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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Schaltstellung von elektromagnetisch betätigten Schaltelementen und eine Aktuatoranordnung, die für dieses Verfahren eingerichtet ist.
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Stand der Technik
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In Fahrzeugen werden elektromagnetische Schalteinrichtungen beispielsweise in Synchronisierungen von Schaltgetrieben verwendet.
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Eine solche elektromagnetische Schalteinrichtung ist in der
DE 39 39 274 A1 offenbart. Diese Druckschrift beschreibt eine Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe, mit einem vorzugsweise drehbar auf einer Welle sitzenden, einen Kupplungskörper mit einer ersten Verzahnung aufweisenden und axial festen Zahnrad, mit einer vorzugsweise drehfest auf der Welle neben dem Kupplungskörper sitzenden, eine zweite Verzahnung aufweisenden, und axial festen Führungsmuffe, und mit einer zum Kupplungskörper sowie zur Führungsmuffe konzentrisch angeordneten, eine dritte Verzahnung aufweisenden, axial verschiebbaren Schaltmuffe, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass in einer Schaltstellung des Getriebes zum drehfesten Verbinden der Führungsmuffe mit dem Zahnrad durch axiales Verschieben der Schaltmuffe über deren dritte Verzahnung eine formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Verzahnung und der zweiten Verzahnung herstellbar ist, und ferner zum Verhindern einer unerwünschten Trennung der formschlüssigen Verbindung die dritte Verzahnung mit einer ersten Schrägfläche sowie eine weitere der Verzahnungen mit einer zweiten Schrägfläche versehen sind, die in der Schaltstellung aneinander anliegen und einer axialen Bewegung der Schaltmuffe aus der Schaltstellung heraus während des Übertragens eines Drehmomentes eine Keilwirkung entgegensetzen, wobei die zweite Schrägfläche an der zweiten Verzahnung angebracht ist.
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Eine ähnliche Schalteinrichtung für Getriebe mit einem Schaltelement ist in der
EP 1 710 478 A1 offenbart. Das dort beschriebene Schaltelement ist in einer Axialrichtung verschieblich angeordnet und kann mindestens eine erste und eine zweite Verschiebestellung einnehmen. Die Schalteinrichtung weist ferner einen Permanentmagnet auf, der in Axialrichtung magnetisiert ist und der entweder mit dem Schaltelement verbunden oder ortsfest in Bezug auf das Getriebe angeordnet ist, einen ersten und einen zweiten Elektromagnet, die in Axialrichtung versetzt zueinander angeordnet sind und die, wenn der Permanentmagnet mit dem Schaltelement verbunden ist, ortsfest in Bezug auf das Getriebe angeordnet sind bzw. die, wenn der Permanentmagnet ortsfest im Getriebe angeordnet ist, mit dem Schaltelement verbunden sind, wobei die beiden Elektromagneten derart bestrombar sind, dass ihre Magnetfelder einander entgegengesetzt gerichtet sind.
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Um in diesen Schalteinrichtungen die Schaltstellung festzustellen sind an dem Schaltelement Positionssensoren angeordnet, die die Position des Schaltelements bestimmen können. Diese zusätzlichen Elemente müssen eingebaut und verkabelt werden.
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Aus der
DE 10 2005 039 263 A1 ist eine Schaltvorrichtung mit einer Schaltmuffe bekannt, die gegen eine Federkraft von einem einzigen Aktuator betätigt wird. Dabei werden Positionen der Schaltmuffe durch vorbestimmte Ströme eingestellt und nicht gemessen.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schaltanordnung bereitzustellen, bei der die Positionen der Schaltelemente mit einer einfachen Konstruktion festgestellt werden können. Diese Aufgabe wird gelöst von einer Aktuatoranordnung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 4.
