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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen einer schaltbaren, in mindestens eine Drehrichtung wirkenden Anordnung zum Herstellen einer drehfesten Verbindung zwischen zwei relativ zueinander verdrehbaren Komponenten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Druckschrift
US 2014/291100 A2 offenbart eine bidirektionale magnetisch schaltbare Freilaufkupplung mit Sperrklinken, die magnetisch aktuiert werden. Ein elektrischer Magnet generiert wahlweise magnetische Felder unterschiedlicher Polarität, um die Sperrklinken in eine von zwei Eingriffspositionen oder eine Neutralstellung zu bewegen. Jede Eingriffsposition zeichnet sich dadurch aus, dass eine Drehung in genau eine, jeweils unterschiedliche Drehrichtung ermöglicht wird. Die Neutralstellung schränkt die Verdrehbarkeit nicht ein.
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In der Druckschrift
US 2012/103746 A2 wird eine elektromagnetisch aktuierbare Freilaufkupplung beschrieben. Schwenkbare Klemmkörper werden in einem Ausführungsbeispiel mittels Federkraft in eine Freilaufposition gedrängt, sodass keine Kraftübertragung vom inneren zum äußeren Ring stattfinden kann. Ein Elektromagnet kann die Klemmkörper entgegen der Federkraft in eine Eingriffsposition bringen, sodass eine Kraftübertragung stattfinden kann. Hierzu werden zwei verschiedene Spulen benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen magnetisch schaltbaren Freilauf unter Vermeidung dem aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile verfügbar zu machen. Insbesondere soll der Freilauf mit hohen Drehmomenten belastbar und kostengünstig herzustellen sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die Anordnung umfasst eine erste Komponente, eine zweite Komponente, ein erstes Sperrelement und mindestens einen Elektromagneten. Bei der Anordnung handelt es sich um einen Freilauf, um eine Kupplung oder um eine Bremse. Entsprechend sind die erste Komponente und die zweite Komponente relativ zueinander frei, d.h. in eine erste Richtung und eine zweite Richtung, verdrehbar, wenn das erste Sperrelement eine erste Position einnimmt. Die erste Richtung und die zweite Richtung sind dabei einander entgegengesetzt.
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Wenn das Sperrelement eine zweite Position einnimmt, sperrt es eine Verdrehung der ersten Komponente und der zweiten Komponente um die Drehachse relativ zueinander in die zweite Richtung. Die Verdrehung wird mechanisch gesperrt. Dies bedeutet, dass das Sperrelement per Kraftschluss und/oder Formschluss zwischen dem Sperrelement und der ersten Komponente sowie zwischen dem Sperrelement und der zweiten Komponente eine Kraft aufbringt, die der gesperrten Verdrehung entgegenwirkt. Handelt es sich bei der Anordnung um einen Freilauf, der einseitig sperrt, ist eine Verdrehung der ersten Komponente und der zweiten Komponente um die Drehachse relativ zueinander in die erste Richtung weiterhin möglich, wenn das erste Sperrelement die zweite Position einnimmt.
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Bei der ersten Komponente handelt es sich vorzugsweise um eine drehbar gelagerte Welle. Vorzugsweise stellt auch die zweite Komponente eine drehbar gelagerte Welle dar. Alternativ kann es sich bei der zweiten Komponente um eine Nabe oder um ein Getriebegehäuse handeln.
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Der Elektromagnet ist ausgebildet, ein Magnetfeld zu erzeugen. Dieses ist aktivier- und deaktivierbar. Durch Einschalten des Elektromagneten, d.h. durch einen Stromfluss durch eine Spule des Elektromagneten wird das Magnetfeld aktiviert. Durch Ausschalten des Elektromagneten, d.h. durch Unterbrechen des Stromflusses durch die Spule des Elektromagneten, wird das Magnetfeld entsprechend deaktiviert. Das Magnetfeld ist also genau dann vorhanden, wenn durch die Spule des Elektromagneten ein Strom fließt. Fließt kein Strom durch die Spule des Elektromagneten, ist kein Magnetfeld vorhanden bzw. beträgt eine Feldstärke des Magnetfelds an jedem Ort Null.
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Mittels des Magnetfelds des Elektromagneten wird das erste Sperrelement aktuiert. So bewirkt das Magnetfeld, dass das erste Sperrelement die zweite Position einnimmt. Nimmt das Sperrelement zunächst die erste Position ein, wird es durch Einschalten des Elektromagneten bzw. Aktivierung des Magnetfelds in die zweite Position überführt.
