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Technisches Gebiet: Gelenke, Kupplungen und Verbindungen
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Die Erfindung zeigt eine baubare Verbindung von zwei Teilen mit großen Flachenträgheitsmomenten, wie sie unter anderem Antriebe als Gelenk mit Winkelausgleich benötigen, und eine damit gebaute Gelenkwelle.
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Stand der Technik
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Kupplungen und Gelenke zum Verbinden zweier Teile gibt es vielfältig.
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Kreuzgelenke übertragen Drehmomente bei winklig zueinander stehenden Wellenseiten mit Gabeln über ein Zapfenkreuz. Dabei werden die Zapfen gegen den zentralen Kreuzungsbereich verbogen, über den die Kraft auf die abtreibende Zapfen-Gabel-Paarung geleitet wird. Die Folge ist eine hohe Belastung im Ansatzbereich der Zapfen am Kreuzungsbereich. Der Einbau des Zapfenkreuz in die Gabeln benötigt Raum fürs Einfädeln ins Lagerauge und aufgesteckte Buchsen oder geteilte Lageraugen. Nur für einfache Anforderungen lassen sich dünne und so biegsame Rohre mit Lageraugen elastisch über die Zapfen stülpen. Der Kardanfehler wird als Gelenkwelle in W- oder Z-Anordnung zur den an- und abtreibenden Seiten zwar kompensiert, doch das oszillierend beschleunigte Zwischenstück bleibt kritisch und fordert u. a. eine spezifisch geringe Masse.
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(Kugel-)Gleichlaufgelenke nach Rzeppa übertragen die Kräfte ohne Kardanfehler, benötigen dafür eine gegenüber dem Durchmesser der antreibenden Welle mehrfach größere radiale Abmessung. Kugeln übertragen die Last unter scherender Beanspruchung.
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WO 2011/117412 offenbart baubare Lager auch für hohe Zugkräfte.
EP 10709498.9 zeigt eine Bauweise für Maschinenbaugruppen, deren mehrteilige Bauteile durch Verdrehen um ihre Verbindungslinie ineinander eingreifen.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine leistungsfähige, einfach baubare Verbindung mit Winkelausgleich und die Anwendung als gebaute Gelenkwelle zu zeigen. Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung hat zur weiteren Aufgabe, eine leistungsfähige Verbindung zwei Teile zu zeigen. Diese Aufgabe wird durch Anspruch 10 gelöst.
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Beschreibung
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Ein winkelausgleichendes Gelenk verbindet an sich eine Schwenkbewegung aus der Verbindungsachse heraus mit der dreh- und zugfesten Verbindung von An- und Abtriebsseite um die Verbindungsachse. Die beiden gekreuzten Schwenkachsen des allgemeinen Kreuzgelenk werden erfindungsgemäß für jede Seite getrennt realisiert. Dabei führen rotationssymmetrische und formschlüssig komplementäre Eingriffe, die auf der inneren oder äußeren Oberfläche von Pfannen bzw. Kugelhalbschalen liegen und die die Pfanne auf dem komplementären Sattel schwenkbar halten, die Kräfte auf großen Radien und über große Flächen. Jede Seite für sich stellt ein in sich haltendes Schwenkgelenk dar.
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Die Eingriffe hinterschneiden je Seite in zylindrischer Umfangs- und Achsrichtung und halten damit sowohl Drehmomente als auch Zugkräfte, und sie hinterschneiden zudem optional und vorteilhaft in Kugel-radialer Richtung vom Gelenkzentrum aus. Letzteres verhindert ein dehnendes Abheben des zu verbindenden Teils von seiner Pfanne direkt in der Verbindung, während dies herkömmlich ein steifer und damit dickerer Körper der Lageraugen unterbindet.
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Die starre Verbindung beider Seiten kann herkömmlich erfolgen oder vorteilhaft zum Bauen und Kuppeln mittels eines Riegels mit ebensolchen Eingriffen, wie die für die Schwenkbewegung. Kollisionen beider Teile bei der Schwenkbewegung werden durch Freiräume verhindert. Im Grenzfall ist auch eine gebaute, drehfeste Verbindung ohne Freiraum und damit ohne Schwenkbereich als Kupplung möglich.
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Um die Montage zu ermöglichen, sind alle Eingriffe der Teile als Sektor von höchstens 180° ausgeführt.
