EP4705652A1 - Räumlich-elastische kupplung und kupplungsanordnung - Google Patents

Räumlich-elastische kupplung und kupplungsanordnung

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EP4705652A1
EP4705652A1 EP24727643.9A EP24727643A EP4705652A1 EP 4705652 A1 EP4705652 A1 EP 4705652A1 EP 24727643 A EP24727643 A EP 24727643A EP 4705652 A1 EP4705652 A1 EP 4705652A1
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elastic
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Thomas HÄHNEL
Julius Schneider
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KWD Kupplungswerk Dresden GmbH
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die technischen Gebiete des Maschinenbaus und der Kupplungstechnik und betrifft eine räumlich-elastische Kupplung und eine aus räumlich-elastischen Kupplungen gebildete Kupplungsanordnung. Nachteilig aus dem Stand der Technik ist, dass die elastischen Kupplungen aufwendig, materialintensiv und teuer sind und das Ausgleichsverhalten insbesondere bei Winkel- und Radialversatz unzureichend sowie der Verschleiß aufgrund der mehrdimensionalen Beanspruchung hoch ist. Erfindungsgemäß wird eine räumlich- elastische Kupplung für die Verbindung einer antreibenden Einheit und einer angetriebenen Einheit bereitgestellt, aufweisend mindestens ein erstes und zweites sich radial zur Rotationsachse erstreckendes Anbindungselement, und mindestens ein rotationssymmetrisch ausgebildetes torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul, wobei die ersten und zweiten Anbindungselemente koaxial zueinander angeordnet sind und durch das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul verbunden sind und sich das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul koaxial zur Rotationsachse der Kupplung erstreckt. Die Kupplung kann zwischen zwei zu verbindenden Wellen oder im Zusammenwirken mit anderen Kupplungsarten zum Einsatz kommen.

Description

Räumlich-elastische Kupplung und Kupplungsanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf die technischen Gebiete des Maschinenbaus und der Kupplungstechnik und betrifft eine räumlich-elastische Kupplung und eine aus räumlich-elastischen Kupplungen gebildete Kupplungsanordnung, die zur Übertragung eines Drehmomentes von einer Antriebsseite auf eine Abtriebsseite zwischen zwei Maschinenteilen eingesetzt werden kann. Die räumlich-elastische Kupplung kann beispielsweise zwischen zwei zu verbindenden Wellen, aber auch im Zusammenwirken mit einer Zahnkupplung, Flanschkupplung, Ringscheibenkupplung, Laschenkupplung, Ganzmetallkupplung, Membrankupplung, Lamellenkupplung, Reibungskupplung oder Kombinationskupplungen, beispielsweise in Fahrzeugantrieben, insbesondere Schienenfahrzeugantrieben, zum Einsatz kommen.
Kupplungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie dienen zur Übertragung von Drehmomenten von einer Welle auf eine andere. Solche Kupplungen können beispielsweise starre oder elastische Kupplungen bzw. schaltbare oder nichtschaltbare Kupplungen sein. Auch dienen Kupplungen zu einer starren, drehstarren, elastischen, drehelastischen und/oder beweglichen Verbindung zweier Wellen, wobei durch die Kupplungen Drehmomentstöße und/oder Winkelfehler zwischen den Wellen ausgeglichen werden können.
Aus der DE 20 2015 008 453 U1 ist ein Keilpaketring für Kupplungen mit zwei Kupplungsteilen bekannt, bei dem zumindest umfassend mehrere zur Ringachse des Keilpaketrings gerichtete, ringumlaufend angeordnete Befestigungselemente mit jeweils mindestens einer ausschließlich radial zur Ringachse gerichteten durchgängigen Bohrung vorhanden sind. Die Bohrungen dienen für mindestens eine ausschließlich radial gerichtete, vom Ringaußenbereich aus ausführbare Verschraubung zur Befestigung der Befestigungselemente auf zwei angepasste Kupplungsteile zur Verbindung der beiden Kupplungsteile. Zwischen den benachbarten Befestigungselementen ist jeweils ein elastisches Federelement vorhanden, das an den benachbarten Befestigungselementen in einem gleichzeitig durchgeführten Vulkanisierungsvorgang anvulkanisiert befestigt ist, so dass eine wechselweise Anordnung der Befestigungselemente und der elastischen Federelemente den Keilpaketring darstellt, der auf die zwei angepassten Kupplungsteile zur Verbindung der beiden Kupplungsteile radial aufschraubbar ist. Der Keilpaketring ist aus mindestens zwei einstückigen Ringsegmenten aus einer wechselweisen Anordnung der Befestigungselemente und der Federelemente gebildet und geteilt.
