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Die Erfindung betrifft einen Riemenscheibenentkoppler zur Antriebsmomentübertragung zwischen dem Riemen eines Startergenerator-Riementriebs und dem Startergenerator, umfassend:
- - eine Riemenscheibe,
- - eine auf der Generatorwelle des Startergenerators zu befestigende Nabe,
- - einen Drehanschlag, der einen Anschlagteil an der Riemenscheibe und einen Anschlagteil an der Nabe umfasst und bei antreibendem Startergenerator Antriebsmoment der Generatorwelle von der Nabe auf die Riemenscheibe überträgt,
- - und eine sich in Achsrichtung des Riemenscheibenentkopplers erstreckende Schraubendrehfeder, die in beide Momentenrichtungen belastet ist und bei angetriebenem Startergenerator Antriebsmoment des Riemens von der Riemenscheibe auf die Nabe überträgt und bei antreibendem Startergenerator an der Übertragung des Antriebsmoments von der Nabe auf die Riemenscheibe teilnimmt.
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Dabei liegen die Federenden der Schraubendrehfeder jeweils in beide Momentenrichtungen formschlüssig an einem Federteller der Riemenscheibe einerseits und an einem Federteller der Nabe andererseits an.
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Riemenscheibenentkoppler (in der englischsprachigen Fachliteratur als ‚Decoupler‘ oder ‚Isolator‘ bezeichnet) kompensieren Drehschwingungen und -ungleichförmigkeiten, die von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine in deren Nebenaggregate-Riementrieb eingeleitet werden, und sind typischerweise auf dem Generator angeordnet. Falls der Generator ein Startergenerator ist, der im elektromotorischen Betrieb die Brennkraftmaschine zwecks Startens oder Boostens über den Riementrieb antreibt, ist das bei Generatorfreiläufen übliche Überholen der Generatorwelle ohne Weiteres nicht möglich. Vielmehr muss der Riemenscheibenentkoppler in dieser relativen Drehrichtung sperren, um das vom Startergenerator erzeugte Antriebsmoment via Nabe und Riemenscheibe auf den Riemen übertragen zu können.
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Ein aus der
EP 2 010 792 B1 bekannter Riemenscheibenentkoppler hat einen Drehanschlag, der das Antriebsmoment des antreibenden Startergenerators von der Nabe auf die Riemenscheibe überträgt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Konstruktion besteht in der hohen Geräuschentwicklung durch den Drehanschlag infolge der hart aufeinander auftreffenden Anschlagteile, wenn der Startergenerator die Nabe relativ zur Riemenscheibe verdreht und mit dem Antrieb der Riemenscheibe beginnt.
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Ein weiterer Riemenscheibenentkoppler ist aus der
EP 1 730 425 B1 bekannt und konstruktiv so ausgeführt, dass die Schraubendrehfeder in beide Verdrehrichtungen, d.h. in Öffnungs- und in Schließrichtung belastbar ist. In der einen Verdrehrichtung überträgt die Feder das vom Riemen ausgehende Antriebsmoment entkoppelnd auf den Startergenerator, und in der anderen Verdrehrichtung wirkt die Feder als seinen Durchmesser änderndes Schlingband, das sich aufgrund des Start- oder Boostmoments entweder öffnet oder zusammenzieht und dabei die Riemenscheibe drehsteif gegen die Nabe schlingt. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist die erhebliche Schwierigkeit, die unterschiedlichen Funktionen der Feder und des Schlingbands in demselben Bauteil zufriedenstellend zu verwirklichen.
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Ein gattungsgemäßer Riemenscheibenentkoppler ist aus der WO 2013/ 124 009 A1 bekannt.
