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Die Erfindung betrifft ein Kupplungssystem, insbesondere ein Riemenscheibenkupplungssystem, für ein Nebenaggregat, vorzugsweise einen Klimakompressor/Kältemittelkompressor, einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wie Nutzfahrzeuges, oder einer mobilen Arbeitsmaschine, mit einer Riemenscheibe, einer relativ dazu drehbar gelagerten Welle und einer zwischen der Riemenscheibe und der Welle wirkenden, magnetisch aktuierbaren/elektromagnetischen Kupplung, die einen Magnetaktor und ein damit zusammenwirkendes, relativ zur Welle verschiebbar angeordnetes Ankerelement aufweist, wobei die Riemenscheibe einerseits in einer ersten Verschiebestellung des Ankerelements relativ zur Welle frei verdrehbar ist und andererseits in zumindest einer weiteren, zweiten Verschiebestellung des Ankerelements drehfest mit der Welle gekoppelt ist.
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Alternativ zu dem Klimakompressor, ist es prinzipiell auch möglich, das Kupplungssystem für eine Lichtmaschine, eine Lenkhilfepumpe, eine Wasserpumpe, einen mechanischen Lader, eine Ölpumpe, eine Unterdruckpumpe oder einen RSG (Riemenstartergenerator/Lichtmaschine) einzusetzen. Desweiteren ist es auch möglich, das Kupplungssystem in weiteren Systemen einzusetzen, bei denen stets ein Antrieb und ein Abtrieb (Anordnung zwischen An- und Abtrieb) vorhanden sind. Auch betrifft die Erfindung einen Zugmitteltrieb aufweisend das Kupplungssystem.
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Gattungsgemäße Kupplungssysteme sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 11 2014 001 739 T5 einen Kupplungsmechanismus mit einem antriebsseitigen drehbaren Körper, der durch eine Drehantriebskraft gedreht wird, die von einer Antriebsquelle ausgegeben wird. Auch weist dieser Mechanismus einen drehbaren Körper der angetriebenen Seite auf, auf den die Drehkraft von dem antriebsseitigen drehbaren Körper durch die Kopplung des drehbaren Körpers der angetriebenen Seite mit dem antriebsseitigen drehbaren Körper übertragen wird. Ein Permanentmagnet ist vorhanden, der einen anziehenden Magnetkreis erzeugt, der eine Magnetkraft zur Kopplung zwischen dem antriebsseitigen drehbaren Körper und dem drehbaren Körper der angetriebenen Seite erzeugt. Auch erzeugt der Permanentmagnet einen nicht anziehenden Magnetkreis, der verschieden zu dem anziehenden Magnetkreis ist. Ein bewegliches Element ist aus einem magnetischen Material hergestellt und verschiebbar. Eine elektromagnetische Spule dient zum Verschieben des beweglichen Elements unter Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft.
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Die
DE 199 20 543 A1 offenbart ein Kupplungssystem für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
DE 10 2014 203 397 A1 offenbart eine elektromagnetische Schaltvorrichtung für eine Zahnrad-Welle-Verbindung.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen haben häufig den Nachteil, dass sie relativ viel Bauraum durch die Ausgestaltung mehrerer Spulen einnehmen, da es notwendig ist, eine anziehende und eine abstoßende Bewegung zum Umschalten zwischen den Stellungen des Ankerelements zu gewährleisten. Desweiteren ist es häufig nachteilig, dass ein Zu- und Abschalten der Riemenscheibe drehzahlabhängig ist, d. h. nicht in jedem Betriebspunkt möglich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere ein Kupplungssystem für ein Nebenaggregat zur Verfügung zu stellen, durch das einerseits ein drehzahlunabhängiges Zu- und Abschalten der Riemenscheibe von der Welle möglich sein soll, andererseits jedoch ein möglichst kleiner Bauraum in Anspruch genommen werden soll.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ankerelement derart abgestützt und mit einem permanentmagnetischen Abschnitt derart ausgestaltet ist, dass es bei stromlos geschaltetem Magnetaktor in der ersten Verschiebestellung und in der zweiten Verschiebestellung stabil gehalten/abgestützt ist (d. h. dass die Kupplungseinrichtung bistabil ausgeführt ist und das Ankerelement zwei stabile Verschiebestellungen aufweist), wobei zumindest zwei Federelemente vorhanden sind, die in der ersten Verschiebestellung an unterschiedlichen axialen Seiten des Ankerelements abgestützt sind und mit einem durch den permanentmagnetischen Abschnitt erzeugten Magnetfeld im Kräftegleichgewicht stehen.
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Durch die stabile Abstützung des Ankerelements in zumindest zwei Verschiebestellungen, ohne dabei den Magnetaktor bestromen zu müssen, ist der Magnetaktor schalttechnisch besonders einfach ausgestaltet. Zudem ist das Ankerelement drehzahlunabhängig besonders einfach verstellbar, und es kann Bauraum aufgrund der geringen Komplexität des Magnetaktors eingespart werden. Somit wird die Übertragung des Prinzips eines zumindest bistabilen, weiter bevorzugt eines tristabilen, Hubmagneten auf ein rotatives System besonders effektiv ausgeführt.
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Die zwei Federelemente sind zumindest teilweise in der ersten Verschiebestellung und/oder in der zweiten Verschiebestellung an unterschiedlichen axialen Seiten des Ankerelements abgestützt und stehen mit einem durch den permanentmagnetischen Abschnitt erzeugten Magnetfeld im Kräftegleichgewicht. Dadurch ist die Abstützung in der jeweiligen ersten und zweiten Verschiebestellung besonders robust umgesetzt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Von Vorteil ist es, wenn das Ankerelement derart abgestützt und mit seinem permanentmagnetischen Abschnitt derart ausgestaltet ist, dass es in einer Synchronstellung (eine dritte Verschiebestellung des Ankerelements) durch ein durch den Magnetaktor erzeugtes Magnetfeld die Riemenscheibe drehfest mit der Welle verbindet. Insbesondere dient diese Synchronstellung zum Angleichen der Riemenscheibe und der Welle auf eine gleiche Drehgeschwindigkeit/Drehzahl. Die drehfeste Verbindung zwischen der Welle und der Riemenscheibe wird in der Synchronstellung vorzugsweise mittels einer reibkraftschlüssigen Verbindung zwischen Ankerelement und Riemenscheibe umgesetzt. Dadurch findet die Beschleunigung der Welle über die Riemenscheibe besonders gleichmäßig statt.
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Ist das Ankerelement drehfest mit der Welle gekoppelt und bildet es eine Reibfläche (nachfolgend als Gegenreibfläche bezeichnet) aus, die in der Synchronstellung reibkraftschlüssig an die Riemenscheibe oder ein riemenscheibenfestes Element angedrückt ist, wird der Platzbedarf des Kupplungssystems weiter reduziert.
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Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn die (Gegen-)Reibfläche des Ankerelements an einer radial verlaufenden Stirnseite des Ankerelements oder konisch ausgebildet ist. Dadurch nehmen die Mittel zum Umsetzen der dritten Verschiebestellung besonders wenig Bauraum ein.
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Ist das Ankerelement zwischen der ersten und der zweiten Verschiebestellung durch Bestromen des Magnetaktors umschaltbar, ist das Ankerelement besonders einfach ansteuerbar.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Ankerelement einen fliehkraftbetätigten Klinkenmechanismus aufweist, der in der zweiten Verschiebestellung, zur drehfesten Kopplung der Riemenscheibe mit der Welle, formschlüssig in eine Verzahnung an der Riemenscheibe oder einem riemenscheibenfesten Element eingreift. Dadurch ist eine besonders hohe Drehmomentübertragung in der zweiten Stellung zwischen der Riemenscheibe und der Welle realisierbar.
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Sind mehrere Klinken des Klinkenmechanismus in axialer Richtung gesehen hin zu dem Magnetaktor oder weg von dem Magnetaktor an einem scheibenförmigen Grundabschnitt des Ankerelements schwenkbar angebracht, ist der Klinkenmechanismus besonders platzsparend ausgeführt.
