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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspureinrichtung zum Einspuren eines motorisch angetriebenen Ritzels in einen Zahnkranz nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Derartige Einspureinrichtungen werden als Starter für Brennkraftmaschinen eingesetzt, indem ein Starterritzel auf einer Antriebswelle aus einer zurückgezogenen Position in eine axial vorgerückte Position verstellt wird, in der das Starterritzel mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine kämmt. Die Antriebswelle wird über einen elektrischen Startermotor angetrieben, dessen Drehbewegung über ein Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, übertragen wird. Die axiale Vorrückbewegung erfolgt mittels eines Starterrelais. Ein derartiger Starter wird beispielsweise in der
EP 0 132 648 A1 beschrieben.
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Bei der Einspur- bzw. Vorrückbewegung kann die Situation auftreten, dass das Starterritzel Zahn auf Zahn auf den Zahnkranz der Brennkraftmaschine auftrifft, was neben einer Geräuschentwicklung zu einer erheblichen mechanischen Belastung der Zahnräder führt. Der Einspurvorgang, also das Eingreifen der Zähne ineinander, erfolgt zeitverzögert und erst dann, wenn die Zähne des Starterritzels auf Lücken im Zahnkranz treffen und außerdem die auf das Starterritzel wirkende axiale Kraft für das Einspuren ausreichend groß ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Einspureinrichtung zum Einspuren eines motorisch angetriebenen Ritzels in einen Zahnkranz so auszubilden, dass der Einspurvorgang mit hoher Betriebssicherheit und verschleißarm ausgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Mittels der erfindungsgemäßen Einspureinrichtung kann ein motorisch drehend antreibbares Ritzel in einen Zahnkranz eingespurt werden. Die Einspureinrichtung ist insbesondere als ein Starter für eine Brennkraftmaschine ausgebildet, wobei es sich in diesem Fall bei dem Ritzel um ein Starterritzel handelt, das in Eingriff mit einem Zahnkranz an einer Brennkraftmaschine zu bringen ist, um die Brennkraftmaschine zu starten.
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Das Ritzel ist zwischen einer Außereingriffsposition und einer Eingriffsposition mit dem Zahnkranz zu verstellen, wobei in der Eingriffsposition das Ritzel von einem Startermotor angetrieben wird. Die Verstellbewegung zwischen Außereingriffs- und Eingriffsposition erfolgt vorzugsweise über einen Aktuator, beispielsweise einen elektromagnetisch betätigbaren Aktuator bzw. ein entsprechendes Relais. Das Ritzel wird in Richtung der Eingriffsposition von einem Federelement kraftbeaufschlagt.
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Die erfindungsgemäße Einspureinrichtung weist ein Anschlagsteil auf, welches in den Stellweg des Ritzels einragt und die Verstellbewegung des Ritzels noch vor dem Erreichen der Eingriffsposition begrenzt. Das Anschlagsteil ist zwischen einer Anschlagsposition, in welcher das Anschlagsteil in den Stellweg des Ritzels einragt, und einer Freigabeposition verstellbar, in welcher der Stellweg des Ritzels freigegeben ist.
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Bei der Vorrück- bzw. Einspurbewegung des Ritzels befindet sich das Anschlagsteil in seiner Anschlagsposition, so dass die Einspurbewegung des Ritzels zunächst nur bis zum Erreichen des Anschlagsteils erfolgt. Das auf das Ritzel wirkende Federelement wird zweckmäßigerweise in der Anschlagsposition des Ritzels so verstellt, dass die auf das Ritzel in Richtung Einspurstellung wirkende Kraft zunimmt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass der Aktuator bzw. das Relais zum Vorrücken des Ritzels auf den Federfußpunkt des Federelementes wirkt und das Federelement mit seinem gegenüberliegenden Ende das Starterritzel beaufschlagt. Mit der Verstellung des Federfußpunktes des am Anschlagsteil anliegenden Ritzels wird eine erhöhte, auf das Ritzel in Richtung Einspurposition wirkende Kraft aufgebaut. Wird anschließend das Anschlagsteil in die Freigabeposition verstellt, kann das Ritzel vorschnellen und mit erhöhter Kraft in den Zahnkranz eingespurt werden.
