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Die Erfindung betrifft eine elastische
Bolzenkupplung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Aus "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau", 15. Auflage 1983,
Seite 411, Bild 8a, ist eine elastische Bolzenkupplung bekannt,
welche folgende Merkmale aufweist: Zwei Kupplungskörper, die
längs einer
Rotationsachse axial nebeneinander angeordnet sind; eine Vielzahl
von Kupplungsbohrungen, welche in einem Kupplungskörper um
die Rotationsachse herum parallel zu ihr gebildet sind; eine Vielzahl
von Übertragungsbolzen,
die am anderen Kupplungskörper
befestigt sind, um die Rotationsachse herum parallel zu ihr angeordnet
sind, und in die gegenüberliegenden
Kupplungsbohrungen des einen Kupplungskörpers hineinragen; elastische
Kupplungshülsen
aus einem Elastomer-Material, welche in den Kupplungsbohrungen die
Kupplungsbolzen umgeben und dazwischen als Kupplungs-, Feder- und
Dämpfungselemente
wirken.
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Elastische Bolzenkupplungen werden
hauptsächlich
in schwingungsgefährdeten
Antrieben eingesetzt. Sie können
axiale Längenänderungen
von Wellen, beispielsweise hervorgerufen durch Wärmeausdehnungen, aufnehmen,
ferner können
sie radiale Versätze
zwischen Wellen und Winkelfehler der Wellenenden zueinander in gewissen
Grenzen ausgleichen, und sie können
aufgrund des Steifigkeitsverhaltens und Dämpfungsverhaltens der elastischen
Kupplungshülsen
das Schwingungsverhalten eines Antriebsstranges günstig beeinflussen.
So ist es beispielsweise möglich,
mit Hilfe des Steifigkeitsverhaltens der elastischen Bolzenkupplung
die Resonanzdrehzahl eines Antriebsstranges in einen ausreichenden
Abstand zur Betriebsdrehzahl zu bringen. Das Dämpfungsverhalten bestimmt den
Amplitudenverlauf der zwangserregten Schwingungen. Diese Eigenschaften
der Bolzenkupplungen werden durch deren elastische Kupplungshülsen erzielt.
Diese bekannten elastischen Kupplungshülsen versagen in erster Linie
aufgrund von mechanischen Spannungsspitzen, die sich unter Last
aufgrund einer ungleichmäßigen Verformung
der Kupplungshülsen
in diesen Kupplungshülsen
ergeben. Dieser ungleichmäßigen Verformung
wird häufig
mit einer Gewebeeinlage entgegengewirkt, die im Bereich des inneren
Durchmessers der Kupplungshülse
in sie eingelegt wird. Die bekannten Kupplungshülsen sind einstückige Körper aus
Kunststoff oder Naturkautschuk, beispielsweise aus modifiziertem
Naturkautschuk, Chloropren-Polymerisat oder Nitril-Kautschuk.
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Die Firma Carl Freudenberg, 69469
Weinheim, Deutschland, bietet Buchsen an, welche aus zwei zueinander
koaxial angeordneten Hülsen
aus Metall und einem ihren radialen Zwischenraum ausfüllenden
ringförmigen
Zwischenkörper
aus Elastomer-Material bestehen, welcher an die beiden Hülsen anvulkanisiert
ist. Diese Buchsen können
radial und axial wirkende Schwingungen dämpfen, auf Verdrehung beansprucht
werden und kardanische Auslenkungen der beiden Hülsen relativ zueinander aufnehmen.
Die Buchsen werden als elastische Lager für Wellen und Achsen und als
elastische Gelenke angeboten.
