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Die Erfindung betrifft eine Antriebsscheibe, insbesondere eine mechanisch entkoppelte Antriebsscheibe. Die Antriebsscheibe umfasst einen Scheibenkranz und eine Nabe, die relativ zueinander begrenzt drehbar sind, sowie Federmittel, die zwischen dem Scheibenkranz und der Nabe verbaut sind. Das eine Ende der Federmittel ist gegenüber dem Scheibenkranz und das andere Ende gegenüber der Nabe im Drehsinn abgestützt. Auf diese Weise sind die Nabe und der Scheibenkranz, als Torsionsschwingungsdämpfer oder Dekoppler, zu Zwecken der Drehmomentübertragung miteinander verbunden. Der Antrieb kann dabei vom Scheibenkranz auf die Nabe oder umgekehrt, von der Nabe auf den Scheibenkranz erfolgen.
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Derartige Antriebsscheiben dienen insbesondere dazu, Drehmoment von der Kurbelwelle auf einen Riementrieb zum Antreiben von Nebenaggregaten zu übertragen. Bei Kraftfahrzeugen mit einer großen Anzahl von Nebenaggregaten bzw. besonders leistungsfähigen Nebenaggregaten, wie Lichtmaschine oder Klimaanlage, sind die von Antriebsscheibe zu übertragenden Drehmomente besonders hoch, was zu einer großen Belastung der einzelnen Bauteile, insbesondere der im Drehmomentfluss zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz liegenden Federmittel führt.
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Im Zuge der Bemühungen zur Senkung der CO2 -Emissionen von Fahrzeugen werden zunehmend Fahrzeuge mit Start-Stop-Funktion und/oder mit Energierückgewinnungsfunktion eingeführt. Hierfür werden Verbrennungsmotoren mit sogenannten Starter-Generatoren verwendet, bei denen eine elektrische Maschine über einen Riementrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist, die sowohl die Funktion einer Lichtmaschine als auch eines Anlassers übernehmen kann. Hierbei sind die beim Anlassen von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor zu übertragenden Drehmomente wesentlich höher als die im Motorbetrieb vom Verbrennungsmotor auf die elektrische Maschine auszuübenden Drehmomente.
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Aus der
EP 2 000 699 A2 ist eine Antriebsscheibe mit einer Nabe und einem Scheibenkranz bekannt, die über ein Federungs- und Dämpfungselement zu Zwecken der Drehmomentübertragung miteinander verbunden sind. Als Federungs- und Dämpfungselement sind zwei gewickelte Drahtfedern vorgesehen, die um die Drehachse gewickelt zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz angeordnet sind. Zwischen den im Drehsinn abgestützten Endbereichen haben die Drahtfedern jeweils eine nicht abgestützte freie Federlänge. Zumindest eine der Drahtfedern hat im Anschluss an ihren abgestützten Endbereich gegenüber einer gekrümmten Abstützfläche einen über dem Umfang zunehmenden radialen Abstand. Bei Verdrehung der Nabe relativ zum Scheibenkranz wird der radiale Abstand zwischen der Drahtfeder und der Abstützfläche, unter Verkürzung der freien Federlänge, über den Umfang fortschreitend bis auf Null reduziert. Auf diese Weise rollt sich die Drahtfeder unter zunehmender Vorspannung an einer gekrümmten Abstützfläche ab, wobei sich die freie Federlänge zwischen den abgestützten anliegenden Endbereichen verkürzt und dadurch die Federsteifigkeit der Drahtfeder mit zunehmender Auslenkung der Teile Nabe und Scheibenkranz gegeneinander stark progressiv zunimmt.
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Aufgrund der hohen zu übertragenden Drehmomente sind die Federn im Übergangsbereich zwischen ihren abgestützten Endabschnitten und der aufweitbaren freien Federlänge sehr hohen Belastungen ausgesetzt, die zu einer Ermüdung des Federmaterials in diesem Bereich führen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsscheibe der obengenannten Art vorzuschlagen, welche hohe Drehmomente zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz übertragen kann, wobei die im Drehmomentfluss zwischen Nabe und Scheibenkranz liegenden Federmittel auch bei hohen Drehmomenten geringen Spannungen und damit einem geringen Verschleiß unterliegen soll. Die Antriebsscheibe soll ferner kompakt bauen, geräuscharm arbeiten sowie gute und frei wählbare Feder- und Dämpfungseigenschaften aufweisen.