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Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass der Einspurvorgang mit höherer Sicherheit durchgeführt werden kann. Außerdem können verhältnismäßig klein dimensionierte Einspuraktuatoren eingesetzt werden, da der Kraftaufbau in der Anschlagsposition des Ritzels am Anschlagsteil langsamer als im Stand der Technik erfolgen kann.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Ritzel in Axialrichtung auf der Antriebswelle verstellbar, um von der Außereingriffs- in die Eingriffsposition zu gelangen. Dementsprechend wird das Ritzel von dem Einspuraktuator in Achsrichtung zum Zahnkranz hin verstellt. Möglich sind aber auch Ausführungen mit einer Einspurbewegung des Ritzels, welche quer zur Längsachse der Antriebswelle erfolgt, insbesondere in Radialrichtung. Auch in diesem Fall kann die Einspurbewegung von einem Anschlagsteil begrenzt sein, so dass in der Anschlagsposition Federkraft aufgebaut wird, mit der das Ritzel nach dem Entfernen des Anschlagsteils in den Zahnkranz eingespurt wird.
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In der eingespurten Position wird das Ritzel von dem Startermotor über die Antriebswelle rotierend angetrieben, so dass über den Eingriff zwischen Ritzel und Zahnkranz auch der Zahnkranz rotiert. Die Bewegungsübertragung von Motor auf Antriebswelle und/oder von Antriebswelle auf Ritzel kann ggf. über jeweils eine Getriebeanordnung erfolgen.
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Das Anschlagsteil ist vorteilhafterweise an der Antriebswelle gehalten und zwischen Anschlags- und Freigabeposition zu verstellen. Gemäß bevorzugter Ausführung erfolgt die Verstellung des Anschlagsteils in Radialrichtung, wofür eine Radialnut in die Antriebswelle eingebracht sein kann, in welcher das Anschlagteil verschieblich gelagert ist. Das Anschlagsteil ist beispielsweise als eine Anschlagskugel ausgeführt, welche von einem Federelement, das sich am Boden der Radialnut in der Antriebswelle abstützt, radial nach außen in die Anschlagsposition kraftbeaufschlagt ist. Zum Überführen von der Anschlags- in die Freigabeposition muss das Anschlagsteil in der Nut radial soweit nach innen verstellt werden, bis der Stellweg für das Ritzel freigegeben ist. Dies erfolgt bei federkraftbelastetem Anschlagsteil gegen die Kraft des Federelementes, welches auf das Anschlagsteil wirkt, wobei entweder bei passiver Auslegung das Anschlagsteil durch die sich aufbauende Stellkraft, welche auf das Ritzel wirkt, radial nach innen verschwenkt wird, beispielsweise dadurch, dass die Kontaktfläche des Ritzels am Anschlagsteil schräg verläuft, so dass eine radiale Stellkomponente erzeugt wird.
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Möglich ist aber auch eine aktive Ausführung, bei der der Nutgrund der Radialnut, in welcher das Anschlagsteil aufgenommen wird, verstellbar ausgeführt ist. In einer ersten Position des Nutgrundes überragt das Anschlagsteil die Mantelfläche der Antriebswelle und befindet sich somit in der Anschlagsposition. In einer zweiten, radial nach innen verlagerten Position des Nutgrundes befindet sich dagegen das Anschlagsteil in der Freigabeposition. An dem Nutgrund stützt sich insbesondere das Federelement ab, welches das Anschlagsteil mit einer in die Anschlagsposition gerichteten Kraft beaufschlagt.
