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Kupplungsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf Kupplungsvorrichtungen
derjenigen Art, bei welcher bewegliche, meiner geeigneten an den miteinander zu
kuppelnden und zu entkuppelnden Teilen vorgesehenen Bahn oder einem Raum liegende
Elemente in der einen Umdrehungsrichtung geklemmt werden, um eine starre Kupplung
der Teile zu erzielen und in der anderen Richtung eine freie Drelibewegung der Teile
mit Bezug aufeinander zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung besteht die Kupplungsvorrichtung aus zwei konaxialen
Elementen, die mit hyperboloidischen Flächen ausgerüstet sind, wodurch ein ringförmiger
Raum zur Aufnahme von Rollen gebildet wird. Die Achsen dieser Rollen sind gegenüber
der Achse der hyperboloidischen Elemente windschief angeordnet.
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Bei einer Urndr:ehungsrichtung der Welle entsteht durch die Reaktion
zwischen den treibenden und den getriebenen Elementen eine Reibungskomponente in
der Richtung der Achse der Welle, wodurch eine axiale Verschiebung zwischen den
inneren und äußeren kegelförmigen Elementen erfolgt und mithin die Rollen zwischen
den kegelförmigen Elementen eingeklemmt und diese fest miteinander verbunden werden:
Wird die Umdrehungsbewegung umgekehrt, so erfolgt durch die zerlegte Komponente
eine axiale Verschiebung der inneren und äußeren kegelförmigen Elemente mit Bezug
aufeinander nach entgegengesetzten Richtungen, so daß eine Entkupplung stattfindet.
Die Anordnung ermöglicht mithin die Umwandlung einer schwingenden Bewegung gleicher
oder veränderlicher Größe in eine gleichförmige Umdrehungsbewegung.
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Werden die Rollen so in ihrer Bahn angeordnet; claß ihre Achsen nach
der entgegengesetzten Richtung geneigt sind, so erfolgt die Festklemmung ebenfalls
in der umgekehrten Urndr ehungsrichtung.
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Infolge der -Neigung der Achsen der Rollen mit Bezug auf die Achse
der Welle ist es, um eine Berührung der Rollen auf ihrer ganzen Länge mit den konischen
Flächen zu erzielen, notwendig, claß die innere konische oder kegelförmige Fläche
ein wenig konkav und die äußere Fläche entsprechend konvex ausgebildet wird. Das
heißt mit anderen Worten, die Erzeugenden der kegelförmigen Flächen sind nicht gerade,
sondern ein wenig gebogen, wobei die Krümmung von der Neigung der Achsen der Rollen
abhängig ist.
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Verschiedene Ausführungsformen werden im nachfolgenden beschrieben,
doch sei darauf Hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die dargestellte und beschriebene
Ausführungsform beschränkt «-erden soll, vielmehr mannigfache Abänderungen getroffen
werden können, ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen.
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den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen von Kupplungen nach der Erfindung
dargestellt, und es- ist: Abb. i eine teilweise geschnittene Ansicht einer Kupplung
mit einer einzigen Reihe von Rollen, .
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Abb. 2 eine der Abb. i ähnliche Ansicht einer zweiteiligen Umkehrkupplung,
bei welcher die Rollen der beiden Teile nach entgegengesetzten Richtungen geneigt
angeordnet sind.
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Abb. 3 eine geschnittene Ansicht einer Verbundkupplung, Abb. d. eine
geschnittene Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform einer Verbundkupplung, Abb.
5 eine geschnittene Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform einer Umkehrkupplung,
Abb. 6 ein Ouerschnitt nach der Linie 6-6 der Abb. 5, Abb. j eine geschnittene Ansicht
einer anderen Ausführungsform einer zweiteiligen Umkehrkupplung, bei welcher die
Rollen beider Teile nach der gleichen Richtung geneigt sind, Abb. 8 eine geschnittene
Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform zum Verkuppeln zweier Wellen, Abb. 9
eine Endansicht der Kupplung nach Abb. 8, Abb. io eine etwas abgeänderte Ausführungsform
der in Abb. 8 und 9 veranschaulichten Kupplung, Abb. i i ein in größerem Maßstab
gezeichnetes Gehäuse zur Aufnahme der Rollen und Abb. 12 ein Ouerschnitt durch das
Gehäuse mit den in ihrer Bahn liegenden Rollen. Die einander entsprechenden Teile
der verschiedenen Abbildungen sind mit dem gleichen Bezugszeichen belegt worden.
