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kraftkomponente aufzunehmen vermag. Im Uberlastungs-
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fall wird die Tellerfeder zusammengedrückt, wobei ihre Druckkraft
bis unter null abfällt; das heißt, die Tellerfeder schnappt durch und verbleibt
in der durchgeschnappten Stellung, so daß die Kupplungselemente vollkommen ausgerückt
sind und sich relativ zueinander verdrehen können. Zum Einrücken wird die Tellerfeder
wieder in ihre Normalstellung zurückgedrückt.
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Stand der Technik Formschlüssige Sicherheitskupplungen sind bisher
vorwiegend als Brechkupplungen, beispielsweise Brechbolzen- oder Reißstab-Kupplungen
bekannt. Dabei muß die Kupplung nach Eintritt des Uberlastungsfalles zerlegt und
die auf Sollbruch ausgelegten Teile müssen ersetzt werden.
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Kupplungen mit den ttlerkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches
sind bisher nur in Form von fremdgeschalteten Kupplungen bekannt geworden. Dabei
erfolgt das Ausrücken des axial verschiebbaren kupplungselementes über hagnetspulen,
die entweder über Schleifringe gespeist werden oder feststehend sind. Da die Ubertragung
des Drehmoment es über die Verzahnung formschlüssig erfolgt, sind die Abmessungen
der Lahnkupplungen und damit auch die Schwungmomente erheblich kleiner als die entsprechender
kraftschlüssiger Kupplungen.
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Beschreibung der Erfindung Hiervon ausgehend, liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde,jeine formschlüssige Überlastkupplung
zu
entwickeln, die bei Überschreiten eines iestiYk Drehmoment es zuverlässig ausrückt
und die beiden Kupplungselemente reibungsfrei relativ zueinander rotieren läßt.
Die erfindunggemäße Überlastkupplung soll sich weiterhin durch einfachen, kostengünstigen
Aufbau und durch die Vöglichkeit sofortiger Wiederinbetriebnahme auszeichean; es
soll sich also der bisher bei Sicherheitskupplungen notwendige Ersatz der kraftübertragenden
Sicherungsglieder erijbrigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des neuen
Hauptanspruches gelöst. Durch die erfindungsgemäße Federanordnung ergibt sich der
Vorteil, daß das Ausrücken der Kupplungselemente im Überlastungsfall gegen nachlassende
Federkraft erfolgt und die Feder in eine zurückgezogene Ruhestellung umschnappt.
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Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Bemessung der Feder so
vorzunehmen, daß die beiden Kupplungselemente in ausgerücktem Zustand noch unter
einer geringen Federanpressung stehen, so daß sie aneinander schleifen - beispielsweise,
um akustisch auf den Überlastungsfall aufmerksam zu machen -, doch ist es in der
Regel vorteilhafter, die Feder so zu bemessen, daß sie ab einem bestimmten Federweg
eine negetive Federkraft entwickelt und selbsttätig in die zurückgezogene Ruhestellung
umschnappt. Wird hierbei der Federweg zwischen der vorgespannten Arbeitsstellung
und der zurückgezogenen Ruhestellung größer als die Eingriffstiefe der Kupplungsverzahnung
in Axialrichtung gewählt, so ist sichergestellt, daß die Kupplungselemente im Überlastungsfall
reibungsfrei gegeneinander rotieren können.
