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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwellenriemenscheibe zum Übertragen eines Drehmoments zwischen einer Kurbelwelle und einem Riementrieb, mit einer Kupplungseinrichtung.
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Aus der europäischen Patentschrift
EP 0 782 674 B1 ist ein Kurbelwellenentkuppler mit einer richtungsgeschalteten Kupplung bekannt. Aus der europäischen Patentschrift
EP 0 980 479 B1 ist ein Riemenantriebssystem mit einer Generatorverbindungsfreilaufkupplung bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Kurbelwellenriemenscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere im Hinblick auf unterschiedliche Betriebsfunktionen und/oder den benötigten Bauraum, weiter zu optimieren.
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Die Aufgabe ist bei einer Kurbelwellenriemenscheibe zum Übertragen eines Drehmoments zwischen einer Kurbelwelle und einem Riementrieb, mit einer Kupplungseinrichtung, dadurch gelöst, dass die Kupplungseinrichtung als Formschlusskupplung ausgeführt und in der Kurbelwellenriemenscheibe so mit einem Planetengetriebe kombiniert ist, dass drei verschiedene Schaltzustände darstellbar sind. Durch die Formschlusskupplung werden zwei Kupplungspartner erst dann drehfest miteinander verbunden, wenn sie etwa gleiche Drehzahlen aufweisen, das heißt synchronisiert sind.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung eine Neutralstellung aufweist, in der sich die Kurbelwelle in beiden Drehrichtungen relativ zu einer Riemenspur frei verdrehen kann. Wenn eine Brennkraftmaschine, die auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird, steht, dann kann ein an den Riementrieb angeschlossener Klimakompressor durch einen Startergenerator zur Standklimatisierung betrieben werden. In der Neutralstellung ist es auch möglich, die Brennkraftmaschine schnell zu beschleunigen, ohne dass der Riementrieb mit beschleunigt werden muss. Dadurch kann Kraftstoff eingespart und/oder eine höhere Fahrdynamik erreicht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung eine Übersetzungsstellung aufweist, in der sich die Riemenspur in beiden Drehrichtungen schneller als die Kurbelwelle dreht. Das Übersetzungsverhältnis beträgt zum Beispiel drei zu eins und wird mit dem Planetengetriebe dargestellt. In der Übersetzungsstellung kann der Startergenerator die Kurbelwelle über das Planetengetriebe antreiben, um die Brennkraftmaschine zu starten. Durch das Planetengetriebe wird das Drehmoment erhöht und somit auch ein Kaltstart ermöglicht. Nach dem Starten der Brennkraftmaschine treibt die noch relativ langsam drehende Kurbelwelle den Startergenerator übersetzt an, so dass trotz geringer Kurbelwellendrehzahl relativ viel Strom erzeugt werden kann.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung eine Direktstellung aufweist, in der die Riemenspur in beiden Drehrichtungen drehfest mit der Kurbelwelle verbunden ist. In der Direktstellung ist das Übersetzungsverhältnis eins zu eins. In der Direktstellung kann der Startergenerator generatorisch betrieben werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zentralkörper der Kupplungseinrichtung drehfest mit der Riemenspur verbunden ist. Über die Kupplungseinrichtung kann die Riemenspur entweder direkt mit der Kurbelwelle oder mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes gekoppelt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zentralkörper der Kupplungseinrichtung drehfest mit der Kurbelwelle verbunden ist. Über die Kupplungseinrichtung kann die Kurbelwelle entweder direkt mit der Riemenspur oder mit dem Planetenträger des Planetengetriebes gekoppelt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung als Klauenkupplung mit Schaltsperren ausgeführt ist. Die Klauenkupplung mit den Schaltsperren ist vorzugsweise genauso oder ähnlich wie in Kraftfahrzeugschaltgetrieben ausgeführt. Die Schaltsperren verhindern ein Schließen der Kupplungseinrichtung bei unterschiedlichen Drehzahlen der Kupplungspartner.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad des Planetengetriebes drehfest mit einem feststehenden Gehäuseteil verbunden ist. Bei dem feststehenden Gehäuseteil handelt es sich zum Beispiel um ein Motorgehäuseteil, insbesondere um ein Kurbelgehäuseteil, das relativ zu der Kurbelwellenriemenscheibe feststeht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung drehfest mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes verbindbar ist. Das Sonnenrad kämmt mit Planetenrädern, die wiederum mit dem Hohlrad des Planetengetriebes kämmen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kurbelwellenriemenscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung drehfest mit der Kurbelwelle verbindbar ist. Dabei kann es sich um eine direkte Verbindung mit dem Übersetzungsverhältnis eins zu eins handeln. Über das zwischengeschaltete Planetengetriebe können aber auch andere Übersetzungen, zum Beispiel drei zu eins, realisiert werden.