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Die in Abb. i veranschaulichte Kupplung eignet sich zur Umwandlung
einer Schwingbewegung veränderlicher Größe in eine g -leichförmige Umdrehungsbewegung.
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A ist die in Umdrehung versetzte Welle, auf welcher ein inneres hyperboloidisches
Element B befestigt ist, während C das äußere konaxiale hyperboloidische Element
darstellt. Die größeren Durchmesser der Elemente B und C befinden sich in Abb. i
auf der linken Seite. In dein ringförmigen Kanal zwischen den Elementen B und C
liegen zylindrische Rollen D, deren Achsen, wie aus der Abbildung ersichtlich ist,
geneigt zu der gemeinsamen Achse der Welle und der hyperboloidischen Elemente sind.
Die Achsen der Rollen liegen auf einem Umdr.ehungshyperboloid. An dem äußeren Element
C ist eine Kurbel E befestigt, die mit Hilfe einer Stange F mit einer Vorrichtung
zur Erzeugung schwingender Bewegungen verbunden ist. Ein auf der Welle A befestigtes
Drucklager G stützt sich an einer Seite g1 gegen einen durch einen Zapfen h auf
der Welle befestigten Ring H und an der anderen Seite g` gegen eine kreisförmige
federnde Platte I, die das Element C nach links, d. h. in diejenige Lage drückt,
in welcher die Rollen zwischen den Flächen der Elemente B und C eingeklemmt werden
und die Umdrehungsbewegung des Elementes C auf (las Element B und die Welle A übertragen.
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Bei der Umdrehung des äußeren Elementes C nach einer Richtung hin,
beispielsweise nach der von rechts der Abbllduag gesehenen, in der dem Uhrzeigersinn
entgegengesetzten Richtung, hat die axiale Komponente des Reibungswiderstandes an
den Reibungsflächen der Rollen das Bestreben, das äußere Element nach links, d.
h. in innigere Eingriffsberührung, zu drücken, während in dier anderen Umdrehungsrichtung
das äußere Element durch die axiale Komponente nach rechts gepreßt wird in eine
Lage, in welcher keine Bewegung auf die Welle übertragen wird. Der Kanal zur Aufnahme
der Rollen ist an dem im Durchmesser größeren Ende der hyperboloidischen Elemente
durch eine abnehmbare Deckplatte J abgeschlossen, deren Flansch j auf der Welle
durch Schraube j1 befestigt ist. Der Kanal ist an dem gegenüberliegenden Ende offen.
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Bei der in Abb.2 veranschaulichten Umkehrkupplung sind die einzelnen
Teile verdoppelt. Hier sind die äußeren hyperboloidisc'h@en Elemente Cl, C2 durch
hinge Hl, H-' und Zapfen hl, h2 auf der Welle A befestigt, während die inneren hyperboloidischen
Elemente B', BZ mit rohrförmigen, die Welle A
umgebenden Verlängerungen b1,
b2 ausgerüstet sind. Die Elemente BI, B2 sind mit Kurbeln El, F_2 verbunden, denen
in irgend geeigneter Weise eine Schwingbewegung übermittelt wird. Drucklager G1,
G2 irgend bekannter Art sind lose auf den Verlängerungen b1, b2 angeordnet und können
durch die bei : L1 bzw. L2 drehbar gelagerten Arme K1, K= nach der einen oder anderen
Richtung verschoben werden. Die äußeren Enden h dieser Arme KI, KZ sind mit
Innengewinde versehen, in welche die Gewinde in', 11,t2 einer Spindel 11T
eingreifen. Die Spindel 11 kann durch eine Kurbel 0 in ihren Lagern N gedreht werden.