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So vermeidet man im Gelenk vorteilhaft zum einen zentrale Elemente, zum anderen ein Übergreifen innerhalb der schwenkenden Bewegung von der antreibenden Seite auf die abtreibende Seite. Der vorteilhafte Formschluss über kleine Nuten in großer Zahl reduziert zudem die Spitzenspannungen. Jedes dieser Vorteile führt unabhängig für sich vorteilhaft zu einer schlankeren und leichteren Baugröße. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren gezeigt und näher beschrieben.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung.
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2 zeigt die mittleren Pfannen zu 1 vergrößert.
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3 zeigt eine Anwendung der Verbindung nach 1.
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4 zeigt das Zusammenbauen der Verbindung nach 1.
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5 zeigt eine Verstellvorrichtung für eine kuppelnde Verbindung.
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6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der mittleren Pfanne.
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7 zeigt einen geschlossenen Balg für eine Seite der Verbindung,
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8 zeigt eine weitere Version der Verbindung.
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Die Übersicht in 1 zeigt eine bis auf den Riegel 3 explodierte Darstellung (1a) einer erfindungsgemäßen Verbindung 20, sowie deren Seitenansicht (1b), und die Ansichten der zusammengebauten Verbindung von oben (1c) und von der Seite (1d). Den einzelnen Teilen sind fortlaufend Eingriffsachsen (11 zu 1, 12.1 und 12.2 zu 2, 13 zu 3, 14.1 und 14.2 zu 4, 15 zu 5) als Symmetrieachse für jeden Eingriffsbereich – innen und außen mit Unterpunkt 1 und 2 – zugeordnet. Die äußeren Teile 1 5 sind die zu verbindenden Teile. Sie besitzen Freiräume 18 (1b, c) und lassen sich so auf ihren Pfannen 2 4 schwenken und so ihre Zenit-Achsen 10 bzw. 16 gegeneinander verkippen. Jeder Halbschale bzw. jedem Schalensektor sei analog eine Zenit-Achse zugeordnet, die vom Zentrum aus durch das Flächenzentrum des Schalensektors geht. Die Eingriffsachsen einer Position stehen senkrecht auf der Zenit-Achse. In 3 ist eine solche Verkippung gegenüber der Hauptachse 60 der Verbindung am Beispiel einer Gelenkwelle gezeigt. 2 zeigt beispielhaft die inneren und äußern Eingriffsbereiche 22.1 und 22.2 bzw. 24.1 und 24.2 und ihre Achsen 12.1 und 12.2 bzw. 14.1 und 14.2 für die Pfanne 2 bzw. 4. In den anderen Figuren wird auf die explizite Bezeichnung der Eingriffsbereich zur besseren Übersicht verzichtet und an sich nur die Eingriffsachsen bezeichnet. Die Eingriffsbereiche der beiden Seiten der Schale können windschiefe Eingriffsachsen haben. In der 1 und 2 schneiden sich die Eingriffsachsen 14.1 und 14.2 der Pfanne 4 senkrecht im Mittelpunkt ihrer Hüllkugel.
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Auch bei vollem Ausschlag bleiben die Teile 1 5 wegen der Freiräume 18 auf ihrer Seite bzw. auf ihrer Pfanne. Ein umeinander Greifen über die Schwenkachse hinaus, wie es herkömmlich bei Gabelauge und Zapfen in jeder Stellung vorkommt, unterbleibt vorteilhaft. Damit lässt sich mit einer entsprechenden Verriegelung die Verbindung 20 auch im geschwenkten Zustand trennen und auch Zwischenstücke in einem Strang von Verbindungen, z. B. der Mittelteil bei einer Gelenkwelle, radial (de)montieren, ohne die äußeren Teile entfernen oder bewegen zu müssen. Weiter unten wird darauf noch näher eingegangen.
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Um Drehmomente aufzunehmen, greifen Teile 1 5 und Pfannen 2 4 und optional Pfannen und vorteilhafter Riegel 3 jeweils über komplementäre Nuten-Feder-Paarungen ineinander. Die Eingriffsbereiche sind rotationssymmetrisch um ihre Eingriffsachsen 11 bis 15 ausgeführt und erlauben so die Verdrehung der Teile um sie paarweise als Halbschalensystem mit innerer und äußere Schale und fluchtenden Eingriffsachsen; sie bilden im eingedrehten Zustand einen halbkugelförmigen Stapel. In Richtung der Zenit-Achse können die Nuten in Polnähe Hinterschnitte bilden, so dass sie Zugkräfte in Richtung ihrer Zenit-Achsen aufnehmen und die ineinander greifenden Teilepaare zusammen halten. Die Nuten können also als rotationssymmetrische Kerbverzahnung ausgeführt sein.
