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Die
Erfindung betrifft eine Lamellenkupplung mit einer Axialverstellvorrichtung
zur Betätigung,
insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Derartige
Lamellenkupplungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Beispielsweise zeigt die
DE
38 15 225 C1 eine Lamellenkupplung mit einer Axialverstellvorrichtung
zum Sperren eines Differentialgetriebes. Aus der
EP 0 466 863 B1 ist ferner
eine mittels einer Axialverstelleinheit betätigbare Lamellenkupplung zum
Zuschalten einer Antriebsachse in einem Kraftfahrzeug bekannt. Solche
Lamellenkupplungen umfassen einen um eine Drehachse drehbaren Außenlamellenträger, in
dem Außenlamellen
drehfest und axial verschiebbar gehalten sind, und einen zur Drehachse
koaxialen Innenlamellenträger,
auf dem Innenlamellen drehfest und axial verschiebbar gehalten sind.
Ein aus Außenlamellen
und Innenlamellen gebildetes Lamellenpaket wird mittels der Axialverstellvorrichtung
betätigt.
Diese umfaßt
zwei relativ zueinander verdrehbare, koaxial zueinander angeordnete
Scheiben, die in Umfangsrichtung tiefenveränderliche Paare von Kugelrillen
zur Aufnahme von Kugeln aufweisen. Von den Scheiben ist eine in
einem Gehäuse
axial abgestützt und
die andere gegen die Rückstellkräfte von
Federmitteln axial im Gehäuse
verschiebbar, wobei die letztgenannte Scheibe das Lamellenpaket
mit einer Axialkraft beaufschlagt.
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Aus
der
DE 102 20 355
A1 ist ferner eine Konus-Reibungskupplung zum Einsatz in
einem Differentialgetriebe im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs
bekannt, die von einer elektronischen Steuereinheit gesteuert wird
und zur Drehmomentübertragung
auf eine Antriebswelle dient. Hierfür weist das Differenialgetriebe
einen Differential korb mit einer konischen Bohrung auf, in dem eine
Ringfeder einsitzt. In der konischen Bohrung mit Ringfeder sitzt
eine Seitenwelle mit einem entsprechenden konischen Kolben drehbar
ein. Durch Betätigen
eines Kugelrampenmechanismus werden die Ringfeder mit dem konischen
Kolben in Reibschluß gebracht,
so daß der Differentialkorb
und die Seitenwelle gemeinsam um die Drehachse drehen.
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Ausgehend
von einer Lamellenkupplung der eingangs genannten Art ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Lamellenkupplung mit einer Axialverstellvorrichtung
zur Betätigung,
insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, vorzuschlagen,
die bei gegebenen Bauvolumen eine Reduktion der Betätigungskraft
ermöglicht
bzw. bei gegebener Betätigungskraft
ein kleineres Bauvolumen aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Lamellenkupplung mit einer Axialverstellvorrichtung zur Betätigung,
insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs,
gelöst,
umfassend einen um eine Drehachse drehbaren Außenlamellenträger, in
dem Außenlamellen
drehfest und axial verschiebbar gehalten sind, und einen zum Außenlamellenträger koaxialen
Innenlamellenträger, auf
dem Innenlamellen drehfest und axial verschiebbar gehalten sind,
wobei die Außenlamellen
und die Innenlamellen axial abwechselnd zueinander angeordnet sind
und konische Reibflächen
aufweisen.
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Eine
derartige Lamellenkupplung bietet den Vorteil, daß – bei gleichem
Bauvolumen gegenüber bekannten
Lösungen
mit planen Lamellen – die
zum Betätigen
der Lamellenkupplung erforderliche Axialkraft reduziert werden kann.
