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Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung einer rotierenden, schaltbaren mechanischen Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine rotierende, schaltbare mechanische Verbindung mit einem herkömmlichen stoßverzahnten Klauenpaar ist bekanntlich aufgrund von Hertzschen Verspannungen und Pressungen häufig schlecht zu trennen. Dieses Problem tritt insbesondere bei Klauenkupplungen in Antriebssträngen von Fahrzeugen auf, wenn ein Drehmoment übertragen wird. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass die Stoßverzahnung durch gegenüber einer Rotationsachse der Klauenpaarung geneigte Zahnflanken aufgeweitet wird. Dadurch verringert sich allerdings weitgehend die sonst übliche Selbsthemmung an den Zahnflanken, die bei der Trennung der Verbindung zu überwinden ist, und damit der mechanische Wirkungsgrad der Verbindung. Folglich sind erhöhte Haltekräfte erforderlich.
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Im Falle einer druckmittelbetätigten, insbesondere hydraulisch betätigten Klauenkupplung können die notwendigen Hydraulikkräfte, die zum Halten der eingelegten Kupplung zur Verfügung gestellt werden müssen, stark ansteigen. Bei besonders hohen zu übertragenden Drehmomenten ist ein zur Verfügung stehender hydraulischer Druck möglicherweise nicht mehr ausreichend, um die Klauen eingekuppelt zu halten. Daher scheint es sinnvoll, ein Klauenpaar mit geneigten Zahnflanken im eingerückten Zustand mit Hilfe einer Rastierung bzw. Verriegelung zu halten, um permanent hohe zu erzeugende hydraulische bzw. druckmittelbedingte Haltekräfte zu vermeiden.
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Aus der
DE 601 30 049 T2 ist eine solche Klauenkupplung mit geneigten Zahnflanken bekannt, bei der Mittel zum Blockieren der Klauen in einer eingerückten Stellung vorgesehen sind. Eine Klauenkupplungshälfte ist auf einer Ausgangswelle drehbar angeordnet. An ihrem Umfang weist sie Zähne auf, über die sie sich im Eingriff mit einem Zahnrad, welches über eine Eingangswelle eines Antriebsstranges eines Schleppers angetrieben ist, befindet. Die Klauenkupplung dient dazu, einen Vorderradantrieb bedarfsweise zuzuschalten. Die andere Kupplungshälfte ist als ein Kragenelement ausgebildet, welches ebenfalls auf der Ausgangswelle, jedoch drehfest axial verschieblich angeordnet ist.
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Die Kupplungshälften besitzen jeweils Klauenzähne mit abgewinkelten Flanken, über die der Antrieb auf die Ausgangswelle zum Vorderradantrieb übertragbar ist, wenn die Kupplung eingerückt ist. Der Kragen ist über eine Feder in Schließrichtung vorgespannt, so dass die Kupplungshälften normalerweise im Eingriff positioniert sind. In einer Axialbohrung der Ausgangswelle ist ein als Stellkolben ausgebildeter axial verschiebbarer Aktuator angeordnet, der innerhalb der Bohrung über eine Feder ebenfalls in Schließrichtung vorgespannt ist.
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Über eine diametrale Axialbohrung sowie eine Querbohrung sind der Kolben und der Kragen hydraulisch in Öffnungsrichtung mit einem Druckmittel beaufschlagbar. Der Stellkolben wirkt über einen kegeligen Ansatz, der sich zu einem Zapfen verjüngt, mit einem Radialbolzen zusammen. Im eingerückten Zustand liegt der Bolzen am Umfang eines Schaftes des Stellkolbens an. Dabei steht der Bolzen radial vor und sitzt in einem Absatz des Kragens, wodurch dieser gegen eine Rückwärtsbewegung in Öffnungsrichtung gesperrt ist.
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Wird der Stellkolben in Öffnungsrichtung hydraulisch gegen die Vorspannfeder verschoben, so folgt der Bolzen dem Kegelansatz und bewegt sich radial nach radial innen, so dass der Kragen freigegeben wird und die Verzahnungsverbindung außer Eingriff kommt, sobald die hydraulische Beaufschlagung des Kragens die in Schließrichtung wirkende Federlast überwindet.