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Eine erfindungsgemäße Aktuatoranordnung zum Schalten zwischen zumindest zwei Schaltstellungen umfasst ein Schaltelement das zwischen den zumindest zwei Endstellungen schaltbar ist und das zwei gegenüberliegende Kontaktstellen aufweist, an denen das Schaltelement betätigt wird um in Richtung einer Endstellung bewegt zu werden, einem ersten und einem zweiten elektromagnetische Schaltaktuator, die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltelements angeordnet sind und die das Schaltelement nach Aktivierung in eine entsprechende Schaltstellung bewegen, wobei die Schaltaktuatoren jeweils mit einem bewegbaren Betätigungselement versehen sind, das sich entlang einem Hubweg bewegt und das Schaltelement an der Kontaktstelle kontaktiert, eine Steuereinrichtung, die mit den zwei Schaltaktuatoren verbunden ist und die eingerichtet ist, einen Strom an den Schaltaktuatoren zu messen und auszuwerten. Durch eine solche Aktuatoranordnung wird ein Mechanisch einfaches System mit geringer Komplexität bereitgestellt, dass durch den Entfall zusätzlicher Positionssensoren (Entfall Stecker, Entfall Verkabelung, reduzierte ECU-Anforderungen) die Kosten reduziert und auch weitgehend unempfindlich gegenüber Toleranz- und Temperatureinflüssen ist. Ferner ist eine einfache Adaptierbarkeit auf Systeme mit zwei oder mit drei Schaltstellungen gegeben (gleiche Komponenten für Decoupling (G1/N) und Decoupling mit Mode-Shift (G1/N/G2)).
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Erfindungsgemäß wird die nicht kontaktierte Kontaktstelle des Schaltelements in der Endstellung hinter den Hubweg des für das Verschieben des Schaltelements nicht aktivierten Betätigungselements bewegt. Dadurch kann erreicht werden, dass der zweite Schaltaktuator als mechanische Sperre verwendet werden kann. Zudem wird eine zweite Verifizierung der Position möglich.
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Das Schaltelement ist bevorzugt Y-förmig ausgebildet und dreht sich um einen Drehpol, der in einem mittigen Bereich des Schaltelements angeordnet ist. Dies ist eine effiziente Ausgestaltung des Schaltelements. Die Kontaktstellen des Schaltelements können als frei drehbare Rollen ausgebildet sein. Dadurch wird unnötiger Verschleiß durch den Kontakt mit den entsprechenden Schaltaktuatoren vermieden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Schaltelements unter Verwendung einer vorher genannten Aktuatoranordnung umfasst die Schritte Festlegen einer gewünschten Endstellung des Schaltelements, Durchführen der Hubbewegung durch Aktivieren des entsprechenden ersten Schaltaktuators, Messen einer Stromstärke am Schaltaktuator und/oder Aktivieren des zweiten Schaltaktuators und Messen einer Stromstärke am zweiten Schaltaktuator und Vergleichen der gemessenen Stromstärke mit einer hinterlegten Kennlinie wobei die Kennlinie der gemessenen Stromstärke mit einer hinterlegten Kennlinie verglichen und dadurch festgelegt wird, ob sich das Schaltelement in der vorgesehen Endstellung befindet. Durch ein solches Verfahren wird ein mechanisch einfaches System mit geringer Komplexität bereitgestellt, dass durch den Entfall zusätzlicher Positionssensoren (Entfall Stecker, Entfall Verkabelung, reduzierte ECU-Anforderungen) die Kosten der Herstellung reduziert. Ferner wird insbesondere bei der Verwendung der Messungen von beiden Schaltaktuatoren die Sicherheit der Aussage der Endstellung des Schaltelements erhöht. Die Bezeichnung der Schaltaktuatoren als erster und zweiter Schaltaktuator dient lediglich der Unterscheidung in der Reihenfolge und das ein Aktuator zuerst betätigt wird und dann der andere. Im Prinzip kann sowohl der Schaltaktuator für den 1. Gang und auch der Schaltaktuator für den 2. Gang der „erste“ oder „zweite“ Schaltaktuator sein, je nachdem welcher Gang eingelegt werden soll.