Denn bei der erfindungsgemäßen Lamellenkupplung
haben die zwischen den Lamellen wirksamen Reibkräfte axiale und radiale Kraftkomponenten,
die im Wechselverhältnis
zueinander stehen. Je kleiner der Konuswinkel zwischen Drehachse
und Reibfläche
gewählt
wird, desto größer ist
die radiale Kraftkomponente bei gleichzeitig verminderter axialer
Kraftkomponente. Somit lassen sich mit der gleichen aufgebrachten
Axialkraft gegenüber
Kupplungen mit planen Lamellen höhere Drehmomente übertragen
oder es sind zur Übertragung
des gleichen Drehmoments geringere Axialkräfte nötig, als bei Kupplungen mit
planen Lamellen. Dies bewirkt vorteilhaft, daß ein kleinerer Motor zum Antreiben
der Axialverstellvorrichtung bei gleicher Zuschaltgeschwindigkeit
ein gesetzt werden kann. Außerdem
kann ein Zwischengetriebe zur Kraftübertragung zwischen Motor und
Axialverstellvorrichtung möglicherweise
entfallen und die verwendeten Bauteile können kostengünstig hergestellt
werden, beispielsweise durch Sintern. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, daß ein
zur Kraftübertragung
von der Axialverstellvorrichtung auf die Lamellenkupplung verwendetes
Axiallager geringeren Belastungen ausgesetzt ist und somit eine
längere
Lebensdauer aufweist. Außerdem
bewirken die konischen Lamellen im Schlupfbetrieb eine Zentrierung
des Lamellenpakets auf der Drehachse, so daß geringe Unwuchten entstehen.
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Vorzugsweise
ist zum Beaufschlagen der Lamellenkupplung eine Druckscheibe mit
einer konischen Druckfläche
vorgesehen. Durch Betätigen
der Axialverstellvorrichtung wird die Druckplatte axial in Richtung
Lamellenpaket verschoben, wodurch ein Sperrmoment erzeugt wird.
Dabei ist die konische Druckfläche
mit der ersten Lamelle des Lamellenpakets in Anlage. Es ist nach
einer bevorzugen Weiterbildung vorgesehen, daß der Konuswinkel φ, der zwischen
den Reiblamellen und der Drehachse X eingeschlossen ist, zwischen
90° und
einem Selbshemmungswinkel liegt. Mit Selbsthemmung ist in diesem Zusammenhang
gemeint, daß zwei
benachbarte Reiblamellen so aneinander haften, daß sie sich auch
bei nachlassender Axialkraft nicht mehr voneinander lösen. Dabei
beträgt
der Selbsthemmungswinkel φ1 = arctanμ,
wobei μ der
Reibungskoeffizient einer Reibfläche
der Reiblamellen ist. Mit einem geringen Reibungskoeffizienten μ der Reibflächen läßt sich
somit die zur Betätigung
erforderliche Axialkraft senken, weil ein kleinerer Konuswinkel φ gewählt werden
kann, so daß die
radiale Kraftkomponente zunimmt.
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Nach
einer ersten Ausführung
weist die Axialverstellvorrichtung eine Stellscheibe auf, welche mit
der Druckscheibe eine Rampenanordnung bildet und – in unbetätigtem Zustand – gemeinsam
mit dieser um die Drehachse dreht, wobei die Stellscheibe über Bremsmittel
gegenüber
einem Kupplungsgehäuse
abgebremst werden kann. Dabei ist die Stellscheibe in einem Kupplungsgehäuse mittels
eines Axiallagers drehbar gelagert und axial abgestützt. In Konkretisierung
haben die Stellscheibe und die Druckscheibe in einander zugewandten
Flächen mehrere
in Umfangsrichtung tiefenveränderliche
Kugelrillen, wobei in einem Paar von einander gegenüberliegenden
Kugelrillen jeweils eine Kugel geführt ist. Alternativ hierzu
können
die die Stell scheibe und die Druckscheibe in einander zugewandten
Flächen auch
mehrere in Umfangsrichtung tiefenveränderliche und gegengleich gestaltete
Rampen haben, die unmittelbar in Anlage miteinander sind. Diese
Ausführung
eignet sich besonders, wenn höhere
Reibungskräfte
zwischen den Scheiben gewünscht
sind.