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Weitere Riemenscheibenentkoppler sind aus der US 2011 / 0 245 000 A1 und der US 2010 / 0 255 943 A1 bekannt.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Riemenscheibenentkoppler der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Funktionsweise im Start- oder Boostbetrieb des (antreibenden) Startergenerators anzugeben.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach ist es vorgesehen, dass:
- - die Federteller jeweils unter Bildung einer Stufe axial rampenförmig ansteigen,
- - die umfänglichen Stirnseiten der Federenden bei antreibendem Startergenerator das Antriebsmoment von der Stufe des Federtellers der Nabe auf die Stufe des Federtellers der Riemenscheibe übertragen
- - und die Federenden als Tangente oder als Sekante zur Kreisform der Schraubendrehfeder geformt und in damit korrespondierenden Einformungen der Federteller aufgenommen sind, wobei die tangentialen oder sekantialen Federenden bei angetriebenem Startergenerator das Antriebsmoment von der Einformung des Federtellers der Riemenscheibe auf die Einformung des Federtellers der Nabe übertragen.
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Die Aufteilung der Antriebsmomentübertragung auf den Drehanschlag und die quasi parallel dazu geschaltete Schraubendrehfeder bewirkt, dass die Relativverdrehung von Nabe zu Riemenscheibe vor dem Aufeinandertreffen der Anschlagteile gegen Widerstand infolge des dabei zunehmenden Drehmoments der Schraubendrehfeder erfolgt, so dass die Auftreffgeschwindigkeit der Anschlagteile auf einen akustisch akzeptablen Wert begrenzt wird. Darüber hinaus wird die mechanische Belastung des Drehanschlags entsprechend dem von der Schraubendrehfeder übertragenen Drehmomentanteil reduziert. In Abhängigkeit der gegenseitigen Verdrehbarkeit von Riemenscheibe und Nabe zwischen dem Drehanschlag, der Höhe des Start- oder Boostmoments und der Steifigkeit der Schraubendrehfeder kann deren Drehmomentanteil Werte bis zu 50% oder auch darüber annehmen.
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Der Drehanschlag kann ein oder mehrere Anschlagteilpaare umfassen. Dabei nimmt der Drehwinkel, um den die Riemenscheibe relativ zur Nabe verdrehbar ist, mit zunehmender Anzahl und/oder umfänglicher Erstreckung (Dicke) der Anschlagteile ab.
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Die Schraubendrehfeder, die sich in Achsrichtung des Riemenscheibenentkopplers erstreckt und deren Federenden jeweils in beide Momentenrichtungen formschlüssig an einem Federteller der Riemenscheibe einerseits und an einem Federteller der Nabe andererseits anliegen, wird je nach Drehrichtung des übertragenen Antriebsmoments im Durchmesser aufgeweitet oder eingeschnürt.
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Der Anschlagteil der Nabe soll durch (zumindest) einen Mitnehmer gebildet sein, der in (zumindest) einer vom Anschlagteil der Riemenscheibe begrenzten Ausnehmung verdrehbar ist. Die Ausnehmung kann direkt in der Riemenscheibe oder durch einen darin befestigten Mitnehmerring gebildet sein. Der Mitnehmer kann sich bezüglich der Zylinderform der Nabe lokal entweder axial oder radial erheben.
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Außerdem kann zwischen dem Mitnehmerring und der der Schraubendrehfeder abgewandten Stirnseite der Nabe eine Gleitscheibe mit (zumindest) einem axialen Vorsprung angeordnet sein, der umfänglich zwischen dem Anschlagteil der Nabe und dem Anschlagteil der Riemenscheibe verläuft und Teil des Drehanschlags bildet. Damit dient die Gleitscheibe nicht nur als Axiallager des sich auf dem Mitnehmerring verdrehenden Federtellers der Nabe, sondern auch als Zwischenlage, die den unmittelbaren Kontakt der Anschlagteile miteinander verhindert. Die Gleitscheibe besteht im Hinblick auf einfache Herstellbarkeit, die Gleiteigenschaft und die Geräusch dämpfende Zwischenlage zweckmäßigerweise aus Kunststoff.
