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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Kupplungsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Getrieben von Kraftfahrzeugen sind in der Regel als Lamellenkupplung oder Klauenkupplung ausgebildet. Lamellenkupplungen sind reibschlüssige Kupplungsvorrichtungen, die im Wesentlichen durch eine Axialkraft betätigbar sind. Klauenkupplung sind formschlüssige Kupplungsvorrichtungen, die einen geringeren Schaltkomfort als Lamellenkupplungen aufweisen, jedoch eine geringere Betätigungskraft benötigen.
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Aus der
DE 10 2016 210 104 B3 geht eine Kupplungsvorrichtung, umfassend einen Innenring und einen Außenring sowie mindestens eine radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Kupplungsscheibe hervor. Die mindestens eine Kupplungsscheibe besteht aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter sowie durch einen Käfig mit Federelementen elastisch miteinander verbundener Segmente. Die Segmente kommen in einem unbetätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung lediglich an dem Außenring zur Anlage. Ferner kommen die Segmente in einem betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung auch an dem Innenring zur Anlage, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Innenring und dem Außenring zu generieren. Der Außenring weist an einer Innenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen auf, die mit korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen an einer jeweiligen Außenumfangsfläche des jeweiligen Segments zusammenwirken. Die Segmente sind über einen axial betätigbaren Kolben radial verschiebbar, wobei der Kolben ringförmig ausgebildet ist und eine Vielzahl axial ausgebildeter Keilelemente aufweist, die tangential zwischen jeweils zwei Segmenten angeordnet sind, um die jeweiligen zwei Segmente tangential voneinander zu beabstanden. Das jeweilige Segment ist über jeweils zwei Federelemente radial am Käfig gelagert, wobei die beiden jeweiligen Federelemente im unbetätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung das jeweilige Segment radial gegen den Außenring drücken.
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DE 10 2016 210 522 A1 zeigt eine Kupplungsvorrichtung, die einen Innenring und einen Außenring, einen Käfig sowie durch den Käfig in Umfangsrichtung beweglich miteinander wirkverbundener Klemmelemente aufweist. Die Klemmelemente sind radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet. Der Innenring weist an einer Außenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen auf, die mit dem jeweiligen Klemmelement derartig zusammenwirken, dass in eine Richtung eine Freilauffunktion in eine Rotationsrichtung zwischen dem Innenring und dem Außenring erzeugt werden kann. Außerdem ist die Kupplung mit einem Verstellring versehen, der auf den Käfig wirkt und bewirkt, dass auch eine Freilauffunktion in entgegengesetzte Rotationsrichtung eingestellt werden kann.
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Eine weitere Kupplungsvorrichtung ist in
DE 10 2016 222 450 A1 offenbart, in der die Rampen an einer Innenumfangsfläche des Außenrings ausgebildet sind. Außerdem ist jeweils ein ringförmiger Kolben mit einer Vielzahl axial ausgebildeter Keilelemente vorgesehen, die tangential zwischen jeweils zwei Segmenten angeordnet sind, um bei einer axialen Betätigung des jeweiligen Kolbens die jeweiligen zwei Segmente tangential voneinander zu beabstanden. Dabei ist eine Anzahl von Segmenten mithilfe der Keile in eine Umfangsrichtung verschiebbar und eine weitere Anzahl der Segmente durch die Keile des anderen Kolbens in die andere Umfangsrichtung, so dass die unmittelbar benachbarten Segmente voneinander weg und gegen die Rampen gespreizt werden können.
