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Die Erfindung gehört dem Gebiet der elastischen Gelenke
an, die auf der Verbindung Kautschuk - Metall zwischen zwei
starren Elementen mit Winkelauslenkung in allen Ebenen um
einen Punkt herum beruhen, wobei das elastische Exzentrieren
zwischen den beiden Festelementen begrenzt sein soll.
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Es sind verschiedene Techniken für
Kugelgelenkverbindungen um einen Punkt herum bekannt, deren baulich einfachste
Ausführung durch einen metallischen Kugelkopf mit sphärischem
Kopf und zumeist kegelförmigem Befestigungsfuß auf einem
Träger mit Hilfe einer Schraubeinrichtung gebildet ist. Die den
Kugelkopf aufnehmende Schale kann aus Metall sowie aus zwei
Teilen ausgebildet sein, von denen der eine halbkugelförmig
ist und der andere ringförmig um den Fuß des Kugelkopfes
angeordnet ist, wobei eine Feder oder kegelförmige Scheiben vom
Belleville-Typ eine elastische Vorspannung sicherstellen.
Diese Technik ist von Lemforder Metal vorgeschlagen, deren
jüngste Verbesserung in ein Patent DE-A-3 536 283 beschrieben
ist.
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Eine einstückige Schale aus Kunststoffmaterial dient
demselben Zweck in den Patenten US-A-3 249 375 von TRW oder
DE-A-2 031 374 von TRW INC oder FR-A-2 170 608 von TOKAl TRW,
wobei sie eine gewisse antivibratorische Filterung durch die
Natur des Polyäthylen- oder Polypropylen-Materials bewirkt
was insbesondere eine Vorspannung in allen Richtungen
ermöglicht. Das Patent GB-A-1 517 901 von EHRENREICH beschreibt
ebenso ein Verfahren zur Herstellung dieses Typs von
Kugelkopf durch unmittelbares Aufpressen des Gehäuses um die
Kunststoffschale herum.
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Seit langem liefert die Haftverbindung Kautschuk-Metall
eine Verbesserung für den sphärischen Kugelkopf, indem sie
jegliche Berührung von Metall auf Metall vermeidet sowie die
Übertragung von Schwingungen und das Erfordernis zur
Schmierung; der auf eine Lizenz von METALASTIK gestützte Prospekt
121/1 aus 1972 von KLEBER über die sphärischen Kugelgelenke
legt die Begründung der Vorteile dieser Konstruktionsart dar.
Tatsächlich verursacht das Einsetzen des aus drei Sektoren
hergestellten äußeren Rings in eine Bohrung eine sich im
Inneren des Kautschuks auswirkende radiale Vorspannung infolge
der Annäherung der sphärischen Hohlflächen, welche die
Verbindung zwischen dem Kautschuk und dem Metall des Rings
sicherstellen.
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Aus dieser Vorspannung folgt eine verbesserte
Standfestigkeit gegen Wechselermüdung, aber auch eine Festigkeit der
elastischen Verbindung zwischen den beiden Festelementen, die
nur durch die Verschlechterung des Kautschuks sowie durch
einen Kontakt Metall auf Metall zwischen der Öffnung und der
Befestigungsachse begrenzt ist, was einen mit der
Winkelstellung veränderlichen Anschlagweg zur Folge hat.
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Andere Techniken zum Borspannen der Haftverbindung
Kautschuk - Metall können bei Kugelgelenken mit einer axialen
Annäherung der starren Elemente verwendet werden. Das Patent
EP-B-0148073 der Anmelderin beschreibt eine
Dichtungsverbindung für Rohrleitungen mit erhöhtem Druck, bei der eine
Technik eines Kugelgelenks mit durch eine geometrische axiale
Deformation vorgespanntem Elastomer verwendet wird, das als
sphärische Gelenkverbindung verwendet werden kann. Bei dieser
Anwendung erfolgt die mechanische Verbindung zwischen den
beiden festen Elementen, die sich quer zu einem sphärischen
Kugelkopf aus dazwischengefügtem Elastomer gegenüberstehen,
durch elastische Deformation mit hinreichend konstanter
Steifigkeit über einen nennenswerten Exzentrierhub zwischen den
sich gegenüberstehenden sphärischen Flächen, beispielsweise
von einem Viertel der Dicke der elastischen Schicht, bevor
eine Verschlechterung der angestrebten Funktion eintritt, sei
es durch Ablösung zwischen dem Kautschuk und dem Metall, sei
es durch Materialabsplitterung.