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Der innen liegende Nutgrund kann von einem Stellglied gebildet sein, das an der Antriebswelle verstellbar gehalten ist. Bei dem Stellglied handelt es sich beispielsweise um einen in der Antriebswelle verstellbaren Stellschieber, der entweder axial und/oder in Umfangsrichtung verstellbar in der Antriebswelle gehalten ist. Je nach Position des Stellschiebers befindet sich der Nutgrund der Radialnut, in welcher das Anschlagsteil radial verschieblich gelagert ist, in einer unterschiedlichen radialen Position.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung ist das Anschlagsteil dem Zahnkranz axial unmittelbar vorgelagert. Bei einer axialen Stellbewegung des Ritzels gelangt dieses in Anschlag mit dem Anschlagsteil, wobei mit dem Zurückfahren des Anschlagsteils in die Freigabeposition das Ritzel unmittelbar vor dem Zahnkranz steht, so dass die aufgebaute Federkraft, welche auf das Ritzel wirkt, bis zum Erreichen des Zahnkranzes nicht oder zumindest nicht wesentlich abgebaut wird.
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Es kann zweckmäßig sein, die Anschlagsfreigabe, also das Überführen des Anschlagsteils von der Anschlags- in die Freigabeposition, zusätzlich oder alternativ von weiteren Kenngrößen der Einspureinrichtung abhängig zu machen, beispielsweise von der relativen Drehrichtung von Zahnkranz und Ritzel zueinander, von der relativen Umfangsgeschwindigkeit von Zahnkranz und Ritzel zueinander, nach Ablauf einer fest eingestellten oder variabel einstellbaren Zeit oder als Funktion des Vorspurwegs des Einspuraktuators. Die Anschlagsfreigabe kann hierbei auf mechanischem, elektrischem oder elektronischem Weg erfolgen.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Starter für eine Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem auf einer Antriebswelle angeordneten Starterritzel und einem Einspuraktuator bzw. -relais zum axialen Verstellen des Starterritzels,
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2 in Seitenansicht das Starterritzel auf der Antriebswelle in einer Anschlagsposition an einem Anschlagsteil,
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3 ein Schaubild mit dem Verlauf der Einspurkraft, welche auf das Starterritzel wirkt, als Funktion des Einspurwegs, dargestellt für die Situation gemäß 2,
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4 ein 3 entsprechendes Schaubild, jedoch für einen Starter ohne Anschlagsteil,
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5 ein Starter in einer modifizierten Ausführung, bei der die Position des Anschlagsteils in der Antriebswelle mittels eines Stellschiebers verstellbar ist,
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6 eine weitere Ausführungsvariante mit einem Stellschieber zur Verstellung des Anschlagsteils.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der in 1 dargestellte Starter 1 für eine Brennkraftmaschine weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Antriebswelle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über einen Einspuraktuator bzw. ein Einrückrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Relaiswicklung 7 sowie einen Hubanker 8 umfasst, der bei Bestromung der Relaiswicklung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Hubanker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Hubankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition eingesetzt wird.
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Die drehende Antriebsbewegung auf die Antriebswelle 5 bzw. das Starterritzel 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Getriebe, das als Planetengetriebe 12 ausgeführt ist, mit der Welle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 wird die Antriebswelle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
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Der Starter 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Einrückrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
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Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 8 bei Betätigung des Einrückrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch eine kinematische Kopplung des Schaltgliedes mit der Stellbewegung des Hubankers 8 der elektrische Strom für den Startermotor 11 eingeschaltet, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Welle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt.
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Wie 1 des Weiteren zu entnehmen, ist die axiale Vorschubbewegung des Starterritzels auf der Antriebswelle 5 von einem Anschlagsteil 13 begrenzt, das sich im Stellweg des Starterritzels 2 auf der Antriebswelle 5 befindet und die Vorschubbewegung des Starterritzels 2 noch vor dem Erreichen des Einspurens in den Zahnkranz 3 begrenzt. Bei einer Stellbewegung des Einrückrelais 6 gelangt das Starterritzel 2 in Anschlagsposition mit dem Anschlagsteil 13. Sobald das Anschlagsteil 13 aus der dargestellten Anschlagsposition in eine Freigabeposition verstellt wird, kann das Starterritzel 2 axial weiter vor rücken und in die Einspurposition mit dem Zahnkranz 3 verstellt werden.