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Weiterhin ist es dabei zweckmäßig, wenn die Klinken in radialer Richtung nach innen federelastisch vorgespannt sind, so dass sie bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl des Ankerelements wieder nach innen weg klappen.
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Durch den Klinkenmechanismus ist weiter bevorzugt ein Freilaufmechanismus umgesetzt, der die Riemenscheibe in einer ersten Relativdrehrichtung der Riemenscheibe zur Welle mit der Welle verbindet.
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Zudem betrifft die Erfindung auch einen Zugmitteltrieb, vorzugsweise einen Riementrieb, für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses, landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges oder Motorrades, oder einer mobilen Arbeitsmaschine (in der Industrie/Fertigung), mit einem Kupplungssystem nach zumindest einer der zuvor erläuterten Ausführungen, oder einer nicht-mobilen Arbeitsmaschine (in der Industrie/Fertigung), mit einem Kupplungssystem nach zumindest einer der zuvor erläuterten Ausführungen.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß eine elektromagnetische Kupplung vorzugsweise an einem Kältemittelkompressor mit einer weiter bevorzugten Klinkenaktuierung umgesetzt. Zur aktiven und sicheren Verbindung sowie Trennung der Riemenscheibe zu jedem Betriebszeitpunkt ist mit der elektromagnetischen Kupplung zwischen der Riemenscheibe und der Welle des Kompressors ein reibkraftschlüssiger und formschlüssiger Kontakt umsetzbar. Ein Anker/ein Ankerelement ist zumindest zwischen zwei/drei verschiedenen Verschiebestellungen über einen bestrombaren Elektromagneten (Magnetaktor) umschaltbar. Somit ist die Ankerscheibe durch ein gezieltes Bestromen des Elektromagneten in drei Positionen verschiebbar, wodurch eine ausgekoppelte Position (erste Verschiebestellung), eine synchronisierende Position (Synchronstellung) durch reibkraftschlüssigen Kontakt und eine gekoppelte Position (zweite Verschiebestellung) durch formschlüssige Verbindung realisiert werden können. Die offene und die geschlossene Kupplung kann durch das Prinzip eines bistabilen Hubmagneten stromlos gehalten werden. Die synchronisierende Position wird nach dem Prinzip der elektromagnetischen Reibkupplung bestromt gehalten.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kupplungssystems nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei das Kupplungssystem bereits an einem Nebenaggregat angebracht ist,
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2 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems nach 1, in der ein Ankerelement einer Kupplung in einer ersten Verschiebestellung angeordnet ist, in der eine Riemenscheibe von einer Welle des Kupplungssystems drehentkoppelt ist,
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3 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 2, wobei ein durch einen permanentmagnetischen Abschnitt des Ankerelements erzeugtes Magnetfeld schematisch zur Umsetzung der erste Verschiebestellung dargestellt ist,
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4 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 3, wobei nun, zum Umschalten des Ankerelements von der ersten Verschiebestellung hin zu einer Synchronstellung, der Magnetaktor bestromt ist und somit ein weiteres Magnetfeld erzeugt, das auf das Ankerelement einwirkt,
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5 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu den 3 und 4, wobei das Ankerelement in die Synchronstellung verbracht ist, in der auch der permanentmagnetische Abschnitt ein in Richtung des Magnetaktors gerichtetes Magnetfeld erzeugt, so dass das Ankerelement an die Riemenscheibe angedrückt ist,
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6 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 5, wobei das Ankerelement, gegenüber 5, in der die Welle noch nicht auf die gleiche Drehzahl wie die Riemenscheibe beschleunigt ist, nun die gleiche Drehzahl wie die Riemenscheibe aufweist, so dass mehrere Klinken eines Klinkenmechanismus des Ankerelements radial nach außen verschwenkt sind und an einen Anschlag der Riemenscheibe anliegen,
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7 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 6, wobei der Magnetaktor wiederum abgeschaltet ist und begonnen wird das Ankerelement mittels des permanentmagnetischen Abschnittes und eines Federelements außer reibkraftschlüssigen Kontakt mit der Riemenscheibe zu verbringen,
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8 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 7, wobei das Ankerelement nun in eine zweite Verschiebestellung verschoben ist, die durch das Kräftegleichgewicht zwischen den Magnetfeldern des Permanentmagneten sowie den Federelementen gesichert ist, und wobei die Klinken des Klinkenmechanismus noch nicht radial nach außen geklappt sind,
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9 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 8, wobei die Klinken durch die immer noch anhaltende Drehbewegung des Ankerelements nach außen in eine Verzahnung an der Riemenscheibe formschlüssig eingerastet sind, so dass ein formschlüssiger Drehverbund zwischen dem Ankerelement und der Riemenscheibe besteht,
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10 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 9, wobei dargestellt ist, wie das Ankerelement von seiner zweiten Verschiebestellung zurück in die erste Verschiebestellung verschoben wird, indem der Magnetaktor ein das Magnetfeld des Permanentmagneten hin zu dem Magnetaktor kompensierendes Magnetfeld erzeugt,
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11 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 10, wobei das Ankerelement so in axialer Richtung zurück in die erste Verschiebestellung verschoben ist, dass die Klinken des Klinkenmechanismus wieder außer formschlüssigen Kontakt mit der Verzahnung der Riemenscheibe angeordnet sind,
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12 eine perspektivische Darstellung des Ankerelements von seiner dem Magnetaktor im Betrieb zugewandten Seite,
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13 eine perspektivische Darstellung des Ankerelements von seiner dem Magnetaktor im Betrieb abgewandten Seite, an der der Klinkenmechanismus samt seinen Klinken angebracht ist,
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14 eine perspektivische abschnittsweise Darstellung des Kupplungssystems zusammen mit einem Gehäuse des Nebenaggregates, wobei die relative Anordnung zwischen der Verzahnung der Riemenscheibe und dem Klinkenmechanismus in der ersten Verschiebestellung des Ankerelements gut zu erkennen ist,
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15 eine Vorderansicht des Kupplungssystems nach 1, derart, dass das Ankerelement in die zweite Verschiebestellung verbracht ist, in der die Klinken des Klinkenmechanismus in die Verzahnung an der Riemenscheibe eingreifen,
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16 eine Vorderansicht des Kupplungssystems ähnlich zu 15, wobei der Klinkenmechanismus wieder außer formschlüssigen Kontakt mit der Riemenscheibe angeordnet ist,
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17 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Kupplungssystems nach den 1 bis 11,
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18 eine Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems nach den 1 bis 11, wie es an einem Gehäuse eines Nebenaggregates verbaut ist,
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19 eine Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kupplungssystems nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei das Kupplungssystem bereits an einem Nebenaggregat angebracht ist,
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20 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems nach 19, in der ein Ankerelement einer Kupplung in einer ersten Verschiebestellung angeordnet ist, in der eine Riemenscheibe von einer Welle des Kupplungssystems drehentkoppelt ist,
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21 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 20, wobei zwei durch einen permanentmagnetischen Abschnitt des Ankerelements erzeugte Magnetfelder zur Umsetzung der erste Verschiebestellung dargestellt sind,
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22 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 21, wobei das Ankerelement in die Synchronstellung verbracht ist, in der der permanentmagnetische Abschnitt ein von dem Magnetaktor weg gerichtetes Magnetfeld erzeugt, so dass das Ankerelement an die Riemenscheibe angedrückt ist,