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Erfindungsgemäß verläuft das Magnetfeld des Elektromagneten mindestens teilweise durch das erste Sperrelement. Weiterhin besteht das erste Sperrelement mindestens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise aus Eisen. Insbesondere der aus dem ferromagnetischen Material bestehende Teil des Sperrelements wird von dem Magnetfeld mindestens teilweise durchdrungen. Dies bewirkt, dass das Sperrelement einen magnetischen Fluss des Magnetfelds leitet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Verwendung eines herkömmlichen Freilaufs, etwa eines Freilaufs mit Sperrklinken oder Klemmkörpern, bei dem eine Sperrklinke oder ein Klemmkörper das erste Sperrelement bildet. Durch Kombination mit einem Elektromagneten wird daraus die erfindungsgemäße Anordnung.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Feder vorgesehen, die dem Magnetfeld des Elektromagneten entgegenwirkt. Entsprechend bewegt die Feder, dass das Sperrelement die erste Position einnimmt, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet ist. Nimmt das erste Sperrelement zunächst die erste Position ein und wird der Elektromagnet ausgeschaltet, bewirkt die Feder eine Überführung des ersten Sperrelements von der zweiten Position in die erste Position.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung verläuft das Magnetfeld mindestens teilweise in radialer Richtung, d.h. orthogonal zu der oben genannten Drehachse bzw. entlang einer orthogonal zu der Drehachse verlaufenden Geraden, welche die Drehachse schneidet. durch das erste Sperrelement. Ein solches Magnetfeld bewirkt eine radiale Orientierung des ersten Sperrelements. In diesem Fall bewirkt die oben beschriebene Feder eine Orientierung des ersten Sperrelements in Richtung des Umfangs eines orthogonal zu der Drehachse ausgerichteten Kreises, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse liegt.
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Das beschriebene Magnetfeld wird in einer bevorzugten Weiterbildung durch einen Elektromagneten erzeugt, dessen Wicklungsachse entlang eines Kreises verläuft, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse liegt, und der orthogonal zu der Drehachse ausgerichtet ist. Als Wicklungsachse eines Elektromagneten wird die Mittelachse seiner Spule bezeichnet.
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Vorzugsweise ist darüber hinaus der Elektromagnet rotationssymmetrisch. Dies bedeutet insbesondere, dass die Spule und ein Kern des Elektromagneten rotationssymmetrisch sind. Die Symmetrieachse ist dabei bevorzugt mit der oben genannten Drehachse identisch.
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Ein rotationssymmetrischer Magnet ist geeignet, ein rotationssymmetrisches Magnetfeld entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung zu erzeugen.
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In jeder die Drehachse enthaltenden Schnittebene, d.h. in jedem Längsschnitt, bilden die Feldlinien des Magnetfelds in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung geschlossene Kurven. Bei den geschlossenen Kurven handelt es sich etwa um Ovale, Ellipsen oder Kreise.
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Darüber hinaus bevorzugt wird eine Weiterbildung, gemäß derer das erste Sperrelement in der ersten Komponente, in der zweiten Komponente oder in einem Käfig drehbar gelagert ist. Ist das erste Sperrelement drehbar in der ersten Komponente gelagert, sind die erste Komponente und das erste Sperrelement relativ zueinander bezüglich der oben genannten Drehachse drehfest. Zusammen mit der ersten Komponente rotiert das erste Sperrelement also relativ zu der zweiten Komponente um die Drehachse. Bezüglich der ersten Komponente ist das erste Sperrelement um eine von dieser Drehachse verschiedene weitere Drehachse dreh- bzw. verkippbar. Selbige Ausführungen gelten Mutadis Mutandis für ein in der zweiten Komponente dreh- bzw. verkippbar gelagertes erstes Sperrelement.
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Neben dem ersten Sperrelement kann die Anordnung weitere Sperrelemente aufweisen. Entsprechend ist in einer bevorzugten Weiterbildung ein zweites Sperrelement vorgesehen. Wenn dieses eine erste Position einnimmt, sind die erste Komponente und die zweite Komponente relativ zueinander um die oben genannte Drehachse in die erste Richtung und die zweite Richtung verdrehbar.
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Wird nun der Elektromagnet eingeschaltet und das Magnetfeld aktiviert, verläuft das Magnetfeld des Elektromagneten mindestens teilweise auch durch das zweite Sperrelement. Wie das erste Sperrelement besteht auch das zweite Sperrelement mindestens teilweise auf einem ferromagnetischen Material. Das aktivierte Magnetfeld bewirkt somit, dass neben dem ersten Sperrelement auch das zweite Sperrelement von der ersten in eine zweite Position überführt wird.
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Eine weitere Feder kann vorgesehen sein, die auf das zweite Sperrelement wirkt, sodass das zweite Sperrelement die erste Position einnimmt, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet ist. Weiterhin verläuft das Magnetfeld vorzugsweise mindestens teilweise in radialer Richtung durch das zweite Sperrelement. Schließlich ist das zweite Sperrelement wie das erste Sperrelement bevorzugt in der ersten Komponente, in der zweiten Komponente oder in dem Käfig drehbar gelagert.
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Nimmt das zweite Sperrelement eine zweite Position ein, sperrt das zweite Sperrelement eine Verdrehung der ersten Komponente und der zweiten Komponente um die Drehachse relativ zueinander.
