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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Fachgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Universalgelenk und insbesondere ein Universalgelenk,
das mit einem motor- oder handbetriebenen Werkzeug verwendet werden
kann, um Kraft auf eine winkelversetzte Weise auf ein Verbindungselement
oder sonstiges Werkstück
zu übertragen.
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Beschreibung
des Stands der Technik Das Universalgelenk ermöglicht einen Zugang in Fällen, in
denen ein gerader Zugang (0° Winkelversatz) schwierig
oder unmöglich
ist. Eine sehr häufige
Anwendung eines solchen Geräts
ist die Abnahme und Wiederanbringung von schwer zugänglichen
Verbindungselementen bei Kraftfahrzeugen. Das Universalgelenk muss
vorwiegend eine Drehkraft, die von einem hand- oder motor-betriebenen
Treibglied auf einen Steckschlüssel
oder eine Treibangel ausgeübt wird, über einen
variablen Winkelversatzbereich übertragen.
Darüber
hinaus muss das Universalgelenk seine Lage gegen die Schwerkraft
behaupten können,
um leicht anzusetzen zu sein.
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Im
typischen Fall wurde zur Konstruktion von Universalgelenken ein "Zapfen und Kugel"-Design als das gebräuchliche
Design verwendet (
U.S.-Patent
Nr. 2,441,1347 , Inhaber: Dodge). Beim "Zapfen und Kugel"-Design wird die Schlagbelastung über die Scher-
und Tragfestigkeit von Zapfen und Kugel übertragen. Ein Ausfall dieses
Geräts
ist im typischen Fall auf die Abscherung des Zapfens mit gelegentlichem
Ausfall des Halsteils zurückzuführen. Darüber hinaus
verformt sich durch die starke Kraftwirkung und die fehlende Materialabstützung der
Tragbereich, in dem der Zapfen den Schlitz im Innern der Kugel berührt. Die
Verformung der Kugel führt
zur verfrühten
Festklemmen des Gelenks. Als Reibungselement dient bei dieser Konstruktion
im typischen Fall eine konische Schraubenfeder, die bei wiederholtem übermäßig starkem
Zusammendrücken
bei ihrer Anwendung an Kraft einbüsst.
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Bei
einer neueren Konstruktion (beschrieben in
U.S.-Patent Nr. 4,188,801 , Hugh et
al) wird eine quadratisch gemachte Kugel in einem quadratischen Steckschlüssel verwendet.
Die Konstruktion von Hugh et al ist nicht mit dem Scherproblem der "Zapfen und Kugel"-Konstruktion belastet.
Sie muss aber größer als
konkurrierende Produkt sein, was ihre Brauchbarkeit einschränkt und
mit Beweglichkeitsproblemen verbunden ist. Die große Größe ergibt sich
aus der Art und Weise, in der Dreh- und Schlagkräfte auf eine vorwiegend radiale
Weise nach außen verlaufend übertragen
werden und auf diese Weise eine beträchtliche Materialdicke erforderlich
wird, um einen gegebenen Dreh- oder Schlageinwirkungsvorgang zu
unterstützen.
Diese Konfiguration bietet in der Nähe des vollen Auslenkungswinkels
keinen ruhigen Lauf, wenn das Produkt sich im Neuzustand befindet.
Nach einigen Schlagzyklen verschlechtert sich die Bewegung dieses
Gelenks, da die Ecken der quadratisch gemachten Kugel sich verformen
und beginnen, im Inneren des Quadrats und des Halterings festzuklemmen.
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In
U.S.-Patent Nr. 4,824,418 von
Taubert wird ein Drehgelenk zur Kopplung von Wellen, die gegeneinander
drehbar sind, offengelegt. Das Gelenk weist ein hohlzylindrisches
Treibelement und ein kugelförmiges
Treibelement auf. Das hohle Treibelement besitzt die Gestalt eines
Hohlzylinders mit einem wellenförmigen
Innenprofil und das kugelförmige
Treibelement besitzt eine kugelförmige
Gestalt mit einem dazu komplementären wellenförmigen Profil. Selbst bei der
Drehbewegung der Wellen relativ zueinander besteht bei der Drehung
eine formschlüssige
Verbindung und eine zuverlässige
Kraftübertragung.
Nasen in dem hohlen Treibelement werden nicht offengelegt.
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Eine
quadratisch gemachte Kugel wird an einem angetriebenen Bauteil in
einem Hohlraum in einem Treibglied gebildet, wie aus der Offenlegung
von Reynolds in
U.S.-Patent 5,851,151 hervorgeht.
Die quadratisch gemachte Kugel ruht auf einer Zentrierspannscheibe,
die den Kopf der Kugel berührt und
die Kugel gegen eine Schwanenhalsfeder drückt. Neben der Kugel befindet
sich ein Polymerbauteil.
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In
U.S.-Patent Nr. 6,152,826 von
Profeta wird ein Produkt beschrieben, das ".. im wesentlichen eine Kugel mit voneinander
beabstandeten, nach außen verlaufende
Nasen darstellt, die um dem Umfang der Kugel herum gebildet sind". Diese Nasen wirken
in Verbindung mit "Kanälen", um das Gegenbauteil
anzutreiben. Die Konstruktion von Profeta löst viele der bei Dodge und
High et al festgestellten Probleme, d. h. es gibt keinen einzelnen
Zapfen, der abscheren könnte
bzw. keinen Schlitz, der die Kugel wie bei Dodge schwächen könnte, und
im Gegensatz zu Hugh et al wirken die Kräfte vorwiegend in tangentialer
Richtung, wodurch das Produkt einen kleineren, nützlicheren Außendurchmesser
aufweisen kann.
