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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, 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, sowie mit einer Schaltmuffe, die 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.
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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 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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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 dadurch gelöst, dass die Schaltmuffe in der zweiten Betriebsstellung mittels einer axialen Verschiebung einen Formschluss hervorruft, der die Drehmomentübertragung zwischen dem Innenring und der Riemenscheibe bewirkt. Die axiale Verschiebung zieht den Effekt nach sich, dass zwischen der ersten und der zweiten Betriebsstellung drehzahlunabhängig hin und her geschaltet werden kann. Somit ist neben dem Starten der Verbrennungskraftmaschine durch einen Generator, auf dessen Welle eine solche Kupplungsvorrichtung angeordnet ist, auch ein Boosten der Verbrennungskraftmaschine möglich. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Formschluss derart ausgestaltet, dass er sehr hohe Momente übertragen kann.
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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 der Formschluss von einer radial innen angeordneten Innenverzahnung der Schaltmuffe und einer radial außen angeordneten Schaltverzahnung der Riemenscheibe ausgestaltet ist. Die Schaltverzahnung der Riemenscheibe ist hierbei distal von der Riemeneingriffskontur ausgeformt. Die Profiltiefe der Innenverzahnung ist an die der Schaltverzahnung angepasst/angenähert, sodass eine effiziente und materialschonende Momentübertragung erfolgt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Übergang von der ersten Betriebsstellung in die zweite Betriebsstellung eine Synchronisierung, also eine Angleichung der Drehzahlen, zwischen der Schaltmuffe und der Riemenscheibe stattfindet. Der Schaltvorgang und das von ihm induzierte sogenannte Einspuren ist somit materialschonend und geräuscharm.
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Wenn bei der Synchronisierung ein zumindest teilweise radial innerhalb der Schaltmuffe angeordneter Synchronring, der an seinem Außendurchmesser eine Sperrverzahnung, die mit der Innenverzahnung der Schaltmuffe in Eingriff bringbar ist, und an seinem Innendurchmesser einen Reibkonus, der mit der Riemenscheibe wirkgekoppelt ist, aufweist, eine Annäherung der Drehzahlen von Schaltmuffe und Riemenscheibe bewirkt, folgt hieraus eine weiche und gleichmäßige Drehzahlanpassung / Synchronisierung. Neben den Vorteilen der Materialschonung und der geringen Geräuschemission, wird auf diese Weise zudem eine konstruktiv simple und wirtschafliche Lösung offenbart.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn in radialer Richtung zumindest teilweise zwischen dem Innenring und der Riemenscheibe ein Zwischenelement angeordnet ist. Dieses Zwischenelement kann je nach Anwendungsfall optimiert werden, um die Relativbewegung zwischen der Riemenscheibe und dem Innenring anforderungsgerecht zu ermöglichen. Als Beispiele für die Zwischenelemente seien Freiläufe jeglicher Art, Lagerungen, vorzugsweise Wälzlagerungen und Federn, wie Torsionsfedern, genannt.
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Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, wenn in die Schaltmuffe von radial außen ein Schalthebel eingreift, der um einen Drehpunkt drehbar ist. Auf diese Weise ist die axiale Bewegung der Schaltmuffe von einem Hebel hervorgerufen. Dies birgt die Vorteile der Hebelwirkung. Je nachdem, auf welcher Höhe der Drehpunkt angeordnet ist, kann eine axiale Bewegung der Schaltmuffe 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 der Schaltmuffe 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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Wenn auf dem Innenring ein Synchronkörper angeordnet ist, der drehstarr mit der Schaltmuffe verbunden ist und zu dem die Schaltmuffe axial verschiebbar ist, bewirkt dies, dass die Schaltmuffe und die Welle über eine simple konstruktive Lösung mit derselben Drehzahl rotieren. Somit kann auch die Riemenscheibe bei Bedarf, also bei einem Überführen von der ersten in die zweite Betriebsstellung, mittels der Synchronisierung leicht auf die Drehzahl der Welle überführt werden. Wenn der Synchronkörper radial außen ein Druckstück beherbergt, durch das eine Vorsynchronisierung realisierbar ist, wirkt sich dies ebenfalls positiv aus. Die Vorsynchronisierung findet ebenfalls bei einem Übergang von der ersten in die zweite Betriebsstellung statt.
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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 wird, 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.
