DE2821937A1 - Einweg-kupplung - Google Patents

Description

Γ PATENTANWÄLTE "1

DR.-ING. R. DÖRING 3 DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

5322

DANA CORPORATION

4500 Dorr Street, Toledo, Ohio

Einweg-Kupplunp

Die Erfindung betrifft eine Einweg-Kupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1,

Mit Klemmstücken arbeitende Einweg-Kupplungen werden in vielen Industrien, insbesondere in der Nuklear-Industrie, zur Erzeugung elektrischer Energien verwendet. Solche Kupplungen dienen dazu, um z.B. nukleare Pumpen und zugehörige Antriebsmotoren gegen Drehen in der Gegenrichtung zu sichern.

Einweg-Kupplungen mit Klemmstücken können anstelle von Rückschlagventilen oder elektrischen Sicherheitseinrichtungen vorgesehen werden, um Beschädigungen oder Zerstörungen von einem Rückfluß oder einer Rückwärtsbewegung der zugehörigen Maschinenteile zu verhindern· Das Kühlmittel-Zirkulationssystem, welches große Mengen an Wasser durch die nuklearen Reaktoren bewegt, erfordert Komponente, die wirksam bleiben können, selbst wenn in den Unter- oder Teilsystemen Fehlfunktionen auftreten. In einem typischen Druckwasserreaktor sind in dem zugehörigen Primär-Kühlsystem ebenso wie bei einem typischen Heißwasserreaktor vier von

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Motoren angetriebene Pumpen vorgesehen. Die Pumpen werden von sehr großen Motoren angetrieben (6000 bis12000 PS) und sind parallel-geschaltet, wobei alle diese Pumpen das Kühlmittel durch den Reaktorkessel pumpen. Wenn eine Pumpe ausfällt, muß die Menge an Rückfluß durch diese Pumpe auf geeignete Weise begrenzt werden. In der Tat ist die Verhinderung einer Rückdrehung von großer Bedeutung, da das Anstellen und Anhalten einer reversierbaren Rotationspumpe schwere Belastungen an einem Antriebsmotor hervorrufen können. Außerdem ist auch die Rückströmung des Kühlmittels nicht wünschenswert und kann zu Unwirksamkeit führen. Die Klemmstücken arbeitende Rücklaufstop-Kupplung wurde mit Erfolg eingesetzt, um eine RUckdrehung von durch Motoren angetriebene Pumpen zu verhindern. Eine solche Kupplungseinrichtung besteht in der Hauptsache aus einer zylindrischen inneren Lauffläche und einer konzentrischen zylindrischen äußeren Lauffläche. Der Ringraum zwischen den beiden Laufflächen wird durch Lager aufrechterhalten und enthält speziell geformte Keile oder Nocken, die als Klemmstücke bezeichnet werden. Jedes Klemmstück weist ein mit Präzision hergestelltes Nockenprofil jeweils auf der Innen- und der Außenfläche auf. Eine gegen Rückdrehung sichernde Kupplung kann so ausgestaltet sein, daß die äußere Lauffläche oder der äußere Kupplungsteil ait der Motorwelle verbunden wird, während die innere Lauffläche festgehalten wird. Während des normalen Vorwärtsbetriebes überläuft die äußere Lauffläche die innere Lauffläche. In Augenblick einer Drehrichtungsumkehr greifen jedoch die KLeamstüeke ein und verhindern, daß die äußere Lauffläche und der Motor in der ent-

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- 5 gegengesetzten Richtung drehen.

Ein automatischer Eingriff "bei Null-Drehzahl ist eine der wichtigsten Eigenschaften einer mit Klemmstücken arbeitenden Kupplung. Der Eingriff soll augenblicklich erfolgen und zwar bevor der Antriebsmotor für die Pumpe praktisch die Drehrichtung umkehrt. Wenn die Pumpe abgeschaltet wird, setzt die Kupplung ihre Überlaufbewegung fort, wenn die Drehzahl der Pumpe abnimmt. Wenn die Pumpe den Wert Null erreicht, soll dagegen die Kupplung automatisch aufgrund ihrer mechanischen Wirkung zum Eingriff, um jede Gegendrehung zu unterbinden.