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Die Figuren zeigen die Pfannen 2 4 vorteilhaft über einen Riegel 3 mit ähnlichen Eingriffen wie zwischen den Teilen und ihren Pfannen (1 mit 2 und 4 mit 5) lösbar zum Kuppeln verbunden. Die Pfannen 2 und 4 lassen sich aber auch nach dem Eindrehen in die zu verbindenden Teile 1 5 herkömmlich lösbar oder dauerhaft verbinden. Nur über die Verbindung der Pfannen 2 4 werden Kräfte zwischen den Seiten übertragen, wodurch im Verhältnis zur herkömmlichen Gabel-Zapfen(kreuz)-Paarung spezifisch größere Flächenträgheitsmomente für die wirkenden Flächen entstehen. Zudem kann vorteilhaft damit die Dämpfung über die Verbindung, vorteilhaft durch den Riegel 3, von der Führung entkoppelt eingestellt werden, indem der Riegel z. B. als dämpfender Elastomer ausgeführt wird, die Eingriffsbereiche der Pfannen-Teile-Paarung mit passenden Gleitpaarungen in gehärtetem Metall oder in Kunststoffen.
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Die Nuten können in einer weiteren vorteilhaften Ausführung zur besseren Versteifung der Halbschalen untereinander radial hinterschnittene Profile aufweisen, um auch vom Gelenkmittelpunkt aus gesehen in alle Raumwinkel radiale Kräfte aufzunehmen. Dies kann bei unterschiedlichen Temperaturausdehnungen der Schalen ein kugelsymmetrisches radiales Klaffen oder lokales oder ganzes Abheben verhindern. 2 zeigt in isometrischer Darstellung und in der Sicht in die Pfannen hinein Nuten mit zusätzlich hinterschnittenen, Schwalbenschwanz-artigen Profilen 21 in der Vergrößerung der Pfannen 2 4 zusammen mit den unterschiedlichen Eingriffsachsen 12.1, 12.2 bzw. 14.1, 14.2 zu ihren inneren und äußeren Eingriffsbereichen 22.1, 22.2 bzw. 24.1, 24.2. Die Profile 21 für die Nuten verteilen sich regulär auf einem Teilkreis.
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Die Teile 1 bzw. 5 haben um ihre Eingriffsachse 11 bzw. 15 umlaufende Nuten. Ihre innen liegenden Nuten greifen in komplementäre Nuten auf der Außenseite der zugeordneten Pfanne 2 bzw. 4 ein, wie es auch 4g und 4h zeigt.
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Die Teile 1 5 können einen passenden Körper haben, die die gezeigten Eingriffsbereiche als Anschluss integrieren. Beide Teile 1 5 können unterschiedliche Freiräume oder Eingriffe haben. 3a, b zeigt eine Gelenkwelle in bekannten W- und Z-Anordnungen mit zwei integrierten Verbindungen 20 als Kreuzgelenk. Die Teile 1 und 5 sind integriert in den Wellenteilen als 1a, b bzw. 5a, b bezeichnet. Da die Teile 1 und 5 hier identisch ausgeführt sind, ist die Reihenfolge der Bezeichnung willkürlich. Deutlich zeigt sich der vorteilhafte schlanke Baukörper mit sehr geringer Störkontur.
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Der Ablauf der Montage der erfindungsgemäßen Verbindung 20 nach 1 zeigt 4. Die Eingriffsbereiche sind zur besseren Übersicht in den Schnitten der 4a bis 4f nicht eingezeichnet, jedoch in 4g und 4h in isometrischer Ansicht an den ausgewählten Teilen gezeigt. In 4a bis 4c wird Pfanne 4 gegenüber Teil 5 positioniert und in die komplementären Eingriffsbereiche eingedreht. Der Riegel 3 ist ebenso im Vorfeld in die Pfanne 4 eingedreht worden und dreht jetzt mit. In 4d positioniert sich der ebenso montierte Schalenstapel aus Teil 1 und Pfanne 2 deckungsgleich mit den inneren Eingriffsbereichen gegenüber dem hier vollständig eingedrehten Stapel aus 1c. Die Pfanne 2 hat auf ihrer inneren Seite die gleichen Eingriffe wie Pfanne 4 und erlaubt damit, den Riegel 3 ebenso aufzunehmen, wie auch in 2 gezeigt. 1e zeigt den Riegel 3 nach dem Aneinanderlegen der Stapelpaare um 90° zurückgedreht, wie er so in beide Seiten eingreift und sie verbindet. Die äußeren Pfannen 2 4 und Teile 1 5 kommen nicht unmittelbar mit der jeweils anderen Seite in Eingriff. Eine Berührung kann durch entsprechende Abstände sogar unterbunden werden, was ein Verkanten bei der radialen Positionierung erleichtern kann. Die Pfannen können Kalotten sein. Auch der Riegel 3 kann als ein Ausschnitt der Halbkugel, z. B. als Kalotte, ausgeführt klammern.