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Die
Konstruktion von Profeta ist jedoch nicht in der Lage, einen konkurrenzfähigen Bewegungsspielraum
zu erreichen und gleichzeitig die erforderliche Festigkeit und Zusammenhalt
der Baugruppe zu bieten. Der mögliche
Bewegungsspielraum (Winkelversatz) ist bei diesem Produkt proportional
zum Verhältnis
des Kugeldurchmessers zum Halsdurchmesser. Daher ist es für eine größere Winkelauslenkung notwendig,
den Kugeldurchmesser zu erhöhen
oder den Halsdurchmesser zu verringern. Der größtmögliche Kugeldurchmesser wird
durch die Mindestlänge der
sich von der Kugel nach außen
verlaufenden Nasen, der Außenwand-Mindestdicke
und dem größtmöglichen
Außendurchmesser
des Gegenbauteils beschränkt.
Der Mindesthalsdurchmesser wird von Festigkeitsanforderungen beschränkt. Der
Zusammenhalt der Baugruppe ist davon abhängig, wie und wo die Kugel
innerhalb der Baugruppe enthalten ist.
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Würde der
Hals groß genug
gemacht werden, um eine konkurrenzfähige Drehkraft zu ermöglichen,
während
gleichzeitig eine annehmbare Gesamtgröße gewahrt bliebe, dann wäre der Auslenkungswinkel
zu klein, um konkurrenzfähig
zu sein. Wenn der Bewegungsspielraum konkurrenzfähig gemacht würde, dann
würde die
Drehkraft darunter leiden. Versuche sowohl den Bewegungsspielraum
als auch die Drehkraft auf konkurrenzfähige Standards zu bringen,
führen
zu unzureichendem Kugelkontakt für
einen sicheren Zusammenhalt der Baugruppe.
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In
der
US-A-5,007,880 wird
ein Drehgelenk mit dem Merkmal des hier beigefügten vorkennzeichnenden Teils
von Anspruch 1 offengelegt.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Universalgelenk
vorzulegen, um eine Dreheinwirkung von einem Werkzeug auf ein Werkstück zu übertragen,
wobei das Werkzeug und das Werkstück um einen größeren Winkel
als 27° gegeneinander
versetzt sein können.
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Weiterhin
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Größe der angetriebenen
Kugel zu erhöhen
und die Größe des Halses
zu erhöhen, um
eine Vorrichtung mit einer gesteigerten Scherfestigkeit bereit zu
stellen.
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Weiterhin
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Schlaguniversalgelenk
mit einem vergrößerten Bewegungsspielraum,
längerer Haltbarkeitsdauer,
ruhigem Betrieb und zuverlässigen
Aufbau bereit zu stellen.
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Weiterhin
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur sicheren
Verbindung des Werkzeugs am Treibglied des Universalgelenks bereit
zu stellen.
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Weiterhin
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Feder des Universalgelenks
zu schützen,
um Verschleiß zu
verringern.
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Weiterhin
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Universalgelenk
bereit zu stellen, das an einem herkömmlichen Schlagschraubenschlüssel leichter
anzubringen ist, als dies derzeit erhältlich ist.
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Gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung wird ein Universalgelenk zur Übertragung
von Kraft von einem Werkzeug auf ein Werkstück offenbart. An dem Werkzeug
ist ein Treibglied anbringbar, wobei in dem Treibglied ein Hohlraum
ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von gleich voneinander beabstandeten,
nach innen verlaufenden Vorsprüngen
ist auf dem Umfang und ungefähr äquatorial
in dem Hohlraum um eine Mittelachse herum angeordnet. Ein angetriebener
Steckschlüssel
weist ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende auf.
An dem ersten Ende befinden sich Mittel zum Treiben des Werkstücks. Das
zweite Ende ist kugelförmig und
befindet sich auf der Mittelachse. Zwischen dem ersten Ende und
dem zweiten Ende ist um die Mittelachse herum ein Hals gebildet.
Das zweite Ende besitzt eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Kanälen, die
jeweils parallel zu der Mittelachse verlaufen. Jeder Kanal wird
von einem ersten Antriebssteg und einem zweiten Antriebssteg gebildet,
die jeweils in einem Winkel mit einem Antriebsschaft im Innern des
betreffenden Kanals verbunden sind. Eine Mehrzahl von Antriebsstegen
sind abwechselnd angeordnet und bilden die Mehrzahl von Kanälen. Die Mehrzahl
von Kanälen
gleicht der Mehrzahl von voneinander beabstandeten Vorsprüngen im
Treibglied. Das zweite Ende des angetriebenen Steckschlüssels wird
in dem Hohlraum im Treibglied aufgenommen. Jeder Vorsprung im Innern
des Hohlraums weist ein Paar voneinander getrennte konische Seitenwände auf.
Der Radius jeder Seitenwand verringert sich je weiter sich der Vorsprung
in Richtung der Mittelachse des Treibglieds erstreckt. Das Paar
von konisch verlaufenden Seitenwänden
wird durch eine abgewinkelte schiefe Ebene getrennt. An einer Oberseite
der schiefen Ebene wird ein oben liegender Radius gebildet. Die
konischen Seitenwände
der Vorsprünge
stellen eine tangentiale Kontaktfläche für die Kanäle des kugelförmigen zweiten
Endes des angetriebenen Steckschlüssels bereit.