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Die Federteller steigen unter Bildung einer Stufe axial rampenförmig an, wobei die umfänglichen Stirnseiten der Federenden bei antreibendem Startergenerator das Antriebsmoment von der Stufe des Federtellers der Nabe auf die Stufe des Federtellers der Riemenscheibe übertragen. In einer dazu alternativen Ausführung kann über den gleichen Druckkontakt das Antriebsmoment auf den angetriebenen Startergenerator übertragen werden.
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Der in die entgegengesetzte Drehmomentrichtung wirkende Formschluss zwischen den Federenden und den Federtellern wird dadurch erzeugt, dass die Federenden als Tangente oder als Sekante zur Kreisform der Schraubendrehfeder geformt und in damit korrespondierenden Einformungen der Federteller aufgenommen sind. In diesem Fall übertragen die tangentialen oder sekantialen Federenden bei angetriebenem Startergenerator das Antriebsmoment von der Einformung des Federtellers der Riemenscheibe auf die Einformung des Federtellers der Nabe, wobei der Wicklungskörper der Schraubendrehfeder im Durchmesser eingeschnürt wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, die eine Prinzipdarstellung und ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers für einen Startergenerator-Riementrieb einer Brennkraftmaschine zeigen:
- 1 das mechanische Prinzip eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers;
- 2 das mechanische Prinzip des bekannten Riemenscheibenentkopplers gemäß der eingangs zitierten EP 2 010 792 B1 ;
- 3 den Riemenscheibenentkoppler in perspektivischer Gesamtdarstellung;
- 4 den Riemenscheibenentkoppler in perspektivischem Längsschnitt;
- 5 den Riemenscheibenentkoppler in perspektivisch explodierter Darstellung;
- 6 den Federteller der Riemenscheibe des Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung;
- 7 die Schraubendrehfeder des Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung;
- 8 die Nabe des Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung.
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Die 1a-c zeigen das mechanische Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers. Dieser umfasst eine mit P bezeichnete Riemenscheibe, eine mit H bezeichnete Nabe und eine mit E bezeichnete Entkopplerfeder, die in beide Richtungen belastbar zwischen der Riemenscheibe P und der Nabe H eingespannt ist. Die bidirektionale Belastbarkeit ist vorliegend durch die Federenden der Entkopplerfeder E symbolisiert, die an der Riemenscheibe P und an der Nabe H derart eingehangen sind, dass sie sowohl Druckkräfte als auch Zugkräfte übertragen. Die Anschlagteile des Drehanschlags zwischen Riemenscheibe P und Nabe H sind mit S1 bzw. S2 bezeichnet.
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1a: der Riemenscheibenentkoppler befindet sich in unbelasteter Ruheposition, und die beiden Anschlagteile S1 und S2 sind außer Eingriff und voneinander beabstandet.
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1b: das vom Riemen in die Riemenscheibe P eingeleitete und durch den daran eingezeichneten Pfeil symbolisierte Antriebsmoment wird von der Riemenscheibe P über die nun druckbelastete Entkopplerfeder E auf die Nabe H übertragen, die den Startergenerator antreibt.
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1c: das vom Startergenerator in die Nabe H eingeleitete und durch den daran eingezeichneten Pfeil symbolisierte Antriebsmoment belastet die Entkopplerfeder in Zugrichtung, wobei sich der Abstand zwischen den beiden Anschlagteilen S1 und S2 reduziert bis der Drehanschlag in Eingriff kommt. Damit wird das Antriebsmoment zu einem ersten Teil von der dann maximal auf Zug belasteten Entkopplerfeder E und zu einem zweiten Teil über den in Eingriff befindlichen Drehanschlag S1, S2 auf die Riemenscheibe P übertragen, die den Riemen antreibt.
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Zum Vergleich zeigen die 2a-c das mechanische Funktionsprinzip des bekannten Riemenscheibenentkopplers mit Drehanschlag. Die mit E' bezeichnete Entkopplerfeder liegt lediglich in eine Richtung und vorliegend nur mit Druckkräften belastbar an der Riemenscheibe P' einerseits und der Nabe H' andererseits an.
