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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Elektromotoren und insbesondere einen Elektromotor mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung.
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HINTERGRUND
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Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
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Die meisten Automobile, die heute im Einsatz sind, werden von Kraftstoffmotoren angetrieben, die große mechanische Verluste erleiden und eine geringe Energieeffizienz aufweisen, wodurch sie viel Energie verbrauchen. Mit der Verbesserung der Batterietechnologie ist auch die Popularität von Hybrid- und Elektrofahrzeugen in den letzten Jahren gestiegen. Allerdings sind die traditionellen Fahrzeug-Antriebsstränge mit Elektromotoren hohen, diskreten Drehmomenten ausgesetzt, die bei Fahrmanövern auf Eis auftreten. Diese hohen Drehmomente erfordern, dass die Komponenten des Antriebsstrangs so ausgelegt sind, dass sie diesen hohen Drehmomenten standhalten. Die Größe der Antriebskomponenten ist dementsprechend größer und damit schwerer als für den Normalbetrieb erforderlich. Daher ist es wünschenswert, eine elektrische Antriebseinheit vorzusehen, die in der Lage ist, die hohen Drehmomente bei konventionellen Antrieben zu begrenzen.
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KURZDARSTELLUNG
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Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
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Ein Elektromotor für einen elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs beinhaltet ein Gehäuse und einen am Gehäuse montierten Stator. Ein Rotor ist im Verhältnis zum Stator drehbar gelagert, während eine Antriebswelle über eine drehmomentbegrenzende Kupplung mit dem Rotor verbunden ist. Die drehmomentbegrenzende Kupplung ist im Gehäuse angeordnet.
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Auch eine drehmomentbegrenzende Kupplung mit einer Kugelrampenvorrichtung mit zwei Rampenwinkeln erfüllt die Funktion eines zweistufigen Torsionsschwingungsdämpfers, der dazu beitragen kann, Probleme mit NVH und Langlebigkeit zu vermeiden.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Elektromotors mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Elektromotors mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Elektromotors mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Elektromotors mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 5 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Elektromotors mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 6 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Elektromotors mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung gemäß einer fünften Ausführungsform;
- Die 7A, 7B sind Querschnittsansichten einer exemplarischen Kugelrampenkupplung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
- Die 8A-8C sind Querschnittsansichten einer drehmomentbegrenzenden Kupplung mit einer drehmomentkonformen Rampe gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
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Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie etwa Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
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Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Die hier verwendeten Singularformen, z. B. „ein“, „der/die/das“, schließen ggf. auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltend“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