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Weiterhin
wird gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung ein Universalgelenk zur Übertragung
von Kraft von einem Werkzeug auf ein Werkstück offenbart. An einem Werkzeug
ist ein Treibglied anbringbar, wobei in dem Treibglied ein Hohlraum ausgebildet
ist. Ein angetriebener Steckschlüssel weist
ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, wobei sich am ersten Ende
Mittel zum Treiben des Werkstücks
befinden. Das zweite Ende ist kugelförmig und besitzt eine Mehrzahl
von voneinander beabstandeten Kanälen und Antriebsstegen, die
darauf um eine Mittelachse herum gebildet sind. Der Hohlraum weist
eine Mehrzahl von gleich voneinander beabstandeten, nach innen verlaufenden
Vorsprüngen auf,
die auf dem Umfang und ungefähr äquatorial
um die Mittelachse herum darauf gebildet sind. Jeder Vorsprung im
Innern des Hohlraums weist ein Paar voneinander getrennte konische
Seitenwände
auf. Der Radius jeder Seitenwand verringert sich je weiter sich
der Vorsprung in Richtung der Mittelachse des Treibglieds erstreckt.
Die Paare von konisch verlaufenden Seitenwänden werden durch eine abgewinkelte
schiefe Ebene getrennt. An einer Oberseite der schiefen Ebene wird
ein oben liegender Radius gebildet. An gegenüberliegenden Enden der jeweiligen konischen
Seitenwände,
die sich jeweils neben den schiefen Ebenen befinden, werden abgewinkelte ebene
Flächen
gebildet. Das zweite kugelförmige Ende
des angetriebenen Steckschlüssels
wird in dem Hohlraum aufgenommen, wobei die Vorsprünge in dem
Hohlraum in entsprechenden Kanälen
in dem zweiten kugelförmigen
Ende angeordnet werden. Die konischen Seitenwände der Vorsprünge stellen
eine tangentiale Kontaktfläche
für die
Kanäle
des kugelförmigen
zweiten Endes bereit, so dass das Treibglied und der angetriebene
Steckschlüssel
sich in einem Winkelversatz relativ zueinander befinden können und
Kraft von dem Werkzeug auf das Werkstück übertragen wird.
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Weiterhin
wird gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung ein Schlaguniversalgelenk zur Übertragung
von Kraft von einem Werkzeug auf ein Werkstück offengelegt. An dem Werkzeug
ist ein Treibglied anbringbar, wobei in dem Treibglied ein Hohlraum
ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von gleich voneinander beabstandeten,
nach innen verlaufenden Vorsprüngen
befinden sind auf dem Umfang und um eine Mittelachse herum in dem
Hohlraum. Außerhalb
der Vorsprünge
wird in dem Hohlraum eine Ringnut gebildet. Die Ringnut weist eine
zu der Mittelachse parallele Außenwand
und zwei Seitenwände
auf, die jeweils senkrecht zu der Mittelachse sind. Ein angetriebener
Steckschlüssel
weist ein erstes Ende, auf dem sich Mittel zum Treiben des Werkstücks befinden,
und ein gegenüberliegenden
zweites Ende auf. Das zweite Ende ist kugelförmig und weist eine Mehrzahl
von darauf gebildeten Kanälen auf.
Das kugelförmige
Ende wird in dem Hohlraum aufgenommen. Die Mehrzahl von Vorsprüngen im Treibglied
wirkt mit der Mehrzahl von Kanälen
am kugelförmigen
Ende des angetriebenen Steckschlüssels
zusammen. Ein Haltering wird in der Ringnut in dem Hohlraum aufgenommen,
die das kugelförmige zweite
Ende des angetriebenen Steckschlüssels
in dem Hohlraum in dem Treibglied hält. Der Haltering weist eine
ebene Außenfläche auf,
die gegen die Außenwand
der Ringnut gelagert ist. Der Haltering weist zwei parallele, ebene
Druckflächen
auf. Die ebenen Druckflächen
werden durch die ebene Außenfläche getrennt.
Die ebenen Druckflächen
sind gegen die entsprechenden Seitenwände der Ringnut gelagert. Der
Haltering weist zwei symmetrische abgewinkelte, ebene Innenflächen auf,
die sich gegenüber
der ebenen Außenfläche befinden.
Die abgewinkelten, ebenen Innenflächen sind gegen das kugelförmige zweite
Ende des angetriebenen Steckschlüssels
gelagert. Auf diese Weise wird ein größtmöglicher Oberflächenkontakt
zwischen dem Haltering und der Ringnut bewahrt.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen
der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen sichtbar.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht des Universalgelenks der vorliegenden
Erfindung in einer Darstellung von dem Treibglied in Richtung zu
dem angetriebenen Steckschlüssel.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht des Universalgelenks der vorliegenden
Erfindung in einer Darstellung von dem angetriebenen Steckschlüssel in
Richtung zu dem Treibglied.
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3 ist
eine Draufsicht auf den angetriebenen Steckschlüssel.
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4 ist
eine Ansicht des ersten Endes des angetriebenen Steckschlüssels.
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5 ist
eine Ansicht des zweiten Endes des angetriebenen Steckschlüssels.
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6 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 6-6 in 5.
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7 ist
eine Ansicht des ersten Endes des Treibglieds.
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8 ist
eine Ansicht des zweiten Endes des Treibglieds.
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9 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 9-9 in 8.
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10 ist
eine Draufsicht, in der das Treibglied des Universalgelenks an einer
Angel an einem Werkzeug, wie einem Schlagschraubenschlüssel, befestigt
dargestellt ist.