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Die Lösung besteht in einer Antriebsscheibe umfassend eine Nabe; einen Scheibenkranz, wobei die Nabe und der Scheibenkranz um eine Drehachse relativ zueinander begrenzt drehbar gelagert sind; zumindest ein Federelement mit einem ersten Endabschnitt, der gegenüber der Nabe im Drehsinn abgestützt ist, und mit einem zweiten Endabschnitt, der gegenüber dem Scheibenkranz im Drehsinn abgestützt ist, sowie mit einem zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt liegenden Zwischenabschnitt; und eine gekrümmte Stützfläche an einem der Teile, Nabe oder Scheibenkranz, wobei das Federelement bei Verdrehung der beiden Teile, Nabe und Scheibenkranz, relativ zueinander mit ihrem Zwischenabschnitt gegen die gekrümmte Stützfläche abstützbar ist, wobei das Federelement eine Umfangserstreckung aufweist, die kleiner als 360° ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe ist, dass diese die Übertragung von hohen Drehmomenten ermöglicht, die insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit einer großen Anzahl von Nebenaggregaten bzw. besonders leistungsfähigen Nebenaggregaten, wie Lichtmaschine oder Klimaanlage, oder beim Anlassen eines Starter-Generators entstehen können. Das Federelement wirkt dabei als Schwingungsdämpfermittel zwischen Nabe und Scheibenkranz. Dadurch, dass das Federelement eine Umfangserstreckung von weniger als 360° aufweist, ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau mit einer hohen Leistungsdichte. Die angegebene Umfangserstreckung des Federelements bezieht sich insbesondere auf den Einbauzustand des Federelements in die Antriebsscheibe, und zwar in unbelastetem Zustand der Antriebsscheibe, d. h. wenn kein Drehmoment zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz übertragen wird. Bei Drehmomentübertragung zwischen Nabe und Scheibenkranz bzw. relativer Verdrehung der beiden Teile zueinander, wird das Federelement aufgeweitet. Hat sich das zumindest eine Federelement weitestmöglich an der gekrümmten Abstützfläche angelegt, können die Teile der Antriebscheibe nicht weiter gegeneinander ausgelenkt werden, d. h. Nabe und Scheibenkranz können nicht weiter gegeneinander verdreht werden. Damit funktioniert die Antriebsscheibe zumindest in dieser relativen Verdrehrichtung der beiden Teile gegeneinander als starre Scheibe. Die Spannungen in dem Federelement werden auf ein definiertes Maß begrenzt, so dass der Verschleiß reduziert und die Lebensdauer verlängert wird.
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Die erfindungsgemäße Antriebsscheibe wird vorzugsweise an einer Stirnseite der Kurbelwelle des Kraftfahrzeugs befestigt. Im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs wird die Antriebsscheibe vom Verbrennungsmotor angetrieben und überträgt Drehmoment über den Riementrieb auf die Nebenaggregate. Je nach Anzahl und Größe der anzutreibenden Nebenaggregate können hierbei sehr hohe Drehmomente auf die Antriebsscheibe wirken. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung haben diese hohen Drehmomente jedoch keinen negativen Einfluss auf das im Drehmomentfluss liegende Federelement, da sich dieses an die Stützfläche anlegt, wodurch die Spannungen im Federelement begrenzt werden. Ein alternativer oder ergänzender zweiter Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Antriebsscheibe ist der Einsatz zum Anlassen eines Starter-Generators. Hierbei wird der Starter-Generator von dem Riemen angezogen, wobei ebenfalls sehr hohe Drehmomente auf die Antriebsscheibe wirken können. Auch für den Start des Motors, d. h. wenn der Motor von dem Riemen angetrieben wird und der Motor die Kompressionsphase durchläuft, kann es günstig sein, die dabei belastete Feder der Antriebsscheibe gemäß der Erfindung vorzusehen.
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Die Stützfläche kann nach einer ersten Möglichkeit an einer Innenfläche des Scheibenkranzes vorgesehen sein. Nach einer zweiten Möglichkeit kann die Stützfläche auch an der Nabe oder einem mit der Nabe verbundenen Teil ausgebildet sein. In jedem Fall ist die Stützfläche so gestaltet, dass sie eine radiale Abstützung des Federelements zumindest in einem mittleren Abschnitt bei Aufweitung des Federelements aufgrund relativer Verdrehung der Nabe zum Scheibenkranz bietet. Vorzugsweise hat die Stützfläche eine Beschichtung aus einem reibungsarmen Material, insbesondere einem Kunststoff, beispielsweise einem Elastomer. Hiermit werden bei Kontakt des Federelements mit der Stützfläche entstehende Reibkräfte gering gehalten und ungewünschte Geräusche vermieden.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich das zumindest eine Federelement in einer Ebene. Das heißt, dass das Federelement über seine Länge keine Ersteckungskomponente in axialer Richtung hat, sondern lediglich in Umfangsrichtung. Hiermit ergibt sich ein axial besonders kompakter Aufbau des Federelements und damit auch der Antriebsscheibe, in dem das Federelement aufgenommen ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Mittellinie des Federelements, welche durch die Summe aller Querschnitts-Mittelpunkte des Federelements gebildet wird, in einer Ebene liegt. Das Federelement ist insbesondere als Biegefeder gestaltet, die in Draufsicht etwa C-förmig ist, d. h. das Federelement erstreckt sich zumindest im Einbauzustand in der Antriebsscheibe um weniger als einen vollen Umfang. Bei Verdrehung der Nabe relativ zum Scheibenkranz wird das Federelement insbesondere auf Biegung beansprucht. Die besondere Eigenschaft einer Biegefeder ist, dass sich das äußere Moment, unabhängig vom Durchmesser der Wicklung, sich auf das Federelement als konstantes Biegemoment über die gesamte Drahtlänge auswirkt. Die zwangsläufige Änderung des Wicklungsdurchmessers infolge der Verdrehung zwischen Nabe und Scheibenkranz hat daher kaum einen Einfluss auf die Linearität der Biegefeder.