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Es gibt Fälle, wo sich diese Elastizität - und die
dazugehörige Verschiebung - als hinderliche Unzulänglichkeit
erweisen. Wenn vom Benutzer ein Anschlag, auch ein
nichtprogressiver, gefordert wird und wenn er außerhalb des
elastischen Gelenks sein soll, benötigt die Vorrichtung einen
erheblichen Raumbedarf, damit die starren Flächen, die die
Fähigkeit zum Inkontakttreten nach einem geringen Hub
aufweisen, unabhängig von der Orientierung des Kugelgelenks in
Gegenüberstellung verbleiben. Man kann sich leicht
vorstellen, daß dies nur für zu den Flächen des elastomeren
Kugelkopfes konzentrische sphärische Flächen möglich ist, die
sorgfältig auf ihren Trägern justiert werden müssen, deren
Herstellungstoleranzen sich "auftürmen".
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Die Untersuchung des Standes der Technik zeigt
offensichtlich, daß eine elastische Kugelgelenkverbindung, welche
die Möglichkeit zur Begrenzung des elastischen Exzentrierens
bei gleichzeitiger Sicherstellung der Filtration von
Schwingungen durch die Haftverbindung Kautschuk-Metall bei kleinem
Raumbedarf dargestellt, nicht bekannt ist.
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Die Erfindung betrifft daher eine Vorrichtung, die es
erlaubt, im Inneren des Kugelgelenks die Anschlagfunktion zu
integrieren, welche das elastische Exzentrieren beschränkt,
ohne jedoch die funktioneiie Auslenkung zu stören.
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Die Erfindung besteht aus einem elastischen Kugelgelenk
zwischen zwei starren Elementen mit sphärischem
Federungsspiel, bei dem Elastomerschichten mittels Haftverbindung
zwischen jeweils mit den beiden starren Elementen verbundenen
inneren Halbkugeln und sphärischen äußeren Kalotten eingefügt
sind, wobei die Elastomerschichten durch axiale Annäherung
der sphärischen äußeren Kalotten mittels eines diese
tragenden Haltekäfigs unter Vorspannung gesetzt sind.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das durch
die elastische Verformung der sphärischen Elastomerschichten
bei deren Belastung in der diametralen Symmetrieebene der
inneren Halbkugeln hervorgerufene Exzentrieren durch in der
diametralen Symmetrieebene erfolgendes Inkontaktkommen eines
ein geringes Spiel aufweisenden Ringes, der mit den von ihm
getrennten inneren Halbkugeln verbunden ist, an einer mit den
sphärischen äußeren Kalotten verbundenen starren ringförmigen
Fläche mechanisch begrenzt ist.
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Die Merkmale der Erfindung werden durch Lektüre der
Beschreibung besser verständlich, die zu der Zeichnung gehört,
in der:
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- Fig. 1 eine seitliche, teilweise axialschnittliche
Teilansicht einer Anwendung für Eisenbahnzwecke zeigt, bei
der die Verwendung von erfindungsgemäßen elastischen
Kugelgelenken erforderlich ist;
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- Fig. 2 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen
Kugelgelenks darstellt.
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Fig. 1 stellt eine teilweise axialschnittliche
seitliche Teilansicht einer Anwendung für Eisenbahnzwecke dar, bei
der die Verwendung der erfindungsgemäßen elastischen
Kugelgelenke erforderlich ist.
