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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltvorrichtung für ein Tretrad, umfassend eine Mehrzahl von axial zueinander benachbarten Planetensätzen, jeweils wenigstens drei Planetensatzelemente umfassend, nämlich je eine Sonne, ein Hohlrad und einen Steg mit drehbar darauf gelagerten Planeten,
wobei einige der Planetensatzelemente als schaltbare Elemente ausgebildet sind, die rotierbar um eine als Hohlachse ausgebildete Zentralachse gelagert und mittels an der Zentralachse gelagerter, deren Wandung bewegbar durchsetzender Kupplungselemente drehfest mit der Zentralachse verbindbar sind,
wobei innerhalb der Zentralachse eine relativ zu dieser drehbare Schaltwelle gelagert ist, die eine Mehrzahl von sie ringförmig umlaufenden und drehwinkelabhängig mit den Kupplungselementen wechselwirkenden Nocken- und/oder Nutprofilen aufweist,
und wobei die Schaltwelle in einem Rastierungsabschnitt eine Mehrzahl von über ihren Umfang verteilten Axialnuten aufweist, in denen über den Nutrand der Axialnuten hinausragende Rastierungskugeln axial bewegbar und tangential gesichert gelagert sind, und der Rastierungsabschnitt von einer drehfest mit der Zentralachse verbundenen, axial einerseits der Rastierungskugeln angeordneten Rastierungshülse umgriffen ist, die eine Mehrzahl von zu den Rastierungskugeln hin offene, an den Durchmesser der Rastierungskugeln angepasste Rastierungsausnehmungen aufweist, und axial andererseits der Rastierungskugeln ein die Schaltwelle umgreifender, mittels einer Vorspannfeder gegen die Rastierungskugeln vorgespannter Rastierungsschieberring angeordnet ist.
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Bei der dort offenbarten Schaltvorrichtung handelt es sich um eine mechanische Getriebeschaltung, die innerhalb eines Getriebegehäuses im Bereich des Tretkurbellagers eines Tretrades eingesetzt wird. Innerhalb des Getriebegehäuses sind mehrere Planetensätze, jeweils umfassend eine Sonne, ein Hohlrad und einen Steg mit drehbar darauf gelagerten Planeten, angeordnet. Die einzelnen Planetensätze, insbesondere auch ihre Sonnen, sind dabei drehbar um eine gemeinsame, gehäusefeste Sonnenachse, die hier auch als Zentralachse bezeichnet werden soll, gelagert. Die Planetensätze sind axial benachbart zueinander positioniert und miteinander gekoppelt. Sie dienen der schaltbaren Übersetzung zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle der Schaltvorrichtung. Die Eingangswelle ist zwischen dem Gehäuse und der Zentralachse drehbar gelagert und trägt außerhalb des Gehäuses einen Anschluss zu einer Tretkurbelanordnung und/oder einem elektrischen Antriebsmotor. Die Ausgangswelle trägt außerhalb des Gehäuses ein Kettenblatt als Teil eines Kettenantriebs zu einem angetriebenen Rad des Tretrads, üblicherweise dem Hinterrad. Um eine Schaltbarkeit der Übersetzung zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle zu erreichen, können einzelne Planetensatzelemente bedarfsweise drehfest mit der Zentralachse gekoppelt werden bzw. frei um diese rotieren. Dies betrifft in erster Linie die Sonnen der Planetensätze. Hierzu sind in der Wandung der Zentralachse diese durchsetzende Schaltklinken angeordnet, die im ausgefahrenen Zustand in korrespondierende Ausnehmungen der Sonnen eingreifen, sodass sich eine drehfeste Kopplung zwischen der Zentralachse und der entsprechenden Sonne ergibt. Im eingeklappten Zustand der Schaltklinken können die Sonnen jedoch frei um die Zentralachse rotieren. Zur Ansteuerung der Schaltklinken ist eine Schaltwelle vorgesehen, die die als Hohlachse ausgebildete Zentralachse koaxial durchsetzt. Korrespondierend zu den Schaltklinken weist die Schaltwelle ein Nut- und Nockenprofil auf, welches sie ringförmig umläuft. Je nach Drehwinkel der Schaltwelle relativ zur Zentralachse wechselwirken die Schaltklinken mit ihrem nach innerhalb der Zentralachse ragenden Abschnitt mit Schaltwellenbereichen größeren oder kleineren Abstandes von der geometrischen Drehachse der Schaltwelle. D.h. sie werden in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Schaltwelle stärker oder weniger stark durch die Zentralachsenwandung nach außen verschoben, um dort im vollständig ausgefahrenen Zustand die zugeordnete Sonne zu fixieren. Mit anderen Worten wechselwirken die inneren Bereiche der Schaltklinken mit je einem die Schaltwelle ringförmig umlaufenden Nut- und Nockenprofil. Soweit andere Planetensatzelemente als die Sonnen an der Zentralachse fixiert werden sollen, offenbart die genannte Druckschrift Axialkupplungen, deren Funktion jedoch nicht im Detail beschrieben wird.