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Die Kurbelwellenriemenscheibe ist vorzugsweise auf einer Kurbelwellenzentralschraube gelagert, mit deren Hilfe die Kurbelwellenriemenscheibe an der Kurbelwelle befestigt ist. Durch die Kombination des Planetengetriebes mit der Kupplungseinrichtung können auf einfache Art und Weise unterschiedliche Betriebsarten eines riemengetriebenen Startergenerators, wie Start-/Stopp-, Standklima- und Generatorbetrieb, realisiert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Massenträgheit des Planetengetriebes zur Darstellung der Funktion eines Kurbelwellentilgers genutzt werden. Zusätzlich kann eine separate Tilgermasse in die Kurbelwellenriemenscheibe integriert werden. Die zusätzliche Tilgermasse kann an dem Planetenträger oder an der Kurbelwelle angebracht werden. Zur Dämpfung von Riementriebsschwingungen kann optional ein in beide Drehrichtungen drehmomentübertragendes Dämpfungselement in die Kurbelwelleriemenscheibe integriert werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wie er zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 021 233 A1 offenbart ist. Die darin beschriebene Kraftübertragungseinheit wird durch die erfindungsgemäße Kurbelwellenriemenscheibe ersetzt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Kurbelwellenriemenscheibe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Neutralstellung;
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2 die Kurbelwellenriemenscheibe aus 1 in einer Direktstellung;
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3 die Kurbelwellenriemenscheibe aus 1 in einer Übersetzungsstellung;
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4 eine ähnliche Kurbelwellenriemenscheibe wie in 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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5 eine detaillierte Darstellung der Kurbelwellenriemenscheibe aus den 1 bis 3 im Längsschnitt und
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6 die Kurbelwellenriemenscheibe aus 5 in einer anderen Längsschnittebene.
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In den 1 bis 6 ist eine Kurbelwellenriemenscheibe 1; 51 in verschiedenen Ansichten und Schaltstellungen dargestellt. Die Kurbelwellenriemenscheibe 1 umfasst eine Riemenscheibenspur 2, die verkürzt auch als Riemenscheibe oder Riemenspur bezeichnet wird, und dazu dient, einen Riemen eines Riementriebs mit weiteren Aggregaten zu koppeln, die in dem Riementrieb angeordnet sind. Bei den weiteren Aggregaten handelt es sich zum Beispiel um einen Elektromotor beziehungsweise einen Generator, insbesondere einen Startergenerator, oder um ein Nebenaggregat, wie einen Klimakompressor einer Klimaanlage.
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Die Kurbelwellenriemenscheibe
1;
51 ist im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wie er zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 021 233 A1 offenbart ist, an einer Kurbelwelle
4 angebracht, die um eine Drehachse
5 drehbar ist. Das Kraftfahrzeug kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kurbelwellenriemenscheibe
1 in einem so genannten Start-/Stopp-Betrieb betrieben werden.