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Die Aufhängung einer Fahrzeugkarosserie 1 ist durch
eine einzige Achse 2 an jedem der Enden des Fahrzeugs
bewirkt welche auf Luftreifen 3 angeordnet und in ihren
Drehungen um eine vertikale Achse A durch ein ein Drehgestell 4
bildendes Fahrgestell geführt ist, das mit vier auf
seitlichen Führungsschienen laufenden horizontalen Luftreifen 5
und, zur Wegrichtungsänderung, zwei Weichenrollen 6
ausgestattet ist.
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Stromabnehmerbürsten 7 sowie weitere Ausrüstungen
erhöhen ferner die Drehträgheit des das Drehgestell 4 bildenden
Fahrgestells um die Achse. Das Federungsspiel der
Fahrzeugkarosserie in bezug auf das Drehgestell 4 wird durch die
Aufhängung 8 auf jeder Seite der Fahrzeugkarosserie 1
ausgeglichen und durch ein einziges Parallelogramm geführt, das in
der Axialebene des Fahrzeugs durch einen oberen Lenker 9 und
einen unteren Zuglenker 10 gebildet ist.
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Der obere Lenker 9 und der untere Zuglenker 10
schwingen im Verlauf der vertikalen Auslenkungen der Aufhängung
sowie bei den elastischen Transversalauslenkungen auf zwei an
der Fahrzeugkarosserie 1 festgelegten Kugelgelenken mit
sphärischem Federungsspiel, von denen das eine 11 am Ende des
oberen Lenkers 9 und das andere 12 am Ende des unteren
Zuglenkers
10 angeordnet ist. Das andere Ende der Lenker ist im
Achszentrum 13 der Achse 2 durch ein oberes Kugelgelenk 14
und ein unteres Zugkugelgelenk 15 festgelegt die beide auf
der vertikalen Achse A der Achse 2 angeordnet sind. Das
Motordrehmoment sowie das Bremsdrehmoment verursachen eine
elastische Beanspruchung der vier das Führungsparallelogramm
bildenden Kugelgelenke 11, 12, 14 und 15. Die radiale
Elastizität der vier Kugelgelenke 11, 12, 14 und 15 ruft einen
Lenkausschlag des das Drehgestell 4 bildenden Fahrgestells
hervor, ohne die Übertragung der Motorkraft mittels der
Kardanübertragung 16 von dem an der Fahrzeugkarosserie 1
festgelegten Motor 17 her zu beeinträchtigen. Eine Winkelabweichung
"durch Ausbrechen" des das Drehgestell 4 bildenden
Fahrgestells hat sich jedoch im Betrieb als unannehmbar erwiesen,
wegen der Höhenänderungen der horizontalen Luftreifen 5
gegenüber den Führungsschienen und, vor allem, der
Weichenrollen 6, die bei den durch die radiale Elastizität der vier
Kugelgelenke verursachten dynamischen Auslenkungen infolge
der großen Trägheit der Massen, die um die in der
Schnittdarstellung durch das Achszentrum 13 dargestellte
Horizontalachse der Achse schwingen, alle zulässigen Toleranzen
überschreiten würden. Die Suche nach einer Lösung ist zu einer
geometrischen Begrenzung des elastischen Exzentrierens der
vier Kugelgelenke 11, 12, 14 oder 15 unter der Wirkung des
Motor-Bremsdrehmomentes gelangt, vor allem jedoch deren
möglicher dynamischer Überschreitungen. In Fig. 2 ist ein
Axialschnitt eines der vier Kugelgelenke 11, 12, 14 oder 15
dargestellt, die sich nur durch ihre Abmessungen voneinander
unterscheiden.
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Das Teil ist im Zustand seiner Lieferung dargestellt,
bevor es unter Kraftanwendung mit dem äußeren Durchmesser D
seiner Montagehülse 18 in die Bohrung an jedem Ende eines
oberen Lenkers 9 oder unteren Zuglenkers 10 eingesetzt wird.