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DE 10 2015 219 930 B4 zeigt eine Kupplungsvorrichtung, in der die Klemmelemente radial verschiebbar auf Bolzen eines Käfigs aufgesteckt sind. Der Innenring ist umfangsseitig mit Rampen versehen, die von der Anzahl und Geometrie her mit der Anzahl und Geometrie der Innenseite der Klemmelemente korrespondieren. Die Kupplung wird durch Verdrehen des Innenrings betätigt. Dabei steigen die Klemmelemente an den Rampen des Innenrings auf und werden gegen die Innenfläche des Außenrings gedrückt. Über die so zwischen dem Innenring und Außenring eingeklemmten Klemmelemente können so zwischen Innenring und Außenring oder umgekehrt Drehmomente übertragen werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsvorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass insbesondere ein Schaltkomfort der Kupplungsvorrichtung gesteigert und insbesondere eine Betätigung der Kupplungsvorrichtung verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kupplungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung umfasst einen Innenring und einen Außenring sowie eine Vielzahl von Klemmelementen, die radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, wobei die Klemmelemente in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind und abwechselnd in Umfangsrichtung zwischen zwei jeweiligen Klemmelementen ein jeweiliges Federelement und ein jeweiliges Keilelement eines axial betätigbaren Käfigs angeordnet sind, wobei das jeweilige Federelement in Umfangsrichtung an zwei jeweiligen Klemmelementen zur Anlage kommt und dazu vorgesehen ist, die beiden jeweiligen Klemmelemente in Umfangsrichtung mit einer Federkraft zu belasten, wobei ferner das jeweilige Keilelement in Umfangsrichtung an zwei jeweiligen Klemmelementen zur Anlage kommt und dazu vorgesehen ist, bei einer axialen Verschiebung des Käfigs aus einem unbetätigten Zustand in einem betätigten Zustand jeweils zwei Klemmelemente gegen die jeweiligen Federkräfte in Umfangsrichtung am Außenring zu verschieben, wobei der Außenring an einer Innenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen aufweist, die mit korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen an einer jeweiligen Außenumfangsfläche des jeweiligen Klemmelements zusammenwirken, um bei der axialen Verschiebung des Käfigs die Klemmelemente in radialer Richtung zu führen, wobei die Klemmelemente im unbetätigten Zustand des Käfigs an dem Außenring zur Anlage kommen, und wobei die Klemmelemente im betätigten Zustand des Käfigs an dem Außenring und an dem Innenring zur Anlage kommen, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Außenring und dem Innenring zu generieren.
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Mit anderen Worten ist im unbetätigten Zustand des Käfigs beziehungsweise der Kupplungsvorrichtung zwischen den Klemmelementen und dem Innenring ein Spalt ausgebildet, sodass der Innenring und die Klemmelemente nicht aneinander zur Anlage kommen, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring kein Drehmoment übertragen wird. Demgegenüber kommen die Klemmelemente in einem betätigten Zustand des Käfigs beziehungsweise der Kupplungsvorrichtung radial am Innenring und am Außenring zur Anlage. Eine radiale Verschiebung der Klemmelemente wird durch das axiale Betätigen des Käfigs sowie der miteinander zusammenwirkenden Rampen am Außenring und am jeweiligen Klemmelement eingeleitet. Eine Außenumfangsfläche des Innenrings ist zylindrisch ausgebildet. Die radiale Verschiebung der Klemmelemente führt zu einer Klemmung der Klemmelemente zwischen dem Außenring und dem Innenring und somit zu einer Wirkverbindung von Außenring und Innenring. Insbesondere wird dadurch der Schaltkomfort erhöht.
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Die in Umfangsrichtung abwechselnd angeordneten Federelemente und Keilelemente verbinden die Klemmelemente in Umfangsrichtung miteinander und führen die Klemmelemente in Umfangsrichtung relativ zueinander wenn der Käfig axial verschoben wird. Mit anderen Worten verschieben die Federelemente und die Keilelemente die Klemmelemente derart, dass eine zuverlässige Betätigung der Kupplungsvorrichtung realisiert wird. Dazu ist abwechselnd zwischen zwei Klemmelementen ein jeweiliges Keilelement und ein jeweiliges Federelement angeordnet. Mithin weist die Kupplungsvorrichtung genauso viele Keilelemente wie Federelemente auf, wobei die Summe der Anzahl an Keilelementen und Federelementen der Anzahl an Klemmelementen entspricht. Jeweils ein Keilelement ist zum Betätigen beziehungsweise Führen von zwei Klemmelementen vorgesehen. Ferner ist jeweils ein Federelement zum Belasten und Verschieben von jeweils zwei Klemmelementen vorgesehen.
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Vorzugsweise ist der Käfig einteilig aus einem Ringelement sowie den axial an einer Stirnseite des Ringelements angeordneten Keilelementen ausgebildet. Insbesondere ist der Käfig aus einem Metall oder einem Polymerwerkstoff ausgebildet. Bevorzugt ist der Käfig aus einem Blech ausgestanzt und gebogen oder aus einem Zylinderhalbzeug herausgetrennt.
