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Technisches Gebiet
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Im
Automobilbereich werden bei Nutzfahrzeugen und Personenkraftwagen
häufig
Stellmotoren eingesetzt, so z.B. zur Betätigung der Kupplung oder als
Getriebestellmotoren. Daneben lassen sich elektrische Stellmotoren
auch an Komponenten wie Abgasturboladern zur Aufladung von gemischverdichtenden
Verbrennungskraftmaschinen einsetzen. Abgasturbolader wurden bisher über den
im Saugrohr ermittelten Unterdruck angesteuert; eine automatisierbare
Betätigungsmöglichkeit
solcher Abgasturbolader ist durch das Vorsehen eines elektrischen Antriebes
gegeben.
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Stand der Technik
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Stellmotoren,
die üblicherweise
als Kupplungs- oder Getriebesteller eingesetzt werden, umfassen
einen Gleichstrom-Elektromotor, auf dessen Ankerwelle eine Schnecke
angeformt ist, welche mit einem Schneckenrad kämmt; es können darüber hinaus auch weitere Getriebestufen
vorgesehen sein. Mittels des Gleichstrom-Elektromotors kann entweder
eine Linear- oder eine Rotationsbewegung erzeugt werden.
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Daneben
können
Gleichstrommotoren als Stellmotoren an Anbaukomponenten von Verbrennungskraftmaschinen
wie z.B. einem Abgasturbolader eingesetzt werden. Dessen Turbinenlaufrad
treibt ein Verdichterlaufrad an, mit welchem eine bessere Füllung der
Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine erreicht werden kann. In
EP 0 683 852 B1 ist
ein Abgasturbolader für
Brennkraftmaschinen offenbart. Der Abgasturbolader umfaßt eine
mit Lagermitteln in einem Gehäuse
angebrachte Antriebswelle, die ein abgasgetriebenes Turbinenlaufrad
mit dem Laufrad eines Verdichters antriebsmäßig verbindet. Es ist ferner
eine Gasstrom-Steuervorrichtung vorgesehen, die stromaufwärts vom
Turbinenlaufrad positio niert ist und zur Einstellung der Betriebsleistung
des Abgasturboladers dient. Ferner ist ein elektrisch antreibbarer
Stellmotor zur Regulierung des Betriebes der Gas-Strom-Steuervorrichtung über ein
Gestängemittel
als Reaktion auf ein elektrisches Signal vorgesehen, das zumindest
vom Austrittsdruck des Verdichters abhängt.
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Das
Gehäusemittel
weist eine ein Außengewinde
aufweisende mehrgängige
Führungsschraube auf,
mit der ein Schraubglied mit einem entsprechenden Innengewinde in
Eingriff steht. Entweder das Schraubglied oder die Führungsschraube
ist so angeordnet, dass es bzw. sie sich bei der Drehung der Führungsschraube
bzw. des Schraubglieds allgemein geradlinig bewegt. So wird die
Drehung in eine Bewegung der Gas-Strom-Steuereinrichtung umgewandelt.
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Bei
Stromausfall an dem als Gleichstrommotor ausgebildeten elektrischen
Antrieb ist eine Verstellung des Motors entweder gar nicht oder
nur mit relativ hohen Kräften
möglich.
Bei Einsatz an einem Abgasturbolader lässt sich dieser aus seiner
zum Zeitpunkt des Stromausfalles herrschenden Leitschaufelringstellung
nicht mehr verstellen. Steht der Leitschaufelring am Abgasturbolader
z.B. in geschlossener Position – ist
eine Durchströmung
durch das Abgas nicht möglich – so muss
am bei durch Stromausfall lahmgelegten Stellantrieb sichergestellt sein,
dass bei plötzlichem
Gasgeben der Abgasturbolader nicht durch eine zu hohe Drehzahl Schaden nimmt.
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DE 38 09 909 A1 bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Steuer- und/oder Regelungsvorgängen in
einem Kraftfahrzeug. Die Vorrichtung umfasst einen von einer Rückstellfeder
beaufschlagten Aktuator. Um eine ausreichende Rückstellkraft des Aktuators über einen
weiten Temperaturbereich sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen
sicherzustellen, wird vorgeschlagen, ein temperaturabhängig formveränderliches,
kraftübertragendes
Element einzusetzen, das mit der Rückstellfeder zusammenwirkt.
Dieses Element ist dabei bevorzugt als Memory-Element oder Thermobimetall ausgebildet.
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DE 199 63 499 A1 bezieht
sich auf eine Ventilanordnung. Die Ventilanordnung umfasst einen
in einem Ventilgehäuse
geführten
Ventilkörper,
der in einer Grundstellung vorgespannt ist und über einen Aktuator in eine
Steuerstellung verschiebbar ist. Der Aktuator ist als Formgedächtnis-Element
aus einer Formgedächtnis-Legierung
hergestellt, wobei dem Aktuator eine Steuereinrichtung zum Einstellen
einer Temperaturänderung
zugeordnet ist.
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DE 42 06 792 A1 bezieht
sich auf einen deformierbaren Spiegel. Der deformierbare Spiegel
umfasst eine Spiegelplatte, von deren Rückenfläche mindestens ein Zapfen zur
Befestigung eines zugehörigen
Aktuators wegsteht, der mit einem Befestigungsorgan versehen ist.
Der Aktuator ist zur wunschgemäßen Wölbung der
Spiegelplatte vorgesehen. Um den Aktuator problemlos auswechseln
zu können,
wird vorgeschlagen, am Befestigungsorgan des entsprechenden Aktuators
ein Befestigungselement aus einer Formgedächtnis-Legierung anzubringen.
