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Die Erfindung betrifft einen Klauenkupplungs-Transmitter für ein Schaltgetriebe, mit einem Transmitterkörper, mindestens einem Drehmomentübertragungselement, das drehfest mit dem Transmitterkörper verbunden und auf einer Getriebewelle in axialer Richtung verschiebbar ist, und mindestens einer Kupplungsgestaltung, die drehfest mit dem Transmitterkörper verbunden ist und mit einer komplementären Gangrad-Kupplungsgestaltung eines Gangrades in Eingriff gebracht werden kann. Die Erfindung betrifft ferner ein Schaltgetriebe mit einem solchen Klauenkupplungs-Transmitter.
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Bei einer Klauenkupplung handelt es sich um eine lösbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen, von denen meist eines (die Klaue) in axialer Richtung verstellbar ist und mit einem zweiten Bauteil (der Gegenklaue) in Eingriff gebracht werden kann. Auf diese Weise ist eine Drehmomentübertragung durch formschlüssigen Eingriff der beiden Bauteile ineinander möglich. Grundsätzlich besteht das Problem, dass eine Klauenkupplung nur dann geschaltet werden kann, wenn keine oder nur eine geringe Drehzahldifferenz zwischen den miteinander in Eingriff zu bringenden Bauteilen vorliegt. Anders als insbesondere bei einer Reibkupplung ist eine Klauenkupplung nicht in der Lage, die unterschiedlichen Drehzahlen aneinander anzugleichen.
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Es ist auch bekannt, Klauenkupplungen bei Schaltgetrieben für Kraftfahrzeuge zu verwenden, um Gangräder mit einer Getriebewelle zu verbinden. Zusätzlich zu den oben angesprochenen Problemen, die aus Drehzahldifferenzen resultieren, ergeben sich bei Schaltgetrieben, die Klauenkupplungen verwenden, auch Komfortprobleme. Entscheidend für die Funktion einer Klauenkupplung ist das Klaue-Tasche-Spiel. Für ein gutes Einspuren wird ein großes Spiel benötigt. Im geschalteten Zustand ist dagegen ein kleines Spiel erforderlich, um Lastwechselschläge zu reduzieren. Bei Schaltgetrieben in Kraftfahrzeugen, insbesondere Pkws, sind aber sowohl Einschaltgeräusche als auch Lastwechselschläge unerwünscht. Daher ist es nötig, die auftretenden Drehzahldifferenzen sehr gering zu halten. Zu diesem Zweck können Elektromotoren oder Zentralsynchronisierungen verwendet werden, mit denen die Drehzahl des zu schaltenden Gangrades mit der Drehzahl der entsprechenden Getriebewelle synchronisiert werden kann. Weitere Probleme von Klauenkupplungen bestehen darin, dass es zu längeren Schaltzeiten und zu Einlegeproblemen im Stillstand kommt und dass ein hoher Aufwand für die Steuerung der für die Synchronisierung verwendeten Elektromotoren oder Zentralsynchronisierungen notwendig ist.
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Als Alternative zu Klauenkupplungen ist es allgemein bekannt, Synchronisierungsbaugruppen zu verwenden, bei denen ein jedem Gangrad zugeordneter Synchronring verwendet wird, mit dem die Drehzahl des Gangrades an die Drehzahl der Getriebewelle angepasst wird. Erst wenn die Drehzahlen miteinander synchronisiert sind, kann „durchgeschaltet” werden, also die drehmomentfeste Verbindung zwischen Gangrad und Getriebewelle hergestellt werden. Der Nachteil von Synchronisierungsbaugruppen besteht im baulichen Aufwand sowie im axialen Bauraum, der innerhalb des Getriebes geschaffen werden muss, um die Synchronisierungsbaugruppen zwischen den Gangrädern anzuordnen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltgruppe bereitzustellen, die in axialer Richtung wesentlich kürzer baut als die bekannten Synchronisierungs-Schaltgruppen und außerdem die Nachteile einer Klauenkupplung vermeidet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Klauenkupplungs-Transmitter der eingangs genannten Art mindestens ein geschlitzter Reibring vorgesehen, der mit einer dem Gangrad zugeordneten Reibfläche in Eingriff gebracht werden kann. Bei einem Schaltgetriebe mit mindestens einer Getriebewelle und mindestens einem solchen Klauenkupplungs-Transmitter, der verschiebbar auf der Getriebewelle angeordnet ist, ist mindestens ein Gangrad vorgesehen, das mit einer Gangrad-Kupplungsgestaltung versehen ist, die mit der Kupplungsgestaltung am Transmitter in Eingriff gelangen kann, wodurch das Gangrad drehfest mit der Getriebewelle gekoppelt ist, wobei das Gangrad mit einer Reibfläche versehen ist, die mit dem Reibring des Transmitters zusammenwirken kann. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, mit dem Reibring eine kleine Reibungskupplung vorzusehen, mit der eventuelle Differenzen zwischen der Drehzahl der Getriebewelle und der Drehzahl eines mit dieser zu koppelnden Gangrades (jedenfalls in gewissem Maße) abgebaut werden können. Der Reibring ist in axialer Richtung sehr kompakt ausgeführt, sodass sehr viel weniger Bauraum notwendig ist als bei einer Synchronisierungs-Schaltgruppe. Da der Reibring geschlitzt ist, kann diesem mit mit geringem Aufwand ermöglicht werden, sich beim Durchschalten aufzuweiten.