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Des Weiteren bevorzugt ist das jeweilige Keilelement in axialer Richtung vom Ringelement weg verjüngt ausgebildet, um bei einer Betätigung des Käfigs in axiale Richtung die beiden am jeweiligen Keilelement zur Anlage kommenden Klemmelemente in Umfangsrichtung voneinander zu beabstanden. Mithin ist das jeweilige Keilelement derart ausgebildet, dass ein am Ringelement ausgebildetes Ende des jeweiligen Keilelements tangential breiter als ein freies Ende des jeweiligen Keilelements ist. Je weiter der Käfig axial in Richtung der Klemmelemente verschoben wird, umso weiter werden jeweils zwei Klemmelemente voneinander beabstandet. Die tangentiale Verschiebung der jeweiligen zwei Klemmelemente am Außenring, ist mit einem aneinander Abgleiten der Rampen am Außenring und an den Klemmelementen verbunden, sodass dadurch eine radiale Verschiebung der jeweiligen Klemmelemente in Richtung Innenring erfolgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden zwei jeweilige Rampen am Außenring zusammen im Wesentlichen eine Teilkreiskontur aus. Dadurch wird ein drehrichtungunabhängiges Verklemmen der Klemmelemente realisiert. Neben der Teilkreiskontur sind auch andere Rampenkonturen denkbar, die ein drehrichtungunabhängiges Verklemmen der Klemmelemente realisieren. Insbesondere sind die Rampen am Außenring in Umfangsrichtung abwechselnd am Außenring ausgebildet, wobei jeweils eine radial zunehmende und jeweils eine radial abnehmende Rampe abwechselnd in Umfangsrichtung ausgebildet sind.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Klemmelemente in einer umlaufenden Nut am Innenring angeordnet sind, wobei die Klemmelemente im betätigten Zustand des Käfigs beziehungsweise der Kupplungsvorrichtung in der umlaufenden Nut zur Anlage kommen. Die umlaufende Nut ist insbesondere dazu vorgesehen, ein Verkippen der Klemmelemente zu verhindern und die Betätigungskraft für den Käfig beziehungsweise für die Kupplungsvorrichtung zu verringern.
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Vorzugsweise sind die Klemmelemente an einer Innenumfangsfläche im Wesentlichen keilförmig ausgebildet. Insbesondere ist die umlaufende Nut komplementär zu den Klemmelementen ausgebildet. Dadurch vergrößert sich die Anlagefläche zwischen dem jeweiligen Klemmelement und dem Innenring. Mithin vergrößert sich die Normalkraft und somit auch das Reibmoment zwischen dem jeweiligen Klemmelement und dem Innenring.
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Bevorzugt ist der Außenring dazu vorgesehen, drehfest mit einem Gehäuse verbunden zu werden. Das Gehäuse kann beispielsweise ein Getriebegehäuse oder eine drehmomentführende Komponente, wie beispielsweise ein Planetenträger sein. Insbesondere ist zwischen dem Gehäuse beziehungsweise dieser Komponente und dem Außenring eine formschlüssige Struktur ausgebildet, die ein Verdrehen des Außenrings gegenüber der befestigten Komponente oder des Gehäuses verhindert.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das jeweilige Federelement als Schraubenfeder ausgebildet ist. Mithin ist die Schraubenfeder aus einem in Schraubenform gewickelten Draht ausgebildet. Ferner ist das jeweilige Federelement als Druckfeder ausgebildet und drückt somit jeweils zwei Klemmelemente tangential auseinander. Dadurch wird ein zuverlässiges Lösen der Kupplungsvorrichtung bei einem axialen Herausziehen des Käfigs realisiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das jeweilige Klemmelement einen jeweiligen Zapfen zur Aufnahme und Führung des Federelements auf. Der jeweilige Zapfen ist insbesondere einteilig mit dem jeweiligen Klemmelement verbunden. Jeweils zwei Zapfen sind einander gegenüberliegend angeordnet, um das Federelement dazwischen aufzunehmen. Der jeweilige Zapfen dringt zumindest teilweise in das jeweilige Federelement ein, wobei das jeweilige Federelement den jeweiligen Zapfen vollständig umgibt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das jeweilige Klemmelement ein jeweiliges Stiftelement zur Aufnahme und Führung des Federelements auf, wobei das jeweilige Stiftelement in einer jeweiligen Bohrung im Klemmelement angeordnet ist. Das jeweilige Stiftelement ist somit teilweise in der dafür vorgesehenen Bohrung am jeweiligen Klemmelement angeordnet. Jeweils zwei Stiftelemente sind einander gegenüberliegend angeordnet, um das Federelement dazwischen aufzunehmen. Das jeweilige Stiftelement dringt zumindest teilweise in das jeweilige Federelement ein, wobei das jeweilige Federelement das jeweilige Stiftelement vollständig umgibt.