Dieser Zustand besteht ebenfalls vor der Montage eines der
bereits mit ihren Kugelgelenken ausgestatteten Lenker, die
auf der Fahrzeugkarosserie 1 oder der Achse 2 mittels eines
vorstehenden oder der Befestigung dienenden Bolzens
festgelegt sind, welcher mit der Bohrung E in Eingriff steht und
die beiden inneren Halbkugeln 19 axial zusammenspannt.
Zwischen die letzteren ist ein bei der Montage durch die
gemeinsame Bohrung E zentrierter, ein geringes Spiel 20
aufweisender Ring eingefügt, der also daran einfach auf zwei
Kontaktebenen abgestützt ist.
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Tatsächlich spannt eine axiale Vorspannungskraft den
ein geringes Spiel aufweisenden Ring 20 zwischen den inneren
Halbkugeln 19 ein. Diese axiale Kraft wird infolge der
geometrischen Annäherung beim Zusammenbau der beiden sphärischen
äußeren Kalotten 21 ausgeübt, die durch die Montagehülse 18
zentriert sind.
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In der dargestellten Ausführungsform wird jede innere
Halbkugel 19 bei der Formung mit einer inneren sphärischen
Elastomerschicht 22 von konstanter Dicke haftend verbunden.
Ebenso wird bei derselben Formung jede sphärische äußere
Kalotte 21 mit einer äußeren sphärischen Elastomerschicht 23
von konstanter Dicke haftend verbunden.
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Die innere 22 und äußere 23 sphärische Elastomerschicht
werden ihrerseits bei dieser Formung mit einer inneren
Armierung 24 haftend verbunden, die ebenso wie die inneren
Halbkugeln 19 und die sphärischen äußeren Kalotten 21 metallisch
ist. Diese innere Armierung 24 bedingt bei der axialen
Kompression eine Einspannung, was einen zur Ausübung von inneren
Beanspruchungen in dem Elastomer günstigen Formeinfluß mit
sich bringt der in der Größenordnung von 50 bis 100 bar
liegt oder sogar höher, wenn die Anzahl der inneren
Armierungen 24 größer als 1 ist. Die einander gegenüberstehenden
sphärischen Flächen einer inneren Halbkugel 19, einer
sphärischen äußeren Kalotte 21 und ggf. einer (oder mehrerer)
inneren (innerer) Armatur(en) 24 werden in der Herstellungsform
derart axial versetzt angeordnet, daß bei der axialen
Annäherung des Zusammenbaus, die beispielsweise 4 mm pro Halbkugel
beträgt sich die innere 22 und äußere 23 sphärische
Elastomerschicht unter der Wirkung dieser Annäherung in einer
konstanten Dicke befindet.
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Zwei aus einer derartigen Formung hervorgegangene
Halbkugeln werden beidseits eines ein geringes Spiel aufweisenden
Ringes 20 auf einer ihrer Bohrung E gemeinsamen Montageachse
angeordnet.
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Die sphärischen äußeren Kalotten 21 gelangen unter der
Kraft der Vorspannung auf einer Schulter zur Anlage, die von
einer starren ringförmigen Oberfläche 25 gebildet ist, welche
Bestandteil der im allgemeinen metallischen Montagehülse 18
ist.
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Eine umlaufende Einfassung der letzteren, die sich über
eine Schulter 26 jeder sphärischen äußeren Kalotte 21 hinweg
erstreckt, hält sämtliche Bestandteile des Kugelgelenks fest
zusammen.
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Der solchermaßen verwirklichte Zusammenbau liefert
daher eine Drehstarrheit rund um die gemeinsame Achse am
äußeren Durchmesser D und an der Bohrung E und eine
Schwenkdrehung, nämlich eine kegelförmige, wie die vorbekannten
Vorrichtungen. Sie unterscheidet sich davon durch ein
zusätziiches Merkmal, das sich auf die Exzentrizitätsfestigkeit
bezieht. Die Drehfestigkeit rund um die gemeinsame Achse am
äußeren Durchmesser D und an der Bohrung E ist (in
Abwesenheit von Schwenkkräften) durch die Existenz der Vorspannung
insgesamt herabgesetzt, deren wesentliche Rolle indessen
darin besteht, die Standfestigkeit gegen Wechselermüdungen zu
verbessern. Die erstgenannte Drehung ermöglicht insbesondere
die Drehung der Achse 2 durch Verdrehung der Kugelgelenke 15
und 16, die auf der in Fig. 1 dargestellten vertikalen Achse
A gelegen sind.
