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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Freilauf, insbesondere für
ein Kurbel-CVT-Getriebe.
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Ein
CVT ist ein gleichförmig übersetzendes Getriebe,
bei dem das Verhältnis der Drehzahlen der antreibenden
und der abtreibenden Wellen, die Übersetzung in einem bestimmten
Bereich unendlich viele Werte (Stufen) einnehmen kann. Dies kann
auch den Stillstand oder die Drehrichtungsumkehr einer Welle beinhalten.
Die Übertragung der Bewegung erfolgt über eine
nicht feste Kopplung von Bauteilen, deren Geometrien nach dem Hebelprinzip
die Getriebewirkung bestimmen. Eine Übersetzungsänderung
wird durch Änderung dieser Bauteil-Geometrien erreicht, die
aber gleichzeitig nicht ohne Änderung der Geometrien an
der Stelle der Bauteile-Kopplung erfolgen kann.
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Viele
Freilaufeinrichtungen für Kurbel-CVT-Getriebe besitzen
dafür Klemmkörper, die zwischen einem durch einen
Bereich der Abtriebswelle gebildeten Innenring und einem Außenring
angeordnet sind. Dabei sind die Flächen des Außenrings
und des Innenrings derart aufeinander abgestimmt, dass die Klemmkörper
in einer Relativverdrehrichtung zwischen Innenring und Außenring
diese Verdrehung blockieren können, so dass der Außenring
und der Innenring gemeinsam verdreht werden. In der anderen Relativverdrehrichtung
zwischen dem Außenring und dem Innenring wird keine Sperrwirkung
durch die Klemmkörper bewirkt. Die einzelnen Klemmkörper
werden in Sperrrichtung beaufschlagt, was durch wenigstens ein Federelement
erfolgen kann. Ferner sind Freilaufeinrichtungen für ein Getriebe,
insbesondere für ein Kurbel-CVT-Getriebe eines Kraftfahrzeugs
bekannt, die zwischen einem Außenring und einem Innenring
in einem Käfig gehaltene Klemmkörper aufweisen.
Dabei ist jeweils ein Klemmkörper durch einen Energiespeicher
gegen den Innenring mit einer relativ großen Anpresskraft drückbar.
Durch einen Mechanismus ist der Klemmkörper in die Freigaberichtung
oder in die Klemmrichtung aufstellbar, wobei der Energiespeicher
so bemessen ist, dass er bei einer relativ großen Anpresskraft
eine relativ kleine Aufstellkraft zum Aufstellen der Klemmkörper
erzeugt. Ein Kurbel-CVT-Getriebe ist beispielsweise aus der
EP 1 650 071 A2 bekannt. Auf
einer von einem Motor antreibbaren Eingangswelle, die im Bezug auf
das Getriebe eine antreibende Welle bildet, ist eine verstellbare
Exzenterantriebsanordnung mit Exzenterbauteilen vorgesehen, die über
pleuelähnliche Verbindungselemente mit einer getriebenen
Welle verbunden ist, welche im Bezug auf das Getriebe eine Ausgangs-
oder Abtriebswelle bildet. Durch die Übertragung des Hubs
der Verbindungselemente mittels Freilaufeinrichtungen auf die getriebene
Welle und damit die Abtriebsseite des Getriebes wird die getriebene
Welle zur Drehung angetrieben. Die Freilaufeinrichtungen sind zwischen
den pleuelartigen Verbindungselementen und der getriebenen Welle
vorgesehen. Die einzelnen Freilaufeinheiten
10 besitzen
Klemmkörper, die durch Rollen gebildet sind. Die Klemmwirkung
wird somit als ”Rollenfreilauf”durch eine profilierte
Innenlaufbahn (Polygonprofil
50) in Verbindung mit Rollen
als Klemmkörper
42 erzielt. Alternativ kann ein
Klemmkörperfreilauf vorgesehen werden, der eine glatte
Innen- und Außenlaufbahn besitzt, jedoch profilierte Klemmkörper
aufweist. Die Klemmkörper sind zwischen dem Innenring,
der durch das Polygonprofil der Welle gebildet wird, und einem Außenring
angeordnet. Die Innenfläche des Außenrings und
die Außenfläche des Innenrings sind derart aufeinander
abgestimmt, dass die Klemmkörper zumindest in einer Relativdrehrichtung
zwischen Innenring und Außenring diese Verdrehung blockieren
können, so dass beide Ringe gemeinsam verdreht werden.