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DE 199 50 454 A1 bezieht
sich auf eine Stellgliedanordnung. Die Stellgliedanordnung dient
insbesondere zur Betätigung
einer automatisiert ausgeführten
Fahrzeugkupplung zum Einsatz bei einem automatisierten Getriebe.
Die Stellgliedanordnung umfasst einen Stellantrieb, welcher an einem
Gehäuse
getragen ist. Ein Antriebselement greift in seinem einen Kopplungsbereich
an einem Antriebselement an. In seinem anderen Kopplungsbereich
wirkt dieses mit einem beaufschlagenden Organ zusammen. Gegebenenfalls
ist eine Kompensationskraftanordnung vorgesehen, welche in ihrem
einen Kopplungsbereich auf ein Gehäuse einwirkt und in ihrem anderen
Kopplungsbereich auf das Antriebselement einwirkt. Schließlich kann
eine Anpassungsanordnung vorgesehen sein, durch welche die Stellgliedanordnung
an sich ändernde
Betriebsbedingungen anpassbar ist.
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EP 0 343 515 A2 bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Regelung einer Luftströmung zu
einem Vergaser einer Verbrennungskraftmaschine. Die vorgeschlagene
Einrichtung dient insbesondere zum Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine.
Die Vorrichtung umfasst eine schmetterlingsförmig ausgestaltete Ventilklappe,
die stromauf eines Diffusors des Vergasers angeordnet ist. Des Weiteren
sind elastische Halteeinrichtungen vorgesehen sowie ein Aktuator,
der aufgrund einer Temperaturdifferenz betätigbar ist. Des Weiteren umfasst
die Vorrichtung mechanische Übertragungselemente
zur Verbindung mit dem besagten Aktuator, wobei die Haltemittel
das schmetterlingsförmig
ausgebildete Ventil im Normalfall geschlossen halten, solange die
Verbrennungskraftmaschine kalt ist. Der besagte Aktuator umfasst ein
Formgedächtnis-Element,
welches abhängig
von seiner momentanen Temperatur eine Vielzahl vorbestimmter Gestalten
anzunehmen vermag.
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JP 08 133 436 A bezieht
sich auf eine Fördereinrichtung.
Um eine sanfte und sichere Kopplung einer Antriebswelle mit einem
feststehenden Förderer
zu erreichen, sind eine Anzahl von Verbindungsstiften an einem ersten
Verbindungselement vorgesehen. Diese können verschoben werden in Bezug auf
ein Drehzentrum einer ersten Antriebswelle zum Außenbereich
derselben und mit einem bestimmten Abstand über diesen Umfang hervorstehen.
Diese Verbindungsstifte wirken zusammen mit halbkreisförmigen Ausnehmungen, in
welche diese Verbindungsstifte einrasten können und die an einem zweiten
Verbindungselement, welches mit einem ersten Verbindungselement
zu koppeln ist, vorgesehen sind.
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DE 100 06 231 A1 bezieht
sich auf einen Aktuator für
das Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Der Aktuator dient
zur Ausübung
einer temperaturabhängigen
Stell- oder Steuerfunktion
im Abgassystem einer Brennkraftmaschine. Der aus
DE 100 06 231 A1 bekannte
Aktuator weist ein aus einem hochtemperaturgeeigneten SMA-Material
bestehendes SMA-Element auf, welches in Abhängigkeit von der Abgastemperatur
der Brennkraftmaschine die Stell- oder Steuerfunktion ausübt, ohne
auf ein externes Energieversorgungssystem zurückgreifen zu müssen.
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DE 198 43 965 C2 bezieht
sich auf einen Halte- und Auslösemechanismus
für einen
Formgedächtnis-Aktuator.
Der Formgedächtnis-Aktuator
gemäß
DE 198 43 965 C2 ermöglicht ein
sicheres Auslösen
bei einfacher konstruktiver Gestaltung und geringer Energiezufuhr.
Ein Drahtende eines losen Endes eines Formgedächtnis-Drahtes ist derart gehalten,
dass dieser bei Temperaturzufuhr in seiner Längsachse kontraktiert und sein
loses Ende aus einer vom Drahtende gebildeten Öffnung herauszieht. Dadurch
können
Halte- und Auslösemechanismen mit
einem Formgedächtnis-Aktuator,
der temperaturgesteuert ein unter Zugspannung stehendes Drahtende
freigibt, realisiert werden.
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Darstellung der Erfindung
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Mittels
der in den Ausführungsvarianten
der Erfindung nachfolgend dargestellten Lösungen lassen sich eine Reihe
von Vorteilen in Bezug auf eine Verstellung eines Abgastwboladers
mit elektrischem Stellantrieb bei Stromausfall an diesem erzielen.
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Erfindungsgemäß lässt sich
bei elektrischen Antrieben mit einem Schneckenantrieb und einem Stirnrad,
welches mit einer Zahnstange zusammenarbeitet, zwischen Schneckenantrieb
und Stirnrad – z.B.
ein außenverzahntes
Ritzel – ein
Formgedächtnis-Element
anordnen, welches z.B. als ein beheizbarer Draht oder ein beheizbares
Federelement beschaffen sein kann. Das Wärmedehnungsverhalten des Formgedächtnis-Elementes
kann in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden, nur im bestromten
Zustand des Stellantriebes eine kraft- oder formschlüssige Verbindung zwischen z.B.
als Schneckenrad oder Ritzel ausgebildeten Kraftübertragungselementen herzustellen.
