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Die Erfindung betrifft eine Zylinderanordnung, zumindest umfassend einen Zylinder und einen darin angeordneten Kolben, wobei der Kolben zumindest ein Dichtelement zum Dichten der relativ zueinander verschiebbaren Bauteile Kolben und Zylinder aufweist; und ein hydraulisches oder pneumatisches Rücksystem für eine Reibkupplung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Dichtelemente bekannt, die zum Dichten in einem hydraulischen System geeignet sind. Dabei kann jedoch aufgrund der Federkraft der Kontaktlippe und dem Reibkontakt mit der korrespondierenden Dichtfläche ein sogenannter Stick-Slip-Effekt auftreten, das heißt die Kontaktlippe hebt aufgrund der Reibung und der Vorspannung ab und senkt sich wieder und erzeugt so ein hörbares Geräusch, zum Beispiel ein Rattern oder Quietschen. Dieser Effekt ist bei manchen Werkstoffen, wie zum Beispiel silikonbasierten Dichtungen, vermindert. Allerdings sind solche Werkstoffe nicht mit allen gängigen Medien, zum Beispiel Bremsflüssigkeiten, kompatibel. Dichtungen aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) zum Beispiel sind über ein großes Feld von Medien einsetzbar. Dieser Werkstoff neigt jedoch zum Quietschen aufgrund eines ausgeprägten Stick-Slip-Effekts.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung betrifft eine Zylinderanordnung mit zumindest einem Zylinder und einem darin angeordneten Kolben, wobei der Kolben zumindest ein Dichtelement zum Dichten der relativ zueinander verschiebbaren Bauteile Kolben und Zylinder aufweist und zumindest eine Kontaktlippe mit einem Umfang umfasst, die dazu eingerichtet ist, im Einbau verschiebbar an einer korrespondierenden Dichtfläche des Zylinders umfänglich anzuliegen und somit eine Dichtwirkung einzustellen; wobei zumindest die Dichtfläche aus einem unpolaren Material besteht.
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Die Zylinderanordnung umfasst zum Beispiel ein Dichtelement eines Kolbens, zum Beispiel eines Geberkolbens oder Nehmerkolbens eines hydraulischen oder pneumatischen Rücksystems, die der Abdichtung einer hydraulischen Flüssigkeit oder eines pneumatischen Gases gegenüber der Umgebung dient. Das Dichtelement weist dazu eine Kontaktlippe auf, die auf einer korrespondierenden Dichtfläche aufliegt und relativ zur Dichtfläche eine Bewegung ausführt. Die Kontaktlippe ist dabei derart gegen die Dichtfläche gepresst, dass keine beziehungsweise nur eine vernachlässigbare Menge der hydraulischen Flüssigkeit oder des pneumatischen Gases diese Barriere durchbrechen kann. Die Kontaktlippe muss dabei nicht allein die Kraft auf die Kontaktlippe aufbringen, sondern sie kann zudem so eingerichtet sein, dass sie durch das Fluid unterstützt wird und die Kontaktlippe zusätzlich gegen die korrespondierende Dichtfläche gepresst wird.
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Insbesondere ist das Material ein Polypropylen oder Polyethylen. Diese Kunststoffe aus der Gruppe der Thermoplaste weisen geringe zwischenmolekulare Kräfte auf.
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Diese zwischenmolekularen Kräfte sind Bindungskräfte, die valenzmäßig abgesättigte Moleküle zu Molekülverbänden vereinigen. Sie wirken über weite Distanzen. Als Synonym wird die Bezeichnung Van-der-Waals-Kräfte verwendet.
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Ein Vergleich von Thermoplasten mit Duroplasten verdeutlicht, dass die direkte Verknüpfung der Polymerketten durch Atombindungen einen sehr großen Einfluss auf die Eigenschaften von Kunststoffen hat. Aber auch die zwischenmolekulare Kräfte (man spricht auch von Nebenvalenzen) zwischen den Makromolekülen spielen eine große Rolle. Da die Polymerketten extrem lang sind, werden die Kräfte zwischen diesen Ketten sehr groß.