Entweder wird in die andere Relativdrehrichtung zwischen den beiden
Ringen keine Sperrwirkung durch die Klemmkörper erzeugt,
oder aber es werden so genannte umschaltbare Freiläufe
vorgesehen, welche neben einer Neutralstellung, in der sie eine
Relativdrehung des Innenrings und des Außenrings erlauben,
zwei Blockierpositionen aufweisen, in denen die beiden Ringe in
eine erste bzw. zweite Relativdrehrichtung blockieren und somit
in eine erste und zweite Drehrichtung gemeinsam verdreht werden.
Durch diese umschaltbaren Freilaufeinrichtungen kann im Getriebe
die Drehrichtung der Welle verändert werden und beispielsweise ein
Rückwärtsgang realisiert werden. Die Rollen werden
durch eine Feder als Anpresselement in den Spalt zwischen dem Innenstern
und den Außenring gedrückt, wodurch die Rollen
als Klemmelemente in Kontakt zu Außenring und Innenstern
gehalten werden. Für die Rollen ist dabei ein Käfig
vorgesehen. Die Feder kann dabei als Schenkelfeder ausgebildet sein,
wobei die Umschaltung dadurch erzielt wird, dass die Feder bzw.
der Federschenkel eine Schwenkbewegung ausführt, wodurch
die Rolle von der ihr zugeordneten rechten Flanke auf die linke Flanke
gedrückt wird.
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Aus
der
DE 102 43 533
A1 ist ferner eine Umschalteinrichtung bekannt, die zur
Umschaltung der Sperrfunktion des Freilaufes dient. Diese Umschalteinrichtung
umfasst mehrere Umschalteinheiten, die jeweils zwischen benachbarten
rotationssymmetrischen Klemmkörpern angeordnet sind. Die Umschalteinheiten
sind synchron betätigbar und besitzen Umschaltmittel, die
jeweils einen verdrehbaren scheibenförmigen Bereich sowie
einen, vorzugsweise aus einem profilierten Stab bestehenden, profilierten
Bereich besitzen. Am profilierten Bereich ist eine Schenkelfeder
vorgesehen, die zwischen dem profilierten Bereich und einem Klemmkörper
verspannbar ist. Hierfür besitzt die Schenkelfeder einen
Schenkel, der einen Klemmkörper in die entsprechende Sperrrichtung
beaufschlagen kann. Die Schenkelfeder und die profilierten Bereiche
sind gegenüber der Rotationsachse des scheibenförmigen
Bereiches exzentrisch angeordnet, so dass bei einer Rotation des scheibenförmigen
Bereiches eine umfangsmäßige Verlagerung der Schenkelfeder
und der profilierten Bereiche stattfindet. Durch Verdrehen der scheibenförmigen
Bereiche um ca. 180° ändert sich die Verspannungsrichtung
bzw. die Kraftrichtung der Schenkelfeder. Auf diese Weise kann eine
dem Zugbetrieb eines Kraftfahrzeuges bzw. eine für eine
Rückwärtsfahrt des Kraftfahrzeuges entsprechende
Relativposition eingestellt werden.