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23 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 22, wobei nun in der Synchronstellung mehrere Klinken eines Klinkenmechanismus des Ankerelements radial nach außen verschwenkt sind und an einen Anschlag der Riemenscheibe anliegen,
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24 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 23, wobei der Magnetaktor wiederum abgeschaltet ist und begonnen wird das Ankerelement außer reibkraftschlüssigen Kontakt mit der Riemenscheibe zu verbringen,
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25 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 24, wobei das Ankerelement nun in eine zweite Verschiebestellung verschoben ist, und wobei die Klinken des Klinkenmechanismus noch nicht radial nach außen geschwenkt sind,
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26 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 25, wobei die Klinken durch die immer noch anhaltende Drehbewegung des Ankerelements nach außen in eine Verzahnung an der Riemenscheibe formschlüssig eingerastet sind, so dass ein formschlüssiger Drehverbund zwischen dem Ankerelement und der Riemenscheibe besteht,
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27 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 26, wobei dargestellt ist, wie das Ankerelement von seiner zweiten Verschiebestellung zurück in die erste Verschiebestellung verschoben wird, indem der Magnetaktor ein das Magnetfeld des Permanentmagneten hin zu dem Magnetaktor verstärkendes Magnetfeld erzeugt,
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28 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 27, wobei das Ankerelement in axialer Richtung zurück in die erste Verschiebestellung verschoben ist und die Klinken des Klinkenmechanismus wieder außer formschlüssigen Kontakt mit der Verzahnung der Riemenscheibe angeordnet sind,
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29 eine Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kupplungssystems nach einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei das Kupplungssystem bereits an einem Nebenaggregat angebracht ist,
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30 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems nach 29, in der ein Ankerelement einer Kupplung in einer ersten Verschiebestellung angeordnet ist, in der eine Riemenscheibe von einer Welle des Kupplungssystems drehentkoppelt ist,
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31 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 30, wobei ein durch einen permanentmagnetischen Abschnitt des Ankerelements erzeugtes Magnetfeld zur Umsetzung der erste Verschiebestellung dargestellt ist,
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32 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 31, wobei das Ankerelement in die Synchronstellung verbracht ist, in der der permanentmagnetische Abschnitt und der Magnetaktor ein zu dem Magnetaktor hin gerichtetes Magnetfeld erzeugen, so dass das Ankerelement an die Riemenscheibe angedrückt ist,
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33 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 32, wobei das Ankerelement nun in eine zweite Verschiebestellung verschoben ist, in der die Klinken des Klinkenmechanismus bereits radial nach außen geschwenkt sind, so dass ein formschlüssiger Drehverbund zwischen dem Ankerelement und der Riemenscheibe besteht, und
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34 eine schematische Längsschnittdarstellung des Kupplungssystems ähnlich zu 33, wobei das Ankerelement in axialer Richtung zurück in die erste Verschiebestellung verschoben ist und die Klinken des Klinkenmechanismus wieder außer formschlüssigen Kontakt mit der Verzahnung der Riemenscheibe angeordnet sind.
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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.
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In Bezug auf die nachfolgenden drei beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele sei darauf hingewiesen, dass prinzipiell alle drei Ausführungsbeispiele wie das erste Ausführungsbeispiel aufgebaut sind sowie funktionieren, wobei hinsichtlich der zweiten und dritten Ausführungsbeispiele lediglich die Unterschiede gegenüber diesem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
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In 1 ist ein Aufbau eines erfindungsgemäßen Kupplungssystems 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Das Kupplungssystem 1 ist Bestandteil eines Zugmitteltriebs in Form eines Riementriebs. Das Kupplungssystem 1 ist somit auch als Riemenscheibenkupplungssystem bezeichnet. Das Kupplungssystem 1 dient zum wahlweisen Verbinden oder Entkoppeln eines Nebenaggregats, hier eines Klimakompressors, einer Verbrennungskraftmaschine, wie eines Otto- oder Dieselmotors, von einem Zugmittel, nämlich Riemen, des Zugmitteltriebes.
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In 1 ist auch prinzipiell erkennbar, dass das Kupplungssystem 1 unmittelbar eine Riemenscheibe 2 aufweist, die ein erstes Drehteil des Kupplungssystems 1 ausbildet. Ein zweites Drehteil des Kupplungssystems 1 ist durch eine Welle 3 ausgebildet. Diese Welle 3 kann unmittelbar ein integraler Bestandteil/Abschnitt einer Welle des hier der Übersichtlichkeit halber nicht vollständig dargestellten Nebenaggregats/Klimakompressors sein oder als eine separate Welle ausgebildet sein. In 1 ist diese Welle 3 ein separat von einer Antriebswelle 24 des Nebenaggregats ausgebildeter Bestandteil ausgeführt. Lediglich der Einfachheit halber ist die Welle 3 in den folgenden 2 bis 11 als integraler Bestandteil der Antriebswelle 24 eingezeichnet.
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Die Welle 3 ist drehfest auf der Antriebswelle 24 befestigt. Die Riemenscheibe 2 ist mittels einer Wälzlagerung 25 auf der Welle 3 drehbar gelagert. Die Riemenscheibe 2 weist einen ersten sich in radialer Richtung, d. h. radial zu einer Drehachse 26 der Welle 3, erstreckenden, ersten Scheibenbereich 27 auf. An einer radialen Außenseite des ersten Scheibenbereiches 27 weist die Riemenscheibe 2 wiederum eine formschlüssige Aufnahmekontur 28 zur formschlüssigen Aufnahme eines Riemens des Zugmitteltriebes auf. Weiterhin ist die Riemenscheibe 2 drehfest mit einem Deckel 14 verbunden. Der Deckel 14 ist drehfest an der Riemenscheibe 2 befestigt und bildet ein riemenscheibenfestes Element aus. Der Deckel 14 bildet daher einen zweiten Scheibenbereich 29 der Riemenscheibe 2 aus. Die beiden Scheibenbereiche 27 und 29 sind in axialer Richtung der Welle 3 voneinander beabstandet, unter Ausbildung eines Aufnahmeraums 30.
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Als Verbindungselement/Koppelelement der Riemenscheibe 2 mit der Welle 3 dient ein Ankerelement 7. Das Ankerelement 7 weist einen im Wesentlichen scheibenförmigen Grundabschnitt 21 auf. Der Grundabschnitt 21 ist wiederum über eine Lineargleitlagerung 31 an einem radial inneren Bereich mit der Welle 3 bewegungsgekoppelt. Die Lineargleitlagerung 31 ermöglicht Verschieben des Ankerelements 7 innerhalb des Aufnahmeraums 30 in axialer Richtung relativ zur Welle 3, legt jedoch gleichzeitig eine drehfeste Verbindung des Ankerelements 7 mit der Welle 3 fest.
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Das Ankerelement 7, wie auch schematisch in 2 sowie in 12 zu erkennen, ist aus mehreren konzentrisch zueinander/ineinander geschachtelt angeordneten Ringelementen/Ringen aufgebaut. Ein erster Ring 32a besteht aus einem amagnetischen, d. h. nicht magnetischen Material. Der erste Ring 32a ist unmittelbar radial außen auf die Lineargleitlagerung 31 aufgesetzt. Radial außerhalb des ersten Ringes 32a ist ein weiterer zweiter Ring 32b auf den ersten Ring 32a aufgebracht. Der zweite Ring 32b besteht aus einem magnetischen/magnetisierbaren Material. Ein dritter Ring 32c ist wiederum radial außerhalb des zweiten Ringes 32b auf diesen zweiten Ring 32b aufgebracht. Dieser dritte Ring 32c ist aus einem permanentmagnetischen Material/Permanentmagneten ausgebildet. Folglich bildet der dritte Ring 32c einen permanentmagnetischen Abschnitt 6 des Ankerelements 7 aus. Wiederum radial außerhalb des dritten Ringes 32c schließt ein vierter Ring 32d an. Dieser vierte Ring 32d besteht wiederum aus einem magnetischen/magnetisierbaren Material. Der vierte Ring 32d ist auf dem dritten Ring 32c aufgesetzt/aufgebracht. Alle vier Ringe 32a bis 32d des Ankerelements 7 sind drehfest miteinander verbunden. Die Riemenscheibe 2 und der Deckel 14 bestehen ebenfalls aus einem magnetischen/magnetisierbaren Material.