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Polymerketten, die polare Gruppen besitzen, werden durch Dipol-Dipol-Kräfte untereinander angezogen. Diese Kräfte sind nicht so stark wie die Wasserstoff-Brücken, aber wesentlich höher als bei unpolaren Kunststoffen, wie z.B. Polyethylen.
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Unpolare Kunststoffe, wie Polyethylen oder Polypropylen, haben viel tiefere Erweichungsbereiche als andere Kunststoffe, denn ihre Polymerketten werden nur durch die schwachen Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten.
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Die Verwendung von unpolarem Material zumindest für die Dichtfläche ermöglicht den Einsatz von Dichtelementen, die aus EPDM bestehen. Der üblicherweise auftretende Stick-Slip-Effekt wird hier verringert und/oder vollständig unterdrückt. Dies ist dadurch begründet, dass zwischen Dichtelement und Dichtfläche nun geringere zwischenmolekulare Kräfte wirken, so dass ein aneinanderhaften von Dichtelement und Dichtfläche schneller überwunden wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Zylinder aus dem unpolaren Material. Insbesondere ist das Gehäuse des Zylinders vollständig aus dem unpolaren Material hergestellt.
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Insbesondere ist zumindest die Dichtfläche
- • durch eine Beschichtung einer Zylinderinnenwand gebildet, wobei die Beschichtung (ausschließlich) das unpolare Material umfasst; oder
- • durch eine Hülse gebildet, die an der Zylinderinnenwand angeordnet ist, wobei die Hülse (ausschließlich) aus dem unpolaren Material besteht; oder
- • durch einen 2K-Prozess (2-Komponenten-Prozess) hergestellt.
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Bei einem 2K-Prozess werden unterschiedliche Materialen zu einem Endprodukt in einem gemeinsamen Herstellungsprozess zusammengefügt. Insbesondere sind 2K-Spritzgießprozesse hiermit gemeint. Damit können z. B. härtere Kunststoffe zusammen mit unpolarem Material verarbeitet werden, so dass z. B. eine Zylinderinnenwand zumindest im Bereich der Dichtfläche aus unpolarem Material besteht und insbesondere alle anderen Bereiche des Zylinders aus dem härteren Kunststoff bestehen. Dabei sind beide Werkstoffe stoffschlüssig miteinander verbunden. Stoffschlüssige Verbindungen werden insbesondere alle Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen.
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Insbesondere ist der Zylinder ein Geberzylinder, ein Semi-Nehmer Zylinder oder ein Nehmerzylinder. Die Unterscheidung der einzelnen Zylinder ist dem Fachmann geläufig.
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Insbesondere ist der Zylinder ein Geberzylinder mit einem Primärdichtelement und einem Sekundärdichtelement (also zwei Dichtelementen), wobei beide Dichtelemente an dem Kolben angeordnet sind und zumindest das Sekundärdichtelement mit der Kontaktlippe an der Dichtfläche anliegt und entlang der Dichtfläche bewegt wird.
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Die Primärdichtung dichtet den Nachlaufbereich des Zylinders gegenüber der Betätigung und/oder der Umgebung ab. Der Nachlaufbereich eines Geberzylinders ist der Bereich zwischen Primärdichtelement und Sekundärdichtelement, der aus einem Reservoir des Fluids (drucklos) befüllt wird. Das Sekundärdichtelement dichtet den Druckraum gegenüber dem (drucklosen) Nachlaufbereich ab. Der Druckraum ist insbesondere mit dem Nehmerzylinder fluidtechnisch über eine Druckleitung verbunden, so dass durch die Betätigung des Geberzylinders Fluid aus dem Druckraum des Geberzylinders über die Druckleitung hin zum Nehmerzylinder strömt und somit der Nehmerzylinder betätigt wird.