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Zweckmäßigerweise wird eine Tellerfeder verwendet, bei der das Verhältnis
(h/s) der konischen Höhe der Tellerfeder in unbelastetem Zustand zu ihrer Blechstärke
größer
ist, In diesem Fall ergibt sich bekannterweise ein Bereich mit negativer Federkraft,
in dem der Feder -teller
ohne Kraftäußerung in einen stabilen,
durchgefederten Zustand vergeht. Die für das Umschnappen erwünschte negative Federkraft
tritt bei einem Federweg auf, der größer als die konische Höhe der Tellerfeder in
unbelastetem Zustand, aber kleiner als ihre doppelte Höhe ist. Vergl. hierzu W.
ernitz: "Die Tellerfeder" in Konstruktion 1954, heft 10, Seite 361. Wird das Verhältnis
der konischen Tellerfederhöhe in unbelastetem Zustand zu ihrer Blechstärke mit 3
gewählt, so ist jeweils die Eingriffstiefe der Kupplungsverzahnung und der Vorspannweg
der Tellerfeder etwa mit der doppelten Blechstärke anzusetzen. sie Feder ist dann
im Betriebszustand gerade so stark vorgespannt, daß sie ihre maximale Federkraft
entwickelt.
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Selbstverständlich besteht auch die öglichkeit, Tellerfedern mit vergleichsweise
wesentlich größerer öhe zu wählen, insbesondere dann, wenn man den beim Umschnappen
übersprungenen Federweg vergrößern will. Will man die maximale axiale Anpreßkraft
auf das Kupplungselement vermindern und trotzdem mit einer Vorspannung nahe dem
Hochpunkt der Federcharakteristik arbeiten, so kann das unter dem Einfluß der Tellerfeder
stehende Kupplungselement durch ein im Gegensinn wirkendes Federelement belastet
werden. Durch Regelung der Anpreßkraft dieses zusätzlichen Federelementes kann die
zum Ausrücken erforderliche Axialkraft in der Kupplungsverzahnung in weiten Grenzen
eingestellt werden; das heißt, man kann das Ausrückmoment bei gleichbleibendem Schrägungswinkel
der Zahnflanken an den Kupplungselementen und ohne Änderung der Auslegung der Tellerfeder
und ihrer Vorspannung regulieren.
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Im Sinne eines kostengünstigen Aufbaues der Uberlast-Kupplung empfiehlt
es sich, daß die Federscheibe unmittelbar zwischen den beiden Kupplungselementen
verspannt ist. Sie stützt sich dabei längs ihrem äußeren Umfang an einem zu ihr
hin abgeschrägten Bord einer Kreisscheibe
ab, die ihrerseits «a
einen Kupplungselement anliegt, wä.lrend ste sich längs ihres inneren Umfanges an
einem mit dem anderen Kupplungselement verbundenen Teil abstützt. Besonders zweckmäßig
ist es hierbei, das eine Kupplungselement als Zahnrad, das andere als Nabe auszubilden,
auf der das erstgenannte Kupplungselement axial verschiebbar ist, wobei die radialen
Berührflächen zwischen beiden Kupplungselementen die Verzahnung tragen. Das Zahnrad
ist hierbei mittels einer Gleitbuchse auf der abe geführt, damit die Reibungsverhältnisse
keinen nennenswerten Einfluß auf den Ausrückvorgang haben können.
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Außerdem kann als Feder eine Ringfeder verwendet werden, die abwechselnd
von außen und innen radial geschlitzt ist. Derartige Federn sind als RINGSPANN Elemente
bekannt. Bei ihnen läßt sich die erwünschte Umschnappcharakteristik dadurch herbeiführen,
daß sie entweder an ihrem äußeren oder an ihrem inneren Umfang in einer Bohrung
bzw. auf einem Zylinder verspannt ist, deren Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser
bzw. größer als der Innendurchmesser der Federscheibe in entspanntem Zustand ist.
Dadurch wird die Federscheibe in einen konischen Zustand gepreßt und kann an ihren
freien, unverspannten Umfang ebenso zum Aneinanderpressen der beiden Kupplungselemente
verwendet werden wie eine Tellerfeder.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße
Uberlastkupplung in einem Axialschnitt; Fig. 2 die Federcharakteristik von erfindungsgemäß
ausgelegten Tellerfedern und Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Uberlastkupplung
im Axialschnitt.