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Aus der
DE 197 20 794 A1 ist eine ähnliche, jedoch als Nabenschaltung ausgebildete Schaltvorrichtung bekannt, bei der besagte Axialkupplungen über Betätigungsstifte, die die Zentralachsenwandung durchsetzen und in einem Helikalnutprofil in der Schaltwelle geführt sind, betätigt werden.
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In jedem Fall sind die einzelnen Schaltzustände der Kupplungen in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Schaltwelle einstellbar.
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Zur Ansteuerung der gattungsgemäßen Schaltvorrichtung ist die Schaltwelle mit einem elektrischen Schaltmotor verbunden, der die Schaltwelle direkt in die jeweils gewünschte Winkellage dreht. Hierdurch kann in Verbindung mit einer umfangreichen Sensorik eine komfortable Schaltautomatik realisiert werden.
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Um den Schaltmotor nur zu den konkreten Schaltvorgängen bestromen zu müssen und ihn zwischen den Schaltvorgängen unbestromt lassen zu können, ist die Schaltwelle der gattungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einer Rastierung versehen. Hierzu trägt die Schaltwelle in einem endständigen Rastierungsabschnitt über ihren Umfang verteilte Axialnuten, in denen jeweils eine Rastierungskugel liegt, die dort axial verschieblich und tangential gesichert über den Nutrand hinausragt. Der über den Nutrand hinausragende Teil der Kugeln liegt axial einerseits an einer korrespondierende, halbkalottenförmige Rastierungsausnehmungen aufweisenden Rastierungshülse an, die koaxial zur Schaltwelle an der Zentralachse fixiert ist. Axial andererseits liegen die Rastierungskugeln an einem Rastierungsschieberring an, der durch eine Vorspannfeder vorgespannt ist, sodass er die Rastierungskugeln gegen die Rastierungshülse presst. Die Rastierungsausnehmungen sind so über den Umfang der Rastierungshülse verteilt, dass ihre Winkellagen den einzelnen Schaltstellungen der Schaltwelle entsprechen. Wird die Schaltwelle bei einem Schaltvorgang gedreht, wird das Drehmoment durch die Wechselwirkung der Rastierungskugeln mit den Krümmungen der Rastierungsausnehmungen teilweise in eine gegen die Vorspannkraft gerichtete Axialkraft umgelenkt, die, sofern sie groß genug ist, den Rastierungsschieberring so weit verschiebt, dass die Rastierungskugeln in die jeweils benachbarte Rastierungsausnehmung gleiten können und dort von dem durch die Vorspannfeder wieder vorgeschobenen Rastierungsschieberring erneut fixiert werden.
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Die Vorspannfeder ist als koaxial auf die Schaltwelle aufgeschobene Schraubenfeder ausgebildet, die sich axial einerseits an einem äußeren Kragen der Schaltwelle und axial andererseits direkt an dem Rastierungsschieberring abstützt.
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Nachteilig dabei ist, dass der von der Vorspannfeder umhüllte Axialabschnitt der Schaltwelle nicht für die Ausbildung von Nut- und Nockenprofilen bzw. Helikalnutprofilen zur Ansteuerung von Schaltkupplungen zur Verfügung steht. Zur Anordnung der erforderlichen Profile einerseits und der bekannten Rastierung andererseits ist folglich ein vergleichsweise großer axialer Bauraum erforderlich.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Schaltvorrichtung derart weiterzubilden, dass ein geringerer Bauraum benötigt wird.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Vorspannfeder im Inneren der wenigstens abschnittweise hohlen Schaltwelle angeordnet und einerseits in dieser und andererseits über ein die Schaltwellenwandung radial durchsetzendes, axial bewegliches Koppelglied gegen den Rastierungsschieberring abgestützt ist.