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Vorzugsweise ist der Reibring federbeaufschlagt. Durch die geeignete Dimensionierung einer Feder kann die Schaltkraft eingestellt werden, die für das Schalten der Klauenkupplung aufgebracht werden muss.
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Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Reibring eine Nut aufweist, in der eine Ringfeder angeordnet ist. Eine Ringfeder ist besonders geeignet, die gewünschte, in radialer Richtung nach innen wirkende Federkraft auf den Reibring aufzubringen, wobei für eine sich selbst in der Nut zentrierende Ringfeder nur ein sehr geringer Bauraum notwendig ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Drehmomentübertragungselement als Verzahnung ausgeführt ist. Bei einer Verzahnung handelt es sich um eine Gestaltung, die kompakt ist und gleichzeitig die Übertragung von hohen Drehmomenten ermöglicht.
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Vorzugsweise ist auch vorgesehen, dass die Kupplungsgestaltung als Kupplungsverzahnung ausgeführt ist. Auch hier gilt, dass bei geringem Bauraum große Drehmomente übertragen werden können. Ein weiterer Vorteil einer Verzahnung besteht darin, dass es eine der Anzahl an Zähnen entsprechende Anzahl an Winkelpositionen gibt, in denen die Kupplungsverzahnung in die Gegenverzahnung des Gangrades eingreifen kann. Wenn also eine Verzahnung mit kleiner Zahnteilung verwendet wird, kann der Transmitter auch bei Stillstand des Getriebes zuverlässig geschaltet werden.
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Die Verzahnung und die Kupplungsverzahnung sind vorzugsweise an einer Scheibe angeordnet, wobei die Verzahnung vorzugsweise am Innenrand und die Kupplungsverzahnung vorzugsweise am Außenrand ausgeführt ist. Dies ermöglicht, ein kostengünstig herstellbares Bauteil, beispielsweise eine gestanzte Blechscheibe, zur Drehmomentübertragung zu verwenden. Außerdem ergibt sich der Vorteil, dass das Drehmoment von der Getriebewelle zum Gangrad nicht über den Transmitterkörper übertragen werden muss, sondern unmittelbar von der Getriebewelle über die Verzahnung, die Scheibe und die Kupplungsverzahnung zum Gangrad übertragen werden kann.
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Vorzugsweise ist am Reibring ein Abstützelement vorgesehen, das sich am Transmitterkörper abstützen kann. Das Abstützelement dient dazu, die beim Schalten notwendige Andruckkraft auf den Reibring zu übertragen. Dabei kann durch die Ausgestaltung des Abstützelements in Verbindung mit der Federkraft des Reibrings eingestellt werden, welche Betätigungskraft aufgebracht werden kann, damit der Transmitter durchgeschaltet werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Abstützelement eine Abstützfläche aufweist, die schräg zur Mittelachse des Transmitters verläuft. Durch den Winkel, unter dem die Abstützfläche ausgerichtet ist, kann die Betätigungskraft besonders einfach eingestellt werden.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jeweils ein Reibring auf einer Seite des Transmitters vorgesehen ist, wobei die beiden Reibringe miteinander durch Verbindungslaschen verbunden sind. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte Gestaltung, da mit einem Transmitterkörper zwei Gangräder geschaltet werden können.