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11 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
in der der C-Ring an der Angel in der Senkung in der quadratischen
Ausnehmung in dem Treibglied befindlich dargestellt ist.
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12 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
in der der C-Ring an der Angel durch die Verjüngung in der quadratischen
Ausnehmung in dem Treibglied zusammen gedrückt wird.
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13 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
in der der C-Ring an der Angel vollständig zusammen gedrückt wird.
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14 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht,
in der der C-Ring an der Angel sich in die ringförmige Ausnehmung in dem Treibglied
ausdehnend dargestellt wird.
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15 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils von 14, in der Senkung, sich verjüngendes Segment
und Teil der Nut dargestellt sind.
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16 ist
eine vergrößerte Draufsicht
auf den Vorsprung.
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17 ist
eine Vorderansicht des Vorsprungs.
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18 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 18-18 in 16.
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19 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 19-19 in 16.
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20 ist
eine Draufsicht auf den Haltering.
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21 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 21-21 in 20.
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22 ist
eine Seitenansicht des Treibglieds, das mit dem angetriebenen Steckschlüssel verbunden
ist.
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23 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 23-23 in 22.
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24 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 24-24 in 23.
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25 ist
eine Querschnittsansicht, in der 23 mit
einem Winkelversatz zwischen dem angetriebenen Steckschlüssel und
dem Treibglied dargestellt ist.
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26 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 26-26 in 25,
wobei auf das Treibglied eine Drehung im Uhrzeigersinn einwirkt.
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27 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linien 27-27 in 26.
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28 ist
eine Querschnittsansicht, in der alle Antriebsstege im Kontakt mit
allen Vorsprüngen dargestellt
sind.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie
in 1 und 2 dargestellt, weist das Universalgelenk 10 der
vorliegenden Erfindung ein Treibglied 12 auf, das an einem
Werkzeug, wie einem Schlagschraubenschlüssel, anbringbar ist. Bei der Halterung
an dem Werkzeug kann es sich um einen Steckschlüssel oder eine quadratische
Treibausnehmung 16 handeln, die an einem Ende des Treibglieds 12 gebildet
wird. An einem gegenüber
liegenden Ende des Treibglieds 12 befindet sich ein Hohlraum 18,
der bevorzugt kugelförmig
ist. Ein angetriebener Steckschlüssel 14 besitzt
einen Körper
an einem ersten Ende 20 und ein kugelförmiges zweites Ende 22. Zwischen
dem ersten Ende 20 und dem zweiten Ende 22 ist
um eine Mittelachse 30 herum ein Hals 28 gebildet.
Das kugelförmige
zweite Ende 22 wird in dem Hohlraum 18 aufgenommen,
wie an späterer Stelle
beschrieben werden wird. Die Baugruppe enthält außerdem eine Feder 24,
die gegen das kugelförmige
zweite Ende 22 drückt,
um Reibungskräfte
zu übertragen,
um die relative Lage von Steckschlüssel und Treibende zueinander
aufrecht zu erhalten. Zusammengehalten wird die Baugruppe durch
einen Ring 26, der sich zwischen der Kugel 22 und
dem Ausgang aus dem kugelförmigen
Hohlraum 18 befindet. Der Ring 26 wird in einer
Nut 12 aufgenommen, wie an späterer Stelle beschrieben werden
wird.
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Wie
in den 3–6 dargestellt,
ist das zweite Ende 22 des angetriebenen Steckschlüssels 14 im
wesentlichen kugelförmig mit
einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Kanälen 32, die parallel
zu der Mittelachse 30 des angetriebenen Steckschlüssels 14 verlaufen.
Jeder Kanal 32 wird von drei ebenen Hauptflächen gebildet.
Ein erster Antriebssteg 34 und ein zweiter Antriebssteg 36 sind
in einem Winkel mit einem Antriebsschaft 38 innerhalb der
einzelnen Kanäle 32 verbunden.
Zusammen bilden die Antriebsschäfte 38,
die sich zwischen den beiden anderen Kanalflächen in jedem der Kanäle befinden, um
die Mittelachse 30 des angetriebenen Steckschlüssels 14 herum
einen polygonalen Schaft. Die Antriebsstege 34, 36 übertragen
eine Schlagwirkung von Vorsprüngen
an dem Treibglied 12 auf den Antriebsschaft, wie an späterer Stelle
beschrieben werden wird. Die Flächen
des ersten Antriebsstegs 34 und des zweiten Antriebsstegs 36 sind
einander über den
entsprechenden Kanal 32 hinweg zugewandt. Diese Flächen erzeugen
die Schlagaufnahmeflächen,
die die Seiten der entsprechenden Antriebsstege bilden, zur Bildung
der Kanäle 32.
Die Schlagaufnahmeflächen
auf den Seiten eines gegebenen Antriebsstegs sind parallel zu einander
und um einen gleichen Abstand von der Mittelachse 30 versetzt. Die
Fläche
des entsprechenden ersten und zweiten Antriebsstegs 34, 36 distal
zum Antriebsschaft 38 bildet die Fläche des kugelförmigen zweiten
Endes 22. Dies ist die Fläche, um die herum eine Drehung
gegen den Reibungswiderstand erreicht wird.
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Am
Schnittpunkt der einzelnen Antriebsstege 34, 36 und
des dazwischen liegenden Antriebsschafts 38 werden Ausrundungen 42 gebildet.