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Generell gilt für die Federrate, die auch als Federkonstante bezeichnet werden kann, d. h. das Verhältnis von Federauslenkung zu Federkraft, das diese mit zunehmender Länge der Feder bzw. mit kleiner werdendem Querschnitt der Feder abnimmt. Für eine gute Entkopplung der Nabe relativ zum Scheibenkranz ist eine geringe Federrate, d.h. eine verhältnismäßig weiche Feder von Vorteil. Auf der anderen Seite erfordern hohe zu übertragende Drehmomente eine hohe Federsteifigkeit. Mit der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe wird zum einen eine gute Entkopplung von Nabe und Scheibenkranz erreicht. Hierfür ist es besonders günstig, wenn sich das Federelement über einen Umfang von zumindest 270° um die Nabe herum erstreckt. Auf der anderen Seite ermöglicht die Stützfläche, gegen dies sich das Federelement mit seinem Zwischenabschnitt bei der Drehmomentübertragung zwischen Nabe und Scheibenkranz anlegt, eine Begrenzung der Spannungen innerhalb des Federelements, so dass sich insgesamt hohe Spitzenmomente schadenfrei übertragen lassen. Das Federelement ist gegen eine weitere Aufweitung bzw. Biegebewegung blockiert, so dass die Spannungen in dem Federelement auf ein definiertes Maß begrenzt sind.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Federelement aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Federstahl, hergestellt, der durch eine hohe Elastizität und eine hohe Festigkeit gekennzeichnet ist. Federelemente aus einem Stahlwerkstoff haben eine hohe Federsteifigkeit und sind im Stande, hohe Drehmomente zu übertragen, so dass insgesamt eine lange Lebensdauer, die von der Umgebungstemperatur und anderen Umgebungseinflüssen weitgehend unberührt bleibt, erreicht wird. Aufgrund der metallischen Bauteile ist auch eine Wärmeableitung, die bei der Drehmomentübertragung entsteht, unproblematisch.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung hat das zumindest eine Federelement einen unrunden Querschnitt, insbesondere einen Querschnitt mit größerer Erstreckung in axialer Richtung als in radialer Richtung. Hiermit wird ein guter Ausnutzungsgrad des zur Verfügung stehenden Bauraums zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz erreicht. Außerdem wird bei der Drehmomentübertragung, und damit radial ausgeweitetem Federelement, in vorteilhafter Weise eine große Anlagefläche und eine gute Abstützung zwischen dem Federelement und der Stützfläche erreicht. Besonders günstig ist die Verwendung eines Federelements mit ovalem, polygonalem oder zumindest etwa rechteckigem Querschnitt. Es ist jedoch prinzipiell auch die Verwendung eines Federelements mit kreisrundem Querschnitt möglich.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Krümmung der Stützfläche in Axialansicht zumindest in dem mittleren Teilbereich, gegen den das Federelement abstützbar ist, so gestaltet, dass sie etwa der Kontur des Federelements in aufgeweitetem Zustand entspricht. So wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Spannungen im Federelement nach dem vollständigem Anlegen des Zwischenabschnitts an die Stützfläche konstant gehalten werden. Das bedeutet, dass die in dem Federelement maximal auftretenden Spannungen auf ein definiertes maximales Maß begrenzt sind, so dass der Verschleiß des Federelements auch bei hoher erforderlicher Drehmomentkapazität reduziert und die Lebensdauer verlängert wird.
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In unbelastetem Zustand der Antriebsscheibe ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass das Federelement über seine gesamte Länge gegenüber der Stützfläche eine radialen Abstand hat. Wird nun ein Drehmoment zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz übertragen, beispielsweise beim Antreiben der Nebenaggregate, werden die Nabe und der Scheibenkranz in eine erste Drehrichtung relativ zueinander verdreht, wobei das Federelement aufgeweitet wird, bis es schließlich mit seinem Zwischenabschnitt gegen die Stützfläche in Anlage kommt. Steigt das Drehmoment darüberhinaus, hat dies keinen Einfluss mehr auf die in dem Federelement wirksamen Spannungen. Ohne dass es zu Belastungsspitzen kommt, können somit sehr hohe Antriebsmomente auf den Riementrieb übertragen werden. Müssen auch für die umgekehrte relative Drehrichtung zwischen Nabe und Scheibenkranz hohe Drehmomente übertragen werden, beispielsweise beim Starten des Motors, kann dies ebenfalls mit einem erfindungsgemäß gestalteten bzw. abgestützten Federelement bewerkstelligt werden.
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Vorzugsweise ist die gekrümmte Stützfläche an einem konkaven Grundkörper gebildet, der mit einem der Teile, Nabe oder Scheibenkranz, fest verbunden ist. Zur Verbindung des Grundkörpers mit der Nabe bzw. dem Scheibenkranz eignen sich prinzipiell verschiedene Methoden, beispielsweise eine formschlüssige Verbindung, wie ineinander eingreifende Ausnehmungen und Vorsprünge zwischen dem Grundkörper und dem Aufnahmeteil, kraftschlüssige Verbindung, wie beispielsweise ein Presssitz, oder eine stoffschlüssige Verbindung, wie Eingießen oder nachträgliches thermisches Verbinden. Für eine gute Dämpfung und eine geringe Geräuschentwicklung ist es günstig, wenn die gekrümmte Stützfläche, gegen die das zumindest eine Federelement beim Aufweiten in Anlage kommt, eine Beschichtung aus einem Kunststoff, insbesondere einem Elastomer aufweist.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Stützfläche relativ zu einer Längsmittelebene, welche die Längsachse beinhaltet, spiegelsymmetrisch gestaltet. Dies gilt vorzugsweise auch für das Federelement. Es ist insbesondere vorgesehen, dass Stützfläche und Federelement so zueinander angeordnet sind, dass die Stützfläche zumindest etwa mittig zwischen den Endabschnitten des Federelements liegt. Wie oben bereits erwähnt, ist das Federelement in Axialansicht etwa C-förmig gestaltet und erstreckt sich insbesondere zwischen 270° und 360° in Umfangsrichtung um die Nabe herum. Die gekrümmte Stützfläche ist in Axialansicht aus mehreren Radien zusammengesetzt und ist insbesondere in Form einer konkaven Zylinderfläche gestaltet, gegen die sich das Federelement mit seinem Zwischenabschnitt in aufgeweitetem Zustand radial abstützt. Zylinderfläche ist hierbei im mathematischen Sinne zu verstehen, d. h. eine Fläche mit parallelen Mantellinien, welche durch Parallelverschiebung einer Kurve erzeugt wird. Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, dass die Stützfläche im Querschnitt konkav gestaltet, insbesondere dem Querschnitt des Federelements angepasst ist. Für eine gute Abstützung hat die Stützfläche vorzugweise eine Umfangserstreckung, die zwischen 90° und 270°, insbesondere zwischen 150° und 180°, liegt. Damit Spannungsspitzen in dem Federelement vermieden werden, wenn dieses aufgrund Drehmomentübertragung aufgeweitet mit der Stützfläche in Anlage ist, haben Endbereiche der Stützfläche vorzugsweise eine abnehmende Höhe über dem Umfang.