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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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Die Erfindungsgemäße Synchronisierung wird vorteilhafterweise trocken ausgeführt. Es ist ebenfalls denkbar, bei der Synchronisierung ein Schmierfluid einzusetzen. Für die trockene Variante ist ein Reibungskoeffizient von µ = 0,4 und ein Konuswinkel des Reibkonus von α = 22° vorteilhaft, damit keine Selbsthemmung auftritt. Vorteilhaft sind hierbei Spannen von µ = 0,05 bis µ = 0,6 und α = 3° bis α = 30°. Die Ungleichung tan(α) < µ sollte stets erfüllt sein.
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Der Reibkonus wird vorteilhafterweise als Einkonus ausgeführt. Ebenfalls denkbar sind Konstruktionen mit Zwei- und/oder Dreikonusvarianten.
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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 Anordnung von Druckstücken als Federblech radial innerhalb der Schaltmuffe ist ebenfalls vorteilhaft. So kann eine Vorsynchronisierung sichergestellt werden. Bei der Vorsynchronisierung wird bereits bei einer geringen axialen Verschiebung der Schaltmuffe das Druckstück gegen den Synchronring gedrückt. Der Konus des Synchronrings kommt somit in Kontakt mit der Riemenscheibe, wodurch der Synchronring zur Riemenscheibe verdreht wird, bis er an einem Anschlag am Synchronkörper anliegt. Auf diese Weise wird ein frühzeitiges Einspuren in die Verzahnung der Riemenscheibe verhindert („Sperrfunktion“), da Schrägen von der Verzahnung der Schaltmuffe und der des Synchronrings aufeinandertreffen. Somit wird erst nach der Vorsynchronisierung eine Synchronisierung ermöglicht, die wiederum ein weiches Einspuren zwischen der Schaltmuffe und der Riemenscheibe ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend mittels Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: Eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung;
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2: Eine Längsschnittzeichnung einer ersten Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung in einer ersten Betriebsstellung;
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3: Eine Längsschnittzeichnung der Kupplungsvorrichtung aus 2 in einer zweiten Betriebsstellung;
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4: Eine Längsschnittzeichnung einer zweiten Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung in einer ersten Betriebsstellung;
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5: Eine Längsschnittzeichnung der Kupplungsvorrichtung aus 4 in einer zweiten Betriebsstellung;
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6a: Eine Schemazeichnung eines ersten Synchronisierungsschrittes;
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6b: Eine Schemazeichnung eines zweiten Synchronisierungsschrittes;
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7a: Eine Seitenansicht der Kupplungsvorrichtung mit einer Betätigungsvorrichtung; und
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7b: Eine Vorderansicht auf die Kupplungsvorrichtung mit der 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. Eine Schaltmuffe 5 ist dazu vorbereitet eine axiale Bewegung durchzuführen. Hierfür greift ein Schalthebel 6 in eine Führungsnut 7 der Schaltmuffe 5 ein. Der Schalthebel 6 führt um einen Drehpunkt 8 eine Rotation durch, wenn er von Seiten eines Aktors 9 eine Bewegung erfährt.
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Ein Synchronkörper 10 ist radial innerhalb der Schaltmuffe 5 angeordnet und steht mit einem Synchronring 11 in Verbindung. Der Synchronring 11 steht an seiner nach radial innen weisenden Fläche mit einer Einkonusfläche 12 der Riemenscheibe 4 in Kontakt. Die Riemenscheibe 4 weist weiterhin eine Schaltverzahnung 13 auf, die dazu vorbereitet ist, bei entsprechender Schaltung durch die Schaltmuffe 5 mit einer Innenverzahnung 14 der Schaltmuffe 5 formschlüssig verbunden zu sein und somit Drehmoment von der einen auf die andere Komponente zu übertragen.
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Ein Zwischenelement 15 ist zwischen dem Innenring 2 und der Riemenscheibe 4 angeordnet. An ihrem distalen Ende weist die Kupplungsvorrichtung 1 zudem einen Deckel 16 auf. Der Aktor 9 ist vorzugsweise mit Klemmen 17 auf einem nicht dargestellten Gehäuse eines nicht dargestellten Generators angeordnet. Ein Gewindetrieb 18 des Aktors 9 ist dazu vorbereitet, eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung zu wandeln.
