DE2942874A1 - Elastische wellenkupplung - Google Patents

Elastische wellenkupplung

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Gerhard Dipl.-Ing. 5600 Wuppertal Kirschey
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Description

Dipl.-Ing. G. Kirschey
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Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine elastische Wellenkupplung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Kupplungen werden wegen der Form des elastischen Kupplungselements den Scheibenkupplungen zugerechnet; solche sind in zahlreichen, sehr unterschiedlichen Ausführungen bekannt.
Bei einer bekannten Kupplung dieser Gattung wird das als Scheibenreifen ausgebildete Kupplungselement zwischen einer festen Schulter der nabenförmigen inneren Kupplungshälfte und einem darauf lagernden Druckring klemmschlüssig eingespannt, während der Außendurchmesser des Kupplungselementes verzahnt ist und in eine Innenverzahnung eines, z.B. mit einem Motorschwungrad verschraubten, Flanschringes als äußere Kupplungshälfte eingreift. Als nachteilig wird die Einspannung des Kupplungselements im Bereich seines Innendurchmessers angesehen. Diese Einspannung reduziert nämlich die wirksame elastische Länge bzw. den wirksamen elastischen Durchmesser des elastischen Kupplungselementes und stellt eine verschleißbehaftete und bezüglich des Kraftflusses problematische Übergangszone dar, zumal das gummielastische Kupplungselement beträchtlichen Wechselkräften ausgesetzt ist. Außerdem sind die mit der Einspannung des Innendurchmessers des Kupplungselements zutreffenden baulichen Maßnahmen aufwendig. Die äußere, lediglich formschlüssige Verbindung des Kupplungselements mit der äußeren Kupplungshälfte durch die beschriebene Verzahnung besitzt den Nachteil eines relativ hohen
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Verschleisses durch Wechselkräfte, und es besteht die Gefahr des Oberspringens der Verzahnung bei Überlast odereinem plötzlich auftretenden Stoß.
Bei einer anderen Kupplung der vorausgesetzten Gattung ist zwischen einem Innen- und einem Außenring ein Gummiring als elastisches Element einvulkanisiert. Diese Bauform ist zwar hinsichtlich der Ausbildung der Kupplungshälften einfacher, und es treten auch nicht die Probleme der kritischen Obergangsverhältnisse wie bei einer Einspannung auf, doch ist die doppelseitige Vulkanisation des Kupplungselements am Innen- und Außenring relativ kostspielig. Ein konstruktiver Nachteil besteht darin, daß die Drehwinkel einer solchen Kupplung relativ beschränkt sind, weil die zulässigen Zugspannungsspitzen schon bei kleinen Verdrehwinkeln erreicht werden.
Um die Haltbarkeit beim Verdrehen zu erhöhen und größere Verdrehungswinkel zulassen zu können, ist eine Kupplung mit mehreren elastischen Elementen bekanntgeworden, die aus je einem Innenring und einem Außenring bestehen, deren Zwischenräume mit Gummi ausgefüllt und durch je einen Zwischenring unterteilt sind. Die konzentrischen Metallringe und Gummiringe sind an ihren Berührungsflächen durch Vulkanisation miteinander verbunden. Die Haftflächen sind kegelig ausgebildet, und es werden zwei Elemente mit gegenläufiger Kegelneigung koaxial angeordnet und in Achsrichtung miteinander verspannt. Infolge der Kegelflächen wird eine radiale Druckvorspannung aufgebracht, die die Haltbarkeit der Kupplungselemente erhöht und die nennenswerte Verdrehungswinkel
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zuläßt. Allerdings ist diese Ausführung einer elastischen Scheibenkupplung wegen der Vielzahl der Vulkanisationsflächen und dem Erfordernis, die Elemente jeweils paarig zu verwenden sowie schließlich infolge der zu schaffenden Kegelflächen noch wesentlich aufwendiger als die zuvor beschriebene Kupplung.