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Weiterhin ist an dem Ankerelement 7 ein Klinkenmechanismus 18 angebracht, der insbesondere in 13 sowie 14 gut zu erkennen ist. Der Klinkenmechanismus 18 weist drei entlang in Umfangsrichtung des Ankerelements 7 verteilt angeordnete Klinken 20 auf, die schwenkbar an dem Ankerelement 7, nämlich dem dritten Ring 32c angebracht sind. Jede Klinke 20 weist eine bestimmte Masse auf. Die Klinken 20 sind federelastisch (mittels Blattfedern 43) in ihrer Schwenkrichtung in radialer Richtung nach innen vorgespannt. Der Klinkenmechanismus 18 ist als fliehkraftbetätigter Klinkenmechanismus 18 ausgebildet.
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Wie auch in 1 gut zu erkennen ist, sind an dem Ankerelement 7 zwei Federelemente 16 und 17 angebracht. Diese Federelemente 16, 17 sind als Schraubendruckfedern ausgebildet. Ein erstes Federelement 16 ist an einer ersten (im Betrieb dem Magnetaktor 5 zugewandten) Stirnseite 15 des Ankerelements 7 angeordnet. Ein zweites Federelement 17 ist an einer, der ersten Stirnseite 15 abgewandten, zweiten axialen Stirnseite 33 des Ankerelements 7 angeordnet. Wie nachfolgend näher beschrieben, wirken diese Federelemente 16 und 17 in den jeweiligen Verschiebestellungen des Ankerelements 7 mit diesen zusammen. Das Ankerelement 7 ist Teil einer Kupplung 4, die weiterhin einen Magnetaktor 5 aufweist, um das Ankerelement 7 zwischen seinen Verschiebestellungen hin und her zu bewegen. Das Ankerelement 7 wirkt insbesondere mit einer Magnetspule 34 des Magnetaktors 5 zusammen. Der Magnetaktor 5 bildet einen Elektromagneten aus. In Abhängigkeit des Betriebszustandes der Magnetspule 34/des Magnetaktors 5 wird das Ankerelement 7, wie nachfolgend näher beschrieben, zwischen seinen Verschiebestellungen hin und her verschoben.
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In 3 ist das Ankerelement 7 in einer ersten Verschiebestellung in Form einer geöffneten Stellung der Kupplung 4/des Kupplungssystems 1 angeordnet. In dieser ersten Verschiebestellung/Stellung ist der Magnetaktor/die Magnetspule 34 ausgeschaltet und erzeugt somit kein Magnetfeld. Die erste Verschiebestellung ist bei ausgeschalteter/unbestromter Magnetspule 34 durch die Ausbildung des permanentmagnetischen Abschnittes 6 sowie durch die Anordnung des zweiten Federelements 17 stabil gehalten. Hierfür bildet der permanentmagnetische Abschnitt 6 in der ersten Verschiebestellung ein erstes Magnetfeld 8 aus, das von dem dritten Ring 32c aus über die beiden radial nach innen und außen anschließenden Ringe, d. h. den zweiten Ring 32b und den vierten Ring 32d, über die Riemenscheibe 2 sowie den Deckel 14 geleitet ist. Das erste Magnetfeld 8 ist in 3 als resultierendes Magnetfeld eingezeichnet. Das erste Magnetfeld 8 ist so gerichtet, dass (durch den permanentmagnetischen Abschnitt 6) eine erste Magnetkraft 35 auf das Ankerelement 7 wirkt. Die erste Magnetkraft 35 ist so stark gewählt, dass das zweite Federelement 17 in der ersten Verschiebestellung elastisch gestaucht angeordnet ist. Dadurch wird in dem zweiten Federelement 17 eine Federkraft 36 erzeugt, die sich im Kräftegleichgewicht mit der ersten Magnetkraft 35 befindet. Somit ist eine stabile Abstützung des Ankerelements 7 bei stromlosem Schalten des Magnetaktors 5 in der ersten Verschiebestellung vorhanden.
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Zum Umschalten zwischen der ersten Verschiebestellung hin zu einer, wie schließlich in 9 umgesetzten, zweiten Verschiebestellung ist das Ankerelement 7 zunächst in die in den 5 bis 7 dargestellte Synchronstellung (auch als dritte Verschiebestellung bezeichnet) des Ankerelements 7 zu verbringen. Hierzu wird, wie in 4 dargestellt, der Magnetaktor 5/die Magnetspule 34 bestromt, so dass er/sie ein (zweites) Magnetfeld 9 erzeugen. Dieses zweite Magnetfeld 9 ist in seiner Richtung und Stärke so gewählt, dass es eine (zweite) Magnetkraft 37 erzeugt, die auf das Ankerelement 7, entgegengesetzt zur ersten Magnetkraft 35, wirkt. Die zweite Magnetkraft 37 ist beim Verstellen des Ankerelements 7 gemäß 4 so stark, dass sich das Ankerelement 7 in axialer Richtung weg vom Deckel 14, d. h. hin zu dem Magnetaktor 5 sowie zu dem ersten Scheibenbereich 27 bewegt. Verstärkt wird die zweite Magnetkraft 37 in einem ersten Verschiebebereich des Ankerelements 7 zwischen der ersten Verschiebestellung und der Synchronstellung durch die erste Federkraft 36.
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In der nach 5 erreichten Synchronstellung des Ankerelements 7 liegt das Ankerelement 7 mit einer an der ersten Stirnseite 15 ausgeprägten Gegenreibfläche 13 an einer Reibfläche 12 am ersten Scheibenbereich 27 reibkraftschlüssig an. In 5 ist das Ankerelement 7 samt der Welle 3 noch nicht auf der gleichen Drehzahl wie die Riemenscheibe 2, sondern im Schlupfbetrieb. Auch befinden sich die Klinken 20 noch in einem eingefahrenen Zustand, d. h. die Klinken 20 sind noch in einer nach innen verschwenkten Position. In 5 wirkt zusätzlich zu dem zweiten Magnetfeld 9, wie es durch den Magnetaktor 5 erzeugt wird, wiederum ein durch den permanentmagnetischen Abschnitt 6 erzeugtes (drittes) Magnetfeld 10. Das dritte Magnetfeld 10 wirkt zu Beginn der Synchronstellung gemäß 5 gleichzeitig parallel/gleichgerichtet zu dem zweiten Magnetfeld 9 auf das Ankerelement 7, so dass das Ankerelement 7 zusätzlich zu der zweiten Magnetkraft 37 mit einer dritten Magnetkraft 38 zur Magnetspule 34 hingezogen wird und somit an den ersten Scheibenbereich 27 angedrückt ist. Entgegen den Magnetkräften 37 und 38 wirkt in der Synchronstellung eine (zweite) Federkraft 39, die durch das erste Federelement 16 aufgrund seiner elastischen Komprimierung aufgebracht wird, auf das Ankerelement 7. Das erste Federelement 16 ist in der Synchronstellung, wie bereits das zweite Federelement 17 in der ersten Verschiebestellung neben dem Ankerelement 7 an einem axial festen Abschnitt der Welle 3 abgestützt.
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In 6 weist schließlich das Ankerelement 7 samt Welle 3 die gleiche Drehzahl auf wie die Riemenscheibe 2, so dass die Klinken 20 radial nach außen schwenken. In der Synchronstellung dient ein Anschlag 22 an der Riemenscheibe 2 zum Beschränken der Schwenkbewegung der Klinken 20 in radialer Richtung nach außen.
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Die Synchronstellung dient somit zum Beschleunigen des Ankerelements 7 auf die gleiche Drehzahl wie die Riemenscheibe 2. Ist die gleiche Drehzahl beider Elemente – Riemenscheibe 2 und Ankerelement 7 – erreicht, wird der Magnetaktor 5 wiederum nach 7 ausgeschaltet. Dadurch wird das Ankerelement 7 von der Synchronstellung in eine zweite Verschiebestellung verbracht. Denn nach Ausschalten des zweiten Magnetfeldes 9 wirkt lediglich das dritte Magnetfeld 10 mit der dritten Magnetkraft 38 des permanentmagnetischen Abschnittes 6 auf das Ankerelement 7.