Diese Ausrundungen 42 bieten dem angetriebenen Steckschlüssel 14 zusätzliche
Festigkeit und verteilen die Last gleichmäßiger.
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Am
ersten Ende 20 des angetriebenen Steckschlüssels 14 kann
distal zum kugelförmigen zweiten
Ende 22 eine Öffnung 40 gebildet
sein. Die Öffnung 40 kann
mit einem Werkstück,
wie ein Verbindungselement, in Eingriff stehen und Drehkräfte auf
das Werkstück
ausüben.
Als Alternative kann an dem ersten Ende 20 des angetriebenen
Steckschlüssels 14 distal
zu dem kugelförmigen
zweiten Ende 22 eine Treibangel (nicht dargestellt) gebildet
sein. Die Angel kann zur Verbindung des angetriebenen Steckschlüssels 14 mit
anderen Werkstücken,
wie Steckschlüsseln
und Ansatzstücken,
verwendet werden.
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Wie
in den 7–9 dargestellt
wird, weist das Treibglied 12 des Universalgelenks 10 zwei Haupthohlräume auf,
die sich distal voneinander im Innern seines zylindrischen Körpers befinden.
Ein Hohlraum, bei dem es sich um eine quadratische Treibausnehmung 16 handelt,
nimmt die quadratische Treibangel 44 eines Schlagschraubschlüssels oder ähnlichen
Werkzeugs auf, während
der andere Hohlraum 18, bei dem es sich um eine kugelförmige Ausnehmung
handelt, das kugelförmige
zweite Ende 22 des angetriebenen Steckschlüssels aufnimmt
und hält.
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Wie
in den 8–16 dargestellt
wird, weist die quadratische Treibausnehmung 16 in Abweichung
vom Stand der Technik eine Senkung 48 auf, die sich über einen
Teil der Länge
der quadratischen Treibausnehmung 16 erstreckt. Es ist
bevorzugt, dass die Senkung 48 sich nicht völlig ringförmig in
der quadratischen Triebausnehmung 16 befindet und von der
gleichen Größe wie oder
geringfügig
größer als
der Durchmesser des typischen C-Rings 46 ist (der am Ende
der in die quadratische Treibausnehmung 16 einzuführenden
Treibangel 44 verwendet wird). Folglich weist die Senkung 48 einen
ausreichend großen
Durchmesser auf, um in die vier ebenen Seitenwände der quadratischen Treibausnehmung 16 zu
schneiden, ohne sich aber ganz bis in die Ecken zu erstrecken, an
denen die Seitenwände
aufeinander treffen. Noch bevor der Widerstand des C-Rings 46 (11)
distal zum Eingang zu der quadratischen Treibausnehmung 16 zu
spüren
ist und in der Nähe
des inneren Endes der Senkung 48 befindet sich ein sich
verjüngendes
Teil 50, das den C-Ring 46 (12)
zusammendrückt.
Mit zunehmender Einführung
der Angel 44 in die quadratische Treibausnehmung 16 wird
der C-Ring 46 innerhalb einer Ringnut an der Angel 44 zusammengedrückt und
der äußere Umfang
des C-Rings tritt in Reibungskontakt mit der Innenwand der quadratischen Treibausnehmung 16 (13).
Innerhalb der quadratischen Triebausnehmung 16, innen relativ
zu dem sich verjüngenden
Teil 50, wird an den vier Seitenwänden, aber nicht in den Ecken,
wo die Seitenwände
zusammentreffen, eine Teilnut 51 gebildet. Wenn die Angel 44 und
der C-Ring 46 vollständig
eingeführt
sind, wird der C-Ring in der Teilnut 51 aufgenommen und
dehnt sich geringfügig
aus, um die Treibangel 44 auf sichere Weise mit dem Treibelement 12 zu
verbinden (14). 15 ist
eine stark vergrößerte Ansicht
einer der Stirnflächen
der quadratischen Treibausnehmung 16, in der die Senkung 48,
das sich verjüngende
Teil 50 und die Teilnut 51 dargestellt sind.
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Der
Hohlraum 18 besitzt eine große kugelförmige Tragfläche (7, 9, 16–18).
Der Hohlraum 18 weist ungefähr die gleiche Größe und Form
auf wie das kugelförmige
zweite Ende 22 des angetriebenen Steckschlüssels 14.
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In
der Nähe
des "Äquators" des kugelförmigen Hohlraums 18 und
auf dem Umfang desselben gelegen, befindet sich eine Mehrzahl von
gleich voneinander beabstandeten Treibvorsprüngen 52, die von dem
kugelförmigen
Hohlraum 18 nach innen in Richtung der Mittelachse 30 verlaufen.
Die Anzahl der Treibvorsprünge 52 ist
gleich der Anzahl der Kanäle 32 in
dem dazugehörigen
kugelförmigen
zweiten Ende 22 des angetriebenen Steckschlüssels 14. Durch
ihre besondere Geometrie sind diese Vorsprünge 52 einzigartig
und funktionieren besonders gut. Jeder Treibvorsprung 52 weist
zwei konische Seitenwände 54 auf,
deren Radius sich verringert, je weiter der Vorsprung nach innen
in Richtung der Mittelachse 30 verläuft. Umgekehrt ist der Radius
der Seitenwände 54 am
größten, wenn
diese am weitesten von der Mittelachse 30 entfernt sind.