In der Vergangenheit hat man Anordnungen, die aus durch kleinere Motoren angetriebene Pumpen bestehen, mit ähnlichen Schaltklinkenvorrichtungen ausgerüstet, welche mit Schwerkraft oder Zentrifugalkraft arbeiten. Diese Kräfte wirken auf Stifte, die geeignet sind, in Zähne einzufallen, die in den relativ zueinander drehenden Teilen vorgesehen sind, um so die Kupplungswirkung herzustellen. Bei relativ großen Systemen dieser Art, wie sie in der Ntiklearenergie verwendet werden, sind jedoch die mechanischen Anforderungen an solche Vorrichtungen zu groß und schwerwiegend. Einer der Hauptgründe, um von der Verwendung von Klinken und Stiften in der oben genannten Anwendungssituation abzusehen, besteht darin, daß bei diesen Vorrichtungen eine bestimmte Rückdrehung zulässig sein muß, bevor der Eingriff statt findet. Bei der Mass· eines Schwungrades einer Pumpe, welches beispielsweise 12 Zoll dick ist, und einen Durchmesser von 65 Zoll aufweist und etwa 5000 kg oder mehr wiegt, erfordert selbst

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eine Drehbewegung von 3° enorme Energie, um das Schwungrad zum Stillstand zu "bringen. Dies ist der Grund dafür, daß die Erzielung der Stoppwirkung präzis an dem Punkt der Nullgeschwindigkeit von größter Bedeutung ist.

Außerdem ist es sehr wichtig, lange Lebenszeiten im Bereich der nuklearen Systeme zu gewährleisten. Die Klemmstücke können aus im hohen Maße mit Kohlenstoff legiertem Stahl hergestellt werden, wobei Chrom in die Oberfläche diffundiert ist. Dies führt zu einer Oberflächenhärte mit hohem Korrosions- und Abnutzungswiderstand.

Andere Anwendungsbereiche auf dem Gebiet der Nuklear-Energie umfaßt Reservesysteme für die Kühlpumpen. In solchen Systemen sind zwei oder mehr Motoren von denen ein jeder zum Antrieb herangezogen werden kann, mit der Antriebswelle der Pumpen gekuppelt und zwar über solche mit Klemmstücken ausgerüsteten Kupplungen.

Bei übermäßigen Drehmomenten können die Klemmstücke jedoch zerbrechen, überkippen oder anderweitig zu nicht reparierbaren Schäden an den Laufflächen führen, an denen die in entgegengesetzte Richtungen weisenden Nockenflächen der Klemmstücke angreifen sollen·

Ea ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einweg-Kupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffes so weiterzubilden, daß bei Belastung mit Drehaomenttn über den^rjprmalerweise Belastungen,

die Gestalt des Klemmstückes wirksam wird, um eine relative Bewegung zwischen den äußeren und inneren Laufflächen in einer Richtung zu ermöglichen, ohne daß irgendeine nennenswerte permanente Beschädigung an der Kupplungseinrichtung auftreten kann. Außerdem soll dafür gesorgt werden, daß die Kupplungseinrichtung in zunehmendem Maße Drehmomentbelastungen ausgesetzt werden kann, ohne daß die Gesamtabmessungen über Gebühr vergrößert werden müssen. Weiterhin soll gewährleistet werden, daß bei der Einweg-Kupplung momentan die Belastung an einem Drehmomentsniveau oberhalb des extrem hohen, zufälligen Belastunginiveau, das innerhalb der Aufnahmefähigkeit der Kupplung liegt, auftritt, freigegeben wird.

Die Aufgabe wird durch eine Einweg-Kupplung gelöst, welche die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 aufweist.

Wesentlich ist hierbei, daß die nockenartigen wirksamen Flächen der Klemmstücke Bögen sind, deren Krümmungsradien von seitlich im Abstand angeordneten Krümmungsmittelpunkten ausgehen, wobei diese Mittelpunkte zwischen den entgegengesetzten Enden der KlemmstUcke liegen. Darüberhinaus muß wenigstens ein Nockenflächenabschnitt einen gekrümmten Bereich mit einem Radius besitzen, dessen Mittelpunkt außerhalb des Profils des Klemmstückes liegt. Vorzugsweise ist dieser Abschnitt ein in relativer Drehrichtung gesehen, hinterer Abschnitt der betreffenden Nockenfläche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

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Fig.1 im Ausschnitt und in Seitenansicht eine Einweg-Kupplung nach der vorliegenden Erfindung.