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Die Antriebsscheibe weist nach einer bevorzugten Ausgestaltung zusätzlich zu dem ersten Federelement ein zweites Federelement auf, das mit einem ersten Endabschnitt gegenüber der Nabe im Drehsinn abgestützt ist und mit einem zweiten Endabschnitt gegenüber dem Scheibenkranz im Drehsinn abgestützt ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das erste und das zweite Federelement im Einbauzustand gegeneinander vorgespannt sind. Das bedeutet, dass in einer ersten relativen Drehrichtung zwischen Nabe und Scheibenkranz das erste Federelement belastet wird und in einer zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten relativen Drehrichtung das zweite Federelement belastet wird. Für das zweite Federelement gilt, dass dieses nach einer der obengenannten Ausführungsformen des ersten Federelements gestaltet sein kann. Es versteht sich, dass je nach technischen Anforderungen das erste und das zweite Federelement gleiche oder voneinander abweichende Federkennlinien aufweisen können.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das zweite Federelement auch im belasteten Zustand über seinen zwischen den Endabschnitten liegenden Zwischenabschnitt in radialer Richtung abstütztungsfrei gegenüber der Nabe und dem Scheibenkranz gehalten ist. Hiermit ergibt sich über die gesamte relative Auslenkung des Scheibenkranzes gegenüber der Nabe bei Antrieb der Antriebsscheibe in entgegengesetzter Richtung eine lineare Kennlinie für das zweite Federelement. Dies ist möglich, wenn in der zweiten Drehrichtung weniger große Spitzenmomente auftreten. Für den Einsatz in einem Antrieb mit Starter-Generator Funktion kann das zweite Federelement bzw. dessen Abstützung gemäß der Erfindung ausgeführt werden.
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Das erste und das zweite Federelement können nach einer ersten Möglichkeit im gegeneinander vorgespannten Einbauzustand gegenüber ihrer entspannten Form radial aufgeweitet sein. Nach einer zweiten Möglichkeit können das erste und das zweite Federelement im gegeneinander vorgespannten Einbauzustand gegenüber ihrer entspannten Form auch radial zusammengezogen sein. Es sind auch Mischformen denkbar, d. h. dass eines der Federelemente im Einbauzustand gegenüber seiner entspannten Form radial aufgeweitet ist, während das andere Federelement radial zusammengezogen ist. In jedem Fall befinden sich die beiden Federelemente bei nicht mit Drehmoment beaufschlagter Antriebsscheibe im Gleichgewichtszustand.
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Die erfindungsgemäße Antriebsscheibe wird vorzugsweise auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs und/oder auf der Welle der elektrischen Maschine angeordnet, wobei das zumindest eine erfindungsgemäß eingebaute Federelement beim Anlassvorgang vorgespannt wird. Auf dem Scheibenkranz kann eine Riemenscheibe für einen Keilriemen, Poly-V-Riemen, einen Zahnriemen oder ein Kettenrad ausgebildet werden, sei es unmittelbar oder als aufgeschobenes Teil. Zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz können Gleit- oder Reibscheiben eingesetzt sein. Weiterhin kann zwischen der Umfangsfläche der Nabe und dem Scheibenkranz eine Gleit- oder Reibhülse verwendet werden. Diese Teile, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen können, dienen einerseits zur Einstellung der Spielfreiheit, andererseits kann hiermit die Dämpfungswirkung variiert werden.
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In einer günstigen Ausführungsform umfasst der Scheibenkranz einen inneren Ringsteg sowie einen äußeren Ringsteg, die über einen radialen Abschnitt miteinander verbunden sind. Zwischen dem inneren Ringsteg und dem äußeren Ringsteg sind zwei Ringkammern gebildet, die axial benachbart zueinander angeordnet sind, insbesondere von dem radialen Abschnitt voneinander getrennt sind. In einer ersten der beiden Ringkammern sitzt das erste Federelement ein und in der zweiten Ringkammer sitzt das zweite Federelement ein. Insofern kann der radiale Abschnitt auch als Trenn- bzw. Führungsscheibe bezeichnet werden.
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Die Nabe umfasst vorzugsweise ein napfförmiges erstes Teil mit einem Flanschabschnitt sowie ein napfförmiges zweites Teil, wobei das zweite Teil auf das erste Teil so aufgesetzt ist, dass die Nabe einen Ringraum um die Drehachse bildet, in dem der Scheibenkranz und die Federelemente einsitzen. Das erste und das zweite Teil sind vorzugsweise kraftschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch einen Pressverband. Es sind selbstverständlich auch andere Möglichkeiten denkbar, beispielsweise eine förmschlüssige Verbindung oder eine stoffschlüssige Verbindung durch Anschweißen. Es ist vorgesehen, dass die beiden Teile der Nabe verbaut werden, nachdem die Federelemente und der Scheibenkranz auf den Zylinderabschnitt des ersten Teils aufgeschoben worden sind. Der Scheibenkranz wird hierfür mit seinem inneren Ringsteg auf den Zylinderabschnitt der Nabe aufgeschoben, wobei der Scheibenkranz relativ zur Nabe um die Drehachse drehbar ist. Das erste und das zweite napfförmige Teil können als mehrfach abgestufte Tiefziehteile aus Blech hergestellt werden, die jeweils in einer Richtung betrachtet hinterschnittfrei ausgebildet sind.