Folglich besteht der größte Querschnitt
nahe der Stelle, an der die Seitenwände 54 in den kugelförmigen Hohlraum 18 übergehen
und folglich besteht genau dort die größte Festigkeit, wo dies am
effektivsten ist. Durch die konische Form wird es möglich, dass
die im wesentlichen ebenen Seitenwände der Antriebsstege 34, 36 der
Kanäle 32 in
der Kugel 22 bei jeder Winkelstellung gegen die Treibvorsprünge 52 gelagert sind.
Außerdem
tragen abgewinkelte ebene Flächen 56 an
gegenüber
liegenden Seiten jeder konischen Seitenwand 54 der Treibvorsprünge 52 zu
der verfügbaren
Tragfläche
und zur Querschnitt-Scherfläche der
Treibvorsprünge 52 bei.
Die abgewinkelten ebenen Abschnitte 56 sind so angeordnet,
dass sie ungefähr
mit einer Kontaktfläche
der Antriebsstege 34, 36 der Kanäle zusammen
fallen, wenn die Kugel sich bei der vorgesehenen größtmöglichen
Winkelauslenkung befindet. Eine schiefe Versatzebene 58 an
den Treibvorsprüngen 52 sorgt
für einen
Zwischenraum zu dem Treibschaft 38 für den Winkelversatz. Der Winkel
der schiefen Versatzebene 56 ist ungefähr gleich groß wie oder
geringfügig
kleiner als der vorgesehene größtmögliche Winkelversatz
der Baugruppe. Der Treibvorsprung 52 läuft nach oben in einen oben
liegenden Radius 60 aus, was die Herstellung erleichtert
und die "Spitze" des Vorsprungs 52 verstärkt im Vergleich
zu dem Fall, bei dem der Vorsprung eine scharfe Spitze bildete,
die leichter verformt würde
und die ebenen Seitenwände
der angetriebenen Kanäle 32 der
Kugel 22 eindellen würde. Die
Flächen
der schiefen Versatzebene 58 und des oben liegenden Radius 60 können, wie
in 17 dargestellt, ohne größere Änderung der Funktion geringfügig konvex,
gerade oder geringfügig
konkav sein. In 15–28 sind
die Flächen
geringfügig
konvex dargestellt mit einem Krümmungsradius,
der dem Abstand von der Mittelachse 30 gleicht. Die schiefe Versatzebene 58 befindet
sich zwischen den Seitenwänden 54 aller
Treibvorsprünge 52.
Der größtmögliche Versatzwinkel
B ist in 16 dargestellt. Statt kugelförmig kann
der Hohlraum 18 auch zylindrisch sein.
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In
dem Hohlraum 18 in dem Treibelement 12 ist außerhalb
der Vorsprünge 52 eine
Ringnut 62 gebildet. Die Ringnut 62 ist im wesentlichen
rechteckig und weist eine Außenwand 64 und
zwei Seitenwände 66 auf
(7–9).
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Ein
Haltering 26 (16–28) wird
in der Ringnut 62 aufgenommen. Durch seinen Querschnitt ist
der Haltering 26 auf einzigartige Weise dafür geeignet,
den Schlagbelastungen standzuhalten. Der Querschnitt weist drei
Hauptflächen
auf, die zusammenwirken, um den Platzbedarf möglichst gering zu halten und
gleichzeitig die Festigkeit zu maximieren. Die ebene Außenfläche 68 ist
parallel zu der Mittelachse 30, um die herum der Querschnitt "gedreht ist, während die
beiden ebenen Schlagflächen 70 senkrecht
zu der Achse 30 sind. Die ebene Innenfläche 72 ist mit einem
Winkel A gebildet, der der Tangente an die kugelförmige Fläche der
Kugel 22 (bei mittlerem Durchmesser) an einem Punkt, der
mit der Mitte der ebenen Innenfläche 72 übereinstimmt,
entspricht. In anderen Worten: wenn die Kugel 22 einen
mittleren Durchmesser besitzt und der Haltering 26 und
die Nut 62 mittlere Abmessungen aufweisen, sollte die Kugel 22 die
ebene Innenfläche 72 an
einem Punkt berühren,
der mit der Mitte der ebenen Innenfläche 72 übereinstimmt.
Zwei ebene Innenflächen 72 werden
um eine Symmetrielinie herum gebildet, um beim Zusammenbau zu helfen
und die Notwendigkeit, den Haltering 26 vor dem Zusammenbau
in die richtige Orientierung zu bringen, zu beseitigen. Die ebene Außenfläche 68 und
die ebenen Innenflächen 72 dienen
dem Zweck, die Oberfläche
zu vergrößern, um einen
besseren Widerstand gegen Verformungen als ein einfacher runder
Querschnitt zu bieten. Die ebenen Schlagflächen 70 sind vorhanden,
damit eine weitaus flachere Haltenut verwendet werden kann, als
es bei einem runden Querschnitt möglich wäre. Bei einem runden Querschnitt
müsste
die Haltenut gleich groß wie
oder größer als
der Drahtradius sein. Als Alternative kann der Haltering 26 anstelle
der beiden ebenen Flächen 72 eine
nach außen
gekrümmte Fläche 72' aufweisen.
Der Ring 26 würde
dann eine "D"-Form aufweisen (21A).
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Im
Innern des Hohlraums 18 in dem Treibglied 12 (2)
wird eine Senkung 74 gebildet (9A).
Die Senkung 74 befindet sich ungefähr am Mittelpunkt des Treibglieds 12.
In der Senkung 74 wird eine Feder 24 aufgenommen.