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Nach
einer zweiten Ausführung
umfaßt
die Axialverstellvorrichtung eine Rampenanordnung mit einer Stützscheibe
und einer Stellscheibe, wobei die Stützscheibe im Kupplungsgehäuse drehfest
gehalten und axial abgestützt
ist und die Stellscheibe über Antriebsmittel
gegenüber
dieser verdreht und zum Beaufschlagen der Druckscheibe axial verstellt
werden kann. Dabei ist vorzugsweise zwischen der Stellscheibe und
der Druckscheibe ein Axiallager zur Kraftübertragung auf die Lamellenkupplung
vorgesehen. In Konkretisierung haben die Stützscheibe und die Stellscheibe
in einander zugewandten Stirnflächen
mehrere in Umfangsrichtung tiefenveränderliche Kugelrillen, wobei
in einem Paar von einander gegenüberliegenden
Kugelrillen jeweils eine Kugel geführt ist. Alternativ hierzu
können
die Stützscheibe und
die Stellscheibe auch in einander zugewandten Flächen jeweils mehrere in Umfangsrichtung
tiefenveränderliche
und gegengleich gestaltete Rampen haben, die unmittelbar in Anlage
miteinander sind. Um ein Drehmoment auf die Stellscheibe zu übertragen
und diese gegenüber
der Stützscheibe
zu verdrehen, hat die Stellscheibe einen Verzahnungsabschnitt, in
das ein von den Antriebsmitteln angetriebenes Ritzel eingreift.
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Es
ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß die Paare
von einander gegenüberliegenden
Kugelrillen oder Rampen derart gestaltet sind, daß eine Verdrehung
der Stellscheibe in beide entgegengesetzte Drehrichtungen zu einer
Axialverstellung führt.
Alternativ hierzu können
die Paare von einander gegenüberliegenden
Kugelrillen oder Rampen auch derart gestaltet sein, daß nur eine
Verdrehung nur in einer Drehrichtung zu einer Axialverstellung führt und
eine Verdrehung in der entgegengesetzten Drehrichtung gesperrt wird.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lamellenkupplung
- a) im Längsschnitt;
- b) in Draufsicht auf die Stellscheibe aus 1a);
- c) ausschnittsweise gemäß Schnittlinie
B aus 1b);
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lamellenkupplung
im Längsschnitt;
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3 Prinzipdarstellungen
von verschiedenen Rampenanordnungen
- a) mit
beidseitig verstellbaren Scheiben mit Kugelrillen;
- b) mit einseitig verstellbaren Scheiben mit Kugelrillen;
- c) mit beidseitig verstellbaren Rampen;
- d) mit einseitig verstellbaren Rampen.
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1 zeigt
eine Lamellenkupplung 1, die mittels einer Axialverstellvorrichtung 2 betätigt werden
kann. Die Lamellenkupplung 1 wird im hier nicht dargestellten
Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Ankoppeln einer ersten Welle 3 an
eine zweite Welle 4 eingesetzt, welche eine gemeinsame
Drehachse X definieren. Die Lamellenkupplung umfaßt einen
mit der ersten Welle 3 fest verbundenen Außenlamellenträger 5 in
Form eines Kupplungskorbs, in dem Außenlamellen 6 drehfest
und axial verschiebbar gehalten sind, sowie einen mit der zweiten
Welle 4 fest verbundenen Innenlamellenträger 7,
auf dem Innenlamellen 8 drehfest und axial verschiebbar
gehalten sind. Die Außenlamellen 6 und
die Innenlamellen 8 sind axial abwechselnd angeordnet und
bilden gemeinsam ein Lamellenpaket 9.