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2a: der Riemenscheibenentkoppler befindet sich in unbelasteter Ruheposition.
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2b: das vom Riemen in die Riemenscheibe P' eingeleitete und durch den daran eingezeichneten Pfeil symbolisierte Antriebsmoment wird von der Riemenscheibe P' über die druckbelastete Entkopplerfeder E' auf die Nabe H' übertragen, die den Startergenerator antreibt.
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2c: das vom Startergenerator in die Nabe H' eingeleitete und durch den daran eingezeichneten Pfeil symbolisierte Antriebsmoment wird bei unbelasteter Entkopplerfeder E' vollständig über die Anschlagteile S1' und S2' des in Eingriff befindlichen Drehanschlags auf die Riemenscheibe P' übertragen, die den Riemen antreibt.
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Die 3 bis 5 zeigen einen erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkoppler 1 in verschiedenen Ansichten. Eine hohlzylindrische Riemenscheibe 2, deren vom Riemen umschlungener Außenmantel 3 der Poly-V-Form des Riemens entsprechend profiliert ist, wird vom Riemen in der in 3 eingezeichneten Drehrichtung angetrieben. Die Riemenscheibe 2 ist drehbar auf einer Nabe 4 gelagert, die fest mit der Generatorwelle eines Startergenerators verschraubt wird. Hierzu hat die Nabe 4 im Mittelabschnitt 5 ein nicht dargestelltes Innengewinde und am generatorfernen, vorderen Endabschnitt einen Innenvielzahn 6 als Eingriffskontur für das Schraubwerkzeug. Die Lagerung der Riemenscheibe 2 auf der Nabe 4 erfolgt am generatorseitigen Ende radial und axial mittels eines Wälzlagers 7 und am generatorfernen Ende radial mittels eines Gleitlagers 8. Das Wälzlager 7 ist ein einreihiges und beidseitig abgedichtetes Kugellager. Das Gleitlager 8 ist ein geschlitzter Radiallagerring aus Polyamid, der mit dem Innenumfang der Riemenscheibe 2 in unmittelbarem Gleitkontakt steht. Die Riemenscheibe 4 hat am generatorfernen Ende eine Umfangsnut 9, in die nach dem Verschrauben des Riemenscheibenentkopplers 1 auf die Generatorwelle eine Schutzkappe 10 eingeschnappt wird. Die Schutzkappe 10 ist in den 3 und 4 nicht montiert.
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Eine für die Funktion des Riemenscheibenentkopplers 1 wesentliche Komponente ist die Entkopplerfeder. Diese ist eine sich in Achsrichtung des Riemenscheibenentkopplers 1 erstreckende Schraubendrehfeder 11 mit Federenden 12 und 13, die an einem Federteller 14 der Nabe 4 einerseits und an einem Federteller 15 der Riemenscheibe 2 andererseits so anliegen, dass die Schraubendrehfeder 11 Antriebsmoment in beide Momentenrichtungen entsprechend den 1b und 1c übertragen kann. Die konstruktive Ausgestaltung der jeweils formschlüssigen Anlage wird unter Einbeziehung der 6 bis 8 erläutert. Die dort in größerem Detail erkennbaren Federenden 12, 13 sind geometrisch im wesentlichen als Tangente an die Kreisform des Federwickelkörpers geformt und gegen Verdrehen in beide Drehrichtungen gesichert in damit korrespondierenden Einformungen 16 und 17 der Federteller 14 bzw. 15 aufgenommen. Der Federteller 15 der Riemenscheibe 2 ist durch einen Bord 18 einer in der Riemenscheibe 2 eingepressten Hülse 19 gebildet, und der Federteller 14 der Nabe 4 ist durch einen einstückig daran angeformten Bord 20 gebildet, dessen Außenumfang vom Gleitlager 8 umschlossen ist. Beide Federteller 14, 15 steigen der stirnseitigen Kontur der Schraubendrehfeder 11 entsprechend axial rampenförmig an und bilden im Bereich der Einformungen 16, 17 jeweils eine auf den Ausgangspunkt der Rampe zurückfallende Stufe 21 und 22, an der die zugehörigen umfänglichen Stirnseiten der Federenden 12, 13 anliegen.