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Ein besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen Transmitters besteht darin, dass er sperrflächenfrei ist. „Sperrflächenfrei” bedeutet dabei, dass weder am Transmitterkörper noch am Reibring Sperrflächen vorhanden sind, die wie bei einer Synchronisierungs-Schaltgruppe eine Sperrkraft bereitstellen, die einem Durchschalten des Transmitters entgegenwirkt, solange noch eine Drehzahldifferenz zwischen Gangrad und Getriebewelle vorliegt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reibfläche auf der Außenfläche eines Rings ausgebildet ist, an dessen Innenseite die Gangrad-Kupplungsgestaltung ausgebildet ist. Ein solcher Ring kann mit geringem Aufwand als vom Gangrad getrenntes Bauteil hergestellt und erst anschließend mit dem Gangrad verbunden werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Gangrad eine axial wirksame Anlagefläche für den Reibring aufweist, die gebildet ist durch eine Außenfläche des Gangrades. Auf diese Weise ist die axiale Position des Reibrings im durchgeschalteten Zustand zuverlässig und ohne weiteren konstruktiven Aufwand bestimmt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
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1 schematisch ein Getriebe;
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2 in einer Explosionsansicht in einer schematischen, abgeschnittenen Schnittansicht eine Getriebewelle mit zwei Gangrädern und Transmitter;
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3 in einer Explosionsansicht einen erfindungsgemäßen Transmitter und zusätzlich die dem Gangrad zugeordneten Ringe mit Reibflächen;
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4 in einer perspektivischen Ansicht den Transmitterkörper mit zwei daran angebrachten Verzahnungsscheiben;
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5 in einer perspektivischen Ansicht die beiden Reibringe des Transmitters;
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6 in einer perspektivischen Ansicht die Baugruppe von 3 im montierten Zustand;
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7 die Baugruppe von 6 in einer geschnittenen, perspektivischen Ansicht;
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8 die Baugruppe von 6 in einer Schnittansicht, wobei der Schnitt durch die Abstützelemente verläuft; und
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9 eine Schnittansicht ähnlich 8, wobei die Schnittebene durch die Verbindungselemente verläuft.
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In 1 ist eine Getriebewelle 10 eines Schaltgetriebes gezeigt, auf der zwei Gangräder 12, 14 angeordnet sind. Die Gangräder 12, 14 sind in Umfangsrichtung drehbar auf der Getriebewelle 10 angebracht. Die mit den Gangrädern 12, 14 in Eingriff stehenden weiteren Gangräder, die auf einer zweiten Getriebewelle angeordnet sind, sind hier der Übersichtlichkeit halber ebenso wenig dargestellt wie weitere Gangradpaare und die sonstigen Bestandteile des Schaltgetriebes.
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Zwischen den beiden Gangrädern 12, 14 ist ein Transmitter 16 angeordnet, der mittels einer Schaltgabel 18 in der einen oder anderen Richtung (siehe Pfeil P) geschaltet werden kann, um das eine oder das andere der beiden Gangräder 12, 14 drehfest mit der Getriebewelle 10 zu koppeln.
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Weiterhin ist in 1 schematisch ein Elektromotor 20 angedeutet, mit dem die Drehzahl einer zweiten Getriebewelle 11 auf einen bestimmten Wert gebracht werden kann. An dieser zweiten Getriebewelle sind die Gegen-Gangräder zu den Gangrändern 12, 14 drehfest angebracht. Mittels des Elektromotors 20 kann eine Zentralsynchronisierung erzielt werden.
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In 2 ist die Getriebewelle 10 mit den Gangrändern 12, 14 und dem Transmitter 16 im Detail gezeigt.
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Der Transmitter 16 weist einen Transmitterkörper 24 (siehe insbesondere die 3 bis 9) auf, die als ebene Scheibe mit einer Mittelöffnung ausgeführt ist. Als Material kann Metallblech verwendet werden. Es ist grundsätzlich auch denkbar, einen geeigneten Kunststoff zu verwenden.
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Auf den beiden Seiten des Transmitterkörpers ist jeweils eine ringförmige Scheibe 26 angeordnet, deren Innenrand als Verzahnung 28 ausgeführt ist. Die Verzahnung 28 bildet ein Drehmomentübertragungselement, das in eine komplementäre Getriebewellen-Verzahnung 30 (siehe 2) der Getriebewelle 10 eingreift. Die Verzahnungen 28, 30 sind dabei so bemessen, dass die Scheiben 26 in axialer Richtung verschiebbar auf der Getriebewelle 10 angeordnet sind, jedoch in Umfangsrichtung drehfest gekoppelt sind.