Schließlich ist noch eine elastische Scheibenkupplung bekannt, bei der das nicht vorgespannte Kupplungselement kegelförmig ausgebildet ist. Diese Kupplung läßt keine sehr großen Verdrehungswinkel zu, ist also, insbesondere bei kompakter Bauweise, nicht sehr drehweich. Auch ist sie nicht gänzlich von durch Drehmoment erzeugten axialen Kräften frei.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elastische Kupplung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzten Art zu schaffen, die trotz besonders einfacher, kompakter und kostengünstiger Ausführung ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährleistet und außergewöhnlich drehweich ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Kombination der Merkmale des Kennzeichenteils des Patentanspruches 1 gelöst. Nach einem dieser Merkmale ist - lediglich - die Innenumfangsflache des Kupplungselements mit der inneren Kupplungshälfte durch Vulkanisation verbunden. Diese an sich bekannte Maßnahme ermöglicht schon deshalb eine kompakte Ausführung, weil - im Gegensatz zu einer Einspannung der eingangs beschriebenen Art - die wirksame elastische Länge des elastischen Kupplungselements nicht reduziert wird. Auch treten kritische Obergangs-Spannungsverhältnisse nicht auf.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist das Kupplungselement unter rein radialer Druckvorspannung zwischen der inneren Kupplungshälfte und einem dem Außenumfang des Kupplungselements umschließenden Ringelement eingespannt. Infolge der radialen Druckvorspannung ist das Kupplungselement im Betrieb höher belastbar; es ist mithin auch bei kompakter Bauweise besonders drehweich, und große Verdrehwinkel sind möglich.
Das dritte Merkmal der mit zunehmendem Durchmesser stetigen Verjüngung des Querschnitts des Kupplungselements im Sinne zumindest annähernd etwa gleicher Schubspannungen innerhalb des Kupplungselements gewährleisten, ebenfalls im Sinne der Kompaktheit und Drehweichheit, daß alle Zonen des elastischen Kupplungselements praktisch gleiche Charakteristik aufweisen. Es kann allerdings sinnvoll sein, den Querschnitt des Kupplungselements im der inneren Kupplungshälfte benachbarten Bereich zur Steigerung der Festigkeit des Vulkanisationsbereichs überproportional zu verbreitern.
Die beschriebene erfindungsgemäß ausgebildete elastische Wellenkupplung benötigt als innere Kupplungshälfte z.B. eine sehr einfach ausgebildete Nabe. Dies gilt auch für das das Kupplungselement außenseitig umschließende Ringelement, welches z.B. auch eine Flanschnabe sein kann. Die radiale Druckvorspannung unter Zuhilfenahme des Ringelements besitzt bei einer lediglich formschlüssigen Verbindung des Ringelements mit dem Kupplungselement, z.B. mit Hilfe einer Verzahnung, den besonderen Vorteil, daß ein Überspringen bei plötzlich einwirkenden Kräften praktisch ausgeschlossen ist.
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Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit und im Sinne besonders langer Standzeiten ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine in Umfangsrichtung spielfreie Verbindung des Kupplungselements mit der äußeren Kupplungshälfte vorgesehen.
Weiterhin kann die Kupplung in vorteilhafter Weise durch eine zu einer Achsquerschnittsebene spiegelsymmetrische Ausbildung des Querschnitts des Kupplungselements gekennzeichnet sein, was den Vorteil besitzt, daß das Kupplungselement selbst eine sehr einfache Formgebung besitzt und daß keine durch Drehmoment erzeugten axialen Kräfte auftreten können. Außerdem ist eine sehr geringe axiale Baulange möglich.
Weitere vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche und ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kupplung einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 einen Längsschnitt lediglich durch die innere Kupplungshälfte und das Kupplungselement der Kupplung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles III der Fig. 1,
Fig. 4 bis J Längsschnitte von vier weiteren Ausführungsbeispielen und
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Fig. 8 eine Teilansicht der Kupplung nach Fig. 7 in Richtung des Pfeiles VIII.
In den Längsschnittdarstellungen der Fig. 1 und 2 sowie 4 bis 7 ist jeweils nur eine oberhalb der Längsachse A gelegene Hälfte der Kupplung dargestellt.
Die Kupplung nach Fig. 1 besteht aus einer inneren Kupplungshälfte 10, einer äußeren Kupplungshälfte 11 und einem dazwischen angeordneten, im wesentlichen kreisringförmigen elastischen und vorzugsweise aus Gummi bestehenden Kupplungselement 12. Die innere Kupplungshälfte 10 ist als Nabe 13 ausgebildet, die eine Innenbohrung 14 zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Welle besitzt. Die zylindrische Außenfläche 10a der inneren Kupplungshälfte 10 ist mit der zylindrischen Innenfläche 12a durch Vulkanisation verbunden.
