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Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einer Reibungskupplung, einem Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung, wobei der Aktuator einen ersten Rampenring und einen zweiten Rampenring aufweist, von denen wenigstens einer relativ zu dem anderen Rampenring verdrehbar ist, um auf die Reibungskupplung eine Axialkraft auszuüben, und mit einer Dosiereinrichtung zum dosierten Zuführen eines Kühlfluids an die Reibungskupplung.
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Eine derartige Kupplungseinheit dient in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum wahlweisen Übertragen eines Drehmoments. Hierfür ist eine Reibungskupplung vorgesehen, die typischerweise als Lamellenkupplung ausgebildet ist und eine kontinuierlich variable Übertragung des Drehmoments ermöglicht. Ein zugeordneter Aktuator ist derart ausgebildet, dass er axial eine Kraft auf die Reibungskupplung ausübt. Dazu werden zwei Rampenringe verwendet, welche über den Umfang verteilt mehrere Rampen aufweisen, die bezüglich einer Normalebene zu der Rotationsachse der Reibungskupplung geneigt sind und die paarweise zusammenwirken. Zwischen den Rampen eines Paars sind vorzugsweise Wälzkörper vorgesehen. Wird wenigstens einer der Rampenringe verdreht (beispielsweise mittels eines Elektromotors oder hydraulisch), wird hierdurch einer der Rampenringe axial bewegt (derselbe oder der andere Rampenring). Durch diese axiale Bewegung kann beispielsweise ein Lamellenpaket zusammengedrückt werden, um die Kupplung einzurücken. Aus der
US 6848550 B2 ist eine Kupplungseinheit mit einem Aktuator bekannt, der derartige Rampenringe aufweist.
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Ein generelles Problem ist die Wärmeentwicklung bei schlupfender Reibungskupplung, weshalb die Kupplung gekühlt werden muss. Dazu wird meist ein Kühlfluid, insbesondere Öl, eingesetzt, welches durch die Reibungskupplung geleitet wird. Aus der
WO 2006/015394 A1 ist bereits ein Verteilergetriebe eines allradgetriebenen Kraftfahrzeugs bekannt, bei welchem die Kupplung mit Schmieröl versorgt wird. Das Schmieröl fließt dabei über eine Öffnung von einem Ölreservoir zur Kupplung.
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Die
DE 10 2007 057 984 A1 zeigt ein Allradantrieb-Verteilergetriebe, bei dem mithilfe einer Fördereinrichtung Schmieröl von einem Ölsumpf in ein Ölreservoir in einem oberen Bereich des Getriebes gefördert werden kann. Durch eine Dosiereinrichtung kann der Ölstrom von dem Ölreservoir zu einer Reibungskupplung eingestellt werden.
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Nachteilig an einem derartigen Kühlen und Schmieren einer Reibungskupplung sind die auftretenden Schleppmomente und die hiermit verbundenen Verluste, insbesondere bei geöffneter Kupplung. Wenn im geöffneten Zustand ein Kühlfluid in die Kupplung einfließt, kommt es aufgrund der Viskosität zu erheblichen Verlusten. Insbesondere bei Lamellenkupplungen entsteht durch das einfließende Kühlfluid eine viskose Reibung im engen Spalt zwischen den Kupplungslamellen.
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Besondere Bedeutung hat dieses Problem bei einem so genannten Disconnect-System, d. h. bei einem Antriebsstrang mit einem stilllegbaren Drehmomentübertragungsabschnitt, der zwischen der genannten Reibungskupplung und einer Trennkupplung angeordnet ist (formschlüssige Kupplung oder ebenfalls Reibungskupplung). Ein stilllegbarer Drehmomentübertragungsabschnitt kann beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug mit einer permanent angetriebenen Primärachse und einer wahlweise angetriebenen Sekundärachse vorgesehen sein. Bei einem derartigen Kraftfahrzeug kann an einem Ausgang eines Allradantrieb-Verteilergetriebes die Reibungskupplung und im Bereich eines Achsdifferentialgetriebes der Sekundärachse die Trennkupplung angeordnet sein (oder umgekehrt). Durch Öffnen beider Kupplungen wird der dazwischen verlaufende Drehmomentübertragungsabschnitt (z. B. Kardanwelle) stillgelegt. Hierdurch kann verhindert werden, dass in einem Zweirad-Antriebsmodus (wenn nur die Primärachse angetrieben wird) nicht benötigte Teile des Antriebsstrangs mitbewegt werden, was zu Lasten der Kraftstoffwirtschaftlichkeit gehen würde. Ein derartiger Antriebsstrang mit stilllegbarem Drehmomentübertragungsabschnitt ist aus der
DE 10 2009 005 378 A1 bekannt.