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Um die Nabe mit dem anschließenden Wellenzapfen sicher zu verbinden, wird eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung vorgeschlagen. Hierfür werden ein oder mehrere Schrauben durch entsprechende Bohrungen im Nabenteil durchgesteckt und in das Ende des Wellenzapfens eingeschraubt. Prinzipiell sind auch andere Verbindungen denkbar, beispielsweise in Ergänzung oder alternativ eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise mittels einer Stirnverzahnung an der Nabe, die mit einer entsprechenden Gegenverzahnung am Stirnende des anzuschließenden Wellenzapfens zusammenwirken kann.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Antriebsscheibe in Axialansicht;
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2 die Antriebsscheibe aus 1 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie II-II aus 1;
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3 die Antriebsscheibe aus 1 in dreidiminsionaler Explosionsdarstellung;
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4 eine Axialansicht auf das erste Federelement der Antriebsscheibe aus 1 im unbelasteten Zustand;
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5 eine Axialansicht auf das erste Federelement der Antriebsscheibe aus 1 im belasteten Zustand;
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6 die Spannungen des ersten Federelements einer erfindungsgemäßen Antriebsscheibe über dem zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz anliegenden Drehmoment; und
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7 das von der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe übertragbare Drehmoment über dem Verdrehwinkel zwischen der Nabe und dem Scheibenkranz.
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Die 1 bis 5, welche eine erfindungsgemäße Antriebsscheibe 2 zeigen, werden nachfolgend gemeinsam beschrieben. Die Antriebsscheibe 2 umfasst eine Nabe 3, die an einem Wellenzapfen mittels Verschraubungsmitteln angeschraubt werden kann, sowie einen Scheibenkranz 4, der mit der Nabe 3 über zwei Federelemente 5, 6 drehelastisch verbunden ist. Die Federelemente 5, 6 sind jeweils in weniger als einem vollen Umfang, d. h. etwa C-förmig gebogen und können sich jeweils mit einem Ende im Drehsinn am Scheibenkranz 4 und mit dem anderen Ende im Drehsinn an der Nabe 3 abstützen. Die Nabe 4 und der Scheibenkranz 5 sind relativ zueinander begrenzt drehbar. Die Drehachse der Antriebsscheibe 2 ist mit A bezeichnet. Sie ist zugleich die Drehachse der Antriebsscheibe 2 als ganzes als auch die Drehachse der relativen Verdrehung von Nabe 3 und Scheibenkranz 4 zueinander.
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Die Nabe 3 umfasst ein erstes von der ersten Außenseite gesehen napfförmigen Teil 7 und ein zweites von der zweiten Außenseite gesehenen napfförmiges Teil 8, die fest miteinander verbunden sind. Hierfür hat das erste Teil 7 in seinem napfförmigern Abschnitt einen kleineren Außendurchmesser als das zweite Teil 8, welches auf das erste Teil 7 aufgeschoben ist. Es ist erkennbar, dass das zweite Teil 8 eine geringere axiale Erstreckung aufweist, so dass es auch als ringscheibenförmig bezeichnet werden kann. Das erste Teil 7 und das zweite Teil 8 haben radial innen jeweils einen flanschartigen bzw. radialen Abschnitt 9, 10, der eine zentrale Bohrung bildet. Zum Verbinden der beiden Teile 7, 8 miteinander sind geeignete Verbindungsmittel vorgesehen, zwischen denen die beiden flanschförmigen Abschnitte 9, 10 axial eingespannt werden. Die Verbindungsmittel umfassen ein Nabenteil 12 mit einem Kragen, das in die Bohrung eingeführt wird, sowie ein Hülsenteil 13 mit einer Schulter, in die das Nabenteil 12 kraftschlüssig eingepresst wird. Dabei sind die flanschförmigen Abschnitte 9, 10 zwischen dem Kragen und der Schulter eingespannt. Es sind prinzipiell auch andere Verbindungsmittel anstelle des Pressverbands denkbar, beispielsweise eine Schraubverbindung. Das Nabenteil 12 hat mehrere Durchgangsbohrungen, in die Schrauben zum Befestigen der Antriebsscheibe 2 an einem Wellenzapfen (nicht dargestellt) eingeschraubt werden können. Vor dem Fügen der Teile 7 und 8 sind das erste Federelement 5, der Scheibenkranz 4 und das zweite Federelement 6 und gegebenenfalls weitere Lagerteile auf das erste Teil 7 aufzuschieben.
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Die beiden Teile 7, 8 der Nabe 3 haben jeweils einen flanschförmigen äußeren Abschnitt 14, 15. Aufgrund der unterschiedlichen Tiefe der beiden Teile 7, 8 ist axial zwischen den beiden flanschförmigen Abschnitten 14, 15 ein Ringraum 16 gebildet. Die napfförmigen Teile 7, 8 sind vorzugsweise Blechteile von jeweils etwa konstanter Wandstärke, die mehrfach gestuft sind und einen Zylinderabschnitt aufweisen. Die beiden Teile 7, 8 sind insbesondere als Tiefziehteil hergestellt, vorzugsweise axial hinterschnittfrei. Es ist erkennbar, dass das Teil 8 eine etwas geringere Wandstärke aufweist, als das Teil 7. In dem Ringraum 16, der auch als Ringnut bezeichnet werden kann, welche zwischen den seitlichen Abschnitten 14, 15 und dem Zylinderabschnitt der Nabe 3 gebildet ist, ist der Scheibenkranz 4 sowie die Federelemente 5, 6 angeordnet.
