitt
durch das Kuppelelement von 11 in
einer zweiten Endstellung.
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Gemäß den 1 und 2 ist
eine Welle als Nockenwelle ausgebildet. Diese Ausgestaltung der
Welle ist aber rein beispielhaft.
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Gemäß den 1 und 2 weist
die Nockenwelle mehrere Segmente 1 bis 5 auf.
Die Segmente 1 bis 5 können im Einzelfall alle jeweils
mindestens einen Nocken 6 tragen. Gemäß den 1 und 2 trägt aber
nur jedes zweite Segment 2, 4 Nocken 6.
Diese Segmente 2, 4 werden nachfolgend als Nockenwellenabschnitte 2, 4 bezeichnet.
Die anderen Segmente 1, 3, 5 tragen keine
Nocken. Stattdessen weisen sie an ihren Außenseiten Gleitflächen 7 eines
Gleitlagers auf. Diese Segmente 1, 3, 5 werden
daher nachfolgend als Gleitelemente 1, 3, 5 bezeichnet.
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Die
Nockenwelle dient in der Regel der Steuerung von Ventilen und/oder
Einspritzung eines mehrzylindrigen Großdieselmotors. Unter einem Großdieselmotor
ist dabei ein Dieselmotor mit einer Nennleistung von mindestens
1000 kW zu verstehen. Oftmals weist der Großdieselmotor sogar eine Nennleistung
von 3000 kW und mehr auf. Solche Großdieselmotoren finden beispielsweise
als Hauptantriebe von Lokomotiven oder Schiffen Verwendung. Auch bei
großen
Notstromaggregaten werden sie eingesetzt, um ein Beispiel einer
stationären
Anwendung zu nennen. Diese Motoren weisen in der Regel zwischen
10 und 20 Zylinder auf, z. B. 12 oder 16 Zylinder.
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Pro
Zylinder weist die Nockenwelle mindestens einen (Zahlwort) Nocken 6 auf,
nämlich
im Falle eines Zweitaktmotors, bei dem der Nocken 6 die
Einspritzung steuert. In der Regel ist der Großdieselmotor aber als Viertaktmotor
ausgebildet, so dass die Nockenwelle pro Zylinder mindestens je
einen (Zahlwort) Nocken 6 für die Steuerung des Einlassventils und
des Auslassventils aufweist. Eventuell ist sogar ein dritter Nocken
vorhanden, um auch die Einspritzung steuern zu können. Jeder Nockenwellenabschnitt 2, 4 trägt dabei
in der Regel alle für
die Steuerung eines Zylinders erforderlichen Nocken 6.
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Die
Nockenwelle muss sich im Betrieb selbstverständlich als Einheit um eine
Wellenachse 8 drehen. Die einzelnen Segmente 1 bis 5 der
Nockenwelle müssen
daher miteinander gekuppelt sein. Dieses Kuppeln wird mittels Kuppelelementen 9, 10 bewirkt.
Die Kuppelelemente 10 sind dabei nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung.
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Die
im Betrieb auf die Nocken 6 und damit auch auf die Nockenwelle
wirkenden Kräfte
sind erheblich und sind darüber
hinaus auch schwankend. Die Kupplung der Segmente 1 bis 5 miteinander muss
daher axial und radial absolut spielfrei sein. Auch ist in Tangentialrichtung
keinerlei Schlupf zulässig.
Auch hier muss die Fixierung der Segmente 1 bis 5 gegeneinander
also völlig
spielfrei sein. Der guten Ordnung halber sei dabei erwähnt, dass
der Begriff „axial" sich auf eine Richtung
parallel zur Wellenachse 8 bezieht, der Begriff „radial" auf die Wellenachse 8 zu
bzw. von ihr weg und der Begriff „tangential" um die Wellenachse 8 herum.
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Mittels
der Kuppelelemente 9, 10 sind je zwei unmittelbar
aneinander grenzende Segmente 1 bis 5 miteinander
kuppelbar. Die Kuppelelemente 9, 10 sind hierzu
auf den Segmenten 1 bis 5 axial verschiebbar gelagert,
so dass sie zwischen einer ersten Endstellung (in 2 gestrichelt
eingezeichnet) und einer zweiten Endstellung axial verschiebbar
sind. Gemäß den 1 und 2,
insbesondere 2 sind die Kuppelelemente 9, 10 dabei
auf den Nockenwellenabschnitten 2, 4 gelagert.