Die Gewinde 7r11, 1n2 sind links- bzw. rechtsgängig, so daß die Arme K1, Kz nach
entgegengesetzten Richtungen bewegt werden. Zwischen dem Ende des inneren hyperboloidischen
Elementes B1 und einer inneren Schulter an dem äußeren Element Cl ist eine Feder
h vorgesehen, und zwischen einem an der Weile befestigten
Ring
LP» und dein Außenende der Verlä ngerung b= liegt eine ähnliche Feder
I'.
Das im Durchmesser größere Ende eins jeden hvperboloidischen Elementes
liegt in der Abbildung links, und die Rollen Dl und D= sind nach entgegengesetzten
Richtungen geneigt. Durch eine kreisförmige Deckplatte J wird das offene Ende des
Elementes C= abgeschlossen.
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Wenn die Kurbel 0 so gedreht wird, daß (las Drucklager G1 und mit
diesem das innere Element B' nach links und das Drucklager G= sowie (las innere
Element B2 nach rechts verschoben «-erden, so werden das Außeneleinetet C'2 un;l
die Welle A nach einer Richtung hin infolge der schwingenden der Kurbel E= übermittelten
Stöße gedreht, wobei die Elemente Cl und D' außer Eingriff miteinander stehen. Wird
jedoch durch Drehen cler Kurbel 0 nach der entgegengesetzten Richtung den Armen
hl, K2 eine Verschiebungsbewegung zuerteilt, so wird die Welle A durch die schwingenden,
auf die Kurbel Ei übertragenen Stöße nach der entgegengesetzten Richtung gedreht,
wobei die hyperboloidischen Elemente B2 und C2 außer Eingriff miteinander stehen.
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Bci der in Abb.3 veranschaulichten Ausfülirungsforin ist das innere
hvperboloidische Element B gleitbar auf der Welle A angeordnet und mit der schwingenden
Kurbel E verbunden, während das äußere Element C in ein Gehäuse P eingeschraubt
ist. Ein an dem Gehäuse P vorgesehener Ring H ist bei h an der Welle-9 befestigt.
Zwischen dein lose auf der Welle A angeordneten Drucklager G und einem durch einen
Bolzen i- mit der Welle .-1 verbundenen Ring R liegt eine Feder I. Durch
die Feder I wird ein kreisförmiger Flansch Q an dem hyperboloidischen Element B
gegen eine zwischen der Grundplatte des Gehäuses P und dem Flansch 0 liebende Scheibe
S aus Reibungsinaterial gedrückt.
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hei einer Richtung der der Kurbel E überinittelten Schwingbewegung
wird das innere hyperboloidische Element durch die axiale Komponente des Reibungswiderstandes
in das äußere kegelförmige Element hineingeklennnt, und gleichzeitig wird die Reibscheibe
S zusammengedrückt, so daß sie das Bestreben hat, den Antrieb auf das Gehäuse P
und durch dieses auf die Welle A zu übertragen. Hierdurch werden die radialen Beanspruchungen
zwischen dein inneren und äußeren hyperboloidischen Element beseitigt.
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Bei einer auf die Kurbel E übertragenen Schwingbewegung nach der entgegengesetzten
Richtung wird durch die axiale Komponente der Reibungskräfte', das hyperboloidische
Element B entgegen der Wirkung der Fe !er I in eine Lage gebracht, in welcher die
Llein,#iite B und C außer Eingriff miteinander stehen.
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Bei der in Abb. 4. veranschaulichten Ausführungsform ist das innere
Element B an dein schwingenden Arm E befestigt und wird durch Drucklager G1, G=
gegen axiale Verschiebung gesichert. Das äußere Element C kann sich frei axial bewegen,
und beide Elemente können in der entkuppelten Lage der Welle <1 frei umlaufen.