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In die Kurbelwellenriemenscheibe 1; 51 ist ein Planetengetriebe 10 mit einem Hohlrad 11 integriert. Planetenräder 12, die an einem Planetenträger 13 drehbar gelagert sind, kämmen mit dem Hohlrad 11 und mit einem Sonnenrad 14. Das Sonnenrad 14 ist zusammen mit dem Hohlrad 11, den Planetenrädern 12 und dem Planetenträger 13 in die Kurbelwellenriemenscheibe 1, 51 integriert. Das Hohlrad 11 des Planetengetriebes 10 ist drehfest mit einem feststehenden Gehäuseteil 20 verbunden. Bei dem feststehenden Gehäuseteil 20 handelt es sich zum Beispiel um ein Motorgehäuseteil, insbesondere ein Kurbelwellengehäuseteil.
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Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Tilgermasse 22, zum Beispiel unter Zwischenschaltung einer Gummispur, radial außen an dem Planetenträger 13 angebracht. Darüber hinaus ist eine Drehschwingungsdämpfungseinrichtung 24 zwischen zwei Flanschteile 25 und 26 der Riemenspur 2 geschaltet. Die Drehschwingungsdämpfungseinrichtung 24 dient zur Dämpfung von Riementriebsschwingungen und ist in beiden Drehrichtungen der Riemenspur 2 wirksam.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist eine Kupplungseinrichtung 30; 60 mit einem Zentralkörper 32; 62 in die Kurbelwellenriemenscheibe 1; 51 integriert. Die Kupplungseinrichtung 30; 60 ist als Formschlusskupplung mit Klauenkörpern 34, 35; 64, 65 ausgeführt, die zur Drehmomentübertragung formschlüssig mit Kopplungskörpern 36, 37; 66, 67 verbindbar sind. Die Kupplungseinrichtung 30; 60 wird über eine Schaltmuffe 38; 68 mit Hilfe eines Aktors 39; 69 umgeschaltet, wie durch einen Doppelpfeil 40; 70 angedeutet ist.
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Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper 32 der Kupplungseinrichtung 30 unter Zwischenschaltung der Drehschwingungsdämpfungseinrichtung 24 drehfest mit der Riemenspur 2 verbunden. Die Klauenkörper 34, 35 sind über die Schaltmuffe 38 mit Hilfe des Aktors 39 in axialer Richtung, das heißt parallel zur Drehachse 5, hin und her bewegbar, um verschiedene Schaltstellungen der Kupplungseinrichtung 30 darzustellen. In 1 befindet sich die Kupplungseinrichtung 30 in ihrer Neutralstellung, in der kein Drehmoment übertragen wird.
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In 2 ist durch einen Pfeil 41 angedeutet, das der Aktor 39, zum Beispiel über einen Elektromotor und eine Rampeneinrichtung so umgeschaltet wurde, dass der Klauenkörper 34 formschlüssig mit dem Kopplungskörper 36 verbunden wird, der drehfest mit der Kurbelwelle 4 verbunden ist. Der in 2 dargestellte Schaltzustand wird auch als Direktzustand bezeichnet, weil die Riemenspur 2 über den Zentralkörper 32 und den formschlüssig mit dem Kopplungskörper 36 verbundenen Klauenkörper 34 direkt, das heißt bei einem Übersetzungsverhältnis von eins zu eins, mit der Kurbelwelle 4 verbunden ist.
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In 3 ist durch einen weiteren Pfeil 42 angedeutet, dass der Aktor 39 in eine dritte Schaltstellung umgeschaltet wurde. Über die Schaltmuffe 38 wurde der Klauenkörper 35 formschlüssig mit dem Kopplungskörper 37 verbunden, der wiederum drehfest mit dem Sonnenrad 14 verbunden ist. In dieser Schaltstellung, die auch als Übersetzungsstellung bezeichnet wird, ist die Riemenspur 2 über den Zentralkörper 32 und den formschlüssig mit dem Klauenkörper 35 verbundenen Kopplungskörper 37 drehfest mit dem Sonnenrad 14 verbunden. Ein in die Riemenspur 2 eingeleitetes Drehmoment wird durch das Planetengetriebe 10 in einem Übersetzungsverhältnis von drei zu eins übersetzt über den Planetenträger 13 auf die Kurbelwelle 4 übertragen.
