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Zwecks Belastungsausgleiches in Achs- oder Zahnrichtung in einzelne
Abschnitte unterteiltes Zahnrad u. dgl. Zur Aufnahme von Belastungen ist es vielfach
erwünscht oder erforderlich, eine möglichst gleichmäßige Belastung der belasteten
Flächenteile sicherzustellen, wobei die Flächenteile eine zusammenhängende, Fläche
oder auch getrennte Flächen, z.B. an verschiedenen, jedoch gleichzeitig belasteten
Konstruktionsgliedern, biliden können. Eine solche gleichmäßige Belastung ist jedoch,
sei es wegen Herstellungsungenauigkeiten, statischer Unbestimmtheit oder wegen der
unter der Belastung eintretenden. Formänderungen,, vielfach nur schwer zu erzielen.
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Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten und gewährleistet eine
gleichmäßige Belastung aller belasteten Flächenteile dadurch, daß die in Teilflächen
aufgeteilten, Flächen durch ausgleichende Zwischenglieder oder Ausgleichflächen
derart beweglich gegeneinander abgestützt sind, daß bei stärkerer Belastung einer
Teilfläche eine im Sinne einer Entlastung derselben wirkende Verschiebung der Teilfläche
und über die Zwischenglieder oder Ausgleichflächen eine im Sinne einer Belastung
wirkende Verschiebung der übrigen Teilflächen hervorgerufen wird. Die belasteten
Konstruktionsglieder können sich hierbei unmittelbar oder mittelbar, z.B. unter
Zwischenschaltung von die Kraft-und Bewegungsrichtung ändernden Zwischengliedern,
gegen die ausgleichenden Zwischenglieder abstützen. Letztere werden zweckmäßig als
keilförmige oder kugel- bzw. rollenförmige Körper
ausgebildet, welche
zwischen die die auszugleichenden Teilflächen aufweisenden Konstruktionsglieder
derart zwischengeschaltet sind, daß ein Zurückschieben der einen Teilfläche ein
Vorschieben oder anderen Teilflächen bewirkt. Die Bewegungsübertragung von den zu
verschiebenden Gliedern auf die ausgleichenden Zwischenglieder erfolgt hierbei durch
die Schrägflächen, durch die sich diese Teile gegeneinander abstützen. Sollen sich
die Teilflächen mit Bezug aufeinander um eine Drehachse verstellen, so können diese
bei axialer Abstützung gegebenenfalls durch schraubenförmige Gleitflächen miteinander
gekuppelt sein.
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Die Verwendung von Keilen hat hierbei den Vorteil, daß bei geradliniger
Verschiebung der Zwischenglieder die Flächenberührung der Keilflächen eine geringe
Flächenpressung ermöglicht. Dagegen haben Rollen, Kugeln od. dgl. den Vorteil der
Einfachheit und sind vor allem dann zweckmäßig, wenn die Zwischenglieder eine nicht
geradlinige Bewegung ausführen. Gegebenenfalls können statt dessen auch Zwischenglieder
mit sonstwie beliebig ausgebildeten, z. B. balligen Abstützflächen verwendet werden.
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Können Kraftwirkungen in einander entgegengesetzten Kraftrichtungen
auftreten, so ist es möglich, die Anordnung beider Kraftrichtungen entsprechend
gleichzeitig anzuwenden.
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Eine besonders wichtige Anwendung findet die Erfindung bei Zahnrädern.