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Durch die Verlegung der Vorspannfeder in das Innere der wenigstens abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildeten Schaltwelle wird die Außenfläche der Schaltwelle in diesem Bereich frei (im Vergleich zum Stand der Technik) und steht für die Anordnung von Nut- und Nockenprofilen bzw. für die Anordnung von Helikalnutprofilen für Schaltkupplungen zur Verfügung. Daher wird es z.B. möglich, an dieser Stelle ohne axiale Bauraumvergrößerung eine direkt schaltbare Axialkupplung anstelle eines üblicherweise eingesetzten, schmaleren Freilaufs anzuordnen, wodurch ein gangabhängiges, akustisch störendes Ratschen vermieden und zugleich die Entsperrmomente der Klinken beim Schaltvorgang reduziert werden.
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Der entsprechende Abschnitt der Schaltwelle ist daher doppelt nutzbar, nämlich als Erstreckungsbereich für die Vorspannfeder und als Trägerbereich für Schaltkupplungsprofile. Entsprechend verkürzt sich der insgesamt benötigte Bauraum. Diese Bauraumeinsparung kann zur schmaleren Ausgestaltung der Gesamtanordnung und/oder zur Erhöhung der Anzahl von Kupplungen und daher von schaltbaren Gängen genutzt werden.
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Allerdings ergibt sich aus der Verlegung der Vorspannfeder in das Innere der Schaltkupplung das Problem, eine Wirkverbindung zwischen der Vorspannfeder und der außen auf der Kupplung sitzenden Rastierung, insbesondere mit dem Rastierungsschieberring zu erzeugen. Zur Lösung dieses Problems sieht die Erfindung wenigstens einen Durchbruch in der Schaltwellenwandung vor, durch welchen ein Koppelglied nach außen ragt, gegen das sich die Vorspannfeder im Inneren der Schaltwelle abstützt. Der Durchbruch in der Schaltwellenwandung und der ihn durchragende Teil des Koppelgliedes haben in ihrer Größe so aufeinander abgestimmt zu sein, dass das Koppelglied eine Axialbewegung durchführen kann. Insbesondere hat die axiale Länge des Durchbruchs deutlich größer zu sein als die axiale Länge des ihn durchragenden Koppelglied-Teils. Der hierdurch außerhalb der Schaltwelle gelegene Teil des Koppelgliedes liegt am Rastierungsschieberring an, sodass sich insgesamt die Vorspannfeder mittelbar über das Koppelglied am Rastierungsschieberring abstützt. Auf diese Weise wird der oben beschriebene Rastierungseffekt in bekannter Weise erzielt. Es ist sogar möglich, im Hinblick auf die eigentliche Rastierung dieselben Bauteile und Abmessungen zu verwenden wie beim Stand der Technik.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Koppelglied zwei Elemente, nämlich einen in der Schaltwelle geführten Koppelbolzen, der von einem senkrecht zu seiner Axialrichtung orientierten Stift durchsetzt ist, welcher zudem zwei korrespondierende Langlöcher in der Schaltwellenwandung durchsetzt. Diese Ausführungsform hat sich als einerseits konstruktiv besonders einfach und andererseits als funktional besonders zuverlässig erwiesen. Die Dimension des Koppelbolzens hat selbstverständlich auf die Dimension der Schaltwellenhöhlung abgestimmt zu sein, sodass der Koppelbolzen reibungsarm und verkantungssicher im Inneren der Schaltwelle geführt ist. Der ihn senkrecht durchsetzende Stift, der bevorzugt als ein eine Querbohrung im Koppelbolzen durchsetzender, einfacher Spannstift ausgebildet ist, überragt den Koppelbolzenumfang an zwei um 180° versetzen Positionen und durchsetzt entsprechend positionierte Langlöcher in der Schaltwellenwandung. Der Stift kann außerhalb der Schaltwelle direkt mit dem Axialschieberring wechselwirken.
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Zur Vermeidung einer Verkantung des Rastierungsschieberrings sind unterschiedliche Maßnahmen denkbar, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können. So kann der Stift rastierungsseitig abgeflacht oder mit die Anlagefläche vergrößernden Flachelementen versehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Rastierungsschieberring auf der Außenfläche der Schaltwelle und/oder an der Innenwandung der Zentralachse gelagert, insbesondere gleitgelagert sein. Besonders bevorzugt ist eine Kombination der beiden letztgenannten Maßnahmen, da auf diese Weise auch eine Radiallagerung der Schaltwelle selbst gewährleistet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie II-II in 1.
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1 zeigt in Schnittdarstellung eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, von der jedoch lediglich die eigentliche Schaltmechanik ohne die zu schaltenden Planetensätze gezeigt ist.