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Bei der in 4 dargestellten Kurbelwellenriemenscheibe 51 ist der Zentralkörper 62 der Kupplungseinrichtung 60 drehfest mit der Kurbelwelle 4 verbunden. Der Kopplungskörper 67 ist drehfest mit dem Sonnenrad 14 verbunden. Der Kopplungskörper 66 ist drehfest mit dem Planetenträger 13 verbunden. Im dargestellten Zustand befindet sich die Kupplungseinrichtung 60 in ihrer Neutralstellung. Durch den Doppelpfeil 70 ist angedeutet, dass die Schaltmuffe 68 über den Aktor 69 entweder nach links oder nach rechts umgeschaltet werden kann.
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Bei einem Umschalten nach links wird die Kurbelwelle 4 über das Sonnenrad 14 mit der Riemenspur 2 drehfest verbunden. Dabei dreht der Planetenträger 13 über die Planetenräder 12 mit, ohne dass ein Drehmoment über den Planetenträger 13 übertragen wird.
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Bei einer Umschaltung nach rechts wird der Klauenkörper 64 drehfest mit dem Kopplungskörper 66 verbunden, der wiederum drehfest mit dem Planetenträger 13 verbunden ist. In dieser Schaltstellung, die auch als Übertragungsstellung bezeichnet wird, ist die Riemenspur 2 über das Sonnenrad 14, die Planetenräder 12 und den Planetenträger 13, also über das Planetengetriebe 10, mit der Kurbelwelle 4 verbunden.
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In den 5 und 6 ist das Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 3 detailliert in zwei verschiedenen Längsschnitten dargestellt. In der detaillierten Darstellung sieht man, dass die Kupplungseinrichtung 30 Schaltsperren 76, 77 umfasst, die einen Formschluss der Kupplungspartner verhindern, wenn die Kupplungspartner sich mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen.
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Um einen störungsfreien Betrieb der Kupplungseinrichtung 30 zu ermöglichen, kann ein Startergenerator verwendet werden, der eine höhere Dynamik als der Verbrennungsmotor aufweist. Ein derartiger Startergenerator kann den Riementrieb synchron zu der Kurbelwelle 4 halten, um ein Schalten der Klauenkupplung bei einer geringen Differenzdrehzahl zu ermöglichen.
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Die Betätigung der Kupplungseinrichtung 30 erfolgt über ein Kopplungsblech 78, über das die Schaltmuffe 38 mit dem Aktor 39 gekoppelt ist. Der Aktor 39 umfasst radial außen eine Führungsnase 79, die in eine Spiralnut eingreift, die radial innen an einem Verstellrad 80 ausgebildet ist. Das Verstellrad 80 ist, zum Beispiel über ineinander greifende Verzahnungen, zu Verstellzwecken mit einem Antriebszahnrad 81 eines Elektromotors 84 gekoppelt. Über den Elektromotor 84 kann die Schaltmuffe 68 auf einfache Art und Weise aus der dargestellten Neutralstellung in die Direktstellung oder die Übertragungsstellung verstellt werden.
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In der Neutralstellung der Kupplungseinrichtung 30 beziehungsweise des Planetengetriebes 10 kann durch den Startergenerator ein an den Riementrieb angeschlossener Klimakompressor zur Standklimatisierung betrieben werden. In der Neutralstellung ist es auch möglich, den Verbrennungsmotor schnell zu beschleunigen, ohne dass der Riementrieb mit beschleunigt werden muss.
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Wird das Planetengetriebe 10 über die Kupplungseinrichtung 30 in die Übersetzungsstellung geschaltet, dann kann der Startergenerator den Verbrennungsmotor über das Planetengetriebe mit einer Übersetzung von drei zu eins starten. Dabei wird das von dem Startergenerator bereitgestellte Drehmoment über das Planetengetriebe 10 erhöht.