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Das erste und das zweite Federelement 5, 6 sind im Einbauzustand gegeneinander vorgespannt, d. h. bei Verdrehung der Nabe 3 relativ zum Scheibenkranz 4 in einer ersten Drehrichtung wird das erste Federelement 5 belastet, insbesondere aufgeweitet, während bei relativer Verdrehung in entgegengesetzter zweiter Drehrichtung das zweite Federelement 6 belastet wird, insbesondere aufgeweitet. Im unbelasteten Zustand der Antriebsscheibe 2, d. h. wenn diese kein Drehmoment überträgt, befinden sich die beiden Federelemente 5, 6 im Gleichgewichtszustand.
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Die beiden Federelemente 5, 6 sind aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Federstahl, hergestellt. Es ist insbesondere in 2 erkennbar, dass die Federelemente einen Querschnitt aufweisen, dessen Erstreckung in axiale Richtung größer ist als in radiale Richtung. Hiermit wird ein guter Ausnutzungsgrad des zur Verfügung stehenden Bauraums zwischen Nabe 3 und Scheibenkranz 4 erreicht. Außerdem wird bei radial ausgeweitetem Federelement 5, 6 eine große Anlagefläche und eine gute Abstützung gegenüber der Stützfläche 32 erreicht. Vorliegend sind die Querschnitte der Federelemente 5, 6 etwa rechteckig mit abgerundeten Ecken gestaltet.
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Zum Vorspannen sind die beiden Federelemente 5, 6 jeweils mit einem ersten Ende gegenüber der Nabe 3 in Umfangsrichtung abgestützt und mit ihrem zweiten Ende gegenüber dem Scheibenkranz 4. In 3 ist ein erster Drehanschlag 17 an der Nabe 3 für das erste Ende 18 des ersten Federelements 5 erkennbar, sowie ein zweiter Drehanschlag 19 für das zweite Ende 20 des Federelements 5. Der erste und der entgegengesetzte zweite Endabschnitt 18, 20 sind gerade ausgebildet. Der dazwischenliegende Abschnitt des Federelements 5 ist gebogen und erstreckt sich dabei C-förmig um den Zylinderabschnitt der Nabe 3. Zwischen den beiden Enden 18, 20 ist ein Spalt gebildet, dessen Umfangserstreckung vorzugsweise kleiner als 60° ist. Das Federelement 5 liegt in einer Ebene, d. h. die Biegung der Feder erfolgt, in Bezug auf die Achse A, lediglich in Umfangsrichtung, nicht jedoch in axialer Richtung. Das Federelement 5 hat über seine Länge etwa denselben Radius, d. h. auch die Endabschnitte 18, 20 liegen zumindest etwa auf demselben Radius.
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Das zweite Federelement 6 ist entsprechend in entgegengesetzte Richtung zwischen der Nabe 3 und dem Scheibenkranz 4 aufgenommen. An dem Teil 8 der Nabe 3 ist der Drehanschlag 22 erkennbar, in dem das zweite Federelement 6 mit einem Endabschnitt 23 in Drehrichtung abgestützt wird. Der Drehanschlag am Scheibenkranz 4 für den entgegengesetzten Endabschnitt 24 der zweiten Feder 6 ist in 3 nicht erkennbar. Der Drehanschlag 17 an dem ersten Teil 7 sowie der Drehanschlag 22 an dem zweiten Teil 8 der Nabe 3 sind etwa in Form von U-Profilen gestaltet, die mit den jeweiligen scheibenförmigen Grundkörper fest verbunden sind, beispielsweise verschweißt. Die Drehanschläge 17, 22 der Nabe 3 können jedoch auch aus dem Blech der Teile 7, 8 ausgeformt werden. Die Drehanschläge 19 an dem Scheibenkranz 4 sind in den Grundkörper eingeformt, beispielsweise beim Gießvorgang mit eingegossen.
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Der Scheibenkranz 4 hat einen radial innenliegenden Lagerabschnitt 25, der auch als innerer Ringsteg bezeichnet werden kann, mit dem der Scheibenkranz 4 relativ zur Nabe 3 um die Drehachse A drehbar gelagert ist. Der Scheibenkranz hat weiter einen etwa mittig ausgebildeten scheibenförmigen Abschnitt 26, der an den Lagerabschnitt 25 anschließt und insbesondere einteilig mit diesem hergestellt ist. Der scheibenförmige Abschnitt 25, der auch als Radialabschnitt bezeichnet werden kann, bildet eine Verbindung zwischen dem Lagerabschnitt 25 und dem radial außenliegenden Sitzabschnitt 27, der einen Riemenkranz 28 für einen Poly-V-Riemen bildet. Gleichzeitig werden durch den ringscheibenförmigen Abschnitt 26 zwei Ringräume 16’, 16’’ für die beiden Federelemente 5, 6 voneinander getrennt. Der Scheibenkranz 4 ist an seinem Lagerabschnitt 25 mittels zweier im Halblängsschnitt etwa L-förmiger Gleit- oder Reibhülsen 29, 30 auf dem Zylinderabschnitt 11 der Nabe 3 drehbar gelagert.
