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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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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsvorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass insbesondere ein Schaltkomfort der Kupplungsvorrichtung gesteigert und insbesondere ein Lösen der Kupplungsvorrichtung aus einem betätigten Zustand verbessert wird.
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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 Innenringan 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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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 in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter sowie durch einen axial betätigbaren Käfig in Umfangsrichtung beweglich miteinander wirkverbundener Klemmelemente, die radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, wobei die Klemmelemente in einem unbetätigten Zustand des Käfigs an dem Außenring zur Anlage kommen und radial gegen den Außenring vorgespannt sind, und wobei die Klemmelemente in einem 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, wobei der Käfig in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnete erste und zweite Keilelemente aufweist, um bei einer axialen Verschiebung des Käfigs die Klemmelemente in Umfangsrichtung zu führen und um die Klemmelemente gegen den Außenring radial vorzuspannen, 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 einer axialen Verschiebung des Käfigs die Klemmelemente in radialer Richtung zu führen, wobei ferner jedes Klemmelement einen ersten und einen zweiten tangentialen Absatz zur radialen Anlage am jeweiligen Keilelement aufweist.
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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 Klemmelemente sind im unbetätigten Zustand des Käfigs radial gegen den Außenring vorgespannt. Dazu kommt das jeweilige Klemmelement mit dem ersten tangentialen Absatz radial am ersten Keilelement zur Anlage und mit dem zweiten tangentialen Absatz radial am zweiten Keilelement zur Anlage. Mithin stützen sich die Klemmelemente über die beiden tangentialen Absätze radial an den Keilelementen des Käfigs ab. Das jeweilige Keilelement wird im unbetätigten Zustand des Käfigs durch die Klemmelemente zumindest teilweise elastisch verformt, wobei die elastische Verformung der Keilelemente durch die axiale Betätigung des Käfigs und die damit einhergehende radiale Verschiebung der Klemmelemente gegen den Innenring zunimmt. Somit ist die Vorspannung der Klemmelemente im betätigten Zustand des Käfigs größer als die Vorspannung der Klemmelemente im unbetätigten Zustand des Käfigs.
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Die in Umfangsrichtung abwechselnd angeordneten ersten und zweiten Keilelemente führen die Klemmelemente in Umfangsrichtung wenn der Käfig axial verschoben wird. Mit anderen Worten verschieben die Keilelemente die Klemmelemente derart, dass zuverlässig ein Betätigen, insbesondere ein Lösen der Kupplungsvorrichtung verbessert wird. Somit ist abwechselnd zwischen zwei Segmenten ein erstes Keilelement und ein zweites Keilelement angeordnet. Mithin weist der Käfig genauso viele Keilelemente auf wie Klemmelemente, wobei die eine Hälfte der Klemmelemente als erste Klemmelemente ausgebildet sind und die andere Hälfte der Klemmelemente als zweite Klemmelemente ausgebildet sind. Ein Keilelement ist jeweils zum Betätigen beziehungsweise Führen von 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 erste Keilelement in axialer Richtung vom Ringelement weg verjüngt ausgebildet, um bei einer Betätigung des Käfigs in eine erste axiale Richtung die beiden am jeweiligen ersten Keilelement zur Anlage kommenden Klemmelemente in Umfangsrichtung voneinander zu beabstanden. Mithin ist das jeweilige erste Keilelement derart ausgebildet, dass ein am Ringelement ausgebildetes Ende des jeweiligen ersten Keilelements tangential breiter als ein freies Ende des jeweiligen ersten 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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Ferner bevorzugt ist das jeweilige zweite Keilelement in axialer Richtung zum Ringelement hin verjüngt ausgebildet, um bei einer Betätigung des Käfigs in einer zweiten axialen Richtung, die entgegengesetzt zur ersten axialen Richtung ist, die beiden am jeweiligen zweiten Keilelement zur Anlage kommenden Klemmelemente in Umfangsrichtung voneinander zu beabstanden. Mithin ist das jeweilige zweite Keilelement derart ausgebildet, dass ein am Ringelement ausgebildetes Ende des jeweiligen zweiten Keilelements tangential schmaler als ein freies Ende des jeweiligen ersten Keilelements ist. Beim axialen Herausziehen des Käfigs aus den Klemmelementen 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 vom Innenring weg 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 sowie an einer jeweiligen Tangentialfläche 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, da das jeweilige Klemmelement mit den abgeschrägten Flächen der keilförmigen Innenumfangsfläche in der Nut zur Anlage kommt. Mithin vergrößert sich die Normalkraft und somit auch das Reibmoment zwischen dem jeweiligen Klemmelement und dem Innenring. Das jeweilige Keilelement kommt an der jeweiligen abgeschrägten Fläche der keilförmigen Tangentialfläche zur Anlage.