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Wenn Elemente oder Ebenen als „an/auf“, „in Verbindung mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer Ebene beschrieben werden, können sie entweder direkt mit anderen Elementen oder Ebenen in Verbindung stehen oder gekoppelt sein oder es können zwischenliegende Elemente oder Ebenen vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf“, „direkt in Verbindung mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Ebenen beschrieben wird, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Ebenen vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Der Begriff „und/oder“ schließt alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
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Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein weiter unten erörtertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
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Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Elementen oder Eigenschaften, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb“ anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
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Bezugnehmend auf 1 ist ein Antriebsstrang für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug 10 dargestellt, der einen Elektromotor 12 mit einem Gehäuse 14 beinhaltet. Am Gehäuse 14 ist ein Stator 16 montiert und im ringförmigen Stator 16 ist ein Rotor 18 drehbar gelagert. Die Antriebswelle 20 ist über eine drehmomentbegrenzende Kupplung 22 mit dem Rotor 18 verbunden. Die Antriebswelle 20 des Elektromotors 12 kann mit einem Getriebesystem 24 verbunden werden, wie beispielsweise einem Planetengetriebe, das ein Antriebsdrehmoment für ein Differential 26 und ein Achsantriebssystem 28 bereitstellt.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird nun eine teilweise Querschnittsansicht eines Elektromotors 12 mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung 22 beschrieben. Der Elektromotor 12 beinhaltet einen Stator 16 und einen gegenüber dem Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 18. Der Rotor 18 beinhaltet eine Vielzahl von Hohlnieten 30, die sich axial durch eine Vielzahl von Löchern 32 im Rotor 18 erstrecken. Die Hohlnieten 30 tragen je eine Druckfeder 34, die jeweils gegen ein Paar Kupplungsscheiben 36, 38, die an gegenüberliegenden Enden des Rotors 18 angeordnet sind, gedrückt werden. Die Kupplungsscheiben 36, 38 drücken gegen ein Paar Reaktionsplatten 40, 42, von denen mindestens eine (Reaktionsplatte 40) Innenverzahnung 44 aufweist, die in die Außenverzahnung 46 der Antriebswelle 20 eingreift. Die Reaktionsplatte 42 ist gegen eine Schulter 48 der Antriebswelle 20 angeordnet. Die Kupplungsscheiben 36, 38 beinhalten je eine Außenverzahnung 50, die mit der Innenverzahnung 52 des Rotors 18 in Eingriff steht, sodass sich die Kupplungsscheiben mit dem Rotor 18 drehen. Ein Klemmring 54 wird in einer Aussparung 56 in der Antriebswelle 20 aufgenommen und trägt eine Außenseite der Reaktionsplatte 40. Die Druckfedern 34 halten eine gewünschte Reibkraft zwischen den Kupplungsscheiben 36, 38 und den Reaktionsscheiben 40, 42 aufrecht. Bei Überschreitung der Reibkraft rutscht die drehmomentbegrenzende Kupplung 22, um das auf den Antriebsstrang übertragene Drehmoment zu begrenzen.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird nun eine teilweise Querschnittsansicht eines alternativen Elektromotors 112 mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung 122 beschrieben. Der Elektromotor 112 beinhaltet einen Stator 116, der in einem Gehäuse 114 montiert ist, und einen gegenüber dem Stator 116 drehbar gelagerten Rotor 118. Der Rotor 118 beinhaltet eine Vielzahl von Hohlnieten 130, die sich axial durch eine Vielzahl von Löchern 132 im Rotor 118 erstrecken. Die Hohlnieten 130 tragen je eine Druckfeder 134, die jeweils zwischen den Druckplatten 135, die gegen ein Paar Kugelhalteplatten 136, 138, die an gegenüberliegenden Enden des Rotors 118 angeordnet sind, gedrückt werden. Die Kugelhalteplatten 