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Aus der
DE 35 26 274 A1 ist eine
elastische Bolzenkupplung mit zwei Kupplungskörpern bekannt, die längs einer
Rotationsachse axial nebeneinander angeordnet sind. Am einen Kupplungskörper sind mehrere
Kupplungsbolzen angeordnet, welche in Kupplungsbohrungen des anderen
Kupplungskörpers
hineinragen. Zwischen den Kupplungsbolzen und den Kupplungsbohrungen
sind ringförmige
Zwischenköper
in Form von Elastomerringen vorgesehen. Die Elastomerringe sind
zwischen den Kupplungsbolzen als innere Begrenzung und Hülsen als äußere Begrenzung
einvulkanisiert.
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Aus der
US 1 820 750 sowie der
DE 917 760 C sind ebenfalls
flexible Kupplungen mit elastischen Zwischenkörpern bekannt. Diese Zwischenkörper sind
zwischen inneren und äußeren Hülsen in
radialer Richtung vorgespannt.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe
gelöst werden,
eine elastische Bolzenkupplung so auszubilden, dass der mechanische
Spannungsverlauf in der Kupplungshülse optimiert wird und die
Bolzenkupplung eine höhere
Lebensdauer aufweist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung stellt somit eine neue
Verwendung der bekannten Buchsen der Fa. Carl Freudenberg dar. Diese
neue Anwendung ergibt bei elastischen Bolzenkupplungen einen günstigeren
mechanischen Spannungsverlauf in den Kupplungshülsen, dadurch eine bessere
Dämpfungswirkung
und eine höhere
Lebensdauer der Kupplungshülsen
und damit auch der gesamten Bolzenkupplung.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
enthalten.
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Die Erfindung wird im folgenden mit
Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
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1 einen
axialen Längsschnitt
durch eine elastische Bolzenkupplung gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen
axialen Längsschnitt
durch eine Kupplungshülse
von 1,
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3 einen
axialen Längsschnitt
durch eine Kupplungshülse
gemäß dem Stand
der Technik,
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4 einen
axialen Längsschnitt
durch eine weitere Kupplungshülse
gemäß dem Stand
der Technik,
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5 einen
axialen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kupplungshülse,
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6 einen
axialen Längsschnitt
durch eine elastische Bolzenkupplung gemäß dem Stand der Technik.
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Die in 1 und 2 dargestellte elastische Bolzenkupplung 1 dient
zum elastischen Kuppeln von zwei Wellenenden 2 und 4,
welche entlang einer gemeinsamen Wellenachse 6 angeordnet
sind, welche gleichzeitig die Rotationsachse der Bolzenkupplung 1 ist.
Das eine oder erste Wellenende 2 ist mit einem ersten Kupplungskörper 8 und
das andere oder zweite Wellenende 4 ist mit einem zweiten
Kupplungskörper 10 drehfest
verbunden. Gemäß nicht dargestellten
anderen Ausführungsformen
können der
eine oder der andere oder beide Kupplungskörper 8 und 10 statt
mit einer Welle mit einer Bremsscheibe, Schwungscheibe oder einem
Zahnrad verbunden sein oder zu einem solchen Element ausgebildet
sein, oder die Form eines anderen Rotationskörpers haben oder mit einem
anderen Rotationskörper
verbunden sein. Die erste Kupplungsnabe 8 weist entlang
einer Kreislinie um die Rotationsachse 6 und mit Umfangsabstand
voneinander angeordnete Kupplungsbohrungen 12 auf, in welche
elastische ringförmige
Kupplungshülsen 14 eingesetzt
sind. Jede Kupplungshülse
hat eine Kupplungshülsen-Bohrung 16,
deren Mittelachse 18 parallel zur Rotationsachse 6 liegt.