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Die 2, 5 und 6 zeigen jeweils die Anschlagseinrichtung auf der Antriebswelle 5 mit dem Starterritzel 2 in Anschlagsposition. Die Anschlagseinrichtung besteht aus einem als Anschlagskugel ausgebildeten Anschlagsteil 13 und einem Federelement 14, das ebenso wie die Anschlagskugel 13 in einer Radialnut 15 in der Antriebswelle 5 aufgenommen ist. Vorteilhafterweise sind über den Umfang verteilt zumindest zwei Anschlagsteile 13 mit jeweils einem Federelement 14 in einer Radialnut 15 vorgesehen. Das Federelement 14 beaufschlagt die Anschlagsteile 13 mit einer radial nach außen wirkenden Kraft, wodurch jedes Anschlagsteil 13 in die Anschlagsposition verstellt wird, in welcher das Anschlagsteil 13 über die Mantelfläche der Antriebswelle 5 herausragt und einen Anschlag für die Vorschubbewegung des Starterritzels 2 darstellt. Das Anschlagsteil 13 ist der zugewandten Stirnseite 3a des Zahnkranzes 3 axial unmittelbar vorgelagert. Zum Überführen des Anschlagsteils 13 von der gezeigten Anschlagsposition in die Freigabeposition muss das Anschlagsteil 13 gegen die Kraft des Federelements 14 radial nach innen in die Radialnut 15 eingeschoben werden.
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Das Starterritzel 2 wird axial in die Einspurrichtung von einem Federelement 16 kraftbeaufschlagt, dessen dem Starterritzel 2 abgewandter Fußpunkt an einem plattenförmigen Stützteil 17 abgestützt ist, welches wie mit Pfeil 18 angegeben von dem Einspuraktuator axial in Richtung Einspurposition verstellt wird.
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Mit dem axialen Vorspuren des Starterritzels 2 durch Betätigung des Einspuraktuators gelangt das Starterritzel 2 in Anschlagsposition mit dem Anschlagsteil 13 auf der Antriebswelle 5. Auch in der Anschlagsposition, wenn das Starterritzel 2 axial zunächst feststeht, wird der Einspuraktuator weiterhin betätigt, so dass das Stützteil 17 in Pfeilrichtung 18 weiterbewegt und das Federelement 16 gespannt wird. Mit zunehmender Federkraft des Federelements 16 drückt eine radial innen liegende Kante am Starterritzel 2 gegen das Anschlagsteil 13 und beaufschlagt dies gegen die Kraft des radialen Federelementes 14 radial nach innen. Erreicht die Federkraft des Federelementes 16 einen Schwellenwert, wo wird das Anschlagsteil 13 gegen die Kraft der Radialfeder 14 radial nach innen verstellt und von der Anschlags- in die Freigabeposition überführt, woraufhin das Starterritzel 2 bis zum Erreichen des Zahnkranzes 3 axial vorrücken kann. Da sich eine hohe Federkraft im Federelement 16 aufgebaut hat, kann das Einspuren des Starterritzels 2 in den Zahnkranz 3 mit hoher Betriebssicherheit durchgeführt werden.
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Die 3 und 4 zeigen einen Vergleich der Einspurkraft mit Anschlagseinrichtung (3) und ohne Anschlagseinrichtung (4) als Funktion des Einspurwegs s des Starterritzels. Die Einspurkraft Fs, welche auf das Starterritzel wirkt, wenn dieses axial unmittelbar an der Stirnseite 3a des Zahnkranzes 3 anliegt, ist bei der Ausführung mit Anschlagseinrichtung signifikant höher als bei einer Ausführung ohne Anschlagseinrichtung.