136, 138 tragen jeweils eine Vielzahl von Kugeln 139 in Eingriff mit einer Rampenfläche 143 einer jeweiligen von zwei Rampenplatten 140, 142. Das Paar Rampenplatten 140,142 beinhaltet je eine Innenverzahnung 144, die in die Außenverzahnung 146 der Antriebswelle 120 eingreift. Die Rampenplatte 142 ist gegen eine Schulter 148 der Antriebswelle 120 angeordnet. Die Kugelhalteplatten 136, 138 beinhalten je eine Außenverzahnung 150, die mit der Innenverzahnung 152 des Rotors 118 in Eingriff steht, sodass sich die Kugelhalteplatten 136, 138 mit dem Rotor 118 drehen. Ein Klemmring 154 wird in einer ringförmigen Aussparung 156 in der Antriebswelle 120 aufgenommen und trägt eine Außenseite der Rampenplatte 140. Die Druckfedern 134 halten eine gewünschte Einrastkraft zwischen den Kugelhalteplatten 136, 138 und den Rampenplatten 140, 142 aufrecht. Bei Überschreiten der Einrastkraft rutscht die drehmomentbegrenzende Kupplung 122, um das auf den Antriebsstrang übertragene Drehmoment zu begrenzen.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird nun eine teilweise Querschnittsansicht eines alternativen Elektromotors 212 mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung 222 beschrieben. Der Elektromotor 212 beinhaltet einen Stator 216, der in einem Gehäuse 214 angeordnet ist, und einen gegenüber dem Stator 216 drehbar gelagerten Rotor 218. Eine Tellerfeder 230 ist gegen eine Andruckplatte 232 angeordnet, die mit einer ersten Kupplungsscheibe 236 an einem ersten Ende des Rotors 218 in Eingriff steht. Eine zweite Kupplungsscheibe 238 ist an einem zweiten Ende des Rotors 218 und gegen eine Reaktionsplatte 240 angeordnet. Die Andruckplatte 232 beinhaltet je eine Innenverzahnung 244, die in die Außenverzahnung 246 der Antriebswelle 220 eingreift. Die Reaktionsplatte 240 ist gegen eine Schulter 248 der Antriebswelle 220 angeordnet. Die ersten und zweiten Kupplungsscheiben 236, 238 beinhalten je eine Außenverzahnung 250, die mit der Innenverzahnung 252 des Rotors 218 in Eingriff steht, sodass sich die Kupplungsscheiben 236, 238 mit dem Rotor 218 drehen. Ein Klemmring 254 wird in einer Aussparung 256 in der Antriebswelle 220 aufgenommen und trägt eine Außenseite der Tellerfeder 230. Zwischen dem Klemmring 254 und der Tellerfeder 230 kann eine Unterlegscheibe 258 eingesetzt werden, um eine Nennbelastung der Kupplung zu gewährleisten. Die Tellerfeder 230 hält eine gewünschte Reibkraft zwischen den Kupplungsplatten 236, 238 und der Druckplatte 232 und der Reaktionsplatte 240 aufrecht. Bei Überschreitung der Reibkraft rutscht die drehmomentbegrenzende Kupplung 222, um das auf den Antriebsstrang übertragene Drehmoment zu begrenzen.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird nun eine teilweise Querschnittsansicht eines alternativen Elektromotors 312 mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung 322 beschrieben. Der Elektromotor 312 beinhaltet einen Stator 316, der in einem Gehäuse 314 angeordnet ist, und einen gegenüber dem Stator 316 drehbar gelagerten Rotor 318. Ein Paar Tellerfedern 322, 324 sind jeweils gegen eine jeweilige Kugelhalteplatte 326, 328 angeordnet, die jeweils eine Vielzahl von Kugeln 329 in Eingriff mit entsprechenden Rampenflächen 330, 332 an gegenüberliegenden Enden des Rotors 318 halten. Die Kugelhalteplatten 326, 328 beinhalten je eine Innenverzahnung 344, die in die Außenverzahnung 346 der Antriebswelle 320 eingreift. Die Tellerfeder 324 ist gegen eine Schulter 348 der Antriebswelle 320 angeordnet. Ein Klemmring 354 wird in einer Aussparung 356 in der Antriebswelle 320 aufgenommen und trägt eine Außenseite der Tellerfeder 322. Zwischen dem Klemmring 354 und der Tellerfeder 322 kann eine Unterlegscheibe 358 eingesetzt werden, um eine Nennbelastung der Kupplung zu gewährleisten. Die Tellerfedern 322, 324 halten eine gewünschte Einrastkraft zwischen den Kugelhalteplatten 326, 328 und den Rampenflächen 330, 332 aufrecht. Bei Überschreiten der Einrastkraft rutscht die drehmomentbegrenzende Kupplung 322, um das auf den Antriebsstrang übertragene Drehmoment zu begrenzen.