Bei Stromausfall am elektrischen Aktuator ist auch ein beheizbar
ausgeführtes
Formgedächtnis-Element
von der Stromversorgung abgeschnitten, so dass dessen Wärmedehnungsverhalten eine
Formänderung
an demselben be wirkt. Die Formänderung
des Formgedächtnis-Elementes,
z.B. ein aus einer NiTi-Legierung
bestehendes Federelement, bewirkt das Zurückfahren von beispielsweise stiftförmig ausgebildeten
Kupplungselementen aus einer oder mehrerer der Kraftübertragungskomponenten,
so daß diese
relativ zueinander verstellbar sind.
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Wird
ein derart ausgestalteter Antrieb zur Verstellung an einem Abgasturbolader
an einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, lassen sich dessen
Turbinensteller und der stromlose Stellantrieb sofort voneinander
entkoppeln. Die Reibkräfte
sind nach der Entkopplung so gering, daß schon geringe Strömungskräfte ein
sicheres Öffnen
des Leitschaufelrings am Abgasturbolader ermöglichen. Damit ist dieser wirksam
vor Beschädigungen
bei Stromausfall am elektrischen Stellantrieb geschützt.
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Durch
die erfindungsgemäß geschilderte Ausführungsvariante
ist eine Entkopplung eines Getriebes nach Vornahme geringfügiger Modifikationen am
Stellantrieb möglich,
so daß weitestgehend
auf bewährte
Baukomponenten zurückgegriffen
werden kann. Bei Einsatz von Formgedächtnis-Elementen aus NiTi-Legierungen
lassen sich die Schalttemperaturen in einem weiten Bereich einstellen.
Mit NiTi-Legierungen lassen sich Schalttemperaturen zwischen – 30°C und 350°C erzielen.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante
des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens läßt sich ein Ausrückelement
an der Ankerwelle des den Stellantrieb betätigenden elektrischen Aktuators
unmittelbar aufnehmen. Das Ausrückelement
läßt sich im
einfachsten Fall als eine die Ankerwelle des elektrischen Aktuators
umgebende Feder ausbilden, die sich an einem Bund, der auf der Ankerwelle
vorgesehen ist, abstützt.
Bei Stromausfall wirkt zwischen den Blechpaketen des Ankers und
des gehäusefest
angeordneten Ständers
das Rastmoment, aufgebaut durch das elektromagnetische Feld. Das
Ausrückelement übt auf die
Ankerwelle eine die durch das Rastmoment erzeugte Stellkraft übersteigende
translatorische Kraft aus, so daß die Ankerwelle in toto, d.h. auch
die an dieser aufgenommenen Kraftübertragungselemente, außer Eingriff
mit den weiteren Kraftübertragungselementen
gestellt werden.
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In
bestromten Zustand sind die Wicklungen des elektrischen Aktuators
stromdurchflossen und werden daher problemlos von den Permanentmagneten
gegen die Kraft eines gespannten Ausrückelementes in der Betriebsposition
gehalten. Es können Arbeits-
und Endpositionsgeber am elektrischen Aktuator vorgesehen werden,
ohne daß aufwendige Modifikatonen
an diesem vorzunehmen sind.
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Mit
dieser Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Lösung kann
durch Anordnung des nachgeordneten Getriebes auf der Ankerwelle
eine platzsparende Variante geschaffen werden; die Poltopfverlängerung,
d.h. die Verlängerung
des Gehäuses
des den Ständer
und die Ankerwelle aufnehmenden Teils des elektrischen Aktuators
kann mit einem auch axial Kräfte
aufnehmenden Lager versehen werden, so daß lediglich geringfügige Änderungen an
bereits bestehenden Systemen vorzunehmen sind und sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wirtschaftlich
umsetzen läßt.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend en detail erläutert.
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Es
zeigt:
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1, 2 aus
dem Stand der Technik bekannte Stellantriebe,
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3 eine
ineinander gesteckte Schneckenrad-/Ritzelanordnung,
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4.1, 4.2 Draufsicht
und Schnittdarstellung der Schneckenrad/Ritzelanordnung gemäß 3 in
unbestromtem Zustand,
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5.1, 5.2 Draufsicht
und Schnittdarstellung der Schneckenrad/Ritzelanordnung gemäß 3 in
bestromtem Zustand,
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6.1 eine Einzeldarstellung des Schneckenrades
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6.2 eine Einzeldarstellung des Ritzels,
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6.2 eine Einzeldarstellung des Ausrückelementes,
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7 ein
Detail des Ausrückelementes,
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8.1 eine weitere Ausführungsvariante mit gehäuseintegriertem
Ausrückelement
in bestromtem Zustand und
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8.2 eine Ausführungsvariante
mit gehäuseintegriertem
Ausrückelement
in unbestromtem Zustand.
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Ausführungsvarianten
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Den
Darstellungen gemäß der 1 und 2 sind
aus dem Stande der Technik bekannte Stellantriebe entnehmbar.
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Auch
aus der Darstellung gemäß 1 ist eine
Kolben-/Zylinderanordnung bekannt, bei der sich ein Kolben in einem
geschlossenen Zylinder in Bewegungsrichtung 6 auf- und
abbewegt. In Anlenkpunkt 4 ist ein Koppelelement 2 am
im Zylinder bewegbaren Kolben angelenkt, welches mit seinem dem
Kolben gegenüberliegenden
Anlenkpunkt 4 an einem Schwenkhebel 3 gelenkig
gelagert ist. Der Schwenkhebel 3, der in der Darstellung
gemäß 1 in
L-Form ausgebildet ist, ist um eine Schwenkachse 5 verschwenkbar
und beschreibt einen mit dem Dooppelpfeil 7 bezeichneten
Schwenkweg. Der Darstellung gemäß 2 ist
ein Elektroantrieb 12 entnehmbar, der mittels einer Ankerwelle 11,
auf welchem z.B. eine Schnecke angeformt sein kann, mit einem Schneckenrad 13 zusammenarbeitet.