Die äußere Kupplungshälfte 11 ist als ununterbrochen umlaufendes Ringelement 15 ausgebildet. /·<· besitzt, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, eine Innenverzahnung, beim Ausführungsbeispiel bestehend aus Zähnen 16 und Zahnlücken 17 mit jeweils gerundeten Flanken, In die Zahnlücken 17 greifen Zähne 18 einer Außenverzahnung des elastischen Kupplungselementes 12 ein. Wie aus den F^", 1 und 3 ersichtlich ist, füHen die Zähne 18 die Zfbnlücken 17 nur etwa zur Hälfte aus, wodurch Ventilationckanäle 19 gebildet werden.
Pie derart bewirkte formschlü-=. i ;*-■> Verbindung des Außendurchir.esserberei ch~ des Kupplungsel enents 12 mit der «ußcren Kupplungshälfte 11 ist durch einf radiale Druck-
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vorspannung gekennzeichnet. Vor der Montage besitzt das Kupplungselement 12 einen um das Maß V gegenüber dem Einbauzustand vergrößerten Radius. Die Verbindung des Kupplungselements 12 mit der äußeren Kupplungshälfte 11 geschieht durch Einpressen des Kupplungselements 12 in das Ringelement 15.
Die im wesentlichen in Achsrichtung weisenden Flanken 12b des Kupplungselements 12 besitzen einen stetig gekrümmten Verlauf, derart, daß der Querschnitt in Achsrichtung bzw. die Dicke des Kupplungselements 12 mit zunehmendem Durchmesser abnimmt. Die Gestaltung der Flanken 12b ist dabei so getroffen, daß sich an jeder Stelle des Durchmessers etwa gleiche Schubspannungen im Kupplungselement 12 ergeben. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dicke des Kupplungselements 12 im Anschlußbereich an die innere Kupplungshälfte 10 zur Stabilitätserhöhung in Nabennähe überproportional.
Die radial auf das Kupplungselement 12 einwirkenden Einspannkräfte bewirken, was in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, daß eine Relativverdrehung der inneren Kupplungshälfte 12 in Richtung des Pfeiles D um einen Betrag d relativ zur äußeren Kupplungshälfte 11 eine zunächst als Radius gedachte Faser der Länge 1 auf die Länge L dehnt, wobei die Länge L derjenigen der ungespannten Länge 1 entspricht. D.h., diese Dehnung erfolgt vollständig im Bereich der Rückstellkraft des gummielastischen Kupplungselementes 12, ohne daß während dieses Drehwegs d im Gummi Zugspannungen auftreten, wodurch zugleich die Vulkanisationszone von Zugspannungen entlastet wird. Außerdem erhöht die radiale Vorspannung die Dämpfung im Gummielement 12.
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Das innere Kupplungselement 10 besitzt über den Umfang verteilt auf einem Teilkreis angeordnete Ventilationskanäle 20, die in Verbindung mit den bereits erwähnten Ventilationskanälen 19 eine Belüftung der Kupplung ermöglichen, wobei die Luft in Richtung der Pfeile durch die Kupplung strömt und durch die Beanspruchung des Kupplungselements 12 entstehende Wärmemengen teilweise abführen kann.
Die in den Fig. 1 und 3 dargestellte Kupplung ist axial steckbar ausgebildet. An einem rotierbar angeordneten Teil 21, z.B. der Schwungscheibe eines Dieselmotors, sind auf einem zur Längsachse A konzentrischen Teilkreis mehrere Bolzen 22 eingeschraubt. Auf ihnen stecken elastische Hülsen 23, deren Außendurchmesser auf den Innendurchmesser von Axialbohrung/24 in der als Ringelement 15 ausgebildeten äußeren Kupplungshälfte 11 abgestimmt ist. Somit läßt sich die Kupplung 10, 11, 12 durch axiales Aufschieben auf die zuvor in das Teil 21 eingeschraubten Bolzen 22 mit der Hülse 23 steckverbinden, wobei die Gewindebohrungen 22a im Teil 21 die genormten oder ungenormten vorbereiteten Kupplungsanschlüsse z.B. einer Motorschwungscheibe sein können.
Die Ausführung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach den Fig. 1 bis 3 im wesentlichen durch die andersartige Anordnung von der Belüftung der Kupplung dienenden Ventilationskanälen. Die äußere Kupplungshälfte 11 ist ebenfalls als Ringelement 15 ausgebildet; dieses besitzt jedoch ein dem Teil 21 zugewandtes und gegen die Achse A geneigtes Leitblech 25, welches man sich konzen-
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trisch zur Achse A umlaufend vorzustellen hat. Da die innere Kante 25a des Leitbleches 25 auf einem kleineren Radius liegt als die durch die Zahnlücken 17 gebildeten Ventilationskanäle 19, ergibt sich eine Zwangs-Luftströmung, die durch entsprechende Pfeile dargestellt ist. Damit diese Luft das gummielastische Kupplungselement 12 möglichst großflächig überstreicht, ist es wichtig, die Innenkante 25a des kreisringförmigen Leitbleches 25 bis in die Nähe der inneren Kupplungshälfte 10 heranzuführen.