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Da die Klauenzahnflanken lediglich mit einem flachen Winkel geneigt sind, wird die Verbindung bei einer einsetzenden hydraulischen Beaufschlagung in Öffnungsrichtung nicht unmittelbar sondern mit einer kurzen Verzögerung gelöst. Andererseits wird aber eine übermäßige Verzögerung durch eine Selbsthemmung, wie sie bei einer herkömmlichen Stoßverzahnung mit parallelen Zahnflanken auftreten kann, zuverlässig verhindert. Dadurch werden ruck- artige Lastwechselreaktionen im Antriebsstrang beim Zu- und Abschalten des Vorderradantriebs zumindest verringert.
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Die bekannte Klauenverbindung wird durch Federmittel eingelegt, durch einen federbelasteten Aktuator im Zusammenwirken mit einem Radialbolzen in der eingerückten Stellung blockiert und durch die Beaufschlagung mit dem Druck eines Hydraulikmittels ausgelegt Gegenüber einer mittels eines Druckmittels eingelegten Verbindung ist ein erhöhter Aufwand für die Federermittel erforderlich. Weiterhin ist daran nachteilig, dass der Radialbolzen den Aktuator punktuell belastet, wodurch ein erhöhter Verschleiß sowie die Gefahr eines Verkantens des Rastiermechanismus entstehen kann. Zudem sind der Aktuator und der einseitige Radialbolzen Teil des rotierenden Systems, wodurch unerwünschte Fliehkräfte mit ungünstigen Auswirkungen auf die Lagerung der so beaufschlagten Welle auftreten können.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Betätigungsvorrichtung einer rotierenden, schaltbaren mechanischen Verbindung mit einer Verzahnung mit geneigten Zahnflanken zu schaffen, die konstruktiv einfach sowie verschleißarm und zuverlässig im Betrieb ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine sich drehende, ein Drehmoment übertragende Klauenverbindung, deren Klauenverzahnung mit geneigten Zahnflanken ausgebildet ist, um eine leichte Trennbarkeit der Verbindung zu gewährleisten, mit Hilfe einer verstellbaren Lagermechanik, über die ein Axiallager auf verschiedenen Durchmessern betreibbar ist, einrückbar und in der eingerückten Stellung verrastbar ist.
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Demnach geht die Erfindung aus von einer Betätigungsvorrichtung einer rotierenden, schaltbaren mechanischen Verbindung, insbesondere einer Klauenkupplung, mit einem ersten und einem zweiten Verbindungsteil, die eine Verzahnung aufweisen, deren Zahnflanken gegenüber einer Rotationsachse geneigt sind, mit einem Aktuator, durch den die Verbindung über eine axiale Relativbewegung der Verbindungsteile einrückbar ist und mit Mitteln zum Halten der Verbindung in einer eingerückten Stellung.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass zwischen einem rotierenden, axial verschiebbaren Kolben, auf dem eines der Verbindungsteile angeordnet ist, und einem feststehenden Maschinenteil ein radial verstellbares Axiallager ausgebildet ist, dass das Axiallager Lagerkörper aufweist, die durch eine Betätigung des Aktuators in radialer Richtung verschiebbar sind, dass der Kolben, durch eine Radialverstellung des Axiallagers, um einen definierten Einrückweg in axialer Richtung in die eingerückte Stellung verschiebbar ist, und dass der Kolben in einer Endposition des Aktuators in der eingerückten Stellung rastiert ist.
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Durch diese Anordnung wird eine komfortable Aktuierung einer Klauenkupplung zur Verfügung gestellt, mit der die Klauenverbindung insbesondere druckmittelbetätigt dynamisch eingerückt werden kann und in der eingerückten Stellung mittels einer mechanischen Lagerung durch ein Axiallager sicher gehalten und gegen eine feste Abstützung verschleißarm und leichtgängig gelagert werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung ist das Axiallager als ein Kugellager ausgebildet, bei dem die als Kugeln ausgebildeten Lagerkörper in einem verstellbaren Lagerraum einen Kugelkranz mit variablem Durchmesser bilden. In einem kleinsten vorgesehenen Durchmesser liegen die Kugeln beispielsweise dicht aneinander, bei größer werdendem Durchmesser bilden sich über den Umfang Zwischenräume zwischen den Kugeln aus.
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Das Axiallager ist durch einen Stellzylinder aktuierbar, der Bauraum sparend in einer Axialbohrung des Maschinenteils axial verschieblich geführt sein kann. Der Aktuator bzw. Stellzylinder kann vorzugsweise hydraulisch betätigt sein. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Aktuierung, beispielsweise mechanisch, pneumatisch oder elektrisch möglich.