Das Schneckenrad 13 ist mit einer zur auf der Ankerwelle 11 korrespondierenden
Schneckenradaußenverzahnung versehen
und in beide Richtungen des mit Bezugszeichen 14 identifizierten
Doppelpfeiles verdrehbar. Koaxial zum Schneckenrad 13 der
Getriebeanordnung 9 ist ein z.B. mit einer Außenverzahnung
verzahntes Ritzel 10 gelagert, dessen Außenverzahnung
mit einer Zahnstange 8 zusammenarbeitet, die an der dem
Ritzel 10 zuweisenden Seite mit einer Außenverzahnung
versehen ist. Die Zahnstange 8 ist im Anlenkpunkt 4 an
einem Schwenkhebel 3 gelagert, der seinerseits um eine
Schwenkachse 5 bewegbar ist und dessen freies Ende eine
mit Bezugszeichen 7 bezeichnete Schwenkbewegung in beide
Richtungen des Doppelpfeiles ausführt.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt
die Anordnung von ineinander gesteckten Steckenrad- und außenverzahntem
Ritzel 10. Der Draufsicht und der Seitenansicht einer kombinierten
Schneckenrad-Ritzelanordnung ist entnehmbar, daß beide Kraftübertragungselemente 10 bzw. 13 koaxial
zueinander gelagert sind. An der Außenseite des Schneckenrades 13 ist
eine Schneckenradaußenverzahnung
angeordnet, während
das Ritzel 10 sowohl mit einer Außenverzahnung versehen ist,
die sowohl als eine Gradverzahnung als auch eine Schrägverzahnung beschaffen
sein kann. Die Außenverzahnung 15 des Ritzels 10 ist
in der Darstellung gemäß 3 ist
nicht dargestellt; das Schneckenrad 13 läßt sich
in beide Richtungen des in 3 gezeigten
Doppelpfeiles 14 bewegen, je nach Drehrichtung des elektrischen
Aktuators, an dessen Ankerwelle 11 eine Schnecke angeformt
sein kann.
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Aus
den Darstellungen gemäß der 4.1 bzw. 4.2 gehen
Draufsicht und Schnittdarstellung einer Schneckenrad-/Ritzelanordnung
gemäß 3 in
unbestromtem Zustand näher
hevor.
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Aus
der Draufsicht gemäß der Darstellung
in 4.1 geht die koaxiale Lagerung von mit einer Außenverzahnung 17 versehenem
Schneckenrad 13 an einer Gehäuseschale 18 sowie
an einer diese Elemente lagernden Lagerwelle 16 näher hervor.
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Die
Schnittdarstellung gemäß 4.2 zeigt die Schneckenrad-/Ritzelanordnung in
unbestromtem Zustand 23. Auf der Lagerungswelle 16 ist
das mit einer Außenverzahnung 15 versehene
Ritzel 10 verdrehbar gelagert. Bei der Außenverzahnung 15 des
als Kraftübertragungselement
fungierenden Ritzels 10 kann es sich sowohl um eine Gradverzahnung
wie auch um eine Schrägverzahnung
handeln. Das Ritzel 10, welches auf der Lagerwelle 16 verdrehbar
aufgenommen ist, ist teilweise in einer Ausnehmung 26 des
Schneckenrades 13 eingelassen und wird von mit einer Außenverzahnung 17 versehenen
Schneckenrad 13 umschlossen. Das Schneckenrad 13 gemäß der Darstellung
in 4.2 ist drehfest auf der Lagerwelle 16 gelagert,
z.B. auf diese einen Pressitz erzeugend aufgeschrumpft.
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Am
als Ritzel 10 ausgebildeten Kraftübertragungselement sind gemäß der Darstellung
in 4.2 einander gegenüberliegend Einrastöffnungen 22 ausgebildet.
Die Seitenwände
der Einrastöffnungen 22 können – hier nicht
dargestellt – mit
Anschrägungen
versehen sein, um das Einfahren von Kupplungsstiften zu erleichtern.
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An
der Stirnseite des mit einer Außenverzahnung 17 versehenen
Schneckenrades 13 ist eine Gehäuseschale 18 vorgesehen.
Die Gehäuseschale 18 umschließt ein Ausrückelement 19,
welches ein Anstellelement 19.2, einen Kupplungsteil 19.1 sowie
ein Heizungs-/Isolationselement 19.3 umfaßt. In der Ausführungsvariante,
die in den 4.1 bzw. 4.2 dargestellt
ist, kann das vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildete Anstellelement 19.2 entweder
direkt beheizt werden oder mittels einer das Anstellelement 19.2 umschließenden Isolation
bzw. Heizer 19.3 mittelbar beheizt werden. Dadurch läßt sich das
Anstellelement 19.2 als ein Formgedächtnis-Element einsetzen. Das
als Formgedächtnis-Element dienende
Anstellteil 19.2 des Ausrückelementes 19 wirkt
auf ein Kupplungsteil 19.1 des Ausrückelementes ein. Dieses ist
mittels eines oder mehrerer Rückstellfederelemente 20 gegen
eine Stirnwand des Schneckenrades 13 vorgespannt. Am Kupplungsteil 19.1 sind
darüber
hinaus das Schneckenrad 13 in Bohrungen 21 oder Öffnungen
durchsetzende stiftförmige
Klauen angebracht, welche in die bereits erwähnten Einrastöffnungen 22 des
als Ritzel 10 konfigurierten Kraftübertragungselementes einfahren.