Bei der Feder 24 handelt es sich vorzugsweise um eine gewellte
Feder. Die Feder 24 ist gegen die Kugel 22, die
in dem Hohlraum 18 aufgenommen ist, gelagert. Die Senkung 74 hindert
die Kugel 22 daran, die Feder 24 zu stark zusammen
zu drücken.
Zusätzlicher
Schutz vor Verschleiß oder "Verklemmen" der Feder 24 wird durch
die Einführung
eines Stahl-Abstandsstücks oder
Verschleißscheibchens 76 zwischen
der Feder 24 und der Kugel 22 erreicht. Das Verschleißscheibchen 76 bietet
dem kugelförmigen
zweiten Ende 22 des angetriebenen Steckschlüssels 14 eine
glatte Oberfläche.
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In
den 22–24 ist
das Produkt im zusammengebauten Zustand dargestellt, wobei das in dem
Hohlraum 18 aufgenommene kugelförmige zweite Ende 22 des
angetriebenen Steckschlüssels sich
im Ruhezustand ohne einwirkende Drehkraft befindet und kein Winkelversatz
zwischen dem Treibglied 12 und dem angetriebenen Steckschlüssel 14 besteht.
Unter diesen Bedingungen greifen die Antriebsstege 34, 36 nicht
an den Vorsprüngen 52 an, wie
in 24 dargestellt ist. Falls das Treibglied 12 und
der angetriebene Steckschlüssel
im Zustand ohne Winkelversatz und ohne einwirkende Drehkraft belassen
werden, berühren
im Idealfall alle Antriebsstege 34, 36 sämtliche
Treibvorsprünge,
wie in 28 dargestellt ist. In der Darstellung
der 28 dreht sich das Treibglied 12 gegen
den Uhrzeigersinn und überträgt eine
Drehung auf den angetriebenen Steckschlüssel 14.
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In
den 25–27 ist
die Baugruppe mit einem Winkelversatz zwischen dem Treibglied 12 und
dem angetriebenen Steckschlüssel 14 dargestellt.
Wenn dieser Versatzwinkel sich von 0° zu 35° ändert, ändert sich der Kontakt zwischen
Steg und Vorsprung von vier Stellen zu jeweils zwei Stellen gleichzeitig.
Durch Drehung des Produkts bei bestehendem Winkelversatz ändert sich
kontinuierlich, welche Stege und Vorsprünge sich berühren. Wie
in 26 erläutert,
wird die Last nur von den Stegen 36 übertragen. Wenn das Treibglied 12 sich
weiter dreht, steigen die Kräfte
an dem Stegpaar 34 aber an, während sie an dem Stegpaar 36 abnehmen.
Auf diese Weise wird die Last während
einer vollen Drehung von allen Stegen und Vorsprüngen geteilt, wenn auch intermittierend,
unabhängig
vom Winkelversatz.
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Die
Vorsprünge 52 sind
so gestaltet, dass sie eine größtmögliche Kontaktfläche bei
gegebenen Platzbedarf bereitstellen und gleichzeitig einen Zwischenraum
für die
Auslenkung des angetriebenen Steckschlüssels 14 um ungefähr 30° aus der
Achse des Treibglieds 12 bereitstellen. Die Dreh- oder Schlagkräfte wirken
zum Teil von außen
auf den gesamten Durchmesser des Treibglieds 12 ein anstatt durch
einfache Scherwirkung, wie bei einem typischen Schlagschraubenschlüsselgelenk
nach dem Stand der Technik.
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Die
Form der Kanäle 32 und
der Antriebsstege 34, 36 in dem angetriebenen
Steckschlüssel 14 sorgt
dafür,
dass eine größtmögliche Drehkraft
auf und durch die Antriebsstege 34, 36 übertragen
werden kann. Bei der typischen Konstruktion nach dem Stand der Technik
findet ein Schlagereignis in der Nähe einer ungelagerten Materialkante
an der "Kugel" statt. Beispielsweise
führt der
Schlitz durch eine Kugel bei der Zapfenkonstruktion dazu, dass der Zapfen
in der Nähe
einer Schlitzkante der Kugel auftrifft, die sich ungefähr 72° seitlich
zu der Seitenwand des Schlitzes zum tangentialen Punkt der Kugel
befindet. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt der Schlag gegen
eine Schlitzkante der Kugel bei ungefähr 105°. Daher sind die Kanten der
Stege fester als bei der typischen Schlitzkugel-Konstruktion.
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Die
Feder 24 wird bei der vorliegenden Erfindung auf zwei Weisen
geschützt.
Der Hauptschutz stammt aus der Konstruktion des Treibglieds 12.
Das Treibglied 12 weist eine Senkung 74 auf, in
der die Feder angebracht ist und die mit einem kugelförmigen Hohlraum 18 für die Kugel
des angetriebenen Steckschlüssels 14 in
Verbindung steht. Die Senkung 74 und der Hohlraum 18 sind
so angebracht, dass die Kugel 22 daran gehindert wird,
die Feder 24 zu stark zusammenzudrücken. Zusätzlicher Schutz zur Verlängerung
der Haltbarkeit der Feder wird durch die Auswahl der Feder und die
Federkonstruktion selbst erzielt. Da die Federeigenschaften auf
Zugspannung und Kompression (Zusammendrücken) anstatt auf Drehscherung,
wie bei einer im typischen Fall verwendeten Schraubenfeder, beruhen,
kann die Feder weitaus stärker
zusammen gedrückt
werden, bevor ihre Haltbarkeit beeinträchtigt wird, als dies bei typischen
Schraubenfedern der Fall ist. Obwohl die Federeigenschaften kein
Bestandteil des Patentes sind, erfolgt die Verwendung der Feder
für diesen
Zweck bei dieser Produktklasse jedoch uniquär. Das optionale Verschleißscheibchen 76 bietet
der Feder 24 einen zusätzlichen
Schutz, indem es dafür
sorgt, dass die Kanten des Antriebsstegs 34, 36 an
der Feder 24 nicht festhängen.