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Die Größenordnung dieser Wechselbeanspruchung ist in
dem dargestellten Beispiel eine Verdrehung um 80, während die
durch die seitliche Auslenkung auf die Kugelgelenke 11 und 12
ausgeübte Belastung winkelmäßig sehr viel kleiner, aber sehr
viel häufiger ist.
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Die kegelförmige Drehung (die mit der Verschwenkung in
der Ebene der Fig. 2 zusammenhängt) ist eine Folge der
vertikalen Auslenkungen der Aufhängungen, wobei die Achsen des
äußeren Durchmessers D und der Bohrung E in hinreichend
vertikaler Weise angeordnet sind. Bei dieser Beanspruchung sind
die Winkelauslenkungen sehr stark begrenzt, mit Ausnahme der
Funktion der pneumatischen Aufhängungen 8 als Hilfsanschläge,
doch ist erforderlich, daß die Steifigkeiten möglichst
niedrig sein sollen. Deren Wert ist niedriger als für die
Verdrehung um die gemeinsame Achse am äußeren Durchmesser D und
an der Bohrung E. Tatsächlich ist die Elastomerschicht in
diesem Sinn eine unvollständige Kugelfläche und weist freie
Seitenwände an den Enden der inneren 22 und äußeren 23
sphärischen Elastomerschicht auf.
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Da bei den beiden Arten von Deformationen die
Steifigkeiten der Schichten in Reihe liegen, ist es vorteilhaft,
wenn sie etwa denselben Wert aufweisen und, da der
Querschnitt geringfügig unterschiedlich ist, können die Dicken
der beiden Schichten geringfügig voneinander abweichen.
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Die Exzentrizitätsfestigkeit zwischen zwei elastisch
miteinander verbundenen festen Elementen, die durch das
Exzentrieren zwischen dem äußeren Durchmesser D und der Bohrung
E verwirklicht wird, kann dank der durch die inneren
Armierungen 24 herbeigeführten Einfassung der Elastomerschichten
sehr erhöht sein. Die Wahl ist derart getroffen worden, daß
die mechanisch durch die Kontaktgabe zwischen dem das geringe
Spiel aufweisenden Ring 20 und der ihn umgebenden
ringförmigen Oberfläche 25 begrenzte Auslenkung annähernd den durch
das Motor- oder das Bremsdrehmoment hervorgerufenen
Grenzbelastungen entspricht. Dieses Spiel, das in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von 0,75 bis
0,8 mm liegt verschwindet daher beim Kontakt, und dieses
begrenzt das "Ausbrechen" des das Drehgestell 4 bildenden
Fahrgestells auf einen Winkel von einigen Grad. Doch darf dieses
Spiel die vertikalen Auslenkungen der Aufhängung (und die
durch das Schlingern hervorgerufenen) nicht behindern, die
sich durch die Winkeldrehungen zwischen dem äußeren
Durchmesser D und der Bohrung E ausdrücken. Daraus ergibt sich, daß
die einander gegenüberstehenden Oberflächen des das geringe
Spiel aufweisenden Rings 20 und der ringförmigen starren
Oberfläche 25 eine relative Winkelversetzung bilden und in
voller Strenge sphärisch und konzentrisch sein sollten.
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Tatsächlich muß die Länge des durch die starre
ringförmige Oberfläche 25 gebildeten Lagers jede durch die
Aufhängung hervorgerufene Auslenkung des das geringe Spiel
aufweisenden Ringes 20 frei lassen. Die Aufhängung muß auch als
Hilfsanschlag in der auf die Anschläge abgesenkten Position
arbeiten können. In diesem Fall gelangt der das geringe Spiel
aufweisende Ring 20 in der Bohrung der ringförmigen starren
Oberfläche 25 in eine Schräglage von einigen Grad.