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Wie 3 des Weiteren zu entnehmen, wird das Anschlagsteil 13 überwunden, sobald im Federelement 16 eine axiale Anschlagskraft FA, die einen Schwellenwert darstellt, erreicht wird. Da das Anschlagsteil 13 axial der Stirnseite 3a des Zahnkranzes 3 unmittelbar vorgelagert ist, kann sich das Federelement im weiteren Verlauf bis zum Erreichen der Stirnseite 3a um den Entspannungsweg sA entspannen, was mit einer Verminderung der Federkraft vom höheren Niveau FA auf das geringfügig niedrigere Niveau Fs einhergeht. Auf Grund des kleinen Stellweges sA ist der Kraftabfall entsprechend gering. Das Absolutniveau der Einspurkraft Fs ist mit Anschlag auf jeden Fall höher als ohne Anschlag.
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In 5 ist in die Antriebswelle 5 ein als Drehschieber ausgeführtes Stellglied 19 eingeführt, das sich bis zu den Radialnuten 15 für die Anschlagsteile 13 erstreckt und den Nutgrund in Abhängigkeit von seiner Drehlage radial verstellen kann. Da am Nutgrund sich das Federelement 14 abstützt, wird das Anschlagsteil 13 je nach Drehlage des Drehschiebers 19 zwischen Anschlagsposition und Freigabeposition verstellt.
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Einteilig mit dem Drehschieber 19 ist ein Koppelabschnitt 20 außerhalb der Stirnseite der Antriebswelle 5 angeordnet, der in Reibkontakt mit dem Zahnkranz 3 steht. Hierdurch wird die Drehlage des Drehschiebers 19 von der aktuellen Drehlage des Zahnkranzes 3 und damit von der relativen Drehrichtung zwischen Zahnkranz 3 und Starterritzel 2 bestimmt. Dies ist vorteilhaft, wenn eine Übertragung von Drehmoment nur in eine Richtung möglich bzw. sinnvoll ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein Kontakt zwischen Starterritzel 2 und Zahnkranz 3 nur möglich ist, wenn der Zahnkranz 3 eine gewünschte Drehrichtung besitzt.
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Gegebenenfalls kann die Anschlagsfreigabe auch durch die relative Winkelgeschwindigkeit zwischen Zahnkranz 3 und Starterritzel 2 bestimmt werden. Das als Drehschieber ausgeführte Stellglied 19 kann mit einer Torsionsfeder an den Anschlagsteilen 13 befestigt sein, so dass der Drehschieber eine Drehposition einnimmt, welche von der Differenz der Winkelgeschwindigkeiten abhängt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Anschlagsfreigabe nach Ablauf eines definierten Zeitraums nach dem Start des Einspurvorganges oder dem Erreichen der Anschlagsposition erfolgt. Der Freigabezeitpunkt kann entweder fest vorgegeben werden oder in Abhängigkeit von Kenngrößen des Systems eingestellt werden.
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Möglich ist es darüber hinaus, die Anschlagsfreigabe von der Position des Einspuraktuators abhängig zu machen. Damit ist sichergestellt, dass die Anschlagsfreigabe erfolgt, sobald das Stützteil 17, welches von dem Einspuraktuator erstellt wird, einen bestimmten Weg zurückgelegt hat, was mit einem entsprechenden Aufbau im Federelement 16 einhergeht.
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In der Ausführungsvariante gemäß 6 ist das Stellglied 19 als Stellschieber ausgeführt, welches axial in der Antriebswelle 5 verstellbar gelagert ist. Das Stellglied 19 weist einen Stellkopf 22 auf, der in der dargestellten Position das Anschlagsteil 13 in der Anschlagsposition hält. Wird das Stellglied 19 axial weiter vorgeschoben, gelangt der Stellkopf 22 in eine Ausnehmung 21 in der Antriebswelle 5 und liegt damit außerhalb des Anschlagsteils 13, das nun radial in der Radialnut 15 zurückverstellt werden kann und in seine Freigabeposition überführt werden kann. Der Stellkopf 22 kann an seiner der freien Stirnseite abgewandten Seite angefast sein, um bei der Rückstellbewegung, bei der das Anschlagsteil 13 aus der radial zurückgezogenen Position in die radial angehobene Position verstellt wird, ein Blockieren der Stellbewegung des Stellglieds 19 zu verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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