Aus der DE 1 286 831 B ist eine elastische Kupplung für große Schwenkwinkel bekannt, die mehrere zu Paaren zusammengefasste drehmomentübertragende Stahlblechscheiben aufweist, die am äußeren oder inneren Umfang mit den benachbarten Paaren verbunden und am anderen Umfang frei schwingend zu einem Paar zusammengefasst sind. Die Stahlblechscheiben sind von einem Umfang, vorzugsweise vom Innenumfang her, mit mehreren im wesentlichen radialen Schlitzen versehen, wobei die einander in den Paaren gegenüberliegenden, durch die Schlitze gebildeten trapezförmigen Zungen an ihren freien Enden fest miteinander verbunden sind.
Zudem ist aus der EP 0 498 235 B1 eine Membrankupplung mit durchbrochenen Konturenmembranen zur torsionssteifen, beugeelastischen Verbindung von drehmomentführenden Antriebselementen mit mindestens einer Ausgleichsebene und mindestens einer Membran zwischen den Anschlussteilen bekannt. Die Dicke des elastischen Membranbereichs nimmt nach außen hin ab, wobei im elastischen Membranbereich Durchbrüche und/oder Sicken angeordnet sind.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass die elastischen Kupplungen aufwendig, materialintensiv und teuer sind. Auch ist nachteilig, dass das Ausgleichsverhalten insbesondere bei Winkel- und Radialversatz nur unzureichend sowie der Verschleiß aufgrund der mehrdimensionalen Beanspruchung hoch ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elastischen Kupplung, die gewichtsoptimiert, einfach und kostengünstig herstellbar ist und ein verbessertes Ausgleichsverhalten insbesondere bei Winkel, Axial- und Radialversatz bei geringem Verschleiß aufweist. Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine räumlich-elastische Kupplung bereitgestellt, die gewichtsoptimiert sowie einfach und kostengünstig herstellbar ist und ein verbessertes Ausgleichsverhalten, insbesondere bei auftretendem Winkel-, Axial- und Radialversatz zwischen einer antreibenden Einheit und einer angetriebenen Einheit oder Kupplung bei geringem Verschleißverhalten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird eine räumlich-elastische Kupplung für die Verbindung einer antreibenden Einheit und einer angetriebenen Einheit bereitgestellt, aufweisend mindestens ein erstes und zweites sich radial zur Rotationsachse erstreckendes Anbindungselement, und mindestens ein rotationssymmetrisch ausgebildetes torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul, wobei die ersten und zweiten Anbindungselemente koaxial zueinander angeordnet sind und durch das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul verbunden sind, und wobei sich das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul koaxial zur Rotationsachse der Kupplung erstreckt und Radial-, Axial- und/oder Winkelversatz zwischen einer antreibenden und/oder angetriebenen Einheit oder einer weiteren räumlich-elastischen Kupplung kompensierbar ist.
Vorteilhafterweise ist das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul aus einer Vielzahl von Stegen und/oder Säulen in einfacher oder mehrfacher monopterer Anordnung oder als zylinderförmige Gitterstruktur gebildet, die das erste und zweite Anbindungselement koaxial verbinden und rotationssymmetrisch angeordnet ist oder sind, wobei besonders die Stege und/oder Säulen parallel, V-förmig, X-förmig, mäanderförmig und/oder mehrfachgekreuzt angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stege und/oder Säulen in Sandwichbauweise hergestellt und der Kem mit einer Wabenstruktur, Schaumstruktur und/oder mäanderförmigen Stützstruktur ausgebildet. Zudem ist es von Vorteil, wenn mindestens ein torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul mindestens in einem Teilabschnitt eine Querschnittsverjüngung oder Querschnittserweiterung aufweist.
Auch ist vorteilhaft, wenn mindestens das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul aus Stahl, Titan, Elastomer, Kunststoff und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das erste und zweite Anbindungselement und mindestens ein torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul matenaleinheitlich ausgebildet sind.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Kupplung einteilig ausgebildet ist
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kupplung mit einer Zahnkupplung, Flanschkupplung, Ringscheibenkupplung, Laschenkupplung, Membrankupplung, Lamellenkupplung, Reibungskupplung und/oder mit zwei Wellenabschnitten verbunden.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist mindestens ein Anbindungselement als Membranelement mit sich radial verjüngendem Matenalquerschnitt ausgebildet.