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In Fig. 1 sitzt die erfintungsgemäße tjberlastkupplung zwischen einem
Zahnrad 1 und dessen Nabe 2. Sie kann stattdessen selbstverständlich zwischen vollkommen
anders gestalteten, drehmomentübertragenden Elementen angeordnet sein.
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Die Nabe 2 ist über eine Saßfeder-Verbindung drehfest an einer Welle
3 festgelegt, die das treibende Element sei.
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Auf einer zylindrischen Außenfläche 2a der Nabe 2 sitzt unter Zwischenlage
einer Euchse 4, beispielsweise aus Kunststoff (Tetrafluoräthylen), das Zahnrad 1.
Es ist verdrehbar und axial verschiebbar auf der Nabe 2 gelagert, wird aber im Betriebszustand
durch eine Tellerfeder 5 in formschlüssigem Eingriff mit der isabe 2 gehalten. Hierzu
weist das Zahnrad 1 an seiner linken Stirnfläche, soweit sich diese in Anlage mit
einem radial vorspringenden bund 2b der Nabe 2 befindet, eine Verzahnung la auf,
die in eine entsprechende Verzahnung 2c der Nabe eingreift. Der ilankenwinkel beider
Verzahnungen 1a und 2c ist so gewählt, da! die Übertragung eines Drehmomentes zwischen
beiden Verzahnungen eine Axialkraft hervorruft, die im Auskuppelsinn wirksam ist.
Zur Drehmomentübertragung zwischen beiden Kupplungselementen bedarf es daher der
im inkuppelsinn wirkenden AnprefJkraft der tellerfeder 5. Diese stützt sich längs
ihrem inneren umfang an einem in die Nabe 2 eingelassenen Sicherungsring 6 ab. Längs
ihres äußeren umfanges stützt sie sich an einer zu ihr hin abgewinkelten Kreisscheibe
7 ab, die ihrerseits am Zahnrad 1 angreift.
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Die Funktion ist folgende: Übersteigt die durch das übertragene Drehmoment
zwischen Zahnrad 1 und Nabe 2
erzeugte Axialkraft die Anpreßkraft
der Tellerfeder 5 und die gegebenenfalls zu berücksichtigenden Reibungskräfte in
der Verzahnung und an der Gleitbuchse, so wird das Zahnrad 1 relativ zur Nabe 2
nach rechts verschoben. Bevor die Verzahnungen la und 2c außer Eingriff kommen,
schnappt die Tellerfeder 5 nach rechts in eine zurückgezogene Ruhestellung um, so
daß die Verzahnungen vollends ausrücken und sich beide kupplungselemente relativ
zueinander verdrehen können.
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Sinkt das zu übertragende Drehmoment wieder unter den zulässigen ert
ab, kann man durch Druck gegen den Außenrand der Tellerfeder nach links diese wieder
zum burchschnappen in die gezeichnete .lormalstellung bringen.
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Fig. 2 erläutert die Auslegung der Tellerfeder. Als abszisse ist aufgetragen
der federweg f bezogen auf die Blechstärke s der Tellerfeder. Auf der Ordinate sind
dimensionslose RenngröSsen für die Federkraft aufgetragen, die bezogen sind auf
die Abmessungen und den Elstizitätsmodul der Tellerfeder. Die eingetragenen ennlinien
gelten für verschiedene parameter (h/s) der konischen Jtöhe der Tellerfeder in unbelastetem
Zustand zu ihrer Blechstärke.
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Wie Fig. 2 zeigt, läuft die Federkennlinie einer Tellerfeder mit h/s
= 3,0 im Abszissenbereich von 4,0 bis 5,0 im negativen Bereich, das heißt, bei einer
Einfederung, die geringfügig größer als die vierfache Blechstärke der Tellerfeder
ist, kommt es durch die Eigenkraft der Tellerfeder zu dem erwünschten Umschnappen.