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Der Außenrand der Scheiben 26 ist als Kupplungsverzahnung 32 ausgeführt, die eine Kupplungsgestaltung darstellt, die zur drehfesten Verbindung mit dem entsprechenden Gangrad dient. Zu diesem Zweck ist eine komplementäre Gangrad-Kupplungsgestaltung in der Form einer Gangrad-Kupplungsverzahnung 34 vorgesehen, die am Innenrad eines Gangrad-Rings 36 ausgebildet ist. Die beiden Gangrad-Ringe 36 sind ebenso wie die beiden Scheiben 26 vorzugsweise aus Metall hergestellt. Es können Sinterteile oder Blechstanzteile verwendet werden.
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Der Gangrad-Ring 36 ist auf seiner Außenseite mit einer Reibfläche 38 versehen, die leicht konisch ausgeführt ist. Der entsprechende Konus konvergiert dabei zum Transmitterkörper 24 hin. Jeder Gangrad-Ring 36 ist drehfest an der Seitenfläche des entsprechenden Gangrades 12, 14 angebracht (siehe 2), wobei die Gangrad-Ringe 36 mit den Gangrädern 12, 14 beispielsweise verschweißt sein können.
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Auf jeder Seite des Transmitterkörpers 24 ist ein Reibring 40 angeordnet, der geschlitzt ist (siehe Schlitz 42). Jeder Reibring 40 ist auf seiner Innenseite mit einer Reibfläche 44 versehen, die mit der Reibfläche 38 des Gangrad-Rings 36 zusammenwirken kann. Auf der Außenfläche jedes Reibrings 40 ist eine Nut 46 vorgesehen, in der eine Ringfeder 48 (auch bezeichnet als geschlitzter Federring) angeordnet ist.
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Jeder Reibring 40 ist mit mehreren Abstützelementen in der Form von Abstützlaschen 50 versehen, die dem Transmitterkörper 24 zugewandt sind, sich also in axialer Richtung erstrecken. Am freien Ende jeder Abstützlasche 50 ist auf der radial nach innen ausgerichteten Seite eine Abstützfläche 52 ausgebildet (siehe insbesondere 5), die mit dem Rand einer im Transmitterkörper 24 vorgesehenen Abstützöffnung 54 zusammenwirken kann.
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Weiterhin ist jeder Reibring 40 mit zwei Verbindungselementen in der Form von Verbindungslaschen 60, 62 versehen, von denen eine, nämlich die Verbindungslasche 60, eine im weitesten Sinne schlüssellochartige Ausnehmung aufweist und die andere als daran angepasster Vorsprung ausgebildet ist. Auf diese Weise können die beiden Reibringe 40 in axialer Richtung aneinander befestigt werden. In diesem Zustand liegen die Stirnseite der Abstützlaschen 50 einander unmittelbar gegenüber oder aneinander an (siehe 5). Die einander gegenüberliegenden Abstützflächen 52 der Abstützlaschen 50 definieren dabei im Schnitt ein „V”.
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Bei der gezeigten Ausführungsform werden einander diametral gegenüberliegende Verbindungslaschen 60, 62 verwendet, während auf jeder Seite der Verbindungslaschen 60, 62 gleichmäßig verteilt jeweils zwei Paare von Abstützlaschen 50 angeordnet sind. Diese befinden sich also auf der 2-Uhr-Position, der 4-Uhr-Position, der 8-Uhr-Position und der 10-Uhr-Position, wenn die Verbindungslaschen 60, 62 als auf der 12-Uhr-Position und der 6-Uhr-Position liegend angenommen werden.
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Wie insbesondere in den 6 und 9 zu sehen ist, erstrecken sich die Verbindungslaschen 60, 62, wenn die beiden Reibringe 40 auf den entgegengesetzten Seiten des Transmitterkörpers 24 montiert sind, durch Verbindungsöffnungen 64 im Transmitterkörper hindurch. Dabei liegen die Abstützflächen 52 der Abstützlaschen 50 am entsprechend angeschrägten Innenrand 55 der Abstützöffnungen 54 an (siehe insbesondere die 7 und 8).
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Im Ausgangszustand, also wenn keines der beiden Gangräder 12, 14 mit der Getriebewelle 10 gekoppelt ist, befindet sich der Transmitter in einer Mittelstellung, in der keine der Scheiben 26 mit einem der Gangrad-Ringe 36 gekoppelt ist. Um einen Gang zu schalten, muss der Transmitter über die Schaltgabel 18 hin zum entsprechenden Gangrad bewegt werden. Vorher wird die Geschwindigkeit des entsprechenden Gangrades über den entsprechenden Motor möglichst nah an die Drehzahl der Getriebewelle 10 angeglichen.