Fig.2 im größeren Maßstabe ein Klemmstück zwischen den zugehörigen Laiflächen, wobei das Klemmstück in einer Verriegelungsstellung nach Aufbringung der zugemessenen Drehmömentsbelastung vorgesehen ist und

Fig.3 in ähnlicher Darstellung wie Fig.2 das Klemmstück in einer Kippstellung als Ergebnis einer Drehmomentsbelastung oberhalb der zulässigen Drehmomentsbelastung der Einrichtung.

Die in Fig.1 gezeigte Vorrichtung weist ein äußeres Kupplungselement 10 mit einer inneren Lauffläche 12 und ein inneres Kupplungselement 14 mit einer äußeren Fläche 16 auf. Die innere Lauffläche 12 des äußeren Kupplungsgliedes 10 und die äußere Lauffläche 16 des inneren Kupplungsgliedes 14 besitzen einen gegenseitigen Abstand, so daß sie einen im wesentlichen ringförmigen Raum zwischen sich begrenzen. In diesem sind mehrere Klemmstücke 20 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Die Kupplung ist so geeignet, daß sie die Laufflächen 10 und 14 für Drehung in einer Richtung miteinander verbinden kann, jedoch eine freie relative Drehung der Kupplungselemente in der entgegengesetzten Riohtung gestattet.

Die innere Lauffläche 12 des äußeren Kupplungselementes 10 ist mit einer inneren zylindrischen Fläche ausgerüstet, die durch

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den Krümmungsradius Rq um den Punkt O bestimmt ist. Die äußere Fläche 16 des inneren Kupplungselementes 14 ist durch eine äußere zylindrische Fläche gebildet, die durch den Radius R. um den Punkt O bestimmt ist.

Jedes Klemmstück 20 weist, wie dies deutlich die Fig.2 und 3 zeigen, eine Nockenfläche 22 an einem Ende und eine Nockenfläche 24 am entgegengesetzten Ende auf, wobei diese Flächen zum Eingriff an die Laufflächen 12 und 16 bestimmt sind. Die Fläche 22 wird durch zwei oder mehr als zwei gekrümmte Flächenbereiche von unterschiedlichem Radius gebildet. Die Oberfläche von Punkt a bis zum Punkt b wird durch eine äußere Nockenfläche bestimmt, die durch den Radius r* um einen Mittelpunkt ρ erzeugt wird. Dieser Mittelpunkt ist innerhalb des Profils des Klemmelementes 20 angeordnet. Die Fläche von Punkt b bis zum Punkt c ist mit einer äußeren zylindrischen Nockenfläche bestimmt, die durch einen Radius R um einen Mittelpunkt 0' erzeugt wird, der außerhalb des Profils des Klemmelementes. 20 liegt. Es wird darauf hingewiesen, daß es hier um den gleichen Radius R geht, der auch die Krümmung der inneren Fläche 12 des äußeren Kupplungselemente» 10 bestimmt. In der Praxis wird der Punkt b als der Punkt bezeichnet, an dem die beiden unterschiedlichen Kurven ineinander übergehen.

Die BodenJEläche 24 des Klemmstückes 20 wird durch eine einzige zylindrische Kurve d bis e bestimmt, die im wesentlichen mit dem gleichen Radius wie die Kurve a bis b der oberen Fläche 22 erzeugt wird. Um jedoch die gewünschte Nocken- oder Keilwirkung zu erreichen, wenn das Klemmstück 20 im Gegenuhrzeigersinne

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kippt, ist der Mittelpunkt ρ der Kurve d - e buchstäblich gegenüber dem Mittelpunkt ρ der Kurve a - b versetzt.