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Allerdings können auch bei einem Antriebsstrang und bei Getrieben, bei denen keine derartige Stilllegungs-Funktion zum Einsatz kommt, durch eine Kühlölströmung ein zusätzlicher Verlust und somit ein zusätzlicher Wärmeeintrag entstehen, da das Öl ständig von einem Ölraum in die Kupplung gefördert wird, dabei beschleunigt und bewegt wird und dann im Sumpf wieder verwirbelt, obwohl in der betreffenden Fahrsituation keine Kühlung notwendig wäre.
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Aus der
EP 2 093 092 A2 ist eine Verfahren bekannt, mit dem die Ölversorgung der Kupplung über eine Ölversorgungseinheit mit verschließbaren Ölöffnungen erreicht wird.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kupplungseinheit zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine dosierte Kühlfluidzufuhr ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Kupplungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die Dosiereinrichtung einen ersten Dosierabschnitt, der dem ersten Rampenring zugeordnet ist, und einen zweiten Dosierabschnitt aufweist, der dem zweiten Rampenring zugeordnet ist, wobei der erste Dosierabschnitt und der zweite Dosierabschnitt zusammen eine Dosieröffnung für das Kühlfluid begrenzen und derart zusammenwirken, dass der von den Dosierabschnitten begrenzte Querschnitt der Dosieröffnung durch eine relative Verdrehung der Rampenringe veränderbar ist.
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Die Dosiereinrichtung der erfindungsgemäßen Kupplungseinheit umfasst wenigstens zwei Dosierabschnitte, die mit den beiden Rampenringen unmittelbar oder indirekt gekoppelt sind. Durch Bewegung der beiden Rampenringe relativ zueinander (mittels des zugeordneten Aktuators) können somit auch die Dosierabschnitte der Dosiereinrichtung automatisch relativ zueinander bewegt werden. Die Dosierabschnitte definieren zusammen eine Dosieröffnung, welche den Volumenstrom des Kühlfluids zu der Reibungskupplung bestimmt. Durch die Relativbewegung der Rampenringe und die entsprechende Relativbewegung der Dosierabschnitte wird auch der freie Querschnitt der Dosieröffnung geändert. Dies kann beispielsweise durch eine variable Überlappung der Dosierabschnitte oder durch einen variablen Spalt zwischen den Dosierabschnitten bewirkt werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, die Zufuhr eines Kühlfluids an die Reibungskupplung zu dosieren und gegebenenfalls auftretende Schleppmomente und damit verbundene Verluste, insbesondere bei geöffneter Kupplung, zu minimieren. Die Dosierung geschieht dabei auf einfache Weise, indem der Querschnitt der Dosieröffnung bei Aktuierung der Kupplung automatisch geändert wird. Dies kann bei einem einfachen Aufbau der Dosiereinrichtung und bei geringem Platzbedarf erreicht werden. Als vorteilhaft erweist sich hierbei die Zuordnung eines ersten Dosierabschnitts zu einem ersten Rampenring sowie eines zweiten Dosierabschnitts zu einem zweiten Rampenring. Da die Steuerung der Reibungskupplung über eine Relativbewegung der Rampenringe erfolgt, wird bei Betätigung der Reibungskupplung ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand zugleich auch der Zufluss des Kühlfluids gesteuert. Insbesondere kann dadurch bei geöffneter Kupplung der Zufluss des Kühlfluids gänzlich unterbunden werden.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung beziehen sich die Richtungsangaben (wie „axial” oder „radial”) generell auf die Rotationsachse der Reibungskupplung.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist der erste Dosierabschnitt der Dosiereinrichtung mit dem ersten Rampenring drehfest gekoppelt oder integral ausgebildet. Der zweite Dosierabschnitt ist hierbei mit dem zweiten Rampenring drehfest gekoppelt oder integral ausgebildet. Eine nicht erfindungsgemäße antriebswirksame kann beispielsweise derart über eine Mitnehmereinrichtung oder Kulissenführung erfolgen, dass die Bewegung des jeweiligen Dosierabschnitts nur in axialer Richtung oder nur in radialer Richtung erfolgt.