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Wie insbesondere in 2 erkennbar ist, ist im radialen Abschnitt 26 des Scheibenkranzes 4 mehrere über den Umfang verteilte Öffnungen 34 vorgesehen, in denen jeweils ein Anlageelement 35 eingesetzt ist. Die Anlageelemente 35, die vorzugsweise als Stopfen 35 gestaltet sind, stehen geringfügig gegenüber der radialen Grundfläche des radialen Abschnitts 26 des Scheibenkranzes 4 hervor. Sie bilden somit eine axiale Anlage für das erste bzw. zweite Federelement 5, 6 und. Dabei sind die Anlagelemente 35 aus einem elastischen Material hergestellt, vorzugsweise einem Kunststoff, so dass sie eine dämpfende Wirkung haben und ungewünschte Geräusche, die beim axialen Anschlagen der Federelemente 5, 6 gegen den Scheibenkranz 4 entstehen können, vermieden werden. Es ist weiter erkennbar, dass auch in dem ersten Teil 7 und dem zweiten Teil 8 der Nabe 3 entsprechende Öffnungen 36, 37 vorgesehen sind, in denen weitere Anlageelemente 38, 39 einsitzen. Diese haben dieselbe Funktion wie die Anlageelemente 35 im Scheibenkranz 4. Die Anzahl der jeweils über dem Umfang verteilten Anlageelemente ist prinzipiell beliebig. Eine gute axiale Fixierung der Federelemente 5, 6 ergibt sich, wenn drei Anlageelemente über dem Umfang verteilt angeordnet sind.
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Wie insbesondere in den 3 bis 5 erkennbar ist, hat der Scheibenkranz 3 eine Stützfläche 32, welche sich über einen Teil des Umfangs des Scheibenkranzes 3 erstreckt. Gegen diese Stützfläche 32 legt sich das erste Federelement 5 an, wenn es aufgrund Drehmomentübertragung zwischen der Nabe 3 und dem Scheibenkranz 4 aufgeweitet wird. Hierfür ist die Krümmung der Stützfläche 32 in Axialansicht so gestaltet, dass sie zumindest über einen Umfangsteilabschnitt zumindest etwa der Kontur des Federelements 5 in aufgeweitetem Zustand entspricht.
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Die Stützfläche 32 ist zumindest etwa mittig zwischen den beiden Endanschlägen 17, 19 für das Federelement 5 angeordnet. Die gekrümmte Stützfläche ist in Axialansicht aus mehreren Radien zusammengesetzt und ist insbesondere in Form einer konkaven Zylinderfläche gestaltet. Es ist erkennbar, dass der Stützabschnitt 32 in Bezug auf eine Längsmittelebene symmetrisch gestaltet ist. An seinen Randbereichen 33, 33’ ist der Stützabschnitt 32 rampenförmig gestaltet und hat, ausgehend von einem zentralen Abschnitt eine stetig abnehmende Höhe. In dem zentralen Abschnitt, der in Umfangsrichtung zwischen den beiden Randbereichen 33, 33’ liegt, hat die Stützfläche einen konstanten Radius oder ist aus mehreren Radien zusammengesetzt. Die Stützfläche 32 hat insgesamt eine Umfangserstreckung, die zwischen 90° und 270°, insbesondere zwischen 150° und 180°, liegt, wobei das Federelement 5 in aufgeweitetem Zustand auch nur über eine kleinere Umfangserstreckung von zwischen 45° und 90° radial abgestützt sein kann.
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Im folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe 2 insbesondere anhand der 4 und 5 erläutert. In unbelastetem Zustand der Antriebsscheibe 2, der in 4 gezeigt ist, hat das erste Federelement 5 über seine gesamte Länge gegenüber der zylindrischen Innenfläche des Scheibenkranzes 4 bzw. gegenüber der Stützfläche 32 eine radialen Abstand. Wird die Nabe 3 und damit der nabenseitige Endabschnitt 18 nach rechts, d. h. im Uhrzeigersinn, gegenüber dem Scheibenkranz 4 verdreht, beispielsweise beim Antreiben von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs mittels des von der Antriebsscheibe 2 angetriebenen Riementriebs, wird das Federelement 5 aufgeweitet, bis es schließlich mit seinem Zwischenabschnitt 21 gegen die Stützfläche 32 in Anlage kommt. Die Verdrehbewegung ist durch den Pfeil dargestellt. Dabei wird der radiale Abstand zwischen dem Federelement 5 und der Stützfläche 32 beim Verdrehen der Nabe 3 infolge eines Aufweitens des Federelements 5 fortschreitend reduziert und schließlich zu null. Hierbei verkürzt sich die nicht anliegende verformbare freie Federlänge und die Kennlinie der Antriebsscheibe 2 wird zunehmend steifer. Steigt das zu übertragende Drehmoment darüberhinaus, hat dies nach dem Anlegen des Federelements 5 gegen die Stützfläche 32 keinen Einfluss mehr auf die in dem Federelement 5 wirksamen Spannungen. In diesem Zustand kann die Belastung in der Feder 5 nicht mehr ansteigen. Durch diese Ausgestaltung können folglich sehr hohe Antriebsmomente sicher übertragen werden, ohne dass die Feder 5 überbelastet wird.