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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen, in welcher gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1a eine schematische Schnittdarstellung einer teilweise dargestellten erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung in einem unbetätigten Zustand,
- 1b eine schematische Schnittdarstellung der teilweise dargestellten erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß 1a in einem betätigten Zustand,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung der teilweise dargestellten erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung in einem unbetätigten Zustand gemäß einer weiteren Ausführungsform,
- 3 eine schematische Perspektivdarstellung der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß 2, und
- 4 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Keilelement eines Käfigs der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß den 1a bis 3.
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Gemäß den 1a, 1b und 2 weist eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung für ein - hier nicht dargestelltes - Kraftfahrzeug einen Innenring 1, einen Außenring 2 sowie eine Vielzahl radial zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 angeordneter Klemmelemente 4 auf. Der Außenring 2 ist drehfest mit einem Gehäuse 10 verbunden, wobei radial zwischen dem Außenring 2 und dem Gehäuse 10 eine formschlüssige Struktur ausgebildet ist, die eine Relativdrehung zwischen dem Außenring 2 und dem Gehäuse 10 verhindert. Die Klemmelemente 4 sind in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet. Abwechselnd sind in Umfangsrichtung zwischen zwei jeweiligen Klemmelementen 4 ein jeweiliges Federelement 9 und ein jeweiliges Keilelement 5 eines axial betätigbaren Käfigs 3 angeordnet. Mithin sind die Klemmelemente 4 durch die Federelemente 9 und die Keilelemente 5 in Umfangsrichtung beweglich miteinander wirkverbunden. Die Klemmelemente 4 werden durch eine axiale Verschiebung des Käfigs 3 in Umfangsrichtung relativ zueinander bewegt. Dazu weist der Käfig 3 die Keilelemente 5 auf, die dazu vorgesehen sind, bei einer axialen Verschiebung des Käfigs 3 die Klemmelemente 4 in Umfangsrichtung zu führen. Der Außenring 2 weist an einer Innenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen 6 auf, die mit korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen 7 an einer jeweiligen Außenumfangsfläche des jeweiligen Klemmelements 4 zusammenwirken, um bei der axialen Verschiebung des Käfigs 3 die Klemmelemente 4 in radialer Richtung zu führen. Zwei jeweilige Rampen 6 am Außenring 2 bilden zusammen im Wesentlichen eine Teilkreiskontur aus. Mit anderen Worten werden die Klemmelemente 4 durch die Keilelemente 5 am Käfig 3 tangential zueinander verschoben, wobei das Zusammenwirken der Rampen 6, 7 am Außenring 2 und an den Klemmelementen 4 eine gleichzeitige radiale Verschiebung der Klemmelemente 4 in radialer Richtung bewirkt. Die Klemmelemente 4 sind an einer Innenumfangsfläche im Wesentlichen keilförmig ausgebildet und in einer umlaufenden Nut 8 am Innenring 1 angeordnet.
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In 1a kommen die Klemmelemente 4 in einem - hier dargestellten - unbetätigten Zustand des Käfigs 3 an dem Außenring 2 zur Anlage. Zwischen den Klemmelementen 4 und dem Innenring 1 ist ein Spalt 11 ausgebildet, sodass die Klemmelemente 4 nicht am Innenring 1 zur Anlage kommen. Die Klemmelemente 4 werden durch eine Federkraft der Federelemente 9 in Umfangsrichtung belastet beziehungsweise vorgespannt und somit in dieser Position gehalten.