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Gemäß einer Ausführungsform wirken die Dosierabschnitte derart zusammen, dass die Dosieröffnung bei einem vorbestimmten Kupplungszustand im Wesentlichen, d. h. bis auf etwaige Leckageverluste, vollständig geschlossen ist, um somit den Kühlfluidfluss bestmöglich zu unterbinden. Dies kann insbesondere bei vollständig geöffneter Reibungskupplung vorgesehen sein, um bei einem Antriebsstrang mit einem stilllegbaren Drehmomentübertragungsabschnitt Schleppmomente und die hiermit verbundenen Wirkungsgradverluste zu minimieren. Bei einem derartigen Antriebsstrang treten nämlich innerhalb der Reibungskupplung am Ende des stillgelegten Drehmomentübertragungsabschnitts sehr hohe Drehzahldifferenzen auf (z. B. zwischen den Innenlamellen und den Außenlamellen einer Lamellenkupplung).
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Die Dosierabschnitte der Dosiereinrichtung können bezüglich der Rampenringe beispielsweise radial innenliegend angeordnet sein. Hierdurch ist eine baulich einfache und platzsparende Kopplung der Dosierabschnitte mit den Rampenringen möglich.
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Die Reibungskupplung kann Reiblamellen aufweisen, die bezüglich der Fließrichtung des Kühlfluids stromabwärts der Dosieröffnung angeordnet sind.
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Das Kühlfluid durchströmt die Dosieröffnung beispielsweise in radialer Richtung. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Kühlfluid in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung durch die Dosieröffnung strömt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Dosierabschnitte der Dosiereinrichtung sich überdeckende Zylinderflächenabschnitte auf, wobei mindestens einer der Dosierabschnitte mindestens eine Aussparung als Dosieröffnung aufweist. Die Verwendung von Zylinderflächenabschnitten stellt eine Möglichkeit dar, eine Dosieröffnung variabler Größe bei Rotation und gleichzeitiger axialer Bewegung (bedingt durch die Bewegung mindestens eines Rampenringes) zu realisieren. Denkbar sind auch andere geeignete Formen.
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Vorzugsweise sind Aussparungen an beiden Dosierabschnitten vorhanden, die insbesondere durch das relative Verdrehen der Rampenringe in teilweise oder vollständige Flucht gebracht werden können. In einer speziellen Ausführungsform ist dabei der eine Dosierabschnitt, der einem ortsfesten Rampenring zugeordnet ist, ebenfalls ortsfest, während der andere Dosierabschnitt, der dem verdrehbaren Rampenring zugeordnet ist, beweglich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen die Zylinderflächenabschnitte außerhalb der Dosieröffnung im Wesentlichen, d. h. bis auf etwaige Leckageverluste, dicht aneinander, um einen unkontrollierten Kühlfluidfluss zu vermeiden.
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Um eine kostengünstige und kompakte Bauweise der Dosierabschnitte zu erreichen, bestehen die Dosierabschnitte der Dosiereinrichtung beispielsweise aus Kunststoff. Insbesondere können diese zur schnellen Montage mittels einer Rastverbindung an dem jeweiligen Rampenring befestigt werden.
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Die Kupplungseinheit kann ferner ein Kühlfluidreservoir umfassen, das bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlfluids stromaufwärts der Dosiereinrichtung angeordnet ist. Ein derartiges Kühlfluidreservoir kann zum Zwischenspeichern von Kühlfluid dienen, das mittels einer Fördereinrichtung beispielsweise aus einem Sumpf in Richtung der Kupplungseinheit gefördert und in dem Kühlfluidreservoir jedoch bedarfsweise mittels der Dosiereinrichtung zurückgehalten wird. Die genannte Kühlfluid-Fördereinrichtung kann beispielsweise eine Pumpe umfassen oder durch rotierende Teile der Reibungskupplung selbst (z. B. Kupplungstrommel) oder durch bewegte Teile eines zugeordneten Getriebes (z. B. Kette eines Versatztriebs eines Verteilergetriebes) gebildet sein. Vorzugsweise führt eine Kühlfluidleitung von dem Kühlfluidreservoir zu der Dosieröffnung der Dosiereinrichtung, wobei zumindest ein Teil der genannten Kühlfluidleitung beispielsweise durch eine Bohrung in einer Welle gebildet sein kann.