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Das unpolare Material ist insbesondere (auch/zusätzlich) für die Dichtfläche einsetzbar, die mit dem Primärdichtelement der Zylinderanordnung zusammenwirkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein hydraulisches oder pneumatisches Rücksystem für eine Reibkupplung vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- • eine Geberzylinderanordnung mit einem Geberkolben in einem Geberzylinder,
- • eine Nehmerzylinderanordnung mit einem Nehmerkolben in einem Nehmerzylinder,
wobei die Geberzylinderanordnung und die Nehmerzylinderanordnung strömungstechnisch miteinander kommunizieren, sodass eine Bewegung des Geberkolbens in eine Bewegung des Nehmerkolbens umsetzbar ist, wobei zumindest einer der Zylinderanordnungen eine erfindungsgemäße Zylinderanordnung umfasst, wobei mittels des mindestens einen Dichtelements der Kolben gegenüber dem zugehörigen Zylinder derart abdichtbar ist, dass ein Überströmen eines Fluids im zugehörigen Zylinder in zumindest einer Richtung unterbindbar ist.
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Das hydraulische oder pneumatische Rücksystem besteht aus einem Geberkolben, welcher in einem Geberzylinder ein Gebervolumen komprimieren kann und einem entsprechenden Nehmerkolben, welcher in einem Nehmerzylinder infolge einer Volumenerweiterung im Nehmerzylinder bewegt wird. Entgegen der Namensgebung Geberkolben und Nehmerkolben ist auch eine rückläufige Übertragung der Kräfte möglich. Zudem kann eine Übersetzung durch unterschiedliche Kolbenflächen oder sonstige Elemente stattfinden. Zumindest einer der Zylinderanordnungen ist dabei erfindungsgemäß ausgeführt, wobei infolge der Ausführung der Dichtfläche aus einem unpolaren Material nur ein geringer Stick-Slip-Effekt auftritt. Besonders bevorzugt wird im Kontakt zwischen Dichtfläche und Kontaktlippe ein Stick-Slip-Effekt soweit unterbunden, dass eine Geräuschentwicklung nicht mehr stattfindet und eine deutlich verbesserte Dichtwirkung über alle Betriebszustände (Kolbengeschwindigkeit, Druckverhältnisse im Druckraum/ Nachlaufbereich, Art des Fluids, Temperatur des Fluids) erreicht wird.
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Weiterhin wird eine Reibkupplung mit einer Rotationsachse zum lösbaren Verbinden einer Abtriebswelle mit einem Antriebsstrang vorgeschlagen, welche zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- • zumindest ein Reibpaket, wobei über das Reibpaket im angepressten Zustand ein Drehmoment übertragbar ist;
- • ein Rücksystem gemäß der obigen Beschreibung zum Betätigen des Reibpakets mittels des Nehmerkolbens.
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Die Reibkupplung ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment lösbar von einer Abtriebswelle auf einen Antriebsstrang und umgekehrt zu übertragen. Dies wird in der Regel über das zumindest eine Reibpaket, wie es oben beschrieben ist, erreicht, welches eine axial verschiebbare, in der Regel mit der Abtriebswelle rotationsfeste, Anpressplatte aufweist, die gegen zumindest eine korrespondierende Reibscheibe pressbar ist und dann ein Drehmoment übertragen kann. Die Kraft wird hierbei durch ein Betätigungssystem erzeugt, welches direkt oder indirekt durch einen Benutzer betätigt wird. Von diesem Betätigungssystem geht die Kraft aus, die zu einer axialen Verpressung des zumindest einen Reibpakets führt. Besonders bevorzugt ist das Betätigungssystem dabei hydraulisch oder pneumatisch eingerichtet, wodurch besonders große Axialkräfte erzeugt werden können und ein Übersetzungsverhältnis leicht einstellbar ist. Hierbei ist der Einsatz einer Zylinderanordnung gemäß der obigen Beschreibung vorteilhaft, weil Geräusche den Fahrer beunruhigen können.
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Weiterhin wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches eine Antriebseinheit mit einer Abtriebswelle, einen Antriebsstrang und eine Reibkupplung gemäß der obigen Beschreibung zum lösbaren Verbinden der Abtriebswelle mit dem Antriebsstrang aufweist.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt die Antriebseinheit, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder einen Elektromotor, vor der Fahrerkabine und quer zur Hauptfahrrichtung an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, eine Reibkupplung kleiner Baugröße zu verwenden.