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In
der Schnittdarstellung der Schnecken-/Ritzelanordnung gemäß 4.2 befindet sich das Ausrückelement 19 in einer
eine Relativdrehung zwischen dem Kraftübertragungselementen Schneckenrad 13 und
Ritzels 10 ermöglichenden
Position. In diesem Zustand ist das als Formgedächtnis-Element dienende Anstellelement 19.2 des
Ausrückelementes 19 durch
die Heizung 19.3 nicht beheizt, d.h. die im Gehäuse 18 sich
an einer Stirnseite des Schneckenrades 13 abstützenden
Rückstellfederelemente 20 drücken das
Kupplungsteil 19.1 in Richtung auf das nicht beheiztes
Formgedächtnis-Element 19.2, so
daß die
stiftförmigen
Klauen aus der Mehrzahl von Einrastöffnungen 22, die an
der dem Kupplungsteil 19.1 gegenüberliegenden Stirnseite des
als Ritzel 10 ausgebildeten Kraftübertragungselementes ausgefahren
bleiben. Durch Ausrücken
der stiftförmigen Klauen
aus den Einrastöffnungen 22 ist
eine Relativbewegung und des Ritzels 10, welches auf der
Lagerungswelle 16 verdrehbar ist, relativ zu dem auf der Lagerungswelle 16 drehfest
aufgenommenen Schneckenrad 13 möglich.
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Aus
den Darstellungen gemäß der 5.1, 5.2 gehen
Draufischt und Darstellung einer Schneckenrad-/Ritzelanordnung gemäß 3 in
bestromten Zustand näher
hervor.
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Die
Draufsicht gemäß 5.1 entspricht der im Zusammenhang mit 4.1 bereits beschriebenen Darstellung.
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Aus
der Schnittdarstellung 5.2 der Schneckenrad-/Ritzelanordnung
im bestromten Zustand 24 geht hervor, daß in diesem
Falle die durch Beheizung des Formgedächtnis-Elementes, d.h. Anstellelement 19.2,
erzeugte Dilatation gegen die Rückstellfedern 20 wirkt,
die sich an einer Stirnseite des Schneckenrades 13 abstützen. Durch
die Dilatation des Anstellelementes 19.2 bei direkter Bestromung
oder bei Beheizung über
die Gehäuseschale 18 wird
das Kupplungsteil 19.1 gegen die Wirkung der Rückstellfedern 20 in
Richtung auf das Schneckenrad 13 bewegt. Die am Kupplungsrad 19.1 ausgebildeten,
stiftförmig
beschaffenen Klauen fahren in die Einrastöffnungen 22 des als
Kraftübertragungselementes
dienenden Ritzels 10 ein. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung
zwischen dem auf der Lagerwelle 16 drehfest aufgenommenen,
mit einer Außenverzahnung 17 versehenen
Schneckenrad 13 und dem auf der Lagerwelle 16 drehbar
aufgenommenen Ritzels 10 hergestellt. In diesem – dem bestromten
Zustand 24 eines elektrischen Aktuators 12 wiedergebenden
Zustand – ist
die Kraftübertragung
zwischen den Kraftübertragungselementen 10 bzw. 13 hergestellt.
Die Einfahrbewegung der am Kupplungsteil 19.1 vorzugsweise
stiftförmig
ausgebildeten Klauenelemente in die Einrastöffnungen 22 an der
dem Kupplungsteil 19.1 gegenüberliegenden Stirnseite des
Ritzels 10, wird durch eine langsame ¼-Drehung des elektrischen Aktuators 12 unterstützt, so
daß nach
Einschalten der Versor gungsspannung ein sicheres Einfahren der stiftförmigen Klauenelemente
des Kupplungsteiles 19.1 in die Einrastöffnungen 22 des Ritzels 10 gewährleistet
werden kann.
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Das
vorzugsweise als Spiralfeder 19.2 beschaffene Formgedächtnis-Element
wird durch Beheizung aktiviert, d.h. durch das Anliegen einer Spannung.
Eine formschlüssige
Verbindung, eine Verblockung der Kraftübertragungselemente 13 bzw. 10 ist nur
nach Einschalten einer Versorgungsspannung möglich. Die Reaktionszeit des
Formgedächtnis-Elementes 19.2 ist
von der Beheizung abhängig
und liegt im Bereich von 1–2
Sekunden. Wird das Anstellelement 19.2 eine NiTi-Legierung
enthaltend ausgebildet, lassen sich die Temperaturen, bei denen
das Anstellelement 19.2 seine Bewegung ausführt, in weiten
Bereichen einstellen. Bei der erwähnten Materialkombination lassen
sich Schalttemperaturen im Bereich zwischen – 30°C und 350°C einstellen. Das Anstellelement 19.2 wird
bevorzugt so gestaltet, daß es
eine geringe Hysterese sowie längstmögliche Umwandlungstemperaturen
aufweist, um möglichst
geringe thermische Belastungen der Umgebung und geringen Energieverlust
herbeizuführen.
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Aus
der Darstellung gemäß 6.1 geht eine Einzeldarstellung des Schneckenrades
näher hervor.