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Insbesondere kann für einen effizienten Betriebsmodus vorgesehen sein, dass das Volumen des genannten Kühlfluidreservoirs ausreichend groß ist, um bei geschlossener Dosieröffnung einen solchen Teil des Kühlfluids aufnehmen zu können, dass stromabwärts der Dosiereinrichtung der Pegel des Kühlfluids unterhalb der rotierenden Teile der Reibungskupplung oder des zugeordneten Getriebes liegt (insbesondere auch unterhalb der Kupplungstrommel oder der Innenlamellen der Reibungskupplung). Somit kann bedarfsweise verhindert werden, dass rotierende Teile der Reibungskupplung oder des zugeordneten Getriebes im Ölbad laufen. Hierdurch können unerwünschte Planschverluste und Schleppmomente vermieden werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, der eine Kupplungseinheit der erläuterten Art und zudem eine Trennkupplung umfasst. Zwischen der Kupplungseinheit und der Trennkupplung verläuft ein Drehmomentübertragungsabschnitt des Antriebsstrangs, wobei durch Öffnung der Reibungskupplung und der Trennkupplung der Drehmomentübertragungsabschnitt stilllegbar ist. Durch die in der Kupplungseinheit enthaltene Dosiereinrichtung kann somit der Kühlfluidstrom innerhalb der Reibungskupplung bei stillgelegtem Drehmomentübertragungsabschnitt unterbrochen werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1a eine Längsschnittansicht von Teilen einer Kupplungseinheit im geöffneten Zustand;
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1b die Kupplungseinheit im eingerückten Zustand;
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2a eine Abwicklung von Zylinderflächenabschnitten einer Dosiereinrichtung der Kupplungseinheit bei geöffneter Kupplung; und
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2b eine Abwicklung der Zylinderflächenabschnitte bei eingerückter Kupplung.
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Die in 1a und 1b dargestellte Kupplungseinheit besitzt eine integrierte Dosiereinrichtung für ein Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren einer Reibungskupplung der Kupplungseinheit. Die Reibungskupplung ist hierbei nicht dargestellt.
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Die Kupplungseinheit umfasst einen ersten Rampenring 10 sowie einen zweiten Rampenring 12, zwischen denen sich mehrere Wälzkörper 14 befinden. Gemeinsam mit einer zugeordneten Antriebseinrichtung (z. B. Elektromotor, nicht gezeigt) bilden diese Elemente einen Aktuator 16 für die Reibungskupplung. Der zweite Rampenring 12 ist hierbei ortsfest (d. h. drehfest und axial fest), wohingegen der erste Rampenring 10 relativ zum zweiten Rampenring 12 verdrehbar und axial beweglich ist. Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, dass beide Rampenringe 10, 12 gegenläufig verdreht werden, wobei der zweite Rampenring 12 axial abgestützt ist und der erste Rampenring zusätzlich axial beweglich ist. Gemäß einer weiteren Alternative kann der zweite Rampenring 12 verdrehbar, jedoch axial fest sein, während der erste Rampenring 10 drehfest gehalten, jedoch axial beweglich ist.
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Ausgehend von der in 1a gezeigten Grundposition des Aktuators 16 (geöffnete Reibungskupplung) bewirkt ein Verdrehen des ersten Rampenrings 10 mittels der Antriebseinrichtung, dass der erste Rampenring 10 über die Wälzkörper 14 von dem zweiten Rampenring 12 abgespreizt wird und hierdurch die Reibungskupplung in axialer Richtung, nämlich im Schließsinne, betätigt. Die Wälzkörper 14 bewegen sich hierbei entlang von Rampen, die an den Rampenringen 10, 12 in Umfangsrichtung verlaufen. Der durch eine derartige Bewegung erreichte Zustand der Kupplungseinheit ist in 1b gezeigt (eingerückte Reibungskupplung). Das Öffnen der Reibungskupplung erfolgt dann in umgekehrter Richtung, wobei eine oder mehrere Federn (z. B. Tellerfedern) die Öffnungsbewegung der Kupplung unterstützen können.