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Die Sperrwirkung des zweiten Sperrelements kann in die erste Richtung oder in die zweite Richtung orientiert sein. Wenn das zweite Sperrelement eine Verdrehung der ersten Komponente und der zweiten Komponente um die Drehachse relativ zueinander in die zweite Richtung sperrt, wenn es die zweite Position einnimmt, unterstützt das zweite Sperrelement die Sperrwirkung des ersten Sperrelements. Auf diese Weise lassen sich größere Drehmomente zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente übertragen.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung sperrt das zweite Sperrelement jedoch eine Verdrehung der ersten Komponente und der zweiten Komponente um die Drehachse relativ zueinander in die erste Richtung, wenn das zweite Sperrelement die zweite Position einnimmt. Durch Aktivierung des Magnetfelds kann nun eine Verdrehung der ersten Komponente und der zweiten Komponente um die Drehachse relativ zueinander zugleich sowohl in die erste Richtung als auch in die zweite Richtung gesperrt werden. Die Wirkung dieser Anordnung entspricht mithin der Wirkung einer Kupplung oder einer Bremse. Eine derartige Kupplung oder Bremse lässt sich durch weiterbildungsgemäße Abwandlung eines herkömmlichen Sperrklinken oder Klemmlaufs auf besonders einfache Weise herstellen und ist zudem besonders belastbar.
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Hinsichtlich der Wirkung des Magnetfelds des Elektromagneten ist eine Anordnung de Elektromagneten in unmittelbarer Nähe des ersten Sperrelements und gegebenenfalls des zweiten Sperrelements vorteilhaft. Allerdings lässt der zur Verfügung stehende Bauraum eine derartige Anordnung nicht immer zu. In diesem Fall dienen in einer bevorzugten Weiterbildung die erste Komponente und/oder die zweite Komponente dazu, einen magnetischen Fluss des Magnetfelds zu leiten. Dazu müssen die erste Komponente und/oder die zweite Komponente mindestens teilweise ferromagnetisch sein. Weiterhin muss das zu leitende Magnetfeld mindestens teilweise durch die erste Komponente und/oder die zweite Komponente verlaufen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Dabei kennzeichnen übereinstimmende Bezugsziffern gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
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1 einen Klemmkörperfreilauf;
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2 einen Elektromagneten zum Aktuieren der Klemmkörper; und
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3 einen bidirektional sperrenden Klemmkörperfreilauf.
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Ein Klemmkörperfreilauf 101 gemäß 1 weist einen Innenring 103 und einen Außenring 105 auf. Der Innenring 103 und der Außenring 105 sind relativ zueinander um eine Drehachse 107 verdrehbar. Die Drehachse 107 verläuft orthogonal zu der Bildebene von 1.
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Zwischen dem Innenring 103 und dem Außenring 105 ist ein Käfig 109 angeordnet, in dem Klemmkörper 111 verkippbar gelagert sind. Die Klemmkörper 111 wirken einer Drehung des Außenrings 105 relativ zu dem Innenring 103 gegen den Uhrzeigersinn bzw. einer Drehung des Innenrings 103 relativ zu dem Außenring 10 im Uhrzeigersinn entgegen, wenn sie – wie in 1 dargestellt – aufgerichtet sind.
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Federn 113 wirken einer Aufrichtung der Klemmkörper 111 entgegen. Wenn kein Magnetfeld anliegt, sind der Innenring 103 und der Außenring 105 somit relativ zueinander frei verdrehbar.
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2 zeigt einen Querschnitt des Klemmkörperfreilaufs 101. Neben dem Klemmkörperfreilauf 101 ist hier ein Magnet 113 dargestellt. Zu dem Magneten 113 gehören eine Spule 115 und ein Kern 117. Durch Beaufschlagen der Spule 115 mit einem elektrischen Strom wird ein Magnetfeld 119 erzeugt. Das Magnetfeld 119 verläuft durch den Außenring 107, die Klemmkörper 111 und den Innenring 113. Es bewirkt, dass sich die Klemmkörper 111 aufrichten.
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Bei dem in 3 dargestellten Klemmkörperfreilauf 101 sind die Klemmkörper 301a, 301b paarweise entgegengesetzt zueinander angeordnet. Auch hier wirkt jeweils eine Feder 112 auf die Klemmkörper 301a, 301b. Wenn der Magnet 113 ausgeschaltet ist, sind der Innenring 103 und der Außenring 105 somit relativ zueinander frei verdrehbar.
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Beim Einschalten des Magneten 113 richtet das Magnetfeld 119 die Klemmkörper 301a, 301b auf. Aufgrund ihrer entgegengesetzten Orientierung sperren die Klemmkörper 301a, 301b nun jede Drehung des Innenrings 103 und des Außenrings 105 relativ zueinander. Bei eingeschaltetem Magnetfeld 119 entsteht somit eine drehfeste Verbindung zwischen dem Innenring 103 und dem Außenring 105.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Klemmkörperfreilauf
- 103
- Innenring
- 105
- Außenring
- 107
- Drehachse
- 109
- Käfig
- 111
- Klemmkörper
- 112
- Feder
- 113
- Magnet
- 115
- Spule
- 117
- Kern
- 119
- Magnetfeld
- 301a
- Klemmkörper
- 301b
- Klemmkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/291100 A2 [0002]
- US 2012/103746 A2 [0003]