Im allgemeinen werden die Zahnräder um so breiter bemessen, je größer die zu übertragenden
Drehmomente sind, so daß die Flächenpressungen einen bestimmten zulässigen Wert
nicht überschreiten. Die Vergrößerung der Zahnbreite ist jedoch dadurch begrenzt,
daß, ins besondere bei Zahnrädern mit kleinen Zahnraddurchmessern, den sogenannten
Ritzeln, eine gewisse, wenn auch sehr kleine schraubenförmige Verdrehung, also eine
Schiefstellung der Zähne, hervorgerufen wird. Diese Schiefstellung ist zwar bei
kleinen Zahnbreiten unschädlich, hat bei großen Breiten jedoch zur Folge, daß nur
die z.B. vorderste Kante bzw. der vorderste Teil des Zahnes an dem entsprechenden
Zahn des Gegenzahnrades anliegt, während der Rest der Zahnbreite nicht mehr anliegt
oder wenigstens vielgeringer belastet ist. Hierdurch ist die Flächenbelastung in
den vorderen Breitenelementen ungleich höher, so däß diese unter Umständen überbelastet
werden. Auch ist mit wechselnder Zahnbreite ein ausreichend genaues Fluchten der
Zahnradachsrichtungen immer schwieriger. Weiterhin tritt die nachteilige Erscheinung
auf, daß, wenn Unreinigkeiten, Späne, im Öl befindliche Fremdkörper od. dgl. sich
zwischen die Verzahnung legen, die gesamte Umfangskraft sich an einer Stelle konzentriert,
wodurch die Lauffläche eingedrückt und binnen kurzem zerstört wird.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß die
Zahnräder bzw. die Zähne in Achs- oder Zahnrichtung in einzelne Teile unterteilt
werden, welche sich durch belastungsausgleichende Zwischenglieder oder Ausgleichflächen
gegeneinander abstützen. Die Erfindung hat weiter den Vorteil, daß infolge der Gewährleistung
einer gleichmäßigen Berührung der aufgeteilten Zahnflanken die Bearbeitungsgenauigkeit
der Zahnflanken und damit die Herstellungskosten vermindert werden können.
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Weitere vorteilhafte Anwendungen der Erfindung sind beispielsweise
bei Parallelschaltung mehrerer Zahnräder oder Getriebe, also z. B. Planeten- oder
Ausgleichgetriebe, zur Erzielung einer gleichmäßigen Belastung der Planeten- oder
Ausgleichräder z. B. durch Verschiebung der Planetenräder gegeneinander in radialer
oder in Umfangsrichtung sowie bei Lagern zur Erzielung einer gleichmäßigen Lagerbelastung
möglich. Die gesamte Lagerlänge kann dadurch beliebig groß und die Logerbelastung
gleichmäßig sehr niedrig gehalten werden.
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In der Zeichnung sind einige Anwendungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Abb. I die Anordnung einer Ausgleichvorrichtung für
unterteilte Zahnräder im Schnitt nach Linie I-I der Abb. 2, Abb. 2 einen Schnitt
nach Linie 2-2 der Abb. I, Abb.3 eine andere Ausführungsform der Ausgleichvorrichtung
unter Verwendung von Kugeln, Abb.4 eine andere Art der Unterteilung von Zahnrädern
mit entsprechend abgeänderter Anordnung der Ausgleichvorrichtung, Abb. 5 den mit
5 bezeichneten Teilausschnitt aus Abb.4 in vergrößertem Maßstab, Abb. 6 die Anwendung
auf ein Planetengetriebe, Abb.7 die Anwendung auf ein Kegelradausgleichgetriebe,
Abb. 8 ein ähnliches Anwendungsbeispiel wie Abb.7, wobei jedoch hie Achse der Kegelräder
unter einem Winkel zur Achse der Antriebswellen verläuft, Abb.9 die Durchbiegung
einer Welle in einem normalen Lager, wobei die Durchbiegung,der Deutlichkeit halber
übertrieben dargestellt ist, Abb. Io eine entsprechende Anordnung gemäß der Erfindung
mit unterteiltem Lager, Abb. II eine Abwandlung zu Abb. Io mit schwenkbar angeordneten
Einzellagern oder Lagerringen, Abb. I2 die Anwendung auf ein Achsdrucklager in Kammlageranordnung,
Abb. I3 eine ähnliche Anwendung in etwas anderer Ausführung, Abb. I4 schematisch
eine Anwendung der Erfindung auf ein mehrachsiges Fahrzeug und Abb. I5 eine etwas
andere Ausführungsform der Anwendung nach Abb. I4.