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Verschärft wird die Bauraumsituation bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert ausgeführt. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Die hier Zylinderanordnung erlaubt einen geräuschfreien Betrieb eines hydraulischen Ausrückers. Dies ist für den Fahrer besonders angenehm und für Kleinwagen setzt sich die hydraulische Betätigung aufgrund zunehmender Bauteilmengen durch.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht, Leistung eingeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beispielsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen Fox oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio.
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Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände. Es zeigen:
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1: eine Geberzylinderanordnung im Schnitt;
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2: ein Detail der Geberzylinderanordnung gemäß 1;
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3: die Geberzylinderanordnung aus 1 im betätigten Zustand;
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4: ein Detail der Geberzylinderanordnung gemäß 3;
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5: ein Rücksystem mit Reibkupplung;
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6: ein Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine Zylinderanordnung 1, wobei hier eine Geberzylinderanordnung 15 mit einem Geberzylinder 20 dargestellt ist. Über eine Betätigung 43 wird der Kolben 4 innerhalb des Zylinders 3 bewegt. Der Kolben 4 weist ein Primärdichtelement 13 und ein Sekundärdichtelement 14 auf. Die Primärdichtung 13 dichtet den Nachlaufbereich 38 des Zylinders 3 gegenüber der Betätigung 43 und/oder der Umgebung (außerhalb des Zylinders 3) ab. Der Nachlaufbereich 38 eines Geberzylinders 20 ist der Bereich zwischen Primärdichtelement 13 und Sekundärdichtelement 14, der aus einem Reservoir des Fluids 23 (drucklos) über einen Zulauf 44 befüllt wird. Das Sekundärdichtelement 14 dichtet den Druckraum 37 zumindest gegenüber dem (drucklosen) Nachlaufbereich 38 ab, so dass in dieser Richtung 45 kein Fluid 23 aus dem Druckraum 37 austreten kann. Der Druckraum 37 ist insbesondere mit einem Nehmerzylinder 22 (nicht gezeigt) fluidtechnisch über eine Druckleitung 35 verbunden, so dass durch die Betätigung des Geberzylinders 20 Fluid 23 aus dem Druckraum 37 des Geberzylinders 20 über die Druckleitung 35 hin zum Nehmerzylinder 22 strömt und somit der Nehmerzylinder 22 betätigt wird.
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Das Sekundärdichtelement 14 bewegt sich hier mit dem Geberkolben 19 entlang der Dichtfläche 7 an der Zylinderinnenwand 10. Der Zylinder 3 weist an der Seite der Betätigung 43 einen Anschlagring 40 auf, der den Weg des Kolbens 4 und der Betätigung 43 in einer Richtung 45 begrenzt. Der Anschlagring 40 wirkt mit einem O-Ring 41 zusammen zur Abdichtung des Zylinders 3.
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2 zeigt ein Detail der Geberzylinderanordnung 15 gemäß 1. Das Sekundärdichtelement 14 ist an dem Kolben 4 angeordnet und weist eine Kontaktlippe 5 auf, die auf einer korrespondierenden, an der Zylinderinnenwand 10 ausgebildeten, Dichtfläche 7 aufliegt und relativ zur Dichtfläche 7 eine Bewegung ausführt. Die Kontaktlippe 5 ist dabei derart gegen die Dichtfläche 7 gepresst, dass keine beziehungsweise nur eine vernachlässigbare Menge des hydraulischen Fluids 23 oder eines pneumatischen Gases diese Barriere durchbrechen kann.
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Die Dichtfläche 7 innerhalb des Gehäuses 39 des Zylinders 3 ist hier durch ein unpolares Material 8 gebildet. Dieses Material 8 kann als Beschichtung 9, als Hülse 11 oder infolge eines 2K-Prozesses 12 an der Zylinderinnenwand 10 angeordnet werden.