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Die genannte Dosiereinrichtung umfasst einen ersten Dosierabschnitt 20 und einen zweiten Dosierabschnitt 18, die radial innerhalb der Rampenringe 10, 12 angeordnet sind. Der erste Dosierabschnitt 20 ist mit dem Rampenring 10 starr verbunden, während der zweite Dosierabschnitt 18 mit dem Rampenring 12 starr verbunden ist. Der Pfeil 22 beschreibt die Fließrichtung des Kühlfluids, das beispielsweise von einem Kühlfluidreservoir (nicht gezeigt) über die Dosiereinrichtung letztlich in Richtung der Reibungskupplung (z. B. Kupplungslamellen) strömt. Beispielsweise kann das Kühlfluid von dem (z. B. axial versetzten) Kühlfluidreservoir über die Dosiereinrichtung in einen radial inneren Bereich der Reibungskupplung geleitet werden und von dort (bei rotierender Kupplung) durch die Fliehkraft nach radial außen geführt werden.
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Die beiden Dosierabschnitte 18, 20 können beispielsweise als einfache Spritzgießteile aus Kunststoff gefertigt sein, die mittels einer Rastverbindung an den Rampenringen 10, 12 befestigt sind. Die Dosierabschnitte 18, 20 besitzen Zylinderflächenabschnitte 24, 26, die zumindest teilweise überlappen, wie im Zusammenhang mit 2a und 2b noch erläutert wird.
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Die beiden Dosierabschnitte 18, 20 begrenzen zusammen eine Dosieröffnung 30 von variabler Größe (freier Querschnitt), um einen einstellbaren Volumenstrom von Kühlfluid zu der Reibungskupplung zu ermöglichen. In 1a (geöffnete Reibungskupplung) ist die Dosieröffnung 30 geschlossen, d. h. es tritt kein Kühlfluid hindurch. In 1b ist der Zustand während oder nach einer relativen Verdrehung der Rampenringe 10 und 12 zueinander dargestellt, welche zu einer axialen Verschiebung der Rampenringe 10, 12 relativ zueinander geführt hat (teilweise oder vollständig eingerückte Reibungskupplung). Durch die starre Kopplung der Dosierabschnitte 18, 20 an die jeweiligen Rampenringe 10, 12 sind auch die Dosierabschnitte 18, 20 axial zueinander verschoben. Der Querschnitt der Dosieröffnung 30 hat sich somit geändert und erlaubt einen Fluss des Kühlfluids.
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In 2a und 2b sind die Abwicklungen der sich überdeckenden Zylinderflächenabschnitte 24, 26 der Dosierabschnitte 18, 20 dargestellt (Ansicht entlang der Zylinderfläche II-II gemäß 1b). 2a zeigt die Grundposition, bei der die Kupplung geöffnet ist. In diesem Zustand ist die Dosieröffnung 30 geschlossen, d. h. es fließt im Wesentlichen kein Kühlfluid. Der Pfeil 28 deutet eine Verdrehung der Dosierabschnitte 18, 20 mit überlagerter axialer Relativbewegung an. Der daraus resultierende Zustand, der einer eingerückten Kupplung entspricht, ist in 2b dargestellt. Aussparungen 32, 34 der Zylinderflächenabschnitte 24, 26 wurden hierbei durch das relative Verdrehen teilweise in Flucht gebracht (radiale Ausrichtung relativ zueinander) und bilden die Dosieröffnung 30, durch die das Kühlfluid fließen kann.
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Somit ermöglicht die gezeigte Kupplungseinheit bei einfachem Aufbau der Dosiereinrichtung und geringem Platzbedarf eine dosierte Kühlfluidzufuhr an die Reibungskupplung, wobei das Einstellen des Fluidstroms automatisch mit dem Betätigen der Reibungskupplung erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erster Rampenring
- 12
- zweiter Rampenring
- 14
- Wälzkörper
- 16
- Aktuator
- 18
- zweiter Dosierabschnitt
- 20
- erster Dosierabschnitt
- 22
- Fließrichtung des Kühlfluids
- 24
- Zylinderflächenabschnitt
- 26
- Zylinderflächenabschnitt
- 28
- Relativbewegung der Dosierabschnitte
- 30
- Dosieröffnung
- 32
- Aussparung
- 34
- Aussparung