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Für das gegensinnig wirkende zweite Federelement 6 gilt entsprechend das gleiche für ein Verdrehen der Nabe 3 und damit des Endabschnitts 23 gegen den Scheibenkranz 4 nach links, d. h. im Gegenuhrzeigersinn, was dann zu einem Aufweiten des Federelements 6 führt. Dadurch, dass bei Relativverdrehung zwischen Nabe 3 und Scheibenkranz 4 im Gegenuhrzeigersinn, d. h. bei Motorbetrieb, geringere Drehmomente auftreten, ist für das zweite Federelement 6 keine Stützfläche erforderlich. Das heißt, auch im belasteten Zustand ist das zweite Federelement 6 in radialer Richtung abstütztungsfrei gegenüber der Nabe 3 und dem Scheibenkranz 4 gehalten. Hiermit ergibt sich über die gesamte relative Auslenkung des Scheibenkranzes 4 gegenüber der Nabe 3 bei Antrieb der Antriebsscheibe im Gegenuhrzeigersinn eine lineare Kennlinie für das zweite Federelement. Es versteht sich jedoch, dass alternativ auch für das zweite Federelement 6 eine erfindungsgemäße Stützfläche vorgesehen sein kann.
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Nach der Montage sollen beide Federelemente 5, 6 gegeneinander vorgespannt sein, d.h. jeweils gegenüber ihrer entspannten Ausgangslage radial aufgespreizt sein. Bei jeder relativen Verdrehung zwischen Nabe 3 und Scheibenkranz 4 wird eine der Federn 5, 6 zusätzlich gespannt, während die zweite Feder 6, 5 entspannt wird, ohne dass sie dabei ganz entlastet werden soll, d.h. die unter Vorspannungskraft stehende Anlage am jeweiligen Drehanschlag soll erhalten bleiben. Die Dämpfung erfolgt zum einen über die innere Materialdämpfung der Federelemente 5, 6 und zum anderen über die relative Oberflächenreibung zwischen dem Lagerabschnitt 25 des Scheibenkranzes 4 und der Ringnut in der Nabe 3, die durch die Eigenschaften und die Verbauung der Gleit- oder Reibhülsen 29, 30 eingestellt werden kann.
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6 zeigt die Hauptspannungen σ eines der Federelemente 5, 6 der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe 2 über dem Drehmoment. Dabei werden die Hauptspannungen σ in MPa (Megapascal) und das Drehmoment in Nm angegeben. Es ist erkennbar, dass die Kennlinie des ersten Federelements 5 der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe 2 zunächst weitgehend linear zunimmt. In diesem flach ansteigenden Teil der Kennlinie versteift die Antriebsscheibe 2 vollständig, ohne dass es zu einem merklichen Stoß kommt. Etwa ab einem Drehmoment M1 nimmt die Steigung der Hauptspannung ab und bleibt schließlich auch bei höheren Drehmomenten konstant. In diesem Bereich ist das Federelement 5, 6 gegen die Stützfläche 32 radial abgestützt und somit gegen ein weiteres Aufbiegen blockiert. Die Belastung in der Feder kann in diesem Zustand nicht mehr ansteigen.
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7 zeigt den Verlauf des Drehmoments der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe 2 über dem Drehwinkel. Dabei wird das Drehmoment in Nm und der Verdrehwinkel in Winkelgrad angegeben. Der Verdrehwinkel ist jeweils der relative Verdrehwinkel zwischen Scheibenkranz 4 und Nabe 3, ausgehend von der Gleichgewichtsstellung der Federelemente 5, 6. Es ist erkennbar, dass die Kennlinie des Federelements der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe 2 zunächst weitgehend linear zunimmt und ab einem Drehwinkel n1 stark progressiv zunimmt. Mit anderen Worten, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe sehr hohe Drehmomente übertragen, ohne dass die in der Feder auftretenden Spannungen einen zulässigen Höchstwert überschreiten.
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Mit der erfindungsgemäßen Antriebsscheibe 2 werden insbesondere zwei Ziele erreicht. Zum einen wird eine gute Entkopplung der Nabe 3 relativ zum Scheibenkranz 4 aufgrund einer relativ geringen Federrate der Federelemente 5, 6 ermöglicht. Hierfür erstrecken sich die Federelemente über einen Umfang von zwischen 270° bis 360°. Des weiteren ermöglicht das radiale Anlegen des bzw. der Federelemente 5, 6 gegen die Stützfläche 32 eine Begrenzung der Spannungen innerhalb des Federelements 5, 6. Es wird somit eine mechanisch entkoppelte Antriebsscheibe 2 mit variabler Federkennlinie und Blockierfunktion zur Verfügung gestellt, die sehr hohe relative Drehmomente schadenfrei übertragen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Antriebsscheibe
- 3
- Nabe
- 4
- Scheibenkranz
- 5
- Federelement
- 6
- Federelement
- 7
- erstes Teil
- 8
- zweites Teil
- 9
- Flanschabschnitt
- 10
- Flanschabschnitt
- 11
- Zylinderabschnitt
- 12
- Nabenteil
- 13
- Hülsenteil
- 14
- Flanschabschnitt
- 15
- Flanschabschnitt
- 16
- Ringraum
- 17
- Endanschlag
- 18
- Endabschnitt
- 19
- Endanschlag
- 20
- Endabschnitt
- 21
- Zwischenabschnitt
- 22
- Endanschlag
- 23
- Endabschnitt
- 24
- Endabschnitt
- 25
- Lagerabschnitt
- 26
- Trennabschnitt
- 27
- Kranzabschnitt
- 28
- Riemenkranz
- 29
- Gleitelement
- 30
- Gleitelement
- 32
- Stützabschnitt
- 33
- Randbereich
- 34
- Öffnung
- 35
- Anlageelement
- 36
- Öffnung
- 37
- Öffnung
- 38
- Anlageelement
- 39
- Anlageelement
- A
- Drehachse
- n
- Verdrehwinkel
- M
- Drehmoment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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