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Die
Klemmkörper dieser Freilaufeinrichtungen werden mit einer
konstanten Anfederung und Dämpfung beaufschlagt, wodurch
für höhere Drehzahlen höhere Anfederungs-
und Dämpfungskräfte installiert werden müssen,
die auch bei niedrigen Drehzahlen unverändert wirken, wodurch
ein Wirkungsgradverlust zu verzeichnen ist. Weiterhin sind bei diesen
Lösungen zusätzliche Teile für die Dämpfung
erforderlich, wodurch sich ein erhöhter konstruktiver Aufwand
ergibt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Freilauf, insbesondere
einen Freilauf für ein Kurbel-CVT-Getriebe, zu entwickeln,
dessen Anfederung und Dämpfung dynamikabhängig
(drehzahlabhängig) veränderbar ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Freilauf, insbesondere für ein Kurbel-CVT-Getriebe mit
einem Innenring, weist einen relativ zum Innenring in mindestens
einer Drehrichtung drehbaren Außenring, der radial um den
Innenring herum angeordnet ist, sowie mehrere Klemmkörper
auf, die zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet
sind und besitzt wenigstens eine Klemmkörperanfederung
zum Beaufschlagen der Klemmkörper mit einer Federkraft
einer Feder, wobei erfindungsgemäß die Klemmkörper
am Außenring beim Abwälzen im Wesentlichen an
einer der logarithmischen Spirale zur Drehmomentübertragung entsprechenden
Kontaktzone geführt werden. Dadurch werden die Klemmkörper
beim Abwälzen ohne Rutschen an der Fläche der
logarithmischen Spirale (Drehmomentübertragung) geführt,
wodurch die Anfederung der Dynamik proportional ist.
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Der
Außenring weist dazu in seiner Kontaktzone mit dem Klemmkörper
eine Form auf, die im Wesentlichen nach Art einer Zykloide ausgebildet
ist. Der bzw. die Klemmkörper werden dadurch mit dem Außenring
in Umfangsrichtung hin und her beschleunigt. Der Klemmkörper
weist dazu vorteilhafter Weise in Richtung zum Außenring
zwei in Drehrichtung voneinander wegweisende Vorsprünge/Ärmchen
auf, die bei einer Beschleunigung radial an die Kontaktzone mit
einer Kontaktkraft pressbar sind, wobei die Kontaktkraft im Wesentlichen
der Winkelbeschleunigung des Außenringes proportional ist.
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Die
radialen Positionen der Vorsprünge (Ärmchen) sind
dabei vorzugsweise so angeordnet, dass die Kontaktkraft zum Außenring
ein Drehmoment um den Schwerpunkt des Klemmkörpers durch seine
Massenträgheit erzeugt.
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Vorzugsweise
sitzt jeder Klemmkörper mit seinem die Vorsprünge/Ärmchen
aufweisenden Bereich in einer Ausnehmung des Außenrings,
wobei in der Ausnehmung die Kontaktzone des Außenrings ausgebildet
ist und sich die Ausnehmung in Richtung zum Innenring verjüngt.
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Wirkt
auf den Außenring eine positive Beschleunigung, wird ein
positives Drehmoment auf die Klemmkörper übertragen
und die Klemmkörper werden entgegen der Federkraft der
Feder aus ihrem Kontaktspalt zum Innenring und zum Außenring
herausgedreht. Wird der Außenring negativ beschleunigt,
wirkt ein negatives Drehmoment auf die Klemmkörper und
diese werden wieder an den Innenring gepresst, wodurch ein Drehmoment
zwischen Innen- und Außenring übertragen.
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Die
Federkraft der Feder wirkt dabei insbesondere auf den in der positiven
Drehrichtung zuerst angeordneten Vorsprung/Ärmchen des
Klemmkörpers.
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Die
in Richtung zum Innenring weisende erste Kontaktfläche
und eine in Richtung zur Kontaktzone des Außenrings weisende
zweite Kontaktfläche des Klemmkörpers sind zumindest
bereichsweise konvex gekrümmt, um eine gute Abwälzbewegung zu
realisieren.