Die Klemmstücke 20 gemäß Fig.1 sind typischerweise mit seitlich sich erstreckenden Ansätzen versehen, welche Schlitze 26 besitzen, durch die eine Wiedereinrichtung 28 zur Halterung der Elemente 20 geführt ist. Es ist ersichtlich, daß gleichermaßen erfolgreiche Ergebnisse erzielt werden können, wenn man die Elemente 20 in anderer Weise so ausbildet, daß ihnen Federmittel zugeordnet werden können, um die Elemente in dem gewünschten gegenseitigen Abstand zu halten.

Jedes Klemmstück 20 ist mit einer allgemein flachen rückwärtigen Fläche 30 versehen, die in einem nach oben und nach außen vorspringenden Abschnitt 32 enden, der typischerweise nach einem Radius ausgebildet ist. Die vordere Fläche 34 ist allgemein flach und erstreckt sich senkrecht vom Punkt e bis Punkt c.

Es wird nunmehr die Aufmerksamkeit auf die Arbeitsweise einer Einweg-Kupplung gemäß der Erfindung gerichtet. In Fig.2 sind die Klemmstücke in eine Kippstellung im Gegenuhrzeigersinne wiedergegeben mit der Folge, daß die Nockenflächen 22 und 24 an den angrenzenden Laufflächen 12 und 16 angreifen und dabei bewirken, daß die Einrichtung in der blockierten Stellung ist. Wenn sich die Klemmstücke 20 in dieser Sperrstellung befinden, tritt keinerlei relative Drehbewegung zwischen den Kupplungsgliedern 10 und 14 auf. Das bedeutet, daß jedes Drehmoment, das auf das innere Kupplungselement 14 einwirkt, durch die Klemmstücke

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20 auf das äußere Kupplungsglied übertragen wird. Während wie erwähnt, keine relativen Bewegungen zwischen den Kupplungeelementen 10 und 14 stattfindet, kann eine Art Verwindung in dem einen Kupplungselement gegenüber dem anderen Kupplungselement auftreten in Abhängigkeit von den physikalischen und metallurgischen Parametern der Kupplungsglieder und der Größe des auf das System einwirkenden Drehmoments.

Das Drehmoment wird von Kupplungsglied zu Kupplungsglied durch die Klemmstücke 20 übertragen, wenn diese in der Eingriffsstellung zwischen den Kupplungsgliedern 10 und 14 sind. Dieses Drehmoment wird mit Hilfe einer Reibungskraft übertragen, die zwischen denLaufflächen 12 und 22 und zwischen den Flächen 16 und 24 auftritt. In Übereinstimmung mit gut bekannten physikalischen Prinzipien muß die Richtung dieser funktionalen Kraft parallel zu den Oberflächen am Kontaktpunkt dieser Fläche verlaufen. Die Reibungskraft zwischen den Flächen 12 und 22 ist mit f bezeichnet und liegt entlang einer Tangente zwichen den Flächen 12 und 22 am Punkte S. Ähnlich ist die Reibungskraft zwischen den Flächen 16 und 24 mit f^ bezeichnet und verläuft einer Tangente zu der Oberfläche 16 und 24 im Punkte T.

Das Drehmoment ist als Vektorprodukt einer Kraft mal dem senkrechten Radius zwischen der Kraft und der Drehachse definiert. Das auf die Klemmstücke 20 am Punkt T angreifende Drehmoment ist somit gleich dem Produkt von f^ mal R,. Das Drehmoment am Punkt S ist entsprechend gleich dem Produkt von f mal R · Da die Klemmstücke 20 sich in einem Drehgleichgewicht im Eingriffszu-

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stand befinden, muß das Drehmoment am Punlfce T gleich und entgegengesetzt gerichtet sein, dem Drehmoment am Punkt S. Da R größer ist als R^, muß die Kraft f^ größer sein als die Kraft