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Innerhalb einer hohlen Zentralachse 10 ist eine Schaltwelle 20 drehbar gelagert. Die Lagerung erfolgt im Wesentlichen über ein Gleitlager 30, welches hauptsächlich Radialkräfte, jedoch auch in geringem Maße Axialkräfte aufzunehmen vermag. Die Außenwandung der Schaltwelle 20 weist über ihre Länge verteilt Helikalnuten 21 sowie Nut- und Nockenprofile 22 auf. Bei der dargestellten Ausführungsform sind im Zentralbereich der Schaltwelle 20 vier Nut- und Nockenprofile 22 sowie zwei randständig dazu angeordnete Helikalnuten 21 vorgesehen.
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In den Helikalnuten 21 ist jeweils ein Mitnehmerbolzen 41 positioniert, der eine korrespondierende Ausnehmung 11 der Zentralachse 10 durchsetzt und in eine Führungsnut 42 eines mittels einer Druckfeder 43 vorgespannten, axial verschieblichen Axialkupplungselementes 44 hinein ragt. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die in 1 linke Axialkupplung mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der Fachmann wird jedoch die Identifizierung der analogen Elemente bei der in 1 rechten Axialkupplung ohne Schwierigkeiten selbst vornehmen können.
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Im Bereich der Nut- und Nockenprofile 22 ist jeweils eine Sperrklinke 45 vorgesehen, die in einer Lageröffnung 12 der Zentralachse 10 gelagert ist und diese in Radialrichtung durchsetzt. Die Sperrklinke 45 ist mittels einer Klinkenfeder 46 gegen die Schaltwelle 20 vorgespannt. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die in 1 linke Klinkenkupplung mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der Fachmann wird jedoch die Zuordnung der analogen Elemente bei den drei übrigen Klinkenkupplungen in 1 ohne weiteres selbst vornehmen können.
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Durch Rotation der Schaltwelle können die Axialkupplungen und die Klinkenkupplungen betätigt werden. Bei den Axialkupplungen wird der Mitnehmerbolzen 41 entsprechend der Formgebung mit seiner zugeordneten Helikalnut 21 bei Rotation der Schaltwelle axial verschoben und nimmt den beweglichen Axialkupplungsteil 41 gegen die Vorspannkraft der Druckfeder 43 mit. Bei den Klinkenkupplungen werden die Schaltklinken 45 bei Rotation der Schaltwelle 20 entsprechend ihrem jeweils zugeordneten Nut- und Nockenprofil 22 verkippt, sodass in 1 nicht im Detail gezeigte Sperrnasen gegen die Vorspannkraft der Klinkenfedern 46 ausgeklappt werden.
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Die Rotation der Schaltwelle 20 erfolgt mittels eines nicht dargestellten elektrischen Direktantriebs, dessen Rotorwelle bei der gezeigten Ausführungsform mittels der Steckverzahnung 23 am linken Ende der Schaltwelle 20 angekoppelt werden kann.
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Um den elektrischen Direktantrieb nur während der konkreten Schaltrotationen bestromen zu müssen, ist eine Rastierung vorgesehen, die die Schaltwelle 20 in den einzelnen Schaltstellungen mechanisch fixiert. Hierzu weist die Schaltwelle 20 im Bereich ihres in 1 rechten Endes Axialnuten 24 auf, in denen Rastierungskugeln 51 gelagert sind. In 1 rechts der Rastierungskugeln 51 ist eine Rastierungshülse 52 mit zu den Rastierungskugeln 51 korrespondierenden Rastierungsausnehmungen vorgesehen. Diese ist mittels eines Sicherungsrings 53 dreh- und axial fest mit der Zentralachse 10 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Rastierungskugel 51 (links davon in 1) ist ein Rastierungsschieberring 54 in Form einer Ringscheibe angeordnet. Der Rastierungsschieberring 54 ist so dimensioniert, dass sie verkippsicher innen auf der Außenseite der Schaltwelle 20 und außen an der Innenfläche der Zentralachse 10 geführt ist.