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Nach dem Startvorgang treibt die noch langsam drehende Kurbelwelle den Startergenerator übersetzt an, so dass trotz geringer Kurbelwellendrehzahl viel Strom erzeugt werden kann. Wird die Kurbelwelle 4 über eine bestimmte Grenzdrehzahl beschleunigt, so wird der Startergenerator bestromt und dadurch die Kupplungseinrichtung 30 entlastet. Dadurch kann zunächst kraftarm in die Neutralstellung geschaltet werden.
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Danach wird die Riemenspur 2 durch den Startergenerator auf Synchrondrehzahl mit der Kurbelwelle 4 gebracht und über die Kupplungseinrichtung der Direktgang eingelegt. Daraufhin kann der Startergenerator wieder generatorisch mit einem Übersetzungsverhältnis von eins zu eins betrieben werden. Sinkt die Drehzahl der Kurbelwelle 4 unter ein bestimmtes Niveau, kann bei Bedarf, zum Beispiel bei niedrigem Batterieladestand, wieder in die Übersetzungsstellung geschaltet werden.
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Die Kurbelwellenriemenscheibe 1 ist auf einer Zentralschraube 90 drehbar gelagert, mit der die Kurbelwellenriemenscheibe 1 an der in den 5 und 6 nicht dargestellten Kurbelwelle 4 befestigt ist. Ein Riemenspurträger 92 ist mit Hilfe von Wälzlagern 94, 95 drehbar auf der Zentralschraube 90 gelagert. Der Riemenspurträger 92 ist fest mit einem Radialflansch 96 verbunden, der sich von der Riemenspur 2 radial nach innen erstreckt.
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Das Planetengetriebe 10 ist teilweise innerhalb eines Getriebegehäuses 98 angeordnet, das vorzugsweise als Blechteil ausgeführt ist. Das Getriebegehäuse 98 ist radial außen an dem feststehenden Gehäuseteil 20 befestigt. Ein Radialwellendichtring 100 ist zwischen dem feststehenden Getriebegehäuse 98 und dem relativ dazu drehbaren Riemenspurträger 92 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwellenriemenscheibe
- 2
- Riemenspur
- 4
- Kurbelwelle
- 5
- Drehachse
- 10
- Planetengetriebe
- 11
- Hohlrad
- 12
- Planetenräder
- 13
- Planetenträger
- 14
- Sonnenrad
- 20
- feststehendes Gehäuseteil
- 22
- Tilgermasse
- 24
- Drehschwingungsdämpfungseinrichtung
- 25
- Flanschteil
- 26
- Flanschteil
- 30
- Kupplungseinrichtung
- 32
- Zentralkörper
- 34
- Klauenkörper
- 35
- Klauenkörper
- 36
- Kopplungskörper
- 37
- Kopplungskörper
- 38
- Schaltmuffe
- 39
- Aktor
- 40
- Doppelpfeil
- 41
- Pfeil
- 42
- Pfeil
- 51
- Kurbelwellenriemenscheibe
- 52
- Tilgermasse
- 60
- Kupplungseinrichtung
- 62
- Zentralkörper
- 64
- Klauenkörper
- 65
- Klauenkörper
- 66
- Kopplungskörper
- 67
- Kopplungskörper
- 68
- Schaltmuffe
- 69
- Aktor
- 70
- Doppelpfeil
- 76
- Schaltsperre
- 77
- Schaltsperre
- 78
- Kopplungsblech
- 79
- Führungsnase
- 80
- Verstellrad
- 81
- Antriebszahnrad
- 84
- Elektromotor
- 90
- Zentralschraube
- 92
- Riemenspurträger
- 94
- Wälzlager
- 95
- Wälzlager
- 96
- Radialflansch
- 98
- Getriebegehäuse
- 100
- Radialwellendichtring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0782674 B1 [0002]
- EP 0980479 B1 [0002]
- DE 102007021233 A1 [0015, 0024]