Vorteilhafterweise ist das erste und/oder zweite Anbindungselement scheibenförmig, lamellenartig, stabförmig oder sternförmig ausgebildet.
Weiterhin vorteilhafterweise weist mindestens ein Anbindungselement sich axial erstreckende Vertiefungen und/oder Durchbrüche auf.
Erfindungsgemäß wird eine Kupplungsanordnung bereitgestellt, aufweisend mindestens zwei räumlich-elastische Kupplungen, die axial fluchtend in Reihe geschaltet sind und kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind. Ein besonderer technischer Vorteil der erfindungsgemäßen räumlich-elastischen Kupplung besteht darin, dass insbesondere die Torsion - und Biegesteifigkeit der Kupplung in einfacher Weise durch material- und gestaltungstechnische Parameter in unterschiedlichen Bereichen der Kupplung individuell auf die vorgesehenen Einsatzbedingungen angepasst und optimiert werden kann.
Erreicht werden die vorgenannten technischen Vorteile und Wirkungen durch eine räumlich-elastische Kupplung, die mindestens ein erstes und zweites Anbindungselement und mindestens ein torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul aufweist.
Die ersten und zweiten Anbindungselemente sind koaxial zueinander angeordnet und können durch das elastische Steifigkeitsmodul kraft- , Stoff- und/oder formschlüssig verbunden sein.
Unter einem torsions- und biegeelastischen Steifigkeitsmodul soll im Rahmen der Erfindung eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anbindungselement angeordnete und diese verbindende komplexe und räumlich ausgebildete Struktur aus mehreren dreidimensionalen Elementen verstanden werden, die sich koaxial zur Rotationsachse der Kupplung erstreckt und mit der mindestens ein Radial-, Axial- und/oder Winkelversatz zwischen der antreibenden und/oder angetriebenen Einheit oder einer weiteren Kupplung kompensierbar ist. Das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul kann austauschbar und lösbar mit dem ersten und/oder zweiten Anbindungselement verbunden sein.
Die räumlich-elastische Kupplung ist für die Verbindung einer antreibenden Einheit und einer angetriebene Einheit vorgesehen. Eine antreibende oder angetriebene Einheit können beispielsweise eine Getriebe- oder Motoreinheit oder zwei mit der räumlichelastischen Kupplung verbundene Wellen sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die räumlichelastische Kupplung über das erste und/oder zweite Befestigungselement mit einer weiteren Kupplung verbunden wird und so beispielsweise die Kupplung als doppelkardanische Kupplung einsetzbar ist. Die ersten und zweiten Anbindungselemente sind voneinander beabstandet und koaxial zueinander angeordnet und durch mindestens ein torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul verbunden, wodurch die Kupplung in ihrer Form trommelartig ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kupplung kann vorgesehen sein, dass das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul aus einer Vielzahl von Stegen oder Säulen in einfacher oder mehrfacher monopterer Anordnung oder als zylinderförmige Gitterstruktur ausgebildet ist, die das erste und zweite Anbindungselement verbinden und rotationssym metrisch zwischen diesen angeordnet sind.
Sofern das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul mit einer Vielzahl von Stegen oder Säulen in einfacher oder mehrfacher monopterer Anordnung ausgebildet ist, können die rotationssym metrisch und mit gleichem Abstand zueinander angeordneten Stege oder Säulen parallel, V-förmig, X-förmig und/oder mehrfachgekreuzt angeordnet sein. Das ausgebildete Monopteros kann dabei in einfacher kreisrunder Anordnung oder als mehrfache koaxiale kreisrunde Anordnung vorgesehen sein, wodurch in einfacher Weise das radiale oder winkelige Ausgleichsvermögen sowie die Steifigkeit der räumlich-elastischen Kupplung ausgelegt werden kann.
Vorstellbar ist auch, dass einzelne oder sämtliche Stege und/oder Säulen in Sandwichbauweise hergestellt sind und deren Kem dabei als Wabenstruktur, Schaumstruktur und/oder mäanderförmige Stützstruktur ausgebildet ist. Der Kem kann dabei aus einem anderen Werkstoff als der innere und äußere Zylinder der Säulen bzw. der inneren und äußeren Sandwichplatten der Stege sein. Durch die strukturelle Ausgestaltung der Stege und Säulen lässt sich gezielt Einfluss auf die Steifigkeit der elastischen Steifigkeitsmodule nehmen und dadurch neben radialem Versatz auch auftretende Torsionsbelastungen kompensieren.