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Insbesondere
ist die in Richtung zum Außenring weisende zweite Kontaktfläche
des Klemmkörpers im Bereich des ersten Vorsprungs konvex
gekrümmt, da in diesem Bereich eine Abwälzbewegung am
Außenring erfolgt, wobei im Bereich des zweiten Vorsprungs
(Ärmchens) die Kontaktfläche im Wesentlichen eben
ausgebildet ist, da bei einer maximalen Schwenkbewegung des Klemmkörpers
in positive Richtung dieser Bereich an einem im Wesentlichen ebenen
Bereich der Kontaktzone anliegt.
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Der
Klemmkörper verjüngt sich bevorzugt im Querschnitt
nach den Vorsprüngen (Ärmchen) in Richtung zu
seinem Schwerpunkt und erweitert sich anschließend wieder
in Richtung zum Innenring.
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Die
gegen den ersten Vorsprung des Klemmkörpers wirkende Feder
ist insbesondere eine Schenkelfeder, deren Schenkel am Außenring
befestigt ist.
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Die
relativ komplizierte Form des Außenrings kann durch den
Einsatz eines Käfigs vereinfacht werden, in dem die die
Kontaktzonen aufweisenden Ausnehmungen angeordnet sind.
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Durch
die eigene Masse des Klemmkörpers entsteht an den Ärmchen
eine Kontaktkraft zu dem Außenring. Diese Kraft ist jede
Zeit der Winkelbeschleunigung des Außenringes proportional
und dadurch von der Dynamik abhängig. Die radialen Positionen
der Ärmchen werden insbesondere so gewählt, dass
die Kontaktkraft ein Drehmoment um den Schwerpunkt des Klemmkörpers
durch seine Massenträgheit erzeugt.
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Wird
der Außenring nach dem Spannvorgang gegen die Feder in
der positiven Richtung beschleunigt, so erfährt der Klemmkörper
ein Drehmoment, welches den Klemmkörper aus dem Kontaktspalt
zu Innen- und Außenring herausdreht, wodurch der Klemmkörper
von Innen- und Außenring abhebt (guter Wirkungsgrad). Danach
wird der Außenring in der negativen Richtung beschleunigt,
wodurch der Klemmkörper ein negatives Drehmoment bekommt und
dadurch wieder an den Innenring und gegen die Kontaktzone des Außenrings
gepresst wird, wodurch ein Drehmoment zwischen Innen- und Außenring übertragbar
ist. Der Greifvorgang wird dadurch aktiv unterstützt, da
außer der Grundanfederung auch dieses negative Drehmoment
des Klemmkörpers den Schmierfilm zwischen dem Klemmkörper
und dem Innenring verdrängen hilft. Die Anfederung ist
dabei der Dynamik proportional. Der Hebelarm der Kontaktkraft zum
Schwerpunkt soll nicht zu groß gewählt werden, damit
die Reibverluste bei der positiven Beschleunigung nicht zu hoch
werden.
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Die
Bewegung des Klemmkörpers im Bereich der Kontaktzone des
Außenrings erzeugt auch eine Reibkraft, die die Schwingbewegung
der Klemmkörper dämpft. Diese Reibung kann bei
hoher Dynamik enorm groß werden, wodurch eine sehr gute
Dämpfung der Klemmkörper zu erwarten ist. Die Position
der seitlichen Klemmkörperärmchen ist so zu wählen,
dass die Reibung durch das entstehende Drehmoment immer überwunden
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Ausschnitt des Querschnitts eines Freilaufes durch einen zwischen
Innenring und Außenring angeordneten Klemmkörper,
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2 die
dreidimensionale Darstellung eine Klemmkörpers,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Außenrings,
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4 die
Beschleunigungskräfte am Klemmkörper bei positiver
Beschleunigung,
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5 die
Beschleunigungskräfte am Klemmkörper bei positiver
Beschleunigung,
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6 den
Freilauf bei unterschiedlichen Betriebspositionen.
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In 1 ist
der Ausschnitt des Querschnitts eines Freilaufes durch einen zwischen
Innenring 1 und Außenring 2 angeordneten
Klemmkörper 3 in der Nominallage dargestellt.