In einer Umdrehungsrichtung wird das äußere Element entgegen dem Widerstand der
zwischen dem äußeren Element C und der Grundplatte des innen konisch ausgebildeten,
bei lt an der Welle A befestigten Gehäuses P liegenden Feder S1 nach rechts verschoben.
In dem Gehäuse P laufen das innere und äußere hyperboloidische Element frei um.
Bei einer Umdrehungsbewegung nach der entgegen-' gesetzten Richtung wird das äußere
hyperboloidische Element nach links bewegt und sowohl mit dem inneren Element B
und dem äußeren Lager P verkuppelt, so daß die Welle A in Umdrehung versetzt wird.
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Bei der in Abb. 5 und 6 veranschaulichten L nil:elirkupplung
sind das innere und das äußere Element B und C als bihyperboloidische Stümpfe ausgebildet,
deren kleinste Durchmesser in der Mitte der axialen Länge liegen. Das äußere Element
C ist in einem Gehäuse P befestigt, während das innere Element B mit einem
lose auf der Welle A sitzenden Lagerfutter T verbunden ist. Die Rollen D
«-erden an einem Ende durch eine mit Hilfe von Schrauben j an dem Gehäuse
P befestigte Platte J, an dem anderen Ende durch eine gegen eine innere Schulter
des Gehäuses sich stützende Platte J1 gegen axiale Verschiebung gesichert gehalten.
Das innere Element B ist an der rechten Seite über das Gehäuse P hinaus mit einer
Verlängerung b versehen, an welcher die Kurbel E befestigt ist. Auf der Verlängerung
b sind Kugeldrucklager Gl, G' vorgesehen, und eine Scheibe g' stützt sich gegen
die Kurbel E, während eine Scheibe- 4 gegen eine an der Verlängerung b angeschraubte
<Mutter LT liegt. Die Arme K, die Spindel 1T und die Kurbel n zum Drehen der
Spindel 1I sind im wesentlichen in der finit Bezug auf Abb. z beschriebenen Weise
angeordnet, nur ist die Spindel 1I in den Lagerte 1" eingeschraubt, und es sind
an jeder Seite der Verlängerung k der Arme IL Federn L' vorgesehen, die gegen an
der Spindel JI befestigte Ringe tF.sich stutzen.
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Wenn der Hebel h nach rechts verschoben wird, werden die Rollen D
zwischen dem innegen und äußeren hyper'boloidischen Element eingeklemmt, so daß
die Welle A in der von
rechts gesehenen Richtung im Sinne des Uhrzeigers
gedreht wird, während eine in diesem Sinne entgegengesetzte Umdrehung bei einer
Verschiebung der Arme K nach links erfolgt.
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Die Anordnung ermöglicht vollkommene Bewegungsfreiheit der bihyperboloidischen
Elemente B in beiden Eingriffsrichtungen.
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Die in Abb.7 veranschaulichte Umkehrkupplung ist ähnlich der @ in
Abb. 2 veranschaulichten, nur sind die Rollen Dl, D= nach der gleichen Richtung
geneigt, un:d .die im Durchmesser größeren Enden der hyperboloidischen Elemente
Bl, B= und C', C2 liegen einander gegenüber. Es ist nur eine einzige Kurbel
E erforderlich, und entsprechend der den Armen K gegebenen Lage wird entweder das
Element Cl oder das Element C2 mit dem inneren Element B1 oder B= gekuppelt, wenn
die Kurbel E in einer Richtung gedreht wird, während dieses Element freigegeben
wird, sobald die Kurbel nach der umgekehrten Richtung in Umdrehung versetzt wird.
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Auch die in Abb. ß und 9 veranschaulichte Ausführungsform weist bihyperboloidisclle
Elemente auf, und diese Kupplung eignet sich insbesondere zum Verbinden zweier umlaufender
Wellen A und Al.
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Wird die. axiale Bewegung des verschiebbaren Elementes in der Eingriffsrichtung
begrenzt, so schleift die Kupplung, sobald das Drehmoment einen gewissen Wert erreicht.