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Die Vorspannung wird bei dem gewählten Ausführungsbeispiel einer Tellerfeder
mit h/s = 3,0 so gewählt, daß
die maximale Anpreßkraft entwickelt
wird. Sie muß hierzu auf den Abszissenwert von 1,5 vorgespannt werden, das heißt,
die zugehörige Einfederung f ist anderthalbmal so groß wie die Blechstärke s. Werden
dann infolge Über]astung die iukplungselemente axial auseinandergerückt, so fällt
die Federkraft kontinuierlich ab.
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Liegt das höchstzulb7ssige Drehmoment relativ niedrig, so kann eine
zu hohe Anpreßkraft der Tellerfeder durch ein in Gegenrichtung wirkendes Federelement
teilweise kompensiert werden. Dieses Federelement muß also im Ausrücksinn auf die
tupplungseRemente einwirken. In Fig. 1 könnte dieses Federelement beispielsweise
an dem radialen Bund 2b verankert sein und sich an der linken Stirnfläche des Zahnrades
1 abstützen. Durch Änderung der Anpreßkraft, indem beispielsweise der eine Abstützpunkt
durch eine verstellbare mutter gebildet wird, läßt sich das AuskuUpelmoment auf
einfache Weise regulieren.
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Das dargestellte Kupplungsprinzip ist selbstverst.ndlich unabhängig
von der Form der Ubertragungselemente verwendbar. So kann das Zahnrad 1 beispielseise
auch eine Hohlwelle oder die Habe 2 ein Antriebsrad sein.
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Auch für die Ausbildung der Verzahnung 1a/2c der Kupplungselemente
bestehen diverse Irofilierungsmöglichkeiten; es können beispielsweise nur wenige,
durch plane Zwisdenstücke voneinander getrennte Zähne oder ein durchlaufender Zahnkranz
verwendet werden. Wesentlich ist lediglich, da13 die Flankenneigung so gewählt wird,
daß die auftretenden Umfangskräfte keinesfalls zur Selbsthemmung gegenüber der axialen
Ausrückbewegung führen können.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 verdeutlicht einige der möglichen
Variationsformen der Erfindung. So ist hier zunächst das eine Kupplungselement als
ein mit einer Nabe 8 drehfest verbundener Ring 9, das andere Kupplungselement als
Zahnrad 10 ausgebildet, das relativ zur Nabe 8 zumindest verdrehbar gelagert ist.
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Außerdem erfolgt die axiale Anpressung der beiden Kupplungselemente
9 und 10 nicht durch eine einzige Tellerfeder wie in Fig. 1, sondern durch zwei
gegeneinandergestellte Tellerfedern 11 und 12, wodurch sich der überbrückbare Ausrückweg
der Kupplungselemente relativ zueinander praktisch verdoppelt. Und schließlich ist
auch die zuvor bereits angesprochene Gegenfeder zur Verminderung des Auskuppelmomentes
in Form einer Tellerfeder 13 dargestellt.
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Das Kupplungselement in Form des Zahnrades 10 stützt sich mit seiner
einen Stirnfläche an einem radial vorstehenden Bund der Nabe 8 ab, an seiner anderen
Stirnseite weist es eine Kupplungsverzahnung 10a auf, die mit einer gleichartigen
Kupplungsverzahnung 9a des Ringes 9 in Eingriff steht. Damit die bei Überlastung
der Kupplung stattfindende Relativverdrehung des Zahnrades 10 relativ zur Nabe 8
nicht durch Passungsrost beeinträchtigt werden kann, ist an den Berührflächen eine
Zwischenlage 14 aus einem geeigneten Kunststoff wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen
vorgesehen.
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Das andere Kupplungselement in Form des Ringes 9 ist durch eine Paßfeder
15 drehfest mit der Nabe 8 und letztere kann über gleichwirkende Verbindungsmittel
drehfest mit der Welle 16 verbunden sein, sofern das Drehmoment nicht auf andere
Weise von der Nabe 8 weitergeleitet
werden soll. Der Ring 9 ist
axial gegenüber der Nabe 8 verschiebbar, wird aber durch die beiden Tellerfedern
11 und 12 in die Verzahnung des Zahnrades 10 gepreßt. Hierzu sind die beiden Tellerfedern
in Axialrichtung an einem Ring 17, der in eine Nut der Nabe 8 eingelassen ist, verspannt.