Das durch die Klemmstücke 20 übertragene Drehmoment ist somit direkt in Bezug auf die Reibungskräfte f^ und f , die zwischen den Klemmstücken 20 und den Kupplungsgliedern 10 und 14 wirksam sind. Die Reibungskräfte f^ und f sind variable Größen und sind durch die Koeffizienten der Reibung n^ und u zwischen den Klemmstücken 20 und den Kupplungsgliedern 14 und 10 begrenzt. Sie stehen in direktem Verhältnis zu den senkrechten Kräften n^ und η , die durch die Kupplungsglieder 14 und 10 auf die Klemmstücke 20 ausgeübt werden. Die Grenzbeziehung ist durch die Formel f^ gleich u^ mal N^ und f gleich u_Q mal N_Q gegeben. In den meisten Anwendungsfällen sind die Reibungskoeffizienten u^ und u_Q gleich, wenn die inneren und äußeren Kupplungsglieder aus dem gleichen Material sind. Zum Zwecke der Beschreibung kann jedoch angenommen werden, daß dies nicht der Fall ist. Die Normalkraft N^ ntuß aufgrund der Definition auf der Linie θ ' liegen und greift an dem Klemmstück 20 am Punkt T an„ In ähnlicher Weise liegt die Normalkraft N_Q auf der Linie 0 und greift an dem Klemmstück am Punkt S an. Da das Klemmstück 20 im Eingriffszustand sich sowohl in einem Translations- als auch in einem Rotationsgleichgewicht befindet, muß die Resultierende der Kräfte N^ und Fj, entlang der Wirklinie S T liegen und muß gleich und in der Richtung entgegengesetzt zu der Resultierenden der Kräfte N und f sein.

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Es sollte bemerkt werden, daß dann, wenn das Klemmstück 20 aus allgemein in Fig.1 gezeigten Stellring in die Stelllang nach Fig.2 kippt (und anschließend in die Stellung nach Fig.3), die radialen Abmessungen kontinuierlich zunehmen in einem Verhältnis, das durch die Nockenflächen bestimmt wird. Dadurch nimmt auch der Reibungseingriff zwischen den Nockenflächen 22 und 24 der Klemmstücke mehr und mehr zu, je mehr Drehmoment auf das System einwirkt, bis zu dem Nenndrehmoment für die bestimmte Auslegung. Die Einweg-Kupplung, soweit sie beschrieben und dargestellt ist, verwendet Klemmstücke 20, bei denen die Nockenfläche 24 an der· äußeren Fläche 16 des inneren Kupplungsgliedes durch einen einzigen Bogen gebildet wird, dessen Mittelpunkt innerhalb des Profils des Klemmstückes liegt. Die entgegengesetzte Nockenfläche 22 an der Innenfläche 12 des äußeren Kupplungsgliedes 10 ist dagegen aus zwei Kreisbügen gebildet. Der Mittelpunkt des einen Kreisbogens ist innerhalb des Profils des Klemmstückes gelegen, während der Mittelpunkt des anderen außerhalb des Profils des Klemmstückes angeordnet ist. Die Erfindung umfaßt jedoch auch Ausführungen, wonach die Nockenflächen umgekehrt ausgebildet sind, d.h. bei der die Nockenfläche nahe der Außenfläche des inneren Kupplungsgliedes zwei Kreisbögen umfaßt, der Mittelpunkt des einen außerhalb des Klemmstüokprofils liegt, während die Nockenfläche nahe der Innenfläche des äußeren Kupplungsgliedes aus einem einzigen Bogen gebildet wird, dessen Mittelpunkt innerhalb des Klemmstüokprofils angeordnet ist.

Zusammengefaßt wurde festgestellt, daß die vorliegende Erfindung zu einer Einweg-Kupplung mit inneren und äußeren Kupplungsgliedern

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führt, die mit Hilfe der Wirkung einer Mehrzahl von kippbaren Elementen mechanisch miteinander gekuppelt werden können, deren insgesamte effektive Abmessungen bei ihren Kippbewegungen in einer vorbestimmten Richtung zunimmt. Um effektive und momentan jedes überschüssige Drehmoment absorbieren zu können, ohne daß die Arbeitsteile nennenswert beeinträchtigt werden, sind die kippbaren Elemente mit Nockenflächen an den entgegengesetzten Enden versehen von denen wenigstens eine einen Bogen aufweist, mit einem Radius, dessen Krümmungsmitt elpunkt außerhalb des Profils des Elementes liegt. Die extreme Grenze des Radius, mit dessen Hilfe die erwähnte Nockenfläche gebildet wird, ist der Radius der Innenfläche des äußeren Kupplungsgliedes.