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Das funktionelle Spiel kann an jedem einzelnen
Kugelgelenk festgestellt werden, weil es sich durch eine plötzliche
Neigungsänderung bei der Messung der
Exzentrizitätssteifigkeit zwischen dem äußeren Durchmesser D und der Bohrung E
ausdrückt (eine starre Achse ist dann nötig, um ein Gleiten
des ein geringes Spiel aufweisenden Ringes 20 auf den ihn
einschließenden inneren Halbkugeln 19 zu vermeiden).
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Der Wert der elastischen Kraft, ab der der mechanische
Anschlag eintritt, braucht nicht sehr genau zu sein, weil die
Blockierung des von den vier Kugelgelenken 11, 12, 14, 15
gebildeten Parallelogramms, das sich um das Achszentrum 13
dreht, als Folge von vier aufe inanderfolgenden metallischen
Kontakten entsteht. Die Streuung der Grenzwerte der
elastischen Zone stellt vorteilhaft die Progressivität dieser
Blockierung sicher. Tatsächlich könnte ein Stoß von den
Fahrgästen empfunden werden, wenn zufälligerweise die vier
Begrenzungen gleichzeitig tätig würden. Die Genauigkeit in den
Steifigkeiten wäre hier kein Vorteil, lediglich geometrische
Grenzwerte sind dem "Ausbrechen" des das Drehgestell 4
bildenden Fahrgestelis zu setzen. Die Exzentrizitäten zwischen
dem ein geringes Spiel aufweisenden Ring 20 und seiner
Bohrung E und zwischen der ringförmigen starren Oberfläche 25
und ihrem äußeren Durchmesser D, die sich aus der Herstellung
ergeben können, haben keine Auswirkungen auf die Geometrie
des Parallelogramms, die durch eine Lageeinstellung bei der
Montage sichergestellt werden kann - sei es durch Langloch,
sei es durch Exzenter. Die Herstellungskosten können daher
niedriger sein als für jede andere äußere Anschlaganordnung,
deren Exzentrizitätswerte sich kumulieren. Darüber hinaus ist
diese Anschlagfunktion vollständig gegen jede Verunreinigung
und gegen die Gefahr von Oxidation abgeschlossen. Die
Kontaktkorrosion, auch in Abwesenheit elektrischer Ströme, ist
durch den Ausnahmecharakter des vorstehend beschriebenen
Kontaktes vermieden.
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Auf diese Weise schafft die Erfindung bei dieser
Anwendung und bei jeder ähnlichen Anwendung, die der Fachmann
vorschlagen könnte, wie ein deformierbares Parallelogramm oder
ein "Wattsches Dreigestänge", das aus vier eine geometrische
Begrenzung ihrer Exzentrizität erfordernden elastischen
Kugelgelenken zusammengesetzt ist, ein unmittelbar anwendbares,
fertiges und kontrolliertes Teil.
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Tatsächlich können die mechanischen Eigenschaften
mittels eines die Funktion festlegenden Pflichtenheftes durch
den Hersteller des Kugelgelenkes festgelegt werden, was bei
den aus mehreren Stücken zusammengesetzten Montageteilen, wie
sie bisher verwendet worden sind und deren
Herstellungstoleranzen sich kumulieren, kaum der Fall ist.
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Die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
stützt sich auf rein herkömmliche Montagetechniken. Die
Teile, die äußerlich wie herkömmliche Kugelgelenke aussehen,
ermöglichen eine vollständige Austauschbarkeit, wobei sie
überdies die Begrenzungsfunktion für das "Ausbrechen" des
Fahrgestells beinhalten.
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Es ist klar, daß der Fachmann das mit
Exzentrizitätsbegrenzung versehene erfindungsgemäße elastische Kugelgelenk
in verschiedener Hinsicht abwandeln kann, wie durch die
Hinzufügung zwischengesetzter Armierungen, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen.