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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zum Einsatz in einem Nebenaggregatetrieb einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Innenring, der dazu vorbereitet ist, drehstarr / drehmomentübertragend auf einer Welle, wie einer Generatorwelle, angeordnet zu sein, und einer konzentrisch außerhalb zum Innenring angeordneten Riemenscheibe, die dazu vorbereitet ist, etwa an einer nach radial außen zeigenden Riemeneingriffskontur, mit einem Endloszugmittel drehmomentübertragend in Verbindung zu stehen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Riemenscheiben bekannt. Unter dem Begriff „overrunning alternator pulley“, kurz OAP, versteht man solche Riemenscheiben, die einen Freilauf zwischengeschaltet haben, um Drehungleichförmigkeiten, die an der Kurbelwelle auftreten, nicht auf eine Welle, wie eine Generatorwelle, zu übertragen. Ein OAP ist aus der europäischen Patentschrift
EP 1 781 912 B1 bekannt. Nachteilig an solchen OAPs ist, dass diese wegen des Freilaufs weder zum Starten, noch zum Boosten der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden können.
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In der Offenlegungsschrift
US 2013/0161150 A1 ist eine Riemenscheibenanordnung offenbart, die ebenfalls einen Freilauf aufweist. Mittels einer Rampenanordnung ist kraftschlüssig eine derartige Verbindung herstellbar, dass in einem gewünschten Betriebszustand eine Momentübertragung in beide Drehrichtungen ermöglicht ist.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist auch aus der
DE 10 2004 023 331 A1 bekannt. Hier ist ein schaltbarer Freilauf offenbart, der über einen Stößel eines Elektromagneten zwischen verschiedenen Betriebszuständen hin- und herschaltbar ist.
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In der
DE 10 2006 046 495 A1 ist ein weiterer schaltbarer Freilauf offenbart. Dieser umfasst einen Außenring, ein Abtriebselement sowie ein Schaltelement. Mittels Klemmrollen und deren Klemmposition ist ein gezieltes Schalten des Freilaufs realisierbar.
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Eine schaltbare Riemenscheibe ist aus der
EP 2 557 334 A1 bekannt. Diese weist einen Mitnehmer, eine Riemenscheibe, eine kombinierte Feder, ein Schaltelement und einen Verstellmechanismus auf. Der Verstellmechanismus umfasst eine Vielzahl von Scheiben, die derart verschwenkbar sind, dass eine Drehmomentübertragung zwischen dem Mitnehmer und der Riemenscheibe gezielt einstellbar ist.
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Auch die europäische Anmeldeschrift
EP 2 511 557 A1 ist auf diesem Gebiet anzusiedeln. Sie offenbart eine Freilaufriemenscheibe mit einer Torsionsfeder zur Dämpfung. Um bei der Momentübertragung von einer Kurbelwelle mittels eines Riemens auf eine Generatorwelle Drehungleichförmigkeiten und somit unerwünschte Vibrationen zu vermeiden, ist eine Torsionsfeder angeordnet, die die Drehungleichförmigkeiten kompensieren soll.
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Die den nächstliegenden Stand der Technik bildende
WO 2003/ 104 673 A1 und die
DE 11 2012 001 563 T5 zeigen schaltbare Riemenscheiben mit elektromagnetisch betätigten Schlingbandfreiläufen.
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Die
DE 10 2012 220 719 A1 zeigt eine schaltbare Riemenscheibe mit einer Klauenkupplung und einer Synchronisationseinrichtung.
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Somit sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen bekannt, die schaltbare Riemenscheiben offenbaren, die von Seiten der Verbrennungskraftmaschine induzierte Drehungleichförmigkeiten kompensieren.
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Die Nachteile des in diesen Druckschriften offenbarten Standes der Technik liegen darin, dass die Schaltvorgänge mit hohem konstruktivem Aufwand verbunden sind. Weiterhin ist für ein Hin- und Herschalten zwischen den verschiedenen Betriebsstellungen eine hohe Betätigungskraft aufzubringen, da große Kräfte/Momente zu übertragen sind.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben und insbesondere eine technische Lösung dafür zu offenbaren, dass mit geringem Kraftaufwand derartige Schaltvorgänge vornehmbar sind, dass große Momente von der Welle, vorzugsweise Generatorwelle, auf die Riemenscheibe übertragbar sind.
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Dies wird erfindungsgemäß durch einen Kontrollring gelöst, der auch als Schaltmuffe bezeichnet werden kann und dazu vorbereitet ist, zwischen einer ersten Betriebsstellung und einer zweiten Betriebsstellung so hin und her zu schalten, dass in der ersten Betriebsstellung kein Drehmoment zwischen dem Innenring und der Riemenscheibe übertragbar ist, und in der zweiten Betriebsstellung Drehmoment zwischen dem Innenring und der Riemenscheibe übertragbar ist. Der Kontrollring aktiviert in der zweiten Betriebsstellung eine Freilaufkupplung derart, dass die Freilaufkupplung die Drehmomentübertragung bewirkt.
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Die Freilaufkupplung stellt eine Standardkomponente dar und kann in der für sie vorgesehenen Drehrichtung hohe Momente übertragen. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung neben den Funktionen, die sie im Stand der Technik erfüllt, weiterhin noch dazu, Verbrennungskraftmaschinen zu starten und zu boosten.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn die Freilaufkupplung eine kraftschlüssige Momentübertragung von dem Innenring auf die Riemenscheibe bewirkt. Eine solche zeichnet sich durch eine geräuscharme und materialschonende Kraft- bzw. Momentübertragung aus. Der Übergang von der ersten in die zweite Betriebsstellung ist mit einer kraftschlüssigen Freilaufverbindung zuverlässig und reaktionsschnell realisierbar.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Freilaufkupplung als eine Schlingfeder ausgestaltet ist. Schlingfedern stellen Standardkomponenten dar. Von einer geringen Relativverdrehung ausgelöst, ist die Schlingfeder in der Lage, Drehmoment vom Innenring auf die Riemenscheibe zu übertragen. Die Schlingfeder ist vorzugsweise konzentrisch zum Innenring angeordnet und in radialer Richtung zumindest teilweise zwischen dem Innenring und der Riemenscheibe.
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Wenn die Schlingfeder an ihrem proximalen Ende mit dem Kontrollring in Verbindung steht und an ihrem distalen Ende mit der Riemenscheibe in Verbindung steht, bewirkt dies, dass die Schlingfeder im unbelasteten Zustand, also dem ersten Betriebszustand, mit der Drehzahl der Riemenscheibe rotiert. Vorzugsweise ist ein Endabschnitt der Schlingfeder an deren proximalen Ende, also dem dem Nebenaggregat zugewandten Ende, abgeknickt, etwa um 90°. So wird ein Lagezapfen ausgebildet. Dies bewirkt einen Formschluss zwischen dem Kontrollring und der Schlingfeder. Alternativ kann die Verbindung zwischen der Schlingfeder und dem Kontrollring auch stoff- und/oder kraftschlüssig sein.
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Es ist vorteilhaft, wenn eine axiale Verschiebung des Kontrollrings einen Teilkraftschluss des Kontrollrings mit einem Reibbelag hervorruft, wobei der Teilkraftschluss einen Kraftschluss zwischen dem Innenring und der Schlingfeder bewirkt. Unter einem Teilkraftschluss wird ein Kraftschluss verstanden, der nicht das gesamte Drehmoment von dem einen Bauteil auf das andere Bauteil überträgt. So wird bei einem Teilkraftschluss in der zweiten Betriebsstellung zwar ein Drehmoment von dem Innenring auf den Kontrollring übertragen, jedoch nicht das komplette am Innenring anliegende Drehmoment. Der Teilkraftschluss bewirkt, dass eine Relativbewegung zwischen dem Kontrollring und der Riemenscheibe ermöglicht ist. Diese Relativbewegung führt dazu, dass sich die Schlingfeder verdreht, da, wie vorstehend erwähnt, ihr eines Ende mit dem Kontrollring und ihr anderes Ende mit der Riemenscheibe wirkgekoppelt ist. Eine Verdrehung der Schlingfeder führt wiederum zu einer Durchmesserveränderung der Schlingfeder, wodurch ein Kraftschluss zwischen der Schlingfeder und mit ihr der Riemenscheibe und dem Innenring hergestellt wird. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dafür geeignet, eine Verbrennungskraftmaschine zu starten und/oder zu boosten.
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Sobald in der ersten Betriebsstellung ein Luftspalt zwischen einem proximalen Abschnitt / einem Proximalabschnitt der Schlingfeder und dem Innenring vorhanden ist, entfalten sich weitere Vorteile. Jener Luftspalt bewirkt, dass in der ersten Betriebsstellung kein Drehmoment über die Schlingfeder übertragen wird. Eine geeignete Höhe des Luftspaltes ist von hoher Wichtigkeit, um nur in gewünschten Zuständen einen Kraftschluss zu bewirken.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der zweiten Betriebsstellung der Proximalabschnitt der Schlingfeder nahezu vollständig am Innenring anliegt, sodass ein Drehmoment von dem Innenring auf die Riemenscheibe übertragbar ist. Über dieses breitflächige Anliegen ist es möglich ein hohes Drehmoment zu übertragen. Somit ist die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung auch hohen Betriebsanforderungen gewachsen.
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Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, wenn in den Kontrollring von radial außen ein Schalthebel eingreift, der um einen Drehpunkt drehbar ist. Auf diese Weise ist die axiale Bewegung des Kontrollrings von einem Hebel hervorgerufen. Dies birgt die Vorteile der Hebelwirkung. Je nachdem, auf welcher Höhe der Drehpunkt angeordnet ist, kann eine axiale Bewegung des Kontrollrings durch eine geringe Kraft hervorgerufen werden, die den Schalthebel axial bewegt, sodass dieser sich um einen Drehpunkt dreht.
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Zudem ergeben sich Vorteile daraus, wenn ein Aktor/Aktuator die Bewegung des Schalthebels hervorruft, wobei der Aktor außerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, das die Welle beherbergt. Bei diesem Aktor kann es sich beispielsweise um einen elektrischen, elektromagnetischen, piezo-elektrischen, hydraulischen oder mechanischen Aktor handeln. Ist das Nebenaggregat, an dem die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung angebracht ist, ein Generator, so ist es mittels jener Anordnung möglich, vorhandene Generatorgehäuse weiterhin zu verwenden und an diesen einen Aktor mit einem Schalthebel zusätzlich, beispielsweise über Klemmen, anzubringen. Es ist auch vorteilhaft, wenn der Aktor eine Kombination aus einem Elektromotor und einer Gewindespindel darstellt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass ein Schaltvorgang von dem Kontrollring derart durchführbar ist, dass die Kupplungsvorrichtung abhängig vom Betriebszustand ein Antreiben eines Nebenaggregats, wie einem Generator, durch die Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, oder ein Starten der Verbrennungskraftmaschine oder ein Boosten der Verbrennungskraftmaschine durch das Nebenaggregat, wie den Generator. Somit können die Funktionen verschiedener Nebenaggregate, nämlich Starten, Boosten, Aufladen und Entkoppeln, von ein und derselben Einheit ausgeführt werden, was sich positiv auf den benötigten Bauraum auswirkt.
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Die Erfindung betrifft zudem einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Kurbelwelle und einen Nebenaggregatetrieb antreibt, wobei über eine Kupplungsvorrichtung mindestens ein Nebenaggregat, wie ein Generator, antreibbar ist, wobei es sich bei der Kupplungsvorrichtung um eine nach der vorliegenden Erfindung ausgestalteten handelt. Dieser Antriebsstrang zeichnet sich durch ein geringes Gewicht, geräuscharme Emissionen und eine Treibstoffsparsamkeit aus, da die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung mehrere Funktionen vereint und somit weniger Nebenaggregate anzutreiben sind.
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In anderen Worten kann gesagt werden, dass die Erfindung einen aktiv sperrbaren Freilauf / Kupplungsvorrichtung offenbart, der auch bei einer hohen Differenzdrehzahl zwischen dem Innenring und der Riemenscheibe geräusch- und verschleißarm schaltbar ist. Der Freilauf ist sowohl Start-Stopp-fähig, als auch Boost-fähig.
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Erfindungsgemäß kann die Kupplungsvorrichtung auch einen Entkoppler ohne Freilauf darstellen. Auch für solche Ausführungsformen ist eine Riemenscheibe aktiv zu- und abschaltbar.
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Ein Vorteil besteht darin, dass der Aktuator außerhalb der Riemenscheibe angeordnet ist, woraus sich Bauraumvorteile innerhalb der Riemenscheibe ergeben. Weiterhin ist mittels jener Anordnung eine Riemenlaufebene nahe an dem Nebenaggregat selbst realisierbar.
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Die vom Schalthebel ausnutzbare Hebelwirkung kann vorteilhaft derart gewählt werden, dass sich Hebelverhältnisse um den Drehpunkt von 10:10 bis 1:10, vorzugsweise von 3:1 bis 1:3 ergeben. Der erfindungsgemäße Kontrollring benötigt für die Betätigung nur einen sehr geringen Hub von beispielsweise weniger als 5mm, vorzugsweise 1mm.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung ergibt sich daraus, dass sämtliche drehenden Teile nahe am Drehpunkt selbst angeordnet sind, woraus eine geringe Fliehkraft resultiert, was sich positiv auf die Dimensionierung der Einzelteile auswirkt.
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Wird in die Kupplungsvorrichtung ein Freilauf integriert, wie dies erfindungsgemäß vorteilhaft ist, so kann dieser gleich denen aus einem OAP aus dem Stand der Technik sein. Dies senkt die Produktionskosten für eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung.
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Die Schlingfeder weist im belasteten/gespannten Zustand keinen Absatz auf, wodurch die Beanspruchung reduziert wird. Ein oberer Luftspalt zwischen der Schlingfeder und der Riemenscheibe ist derart auszulegen, dass die Schlingfeder bei einer schlagartigen Belastung nicht durch Reibung und/oder Massenträgheit des Kontrollrings an der Riemenscheibe klemmt und somit unerwünscht Drehmoment überträgt.
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Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, dass ein kurzzeitiges Andrücken des Kontrollrings an den Reibbelag des Innenrings genügt, um die Schlingfeder zu verdrehen und somit die Kupplungsvorrichtung von der ersten in die zweite Betriebsstellung zu überführen. Die Schlingfeder selbst weist vorzugsweise ein quadratisches Querschnittsprofil auf.
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Bei der Schlingfeder ist es vorteilhaft, wenn etwa die Hälfte der Windungen mit einem Verbindungsteil, das drehstarr mit der Riemenscheibe verbunden ist, gekoppelt ist und die andere Hälfte der Windungen am Innenring angeordnet ist, diesen jedoch nur in der zweiten Betriebsstellung kontaktieren.
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Der untere Luftspalt zwischen der Schlingfeder und dem Innenring ist derart zu dimensionieren, dass die Schlingfeder bei Drehzahlschwankungen aufgrund der Massenträgheit des Kontrollrings oder Reibung nicht den Innenring berührt. Dies ist mit Spaltbreiten von x=0,05mm bis x=5mm realisierbar, vorzugsweise x=0,25mm bis x=0,5mm.
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Ist die zweite Betriebsstellung von dem Kontrollring initiiert, wird der Innenring von der Welle beschleunigt und die Riemenscheibe über den Teilkraftschluss verdreht, da an der Riemenscheibe durch die Verbrennungskraftmaschine und den Endlosmitteltrieb eine hohe Last anliegt. Somit spannt sich die Schlingfeder um den Innenring und ein Starten / Boosten wird ermöglicht. Ab einem Klemmzustand der Schlingfeder muss der Kontrollring nicht mehr betätigt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend mittels Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: Eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung;
- 2: Eine Längsschnittzeichnung einer ersten Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung in einer ersten Betriebsstellung;
- 3: Eine Längsschnittzeichnung der Kupplungsvorrichtung aus 2 mit eingezeichnetem Kraftfluss;
- 4: Eine Längsschnittzeichnung der Kupplungsvorrichtung aus 2 in einer zweiten Betriebsstellung mit eingezeichnetem Kraftfluss;
- 5a: Eine Draufsicht auf eine Schlingfeder in der ersten Betriebsstellung;
- 5b: Eine perspektivische Ansicht der Schlingfeder;
- 5c: Eine Draufsicht auf eine Schlingfeder in der zweiten Betriebsstellung;
- 6a: Eine Seitenansicht der Kupplungsvorrichtung mit Betätigungsvorrichtung; und
- 6b: Eine Vorderansicht auf die Kupplungsvorrichtung mit Betätigungsvorrichtung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden
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1 zeigt eine Kupplungsvorrichtung 1 mit einem Innenring 2, der dazu vorbereitet ist, drehstarr auf einer in 2 dargestellten Welle 3 angeordnet zu sein. Konzentrisch außerhalb zum Innenring 2 ist eine Riemenscheibe 4 angeordnet, die dazu vorbereitet ist, mit einem nicht dargestellten Endloszugmittel drehmomentübertragend in Verbindung zu stehen. Ein Kontrollring 5 ist axial verschiebbar, sodass eine Freilaufkupplung 6, die im vorliegenden Fall als Schlingfeder 7 ausgestaltet ist, einen Drehmomentfluss vom Innenring 2 auf die Riemenscheibe 4 zulässt.