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Wie auch in 8 zu erkennen, ist der permanentmagnetische Abschnitt 6 in seiner Stärke so gewählt, dass bei einem Abschalten des Magnetaktors 5 wiederum ein viertes Magnetfeld 11 durch ihn auf das Ankerelement 7 wirkt. Das vierte Magnetfeld 11 wirkt mit einer vierten Magnetkraft 41 axial entgegengesetzt zu dem dritten Magnetfeld 10 derart, dass das Ankerelement 7 weg von dem ersten Scheibenbereich 27 hin zu dem zweiten Scheibenbereich 29 bewegt wird. Die Bewegung wird insbesondere durch die Federkraft 39 des ersten Federelements 16 hervorgerufen.
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In 9 ist zudem dargestellt, dass sich das Ankerelement 7 so weit axial von der Magnetspule 34/dem ersten Scheibenbereich 27 weg verschiebt, bis die beiden Magnetkräfte 38 und 41 mit der Federkraft 39 ein Kräftegleichgewicht ausbilden. Dieses Kräftegleichgewicht wird in der zweiten Verschiebestellung des Ankerelements 7 gebildet, in der die Klinken 20 in axialer Richtung neben dem Anschlag 22 positioniert sind. Dadurch schwenken die Klinken 20 radial nach außen und in formschlüssigen Kontakt mit einer (Innen-)Verzahnung 19 an der Riemenscheibe 2. In der zweiten Verschiebestellung nach 9 sind die Klinken 20 derart in radialer Richtung nach außen verschwenkt, dass sie formschlüssig in die Verzahnung 19 eingreifen. Somit ist die zweite Verschiebestellung wiederum als stabile Stellung des Ankerelements 7 ausgestaltet. Die zweite Verschiebestellung ist auch als geschlossene Stellung der Kupplung 4 bezeichnet.
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Soll schließlich das Ankerelement 7 wieder von seiner zweiten Verschiebestellung zurück in die erste Verschiebestellung gebracht werden, findet wiederum zunächst ein Bestromen des Magnetaktors 5/der Magnetspule 34 unter Erzeugung eines fünften Magnetfeldes 42, statt. Dies ist in 10 gut zu erkennen. Das fünfte Magnetfeld 42 ist so ausgestaltet, dass es eine Magnetkraft erzeugt, die entgegen der dritten Magnetkraft 38 des permanentmagnetischen Abschnittes 6 gerichtet ist. Dadurch wird wiederum das Ankerelement 7 aufgrund der vierten Magnetkraft 41 und der Federkraft 39 weg von dem Magnetaktor 5, d. h. hin zu dem Deckel 14, verschoben, so dass die Klinken 20, wie in 11 veranschaulicht, außer reibraftschlüssigen Kontakt mit der Verzahnung 19 gelangen. Dadurch wird wieder die erste Verschiebestellung nach 11 erreicht, wobei sich das fünfte Magnetfeld 42 wieder auf das erste Magnetfeld 8 zurückstellt.
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In Zusammenwirkung mit den 13, 14 und 16 ist dann nochmals die Anordnung der Klinken 20 in der ersten Verschiebestellung des Ankerelements 7 ersichtlich, wobei die Klinken 20 in radialer Richtung nach innen verschwenkt sind, und nicht in die Verzahnung 19 formschlüssig eingreifen. In 15 ist die zweite Verschiebestellung des Ankerelements 7 umgesetzt, so dass die Klinken 20 formschlüssig in die Verzahnung 19 eingreifen. Der Klinkenmechanismus 18 ist somit als ein fliehkraftaktuierter Klinkenmechanismus 18 ausgestaltet, der insbesondere in einer ersten Relativdrehrichtung der Riemenscheibe 2 relativ zur Welle 3 sperrt. Somit ist der Klinkenmechanismus 18 auch als ein Freilaufmechanismus bezeichnet. Das Ein- und Auskuppeln kann durch Variation/Erhöhung/Reduktion der Last am Aggregat unterstützt werden.
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In 17 ist das Kupplungssystem 1 nochmals in einer Explosionsdarstellung zu erkennen.
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Wie in 18 dargestellt, ist der Magnetaktor 5 fest an einem Gehäuse 23 des hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Nebenaggregates befestigt.
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In Verbindung mit 19 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kupplungssystems 1 dargestellt. Das Kupplungssystem 1 dieses zweiten Ausführungsbeispiels ist prinzipiell wie das des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut sowie funktionierend. Als ein Unterschied ist zu erkennen, dass der Klinkenmechanismus 18 nun nicht mehr in axialer Richtung gesehen zwischen dem Grundabschnitt 21 und dem zweiten Scheibenbereich 29, sondern axial zwischen dem Grundabschnitt 21 und dem Magnetaktor 5 angeordnet ist. Desweiteren ist auf einen ersten Scheibenbereich 27 verzichtet. Dies wird insbesondere dadurch bewirkt, dass die Verschiebebewegungen zwischen den Verschiebestellungen sowie die wirkenden Magnetfelder entgegengesetzt zu denen des ersten Ausführungsbeispiels gewählt sind.
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Wie in den 20 und 21 zu erkennen ist, ist in der ersten Verschiebestellung das nun über die Riemenscheibe 2 und den Magnetaktor 5 sowie das Gehäuse 23 des Nebenaggregats geleitete erste Magnetfeld 8 zusammen mit dem dritten Magnetfeld 10 sowie der (zweiten) Federkraft 39 im Kräftegleichgewicht.
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Zum Verschieben des Ankerelements 7 in axialer Richtung wird laut 22 wiederum eine (zweite) Magnetkraft 37 durch ein zweites Magnetfeld 9 an dem Magnetaktor 5, durch Bestromen der Magnetspule 34, erzeugt. Dadurch wird das Ankerelement 7 reibkraftschlüssig an den zweiten Scheibenbereich 29 angedrückt. Hierzu ist die Reibfläche 12 an dem Deckel 14 angebracht und die Gegenreibfläche 13 des Ankerelements 7 an der zweiten Stirnseite 33.
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Gemäß den 23 bis 26 findet die Verschiebung des Ankerelements 7 von der Synchronstellung (23) in die zweite Verschiebestellung dadurch statt, dass der Magnetaktor 5 abgeschaltet wird (24) und durch die wirkende (erste) Federkraft 36 das Ankerelement 7 wiederum in die zweite Verschiebestellung verschoben wird (25), bis die Klinken 20 radial nach außen schwenken (26). Zum Umschalten zwischen der zweiten Verschiebestellung zurück in die erste Verschiebestellung ist dann wiederum gemäß 27 und 28 die Magnetspule 34 entsprechend zu aktivieren.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel, das wiederum im Wesentlichen wie das erste Ausführungsbeispiel aufgebaut ist sowie funktioniert, ist in 29 gut zu erkennen. Hierbei ist im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel wiederum auf den ersten Scheibenbereich 27 verzichtet. Stattdessen ist ein die Reibfläche 12 ausbildender Konusbereich 40 an der Riemenscheibe 2 ausgeformt. Dieser Konusbereich 40 wirkt mit der Gegenreibfläche 13 an dem Ankerelement 7 zusammen. Die Gegenreibfläche 13 ist komplementär zu der Reibfläche 12 ausgeformt und durch einen konusförmigen radialen Außenbereich des Ankerelements 7 bzw. des vierten Ringes 32d gebildet. Gegenreibfläche 13 und Reibfläche 12 liegen wiederum in der Synchronstellung reibkraftschlüssig aneinander an.
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Wie in den 30 und 31 zu erkennen ist, ist auch wiederum in der ersten Verschiebestellung des Ankerelements 7 dieses dritten Ausführungsbeispiels das Ankerelement 7 stabil abgestützt.