Auch ist vorstellbar, dass mindestens ein oder sämtliche torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodule mindestens in einem Teilabschnitt eine Querschnittsverjüngung oder Querschnittserweiterung aufweisen, um das angreifende Lastkollektiv und die damit verbundene mechanische Belastbarkeit des Steifigkeitsmoduls oder der elastischen Steifigkeitsmodule zu optimieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der räumlich-elastischen Kupplung kann vorgesehen sein, dass beispielsweise das erste oder zweite Anbindungselement mit einer Zahnkupplung, Flanschkupplung, Ringscheibenkupplung, Laschenkupplung, Membrankupplung, Lamellenkupplung oder Reibungskupplung verbunden ist.
Vorstellbar ist auch, dass zur Kompensation von auftretendem Radial-, Axial- und/oder Winkelversatz die räumlich-elastische Kupplung zwischen zwei Wellen angeordnet und beispielsweise über eine zusätzliche Stirnverzahnung mit den Wellenenden der beiden Wellen form- und kraftschlüssig als kardanisches Gelenk verbunden ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der räumlich-elastischen Kupplung kann vorgesehen sein, dass mindestens das oder die torsions- und biegeelastischen Steifigkeitsmodule aus Stahl, Titan, einem Elastomer, einem Kunststoff und/oder einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist oder sind. Es ist vorstellbar, dass beim Auftreten geringer Torsionsspannung zumindest die torsions- und biegeelastischen Steifigkeitsmodule aus Kunststoff oder einem glasfaserverstärkten oder kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff gefertigt sind.
Vorstellbar ist auch, dass mindestens das elastische Steifigkeitsmodul aus einem Elastomer gefertigt ist und so neben dem Ausgleich von radialem Versatz und Winkelversatz vorteilhafterweise axialen Versatz kompensieren kann.
Im Hinblick auf eine additive Fertigung der räumlich-elastischen Kupplung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das erste und zweite Anbindungselement und das mindestens eine torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul matenaleinheitlich sind und/oder die Kupplung einstückig hergestellt ist. Hierdurch wird eine kosten- und zeitsparende Fertigung beispielsweise mittels 3D-Druckverfahren ermöglicht.
Zur Bereitstellung eines Werkstoff-unabhängigen axialen Ausgleichsverhaltens sowie einer optimierten Steifigkeit und Beugefähigkeit der räumlich-elastischen Kupplung kann vorgesehen sein, dass mindestes eines der Anbindungselemente einen sich radial erstreckenden verjüngten Materialquerschnitt aufweist, der als zusätzlicher elastischer Bereich fungiert. Auch können mindestens im Anbindungselement sich axial erstreckende Vertiefungen und/oder Durchbrüche vorgesehen sein. Die vorbeschriebene radiale Änderung des Materialquerschnitts oder das Vorsehen von Vertiefungen oder Durchbrüchen stellen geometrische bzw. konstruktive Elemente bei der Ausgestaltung der räumlich-elastischen Kupplung dar, mit denen insbesondere auf die Biegeelastizität und die axiale Verlagerungsfähigkeit der Kupplung in einfacher Weise Einfluss genommen werden kann.
Zur Ausbildung eines doppelkardanischen Verhaltens der Kupplung kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehrere der vorbeschriebenen räumlich-elastischen Kupplung axial fluchtend in Reihe angeordnet und geschaltet sind. Die Verbindung der Kupplungen kann kraft-, form- oder stoffschlüssig über die jeweiligen Anbindungselemente hergestellt sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die dazugehörige
Figur 1 eine räumlich-elastische Kupplung in Perspektivansicht und
Figur 2 eine räumlich-elastische Kupplung im Querschnitt.