In die Kupplungshülsen-Bohrung 16 ist
ein Endabschnitt 20 eines Kupplungsbolzens 22 eingesetzt,
welcher mit seinem einen Ende am zweiten Kupplungskörper 10 befestigt
ist und dessen anderes Ende aus der Kupplungshülse 14 herausragt
und durch eine Unterlegscheibe 24 und einen Sicherungsring 26 axial
gesichert ist. Der Kupplungsbolzen 22 kann in die Kupplungshülsen-Bohrung 16 eingepresst
sein. Der eine Endabschnitt 28 des Kupplungsbolzens 22 kann
dadurch an dem zweiten Kupplungskörper 10 befestigt sein,
dass er in eine im Kupplungskörper
gebildete Bohrung 30 eingepresst ist, welche mit der ihr
gegenüberliegenden
Kupplungsbohrung 12 axial fluchtet. Durch die Kupplungsbolzen 22 kann
ein Drehmoment zwischen den beiden Kupplungskörpern 8 und 10 und
von ihnen auf die Wellenenden 2 und 4 übertragen
werden. Anstelle der in den zweiten Kupplungskörper 10 eingepreßten Kupplungsbolzen 22 können Kupplungs-Gewindebolzen 23 verwendet werden,
welche an ihrem vom Sicherungsring 26 abgewandten Ende
durch eine Schraubenmutter 27 auf der vom ersten Kupplungskörper 8 abgewandten Stirnseite
des zweiten Kupplungskörpers 10 axial
gesichert sind. Statt eines Seegerringes 26 kann der Gewindebolzen 23 einen
Schraubenkopf haben.
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Wenn das erste Wellenende 2 einen
radialen Versatz zum zweiten Wellenende 4 aufweist, werden die
elastischen Kupplungshülsen
in Versatzrichtung elastisch zusammengedrückt, wodurch der Versatz ausgeglichen
wird und eine störungsfreie
Drehmomentübertragung
weiterhin gesichert ist. Dasselbe gilt für axiale Längenänderungen und für Winkelfehler
der Wellenenden 2 und 4 zueinander. Da in der Praxis
oft mehrere Verlagerungsarten der Wellenenden 2 und 4 zueinander
gleichzeitig vorhanden sind, entsteht in den elastischen Kupplungshülsen 14 ein komplexer
räumlicher
Spannungszustand.
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Die Kupplungshülsen 14 haben je eine
starre oder steife zylindrische äußere Hülse 32,
eine koaxial mit radialem Abstand darin angeordnete starre oder steife
zylindrische innere Hülse 34 und
einen den radialen Zwischenraum zwischen den beiden Hülsen ausfüllenden
ringförmigen
Zwischenkörper 36 aus elastischem
Material, vorzugsweise einem Elastomer, wie aus 2 hervorgeht. "Steif" bedeutet, daß die Steifigkeit der inneren
Hülse 34 und
der äußeren Hülse 32 wesentlich
höher ist
als die Steifigkeit des elastischen Zwischenkörpers 36. Der elastische
Zwischenkörper 36 ist
mit den beiden Hülsen 32 und 34 durch
eine Haftverbindung rutschfest d.h. rutschfrei, verbunden. Die Haftverbindung
ist vorzugsweise durch Anvulkanisieren des Zwischenkörpers 36 an die
beiden ihn begrenzenden Hülsen 32 und 34 gebildet.
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Bei Bolzenkupplungen mit Kupplungshülsen ohne
begrenzende Hülsen
können
auf sie wirkende Kräfte
nur in Form von Druckkräften übertragen
werden. Bei extremer Belastung kann dies dazu führen, daß die Kupplungshülse auf
ihrer von der Druckseite abgewandten Kupplungshülsen-Bohrungsseite von ihrem
Kupplungsbolzen abgehoben wird. Dies wird vermieden, wenn der ringförmige elastische
Zwischenkörper 36 mit
seinen Hülsen 32 und 34 durch eine
Haftverbindung verbunden ist und dadurch zwischen sich und den Hülsen auch
Zugkräfte
in radialer und axialer Richtung und jeder beliebigen anderen Richtung übertragen
kann. Wenn beispielsweise das erste Wellenende 2 gegenüber dem
zweiten Wellenende 4 winkelig versetzt ist, dann wird ein
vorderer Bereich der Kupplungshülsen 14 zusammengedrückt, wodurch
sich der Abstand ihrer steifen Hülsen 32 und 34 in
diesem vorderen Bereich verringert, was dort zu Druckspannungen
im elastischen Zwischenkörper 36 führt, während sich
ihr Abstand in einem hinteren Bereich und auch auf der radial gegenüberliegenden
Seite vergrößert, was
dort durch die Haftverbindung zwischen dem elastischen Zwischenkörper 36 einerseits
und den Hülsen 32 und 34 andererseits
je zu Zugspannungen im elastischen Zwischenkörper 36 führt. Die
Hülsen 32 und 34 bestehen
vorzugsweise aus Kunststoff, jedoch können sie auch aus Metall oder
einem anderen Material bestehen.