Der Klemmkörper 3 weist in Richtung zum Außenring 2 zwei
sich in Drehrichtung erstreckende Vorsprünge (Ärmchen) 3.1 und 3.2 auf. In
Richtung zu seinem Schwerpunkt S verjüngt sich das Klemmelement 3 und
erweitert sich wieder in Richtung zum Innenring. An dem Innenring 1 greift der
Klemmkörper 3 mit einer ersten Kontaktfläche 3a und
am Außenring mit einer zweiten Kontaktfläche 3b an.
Der Klemmkörper 3 sitzt mit seinen Ärmchen in
einer Ausnehmung 2.1 des Außenrings 2 an.
In dieser Ausnehmung 2.1 ist eine Kontaktzone 2a ausgebildet,
an welcher die Kontaktfläche 3a angreift.
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Auf
das erste Ärmchen 3.1 wirkt eine Feder 4,
die in Form einer Schenkelfeder ausgebildet ist und deren Schenkel 4.1 an
der in Richtung zum Innenring 1 weisenden Unterseite des
ersten Ärmchens 3.1 unter Vorspannung anliegt.
Die Schenkelfeder 4 ist mittels eines Stiftes 4.2 am
Außenring 2 befestigt.
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Die
Ausnehmung 2.1 weist eine Grundfläche 2a,
eine erste Seitenfläche 2b auf der Seite des ersten Ärmchens 3.1 und
eine zweite Seitenfläche 2c auf der Seite des
zweiten Ärmchens 3.2 auf. Die Seitenflächen 2a und 2b laufen
in Richtung zum Innenring 1 aufeinander zu. Die Grundfläche 2a und
die Seitenflächen 2b und 2c der Ausnehmung 2.1 sind konvex
gekrümmt. Die zweite Kontaktfläche 3b des Klemmkörpers 3 wälzt
dadurch an der Kontaktzone (Ausnehmung 2.1) des Außenrings 2 so
ab, dass sich ein zykloider Bewegungsablauf ergibt und die Klemmkörper
am Außenring beim Abwälzen im Wesentlichen an
einer der logarithmischen Spirale zur Drehmomentübertragung
entsprechenden Kontaktzone geführt werden. Die Ärmchen 3.1, 3.2 liegen
in der in 1 dargestellten Position mit
ihren nach außen weisenden abgerundeten Außenseiten 3.1', 3.2' an
den Seitenfläche 2b und 2c der Ausnehmung 2.1 an.
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2 zeigt
die dreidimensionale Darstellung eines Klemmkörpers, der
ein erstes Ärmchen 3.1, ein zweites Ärmchen 3.2 und
eine auf dieser Seite hier nach oben weisende zweite Kontaktfläche 3b aufweist.
Jedes Ärmchen weist eine nach außen gerichtete
abgerundete Außenseite 3.1', 3.2' auf.
Der zweiten Kontaktfläche 3b gegenüberliegend
ist eine erste gekrümmte Kontaktfläche 3a ausgebildet.
In seiner Mitte weist das Klemmelement in Richtung zu seinem Schwerpunkt
S eine nicht bezeichnete Einschnürung auf.
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Die
perspektivische Ansicht eines Außenrings ist in 3 dargestellt.
Der Außenring 1 weist an seiner Innenkontur eine
Vielzahl von über den Umfang verteilter Ausnehmungen 2.1 auf,
in denen die hier nicht dargestellten Klemmelemente aufgenommen
werden. Beidseitig an jeder Ausnehmung sind zwei axial versetzte
Aufnahmen 5 vorgesehen, an denen die Feder 4 befestigt
wird.