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Der Riegel 3 kann mit einem zweiten Riegel 3', der dann wie der erste in Pfanne 4 in die Pfanne 2 eingreift, zur vollen Kugel ergänzt werden. Dann drehen nach dem Positionieren entsprechend 4d beide Riegel miteinander übergreifend in die gegenüber liegende Pfanne ein und klammert in der Arbeitsstellung mit doppelter Fläche (1f und 1h). Zudem lassen sich so Unwuchten einfach vermeiden. Die 1g und 1h zeigen geschlossene Verbindungen mit ausgeblendeten Positionen Teil 1 und Pfanne 2.
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Um den Riegel im aneinander gelegten Zustand zu drehen und zu fixieren, kann eine Verstell- und Haltevorrichtung dienen. In 5 ist der schließende Riegel 3 mit einer mehrteiligen Verstell- und Halteeinrichtung 40 aus Bowdenzug 40.1 mit Festhalter 40.2 und Aktor 40.3 gezeigt. Beim Eindrehen in die Pfanne 4 kann der Riegel den gerade bis dahin eingeführten Festhalter am Punkt 41 mitnehmen. Die Verstellung kann auch mit je einem Seilzug je Drehrichtung ähnlich dem Bowdenzug geführt werden oder über ein Rad reibend oder kämmend am Punkt 41 erfolgen. Eine Fixierung lässt sich auch durch elastische Federn oder Klinken zwischen Riegel und Pfanne herkömmlich realisieren. Vorteilhaft ist der Zugang zum Riegel 3 durch die äußeren Pfannen 4 bzw. Teil 5 hindurch in der Zenit-Achse der Pfanne zu führen, so dass nur eine geringe Schwächung der Kräfte übertragenden Flächen gegeben ist. Außerhalb der Verbindung lässt sich der Aktor 40.3 in einem unkritischen Bereich nach außen führen. Der Zugang durch Teil 5 hat die Schwenkung gegenüber der Pfanne durch entsprechende Freiräume zu berücksichtigen. Damit ist auch in geschwenkter Stellung ein Öffnen möglich.
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Da die Pfanne 4 gegenüber dem Riegel 3 im Betrieb nicht schwenkt, kann die Schwächung des äußeren Teils 5 in bestimmten Anwendungsfällen klein bleiben, indem nur in der nicht geschwenkten Ausrichtung der Zenit-Achse 16 des Teils 5 ein Zugang zur Verstellvorrichtung 40 erfolgen kann. So werden sonst benötigte weitere Freiräume im Teil 5 vermieden.
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Wie bereist erwähnt können die Teile 1 und 5 zur Reduzierung von Einzelteilen vorteilhaft identisch ausgeführt werden. Damit sind die äußeren Eingriffe der Pfannen 2 4 festgelegt, die inneren können sich für den Riegel 3 gleichen. In einer weiteren Ausführung werden die Eingriffsachsen 12.1, 12.2 der Pfanne 2 nicht um Null Grad und die Eingriffsachen 14.1, 14.2 der Pfanne 4 um 90° verdreht ausgelegt, wie bisher gezeigt, sondern jeweils um 45° gegensinnig gedreht (6a). Da sich die Pfannen in der Verbindung um 180° gedreht zueinander befinden, klappt die äußere Achse 12.2 bei identischer Auslegung der Pfannen 2 und 4 nun zur Achse 14.2 um, wie in 6b vereinfacht als Rückansicht der Achsen ohne Pfanne 4 und in Klammern die Achse 12.2 der nicht mit umgeklappten Pfanne 2 gezeigt. Sie (12.2 und 14.2) kreuzen sich dann wie vorher auch um 90°, während die inneren Achsen 12.1 und 14.1 fluchten und der Riegel 3 die Pfannen 2 4 verbinden kann. Die ganze Verbindung besteht damit vorteilhaft nur aus zwei oder – mit optionalem Riegel – aus drei Einzelteilen.