Zwischen den beiden spiegelbildlich zueinander angeordneten Tellerfedern sitzt ein
Distanzring 18, dessen Breite so bemessen ist, daß auch nach Umschnappen der einen
Tellerfeder noch genügend Federweg für die andere Tellerfeder zur Verfügung steht,
um deren Durchschnappen auszulösen. Der Distanzring weist etwa T-förmiges Profil
auf, so daß die längs ihrem inneren Umfang auf der Nabe geführten Tellerfedern den
Distanzring an ihrem äußeren Umfang zentrieren. Um eine flächige Anlage des inneren
Umfanges der Tellerfeder 11 am Ring 9 zu gewährleisten, ist zwischen beiden Teilen
eine Scheibe 19 zwischengeschaltet, die ebenfalls axial verschiebbar auf der Nabe
8 geführt ist.
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Die Axialposition der Nut für den Sicherungsring 17 ist so bemessen,
daß die beiden Tellerfedern 11 und 12 auf den gewünschten Wert, meist die maximale
Anpressung, vorgespannt sind. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung,
den Sicherungsring 17 durch axial einstellbare Elemente, beispielsweise durch eine
Nutmutter, zu ersetzen, die auf einem Gewinde der Nabe 8 verdrehbar ist, um die
Vorspannung der beiden Tellerfedern zu regulieren.
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Übersteigt die durch die Drehmomentübertragung in der Kupplungsverzahnung
9a und 10a entstehende Axialkraft die Anpreßkraft der beiden Tellerfedern 11 und
12, so wird der Ring 9 nach links verschoben und drückt die
beiden
Tellerfedern 11 und 12 zusammen. Um die Axialverschiebung zwischen den beiden Zahnkränzen
9a und 10a zu begünstigen und insbesondere den Einfluß von Passungsrost auszuschließen,
kann zwischen den Verzahnungen eine Kunststoffolie aus beispielsweise Polytetrafluoräthylen
zwischengelegt werden. Nach einem bestimmten Ausrückweg hat zumindest die eine der
beiden Tellerfedern den Umschlagpunkt erreicht und schnappt in eine zurückgezogene
Stellung um. Fast gleichzeitig wird auch die zweite Tellerfeder durch die weitere
Ausrückbewegung der beiden Kupplungselemente an den Umschlagpunkt herangeführt,
wodurch dann genügend axiales Spiel vorliegt, daß sich die beiden Kupplungselemente
berührungsfrei relativ zueinander verdrehen können.
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Mit Hilfe der Gegenfeder 13 ist es möglich, die axiale Anpressung
der beiden Kupplungselemente gegeneinander stufenlos einzustellen. Hierzu ist die
Gegenfeder 13, die im Ausführungsbeispiel als Tellerfeder ausgebildet ist, jedoch
ebensogut eine Schraubenfeder oder ein anderes Federelement sein kann, derart zwischen
dem Ring 9 und der Nabe 8 verspannt, daß sie der von den Tellerfedern 11 und 12
ausgeübten Anpreßkraft entgegenwirkt. Sie stützt sich längs ihrem inneren Umfang
auf der der Tellerfeder 12 gegenüberliegenden Seite des Sicherungsringes 17 ab,
längs ihrem äußeren Umfang an einer Hülse 20, so daß diese axial nach links, also
im Entkuppelsinn, belastet wird. Die Hülse 20 ist über ein Gewinde verdrehbar mit
einer koaxialen Hülse 21 verbunden, die ihrerseits auf dem Ring 9 sitzt und sich
an einem darin eingelassenen Sicherungsring 22 gegenüber der Axialkraft der Gegenfeder
13 abstützt.