Uie in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den bisher geschilderten dadurch, daü JtS Ringelement J5 der äußeren Kupplungshäifte 11 als Fianschring ausgeführt ist, wobei der Flansch 15a zur Befestigung mittels Schrauben 26 an einem Antriebsteil 21 iion:. Das eigentliche Ringteil ist mit 15b bezeichnet. V)if» Flanken 12b des elastischen Kupplungselements \L s ·.na ί» i t Rippen 27 versehen, die einerseits einer Erhöhung der Ventilation dienen und andererseits die Oberfläche des Kupplungselements 12 zur Erhöhung der Wärmeabgabe vergrößern. Im Hinblick auf die Ventilation günstig wirkt sich die Nachbarschaft eines Maschinengehäuses 28 aus, aus dem der mit der Nabe 13 zu verbindende Wellenstumpf 29 heraustritt.
Die innere Kupplungshälfte 10 ist wiederum für die Ventilation eingerichtet, doch sind hier nicht einzelne Ventilationskanäle vorgesehen, sondern ein Ventilationsringraum 20' zwischen einer topfförmigen Außennabe 13a und einem Nabenkern 13b. Radialstege 13c verbinden den Boden 13d des äußeren Nabenteils mit seinem zylindrischen Abschnitt 13a, auf dessen Außenseite das Kupplungselement aufvulkanisiert ist. Schrauben 30 verbinden die Nabenteile
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und 13a miteinander. Die Kühlluft kann hier, wie durch die Pfeile angedeutet, das gummielastische Kupplungselement umspülen, wobei die Rippen 29 zusätzliche Luftwirbel und Luftströmungen hervorrufen.
Bei der Kupplungsausführung nach Fig. 6 besteht die äußere Kupplungshälfte 11 aus einem Flanschring 15, dessen Flanschabschnitt 15a der Befestigung der äußeren Kupplungshälfte 10 an einem Maschinenteil 21 mittels Schrauben 26 dient und dessen Ringabschnitt 15b das Kupplungselement 12 unter Druckvorspannung zwischen sich und der inneren Kupplungshälfte 10 einspannt. Die Verbindung zwischen der äußeren Kupplungshälfte I1 und dem Kupplung;-element 12 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus eirc. Klebschicht 31. Bei der Ausführung nach Fig. 6 ist also im wesentlichen die formschlüssige Verbindung durch eine haftschlüssige ersetzt.
Die in den Fig. 7 und 8 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich im Prinzip von den übrigen Ausführungsformen dadurch, daß das Ringelement 15 nicht Bestandteil der äußeren Kupplungshälfte 11 ist, sondern quasi Bestandteil des Kupplungselements 1Z. Das Ringelement 15 spannt aber auch hier das elastische Kupplungselement 12 unter radialer Druckverspannung zwischen sich und der inneren Kupplungshälfte 10 ein. Bei die.cer Ausführung ist das Kupplungselement 12 an seinem Außenaurc>messer verzahnt; die Zahnköpfe 18a liegen an d^r Innen fläche 15c des Ringelements 15 an, und die zwischen den Zähnen gebildeten Zahnlücken dienen dem Eingriff von Mitnehmern 32 der äußeren Kupplungshälfte 11. Die Mitnehmer 32 sind als Bolzen 33 ausgebildet und an einer Ringkreis-
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scheibe 34 befestigt, die ihrerseits mit Hilfe von Schrauben 26 am Teil 21 axial befestigt ist. Auch bei dieser Ausführung sollte Wert auf einen spielfreien Eingriff der Mitnehmer 32 in die Zahnlücken des Kupplungselements gelegt werden, um einen durch Spiel bedingten Verschleiß auszuschließen.
Alle Ausführungen sowie weitere, im Rahmen der Erfindung liegende, Abwandlungen der Kupplung weisen insbesondere den erheblichen Vorteil auf, daß das Kupplungselement 12 eine relativ große elastische Länge besitzt, d.h., obwohl das Kupplungselement selbst sehr kompakt und mit kleinem Außendurchmesser ausgebildet werden kann, ist die Kupplung extrem drehreich und ermöglichst große Verdrehwinkel .