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Alle Teile bzw. Positionen stellen insbesondere in ihren Eingriffsbereichen sektorale Rotationskörper bis höchsten 180° dar und lassen sich in Drehrichtung ohne Hinterschnitte fertigen, bearbeiten und handhaben. Die Teile lassen sich gießen und drehend entformen bzw. die Form je Eingriffsbereich drehend lösen. Der Vorgang entspricht im wesentlichen der Demontage, wobei z. B. die Pfanne 4 aus 1 und 2 zwischen Riegel 3 und Teil 1 gegossen wird, dann wird der Riegel um seine Eingriffsachse 13 herausgedreht – sie entspricht der erzeugten Eingriffsachse 14.1 –, dann die Pfanne um die Eingriffsachse des. Teils 5, die durch die Abformung ihrer Eingriffsachse 14.2 entspricht. Damit sind einzelne oder alle Teile der Verbindung oder der Gelenkwelle vorteilhaft in optional faserverstärktem Kunststoff, in spritzgießbaren Keramiken oder aus sonstigen Verbundwerkstoffen inklusive gießbarer nachwachsender Rohstoffe günstig zu fertigen.
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Alle Pfannen 2 4 und Riegel 3 3' lassen sich zudem vorteilhaft mehrteilig aus kleineren Sektoren ausführen und zu dem endgültigen Sektor aneinander legen.
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Da die wirkenden Flächen vorteilhaft im wesentlichen außerhalb der Hauptachse 60 der Verbindung liegen, kann die Verbindung Rohr-ähnlich als hohle Verbindung ausgelegt werden und nach dem Zusammenbauen z. B. in einer hohlen Gelenkwelle im Inneren Installationen für z. B. Druckluft, Öl, Daten, Energie, Inspektionsvorrichtungen oder Kühlung geschützt zentral mitdrehend oder ruhend erhalten.
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Da die Schwenkbewegung vorteilhaft nicht in die andere Seite eingreift, hat das Gelenk drei getrennte Bereiche, bestehend aus i) Teil 1 mit Pfanne 2 außen, ii) Pfanne 2 innen (mit Riegel 3 und optional 3' und) mit Pfanne 4 innen und iii) Pfanne 4 außen mit Teil 5. So lassen sich Schutzbälge und Dichtungen einseitig so verlegen, dass eine Trennung der Verbindung diese nicht verletzt oder öffnet. Die Bälge oder Dichtungen haben nur die Schwenkbewegung zwischen Pfanne und Teil einer Seite zu ermöglichen. So lassen sich Schmierungen oder Druckbereiche im Bereich der Gelenke auch im offenen Zustand ge- und verschlossen halten. Schmierstoffen können nicht austreten. 7 zeigt einen Balg 50 vereinfacht, der an der Pfanne 2 dichtet und das Teil 1 umfasst, bei offener (7a) und geschlossener Verbindung (7b), ohne den Raum des Riegel 3 zu stören. Vorteilhaft kapselt der mittlere Bereich (Punkt ii oben) die Riegel im Gebrauch gegen Schmutzt und Feuchtigkeit. Eine einfache Ringdichtung zwischen den Pfannen langt.
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Eine vorteilhafte Anwendung der gekapselten Hälften stellen hygienische Trennungen oder Gas- oder Fluid-dichte Schleusen dar. Vorteilhaft ist hierbei die gute Reinigungsmöglichkeit der zerlegbaren Verbindung und ihre einfache Montage auch von der radialen Richtung selbst im geschwenkten Zustand.
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8 zeigt eine Ausführung der Verbindung, wo die Riegel 3, 3' je einen zylindrischen Stumpf 3.1, 3.1' nach außen haben, die drehbar durch Freiräume in den anderen Teilen geführt ist und der i) zum Verriegeln wie auch ii) als eigenständiger Anschluss zu einer dritten Richtung oder iii) als drittes bzw. viertes verbundenes Teil dienen kann. In 8a) halten alle Teile zusammen, in 8b) ist zudem die vordere Seite auch voll besetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/117412 [0005]
- EP 10709498 [0005]