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Aus
der Draufsicht gemäß 6.1 ist erkennbar, daß das Schneckenrad 13,
versehen mit einer Schneckenaußenverzahnung 17,
eine Lagerwellenbohrung 27 umfaßt, mit welchem das Schneckenrad 13 auf
die Lagerwelle 16 aufgeschrumpft werden kann. Im Schneckenrad 13 sind
mit Positionszeichen 21 die Öffnungen bezeichnet, durch
welche die stiftförmigen
Klauenelemente des Kupplungsteiles 19.1 (vergleiche Darstellung
gemäß 5.2) das Schneckenrad 13 durchsetzen.
In der Schnittdarstellung gemäß 6.1 ist die Ausnehmung 26 erkennbar, welche
einen Teil des mit dem Schneckenrad 13 zusammenarbeitenden
als Kraftübertragungselement dienenden
Ritzels 10 aufnimmt. Das in 6.1 nicht dargestellte
Ritzel 10 ist koaxial auf der Lagerungswelle 16 auf
der das Schneckenrad 13 mittels eines Pressitzes befestigt
werden kann, angeordnet.
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Die
Darstellung gemäß 6.2 zeigt eine Einzeldarstellung des als Ritzel
dienenden Kraftübertragungselementes.
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Aus
der Draufsicht auf das Ritzel 10 geht hervor, daß dieses
ebenfalls eine Lagerwellenbohrung 27 enthält, durch
welche eine Lagerungswelle 16 geführt ist, auf der das Ritzel 10 drehbar
aufgenommen ist. Es sind eine Anzahl von Einrastöffnungen 22 am Umfang
des Ritzelelementes 10 vorgesehen, in der Draufsicht gemäß 6.2 z.B. 8 Einrastöffnungen 22. Die Einrastöffnungen 22 sind
gemäß der Schnittdarstellung
in 6.2 in einer Ein rastöffnungstiefe 28 ausgebildet,
die ein sicheres Einfahren der stiftförmigen Klauen des Kupplungsteiles 19.1 des
Ausrückelementes 19 gewährleisten.
Die Wandung 30 der Einrastöffnungen 22 kann mit
einer Anschrägung
versehen werden, um ein leichteres Einfahren der am Kupplungsteil 19.1 ausgebildeten
stiftförmigen
Klauenelemente zu erleichtern.
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Aus
der Darstellung gemäß 6.3 geht das Ausrückelement 19 näher hervor.
Das Ausrückelement 19 gemäß der Darstellung
in 6.1 umfaßt eine
Gehäuseschale 18,
an welcher eine Isolation-/Heizelement 19.3 angeordnet
ist. Diese umgibt das als Formgedächtnis-Element dienende alte
Element 19.2 derart, daß das Anstellelement 19.2 durch die
Wandung beheizbar ist und eine Wärmedehnung des
Anstellelementes 19.2 erzielt wird, welches eine Verschiebung
des Kupplungsteiles 19.1 gegen die Wirkung der Rückstellelemente 20 ermöglicht.
Bricht die Stromversorgung der Heizung am Heizelement 19.3 zusammen,
nimmt das Anstellelement 19.2 seine ursprüngliche
Position ein, d.h. das Kupplungsteil 19.1 wird durch die
Kraft der Rückstellelemente 20 in Richtung
auf das nun unbeheizte Formgedächtnis-Element 19.2 zurückgestellt.
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Der
Darstellung gemäß 7 läßt sich
entnehmen, daß die
als Klauen dienenden Stifte 29 des Kupplungsteiles 19.1 in
ihrem vorderen Bereich leichte Anschrägungen aufweisen können. In
den Einrastsöffnungen 22,
die im als Kraftübertragungselement
dienenden Ritzel 10 aufgenommen sind, können ebenfalls angeschrägte Wandungen 30 vorgesehen
sein, wodurch sich die Reibung zwischen den Stiften 29 des
Kupplungsteiles 19.1 und den Wandungen der Einrastöffnungen 22 im
Ritzel 20 herabsetzen läßt.
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Als
zusätzliche
Sicherheitsmaßnahme
ist gewährleistet,
daß bei
Beschädigung
des als Formgedächtnis-Element
dienenden Anstellteiles 19.2 die beiden Rückstellfedern 20 die
angeschrägten
Stifte 29 des Kupplungsteiles 19.1 aus den Einrastöffnungen 22 des
Ritzels 10 hinausdrücken.
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Die
Stromversorgung des als Formgedächtnis-Element
dienenden Anstellelementes 19.2 oder der diese umgebenden
Isolation bzw. Heizungselement 19.3 kann durch hochflexible
Litzen erfolgen, da die Schnecken-/Ritzelanordnung 10, 13 nur
wenige Umdrehungen ausführt.
Nach Abschalten des Fahrzeugmotors fährt der elektrische Aktuator 12 stets
in seine Ausgangsstellung zurück.
Die Beheizung des Anstellelementes 19.2 kann entweder durch
direkte Bestromung desselben erfolgen; diese kann jedoch auch über die
nur eine beheizbare Wandung 19.3 an der Gehäuseschale 18 vorgenommen
werden.
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Aus
der Darstellung gemäß 8.1 geht eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
mit gehäuseintegriertem
Rückelement
in bestromtem Zustand hervor.
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Eine
elektrischer Aktuator 12 treibt im bestromten Zustand 54 eine
Getriebeanordnung 9 an, wobei auf der Ankerwelle 11 des
elektrischen Aktuators 12 ein Antriebsrad 40 aufgenommen
ist, welches mit einem Antriebsrad 41 der Getriebeanordnung kämmt. Die
das Antriebsrad 41 aufnehmende Welle der Getriebeanordnung 9 ist
in Lagern 42 gelagert; an der Welle ist eine Schnecke angeformt,
die mit der Außenverzahnung 19 eines
Schneckenrades 13 kämmt.