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Damit
die zum Beaufschlagen des Lamellenpakets 9 und zum Schließen der
Lamellenkupplung 1 erforderlichen Axialkräfte verhältnismäßig gering sind,
haben die Außenlamellen 6 und
die Innenlamellen 8 konische Reibflächen. Dabei weisen die Außenlamellen 6 radial
außen
jeweils einen Radialabschnitt 16 auf, der in einer Radialebene
zur Drehachse X liegt und über
einen Verzahnungseingriff mit dem Außenlamellenträger 5 drehfest
verbunden ist. Hieran schließt
sich radial innen ein Konusabschnitt 17 an, der axial beidseitig
Reibflächen 14 aufweist.
Entsprechend umfassen die Innenlamellen 8 jeweils einen Radialabschnitt 18,
mit dem sie über
einen Ver zahnungseingriff mit dem Innenlamellenträger 7 drehfest verbunden
sind, und einen sich daran radial außen anschließenden Konusabschnitt 19 mit
Reibflächen 15.
Der zwischen den Reibflächen 14 der
Außenlamellen 6 und
den Reibflächen 15 der
Innenlamellen 8 einerseits und der Drehachse X andererseits
eingeschlossene Winkel φ liegt
zwischen einem Selbsthemmungswinkel φ1 und φ2 = 90°.
Mit Selbsthemmung ist gemeint, daß zwei benachbarte Reiblamellen
so aneinander haften, daß sie
sich auch bei nachlassender Axialkraft nicht mehr voneinander lösen. Daher
sollte, um eine gute Regelbarkeit der Lamellenkupplung zu gewährleisten,
zwischen dem Winkel φ und
dem Selbsthemmungswinkel φ1 ein ausreichend großer Abstand gewählt werden.
Der Grenzwinkel, ab dem Selbsthemmung auftritt, beträgt φ1 = arctanμ,
wobei μ der
Reibungskoeffizient des Reibbelags ist.
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Der
Außenlamellenträger 5 hat
einen zentralen Lagerabschnitt 11, in dem die zweite Welle 4 mittels
eines Radiallagers 12 drehbar gelagert ist, sowie eine
sich daran anschließende
Konusfläche 13,
gegen die das Lamellenpaket 9 mit einer ersten Außenlamelle
axial abgestützt
ist. Am axial entgegengesetzten Ende der Lamellenkupplung 1 ist
eine Druckscheibe 21 mit dem Innenlamellenträger 7 bzw.
der ersten Welle 4 fest verbunden. Durch Verschieben der
ersten Welle 3 mit Druckscheibe 21 in Richtung zum
Außenlamellenträger 5 wird
das Lamellenpaket 9 zwischen Druckscheibe 21 und
Konusfläche 13 eingeklemmt,
so daß ein
Sperrmoment erzeugt und die Drehgeschwindigkeiten Wellen 3, 4 synchronisiert werden.
Alternativ hierzu ist auch eine Ausgestaltung denkbar, bei der die
erste Welle 3 gegenüber
der zweiten Welle 4 axial abgestützt ist und die Druckscheibe
gegenüber
der ersten Welle 3 axial verschiebbar ist. In diesem Fall
würde das
Lamellenpaket bei Betätigung
der Axialverstellvorrichtung 2 gleichermaßen zwischen
der Druckscheibe und der Konusfläche
eingeklemmt, wobei der axiale Abstand der ersten und zweiten Welle 3, 4 zueinander
jedoch unverändert
bliebe.