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Eine weitere wesentliche Komponente ist ein Drehanschlag, der vorliegend jeweils zwei Anschlagteile 23 an der Nabe 4 und zwei Anschlagteile 24 an der Riemenscheibe 2 hat, die gleichzeitig in Kontakt gelangen. Die Anschlagteile 23 der Nabe 4 sind durch umfängliche Stirnseiten nockenartiger Mitnehmer 25 gebildet. Diese erheben sich axial auf der Stirnseite des Bords 20, die der Schraubendrehfeder 11 abgewandt ist. Die beiden Anschlagteile 24 der Riemenscheibe 2 sind durch einen darin befestigten Mitnehmerring 26 mit zwei Ausnehmungen 27 gebildet, in denen die Mitnehmer 25 verdrehbar sind und deren umfängliche Erstreckung durch die Anschlagteile 24 begrenzt ist. Die zur Übertragung der relativ hohen Start- und Boostmomente ausgelegte Befestigung des Mitnehmerrings 26 in der Riemenscheibe 2 ist durch einen Rändel am Außenumfang des Mitnehmerrings 26 verstärkt.
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Die Verdrehbarkeit der Mitnehmer 25 innerhalb der Ausnehmungen 27 ist vorliegend symmetrisch konfiguriert, so dass - ausgehend vom unbelasteten Zustand der Schraubendrehfeder 11 - der anschlagfreie Verdrehwinkel in beide Lastrichtungen der Schraubendrehfeder 11 gleich groß ist. Abweichend hierzu und in Abhängigkeit der Federsteifigkeit, der im generatorischen und im elektromotorischen Betriebszustand des Startergenerators zu übertragenden Antriebsmomente und der Anzahl der Anschlagteile 23, 24 können die anschlagfreien Verdrehwinkel unsymmetrisch konfiguriert werden. Beispielsweise kann bei einem Drehanschlag mit nur einem einzigen Anschlagteilpaar der anschlagfreie Verdrehwinkel im generatorischen Betrieb entweder deutlich größer oder deutlich kleiner als im elektromotorischen Betrieb gewählt werden.
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Eine zwischen dem Mitnehmerring 26 und der Stirnseite des Federtellers 14 angeordnete Gleitscheibe 28 aus Kunststoff dient zum einen als Axiallager der sich relativ zur Riemenscheibe 2 verdrehenden Nabe 4 und zum anderen als Anschlagdämpfer beim Initialkontakt des Drehanschlags. Die Gleitscheibe 28 ist hierzu mit zwei Paar axialen Vorsprüngen 29 versehen, die die Gleitscheibe 28 auf den Mitnehmern 25 haltern und Teil des Drehanschlags bilden, indem die Vorsprünge 29 umfänglich zwischen den Anschlagteilen 23 der Nabe 4 und den Anschlagteilen 24 der Riemenscheibe 2 verlaufend deren unmittelbaren (metallischen) Kontakt verhindern.
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Zur Funktionsweise des Riemenscheibenentkopplers 1:
- 1.) Der Startergenerator befindet sich im generatorischen Betrieb und wird vom Riemen in der Drehrichtung gemäß 3 angetrieben. Die Schraubendrehfeder 11 wird durch Ziehen an den Federenden 12, 13 und folglich unter Einschnürung ihres Wickeldurchmessers belastet, wobei das Antriebsmoment des Riemens via Außenmantel 3 der Riemenscheibe 2 - Hülse 19 - Einformung 17 des Federtellers 15 der Riemenscheibe 2 - tangentiales Federende 13 der Schraubendrehfeder 11 - Schraubendrehfeder 11 - tangentiales Federende 12 der Schraubendrehfeder 11 - Einformung 16 des Federtellers 14 der Nabe 4 - Nabe 4 auf die Generatorwelle übertragen wird. Die Elastizität der Schraubendrehfeder 11 kompensiert die Übertragung der Drehschwingungen des Riemens auf die Generatorwelle.