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Gemäß 1b und 2 kommen die Klemmelemente 4 in einem - hier dargestellten - betätigten Zustand des Käfigs 3 an dem Außenring 2 und an dem Innenring 1 zur Anlage, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 1 zu generieren. Die Federelemente 9 sind durch die auf sie einwirkenden Klemmelemente 4 gestaucht. Der Käfig 3 wird aus der Position gemäß 1a durch eine Axialkraft in eine Position gemäß den 1b und 2 axial verschoben beziehungsweise betätigt, wodurch die Klemmelemente 4 in Umfangsrichtung relativ zueinander verschoben werden. Gleichzeitig werden die Klemmelemente 4 auch radial verschoben und kommen gemäß den 1b und 2 am Innenring 1 zur Anlage.
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Gemäß den 1a und 1b ist das jeweilige Federelement 9 als Schraubenfeder ausgebildet und das jeweilige Klemmelement 4 weist einen jeweiligen Zapfen 12 zur Aufnahme und Führung des Federelements 9 auf. Mithin ist die Schraubenfeder auf die beiden Zapfen 12 der beiden in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneten Klemmelemente 4 aufgesteckt.
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In 2 ist das jeweilige Federelement 9 als Schraubenfeder ausgebildet und das jeweilige Klemmelement 4 weist ein jeweiliges Stiftelement 13 zur Aufnahme und Führung des Federelements 9 auf, wobei das jeweilige Stiftelement 13 in einer jeweiligen Bohrung 14 im Klemmelement 4 angeordnet ist. Mithin sind die Stiftelemente 13 in den Bohrungen 14 fixiert und die Schraubenfeder ist auf dem jeweiligen Stiftelement 13 am jeweiligen Klemmelement 4 aufgesteckt. Die Funktionsweise der in 2 dargestellten Kupplungsvorrichtung entspricht vollständig der Funktionsweise der in den 1a und 1b dargestellten Kupplungsvorrichtung.
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In 3 ist die Kupplungsvorrichtung gemäß 2 im unbetätigten Zustand perspektivisch dargestellt. Zur Vereinfachung sind der in 2 dargestellte Außenring 2 sowie das Gehäuse 10 in 3 nicht dargestellt. Aus 3 geht die zuvor beschriebene Ausbildung und Anordnung des Käfigs 3 besonders gut hervor. Der Käfig 3 ist koaxial zum Innenring 1 angeordnet sowie axial dazu verschiebbar. Gemäß 3 ist der Käfig 3 ausgerückt. Der Käfig 3 ist einteilig aus einem Ringelement 15 sowie den axial an einer Stirnseite des Ringelements 15 angeordneten Keilelementen 5 ausgebildet. Das jeweilige Keilelement 5 ist in axialer Richtung vom Ringelement 15 weg verjüngt ausgebildet, um bei einer Betätigung des Käfigs 3 in eine axiale Richtung die beiden tangential am jeweiligen Keilelement 5 zur Anlage kommenden Klemmelemente 4 in Umfangsrichtung voneinander zu beabstanden, wobei dadurch das tangential zwischen zwei Klemmelementen 4 auf dem jeweiligen Stiftelement 13 angeordnete Federelement 9 gestaucht wird. Vorliegend weist die Kupplungsvorrichtung zehn Klemmelemente 4, fünf Keilelemente 5 und fünf Federelemente 9 auf.
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In 4 ist der Käfig 3, insbesondere das Keilelement 5 am Käfig 3 in einer weiteren Schnittdarstellung gezeigt. Alle Keilelemente 5 am Käfig 3 sind identisch ausgebildet und verjüngen sich in axialer Richtung vom Ringelement 15. Die Spitze des jeweiligen Keilelements 5 ist rechteckig ausgebildet. Jeweils zwei Klemmelemente 4 kommen an dem jeweiligen Keilelement 5 zur Anlage.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenring
- 2
- Außenring
- 3
- Käfig
- 4
- Klemmelement
- 5
- Keilelement
- 6
- Rampe
- 7
- Rampe
- 8
- Nut
- 9
- Federelement
- 10
- Gehäuse
- 11
- Spalt
- 12
- Zapfen
- 13
- Stiftelement
- 14
- Bohrung
- 15
- Ringelement