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Der Aktuator weist im Bereich des Axiallagers vorteilhaft einen kegelförmigen Stellabschnitt auf, dessen Oberflächenkontur die Lagerkörper bei einer Axialbewegung des Aktuators folgen. An den Stellabschnitt schließt sich ein dem Maschinenteil zugewandter zylindrischer Schaft an an dem die Lagerkörper in der eingerückten und rastierten Stellung anliegen.
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An der dem Axiallager zugewandten Stirnseite des Kolbens ist vorteilhaft ein Endabschnitt mit einer kegelförmigen Ausnehmung ausgebildet, die nach radial innen durch eine zentrische Ausnehmung des Kolbens und nach radial außen durch eine ringförmige Abschlusskante des Kolbens festgelegt ist. An der dem Axiallager zugewandten Stirnseite des Maschinenteils ist ein entsprechender Endabschnitt mit einer kegelförmigen Ausnehmung ausgebildet, die nach radial innen durch die Axialbohrung des Maschinenteils und nach radial außen durch eine ringförmige Abschlusskante festgelegt ist.
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Die Dimensionierung des Stellabschnittes des Aktuators und ein axialer Stellweg des Aktuators sowie die Dimensionierung der Lagerkörper sind vorteilhaft so aufeinander abgestimmt, dass der Einrückweg bei der Verschiebung des Kolbens einer Dimension bzw. einem Durchmesser der Lagerkörper entspricht, so dass die Lagerkörper sich in der Endposition des Aktuators zwischen einem stirnseitigen Ende des Kolbens und einem gegenüberliegenden stirnseitigen Ende des Maschinenteils abstützen und den rotierenden Kolben in der eingerückten und rastierten Stellung gegen das feststehende Maschinenteil lagern.
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Demnach stellt die geometrische Ausbildung der einzelnen zusammenwirkenden Flächen, insbesondere der kegelige Stellabschnitt des Aktuators und die kegeligen Ausnehmungen der Endabschnitte an Kolben und Maschinenteil sicher, dass durch die Verschiebung des Aktuators die Lagerkugeln gegen den Kolben gedrückt werden und so der Kolben über den notwendigen Verschiebeweg bzw. Einrückweg verschoben wird.
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Ebenso sorgt die geometrische Ausbildung dieser Flächen dafür, dass die Lagerkugeln sich in der Endposition des Aktuators zwischen das abstützende Maschinenteil und den Kolben schieben und dort den zu haltenden Abstand gewährleisten, d. h. den Kolben in der eingerückten Stellung verrasten, wobei der rotierende Kolben gegen das feststehende Maschinenteil bzw. Gehäuse gelagert ist.
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Im eingelegten Zustand der Verbindung befindet sich der Aktuator in seiner Endposition und die Lagerkugeln bilden einen Kranz mit umfänglichen Kugelabständen um den Schaft des Aktuators. Im ausgelegten Zustand ist der Aktuator axial zu rückgezogen und die Lagerkugeln bilden einen Kranz mit kleinerem Durchmesser um den Umfang des Stellabschnitts des Aktuators, so dass der Kolben entgegen seiner Einrückrichtung zurückfahren kann, bis seine rückwärtige Stirnseite an dem Maschinenteil anliegt oder nahezu anliegt, wobei ein geringer Spalt verbleiben kann, so dass der Kolben vorzugsweise auch in der ausgelegten Stellung durch die Kugeln gegen das Maschinenteil gelagert ist. Je nach geschobener Aktuatorstellung wirkt das Axiallager somit auf unterschiedlichen Durchmessern.
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Die genannten Endabschnitte begrenzen zusammen mit der Oberfläche des Aktuators und einem, den Kolben und das Maschinenteil radial außen umgebenden Wandabschnitt, den verstellbaren Lagerraum der Lagerkörper des Axiallagers. Das Axiallager ist somit in seiner maximalen radialen Dimension auf den radial äußeren Durchmesser des Maschinenteils bzw. Kolbens begrenzt und kann daher relativ einfach in ein bestehendes Konzept einer Kupplungsanordnung integriert werden.
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Der Endabschnitt des Kolbens kann kostengünstig einstückig mit dem Kolben verbunden sein. Der Endabschnitt des Maschinenteils kann fertigungstechnisch vorteilhaft als ein separates Bauteil mit dem, beispielsweise als ein Gehäuse ausgebildeten, feststehenden Maschinenteil verbunden sein.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Aktuator an seinem dem Kolben zugewandten stirnseitigen Ende einen an den kegelförmigen Stellabschnitt sich anschließenden zylindrischen Zapfen aufweist, der in der benachbarten zentrischen Ausnehmung des Kolbens aufnehmbar ist. Dadurch werden eine sichere zentrische Führung des Aktuators und eine genaue Verstellbarkeit des Axiallagers gewährleistet.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
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1 eine Darstellung einer Klauenkupplung mit einem verstellbaren Axiallager in einem ausgerückten Zustand in einem Längsschnitt,
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2 die Klauenkupplung gemäß 1 in einem eingerückten Zustand, und
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3 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Stoßverzahnung und einer nicht im Eingriff befindlichen Verzahnung einer Klauenkupplung im Vergleich.