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2 zeigt eine erste Betriebsstellung. In dieser ist die Schaltmuffe 5 proximal angeordnet. In dem vorliegenden Fall ist das Zwischenelement 15 als Lagerung 19 ausgeführt. In der ersten Betriebsstellung, in der die Innenverzahnung 14 der Schaltmuffe 5 nicht in die Schaltverzahnung 13 der Riemenscheibe 4 eingreift, wird weder ein Drehmoment von der Welle 3 auf die Riemenscheibe 4, noch andersherum übertragen. Die Kupplungsvorrichtung 1 erfüllt in diesem Betriebszustand die Funktion einer Umlenkrolle. Sie überträgt somit (quasi) keine Momente zwischen Komponenten.
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Weiterhin sind an der radial äußeren Stirnseite des Synchronkörpers 10 Druckstücke 23 als Federbleche angeordnet. Diese stellen bei entsprechender Schaltung eine Vorsynchronisierung sicher, indem sie den Synchronring 11 gegen einen Reibkegel an der Riemenscheibe 4 drücken.
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3 zeigt eine zweite Betriebsstellung. Hier wurde die Schaltmuffe 5 in Richtung distal verschoben, wodurch ein Eingreifen der Innenverzahnung 14 der Schaltmuffe 5 in die Schaltverzahnung 13 der Riemenscheibe 4 bewirkt wurde. Wie der Pfeil 20, der den Kraftfluss darstellt, andeutet, kann somit sowohl von der Welle 3 auf die Riemenscheibe 4, als auch anders herum Kraft bzw. Drehmoment übertragen werden. Die Kupplungsvorrichtung ermöglicht somit sowohl einen motorischen, als auch einen generatorischen Betrieb.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Zwischenelement 15 ist hierbei als Freilauf 21 ausgestaltet. Der Freilauf 21 ist hierbei derart beschaffen, dass er keine Momente von der Welle 3 auf die Riemenscheibe 4 überträgt, sondern nur andersherum, wie der Pfeil 20 wiederum darstellt. An der Position der Schaltmuffe 5 ist ersichtlich, dass die Innenverzahnung 14 der Schaltmuffe 5 nicht in die Schaltverzahnung 13 der Riemenscheibe 4 eingreift. Es handelt sich also um die erste Betriebsstellung.
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5 zeigt die zweite Betriebsstellung. Die Innenverzahnung 14 der Schaltmuffe 5 greift in die Schaltverzahnung 13 der Riemenscheibe 4 ein, wodurch der erfindungsgemäße Formschluss zustande kommt. Der Pfeil 20 deutet an, dass mittels jenes Formschlusses nun eine Momentübertragung von der Welle 3 zur Riemenscheibe 4 möglich ist, wodurch mittels des Generators die Verbrennungskraftmaschine gestartet und/oder geboostet werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Synchronisierung, die beim Übergang von der ersten Betriebsstellung in die zweite Betriebsstellung abläuft, ist in den 6a und 6b näher erläutert. Eine gegengerichtete Pfeilkontur der Innenverzahnung 14 und der Schaltverzahnung 13 sorgt für eine geräuscharme Synchronisierung der Komponenten, wie in 6a dargestellt ist. Sobald die Schaltmuffe 5 und die Riemenscheibe 4 eine geeignete Relativposition haben, indem ihre Drehzahlen angenähert wurden, ist ein in 6b dargestelltes Einspuren möglich.
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Die 7a und 7b stellen die Kupplungsvorrichtung 1 inklusive der Betätigungsvorrichtung im zusammengebauten Zustand dar. Der Aktor 9 ist außerhalb eines Generatorgehäuses 22 angebracht. Über den gabelartigen Schalthebel 6 kann er eine axiale Bewegung der Schaltmuffe 5 hervorrufen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungsvorrichtung
- 2
- Innenring
- 3
- Welle
- 4
- Riemenscheibe
- 5
- Schaltmuffe
- 6
- Schalthebel
- 7
- Führungsnut
- 8
- Drehpunkt
- 9
- Aktor
- 10
- Synchronkörper
- 11
- Synchronring
- 12
- Einkonusfläche
- 13
- Schaltverzahnung
- 14
- Innenverzahnung
- 15
- Zwischenelement
- 16
- Deckel
- 17
- Klemmen
- 18
- Gewindetrieb
- 19
- Lager
- 20
- Kraftfluss
- 21
- Freilauf
- 22
- Generatorgehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1781912 B1 [0002]
- US 2013/0161150 A1 [0003]
- DE 102004023331 A1 [0004]
- DE 102006046495 A1 [0005]
- EP 2557334 A1 [0006]
- EP 2511557 A1 [0007]