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In Abb. I und 2 ist a eine Welle, auf welcher ein in fünf Einzelräder
bi bis b. unterteiltes Zahnrad angeordnet ist. Die Welle ist mit einer A.nisnehmung
c versehen, in welche die Keile d1 bis d6 derart eingesetzt sind, daß sie sich mit
ihrer Rückseite gegen eine Abstützfläche a1 abstützen, während sich zugleich die
äußersten Keile d1 und d& gegen seitliche Stützflächen a2 und a3 anlegen. Die
Einzelzahnräder
bI bis b5 sind auf ihrer Innenseite mit Ausnehmungen
e zur Aufnahme der Keile dI bis d6 versehest, wobei die Ausnehmungen auf ihren den
Keilspitzen zugekehrten Enden an den Flächen f ebenfalls keilförmig zugespitzt sind,
derart, daß je eines der Teilzahnräder mittels seiner Keilflächen f zwischen benachbarte
Keile hineinragt und sich an die Keilflächen derselben anlegt.
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Die Zahnflanken können hierbei in der Achsrichtung, z. B. in einem
zylindrischen Schnitt durch den Teilkreis, ballig ausgeführt werden, so dtaß eine
Kantenpressung auf jeden Fall vermieden wird.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Wird beispielsweise
das Teilzahnrad oder Teilritzel b2 aus irgendeinem Grunde, z. B. infolge eines zwischen
die Zähne geratenen Spanes, stärker als die übrigen Teilzahnräder oder Teilritzel
belastet, so wird dieses Teilzahnrad b2 durch die Belastung in Pfeilrichtung A nach
Abb. I verschoben. Da gleichzeitig die übrigen Teilzahnräder weniger als das Teilzahnrad
b2 belastet werden, werden die Keile d2 und d3 nach links bzw. nach rechts und dadurch
zunächst die Teilzahnräder bI und b3 und über die weiteren Keile d4 und d5 auch
die Teilzahnräder b4 und b5 entgegen der Pfeilrichtung so lange verschoben, bis
alle Teilzahnräder oder Teilritzel gleichmäßig im Eingriff stehen. Die seitlichen
Wandungen a2 und a3 verhindern hierbei, daß die Keile dI und d6 ebenfalls in Querrichtung
verischoben werden, wodurch der zur Verschiebung der Zahnräder bI und b3 bis b5
erforderliche Rückdruck erzielt wird. Das Axial spiel der Ritzel quer zur Pfeilrichtung
A kam hierbei sehr gering sein, da die Verschiebungen stets nur sehr kleine Ausmaße
annehmen.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 sind die Keilflächen durch Kugeln
ersetzt, welche in zwei zueinander versetzten Reihen gI und g2 derart angeordnet
sind, daß sich benachbarte Kugeln einander unter einem Winkel zur Pfeilrichtung
A berühren. Die Ritzel bI und b5 stützen (sich hierbei nicht unmittelbar, sondern
unter Vermittlung der Kugeln g2 gegen die den Keilen dI bis d6 entsprechenden Kugeln
gI ab. Gegebenenfalls könnten jedoch auch die Kugeln g2 durch keilförmige Zuspitzung
der Teilzahnräder bI und b5 in der in Abb. I dargestellten Weise ersetzt werden.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 4 und 5 sind die Teilzahnräder bI
bis b5 mit konzentrischen Naben hI bis h5 versehen, welche durch steilgängiges Gewinde
iI bis i5 oder entsprechende Schraubennuten mit der Welle a sowie untereinander
gekuppelt sind. Als ausgleichende Zwischenglieder dienen in diesem Fall keilförmige
Ringsektoren kI bis k4, welche mit entsprechend keilförmig zuglespitzten Stirnflächen
der Naben hI bis h5 zusammenwirken, derart, daß sich bei starker Belastung eines
Teilzahnrades oder Teilritzels dieses vermöge seines schraubenförmigen Genwindes
axial etwas verschiebt und dadurch über die Zwischenglieder kI bis k4 eine ausgleichende
Axialverschiebung der anderen Zahnräder und durch Vermittlung des Gewindes eine
entsprechende Verstellung derselben in Umfangsrichtung bewirkt. Durch die Verwendung
schraubenförmiger Gewinde wird der Vorteil erzielt, daß das Gleiten der gegeneinander
beweglichen Teile bei flächenförmiger Berührung derselben und somit bei kleinstem
Flächendruck erfolgt.