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Demnach umfasst eine in 1 dargestellte, als Klauenkupplung 1 ausgebildete und sich drehende mechanische Verbindung, wie sie beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Fahrzeuges verbaut sein kann, ein erstes Verbindungsteil 2 und ein zweites Verbindungsteil 3. Die Verbindungsteile 2, 3 weisen jeweils eine außer Eingriff befindliche Verzahnung 4 auf, deren Flanken 5 gegenüber einer Rotationsachse 6 geneigt sind. Zur Herstellung einer Verbindung zur Drehmomentübertragung sind die Verzahnungen 4 durch eine axiale Relativbewegung der Verbindungsteile 2, 3, insbesondere durch eine Verschiebung eines der Verbindungsteile 2, 3, formschlüssig in Eingriff bringbar.
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3 zeigt zur Verdeutlichung eine Projektion der geneigten Verzahnung 4 mit den Zahnflanken 5 (rechts im Bild) im Vergleich zu einer herkömmlichen Stoßverzahnung mit parallelen Flanken (links im Bild).
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Das erste Verbindungsteil 2 ist an einem rotierenden Bauteil, beispielsweise einer rotierenden Welle bzw. Hohlwelle 7 angeordnet. Das zweite Verbindungsteil 3 ist mit einem rotierenden Kolben 8, unabhängig von dem ersten Verbindungsteil 2, verbunden. Der Kolben 8 ist axial verschiebbar innerhalb des Durchmessers der Welle 7 gelagert.
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Koaxial benachbart zu dem Kolben 8 ist ein, beispielsweise als ein Gehäuse ausgebildetes, feststehendes zylindrisches Maschinenteil 9 angeordnet. In einer Axialbohrung 10 dieses Gehäuses 9 ist ein als Stellzylinder ausgebildeter Aktuator 11 axial verschiebbar geführt. Der Aktuator 11 besitzt einen Schaft 12, der sich in der Axialbohrung 10 erstreckt, und einen sich in Richtung des Kolbens 8 kegelförmig verjüngenden Stellabschnitt 13, der aus der Axialbohrung 10 heraus geführt ist. An den Stellabschnitt 13 schließt sich ein Zapfen 14 an, welcher in eine gegenüberliegende entsprechende Ausnehmung 15 des Kolbens 8, die als Zentrierung und Anschlag für den Aktuator 11 fungiert, koaxial hineinragt.
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Der Kolben 8 und das Gehäuse 9 weisen an ihren zueinander benachbarten Stirnseiten jeweils einen Endabschnitt 16, 17 auf, die kegelförmig ausgenommen sind. Nach radial außen grenzen die Ausnehmungen 23, 24 jeweils an eine ringförmig umlaufende Abschlusskante 18, 19. Die Umfänge des Kolbens 8 und des Gehäuses 9 sind von einem übergreifenden Wandabschnitt 22, welches beispielsweise Teil eines Rohrstücks oder einer Hohlwelle sein kann, umgeben. Nach radial innen grenzt die Ausnehmung 23 des Kolbenendabschnitts 17 an die Zentrierausnehmung 15. Die Ausnehmung 24 des Aktuatorendabschnitts 16 grenzt nach radial innen an die Axialbohrung 10.
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Die Ausnehmungen 23, 24 der Endabschnitte 16, 17 begrenzen zusammen mit den Abschlusskanten 18, 19 und dem umgebenden Wandabschnitt 22 einerseits und der Oberfläche des Aktuators 11 andererseits einen variablen Lagerraum 20 eines Axiallagers 21. Der Lagerraum 20 nimmt die Form zweier mit ihren gedachten Basisflächen zueinander hin zeigenden Kegelstümpfen ein, durch die der Aktuator 11 hindurch ragt, wobei die gedachten Basisflächen mit den Abschlusskanten 18, 19 fluchten. Durch die Verschiebbarkeit des Kolbens 8 ist der Abstand der Basisflächen bzw. der Abschlusskanten 18, 19 variierbar.