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Ein weiterer Vorteil der Ausführung mit
Hülsen 32, 34 ergibt
sich bezüglich
des dynamischen Verhaltens der elastischen Bolzenkupplung 1,
welche ein nachgiebiges Glied in einem steifen Antriebsstrang darstellt
und aufgrund ihrer Dämpfungseigenschaften
verhindert, daß höher-frequente
Schwingungen vom einen Wellenende 2 auf das andere Wellenende 4 oder
umgekehrt übertragen
werden. Diese Entkopplungsfunktion und Dämpfungsfunktion liegt jedoch
nur dann vor, wenn die elastische Bolzenkupplung 1 auch
unter Last ausreichend nachgiebig bleibt. Wird der elastische Zwischenkörper 36 stark
ungleichmäßig verformt,
steigt seine Steifigkeit an stark verformten und belasteten Stellen
an. Damit entsteht eine "steife
Brücke" zwischen den beiden Kupplungskörpern 8 und
10, wodurch die Dämpfung und
die dynamische Entkopplungsfunktion der elastischen Bolzenkupplung
1 stark eingeschränkt
wird. Demgegenüber
wird bei der Ausführung
mit Hülsen 32, 34 eine
gleichmäßigere Verformung
des elastischen Zwischenkörpers 36 erzielt,
womit hohe örtliche
Versteifungen vermieden werden.
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In 3 ist
eine Ausbildung des Standes der Technik dargestellt, bei welcher
die äußere Hülse 32 mindestens
an ihrem Außenumfang
in Längsrichtung ballig
geformt ist. Der Balligkeits-Krümmungsradius 37 der äußeren Hülsen 32 ist
bei der bevorzugten Ausführungsform
gleich oder ungefähr
gleich dem radial äußeren Abstand
dieser äußeren Hülse 32 von der
Rotationsachse 6 der Bolzenkupplung. Damit folgt die radial äußere Oberflächenlinie,
in einer Längsschnittebene
durch die Hülsen-Mittelachse 18 gesehen,
einer Kreislinie 38, deren Radius 37 gleich dem
radial äußeren Abstand
der äußeren Hülse 32 von
der Rotationsachse 6 ist. Diese Ausführungsform eignet sich gut
zum Ausgleich von größeren Winkelfehlern
zwischen den beiden Rotationskörpern 8 und 10.
Durch die Balligkeit der äußeren Hülsen 32 wird eine
Kantenpressung an den axialen Enden der Kupplungshülsen 14 und
insbesondere in deren elastischem Zwischenkörper 36 erheblich
reduziert. Das hat eine gleichmäßigere Verformung
des elastischen Zwischenkörpers 36 zur
Folge und vermeidet örtliche Belastungsspitzen
in ihm.