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird nun eine teilweise Querschnittsansicht eines alternativen Elektromotors 412 mit einer drehmomentbegrenzenden Kupplung 422 beschrieben. Der Elektromotor 412 beinhaltet einen Stator 416, der in einem Gehäuse 414 angeordnet ist, und einen gegenüber dem Stator 416 drehbar gelagerten Rotor 418. Der Rotor 418 ist fest mit der Antriebswelle 420 verbunden. Ein Tellerfeder 430 ist gegen eine Kugelhalteplatte 432 angeordnet, die eine Vielzahl von Kugeln 434 mit entsprechenden Rampenflächen 436 der Rampenplatte 438 einrasten. Die Kugelhalteplatte 432 beinhaltet Innenverzahnungen 444, die in die Außenverzahnung 446 der Antriebswelle 420 eingreift. Die Rampenplatte 438 ist gegen eine Unterlegscheibe 448 angeordnet. Ein Klemmring 454 wird in einer Aussparung 456 in der Antriebswelle 420 aufgenommen und trägt eine Außenseite der Rampenplatte 438. Die Kugelhalteplatte 432 beinhaltet Innenverzahnungen 450, die in die Außenverzahnungen 452 der Antriebswelle 420 eingreifen. Die Rampenplatte 438 beinhaltet Innenverzahnungen 462, die in die Außenverzahnungen 464 einer Sekundärwelle 466 eingreifen. Die Tellerfeder 430 hält die gewünschte Einrastkraft zwischen der Kugelhalteplatte 432 und der Rampenplatte 438 aufrecht. Bei Überschreiten der Einrastkraft rutscht die drehmomentbegrenzende Kupplung 422, um das auf den Antriebsstrang übertragene Drehmoment zu begrenzen.
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Die 7A, 7B sind eine exemplarische Darstellung der drehmomentbegrenzenden Kugelrampenkupplung 122, die durch die Kugelhalteplatte 136 die Kugeln 139 gegen die Rampenfläche 143 der Rampenplatte 140 abstützt. 7A stellt die Kugeln 139 dar, die in einem Kehlabschnitt 143a der Kugelrampenfläche 143 aufgenommen wurden. Wenn die Kupplung mit Drehmoment beaufschlagt wird, drückt die Feder während der Drehmoment-/Belastungserhöhung zusammen, wodurch die Kugeln über die Rampen laufen können. 7B stellt die Kugel 139 dar, die über die Spitze 143b der Rampenfläche 143 hinausgeht. Der Rampenwinkel und die radiale Lage sowie die Federvorspannung und Federrate bestimmen das Drehmomentbegrenzungsmaß der Kupplung.
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Die 8A-8C sind eine exemplarische Darstellung einer alternativen drehmomentbegrenzenden Kugelrampenkupplung 522, die durch die Kugelhalteplatte 536 die Kugeln 539 gegen die Rampenfläche 543 der Rampenplatte 540 abstützt. Die Rampenfläche 543 beinhaltet zwei Rampenwinkel 543b, 543c, die so ausgelegt sind, dass sie unterhalb des Drehmoment-/Lastbegrenzungsbereichs liegen. Der erste Rampenwinkel 543b ist sehr klein und ermöglicht die Dämpfung von Schwingungen mit einem niedrigen Motordrehmoment. Der größere Rampenwinkel 543c bestimmt den Drehmomentbegrenzungsbereich. 8A stellt die Kugeln 539 dar, die in einem Kehlabschnitt 543a der Kugelrampenfläche 543 aufgenommen wurden. Wenn die Kupplung mit Drehmoment beaufschlagt wird, drückt die Feder während der Drehmoment-/Belastungserhöhung zusammen, wodurch sich die Kugeln entlang der Rampenfläche 543 bewegen können. 8B stellt die Kugel 139 beim Durchlaufen des kleinen Rampenwinkels 543b der Rampenfläche 143 dar. Der kleine Rampenwinkelteil 543b ermöglicht eine bidirektionale Drehschwingungsdämpfungs-Funktionalität. 8C stellt die Kugel 539 beim Durchlaufen des großen Rampenwinkels 543c der Rampenfläche 543 dar. Der Rampenwinkel und die radiale Lage sowie die Federvorspannung und Federrate bestimmen das Drehmomentbegrenzungsmaß der Kupplung.
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Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.