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Vorzugsweise 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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Bevorzugt ist der erste und zweite tangentiale Absatz am jeweiligen Klemmelement an der Außenumfangsfläche des jeweiligen Klemmelements ausgebildet. Insbesondere geht die Außenumfangsfläche des jeweiligen Klemmelements kontinuierlich in den jeweiligen tangentialen Absatz über. Der jeweilige tangentiale Absatz ist einteilig mit dem jeweiligen Klemmelement verbunden.
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Ferner bevorzugt ist eine Vorspannung zwischen den Keilelementen und den Klemmelementen im betätigten Zustand des Käfigs derart eingestellt, dass eine Rückstellung des Käfigs in den unbetätigten Zustand unterstützt wird.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen, in welcher gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung in einem unbetätigten Zustand eines Käfigs,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß 1 in einem betätigten Zustand des Käfigs,
- 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß 1,
- 4 eine weitere schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß 2,
- 5 eine perspektivische Darstellung des Käfigs der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß den 1 bis 4, und
- 6 eine perspektivische Darstellung von zwei Klemmelementen der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung gemäß den 1 bis 4.
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Gemäß den 1 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, wobei vorliegend zwanzig Klemmelemente 4 radial zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 angeordnet sind. 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 sowie durch einen axial betätigbaren Käfig 3 in Umfangsrichtung beweglich miteinander wirkverbunden. Mit anderen Worten werden die Klemmelemente 4 durch eine axiale Verschiebung des Käfigs 3 in Umfangsrichtung relativ zueinander bewegt. Dazu weist der Käfig 3 in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnete erste und zweite Keilelemente 5a, 5b 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 5a, 5b 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.
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In 1 kommen die Klemmelemente 4 in einem - hier dargestellten - unbetätigten Zustand des Käfigs 3 an dem Außenring 2 zur Anlage. Die Klemmelemente 4 sind im unbetätigten Zustand des Käfigs 3 radial gegen den Außenring 2 vorgespannt. Zwischen den Klemmelementen 4 und dem Innenring 1 ist ein umlaufender Spalt 11 ausgebildet, wobei die Klemmelemente 4 nicht am Innenring 1 zur Anlage kommen.
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Gemäß 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 Vorspannung der Klemmelemente 4 ist im betätigten Zustand des Käfigs 3 größer als die Vorspannung der Klemmelemente 4 im unbetätigten Zustand des Käfigs 3.
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Der Käfig 3 wird aus der Position gemäß 1 durch eine Axialkraft in eine Position gemäß 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 2 am Innenring 1 zur Anlage.
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In 3 ist die Kupplungsvorrichtung im unbetätigten Zustand nach 1 perspektivisch dargestellt. Aus 3 geht die zuvor beschriebene Ausbildung und Anordnung des Käfigs 3 besonders gut hervor. Der Käfig 3 ist koaxial zum Innenring 1 und Außenring 2 angeordnet sowie axial dazu verschiebbar. Gemäß 3 ist der Käfig 3 ausgerückt. Der Käfig 3 ist einteilig aus einem Ringelement 12 sowie den axial an einer Stirnseite des Ringelements 12 angeordneten Keilelementen 5a, 5b ausgebildet. Das jeweilige erste Keilelement 5a ist in axialer Richtung vom Ringelement 12 weg verjüngt ausgebildet, um bei einer Betätigung des Käfigs 3 in eine erste axiale Richtung die beiden tangential am jeweiligen ersten Keilelement 5a zur Anlage kommenden Klemmelemente 4 in Umfangsrichtung voneinander zu beabstanden. Das jeweilige zweite Keilelement 5b ist in axialer Richtung zum Ringelement 12 hin verjüngt ausgebildet, um bei einer Betätigung des Käfigs 3 in einer zweiten axialen Richtung, die entgegengesetzt zur ersten axialen Richtung ist, die beiden tangential am jeweiligen zweiten Keilelement 5b zur Anlage kommenden Klemmelemente 4 in Umfangsrichtung voneinander zu beabstanden.