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Die
Axialverstellvorrichtung 2 umfaßt eine im Kupplungsgehäuse 22 über ein
Axiallager 10 axial abgestützte und um die Drehachse X
drehbare Stellscheibe 23, die in unbetätigtem Zustand gemeinsam mit
der Druckscheibe 21 um die Drehachse X rotiert. Die Stellscheibe 23 und
die Druckscheibe 21 haben, was insbesondere aus den 1b) und 1c) hervorgeht, in einander zugewandten
Stirnflächen
vier in Um fangsrichtung tiefenveränderliche Kugelrillen 24, 25,
wobei in einem Paar von gegenüberliegenden Kugelrillen 24, 25 jeweils
ein Kugel 26 geführt
ist. Dabei verlaufen die Kugelrillen 24, 25 in
der Stellscheibe 23 und in der Druckscheibe 21 ausgehend
von der tiefsten Stelle in einem Kreisbogen zur zugehörigen Stirnfläche hin
in beide Umfangsrichtungen ansteigend. Auf diese Weise ist ein Betätigen der
Lamellenkupplung 1 durch Verdrehen der Stellscheibe 23 relativ
zur Druckscheibe 21 in beide Drehrichtungen möglich. Zum
Betätigen
der Axialverstellvorrichtung 2 sind Bremsmittel 27 in
Form einer Backenbremse vorgesehen, die radial auf die Stellscheibe 23 einwirken.
Auf diese Weise wird die Stellscheibe 23 gegenüber der
Druckscheibe 21 abgebremst, so daß sich die Kugeln 26 in
den Kugelrillen 24, 25 bewegen. So entfernt sich
die Druckscheibe 21 axial von der Stellscheibe 23,
das Lamellenpaket 9 wird beaufschlagt und ein Sperrmoment
in der Lamellenkupplung erzeugt. Zwischen der Stellscheibe 23 und
der Druckscheibe 21 können
hier nicht dargestellte Rückstellfedern
angeordnet sein, um die Stellscheibe 23 bei erneutem Deaktivieren
der Bremsmittel 27 wieder in die Ausgangsposition, in der
die Kugeln 26 in der tiefsten Stelle der Kugelrillen 24, 25 gehalten
sind, zu drehen. Vorliegend sind vier Paare von Kugelrillen 24, 25 mit
je einer Kugel 26 vorgesehen. Es ist jedoch auch eine Ausführung mit
drei Paaren denkbar, welche besonders günstig ist, weil stets alle
Kugeln tragen. Mehr als vier Paare von Kugelrillen 24, 25 sind sinnvoll,
wenn eine hohe Tragfähigkeit
erforderlich ist.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lamellenkupplung
mit Axialverstellvorrichtung. Da Aufbau und Funktionsweise weitestgehend
der Ausführungsform
nach 1 entsprechen, wird auf obige Beschreibung Bezug
genommen. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern, unterschiedliche
Bauteile mit um eins gestrichenen Bezugsziffern versehen. Im Unterschied
zur Axialverstellvorrichtung nach 1 hat die
vorliegende Axialverstellvorrichtung 2' eine Stützscheibe 28, die
im Kupplungsgehäuse 22' drehfest gehalten
und axial abgestützt
ist, und eine Stellscheibe 29, die gegenüber der
Stützscheibe 28 über Antriebsmittel 30 verdrehbar
und axial verschiebbar gehalten ist. In einander zugewandten Stirnflächen haben
die Stützscheibe 28 und
die Stellscheibe 29 mehrere in Umfangsrichtung tiefenveränderliche
Kugelrillen 24, 25, wobei in einem Paar von gegenüberliegenden
Kugelrillen 24, 25 jeweils eine Kugel 26 geführt ist.
Die Antriebsmittel 30 weisen ei nen elektronischen Stellmotor 31 auf,
dessen Welle 32 ein Ritzel 33 trägt. Dieses Ritzel 33 ist
mit einem Verzahnungsabschnitt 34 der Stellscheibe 29 zur
Drehmomentübertragung
im Eingriff. Durch Betätigen
des Stellmotors 31 wird die Stellscheibe 29 gegenüber der
Stützscheibe 28 verdreht,
so daß die
Kugeln 26 in den Kugelrillen 24, 25 in
Richtung Stirnfläche
bewegen. So entfernt sich die Stellscheibe 29 axial von
der Stützscheibe 28 und wirkt über ein
Axiallager 35 auf die Druckscheibe 21 im Schließsinn. Für bestimmte
Anwendungsfälle,
in denen besonders hohe Axialkräfte
aufgebracht werden müssen,
kann zwischen der Welle 32 und dem Ritzel 33 auch
eine Untersetzungsstufe vorgesehen sein.