Ausführungsbeispiel
Die Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine räumlich-elastische Kupplung 1 , die einstückig und materialeinheitlich aus Stahl gefertigt ist und für den Einsatz in einem Schienenfahrzeug vorgesehen ist. Die räumlich-elastische Kupplung 1 weist ein erstes scheibenartig ausgebildetes Anbindungselement 3 mit axial zur Ringachse gerichteten umlaufenden Bohrungen auf, über die mittels Schrauben eine antreibende Einheit (nicht dargestellt) angeflanscht und damit angebunden werden kann. Das erste scheibenartig ausgebildete Anbindungselement 3 weist in einem Teilbereich einen sich verjüngenden Materialquerschnitt auf, durch den ein Membranelement 5 ausgebildet ist. Ein zweites scheibenartig ausgebildetes Anbindungselement 4 ist mit einer Hülse einer Zahnkupplung verbunden. Die Hülse weist eine Innenverzahnung auf, die mit der Außenverzahnung einer Nabe in Eingriff steht. Die ersten und zweiten Anbindungselemente 3 und 4 sind durch das koaxial angeordnete torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul verbunden, wobei das Steifigkeitsmodul aus einer Vielzahl von Stäben gebildet ist, die X-förmig rotationssymmetrisch zwischen dem ersten und zweiten Anbindungselement 3 und 4 angeordnet sind und sich parallel zur Rotationsachse der Kupplung 1 erstrecken. Bei einer Drehmomentbeaufschlagung und einem auftretendem radialen und axialen Versatz der antreibenden Einheit gegenüber der gegenüberliegend angeordneten Zahnkupplung und einer nachgelagerten angetriebenen Einheit erfolgt über die X-förmig ausgebildeten Stäbe eine Dämpfung der Torsionsbelastung sowie eine Kompensation des radialen Versatzes und des entstandenen Winkelversatzes, wobei über die erzeugte Membrankontur des ersten Anbindungselementes axiale Bewegungen gedämpft und ausgeglichen werden.
Bezugszeichenliste Kupplung Torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul Erstes Anbindungselement Zweites Anbindungselement Membranelement

Claims

Patentansprüche
1. Räumlich-elastische Kupplung (1) für die Verbindung einer antreibenden Einheit und einer angetriebenen Einheit, aufweisend mindestens ein erstes und zweites sich radial zur Rotationsachse erstreckendes Anbindungselement (3,4), und mindestens ein rotationssymmetrisch ausgebildetes torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul (2), wobei die ersten und zweiten Anbindungselemente (3,4) koaxial zueinander angeordnet sind und durch das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul (2) verbunden sind, und wobei sich das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul (2) koaxial zur Rotationsachse der Kupplung erstreckt und Radial-, Axial- und/oder Winkelversatz zwischen einer antreibenden und/oder angetriebenen Einheit oder einer weiteren räumlich-elastischen Kupplung (1 ) kompensierbar ist.
2. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul (2) aus einer Vielzahl von Stegen und/oder Säulen in einfacher oder mehrfacher monopterer Anordnung oder als zylinderförmige Gitterstruktur gebildet ist, die das erste und zweite Anbindungselement koaxial verbinden und rotationssymmetrisch angeordnet ist oder sind.
3. Kupplung nach Anspruch 2, bei der die Stege und/oder Säulen parallel, V-förmig, X-förmig, mäanderförmig und/oder mehrfachgekreuzt angeordnet sind.
4. Kupplung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Stege und/oder Säulen in Sandwichbauweise hergestellt sind und der Kem mit einer Wabenstruktur, Schaumstruktur und/oder mäanderförmigen Stützstruktur ausgebildet ist.
5. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der mindestens ein torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul (2) mindestens in einem Teilabschnitt eine Querschnittsverjüngung oder Querschnittserweiterung aufweist.
6. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der mindestens das torsions- und biegeelastische Steifigkeitsmodul (2) aus Stahl, Titan, Elastomer, Kunststoff und/oder aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
7. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der das erste und zweite Anbindungselement (3,4) und mindestens ein torsions- und biegeelastisches Steifigkeitsmodul (2) matenaleinheitlich ausgebildet sind.
8. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der die Kupplung (1 ) einteilig ausgebildet ist.
9. Kupplung nach Anspruch 1 , die mit einer Zahnkupplung, Flanschkupplung,
Ringscheibenkupplung, Laschenkupplung, Membrankupplung,
Lamellenkupplung, Reibungskupplung und/oder mit zwei Wellenabschnitten verbunden ist.
10. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der mindestens ein Anbindungselement (3,4) als Membranelement (5) mit sich radial verjüngendem Matenalquerschnitt ausgebildet ist.
11 . Kupplung nach Anspruch 1 , bei der das erste und/oder zweite Anbindungselement (3,4) scheibenförmig, lamellenartig, stabförmig oder sternförmig ausgebildet ist.
12. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der mindestens ein Anbindungselement (3,4) sich axial erstreckende Vertiefungen und/oder Durchbrüche aufweist.
13. Kupplungsanordnung, aufweisend mindestens zwei nach Anspruch 1 beanspruchte räumlich-elastische Kupplungen (1 ), die axial fluchtend in Reihe geschaltet sind und kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
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