Durch Ändern der Grenzen der axialen Bewegung kann die Kupplung so eingestellt «erden,
daß sie bei irgendeinem gewünschten Wert des Drehmomentes schleift. Wenn die Kupplung
schleift, kann trotzdem Kraft übertragen werden, doch wird ein gewisser Teil der
Kraft der Antriebsmaschine von der Kupplung absorbiert und durch Wärmeerzeugung
verzehrt. Infolge dieser Ausfiihrttngsform eignet sich diese Kupplung insbesondere
zum Anlassen der getriebenen Welle unter Belastung.
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Während des Gleitens der Kupplung müssen das eine oder beide Elemente
der Kupplung über die Flächen der Rollen gleiten, doch werden die Rollen gleichzeitig
um ihre eigenen Achsen gedreht. Wenn mithin die Kupplung. mit einem Schmiermittel
gefüllt oder beschickt worden ist, werden durch die Drehung der Rollen die Gleitflächen
dauernd abwech-":lnd und ständig mit Schmiermittel versorgt.
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Die Reibungskräfte zwischen den geschmierten Flächen sind eine Funktion
der Geschwindigkeiten der Flächen mit' Bezug aufeinander, und nach. kurzer Zeit,
in welcher die die Elemente kuppelnden Kräfte geringer sind als das statische Drehmoment,
haben diese Reibungskräfte das Bestreben, sich bei v;-rgrößernder Geschwindigkeit
der Bewegung der Flächen mit Bezug aufeinander zu vergrößern. Es entstehen daher
bei einem gegebenen Eingriff in Abhängigkeit von dem durch das getriebene Element
gebotenen Drehmoment veränderliche Gleitbewegungen und mithin veränderliche Verhältnisse
der Winkelgeschwindigkeiten zwischen der treibenden und der getriebenen Welle.
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Wenn das getriebene Element ein Drehmoment liefert, welches nur ein
wenig größer ist als dasjenige, bei welchem die Kupplung zu gleiten beginnt, kommt
nur ein geringes Gleiten in Betracht. Wenn jedoch der Widerstand des Drehmomentes
allmählich steigt, wird die Gleitbewegung entsprechend größer, bis eine Grenze erreicht
wird, bei welcher keine Bewegung auf das getriebene Element übertragen wird. Für
eine leichte Einstellung der Kupplung ist mithin ein Bereich der Widerstand leistenden
Drehmomente vorgesehen, innerhalb welchem eine vereinigte Gleit- und Antriebsbewegung
erfolgen kann.
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A stellt die mit der Antriebsmaschine verbundene Welle und A' die
getriebene Weile dar. Die Bauart der bihyperboloidischen Elemente B und C, des .
Gehäuses P und der Drucklager G1, G2 ist die gleiche, wie mit Bezug auf Abb. 5 und
6 beschrieben. worden ist, nur daß im vorliegenden Falle das Lagerfutter des inneren
kegelförmigen Elementes fortgelassen und dieses durch Keile x auf der Welle Al-
befestigt ist. Die Arme K sind bei z drehbar gelagert, und ihre ,äußere Verlängerung
ist als gezahnter Quadrant Y ausgebildet, der mit einer Schnecke Z an der Spindel
?LT zusammenarbeitet, so daß ein zw angläufiges Halten in irgendeiner gewünschten
Lage gewährleistet wird.