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3 zeigt die Geberzylinderanordnung 15 aus 1 im betätigten Zustand. Der Kolben 4 wurde entlang der Richtung 45 hin zur Druckleitung 35 bewegt, so dass Fluid 23 aus dem Druckraum 37 austritt und über die Druckleitung 35 einem Nehmerzylinder 22 zugeführt wird. Dabei wurde das Sekundärdichtelement 14 entlang der Dichtfläche 7 in der Richtung 45 mitbewegt. Die Rückstellfeder 42 im Druckraum 37 ist gespannt, so dass die Rückstellfeder eine Rückstellkraft auf den Kolben 4 ausübt.
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4 zeigt ein Detail der Geberzylinderanordnung 15 gemäß 3. Die Kontaktlippe 5 des Sekundärdichtelements 15 ist entlang der Richtung 45 an der Dichtfläche 7 entlang bewegt und dichtet weiterhin den Nachlaufbereich 38 gegenüber der Umgebung bzw. gegenüber der Betätigung 43 ab.
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5 zeigt ein hydraulisches oder pneumatisches Rücksystem 17, wobei in einer Geberzylinderanordnung 15 ein Geberkolben 19 in einem Geberzylinder 20 über ein Kupplungspedal 33 betätigbar ist. Der Geberkolben 19 ist gegenüber dem Geberzylinder 20 mittels eines Dichtelements 2, wie es zum Beispiel in 2 und 4 gezeigt ist, abgedichtet und somit ist ein Fluid 23 in dem Geberzylinder 20 durch den Geberkolben 19 beeinflussbar. Über die Druckleitung 35 wird das Fluid 23 bei einem Betätigen des Kupplungspedals 33 in den Nehmerzylinder 22 einer Nehmerzylinderanordnung 16 gedrückt und durch ein weiteres Dichtelement 2, wie es zum Beispiel in 1 gezeigt ist, wird die Wirkung des strömenden Fluids 23 auf den Nehmerkolben 21 übertragen. Dieser wiederum betätigt eine Tellerfeder 36, die somit das Reibpaket 27 einer Reibkupplung 18 voneinander ausrückt, so dass ein an einer Abtriebswelle 25 anliegendes Drehmoment nicht weiter auf die Getriebewelle 34 übertragen wird. Die Reibkupplung 18 weist eine Rotationsachse 24 auf, um die die Elemente der Reibkupplung 18 rotieren.
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In 6 ist ein Kraftfahrzeug 28 mit einer Antriebseinheit 29 gezeigt, welche mit ihrer Motorachse 32 quer zur Längsachse 31 vor der Fahrerkabine 30 angeordnet ist. Die Antriebseinheit 29 ist hier als Verbrennungskraftmaschine dargestellt, welche über eine Abtriebswelle 25 mittels einer Reibkupplung 18, die eine Rotationsachse 24 in Flucht mit der Motorachse 32 aufweist, mit einem hier rein schematisch dargestellten Antriebsstrang 26 verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderanordnung
- 2
- Dichtelement
- 3
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 5
- Kontaktlippe
- 6
- Umfang
- 7
- Dichtfläche
- 8
- Material
- 9
- Beschichtung
- 10
- Zylinderinnenwand
- 11
- Hülse
- 12
- 2K-Prozess
- 13
- Primärdichtelement
- 14
- Sekundärdichtelement
- 15
- Geberzylinderanordnung
- 16
- Nehmerzylinderanordnung
- 17
- hydraulisches oder pneumatisches Rücksystem
- 18
- Reibkupplung
- 19
- Geberkolben
- 20
- Geberzylinder
- 21
- Nehmerkolben
- 22
- Nehmerzylinder
- 23
- Fluid
- 24
- Rotationsachse
- 25
- Abtriebswelle
- 26
- Antriebsstrang
- 27
- Reibpaket
- 28
- Kraftfahrzeug
- 29
- Antriebseinheit
- 30
- Fahrerkabine
- 31
- Längsachse
- 32
- Motorachse
- 33
- Kupplungspedal
- 34
- Getriebewelle
- 35
- Druckleitung
- 36
- Tellerfeder
- 37
- Druckraum
- 38
- Nachlaufbereich
- 39
- Gehäuse
- 40
- Anschlagring
- 41
- O-Ring
- 42
- Rückstellfeder
- 43
- Betätigung
- 44
- Zulauf
- 45
- Richtung