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Vorzugsweise wird auch die Stromstärke des für das Verschieben des Schaltelements aktivierten Schaltaktuators beim Zurückziehen gemessen und verglichen. Dies erhöht weiter die Sicherheit, mit der eine Aussage über die Endstellung des Schaltelements getroffen werden kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in einer neutralen Stellung steht;
- 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in einer blockierten Stellung steht;
- 3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in einer ersten Endstellung steht;
- 4 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in der ersten Endstellung steht und vom zweiten Betätigungselement blockiert wird;
- 5 zeigt die Stellung aus 4 mit zurückgezogenem ersten Betätigungselement;
- 6 zeigt eine Stromkennlinie (qualitativer Strom-Zeit-Verlauf) bei direktem Durchschalten von der Neutralstellung in eine erste Endstellung;
- 7 zeigt eine Stromkennlinie bei auftretender Blockade (Zahn-Zahn-Stellung) bei Schaltung in eine erste Endstellung; und
- 8 zeigt eine Stromkennlinie des Abschaltstroms.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Wenn im Folgenden in der Beschreibung Richtungsangaben verwendet werden, beziehen sich diese auf die Richtungen in den 1 bis 5.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltanordnung 1 in einer neutralen Stellung. Die gezeigte Schaltanordnung 1 weist ein zentrales Schaltelement 4 auf, dass vorzugsweise als Y-förmige Schaltgabel ausgebildet ist. Die Schaltgabel weist mittig einen gehäusefesten Drehpol 6 auf, d.h. in einem Bereich, in dem sich die Y-Arme der Schaltgabel treffen. Der untere Arm der Schaltgabel ist mit einem axialverschiebbaren Element, einer Schaltmuffe 5 verbunden, so dass diese Schaltmuffe 5 durch die Betätigung der Schaltgabel 4 verschoben wird. Bspw. ist das axialverschiebbare Element eine Schaltmuffe 5, die eine Stellung für die Verbindung mit zwei unterschiedlichen Zahnkränzen und eine neutrale Stellung (N) ermöglicht, in der kein Zahnkranz verbunden ist. Die oberen beiden Arme der Schaltgabel weisen eine Kontaktstelle auf, die vorzugsweise als Rollen ausgebildet sind. Die beiden oberen Arme der Schaltgabel 4 mit den Kontaktstellen 14 erstrecken sich in gegenüberliegende Richtungen. Wie in den Figuren zu erkennen ist, bewegt sich die Schaltmuffe 5 nach links, wenn der erste Schaltaktuator ausgefahren wird und die Arme des Schaltelements nach rechts schiebt. Die Hubwege sA und sB hängen so mit dem Weg x, den die Schaltmuffe zurücklegt, zusammen.
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An den Kontaktstellen 14 des Schaltelements 4 sind jeweils die elektromagnetischen Schaltaktuatoren 2,3 angeordnet. Die Schaltaktuatoren 2, 3 sind ebenfalls vorzugsweise einander gegenüber angeordnet und weisen linear verschiebbare Betätigungselemente auf, die in der vorliegenden Ausführungsform jeweils eine verfahrbare Ankerstange 12 und ein daran angeschlossenes Druckstück 13 umfassen. Das Druckstück 13 wird beim Verschieben dann an die Kontaktstelle 14 gedrückt und verschiebt das Schaltelement. Ferner umfassen die Schaltaktuatoren 2, 3 einen Hauptkörper, in dem die elektromagnetischen Komponenten (Spule, Permanentmagnet) angeordnet sind. Einen solchen Schaltaktuator bezeichnet man auch als Hubmagnet. Es theoretisch ist auch möglich, das Betätigungselement nicht linear zu bewegen, sondern beispielsweise mit einem Elektromotor, so dass das Betätigungselement verschwenkt wird und sich nicht linear bewegt.
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Die Schaltaktuatoren 2, 3 sind über eine Steuerleitung 11 mit einer Steuereinrichtung 10 verbunden, die die Schaltaktuatoren 2, 3 mit Strom beaufschlagt und so die Schaltung in eine jeweilige Endstellung steuert. Vorliegend sind zwei Endstellungen für den 1. und 2. Gang und eine neutrale Stellung, in der die Antriebswelle leer läuft. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Schaltaktuatoren nicht nur mit Strom zu beaufschlagen, sondern auch diesen zu messen. Durch die im Steuergerät durchgeführte Messung der Schaltaktuatoren-Spulenströme und Vergleich der Messsignale mit in der Steuergerätesoftware hinterlegten Referenzsignalen wird mittels einer entsprechenden Auswertelogik die Schaltelement-Endposition detektiert. Die Auswertelogik berücksichtigt dabei typische charakteristische Kenngrößen aus dem Ein- und Abschaltstromverlauf der Elektromagnetspulen, wodurch eine eindeutige Bestimmung der Anker-Hubposition möglich wird. Zusätzliche Positionssensoren zum Erfassen der Schaltelement-Position können somit entfallen.
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In den 1 bis 5 sind verschiedene Schaltpositionen des Schaltelements und der Schaltaktuatoren dargestellt. Wie schon oben erwähnt, ist in 1 die neutrale Stellung eingestellt. Diese neutrale Stellung kann mit den Schaltaktuatoren eingestellt werden, kann aber auch als eine Art Standardposition mit einer Rückstellfeder verwirklicht werden, so dass das Schaltelement sich durch eine mechanische Vorspannung in die neutrale Position bewegt, wenn keine anderen Kräfte wirken oder Hindernisse im Weg sind.