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Wenn der Transmitterkörper 24 von der Schaltgabel 18 hin zum entsprechenden Gangrad gedrückt wird, nimmt der Transmitterkörper die beiden Reibringe 40 in der entsprechenden Richtung mit. Dabei stützt sich der „aktive” Reibring über die Abstützflächen 52 der Abstützlaschen 50 am schräg ausgeführten Innenrand 55 der Abstützöffnung 54 ab. Sobald es zum Reibkontakt zwischen der Reibfläche 44 des Reibrings 40 und der Reibfläche 38 des Gangrad-Rings 36 kommt, wird die Drehzahl des zu schaltenden Gangrades endgültig an die Drehzahl der Getriebewelle 10 angeglichen. Der Reibring ist dabei in der Lage, eine Restdrehzahldifferenz von bis zu 200 Umdrehungen je Minute anzugleichen.
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Grundsätzlich ist denkbar, bei entsprechender Auslegung des Reibrings auch größere Drehzahldifferenzen anzugleichen oder sogar völlig auf die Vorsynchronisierung durch den Elektromotor 20 zu verzichten.
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Der aktive Reibring verbleibt in seiner am Innenrand der Abstützöffnung 54 abgestützten Position, solange die Betätigungskraft des Transmitters kleiner ist als die Kraft, die nötig ist, um das aus dem Reibring 40 und der Ringfeder 48 gebildete Federsystem so aufzuweiten, dass die Abstützlaschen 50 des aktiven Reibrings 40 in die Abstützöffnung 54 hineinrutschen. Die hierfür nötige Kraft zum Aufweiten des Reibrings wird zum einen bestimmt von der dem Aufweiten entgegenwirkenden Federkraft und zum anderen der Ausrichtung der Abstützflächen 52, welche durch Anlage am schrägen Innenrand 55 der Abstützöffnung 54 des Transmitterkörpers 24 eine Aufspreizkraft erzeugen. Wenn die Betätigungskraft des Transmitterkörpers groß genug ist, kann der Transmitterkörper 24 den aktiven Reibring 40 aufweiten, sodass durchgeschaltet und die Kupplungsverzahnung 42 der Scheibe 26 in die Gangrad-Kupplungsverzahnung 34 des Gangrad-Rings 36 eingespurt werden kann. Dadurch ist das entsprechende Gangrad drehfest mit der Getriebewelle 10 verbunden.
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Im durchgeschalteten Zustand liegt der aktive Reibring 40 an der ihm zugewandten Außenfläche des entsprechenden Gangrades 12, 14 an, die dann eine axial wirksame Anlagefläche darstellt. Dadurch ist die Position des aktiven Reibrings (und über die Verbindungslaschen 60, 62 auch die Position des nicht aktiven Reibrings) definiert.
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Die vom Federsystem aus Reibring und Ringfeder erzeugte Kraft, die einem Aufspreizen des Reibrings entgegenwirkt, und die über den Transmitterkörper 24 bereitgestellte Spreizkraft bei einer Schaltbetätigung sind so ausgelegt, dass ein Ausgleich der verbleibenden Drehzahldifferenz zwischen Gangrad und Getriebewelle abgeschlossen ist, wenn der Transmitter mit dem entsprechenden Gangrad gekoppelt ist. Aufgrund der sehr geringen Restdrehzahldifferenz, die angeglichen werden muss, kann der Reibring sehr schmal ausgeführt werden. Durch den Verzicht auf eine Sperrgeometrie, wie sie bei einer Synchronisierungs-Schaltgruppe vorhanden ist, ist die Gefahr eines Doppeleingriffs verhindert. Außerdem ist eine deutliche Reduzierung des Schaltwegs möglich. Der axiale Bauraum gegenüber einer herkömmlichen Synchronisierung kann erheblich reduziert werden. Das Schalten im Stillstand erfolgt sicher und zuverlässig wie bei synchronisierten Getrieben.
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Da das Lösen des geschlitzten Reibringes vom Konus durch ein radiales Aufspreizen erfolgt, kann die Konusreibkupplung mit einem Konuswinkel im Bereich der Selbsthemmung des Reibsystemes ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Reibmomentes bei gleicher Betätigungskraft.
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Das Schalten des Transmitters kann auch über einen Aktuator so geregelt werden, dass erst nach Erreichen des Drehzahlangleiches die Betätigungskraft derart erhöht wird und somit ein Aufspreizen des Reibringes und ein Durchschalten ermöglicht wird.