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Zum Bewegen des Ankerelements 7 von der ersten Verschiebestellung in die Synchronstellung ist die Magnetspule 34 zu bestromen (32). Daraufhin, zum Bewegen des Ankerelements 7 von der Synchronstellung in die zweite Verschiebestellung, wird die Magnetspule 34 nach 33 abgeschaltet. Nach 34 wird das Ankerelement 7 anschließend wieder zurück in die erste Verschiebestellung gebracht.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein Kupplungssystem 1 an einem Kältemittelkompressor umgesetzt. Eine Schaltbewegung zwischen den einzelnen Stellungen des Kupplungssystems 1 erfolgt in einem ersten Ausführungsbeispiel durch die Bewegung des Ankerelements 7 von der ausgekoppelten Position I (erste Verschiebestellung) auf der Deckelseite über die synchronisierende Position II (Synchronstellung) auf Kompressorseite hin zur gekoppelten Position III (zweite Verschiebestellung) zwischen den Positionen I und II. Ein Stillstand/eine Stillstandposition ist mit eingeklappten Klemmkörpern (Klinken 20) in der ausgekoppelten Position I umgesetzt. Dabei besteht keine Verbindung zwischen der Riemenscheibe 2 und der Kupplungsscheibe (in Form des Ankerelements 7). Die Synchronisierung wird durch die reibkraftschlüssige Verbindung der Kupplungsscheibe 7 mit der Riemenscheibe 2 über ein Reibungselement (z. B. einen Reibbelag/Gegenreibfläche/Reibfläche) umgesetzt. Da es sich bei der Kupplung 4 zumindest um eine formschlüssige Kupplung handelt, wird eine Drehmomentenübertragung von der Riemenscheibe 2 auf die Kupplungsscheibe 7 über die ausklappbaren Klemmkörper 20 bei einer bestimmten Drehzahl erreicht. Dadurch ist die Kupplung 4 auch als Fliehkraftkupplung umgesetzt, wobei keine weitere Stromzufuhr notwendig ist. Letztendlich rasten die Klemmkörper 20 in den Zahnring (Verzahnung 19) ein. Zum Auskoppeln ist die formschlüssige Verbindung wieder durch Bewegung in die Position 1 zu lösen. Eine rückstellende Kraft wirkt durch Blattfedern 43 auf die Klemmkörper 20, so dass die Klemmkörper 20 sicher einklappen.
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Eine Abtriebswelle (Antriebswelle 24) ist im Nebenaggregat gelagert. Ein Elektromagnet 5, bestehend aus Kupferspule 34 und Eisenkern ist am Gehäuseansatz 23 des Nebenaggregats/Klimakompressors mittels eines Sicherungsringes befestigt. Eine Riemenscheibe 2, die den Elektromagneten 5 einschließt, wird über eine Riemenscheibenlagerung 25 auf dem Innenring gelagert. Der Innenring mit integriertem Führungsbolzen ist auf die Abtriebswelle 24 geschraubt. In die Riemenscheibe 2 werden eine Feder und ein Zahnring 19 eingefügt. Ein Reibbelag 12 wird auf eine Fläche senkrecht zur Mittelachse 26 der Riemenscheibe 2 geklebt. Eine Ankerscheibe (Ankerelement 7) wird auf den Innenring (Welle 3) über ein Lineargleitlager 31 gelagert. Auf den Innenring 3 wird ein Flansch geschraubt. Ein Deckel 14 wird fest mit der Riemenscheibe 2 verbunden. Die Ankerscheibe 7 ist aus Ringen 32a–d aufgebaut: Direkt auf dem Lineargleitlager 31 sitzt eine amagnetische Scheibe (erster Ring 32a), darüber eine magnetische innere Scheibe (zweiter Ring 32b). Auf diese folgt ein Permanentmagnetring (dritter Ring 32c) und anschließend eine äußere magnetische Scheibe (vierter Ring 32d). Magnetisch ist hierbei mit ferromagnetisch und magnetisierbar gleichzusetzen. An der Vorderseite ist ein gestanztes Blech befestigt, an dem drei Enden zu Blattfedern 43 gebogen wurden. Über diesem Blech ist eine magnetische Abdeckung angeordnet. Mittels Bolzen sind an der Ankerscheibe 7 drei Klemmkörper 20 beweglich so befestigt, dass sie die Blattfedern 43 vorspannen.
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Der Elektromagnet 5 ist zur gezielten Ansteuerung der Kupplungsscheibe 7 verwendet. Ein Permanentmagnet (permanentmagnetischer Abschnitt 6) ist in die Kupplungsscheibe 7 integriert, um die drei Positionen nach dem Konzept eines bistabilen Hubmagneten erreichen und halten zu können. Zwei Positionen (I, III) können unbestromt gehalten werden. Bei unbestromter Spule 34 kann der Permanentmagnet 6 zwei Magnetkreise/-felder bilden, in Position I wird der Magnetkreis der Kupplungsscheibe 7 über den Deckel 14 geschlossen. In Position III wird der Magnetkreis über den Elektromagneten 5 auf Kompressorseite geschlossen. Die Magnetkräfte entstehen durch Wechselwirkung von Elektromagnet 5 und Permanentmagnet 6. Durch je eine Feder (Federelemente 16, 17) links und rechts der Kupplungsscheibe 7 kann das benötigte Kräftegleichgewicht in der gekoppelten Position III eingestellt werden.
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Der explizite Bewegungsablauf erfolgt wie nachfolgend geschildert: Die geöffnete Kupplung 4/Position I wird gehalten, indem am Elektromagneten 5 keine Spannung anliegt, wobei sich der magnetische Kreis des Permanentmagneten 6 über den Deckel 14 schließt. Die Ankerscheibe 7 wird stromlos in ausgekoppelter Position von Magnetkraft 35 gehalten. Zur Bewegung von der geöffneten Kupplung 4 zur Synchronisation/von Position I zu II wird am Elektromagneten 5 eine Spannung angelegt, die einen Magnetkreis 9 über den Elektromagneten 5 auf Kompressorseite erzeugt. Die Flussrichtung des elektromagnetischen Kreises ist identisch zu der des permanentmagnetischen Kreises. Der Elektromagnet 5 verstärkt das Magnetfeld 10 des Permanentmagneten 6 auf Kompressorseite. Die Magnetkraft 37 + 38 auf Kompressorseite überwiegt, so dass die Ankerscheibe 7 von dem Elektromagneten 5 angezogen wird und sich in die synchronisierende Position II bewegt. Die Synchronisation/Position II wird anschließend gehalten, indem die Spannung am Elektromagneten 5 aufrechterhalten wird. Die resultierende, auf die Ankerscheibe 7 wirkende Magnetkraft presst die Ankerscheibe 7 gegen den Reibbelag 12. Dadurch wird Drehmoment auf die Abtriebswelle 24 übertragen, die Abtriebswelle 24 wird auf Drehzahl der Riemenscheibe 2 synchronisiert und die Klemmkörper 20 klappen durch Fliehkräfte aus und werden an der Haltekante (Anschlag 22) vom Einrasten in den Zahnring 19 zurückgehalten. Die Bewegung von der Synchronisation zur geschlossenen Kupplung 4/von Position II hin zu Position III wird wiederum umgesetzt, indem die Spannung am Elektromagneten 5 gelöst wird. Schließlich wird die Ankerscheibe 7 durch das erste Federelement 16 in Richtung Deckelseite gedrückt. An der gekoppelten Position III (zweite Verschiebestellung) befinden sich die Magnetkräfte und Federkräfte im Gleichgewicht, so dass die Ankerscheibe 7 selbständig diese axiale Position III hält. Die geschlossene Kupplung/Position III wird durch das Kräftegleichgewicht gehalten, so dass die Ankerscheibe 7 in der gekoppelten Position III stromlos gehalten wird. Die Klemmkörper 20 werden nicht mehr von der Haltekante 22 zurückgehalten und rasten durch die Fliehkraft in den Zahnring 19 ein. Die Bewegung von der geschlossenen Kupplung 4 in die geöffnete Kupplung 4/von Position III zu I wird erreicht, indem wiederum an dem Elektromagneten 5 eine Spannung angelegt wird, die ein Magnetfeld entgegengesetzt zu dem Magnetfeld des Permanentmagneten 6 erzeugt. Dadurch heben sich die Magnetfelder auf der Kompressorseite gegenseitig auf und es wirkt nur noch das Magnetfeld auf der Deckelseite. Mithilfe der Federkraft bewegt sich die Kupplungsscheibe 7 in Richtung Deckelseite (Klinken 20 werden axial aus der Zahnkontur (Verzahnung 19) herausgeschoben). In der ausgekuppelten Position I wird die geöffnete Kupplung 4 wiederum selbständig gehalten, indem Spannung vom Elektromagneten 5 weggenommen werden kann. Die Kraft des Permanentmagneten 6 ist stark genug, die Ankerscheibe 7 in dieser Position zu halten. Ankerscheibe 7 und Antriebswelle 24 schwingen sich aus und kommen zum Stillstand. Bei sinkender Drehzahl klappen die Klemmkörper 20 wieder ein.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Bewegung von der ausgekoppelten Position I auf Kompressorseite über die synchronisierende Position II auf Deckelseite zur gekoppelten Position III zwischen den Positionen I und III verbracht.