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Bei dem Anwendungsbeispiel nach Abb.6 sind in einem Planetengetriebe
mehrere Planetenräder I angeordnet, deren in Umfangsrichtung wirkenden Zahndrücke
durch die erfindungsgemäße Einrichtung ausgeglichen wenden sollen. Bekanntlich kann
man bei einer gewissen Anzahl von Planetenrädern grundsätzlich nur mit dem Tragen
eines Teiles der Planetenräder rechnen, da bei einem Vorhandensein von Unreinigkeiten
zwischen den Zahnflanken eine gleichmäßige Belastung der Planetenräder verhindert
wird und außerdem der Zusammenbau niemals genau genug durchgeführt werden kann,
daß alle Planetenräder gleich hoch belastet werden. Ein Ausgleich der Belastung
würde demgemäß bedeuten, daß die durch das Planetengetriebe übertragbare Leistung
im Verhältnis der zum Tragen gebrachten Planetenzahl ansteigt.
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Erfindungsgemäß wind dies nun z. B. dadurch erzielt, daß die Lagerzapfen
m der Planetenräder l in einer Kreisführung n des feststehenden Gehäuses oder Gestelles,
die zum Sonnenmittelpunkt konzentrisch liegt, verschiebbar angeordnet sind. Ihre
Lage zu dieser Führung ist durch einen am feststehenden Gehäuse mittels Zapfen oI
drehbar gelagerten Winkelhebel o festgelegt, dessen einer Schenkel das Lager m des
Planetenrades l umfaßt, während der andere Schenkel auf ein im oben erläuterten
Sinne z. B. keil-, rollen- oder kugelförmiges Glied p drückt. Hierbei kann entweder
die Lagerung bei m oder diejenige bei oI in Richtung m-oI verschiebbar ausgeführt
werden. Die kreisförmige Führung kann dann eventuell auch weggelassen werden, so
daß die radiale Lage der Planeten dem freien Spiel der Radialkomponenten der Zahndrücke
überlassen bleibt. Gegebenenfalls können auch bei Weglassung der Kreisführung n
die Zapfen oI und m unverschiebbar von der Lagerung allseitig umgriffen gelagert
sein. Das Glied p schiebt sich seinerseits in entsprechende, den Ausgleich bewirkende
segmentartige Zwischenglieder q hinein, deren Rückseiten an einer konzentrisch zur
Getriebesonne liegenden Leiste r des stehenden Gehäuses oder Gestelles anliegen.
Hierdurch wird erreicht, daß, wenn ein Planetenrad stärker als die anderen belastet
ist, durch Ausschwenken der Winkelhebel o über das Zwischenglied q die anderen Winkelhebel
in der umgekehrten Richtung und damit die anderen Planetenräder im Sinne einer zunehmenden
Belastung verschoben werden. Auch hierbei können die keilförmig zugespitzten Zwischenglieder
q beispielsweiise durch Kugeln oder Rallen ersetzt werden.
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Wie ersichtlich, wird bei der Ausführungsform nach Abb. 6 trotz der
an sich in der Kraftrichtung hintereinanider@liegenden belasteten Einzelflächen,'
nämlich
der im Eingriff befindlichen Zahnflanken der einzelnen Planetenräder, durch die
Winkelhebelübertragung die Kraftrichtung senkrecht zu der Reihe der nebeneinanderliegen
den Zwischenglieder q wirksam gemacht. Dieser Gedanke kann auch bei anderen Aufgaben,
die ein Hintereinanderliegen der Einzelflächen in der Kraftrichtung aufweisen, zum
Belastungsausgleich benutzt werden.
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Naturgemäß kann jedes der Planetenräder seinerseits wieder in einzelne
Abschnitte, z. B. gemäß Abb. I, unterteilt sein. Hierdurch läßt sich eine besonders
hohe Belastbarkeit der Zahnräder und Getriebe bei geringstem Baugewicht erzielen.
Gegebenenfalls können auch die Planetenräder radial derart geführt sein, daß sie
sich in radialer Richtung frei einstellen können. Ist lediglich eine solche freie
radiale Einstellbarkeit ohne belastungsausgleichende Zwischenglieder zwischen den
einzelnen Planetenrädern vorgesehen, so bietet bereits eine solche Anordnung den
Vorteil, daß die Zahnflanken jedes einzelnen Rades sich so einstellen können, daß
sie über die ganze Zahnbreite, zum Tragen kommen.