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Die Wirkungsweise der Kupplung ist wie folgt: Wenn die Spindel l17
so eingestellt worden ist, daß die b.ihyperboloid.ischen Elemente B und C sich in
der Zwischenlage befinden, in welcher ihre kleinsten Durchmesser einander gegenüberliegen,
können die Wellen A' und A= frei mit Bezug aufeinander nach beiden Richtungen hin
umlaufen. Wird die Schnecke Z gedreht, um das innere Element B nach links zu bewegen,
so kann durch die Welle A die Welle A :' im Sinne des Uhrzeigers gedreht
werden. Wenn das innere Element B nach rechts bewegt wird, so kann durch die Welle
A die Welle A' nach der entgegengesetzten Richtung gedreht werden. Jeder Lage, in
welche das innere ElementB nach beiden Richtungen von der Mittelstellung aus gebracht
und gehalten werden kann, entspricht ein bestimmtes Drehmoment, bei welchem das
Gleiten beginnt. Wie jedoch oben auseinandergesetzt worden ist, kann, wenn bei der
Kupplung ,?Schmierung verwendet
wird, ein größeres Drehmoment als
das, bei welchem das Gleiten beginnt, übertragen werden, wobei die Welle A mit größerer
Geschwindigkeit als die Welle A1 umläuft und die Rollen D sich drehen und über eine
oder beide hyperboloidische Flächen gleiten.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. io ist zwischen der Schulter BI
an dem bihyperboloidischen Element B und der Scheibe g' des Drucklagers G1 eine
Feder I vorgesehen. Infolge dieser Bauart kann die Kupplung mit ihrem normalen Antrieb
und Gleiten nur in einer Richtung, nämlich im Drehsinn des Uhrzeigers, verwendet
werden, und die Welle Al kann mit Bezug auf die Welle A frei laufen. Das heißt,
wenn die Geschwindigkeit der mit der Welle A verbundenen Antriebsmaschine herabgemindert
wird, kann die Welle A1 unter ihrem eigenen Moment sich weiterdrehen, wobei der
axiale Drück des Elementes B in der Richtung sich ändert und das Bestreben hat,
die Kupplung entgegen dem Widerstand der Feder zu lösen. Die Biegsamkeit der Feder
darf nicht so groß sein, daß das Element B sich über seine äl,littellage hinaus
bewegen kann, denn, wenn letzteres eintritt, wird die Welle Al das Bestreben haben,
die Welle A zu treiben. Ein derartiger umgekehrter Antrieb kann jedoch jederzeit
durch Bewegen der Arme K nach rechts erreicht werden, wenn dies erforderlich werden
sollte. beispielsweise wenn die Antriebsmaschine als Bremse benutzt «-erden soll.
Da der Eingriff der Kupplung, wenn das Element B sich rechts seiner Mittellage befindet,
nunmehr elastisch anstatt zwangläufig gesteuert ist, kann keine ' Einstellung für
verschiedene Grade des Gleitens erfolgen, doch wird direkter Eingriff erfolgen,
sobald die Welle Al die Welle A treibt.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung hat folgende Eigenschaften: Wenn
nur einzelne liyperboloidische Flächen vorgesehen sind, von denen eine in der Eingriffsrichtung
eine zwangläufige Steuerung und eine nachgiebige Steuerung in der l-titkupplungsriclitung
erhält, so wirkt die Vorrichtung als einseitige Freilaufkupplung, die eingestellt
werden kann, um unter verschiedenen Widerstand bietenden Drehmomenten jeden gewünschten
Grad von Gleiturig zu erzielen.
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Wenn die Vorrichtung mit bihyperboloidi.-schen Flächen ausgerüstet
wird, die zwangläufig einstellbare Anschläge für beide Richtungen der axialen .
Bewegung haben, so wirkt die Vorrichtung für eine nach beiden Richtungen treibende
Kupplung, deren Gleitbewegung in jeder Richtung eingestellt werden kann.
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Wenn die Vorrichtung mit bihyperboloidischen Flächen versehen wird,
die einen zwangläufig einstellbaren Anschlag für eine Richtung der axialen Bewegung
und einen biegsamen Anschlag für die entgegengesetzte Bewegungsrichtung haben, so
wirkt die Vorrichtung als eine in beiden Richtungen treibende Kupplung, die in einer
Richtung gleitet und einen Freilauf gewährleistet und in der anderen Richtung ohne
Gleiten direkt kuppelt.
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Die Rollen können in einem Käfig i aus Blech untergebracht werden,
wie dies aus den Abb. i i und 12 ersichtlich ist, und dieser Käfig ist an dem Ende
2 geschlossen, während sein Ende 3 offen ist.