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Ein Zwischenelement 8 ist radial innerhalb der Riemenscheibe 4 angeordnet und überträgt in einer ersten Drehrichtung in einer ersten Betriebsstellung kein Drehmoment von dem den Innenring 2 auf die Riemenscheibe 4. Mit der Riemenscheibe 4 ist weiterhin ein Verbindungselement 9 drehstarr verbunden. Dieses beherbergt ein distales Ende 10 der Schlingfeder 7. Ein proximales Ende 11 der Schlingfeder 7 ist in der ersten Betriebsstellung mit keinem Bauteil in flächigem Kontakt. Lediglich ein Lagezapfen 12, der um 90° absteht, ist mit dem Kontrollring 5 in Verbindung.
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Die Kupplungsvorrichtung 1 weist weiterhin eine laterale Dichtung 13 und eine mediale Dichtung 14 auf. Diese schützen die Vorrichtung vor Schmutz. Mittels eines Schalthebels 15, der von Seiten eines Aktors 16 bewegt wird, ist der Kontrollring axial verschiebbar. Der Aktor 16 wird mittels Klemmen 17 an einem Gehäuse festgeklemmt.
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2 stellt die Kupplungsvorrichtung 1 in einer ersten Betriebsstellung dar. Das Zwischenelement 8 ist hier als Freilauf 18 ausgeführt. Der Freilauf 18 ist in die andere Drehrichtung drehmomentübertragend als die Freilaufkupplung 6, die als Schlingfeder 7 ausgestaltet ist und bei Bedarf zuschaltbar ist. Für dieses Hinzuschalten ist ein medialer Luftspalt 19 zu schließen. Ein lateraler Luftspalt 20 hingegen ist in jeder Betriebsstellung vorhanden. Ein Reibbelag 22 ist dazu vorbereitet, bei einer axialen Bewegung des Kontrollrings 5 einen Teilkraftschluss zu bewirken. Dieser resultiert in einer Verdrehung der Schlingfeder 7, wodurch der mediale Luftspalt 19 geschlossen ist und die zweite, in 4 dargestellte Betriebsstellung herrscht.
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3 zeigt die Betriebsstellung aus 2. Ein Pfeil 21 stellt den Kraftfluss dar. Dadurch, dass der mediale Luftspalt 19 vorhanden ist, wird die Kraft über den Freilauf 18 von der Riemenscheibe 4 auf den Innenring 2 geleitet. Zwischengeschaltet ist wiederum das Verbindungselement 9.
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In 4 ist eine zweite Betriebsstellung dargestellt. Hier ist der mediale Luftspalt 19 nicht mehr vorhanden, wodurch ein Moment von dem Innenring 2 auf die Riemenscheibe 4 übertragbar ist. Somit ist in dieser Betriebsstellung ein Starten und/oder Boosten der Verbrennungskraftmaschine durch die Welle 3 möglich.
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5a zeigt eine Draufsicht auf eine Schlingfeder 7 mit dem Lagezapfen 12. 5b stellt eben jene Schlingfeder 7 in einer perspektivischen Ansicht dar. Ein Pfeil 23 stellt die Verdrehrichtung der Schlingfeder 7 dar, durch welche ein Kraftschluss zustande kommt. Der Zustand, in dem eine Verdrehung stattgefunden hat, ist in 5c in der Draufsicht dargestellt. Wie der Pfeil 23 hier andeutet, hat der Lagezapfen 12 seine Position verändert, wodurch, dem Funktionsprinzip einer Schlingfeder gemäß, die Schlingfeder ihren Durchmesser verkleinert und der mediale Luftspalt 19 geschlossen ist.
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Die 6a und 6b stellen die Kupplungsvorrichtung 1 inklusive der Betätigungsvorrichtung im zusammengebauten Zustand dar. Der Aktor 16 ist außerhalb eines Generatorgehäuses 24 angebracht. Über den gabelartigen Schalthebel 15 kann er eine axiale Bewegung des Kontrollrings 5 hervorrufen. Dies geschieht mittels einer Drehung um einen Drehpunkt 25.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungsvorrichtung
- 2
- Innenring
- 3
- Welle
- 4
- Riemenscheibe
- 5
- Kontrollring
- 6
- Freilaufkupplung
- 7
- Schlingfeder
- 8
- Zwischenelement
- 9
- Verbindungselement
- 10
- Distales Ende
- 11
- Proximales Ende
- 12
- Lagezapfen
- 13
- Laterale Dichtung
- 14
- Mediale Dichtung
- 15
- Schalthebel
- 16
- Aktor
- 17
- Klemmen
- 18
- Freilauf
- 19
- Medialer Luftspalt
- 20
- Lateraler Luftspalt
- 21
- Kraftfluss
- 22
- Reibbelag
- 23
- Verdrehrichtung
- 24
- Generatorgehäuse