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In 2 ist eine Stellung dargestellt, in der beim Verschieben des Schaltelements die Zähne der Schaltmuffe nicht mit den Zähnen des Zahnkranzes des 1. Gangs eingreifen, sondern an diese anstoßen, bspw. weil beide Elemente nicht richtig synchronisiert wurden. Dadurch wird der Schaltvorgang blockiert, das Betätigungselement kann nicht den vollen Hubweg bewegt werden und das Schaltelement erreicht nicht die Endstellung für den 1. Gang. Bei einer auftretenden Zahn-Zahn Stellung des Schaltelements wird der zweite Hubmagnet im zweiten Schaltaktuator 3 durch die entsprechende Gestaltung von Schaltgabel und Stößel an der Hubbewegung gehindert.
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In 3 ist das Schaltelement in der Endstellung für den 1. Gang dargestellt. Der erste Schaltaktuator 2 befindet sich in seiner ausgefahrenen Endposition. Der zweite Schaltaktuator 3 kann nun ungehindert ausfahren und in der ausgefahrenen Endposition des Betätigungselements wird die Schaltstellung G1 der Schaltmuffe 5 über den zweiten Schaltaktuator 3 mechanisch verriegelt (siehe 4). Anschließend kann der erste Hubmagnet im Schaltaktuator 2 wieder in seine Ausgangsposition bewegt werden (siehe 5).
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Das Fail Save Verhalten kann durch die konstruktive Ausführung der Hubmagnete für das gewünschte Verhalten in unbestromtem Zustand (normally open /normally closed /stay silent) bestimmt werden. Die Neutralstellung ist in der beispielhaften Ausführung über eine federzentrierte Mittelposition definiert.
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Die Ermittlung der Position des Schaltelements erfolgt durch Messung des Spulenstromverlaufs der Schaltaktuatoren und einen Vergleich mit im Steuergerät hinterlegten Referenzwerten. Dadurch erfolgt eine Rückmeldung, ob die Endposition der Schaltstellungen G1 bzw. G2 tatsächlich erreicht wurde. Die Auswertelogik umfasst mehrere Algorithmen für die Analyse der Ein- und Abschalt- Stromverläufe wie nachfolgend anhand der 6 bis 8 beschrieben. Die konkreten Stromkennlinien für die jeweilige Konstruktion einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung kann der Fachmann über einfache Testläufe ermitteln.
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6 und
7 zeigen beispielhaft den qualitativen Verlauf des Einschaltstromes an der Magnetspule. Befindet sich die Schaltmuffe in Schaltstellung
G1 (
1. Gang, erster Schaltaktuator ausgefahren) kann über Strommessung an den Spulen des ersten Schaltaktuators
2 und zweiten Schaltaktuators
3 festgestellt werden, ob die Schaltmuffe ihre Endposition der Schaltstellung
G1 (
1. Gang) tatsächlich erreicht hat. Aus dem für einen Linearmagneten charakteristischen Verlauf des Spulenstromsignals ist zu erkennen, dass der Strom bei Einsetzen der Hubbewegung absinkt (Wendepunkt
W1 in
6). Dies ist bedingt durch die elektromagnetisch induzierte Spannung (back EMF), ersichtlich aus der nachfolgend aufgeführten Gleichung 1
Befindet sich die Schaltmuffe
5 im Endanschlag (Wendepunkt
W2 in
6), so kann durch Messen und Vergleichen der charakteristischen Stromgrößen I
PEAK und I
DROP diagnostiziert werden, ob sich der Anker von Hubmagnet im ersten Schaltaktuator
2 und somit auch die Schaltmuffe tatsächlich in ihrer Endlage befinden.