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Der
Haltering 26 besitzt die Einzigartigkeit, die Länge des
zum Zusammenbau des Produkts erforderlichen "Überwegs" auf ein Mindestmaß zu beschränken. Bei
einem Haltering mit einem einfachen runden Querschnitt wäre es nötig, die
Kugel deutlich an der Ringnut vorbei zu drücken, damit der Ring zwischen
der Kugel und der oberen Lippe der Ringnut hindurch gelangen kann.
Durch die Kombination des im wesentlichen D-förmigen Drahts und die Nutkonfiguration
wird es möglich,
das Produkt mit einem Mindestmaß an Überweg zusammen
zu bauen. Es ist anzunehmen, dass die Minimierung des "Überwegs" wichtig für die Maximierung der Leistungseigenschaften
ist.
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Bei
der vorliegenden Erfindung verlaufen die Treibvorsprünge 52,
die die Drehkraft und das Schlagereignis übertragen, von einem kugelförmigen Hohlraum 18 in
dem Treibglied 12 nach innen. Auf diese Weise kann die
Kugel des angetriebenen Steckschlüssels viel größer gestaltet
werden. Durch die Steigerung der Größe der Kugel wird es dann möglich, die
Größe des Halses 28 unter
Beibehaltung des angemessenen Verhältnisses von Kugel zu Hals
für einen
gegebenen Winkelversatz zu vergrößern. Darüber hinaus
stellt die Steigerung der Größe der Kugel mehr
Zusammenbauoptionen bereit.
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Auch
die nach innen verlaufenden Vorsprünge 52 weisen eine
einzigartige Form auf. Sie weisen sowohl eine konische Fläche 54 als
auch eine ebene Fläche 56 auf.
Die konische Fläche
stellt eine tangentiale Kontaktfläche für die Kanäle 32 des angetriebenen
Steckschlüssels 14 bereit,
wenn dieser sich bei verschiedenem Winkelversatz dreht. Die ebene
Mantelfläche
stellt eine zusätzliche
Tragfläche
und Scherfläche
bereit, wenn diese am meisten benötigt wird, in der Nähe des größtmöglichen
Winkelversatzes.
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Der
Zusammenhalt der Komponenten erfolgt durch die Verwendung eines
speziell geformten Drahtrings, der in eine standardmäßige Nut
passt, die in das treibende Bauteil geschnitten oder in diesem gebildet
wird. Der Drahtring weist einen Außendurchmesser und zwei Innenflächen auf,
die eben sind, um einen größtmöglichen
Oberflächenkontakt
zu bewahren und die Verformung bei der wiederholten Schlagbelastung
möglichst
gering zu halten.
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Ein
zusätzlicher
Nutzen der vorliegenden Erfindung ist der Schutz für die Feder,
welche die relative Lage der Gelenkkomponenten bewahrt. Bei der vorliegenden
Erfindung ist die Feder in eine Senkung eingelassen. Durch die Verwendung
der Senkung wird die Kugel daran gehindert, die Feder zu stark zusammen
zu drücken.
Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung in der Lage, sämtliche
Ziele, die aus einem konkurrenzfähigen
Bewegungsspielraum, langer Haltbarkeit, ruhigem Betrieb und zuverlässigen Zusammenbau
bestehen, zu erreichen.
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Im
Vergleich zum Stand der Technik bietet die vorliegende Erfindung
die folgenden Vorteile:
Bezogen auf die Kugel-und-Zapfen-Konstruktion:
- • Viel
größere Scher-
und Tragflächen
zur Kraftübertragung
verfügbar.
- • Schädliche Verformung
wird durch bessere Materialstützung
und Kraftverteilung auf ein Mindestmaß beschränkt.
- • Viel
längere
Haltbarkeit bis zum Bruch.
- • Größere Festigkeit.
- • Länger anhaltende
Reibung gegen Schwerkraft.
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- • Ruhigere Drehung im Neuzustand.
- • Längeres Andauern
der ruhigen Drehung.
- • Kleinere
Größe durch
bessere Kraftverteilung möglich.
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- • Fähig zum Übertreffen
von konkurrenzfähigen Benchmarkwerten
für Winkel
und Festigkeit ohne Verzicht auf Baugruppenintegrität.
- • Längere Haltbarkeitsdauer
durch die Form und Anzahl der Vorsprünge (Steigerung der Tragfläche).
-
Bezogen
auf andere Universalgelenke, die zur Zeit im Handel erhältlich sind:
- • Einfachere
Anbringung auf Schlagschraubenschlüsseln.
-
Es
ist leicht ersichtlich, dass zahlreiche Modifikationen vorgenommen
werden können,
ohne vom grundlegenden Gültigkeitsbereich
der vorliegenden Erfindung gemäß der Definition
in den beigefügten
Ansprüchen
abzuweichen. Folglich ist es für
einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, dass die Erfindung
im Rahmen des Gültigkeitsbereichs
der beigefügten
Ansprüche
auch auf andere Weise durchgeführt
werden kann, als in diesem Schriftstück für den speziellen Fall beschrieben
ist.