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Auf der den Rastierkugeln 51 abgewandten Seite des Rastierungsschieberrings 54 liegt dieser an einem Spannstift 55 an, welcher einen im Innenraum der hier hohl ausgebildeten Schaltwelle 20 geführten Koppelbolzen 56 quer durchsetzt und durch korrespondierende Langlöcher 25 in der Wandung der Schaltwelle 20 beidseitig nach außen ragt. Der Koppelbolzen 56 ist von einer als Schraubenfeder ausgebildeten Vorspannfeder 57, die im Inneren der Schaltwelle 20 gelagert ist und sich einerseits am Koppelbolzen 56 und andererseits an einer Abstützschulter 26 abstützt, kraftbeaufschlagt. Mit dieser Vorspannkraft wird der Spannstift 55 gegen den Rastierungsschieberring 54, dieser gegen die Rastierungskugeln 51 und diese schließlich gegen die Rastierungshülse 52 gepresst.
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Man erkennt in 1 deutlich, dass der die Vorspannfeder 57 beherbergende Abschnitt der Schaltwelle 20 aufgrund der Verlegung der Vorspannfeder 57 in das Innere der Schaltwelle 20 auf seiner Außenseite als Träger mehrerer Kupplungen dienen kann.
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2 zeigt die in 1 bezeichnete Schnittebene (wenngleich mit anderer Winkellage der Schaltwelle 20) zur Illustration einer besonders bevorzugten Ausführungsform zur Lagerung der Sperrklinken 45. Die Sperrklinken 45 sind hierbei im Bereich des Wanddurchbruchs 12 unmittelbar in der Wandung der Zentralachse 10 gelagert. Sie weisen hierzu einen Achsstummel mit kreissegmentförmigem Profil auf, das in einer offenen Lagerwanne 48 mit korrespondieren gerundeten Wandungen liegt. Die Wandungen sind dabei so hoch gezogen, dass die Wannenöffnung kleiner ist als die größte Breite des Achsstummelprofils, jedoch größer als die größte Höhe des Achsstummelprofils. Mit anderen Worten bilden die Ecken der Wannenöffnung vorspringende Hörner 481. Hierdurch kann die Sperrklinge 45 in verkippter Orientierung in die Lagerwanne 48 eingesetzt werden, ist aber in ihren Betriebsstellungen gegen ein radiales Herausgleiten aus der Lagerwanne geschützt, sodass auch unter hoher Momentenlast des Getriebes nur eine geringe Schaltkraft erforderlich ist. Durch die geringe Schaltkraft ist auch bei hoher Momentenlast des Getriebes ein zuverlässiges Schalten der Gangstufen möglich. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lagerung liegt in dem völligen Verzicht auf zusätzliche Bauteile.
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Zur Betätigung werden wird die Schaltwelle 20 mit ihrem Nut- und Nockenprofile 22 verdreht. Die Betätigung erfolgt gegen die Kraft der in 2 nicht gezeigten Klinkenfedern 46. Die Kraft der Klinkenfeder 46 wirkt so auf die zugeordnete Sperrklinke 45, dass in Richtung einer Drehstellung vorgespannt ist, in der sie mit einem nicht gezeigten Endbereich, der eine Sperrnase aufweist, radial auswärts verdreht ist. Die Verdrehung der Sperrklinke 45 wird allerdings verhindert, wenn die Sperrklinke 45 mit einem entsprechenden Nocken 22 der Schaltwelle 20 wechselwirkt. Durch eine relative Verdrehung der Schaltwelle 20 zur Zentralachse 10 kann eine Nut 22 so zur Sperrklinke 45 positioniert werden, dass die Sperrklinke 45 verdrehbar ist. Die Sperrklinke 45 wird von der Klinkenfeder 46 derart betätigt, dass die Sperrnase mit einem der jeweiligen Gangstufe entsprechenden (hier nicht gezeigten) Zahnrad in Wirkverbindung steht.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zentralachse
- 11
- Wandungsdurchbruch von 10
- 12
- Wandungsdurchbruch von 10
- 20
- Schaltwelle
- 21
- Helikalnut
- 22
- Nut- und Nockenprofil
- 23
- Steckverzahnung
- 24
- Axialnut
- 25
- Wandungsdurchbruch von 20
- 26
- Abstützschulter
- 30
- Gleitlager
- 41
- Mitnehmerbolzen
- 42
- Führungsnut
- 43
- Druckfeder
- 44
- bewegliches Axialkupplungselement
- 45
- Sperrklinke
- 46
- Klinkenfeder
- 48
- Lagerwanne
- 481
- Horn von 48
- 51
- Rastierkugel
- 52
- Rastierhülse
- 53
- Sicherungsring
- 54
- Rastierungsschieberring
- 55
- Spannstift
- 56
- Koppelbolzen
- 57
- Vorspannfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226496 A1 [0002]
- DE 19720794 A1 [0004]