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Das
auf der Ankerwelle 11 des elektrischen Aktuators 12 aufgenommene
Antriebsrad 40 überträgt das Moment
an der Übertragungsstelle 44 an das
Antriebsrad 41. Die Zahnräder 40 bzw. 41 können entweder
in Grad- oder auch in Schrägverzahnung
ausgebildet sein. Eine Schrägverzahnung
der Zahnräder 40 bzw. 41 ist
aus Gründen
der Geräuschentwicklung
anzustreben, ferner erleichtert die Ausbildung einer Schrägverzahnung
ein leichteres Einspuren der Zahnräder aus Verzahnungen ineinander bei
Aus- und Einkupplung.
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Im
bestromten Zustand 54 des elektrischen Aktuators 12,
sind die am Poltopf 52 aufgenommenen, die Ständerwicklungen
repräsentierenden
Ständerblechpakete 51 als
auch die Ankerblechpakete 50 auf der Ankerwelle 11 stromdurchflossen
und werden daher problemlos von den Permanentmagneten gegen die
Kraft des vorgespannten Ausrückelementes 19 der
in 8.1 dargestellten den bestromten Zustand 54 repräsentierenden
Betriebsposition gehalten. Das vorzugsweise die Ankerwelle 11 umgebende
Ausrückelement 19 stützt sich
dabei an einem in einem Gehäuseteil 48 angeordneten
Radial-/Axiallager 46 und an einem an der Ankerwelle 11 ausgebildeten
Bund 47 ab. Die in 8.1 wiedergegebene Lage
der Ankerwelle 11 relativ zum Poltopfgehäuse 52 wird
auch bei jeder Richtungsumkehr des elektrischen Aktuators 12 eingenommen,
da das elektromagnetische Feld nicht zusammenbricht. Bei Stromausfall
hingegen wirkt zwischen den Blechpaketen 50 der Ankerwelle 11 und
den am Ständer Blechpaketen 51 an
der Innenseite des Poltopfgehäuses 52 lediglich
das Rastmoment, d.h. die Kraft, mit der die Blechpakete 50, 51 von
den Permanentmagneten in Position gehalten werden.
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Die
Federkraft des bevorzugt als Spiralfeder ausgebildeten Ausrückelementes 19 ist
so ausgelegt, daß sie
eine Federkraft aufbringt, die die Haltekraft, die durch die Permanent
magnete ausgeübt wird übersteigt,
so daß das
Ausrückelement 19 die Ankerwelle 11 und
das daran aufgenommene mit einem einer Anlaufscheibe 45 versehene
Antriebsrad 40 in Richtung auf das Ankerlager 53 drückt. Dadurch wird
die Kraftübertragung
zwischen den Verzahnungen von Abtriebsrad 40 und Antriebsrad 41 aufgehoben.
Das Ausrückelement 19 fährt in seinen
in 8.2 dargestellten nahezu entspannten Zustand und
drückt
die Ankerwelle 11 in das Ankerwellenlager 53 hinein.
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Die
Getriebeanordnung 9, die der Antriebsrädern 40, 41 nachgeschaltet
ist, wird bevorzugt so ausgelegt, daß diese einen möglichst
geringen Widerstand gegen Verstellung durch Kräfte des Stellsystems darstellt,
um eine beliebige Verstellbarkeit auch bei Stromausfall zu gewährleisten.
Im dargestellten Beispiel der Getriebeanordnung 9 ist daher die
an der in den Lagern 42 aufgenommenen Lagerungswelle 40 angeformte
Schnecke mit möglichst wenig
Selbsthemmung auszulegen, so daß eine
Relativverstellung von Schnecke und Schneckenrad 13 zueinander
möglich
ist. Da die zusätzliche
Getriebeanordnung 9 für
die Entkopplung bei geeigneter Wahl der Zahnradgrößen einen
wichtigen Beitrag für
eine Untersetzung bzw. Übersetzungsmöglichkeit
liefern kann, ist es häufig
möglich,
auf stark hemmende Getriebeglieder zu verzichten und sich – wie in
den Darstellungen gemäß der 8.1 und 8.2 gezeigt – auf Stirnräder, Planetenräder oder
andere leichtgängige
Getriebe zu beschränken.
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8.2 zeigt die Anordnung gemäß 8.1 mit
Gehäuse
integriertem Ausrückelement
in unbestromten Zustand.
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Bei
Stromausfall wird eine Entkopplung der Momentenübertragung an Abtriebsrad 40 und
Antriebsrad 41 durch Axialverschiebung der Ankerwelle 11 im
Poltopfgehäuse 48, 52 des
elektrischen Aktuators 12 erzielt. In diesem Zustand wird
durch Entspannung des vorgespannten Ausrückelementes 19 eine
Anlage der Anlaufscheibe 45 am Gehäuseteil 48 erzielt,
d.h. die Zahnräder 40 bzw. 41 sind
außer
Eingriff gestellt. In diesem Zustand ist die Ankerwelle 11 des
elektrischen Aktuators 12 vollständig in ihr Ankerwellenlager 53.
im Poltopfgehäuse 52 zurückgestellt.
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Wird
der elektrische Aktuator nach Wiederherstellung der Stromversorgung
wieder bestromt, bewirkt die Magnetkraft ein Hineinziehen der Ankerwelle
in ihre Arbeitsposition derart, daß durch langsame Vorspannung
des Andrückelementes 19 die
Einfahrbewegung gedämpft
wird. Wird der elektrische Aktuator 12 so gesteuert, daß er sich
bei Axialverschiebung 11 der Ankerwelle in ihre Arbeitsposition langsam
dreht, so können
die beiden Verzahnungen von Abtriebsrad 40 bzw. Antriebsrad 41 gut
ineinander einspuren.