Prinzipiell könnten sie
aber auch auf den Gleitelementen 1, 3, 5 gelagert sein.
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Wenn
die Kuppelelemente 9, 10 sich in ihren ersten
Endstellungen befinden, übergreifen
sie ausschließlich
dasjenige der Segmente 1 bis 5, auf denen sie
gelagert sind. Im vorliegenden Fall übergreifen sie also ausschließlich die
Nockenwellenabschnitte 2, 4. In dieser ersten
Endstellung sind die Segmente 1 bis 5 somit voneinander
lösbar.
Wenn die Kuppelelemente 9, 10 sich hingegen in
ihren zweiten Endstellungen befinden, verbinden sie die Segmente 1 bis 5 miteinander.
Die Verbindung ist dabei derart, dass die Segmente 1 bis 5 nicht
nur axial aneinander anstoßen,
sondern auch axial, radial und tangential spielfrei gegeneinander
fixiert sind.
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Zur
axialen und radialen Fixierung der Segmente 1 bis 5 gegeneinander
weisen die Segmente 1 bis 5 im Stoßbereich
im Querschnitt zur Wellenachse 8 gesehen gleiche radiale
Grundaußenprofile 11 bis 14 auf.
Dementsprechend weisen die Kuppelelemente 9, 10 im
Querschnitt zur Wellenachse 8 gesehen mit den Grundaußenprofilen 11 bis 14 korrespondierende
radiale Grundinnenprofile 15, 16 auf. Um auch die
tangentiale Fixierung der Segmente 1 bis 5 gegeneinander
zu erreichen, gibt es zwei Möglichkeiten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung – siehe die 3 bis 7,
insbesondere die 4 und 7 – sind die
Grundaußenprofile 11, 12 im
Querschnitt zur Wellenachse 8 gesehen nicht kreisförmig ausgebildet.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um kontinuierlich gekrümmte Profile 11, 12, 15,
beispielsweise in Form von Polygonprofilen gemäß DIN 32711. Alternativ oder
zusätzlich
zur Verwendung nicht kreisförmig
ausgebildeter Profile 11, 12, 15 könnten die
Profile 11, 12, 15 aber auch exzentrisch angeordnet
sein. In diesem Fall weisen die korrespondierenden Kuppelelemente 9 im
Querschnitt zur Wellenachse 8 gesehen gemäß den 8 bis 10,
insbesondere 10, ein korrespondierendes Grundinnenprofil 15 auf,
gemäß Ausführungsbeispiel
also ein Polygonprofil gemäß DIN 32711.
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Gemäß dem Stand
der Technik ist es gemäß den 2, 3, 5, 6, 11 und 12 auch
möglich,
dass die Grundaußenprofile 13, 14 und das
Grundinnenprofil 16 im Querschnitt zur Wellenachse 8 gesehen
kreisförmig
ausgebildet sind und zentrisch zur Wellenachse 8 angeordnet
sind. In diesem Fall kann das Kuppelelement 10, wenn es
nur axial von seiner ersten in seine zweite Endstellung verschoben
wird, keine drehfeste Verbindung der Segmente 1 bis 5 bewirken.
In diesem Fall ist es daher zwingend erforderlich, dass das Kuppelelement 10 radial
an die Segmente 1 bis 5 angepresst wird.
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Um
das radiale Anpressen des Kuppelelements 10 an die Segmente 1 bis 5 erreichen
zu können,
weist das Kuppelelement 10 – siehe insbesondere die 11 und 12,
ergänzend
aber auch 2, ein Innenelement 17 und
ein Außenelement 18 auf.
Das Innenelement 17 weist radial innen das Grundinnenprofil 16 auf.
Im Querschnitt zur Wellenachse 8 gesehen weist es weiterhin
radial außen
ein radiales Zusatzaußenprofil 19 auf.
Das Außenelement 18 ist
auf dem Innenelement 17 axial verschiebbar gelagert. Es
weist im Querschnitt zur Wellenachse 8 gesehen radial innen
ein radiales Zusatzinnenprofil 20 auf, das auf das Zusatzaußenprofil 19 abgestimmt
ist.
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Gemäß 11 bildet
das Zusatzaußenprofil 19 einen
kleinen Öffnungswinkel α, der typischerweise
zwischen 0,1 und 2° liegt.