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Einfacher ist die Anwendung der Erfindung auf Planetengetriebe, die
z. B. gemäß Abb. 7 oder 8 mit Kegelradplaneten s versehen sind. In diesem Fall ergibt
sich durch eine Überbelastung eines Rades eine Kraft in Richtung der Planetenachse,
die dazu ausgenutzt werden kann, eine gewisse axiale Verschiebung des betreffenden
Planeten und damit eine Entlastung zu erreichen, z. B. in der Weise, daß der Lagerzapfen
s1 des Planetenrades in Achsrichtung des Rades sich auf ein Glied t einer Gliedreihe
oder -kette der oben beschriebenen Art abstützt. Durch axiales Zurück- oder Vorschieben
der Planetenräder ist ein vollkommener Zahndruckausgleich gewährleistet. Alle Verschiebungen
sind hierbei grundsätzlich so klein, daß die Verschiebung der Kopf-, Grund- und
Teilkreise der Räder gegeneinander im allgemeinem unschädlich ist.
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Statt nach außen kann die Abstützung der Zahnräder oder Kegelräder
gegebenenfalls auch nach innen erfolgen. Natürlich lassen sich, wenn die axiale
Verschiebung der Planeten unzulässig erscheint, diese auch entsprechend Abb.6, nämlich
nur in Umfangsrichtung sich verschiebend, anordnen.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach Abb. 6 bis 8 bilden die Abstützglieder
zweckmäßig einen geschlossenen Ring. Ist die Zahl der Ritzed bei Planeten- oder
Ausgleichgetrieben nur gering, z. B. zwei, so ist es unter Umständen vorteilhaft,
die Abstützglieder nur über einen Teil des Umfanges zu erstrecken und hierbei die
Radglieder, ähnlich wie in Abb. I, abzustützen.
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Die Abt. Io und II zeigen die Anwendung der Erfindung auf Lager, insbesondere
zum Belastungsausgleich bei langen Halslagern. Kann man auch dem Schiefstellen einer
Welle in einem lang ausgeführten, Gleitlager dadurch begegnen, daß man die Lagerschalen
in bekannter Weise außen kugelförmig beweglich ausführt, so kann vor allem bei schwachen
Wellen doch der Fall eintreten, daß durch eine gleichgerichtete Belastung der Wellenenden
beiderseits der Lagerung die Welle innerhalb dies Lagers sich durehbiegt und damit
eine Kantenpressung P an den Lagerenden auftritt, wie in Abb. 9 übertrieben dargestellt
ist.
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Zur Vermeidung solcher Kantenpressungen ist erfindungsgemäß, wie Abb.
Io zeigt, das Lager in eine Reihe von kurzen Einzellagern a aufgeteilt, die axial
als Lagerringe nebeneinanderliegen. Diese Lagerringe sind durch die Kugeln v od.
dgl. Zwischenglieder gegeneinander sowie gegen das umgebenide Gehäuse w derart abgestützt,
daß bei einer zu starken Belastung eines Lagerringes ein Verschieben desselben entsprechend
der Zeichnung nach unten und gleichzeitig ein Verschieben der atndern Lagerringe
nach oben durch die dazwischenliegende Gliederreihe der Kugeln oder Keile hervorgerufen
wird, so daß eine jeweils gleichmäßige Belastung aller Lagerringe gewährleistet
ist. Hierdurch wird eine außen kugelige Abdrehung der Achsen überflüssig. Hierbei
kann ferner die Axialerstreckung der Lagerringe so klein gehalten werden, daß die
Schiefstellung der Welle auf der Ringlänge innerhalb des Lagerspiels bzw. der Ölfilmdicke
liegt und damit unschädlich ist. Ein. Schiefstellen der Ringe kann auch ermöglicht
werden beispielsweise dadurch, daß die axiale, Zusammenhaltung aller Ringe, die
die seitliche Verrückung begrenzt, auf die Stelle nahe der Kugelreihe beschränkt
wird.