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4 zeigt
eine weitere Ausbildung des Standes der Technik bei welcher der
elastische Zwischenkörper 36,
in einer Längsschnittebene
durch die Hülsen-Mittelachse 18 gesehen,
radial nach außen
hin derart verjüngt
ist, daß die
mechanische Spannung im elastischen Zwischenkörper 36 noch gleichmäßiger verteilt
wird. Für
die mechanische Spannung Sigma (?) gilt die 1. Gleichung: ϭ = F/A (I) wobei F
einer Kraft und A einer Fläche
entspricht, auf welche die Kraft wirkt. Im vorliegenden Fall gilt
für den
Betrag A einer zylindrischen Umfangsfläche oder Ringfläche 40 an
einer beliebigen radialen Stelle innerhalb des elastischen Zwischenkörpers 36,
welche zu ihm koaxial ist, folgende 2. Gleichung: A = 2⋅π⋅r⋅b (II) wobei r
der Radius der Ringfläche 40 ist,
welcher von der Hülsen-Mittelachse 18 aus
gemessen wird, und b die Breite der Ringfläche 40 ist, gemessen
in Längsrichtung
der Hülsen-Mittelachse 18.
Dieser Betrag A der Ringfläche 40 wird
in die 1. Gleichung (I) eingesetzt, wenn die Schub-, Zug-, und Druck-Normalspannungen
im elastischen Zwischenkörper 36 für einen
bestimmten Radius r berechnet werden sollen. Wie aus der 2. Gleichung
(II) hervorgeht, steigt bei gleichbleibender Breite b des elastischen
Zwischenkörpers 36 der
Umfangsflächen-Betrag A der Ringfläche 40 linear
mit dem Radius r an, wodurch, eine gleichbleibende Kraft F vorausgesetzt,
die mechanische Spannung Sigma (?) ebenfalls linear ansteigt.
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Um stattdessen gemäß der Erfindung
eine annähernd
gleichbleibende mechanische Spannung Sigma (?) innerhalb des elastischen
Zwischenkörpers 36 zu
erzielen, bleibt die Oberfläche
einer jeden theoretischen zylindrischen Ringfläche 40 innerhalb des
elastischen Zwischenkörpers 36,
welche koaxial zu diesem Zwischenkörper 36 ist, mit abnehmendem Radius
r zwischen der äußeren Hülse 32 und
der inneren Hülse 34 annähernd konstant
und es gilt die Bedingung oder dritte Formel: A = 2⋅π⋅r⋅b = konstant (III)
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Vorzugsweise ist die äußere Hülse 32 an
der Kontaktfläche
mit dem verjüngten
elastischen Zwischenkörper 36 etwa
so breit wie der elastische Zwischenkörper 36 an dieser
Stelle.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
bei welcher der elastische Zwischenkörper 36 in Axialrichtung
der Hülsen-Mittelachse 18 um
einen vorbestimmten festen oder variablen mechanischen Spannungswert
axial zusammengepreßt oder
vorgespannt werden kann. Der elastische Zwischenkörper 36 kann
die zylindrische Form nach den 1 bis 3 oder eine radial nach außen hin
in der axialen Länge
sich verjüngende
Form entsprechend den 4 und 5 haben, wobei die Ausführungsform nach
den 4 und 5 bevorzugt wird. Die innere
Hülse 34 ist
in axialer Richtung in mindestens zwei, bei der dargestellten Ausführungsform
in drei Hülsenringe 42, 43,
und 45 unterteilt. Die Hülsenringe 42, 43 und 45 sind
an ihrem Außenumfang
je durch die Haftverbindung mit dem elastischen Zwischenkörper 36 verrutschfest
verbunden, vorzugsweise anvulkanisiert, und mit axialem Abstand
voneinander angeordnet. Durch den axialen Abstand der Hülsenringe 42, 43 und 45 voneinander
können
sie axial gegeneinander bewegt werden, wenn sie zusammen mit dem elastischen
Zwischenkörper
durch eine externe Einspannkraft in Richtung der Hülsen-Mittelachse 18 axial
zusammengedrückt
werden und dadurch der elastische Zwischenkörper 36 axial vorgespannt wird.