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Eine Abtriebswelle (Antriebswelle 24) ist wiederum im Nebenaggregat/im Gehäusedeckel des Nebenaggregats gelagert. Ein magnetischer Aufsatz wird auf den Gehäuseansatz geschraubt. Ein Innenring mit integriertem Führungsbolzen ist auf die Abtriebswelle 24 geschraubt. In den Aufsatz wird eine Feder eingefügt. Eine Riemenscheibe 2 wird auf den Eisenkern des Elektromagneten 5 gesetzt. Eine Ankerscheibe (Ankerelement 7) wird auf den Innenring (Welle 3) über ein Lineargleitlager 31 gelagert, sie wird mit den Klemmkörpern 20 Richtung Kompressorseite ausgerichtet. An der Ankerscheibe 7 wird auf der Deckelseite eine Feder angebracht. Über die Feder wird auf den Innenring 3 ein Flansch geschraubt. Auf einen Deckel 14 wird fest ein Zahnring 19 befestigt und ein Reibbelag 12 auf eine Fläche senkrecht zur Mittelachse 26 geklebt. Eine Riemenscheibenlagerung 25 wird in den Deckel 14 integriert. In eine Nut im Deckel 14 wird ein Gummiring eingefügt. Der Deckel 14 wird mit der Riemenscheibe 2 mit dem Gummiring verbunden und über das Riemenscheibenlager auf dem Innenring gelagert. Die Ankerscheibe 7 ist aus Ringen 32a–d aufgebaut: Direkt auf dem Lineargleitlager 31 sitzt eine amagnetische Scheibe (erster Ring 32a), darüber eine magnetische innere Scheibe (zweiter Ring 32b). Auf diese folgt ein Permanentmagnetring (dritter Ring 32c) und anschließend eine äußere magnetische Scheibe (vierter Ring 32d). Magnetisch ist hierbei mit ferromagnetisch und magnetisierbar gleichzusetzen. An der Vorderseite ist ein gestanztes Blech befestigt, an dem drei Enden zu Blattfedern 43 gebogen wurden. Mittels Bolzen sind an der Ankerscheibe 7 drei Klemmkörper 20 beweglich so befestigt, dass sie die Blattfedern 43 vorspannen.
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Ein Permanentmagnet (permanentmagnetischer Abschnitt 6) ist in die Kupplungsscheibe 7 integriert, um die drei Positionen nach dem Konzept eines bistabilen Hubmagneten erreichen und halten zu können. Zwei Positionen (I, III) können unbestromt gehalten werden. Bei unbestromter Spule 34 kann der Permanentmagnet 6 zwei Magnetkreise/-felder bilden, in Position I wird der Magnetkreis der Kupplungsscheibe 7 über den Elektromagneten 5 auf Kompressorseite geschlossen. In Position III wird der Magnetkreis über den Deckel 14 geschlossen. Die Magnetkräfte entstehen durch Wechselwirkung von Elektromagnet 5 und Permanentmagnet 6. Durch je eine Feder (Federelemente 16, 17) links und rechts der Kupplungsscheibe 7 kann das benötigte Kräftegleichgewicht in der gekoppelten Position III eingestellt werden.
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Der explizite Bewegungsablauf erfolgt wie nachfolgend geschildert: Der Stillstand/die Position I wird gehalten, indem am Elektromagneten 5 keine Spannung anliegt, wobei sich der magnetische Kreis des Permanentmagneten 6 über den Elektromagneten 5 auf Kompressorseite schließt. Die Ankerscheibe 7 wird stromlos in ausgekoppelter Position I gehalten. Zur Bewegung von der geöffneten Kupplung 4 zur Synchronisation/von Position I zu II wird am Elektromagneten 5 eine Spannung angelegt, die ein Magnetfeld 9 entgegengesetzt zum Magnetfeld 8 des Permanentmagneten 6 erzeugt. Die Magnetfelder auf Kompressorseite heben sich gegenseitig auf, so dass nur noch das Magnetfeld auf Deckelseite wirkt. Mithilfe der Federkraft 39 bewegt sich die Kupplungsscheibe 7 in Richtung Deckelseite. Die Synchronisation/Position II wird anschließend gehalten, indem die Spannung am Elektromagneten 5 aufrechterhalten wird. Die resultierende, auf die Ankerscheibe 7 wirkende Magnetkraft presst die Ankerscheibe 7 gegen den Reibbelag 12. Dadurch wird Drehmoment auf die Abtriebswelle 24 übertragen, die Klemmkörper 20 klappen durch die wirkenden Fliehkräfte aus und werden an der Haltekante (Anschlag 22) vom Einrasten in den Zahnring 19 zurückgehalten. Die Bewegung von der Synchronisation zur geschlossenen Kupplung 4/von Position II hin zu Position III wird wiederum umgesetzt, indem die Spannung am Elektromagneten 5 gelöst wird. Schließlich wird die Ankerscheibe 7 durch das zweite Federelement 17 in Richtung Kompressorseite gedrückt. An der gekoppelten Position III (zweite Verschiebestellung) befinden sich die Magnetkräfte und Federkräfte im Gleichgewicht, so dass die Ankerscheibe 7 selbständig diese axiale Position III hält. Die geschlossene Kupplung/Position III wird durch das Kräftegleichgewicht gehalten, so dass die Ankerscheibe 7 in der gekoppelten Position III stromlos gehalten wird. Die Klemmkörper 20 werden nicht mehr von der Haltekante 22 zurückgehalten und rasten durch die Fliehkraft in den Zahnring 19 ein. Die Bewegung von der geschlossenen Kupplung 4 in die geöffnete Kupplung 4/von Position III zu I wird erreicht, indem wiederum an dem Elektromagneten 5 eine Spannung angelegt wird, die einen Magnetkreis über den Elektromagneten 5 auf Kompressorseite schließt. Dadurch ist die Flussrichtung des elektromagnetischen Kreises zu der des permanentmagnetischen Kreises. Der Elektromagnet 5 verstärkt das Magnetfeld des Permanentmagneten 6 auf Kompressorseite. Die Magnetkraft auf der Kompressorseite überwiegt und die Ankerscheibe 7 wird vom Elektromagneten 5 angezogen und bewegt sich in die ausgekoppelte Position. In der ausgekuppelten Position I wird die geöffnete Kupplung 4 wiederum selbständig gehalten, indem Spannung vom Elektromagneten 5 weggenommen werden kann. Die Kraft des Permanentmagneten 6 ist stark genug, die Ankerscheibe 7 in dieser Position zu halten. Ankerscheibe 7 und Antriebswelle 24 schwingen sich aus und kommen zum Stillstand. Bei sinkender Drehzahl klappen die Klemmkörper 20 wieder ein.