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Die Axialkraft der Feder 13 wird dadurch unmittelbar in den Ring 9
eingeleitet. Stattdessen könnte die Hülse 21 auch mit der Scheibe 19 verbunden sein,
wodurch gleichermaßen die Vorspannung der beiden Tellerfedern 11 und 12 teilweise
kompensiert würde. Die zeichnerische Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß im Überlastungsfall
die beiden Kupplungselemente in einem gewissen Sicherheitsabstand zueinander gehalten
werden und es nicht durch zufällige Stöße oder andere äußere Einflüsse zu einem
gelegentlichen Berühren der beiden Zahnkränze 9a und 10a kommen kann.
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Die Verspannung der Gegenfeder 13 erfolgt durch Verschrauben der beiden
Hülsen 20 und 21 relativ zueindi wander. Ist /gewünschte Vorspannung eingestellt,
so kann die Lage der beiden Hülsen relativ zueinander durch eine auf demselben Gewinde
sitzende Kontermutter 23 fixiert werden.
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Bei solchen Anwendungsfällen, wo das Zahnrad 10 im Überlastungsfall
selbst die Ausrückbewegung durchführen kann, erübrigt sich der Ring 9. Das Zahnrad
kann sich dann unmittelbar mit seiner verzahnten Stirnseite an einem entsprechend
verzahnten Bund der Nabe, mit seiner gegenüberliegenden Stirnseite an den Tellerfedern
abstützen.
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Die Verwendung mehrerer hintereinandergeschalteter Federscheiben ist
vor allem dann angebracht, wenn man mit relativ kleinen Tellerfedern eine große
axiale Ausrückbewegung überbrücken will. Bei der Auslegung gemäß Anspruch 1 ist
zu berücksichtigen, daß der dort angegebene Federweg den Gesamtfederweg darstellt
und bei Hintereinanderschaltung mehrerer Federn diese jeweils nach ihrem kürzeren
Eigenanteil am Federweg umschnappen müssen.
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Zum Wiedereinrücken der Tellerfedern 11 und 12 in ihre Normalstellung
wird die äußere Hülse 20 abgeschraubt und der Sicherungsring 17 entfernt. Dadurch
werden die beiden Tellerfedern von außen zugänglich und können entweder von Hand
auf der Nabe 8 wieder in ihre Normalposition gedrückt oder, sofern die dabei zu
überwindende Federkraft zu hoch ist, von der Nabe 8 abgezogen und mittels geeigneter
Werkzeuge umgestülpt werden.
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Wird die Gegenfeder in Fig. 1 an dem Bund 2b gelagert, ergeben sich
insofern günstigere Verhältnisse, als die Gegenfeder ebenso wie die Anpreßfeder
5 unabhängig voneinander montiert und eingestellt werden können.
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Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die formschlüssige Verzahnung
zwischen den Kupplungselementen auch unter Zuhilfenahme von Rollkörpern zur Verminderung
der Reibung durchgeführt werden kann. Diese Rollkörper können beispielsweise die
Form von Kugeln aufweisen und in einem gemeinsamen käfig geführt sein. Ein echtes
Ineinandergreifen der benachbarten Flächen der Kupplungselemente erübrigt sich in
diesem Fall; vielmehr genügt es, an den einander gegenüberstehenden Ringflächen
Ausnehmungen vorzusehen, in die die Kugeln teilweise hineinragen und deren in Umfangsrichtung
schräg verlaufende Flanken die oei Drehmomentübertragung gewünschte Axialkraft für
den Ausrückvorgang erzeugen. In diesem Fall bedarf es keiner Verzahnung im eigentlichen
Sinn an den Kupplungselementen; vielmehr genügen hier schräge Anlaufflächen, zwischen
denen die Rollkörper angeordnet werden.
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L e e r s e i t e