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In 4 ist die Kupplungsvorrichtung im betätigten Zustand nach 2 gemäß einer weiteren Schnittdarstellung gezeigt. Nach 4 ist der Käfig 3 eingerückt und somit axial betätigt. Die Klemmelemente 4 sind an einer Innenumfangsfläche im Wesentlichen keilförmig ausgebildet und in einer umlaufenden Nut 8 am Innenring 1 angeordnet. Vorliegend, im betätigten Zustand des Käfigs 3, kommen die Klemmelemente 4 mit den abgeschrägten Flächen an der jeweiligen Innenumfangsfläche des jeweiligen Klemmelements 4 in der umlaufenden Nut 8, insbesondere an den abgeschrägten Flächen der umlaufenden Nut 8 zur Anlage.
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Gemäß 5 ist der Käfig 3 perspektivisch dargestellt. Wie zuvor beschrieben ist der Käfig 3 einteilig aus einem Ringelement 12 sowie den axial an einer Stirnseite des Ringelements 12 angeordneten Keilelementen 5a, 5b ausgebildet. Vorliegend weist der Käfig 3 zehn erste Keilelemente 5a und zehn zweite Keilelemente 5b auf.
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Nach 6 sind zwei Klemmelemente 4 perspektivisch dargestellt. Die Klemmelemente 4 sind identisch zueinander ausgebildet und werden abwechselnd um 180° um ihre Vertikalachse verdreht in die Kupplungsvorrichtung eingebaut, sodass die jeweilige Rampe 7 am jeweiligen Klemmelement 4 korrespondierend zu der jeweiligen Rampe 6 am Außenring 2 ausgebildet ist, um bei einer axialen Verschiebung des Käfigs 3 mit dieser zusammenzuwirken. Ferner sind die Klemmelemente 4 nicht nur an der Innenumfangsfläche sondern auch an einer jeweiligen Tangentialfläche 9a, 9b im Wesentlichen keilförmig ausgebildet. Mit anderen Worten verjüngen sich die Klemmelemente 4 an der Innenumfangsfläche und an den beiden Tangentialflächen 9a, 9b nach außen hin. Des Weiteren weisen die Klemmelemente 4 einen ersten und einen zweiten tangentialen Absatz 12a, 12b zur radialen Anlage am jeweiligen Keilelement 5a, 5b auf. Der erste und zweite tangentiale Absatz 12a, 12b am jeweiligen Klemmelement 4 ist an der Außenumfangsfläche des jeweiligen Klemmelements 4 ausgebildet und einteilig mit dem jeweiligen Klemmelement 4 verbunden.
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Den 1 und 2 ist die radial Anlage der tangentialen Absätze 12a, 12b des jeweiligen Klemmelements 4 am jeweiligen Keilelement 5a, 5b zu entnehmen. Dazu kommt das jeweilige Klemmelement 4 mit dem ersten tangentialen Absatz 12a radial am ersten Keilelement 5a zur Anlage und mit dem zweiten tangentialen Absatz 12b radial am zweiten Keilelement 5b zur Anlage. Mithin stützen sich die Klemmelemente 4 über die beiden tangentialen Absätze 12a, 12b radial an den Keilelementen 5a, 5b des Käfigs 3 ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenring
- 2
- Außenring
- 3
- Käfig
- 4
- Klemmelement
- 5a, 5b
- Keilelement
- 6
- Rampe am Außenring
- 7
- Rampe am Klemmelement
- 8
- Nut
- 9a, 9b
- Tangentialfläche
- 10
- Gehäuse
- 11
- Spalt
- 12a, 12b
- tangentialer Absatz