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In 3 sind
verschiedene alternative Ausführungsformen
von Rampenanordnungen für
Axialverstellvorrichtungen nach den 1 und 2 gezeigt.
Die unterschiedlichen Ausführungsformen
sind jeweils mit gestrichenen Bezugsziffern versehen. Da die Rampenanordnung 20 nach 3a) derjenigen aus 1 entspricht
wird auf obige Beschreibung Bezug genommen. Es ist ersichtlich,
daß die
erste Scheibe 23, 29 zur zweiten Scheibe 21, 28 in
beide entgegengesetzte Drehrichtungen verdreht werden kann, was
durch die Pfeile dargestellt ist. Im Gegensatz zu dieser Ausführungsform
hat die Rampenanordnung 20' nach 3b) eine erste Scheibe 23', 29', die nur in
einem Drehsinn gegenüber
der zweiten Scheibe 21, 28 verdreht werden kann.
Die Kugelrillen 24', 25' steigen von
der tiefsten Stelle, die als Anschlagfläche ausgebildet ist, zur Stirnfläche hin
nur in eine Richtung an, wobei der Verlauf der Kugelrillen 24', 25' einander entgegengerichtet
ist. Die Ausführungsform
nach 3e) entspricht hinsichtlich ihrer Funktion
derjenigen nach 3a). Die erste Scheibe 23'', 29'' kann
relativ zur zweiten Scheibe 21'', 28'' in beide Drehrichtungen verdreht
werden. Anstelle von Kugelrillen sind hier in der Abwicklung sinusförmige Rampen 36, 37 vorgesehen,
die bei Verdrehung der beiden Scheiben zueinander unmittelbar aufeinander abgleiten.
Dabei wird die erste Scheibe 23'', 29'' von der zweiten Scheibe 21", 28" axial weggedrückt. In 3d) ist eine Rampenanordnung 20''' mit
einer ersten Scheibe 23''', 29''' und einer zweiten
Scheibe 21''', 28''' dargestellt,
die Rampen 36', 37' mit sägezahnartigem
Profil in der Abwicklung betrachtet aufweisen. Auf diese Weise ist
eine Verdrehung der ersten Scheibe 23''', 29''' gegenüber der
zweiten Scheibe 21''', 28''' nur in eine
Richtung möglich,
wohingegen sie in entgegengesetzter Richtung gesperrt ist.
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- 1
- Lamellenkupplung
- 2
- Axialverstellvorrichtung
- 3
- erste
Welle
- 4
- zweite
Welle
- 5
- Außenlamellenträger
- 6
- Außenlamelle
- 7
- Innenlamellenträger
- 8
- Innenlamelle
- 9
- Lamellenpaket
- 10
- Axiallager
- 11
- Lagerabschnitt
- 12
- Radiallager
- 13
- Konusfläche
- 14
- Reibfläche
- 15
- Reibfläche
- 16
- Radialabschnitt
- 17
- Konusabschnitt
- 18
- Radialabschnitt
- 19
- Konusabschnitt
- 20
- Rampenanordnung
- 21
- Druckscheibe
- 22
- Kupplungsgehäuse
- 23
- Stellscheibe
- 24
- Kugelrille
- 25
- Kugelrille
- 26
- Kugel
- 27
- Bremsmittel
- 28
- Stützscheibe
- 29
- Stellscheibe
- 30
- Antriebsmittel
- 31
- Stellmotor
- 32
- Welle
- 33
- Ritzel
- 34
- Verzahnungsabschnitt
- 35
- Axiallager
- 36
- Rampe
- 37
- Rampe
- φ
- Winkel
- μ
- Reibungskoeffizient
- X
- Drehachse