Das Zusatzaußenprofil 19 erweitert
sich also in Axialrichtung gesehen linear. Ebenso bildet auch das
Zusatzinnenprofil 19 den Öffnungswinkel α. Ein Abstand
a des Zusatzaußenprofils 19 vom
Zusatzinnenprofil 20 hängt
somit von der Axialverschiebung des Außenelements 18 auf
dem Innenelement 19 ab. Die Abstimmung der Zusatzprofile 19, 20 aufeinander
kann daher derart erfolgen, dass das Innenelement 17 bei
entsprechender Verschiebung des Außenelements 18 mittels
des Außenelements 18 großflächig an
die Segmente 1 bis 5 angepresst wird.
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Das
axiale Verschieben des Außenelements 18 und
das hiermit korrespondierende Anpressen des Innenelements 17 an
die Segmente 1 bis 5 kann prinzipiell auf beliebige
Weise erfolgen. Gemäß den 11 und 12 weist
das Außenelement 18 mindestens einen
Anschluss 21 auf, an den eine Hydraulikleitung anschließbar ist.
Das Außenelement 18 wird
daher nach Art eines Hydraulikkolbens auf dem Innenelement 17 verschoben.
Nach dem Verschieben des Außenelements 18 kann
dann die Hydraulikleitung wieder entfernt und der Anschluss 21 mittels eines
Stopfens 21' verschlossen
werden.
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Bei
hinreichend genauer Bearbeitung von Grundaußenprofil 11, 12 und
Grundinnenprofil 15 kann es im Einzelfall bei der Ausführungsform
gemäß den 4, 7 und 10 hinreichend
sein, von einem zusätzlichen
Anpressen des Kuppelelements 9 an die Segmente 1 bis 5 abzusehen.
In aller Regel erfolgt aber auch bei den Kuppelelementen 9 eine analoge
Ausgestaltung, so dass nachfolgend von einer Detailerläuterung
abgesehen werden kann. Die mit den Elementen 17 bis 21 korrespondierenden Elemente
sind dabei in den 8 bis 10 mit
den Bezugszeichen 22 bis 27 bezeichnet.
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Die
Ausgestaltung der Zusatzprofile 19, 20, 24, 25 ist
beliebiger Natur. Sie kann kreisförmig oder nicht kreisförmig, zentrisch
oder nicht zentrisch sein.
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Wie
insbesondere den 2 bis 4, 6 und 7 zu
entnehmen ist, weisen die Segmente 1 bis 5 eine
durchgehende Axialbohrung 27 auf. Die Axialbohrung 27 dient
der Zuführung
eines Schmiermediums zu den Gleitflächen 7 der Gleitelemente 1, 3, 5.
Aus diesem Grund weisen gemäß 3 die
Gleitelemente 1, 3, 5 jeweils mindestens eine
Radialbohrung 28 auf. Mittels dieser Radialbohrungen 28 ist
es möglich,
das Schmiermedium von der Axialbohrung 27 zu den Gleitflächen 7 zu
führen.
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In
manchen Fällen
sind die Gleitflächen 7 der Gleitelemente 1, 3, 5 zu
klein, um die im Betrieb auftretenden Belastungen aufnehmen zu können. In
diesem Fall ist es möglich,
dass die Kuppelelemente 9 und/oder die Kuppelelemente 10 auf
ihren Außenseiten
ebenfalls Gleitflächen 29, 30 aufweisen.
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In
der Regel ist die radiale Fixierung der Segmente 1 und 5 gegeneinander
durch die Kuppelelemente 9, 10 völlig ausreichend.
Gegebenenfalls ist es aber auch möglich, dass die Segmente 1 bis 5 zur Radialfixierung
an ihren Stoßflächen 31, 32 miteinander
korrespondierende Absätze 33, 34 aufweisen. Die
Absätze
können
dabei alternativ einseitig nur im Bereich der Kuppelelemente 9,
einseitig nur im Bereich der Kuppelelemente 10 oder beidseitig
im Bereich sowohl der Kuppelelemente 9 als auch der Kuppelelemente 10 vorhanden
sein.
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Mittels
der vorliegenden Erfindung ist somit auf ebenso schnelle und einfache
Weise wie im Stand der Technik eine stabile Verbindung der einzelnen
Segmente einer mehrteiligen Welle möglich, wobei aber dennoch ein
kompakter Aufbau der Welle erhalten bleibt.
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Die
Beschreibung dient nur zur Erläuterung der
Erfindung, nicht zur Bestimmung des Schutzumfangs. Der Schutzumfang
ist ausschließlich
durch die beigefügten
Ansprüche
definiert.