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Befindet sich die Schaltmuffe in Endposition der Schaltstellung G1 so kann durch Betätigung vom Hubmagnet des zweiten Schaltaktuators 3 und gleichzeitiger Strommessung eine zusätzliche Aussage über die eingenommene Endposition getroffen werden. Da in diesem Fall der Hubmagnet ungehindert und lastfrei ausfährt, kann über die dabei elektromagnetisch induzierte Spannung (Back EMF, Gl. 1) auf die korrekte Endposition des Schaltelements rückgeschlossen werden. Bei einer auftretenden Zahn-Zahn Stellung des Schaltelements kann Schaltaktuator 3 keine oder eine nur eine minimale Ankerhubbewegung ausführen, wodurch sich zufolge der Gleichung 2 ein anderer Stromverlauf ohne Wendepunkte ergibt (keine Back EMF), wie auch in 7 gezeigt ist. Durch Vergleichen des Spulenstromverlaufs mit einem Referenzsignal, kann mit entsprechender Auswertelogik diagnostiziert werden, ob die Ankerhubbewegung ungehindert stattfindet oder mechanisch blockiert wird. Des Weiteren ist durch eine Spulenstrommessung beim Abschalten des Magneten, eine zusätzliche Plausibilisierung der Hubposition über den Abschaltstromverlauf möglich. Zusätzlich kann eine Plausibilisierung über die Schaltzeit ermittelt werden, ersichtlich in 6. Je nach zu messender Hubstellung ergibt sich eine zugehörige Schaltzeit.
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8 zeigt beispielhaft den qualitativen Strom-Zeit Verlauf des Abschaltstromes über welchen eine zusätzliche Plausibilisierung der Anker Hubpositionen, durch vergleichen der Wendepunkte
W3 und
W4 ermöglicht. Ferner kann eine Plausibilisierung über die Schaltzeit erfolgen; je nach zu messender Hubstellung ergibt sich eine zugehörige Schaltzeit (Strom-Zeit Verlauf).
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Bei der Anwendung der Aktuatoranordnung wird über die Steuereinrichtung 10 der Schaltaktuator angesteuert, der die Schaltmuffe in den gewünschten Gang verschieben kann. Der erste Schaltaktuators (2, 3), der das Schaltelement 4 in den Eingriff für den gewünschten Gang bringt, wird betätigt und verfährt auf seinem Hubweg. Vorzugsweise wird der Strom, der durch die Spule des ersten Schaltaktuators fließt, während des Verfahrens des ersten Schaltaktuators gemessen und mit der hinterlegten Kennlinie verglichen, so dass eine Aussage getroffen werden kann, ob das Schaltelement die Endstellung erreicht hat. Danach wird der zweite Schaltaktuator betätigt und alternativ oder ergänzend der Strom gemessen und mit einer hinterlegten Kennlinie verglichen, mit dem die Spule des zweiten Schaltaktuators beaufschlagt wurde. Wenn das Schaltelement die Endstellung erreicht hat (bspw. in 3 für den 1. Gang), kann der zweite Schaltaktuator über das Schaltelement geschoben werden (4) und der erste Schaltaktuator kann zurückgefahren werden. Bevorzugt wird auch für die Rückzugsbewegung der Strom gemessen und mit einer Kennlinie verglichen, um eine weitere Bestätigung für das Erreichen der korrekten Endposition zu erhalten.
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Wenn beim Ausfahren des ersten Schaltaktuators das Schaltelement nicht in die Endstellung gelangen kann, weil beispielsweise die Schaltmuffe wegen fehlerhafter Synchronisation nicht mit dem entsprechenden Zahnkranz des 1. Ganges eingreifen kann (2), entspricht die gemessene Kennlinie des ersten Schaltaktuators nicht der hinterlegten und die Steuerung stellt fest, dass das Schaltelement nicht die korrekte Endposition erreicht hat. Dies kann ebenso bei Betätigung des zweiten Schaltelements und Messen der Kennlinie festgestellt werden, indem das zweite Betätigungselement gegen das Schaltelement stößt und eine entsprechende Stromkennlinie (7) vom Steuergerät gemessen wird. In beiden Fällen kann ohne Positionssensoren für das Schaltelement festgestellt werden, ob eine korrekte Endstellung erreicht wurde.
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Bezugszeichenliste
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| Schaltanordnung |
1 |
| erster Schaltaktuator |
2 |
| zweiter Schaltaktuator |
3 |
| Schaltgabel |
4 |
| Schaltmuffe |
5 |
| Drehpol/Schwenkachse des Schaltelements |
6 |
| Hauptkörper des ersten Schaltaktuators |
8 |
| Hauptkörper des zweiten Schaltaktuators |
9 |
| Steuereinrichtung |
10 |
| Steuerleitung |
11 |
| Ankerstange |
12 |
| Druckstück |
13 |
| Kontaktstellen |
14 |