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Des weiteren kann gemäß Abb. II die Abstützung der Einzelringe u auch
derart ausgebildet sein, daß eine gewisse Schiefstellung der Ringe selbsttätig eintreten
kann, so daß sich jeweils die Achse des Einzelringes parallel zur Achse des betreffenden,
von ihm gelagerten Wellenelementes einstellen kann: Die Erfindung läßt sich sinngemäß
auch z. B. auf Spurlager in Kammlagerausführung, auf Traggewinde, auf mehrfach gestützte
oder gelagerte Anordnungen und andere statisch unbestimmte Systeme übertragen, bei
denen bei einer starren Verbindung aller Auflageflächen die Gefahr besteht, daß
nicht alle Auflageflächen gleichmäßig an der Lastaufnahme beteiligt sind. Dabei
ergibt sich, wenn, wie oben beim Planetengetriebe, die belasteten Flächen in Kraftrichtung
hintereinanderliegen, die Möglichkeit, mittels Einzelhebel od. ä. die Kraftrichtung
so zu ändern, daß sie senkrecht zu der Reihe der nebeneinanderliegenden Zwischenglieder
gerichtet ist.
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Eine entsprechende Anwendung auf eine Lagerung mit mehreren nach Art
von Kammlagern hintereinander angeordneten. Axialdruckkugellagern zeigt Abb. 12.
Die äußeren Lagerringe i stützen sich hierbei gegen Einzelhebels ab, deren Drehzapfen
3 z. B. fest im äußeren Gehäuse 6 gelagert sind und ihrerseits auf Keilstücke q.
einwirken, die radial verschielbbar sind und dadurch die sich gegen das äußere Gehäuse
at>stützenden :ausgleicheniden Zwischenglieder 5 axial verschieben. Zweckmäßig sind
mehrere Reihen derartiger Zwischenglieder auf dien Umfang des Lagers verteilt.
Bei
dem Ausführungsbeispiel nach Abb. I3 stützen sich die äußeren Lagerringe I' gegen
feste Anschläge im Gehäuse 6' ab, während die innerem Lagerringe 7' untereinander
in belastungsausgleichender Verbindung stehen. Zu diesem Zweck sind die Innenringe
gegen die Winkelhebel 2' abgestützt, die auf Zapfen 3' in der Hohlwelle 8' gelagert
sind und deren einer Hebelärm durch Öffnungen 9' in der Welle nach außen herausragt,
während der andere Hebelarm sich über Kugeln 4 oder entsprechende Teile gegen die
im Innern der Höhlwelle angeordneten belastungsausgleichenden Zwischenstücke 5'
abstützt.
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Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel nach Abb. I4
sind die in senkrechter Richtung geführten Achsen oder die Traggestelle Io der Achsen
für Fahrzeugräder mittels rollen- oder keilförmig ausgebildeter Teile II sowie durch
entsprechend ausgebildete belastungsausgleichende Zwischenglieder I2 gegeneinander
bzw. durch Einzeliglie&r 13 nach. außen abgestützt. In senkrechter Richtung
stützen sich die Zwischenglieder 12 bzw. die Einzelglieder I3 gegen eine obere Platte
I4 ab. Wird eine der Achsen des Fahrzeugs angehoben, so werden gleichzeitig die
anderen Achsen durch horizontales Verschieben der Zwischenglieder I2 so lange nach
abwärts verschoben, bis die Belastung aller Achsen wieder gleich geworden ist. Entsprechend
der Zahl der Achsen wird hierbei das Fahrzeug als Ganzes in der Regel nur um einen
Bruchteil der Höhe des von einer der Achsen überfahrenen Hindernisses angehoben.
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Im Falle der Abb. I5 sind die Achsträger Io' durch nach Art von Parallelogrammen
angeordnete Lenker I5 und I6 mit den Zwischengliedern I2' verbunden. Bei einer Aufwärtsbewegung
des dargestellten Achsträgers spreizen sich die Lenker und drücken die Zwischenglieder
I2 auseinander. Ähnliche Lenker können auch in allen anderen Anwendungsfällen zur
Verwendung kommen, soweit dieses unter Berücksichtigung der jeweiligen Abmessungen
zweckmäßig erscheint.