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Um
die momentane Position der Ankerwelle 11 zu erfassen, kann
diese nach dem Erreichen ihrer Betriebsposition in eine Endlage
gefahren werden, in der ein Endpositonsgeber angeordnet ist, der
einer Fahrzeugelektronik die reale Position der Ankerwelle 11 des
elek trischen Aktuators 11 übermittelt. Auf diese Art und
Weise läßt sich
eine Stromausfallsituation gleichsam beliebig oft wiederholen, abhängig nur
von der Lebensdauer der Anlaufscheibe 45.
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Die
wiederholbare Notfunktion der in den 8.1 bzw. 8.2 in bestromten Zustand 54 bzw. bei
ausgefallener Stromversorgung 55 dargestellte Stellantrieb
ist der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung.
Durch die mögliche
Anordnung der Getriebeanordnung 9 in Fortsetzung der Ankerwelle 11 benötigt diese
Lösung
kaum mehr Bauraum als bekannte Lösungen.
Die Verlängerung
des Poltopfes 51, das zusätzlich vorzusehende Ausrückelement 19 sowie
das auch Axialkräfte aufnehmende
Lager 46 stellen relativ geringe Modifikationen an bestehenden
Systemen dar und lassen sich daher wirtschaftlich umsetzen. Die
in der Getriebeanordnung 9 vorliegende Über- bzw. Untersetzung läßt sich
direkt ausnutzen.
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Im
bestromten Zustand 54 des elektrischen Aktuators 12 gemäß der Darstellung
in 8.1 ist zu gewährleisten,
daß der
elektrische Aktuator im Normalbetrieb permanent mit mindestens etwa
7 bis 10 % bestromt ist, um stets genügend große eleketromagnetisclie Feldkräfte zu bekommen,
die ein ungewolltes Endkoppeln bzw. Einfahren der Ankerwelle 11 zu
jedem Betriebszeitpunkt in bestromten Zustand 54 verhindern.
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Als
Antrieb oder Initiator der Axialverschiebung der Ankerwelle 11 sind
neben der in 8.1 bzw. 8.2 gezeigten
Möglichkeit
der Anordnung eines Ausrückelementes 19,
verschiedene andere Lösungen
denkbar. Bei ausreichendem Eigengewicht und entsprechender geometrischer
Anordnung kann eine Verschiebung der Ankerwelle 11 auch durch
die Gewichtskraft vorgenommen werden. Ein weiteres mögliches
anwendbares Prinzip ist die Verwendung einer Schrägverzahnung
bei der zusätzlichen
Getriebeanordnung 9, die eine Kraftkomponente in der gewünschten
Richtung auf die Ankerwelle 11 ausübt. Daneben lassen sich auch
pneumatische oder hydraulische Antriebe vorsehen, wenn ohnehin ein
solcher Antrieb in der Nähe
des elektrischen Aktuators 12 vorhanden ist. Ferner kann
ein zusätzlicher
Permanentmagnet vorgesehen, z.B. in der Nähe des der Anlaufscheibe 45 der
ohne Bestromung auch noch zumindest für eine gewisse Zeit funktioniert.
-
Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Entkopplungssystem läßt sich
auch auf 42 Volt taugliche bürstenlose
Motoren wie beispielsweise BLDC- oder SR-Motoren anwenden.
-
- 1
- Kolben-/Zylinderanordnung
- 2
- Koppelelement
- 3
- Schwenkhebel
- 4
- Anlenkpunkt
- 5
- Schwenkachse
- 6
- Bewegungsrichtung
Kolben
- 7
- Schwenkbewegung
- 8
- Zahnstange
- 9
- Getriebeanordnung
- 10
- Ritzel
- 11
- Ankerwelle
- 12
- Elektro-Antrieb
- 13
- Schneckenrad
- 14
- Drehrichtung
- 15
- Außenverzahnung
- 16
- Lagerwelle
- 17
- Schneckenverzahnung
- 18
- Gehäuseschale
- 19
- Ausrückelement
- 19.1
- Kupplungsteil
- 19.2
- Anstellteil
- 19.3
- Isolation/Heizung
- 20
- Rückstellfeder
- 21
- Bohrung
- 22
- Einrastöffnung
- 23
- Unbestromter
Zustand
- 24
- Verblockter
Zustand, bestromt
- 25
- Eingefahrenes
Ausrückelement
- 26
- Ritzelaufnahme
- 27
- Lagerwellenbohrung
- 28
- Einrastöffnungstiefe
- 29
- Angeschrägter Stift
aus Kupplungsteil
- 30
- Angeschrägte Wandung
Einrastöffnung
- 31
- Kraftübertragungsrichtung
- 32
- Teller
- 40
- Abtriebsrad
- 41
- Antriebsrad
- 42
- Lager
- 43
- Kämmende Verzahnung
(gerade/schräg)
- 44
- Kraftübertragungsstelle
- 45
- Anlaufscheibe
- 46
- Axial-/Radiallager
- 47
- Wellenbund
- 48
- Gehäuseteil
- 49
- Trennfuge
- 50
- Anker-Blechpaket
- 51
- Ständer-Blechpaket
- 52
- Poltopfgehäuse
- 53
- Ankerwellenlager
- 54
- Bestromter
Zustand
- 55
- Unbestromter
Zustand