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Claims (13)

Patentanwälte Dipi.-ing. Harald Ostriga Dipi.-Tng. Bernd Sonnet Wuppertal-Barmen Stresemannstraße 6-8 l'altnlanwallc ()Mriga & Sonnet. Pustfach 2» 1.1 27, 1>-5<.(MI Wuppertal 2 Anmelder: Herrn Dipl.-Ing. Gerhard Kirschey Ittertaler Str. 52 5600 Wuppertal 11 Bezeichnung der Erfindung: Elastische Wellenkupplung Ansprüche
1. Elastische Wellenkupplung mit einem aus einem elastischen Werkstoff, namentlich Gummi, bestehenden und im wesentlichen ringscheibenförmigen Kupplungselement, welches im Bereich seines Innendurchmessers drehfest mit der einen (inneren) Kupplungshälfte und im Bereich des Außendurchmessers drehfest mit der anderen (äußeren) Kupplungshälfte verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a. lediglich die Innenumfangsfläche (12a) des Kupplungselements (12) ist mit der inneren Kupplungshälfte (10) (z.B. Nabe (13)) durch Vulkanisation verbunden,
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PosischeckkoMo Credit- u. Volksbank cGmbH Commerzbank AG, Fernsprecher
Essen Wuppertal-Barmen. 'WuPpCrIaI-BaITOCn, (02 02) 55 38 88 u. 5518 66
(BLZ 36010043) «504-431 (BLZ 332 600 98) 15824 (BLZ 33040001) 4034823
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b. das Kupplungselement (12) ist unter rein radialer Druckvorspannung zwischen der inneren Kupplungshälfte (10) und einem den Außenumfang des Kupplungselements (12) umschließenden Ringelement (15) eingespannt,
c. der Querschnitt des Kupplungselements (12) verjüngt sich mit zunehmendem Durchmesser im wesentlichen stetig im Sinne etwa gleicher Schubspannungen innerhalb des Kupplungselements.
2. Kupplung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mindestens iiUmfangsrichtung spielfreie Verbindung des Kupplungselements (12) mit der äußeren Kupplungshälfte (11) bzw. deren Mitnehmern (32).
3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zu einer Achsquerschnittsebene (E) spiegelsymmetrische Ausbildung des Querschnitts des Kupplungselements (12).
4. Kupplung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (12) einen gezahnten Außenumfang aufweist, der formschlüssig mit Mitnehmern (32) der äußeren Kupplungshälfte zusammenwikt.
5. Kupplung nach Anspruch 4 oder einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmer (32) der äußeren Kupplungshälfte als Zähne (16) einer an dem Ringelement (15) vorgesehenen Innenverzahnung (16,17) ausgebildet sind.
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6. Kupplung nach Anspruch 4 oder einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmer (32) von im wesentlichen axial ausgerichteten Bolzen (33) gebildet sind.
7. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (15) zur steckbaren Verbindung mit an der äußeren Kupplungshälfte (11) vorgesehenen Mitnehmern (22, 23 axial ausgerichtete, über den Umfang verteilt angeordnete, Bohrungen (23) aufweist.
8. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (12) mit seinen Zahnköpferr/anJder im wesentlichen glatten Innenfläche (15c) des Ringelements (15) anliegt und die Zahnlücken Eingriffsräume für Mitnehmer (32) der äußeren Kupplungshälfte (11) ausbilden.
9. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (15) Bestandteil der äußeren Kupplungshälfte (11) ist und daß seine Innenumfangsflache mit der Außenumfangsflache des Kupplungselements (12) unter radialer Vorspannung verklebt ist.
10. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der inneren Kupplungshälfte
(10) und/oder im Bereich zwischen dem Kupplungselement (12) und dem Ringelement (15) axial durchgängige Ventilationskanäle (19,20,20·) ausgebildet sind.
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11. Kupplung nach Anspruch 4 bis 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnlücken (17) zwischen den Zähnen (16) des verzahnten Ringelements (15) in radialer Richtung größer sind als die Zähne (18) des Ringelements (15).
12. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kupplungshälfte (11) ein das Kupplungselement (12) einseitig in radialer Richtung teilweise umfangsseitig überlappendes Leitblech (25) aufweist.
13. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die etwa in Achsrichtung weisenden Flanken (12b) des Kupplungselements (12) mit Rippen (27), Nocken, od. dgl. versehen sind.
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