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4 stellt
schematisch die Beschleunigungskräfte am Klemmkörper 3 bei
positiver Beschleunigung und 5 bei negativer
Beschleunigung dar. gem. 4 bewegt sich der Außenring
in Richtung des Pfeils mit dem + und somit der Klemmkörper 3 im
Uhrzeigersinn um seinen Schwerpunkt S. Das erste Ärmchen 3.1 wirkt
gegen den Schenkel 4.2 der Feder 4 und der Klemmkörper 3 löst
sich mit seinen Kontaktflächen 3a, 3b von
Außen- und Innenring 2, 1, wodurch ein
Freigang zwischen Außen- und Innenring 2, 1 gewährleistet
wird, wobei jedoch eine Dämpfung erzeugt wird. Bei einer
negativen Beschleunigung nach 5 bewegt
sich der Außenring 2 gemäß des
Pfeils mit dem – in die dazu entgegengesetzte Richtung,
wodurch der Klemmkörper 3 entgegen des Uhrzeigersinns
um seinen Schwerpunkt S geschwenkt und mit seinen Kontaktflächen 2a und 2b gegen
Außen- und Innenring 2, 1 gepresst wird,
wodurch Drehmomente zwischen Außen- und Innenring 2, 1 übertragbar
sind. Bei der Schwenkbewegung des Klemmkörpers 3 gleitet
die abgerundete erste Außenseite 3.1' an der ersten
Seitenfläche 2b der Ausnehmung 2.1 und
die abgerundete zweite Außenseite 3.2' an der
zweiten Seitenfläche 2c der Ausnehmung 2.1 entlang
und die zweite Kontaktfläche 3b des Klemmkörpers 3 rollt
auf der Grundfläche 2a der Ausnehmung 2.1 ab.
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Weiterhin
rollt die erste Kontaktfläche 3a des Klemmkörpers 3 an
dem Außendurchmesser des Innenrings 1 ab:
Der
Freilauf bei unterschiedlichen Betriebspositionen wird in den Einzelbildern
a) bis d) der 6 dargestellt. a) zeigt die
nominale Lage des Klemmkörpers 3, die bereits
in 1 beschrieben wurde. b) zeigt die Dämpfungsposition,
bei welcher die Klemmkörper 3 so geschwenkt wurde,
dass das zweite Ärmchen 3.2 an der Grundfläche 2a der
Ausnehmung 2.1 des Außenrings 2 anliegt
und das Ärmchen 3.1 entgegen der Federkraft der
Feder 4 in Richtung zum Innenring 1 geschwenkt
wurde. c) zeigt eine Position der Klemmkörper 3 zur Übertragung
eines mittleren Momentes und d) die Position zur Übertragung
des maximalen Momentes. Bei d) liegt das erste Ärmchen 3.1 des
Klemmkörpers 3 an der Grundfläche 2.a der Ausnehmung 2.1 des
Außenrings 2 an und das zweite Ärmchen 3.2 wurde
in Richtung zum Innenring 1 geneigt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird eine
dynamikabhängige Anfederung und Dämpfung erzielt
und der Greifvorgang wird aktiv unterstützt (4 und 5),
da außer der Grundanfederung auch dieses Drehmoment den
Schmierfilm zwischen dem Klemmkörper und dem Innenring
verdrängen hilft. Die Anfederung ist dabei der Dynamik
proportional. Der Hebelarm der Kontaktkraft zum Schwerpunkt soll
nicht zu groß gewählt werden, damit die Reibverluste
bei der positiven Beschleunigung nicht zu hoch werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenring
- 2
- Außenring
- 2.1
- Ausnehmung
- 2a
- Grundfläche
- 2b
- erste
Seitenfläche
- 2c
- zweite
Seitenfläche
- 3
- Klemmkörper
- 3.1
- erstes Ärmchen
(Vorsprung)
- 3.1'
- Außenseite
des ersten Ärmchens
- 3.2
- zweites Ärmchen
(Vorsprung)
- 3.2'
- Außenseite
des zweiten Ärmchens
- 3a
- erste
Kontaktfläche
- 3b
- zweite
Kontaktfläche
- 4
- Feder
- 4.1
- Schenkel
der Feder 4
- 4.2
- Stift
- 5
- Aufnahme
für die Feder 4
- S
- Schwerpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1650071
A2 [0003]
- - DE 10243533 A1 [0004]