Die Summe der Einzelbreiten der drei Hülsenringe 42, 43 und 45 ist
kleiner als die Breite des sie umgebenden Teils des elastischen
Zwischenkörpers 36,
jedoch sind vorzugsweise die axial äußeren Stirnränder 46 und 47 der
beiden axial äußeren Hülsenringe 42 und 45 radial
bündig
mit den axial äußeren Stirnseiten 48 und 49 der
benachbarten, radial inneren Abschnitte des elastischen Zwischenkörpers 36. Dadurch
können
axiale Einspannelemente am Zwischenkörper 36 und an den
axial äußeren Hülsenringen 42 und 45 in
einer gleichen Ebene, welche quer zur Hülsen-Mittelachse 18 verläuft, anliegen.
Als axial wirkendes Einspannelement können die zugehörigen Kupplungsbolzen 22 oder 23 mit
der Unterlegscheibe 24 und dem Sicherungsring. 26 dienen, durch
welche der elastische Zwischenkörper 36 und die
inneren Hülsenringe 42, 43 und 45 gegen
den zweiten Kupplungskörper 10 gespannt
werden können,
an welchem die Kupplungsbolzen 22 oder 23 befestigt
sind. Statt gegen diesen zweiten Kupplungskörper 10 können die
elastischen Zwischenkörper 36 und
die inneren Hülsenringe 42, 43 und 45 gegen
ein anderes Element gespannt werden, beispielsweise gegen eine auf
einen Kupplungs-Gewindebolzen 50 geschraubte Konter-Gewindemutter 52, wie
in 5 dargestellt. Die
Kupplungs-Gewindebolzen 50 können entsprechend 5 anstatt einer Unterlegscheibe 24 und
eines Sicherungsringes 26 einen Schraubenkopf 54 haben.
Die axiale Vorspannung des elastischen Zwischenkörpers 36 kann auch auf
andere Weise ausgeführt
werden. Durch Einstellen der axialen Vorspannung kann die Steifigkeit
und das Dämpfungsverhalten
der elastischen Bolzenkupplung 1 beeinflußt werden.
Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn die Eigenfrequenzen
eines Antriebsstranges verändert
werden sollen, damit sie einen genügend großen Abstand zur Umdrehungsfrequenz
der beiden Wellenenden 2 und 4 haben.
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6 zeigt
zwei weitere Anwendungsmöglichkeiten
des Standes der Technik Die eine Anwendungsmöglichkeit ist, den ringförmigen elastischen Zwischenkörper 36 auf
seiner ganzen Länge
durch eine Haftverbindung am zugehörigen Kupplungsbolzen 23 zu
befestigen, vorzugsweise anzuvulkanisieren. Damit entfällt die
innere Hülse 34.
Die andere Anwendungsmöglichkeit
ist, wechselweise einen Teil, vorzugsweise die Hälfte, der Kupplungsbolzen 23.
am einen Kupplungskörper 8 und
die anderen Kupplungsbolzen 23 am anderen Kupplungskörper 10 zu
befestigen, und die elastischen Zwischenkörper 36 in Kupplungsbohrungen 12 des
betreffenden anderen oder einen Kupplungskörpers 10 oder 8 einzusetzen.
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Wichtig ist bei allen Ausführungsformen,
daß die
Bolzenkupplung 1 demontierbar ist, ferner daß die elastischen
Zwischenkörper 36 bei
Verschleiß austauschbar
sind.
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Der elastisch kompressible Zwischenkörper 36 ist
vorzugsweise einstückig
und besteht vorzugsweise aus Kunststoff oder Naturkautschuk, beispielsweise
aus. modifiziertem Naturkautschuk, Chloropren-Polymerisat oder Nitril-Kautschuk.
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Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform
ist die äußere Hülse 32 weggelassen
und der elastische Zwischenkörper 36 ist
in seiner Kupplungsbohrung 12 an die Bohrungswand anvulkanisiert.
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Andere Möglichkeiten für eine Haftverbindung
des Zwischenkörpers 36 an
seinem Innenumfang und/oder seinem Außenumfang sind die Verwendung
eines Klebstoffes oder Anschweißen.