In diesem Betriebszustand ist der umfängliche Abstand zwischen den Anschlagteilen 23 und 24 im Mittel größer als im unbelasteten Zustand gemäß 3. Dementsprechend ist auch der umfängliche Abstand zwischen den jeweils gegenüberliegenden Stirnseiten 30 der Mitnehmer 25 und Begrenzungen 31 der Ausnehmungen 27 im Mittel kleiner als im unbelasteten Zustand. Bei sehr hohen generatorischen Antriebsmomenten und bei Überlast wirken diese rückseitigen Konturen ebenfalls als Drehanschlag, der im Eingriffsfall das über die Schraubendrehfeder 11 übertragene Antriebsmoment beschränkt und das darüber hinaus gehende Antriebsmoment starr überträgt.
- 2.) Der Startergenerator befindet sich im elektromotorischen Betrieb und treibt den Riemen an. Dabei verdreht sich die Nabe 4 mit den Mitnehmern 25 in der in 3 eingezeichneten Drehrichtung relativ zur Riemenscheibe 2 und dem Mitnehmerring 26, bis das Antriebsmoment der Generatorwelle zu einem ersten Teil über die Schraubendrehfeder 11 und zu einem zweiten, darüber hinaus gehenden Teil über die Anschlagteile 23, 24 des in Eingriff befindlichen Drehanschlags übertragen wird. Die Übertragung über die nun im Durchmesser aufgeweitete Schraubendrehfeder 11 erfolgt via Nabe 4 - Stufe 21 des Federtellers 14 der Nabe 4 - umfängliche Stirnseite des Federendes 12 - Schraubendrehfeder 11 - umfängliche Stirnseite des Federendes 13 - Stufe 22 des Federtellers 15 der Riemenscheibe 2 - Hülse 19 - Außenmantel 3 der Riemenscheibe 2 auf den Riemen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Riemenscheibenentkoppler
- 2
- Riemenscheibe
- 3
- Außenmantel der Riemenscheibe
- 4
- Nabe
- 5
- Mittelabschnitt der Nabe
- 6
- Innenvielzahn
- 7
- Wälzlager
- 8
- Gleitlager
- 9
- Umfangsnut
- 10
- Schutzkappe
- 11
- Schraubendrehfeder
- 12
- Federende (seitens Nabe)
- 13
- Federende (seitens Riemenscheibe)
- 14
- Federteller (seitens Nabe)
- 15
- Federteller (seitens Riemenscheibe)
- 16
- Einformung (seitens Nabe)
- 17
- Einformung (seitens Riemenscheibe)
- 18
- Bord (seitens Riemenscheibe)
- 19
- Hülse
- 20
- Bord (seitens Nabe)
- 21
- Stufe (seitens Nabe)
- 22
- Stufe (seitens Riemenscheibe)
- 23
- Anschlagteil (seitens Nabe)
- 24
- Anschlagteil (seitens Riemenscheibe)
- 25
- Mitnehmer (seitens Nabe)
- 26
- Mitnehmerring (seitens Riemenscheibe)
- 27
- Ausnehmung (seitens Riemenscheibe)
- 28
- Gleitscheibe
- 29
- Vorsprung der Gleitscheibe
- 30
- gegenüberliegende Stirnseite des Mitnehmers
- 31
- gegenüberliegende Begrenzung der Ausnehmung
- 32
- Ausnehmung im Federende (seitens Nabe)
- 33
- Ausnehmung im Federende (seitens Riemenscheibe)
- 34
- axiale Erhebung (seitens Nabe)
- 35
- axiale Erhebung (seitens Riemenscheibe)