Sollte jedoch ein Umstand eintreten, bei dem durch ein nicht vorhersehbares Ereignis ein übermäßiger Betrag an momentanem überschüssigen Drehmoment auf das Eingangsglied einwirkt, das mit der Kupplung verbunden ist, können die Klemmstücke 20 um einen zusätzlichen Betrag im Gegenuhrzeigersinne kippen, wodurch der Abschnitt der Nockenfläche 22 zwischen den Punkten b und c in Berührung mit der Innenfläche 12 des äußeren Kupplungsgliedes 10 gelangt. Die übermäßigen Drehmomentswerte, die dann auf das System einwirken, veranlassen die Nockenfläche 22 zwischen den Punkten b und c über die Innenfläche 12 des äußeren Kupplungsgliedes 10 zu gleiten, so daß eine Überrollwirkung der Klemmstücke 20 verhindert wird mit der Folge, daß keine Belastung auftreten kann, die ausreichen könnte, die Klemmstücke 20 zu zerstören.

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Sobald die überschüssige Drehmomentbelastung vermindert wird, und der normale Drehmomentbelastungszustand erreicht wird, kehrt das Kupplungsglied 10 im Uhrzeigersinne in die ursprüngliche Relativstellung zum Kupplungsglied 14 zurück und aufgrund dieser relativen Drehbewegung der Kupplungsglieder aus der Stellung nach Fig.3 in die Stellung nach Fig.1 werden die Klemmstücke vollständig außer Eingriff gelangen, da die radialen Abmessungen der Klemmstücke 20 abnimmt.

Es muß noch darauf hingewiesen werden, daß zum Vermeiden irgendeiner dauernden Verformung der zugehörigen Kupplungsteile eine Ausbiegung der äußeren und inneren Kupplungselemente aufgrund der Zunahme der Gesamtabmessungen der Klemmstücke bei Auftreten einer überschüssigen Drehmomentsbelastung in vorbestimmten Grenzen gehalten werden müssen, die unterhalb einer permanenten plastischen Verformung liegen.

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Leerseife

Claims (4)

1. ■ff-

   Ansprüche

   1J Einweg-Kupplung mit einem äußeren Kupplungsglied mit innerer Kupplungsfläche und einem inneren Kupplungsglied mit einer äußeren Kupplungsfläche, bei der innere und äußere Kupplungsflächen einen Ringraum "begrenzen, in dem eine Gruppe von im wesentlichen gleich ausgebildeten kippbaren Klemmstücken in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, welche in Abhängigkeit von der relativen Drehrichtung zwischen den beiden Kupplungsgliedern diese in einer Drehrichtung miteinander zu einer Einheit verbinden und in der entgegengesetzten Drehrichtung eine relative Drehung zwischen diesen zulassen, wobei jedes Kupplungsstück jeweils mit der zugewandten Kupplungsfläche zusammenwirkende gekrümmte Eingriffsflächen aufweist dadurch ge kennzeichnet , daß Bereiche (a-b, d-e) der Eingriffsflächen (22, 24) mit seitlich zueinander versetzten Krümmungsmittelpunkten (p, p¹) innerhalb des Umrisses des Klemmstückes (20) vorgesehen sind und wenigstens ein Bereich (b-c) der Eingriff sf lache einen Bogenabschnitt bildet, dessen Krümmungsmittelpunkt außerhalb dieses Umrisses liegt.
2. 2. Einweg-Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Bogenabschnitt mit außerhalb des Umrisses liegenden Krümmungsmittelpunkt ein Endbereich (bezogen auf die relative Drehrichtung) der zugehörigen Eingriffsffiche (22) ist.
3. 3. Einweg-Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -kennzeichnet , daß die Eingriffsfläche mit dem

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   Bogenabschnitt, dessen Krümmungsmittelpunkt außerhalb des Umrisses des Klemmstückes liegt, diejenige ist, die mit der innenliegenden Kupplungsfläche (12) des äußeren Kupplungsgliedes (10) zusammenwirkt.
4. 4. Einweg-Kupplung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Eingriffsflächen (22, 24) gekrümmte Abschnitte aufweist, deren Krümmungsmittelpunkte jeweils außerhalb des Umrisses des KlemmstUckes liegen.

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