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In dem dritten Ausführungsbeispiel ist wiederum eine Abtriebswelle (Antriebswelle 24) wiederum im Nebenaggregat gelagert. Ein magnetischer Aufsatz wird auf den Gehäuseansatz geschraubt. Ein Innenring mit integriertem Führungsbolzen ist auf die Abtriebswelle 24 geschraubt. In den Aufsatz wird eine Feder eingefügt. Eine Riemenscheibe 2 wird auf den Eisenkern des Elektromagneten 5 gesetzt. In die Riemenscheibe 2 wird ein Zahnring 19 eingefügt und ein konusförmiger Reibbelag 12 auf eine Fläche der Riemenscheibe 2 geklebt. Eine Ankerscheibe (Ankerelement 7) wird auf den Innenring (Welle 3) über ein Lineargleitlager 31 gelagert. Auf den Innenring 3 wird ein Flansch geschraubt. Vor den Flansch wird ein Riemenscheibenlager 25 platziert. Ein Deckel 14 wird fest mit der Riemenscheibe 2 verbunden. Die Ankerscheibe 7 ist wiederum aus Ringen 32a–d aufgebaut: Direkt auf dem Lineargleitlager 31 sitzt eine amagnetische Scheibe (erster Ring 32a), darüber eine magnetische innere Scheibe (zweiter Ring 32b). Auf diese folgt ein Permanentmagnetring (dritter Ring 32c) und anschließend eine äußere magnetische Scheibe (vierter Ring 32d). Magnetisch ist hierbei mit ferromagnetisch und magnetisierbar gleichzusetzen. An der Vorderseite ist ein gestanztes Blech befestigt, an dem drei Enden zu Blattfedern 43 gebogen wurden. Über diesem Blech ist eine magnetische Abdeckung angeordnet. Mittels Bolzen sind an der Ankerscheibe 7 drei Klemmkörper 20 beweglich so befestigt, dass sie die Blattfedern 43 vorspannen.
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Der Elektromagnet 5 wird zur gezielten Ansteuerung der Kupplungsscheibe 7 verwendet. Ein Permanentmagnet (permanentmagnetischer Abschnitt 6) ist in die Kupplungsscheibe 7 integriert, um die drei Positionen nach dem Konzept eines bistabilen Hubmagneten erreichen und halten zu können. Zwei Positionen (I, III) können unbestromt gehalten werden. Bei unbestromter Spule 34 kann der Permanentmagnet 6 zwei Magnetkreise/-felder bilden, in Position I wird der Magnetkreis der Kupplungsscheibe 7 über den Deckel 14 geschlossen. In Position III wird der Magnetkreis über den Elektromagneten 5 auf Kompressorseite geschlossen. Die Magnetkräfte entstehen durch Wechselwirkung von Elektromagnet 5 und Permanentmagnet 6. Durch je eine Feder (Federelemente 16, 17) links und rechts der Kupplungsscheibe 7 kann das benötigte Kräftegleichgewicht in der gekoppelten Position III eingestellt werden.
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Der explizite Bewegungsablauf erfolgt wie nachfolgend geschildert: Die geöffnete Kupplung 4/Position I wird gehalten, indem am Elektromagneten 5 keine Spannung anliegt, wobei sich der magnetische Kreis des Permanentmagneten 6 über den Deckel 14 schließt. Die Ankerscheibe 7 wird stromlos in ausgekoppelter Position von Magnetkraft 35 gehalten. Zur Bewegung von der geöffneten Kupplung 4 zur Synchronisation/von Position I zu II wird am Elektromagneten 5 eine Spannung angelegt, die einen Magnetkreis 9 über den Elektromagneten 5 auf Kompressorseite erzeugt. Die Flussrichtung des elektromagnetischen Kreises ist identisch zu der des permanentmagnetischen Kreises. Der Elektromagnet 5 verstärkt das Magnetfeld 10 des Permanentmagneten 6 auf Kompressorseite. Die Magnetkraft 37 + 38 auf Kompressorseite überwiegt, so dass die Ankerscheibe 7 von dem Elektromagneten 5 angezogen wird und sich in die synchronisierende Position II bewegt. Die Synchronisation/Position II wird anschließend gehalten, indem die Spannung am Elektromagneten 5 aufrechterhalten wird. Die resultierende, auf die Ankerscheibe 7 wirkende Magnetkraft presst die Ankerscheibe 7 gegen den Reibbelag 12. Dadurch wird Drehmoment auf die Abtriebswelle 24 übertragen, die Abtriebswelle 24 wird auf Drehzahl der Riemenscheibe 2 synchronisiert und die Klemmkörper 20 klappen durch Fliehkräfte aus und werden an der Haltekante (Anschlag 22) vom Einrasten in den Zahnring 19 zurückgehalten. Die Bewegung von der Synchronisation zur geschlossenen Kupplung 4/von Position II hin zu Position III wird wiederum umgesetzt, indem die Spannung am Elektromagneten 5 gelöst wird. Schließlich wird die Ankerscheibe 7 durch das erste Federelement 16 in Richtung Deckelseite gedrückt. An der gekoppelten Position III (zweite Verschiebestellung) befinden sich die Magnetkräfte und Federkräfte im Gleichgewicht, so dass die Ankerscheibe 7 selbständig diese axiale Position III hält. Die geschlossene Kupplung/Position 111 wird durch das Kräftegleichgewicht gehalten, so dass die Ankerscheibe 7 in der gekoppelten Position III stromlos gehalten wird. Die Klemmkörper 20 werden nicht mehr von der Haltekante 22 zurückgehalten und rasten durch die Fliehkraft in den Zahnring 19 ein. Die Bewegung von der geschlossenen Kupplung 4 in die geöffnete Kupplung 4/von Position III zu I wird erreicht, indem wiederum an dem Elektromagneten 5 eine Spannung angelegt wird, die ein Magnetfeld entgegengesetzt zu dem Magnetfeld des Permanentmagneten 6 erzeugt. Dadurch heben sich die Magnetfelder auf der Kompressorseite gegenseitig auf und es wirkt nur noch das Magnetfeld auf der Deckelseite. Mithilfe der Federkraft bewegt sich die Kupplungsscheibe 7 in Richtung Deckelseite (Klinken 20 werden axial aus der Zahnkontur (Verzahnung 19) herausgeschoben). In der ausgekuppelten Position I wird die geöffnete Kupplung 4 wiederum selbständig gehalten, indem Spannung vom Elektromagneten 5 weggenommen werden kann. Die Kraft des Permanentmagneten 6 ist stark genug, die Ankerscheibe 7 in dieser Position zu halten.
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Ankerscheibe 7 und Antriebswelle 24 schwingen sich aus und kommen zum Stillstand.
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Bei sinkender Drehzahl klappen die Klemmkörper 20 wieder ein.
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Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kupplungssystem
- 2
- Riemenscheibe
- 3
- Welle
- 4
- Kupplung
- 5
- Magnetaktor
- 6
- permanentmagnetischer Abschnitt
- 7
- Ankerelement
- 8
- erstes Magnetfeld
- 9
- zweites Magnetfeld
- 10
- drittes Magnetfeld
- 11
- viertes Magnetfeld
- 12
- Reibfläche
- 13
- Gegenreibfläche
- 14
- Deckel
- 15
- Stirnseite/erste Stirnseite
- 16
- erstes Federelement
- 17
- zweites Federelement
- 18
- Klinkenmechanismus
- 19
- Verzahnung
- 20
- Klinke
- 21
- Grundabschnitt
- 22
- Anschlag
- 23
- Gehäuse
- 24
- Antriebswelle
- 25
- Wälzlagerung
- 26
- Drehachse
- 27
- erster Scheibenbereich
- 28
- Aufnahmekontur
- 29
- zweiter Scheibenbereich
- 30
- Aufnahmeraum
- 31
- Lineargleitlagerung
- 32a
- erster Ring
- 32b
- zweiter Ring
- 32c
- dritter Ring
- 32d
- vierter Ring
- 33
- zweite Stirnseite
- 34
- Magnetspule
- 35
- erste Magnetkraft
- 36
- erste Federkraft
- 37
- zweite Magnetkraft
- 38
- dritte Magnetkraft
- 39
- zweite Federkraft
- 40
- Konusbereich
- 41
- vierte Magnetkraft
- 42
- fünftes Magnetfeld
- 43
- Blattfeder