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Das Axiallager 21 ist als ein Kugellager ausgebildet. Die als Kugeln ausgebildeten Lagerkörper 25 bilden einen Kugelkranz, der den Aktuatorumfang umgibt. Je nach axial geschobener Stellung des Aktuators 11 nimmt das Axiallager 21 unterschiedliche radiale Durchmesser an. Die Anzahl der Kugeln 25 ist auf einen kleinsten radialen Lagerdurchmesser begrenzt, so dass die Kugeln 25 dann, wenn die Abschlusskanten 18, 19 nahezu aneinander anliegen, was einer ausgerückten Stellung der Kupplung 1 entspricht, als ein Kranz um den Kegelmantel des Stellabschnittes 13 anliegen. Andererseits weitet sich der Kugelkranz auf, wenn der Aktuator 11 in Einrückrichtung x verschoben wird, wodurch die Abschlusskanten 18, 19 auseinander gedrückt werden. Der axiale Durchmesser des Lagers 21 ist durch den Durchmesser der Kugeln 25 festgelegt. Dieser ist so gewählt, dass der Kugeldurchmesser einem Einrückweg 26 der Kupplung 1 entspricht.
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Die Funktionsweise der Verbindung ist wie folgt:
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1 zeigt die ausgerückte Kupplung 1, also mit getrennten Verbindungsteilen 2, 3. Der Aktuator 11 befindet sich in einer zurückgezogenen Stellung. Das Axiallager 21 beabstandet den Kolben 8 gegenüber dem Gehäuse 9, so dass lediglich ein schmaler Ringspalt zwischen den stirnseitigen Abschlusskannten 18, 19 von Kolben 8 und Gehäuse 9 vorhanden ist. Grundsätzlich könnte der Aktuator 11 auch so weit zurückgezogen werden, dass die Stirnseiten von Kolben 8 und Gehäuse 9 zum Anliegen kommen, was aber als weniger vorteilhaft beurteilt wird.
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2 zeigt die eingerückte Klauenkupplung 1, also mit im Eingriff befindlichen Verbindungsteilen 2, 3. Der Einrückvorgang erfolgt durch eine druckmittelbetriebene Verschiebung des Aktuators 11 in der in 1 gezeigten Richtung x. Die Lagerkugeln 25 folgen dabei der sich weitenden kegeligen Kontur des Stellabschnittes 13 des Aktuators 11 nach radial außen und werden gegen die Oberfläche des Endabschnitts 16 des feststehenden Gehäuses 9 einerseits und gegen die Oberfläche des Endabschnitts 17 des beweglichen Kolbens 8 andererseits gedrückt. Folglich weicht der Kolben 8 der Beaufschlagung in x-Richtung aus.
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In einer Endposition des Aktuators 11, die durch den Boden bzw. Anschlag der Zentrierausnehmung 15 begrenzt ist, haben sich die Lagerkugeln 25 zwischen die Abschlusskanten 18, 19 von Kolben 8 und Gehäuse 9 geschoben. Der Verschiebeweg entspricht dem Durchmesser der Lagerkugeln 25, der wiederum dem Einrückweg 26 der Verbindung entspricht. Die Lagerkugeln 25 liegen nun an dem zu einem Teil aus der Axialbohrung 10 des Gehäuses 9 herausgetretenen zylindrischen Aktuatorschaft 12 an, so dass entgegen der x-Richtung keine Resultante auf den Aktuator 11 einwirkt. Andererseits stützen die Lagerkugeln 25 den rotierenden Kolben 8 gegen das feststehende Gehäuse 9 ab. Damit ist die Verbindung verrastet, solange sich der Aktuator 11 in seiner Endposition befindet. Die Verbindung wird wieder gelöst, indem der Aktuator 11 in nicht näher beschriebener Weise axial zurück bewegt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klauenkupplung
- 2
- Verbindungsteil
- 3
- Verbindungsteil
- 4
- Verzahnung
- 5
- Zahnflanke
- 6
- Rotationsachse
- 7
- Welle
- 8
- Kolben
- 9
- Maschinenteil
- 10
- Axialbohrung
- 11
- Aktuator
- 12
- Schaft
- 13
- Stellabschnitt
- 14
- Zapfen
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Endabschnitt
- 17
- Endabschnitt
- 18
- Abschlusskante
- 19
- Abschlusskante
- 20
- Lagerraum
- 21
- Axiallager
- 22
- Wandabschnitt
- 23
- Ausnehmung
- 24
- Ausnehmung
- 25
- Lagerkörper
- 26
- Einrückweg
- x
- Betätigungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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