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Herkömmliche Klauenkupplungen bewegen sich in axialer Richtung, um einzukuppeln und Drehmoment zu übertragen. Die minimale erforderliche Bewegung zum Einkuppeln entspricht der axialen Länge der Zähne der Klauenkupplung. Eine zusätzliche Lücke zwischen den Kupplungshälften ist normalerweise vorgesehen, damit die Zähne nicht miteinander kollidieren, wenn die Klauenkupplung ausgekuppelt ist.
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Aus der
DE 163 222 A ist eine lösbare, jedoch nicht ausrückbare Kupplung bekannt, deren Drehrichtung beliebig oft wechseln kann, wobei die eine Kupplungshälfte nach beiden Drehrichtungen um jeden beliebigen Winkel gegenüber der anderen voreilen kann, dann aber die andere Hälfte mitnimmt, und dass sich der Winkel, um den die eine Hälfte der anderen voreilen kann, zu jeder Zeit beliebig vergrößern oder verkleinern läßt.
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Die
CH 70002 A beschreibt eine Reibungskupplung, wobei an dem Endteil der getriebenen Welle, über einer auf der Welle befestigten Nabe ein achsial verschiebbarer Ring mit drei an ihren Enden konisch auslaufenden Stiften angeordnet ist, welcher bei achsialer Verschiebung eine radiale Verschiebung von drei Backen verursacht, welche Backen am selben Wellenende an der Nabe beweglich angeordnet sind und welche bei ihrer radialen Verschiebung nach außen gegen die innere Fläche einer auf dem Ende der treibenden Welle befestigten Büchse angepresst werden und auf diese Weise die Bewegungsverbindung zwischen den beiden Wellen herstellen.
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Die
AT 111117 B beschreibt eine Kupplung zur Bewegungsübertragung von einem rotierenden treibenden Teil auf einen rotierenden getriebenen Teil mit angelenkten Klauen an dem einen Teil, die mit einer Schulter an dem andern Teil in Eingriff stehen, wobei die Klauen zur Übertragung der Antriebswirkung des treibenden Teiles in entgegengesetzten Richtungen paarweise und an dem getriebenen Teil angelenkt sind und gleichzeitig mit nach entgegengesetzten Richtungen gewendeten Schultern an dem treibenden Teil in Eingriff kommen.
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Die
DE 18 14 263 A beschreibt eine Klauenkupplung zum Einwirken zwischen einem umlaufenden Antriebsteil und einem angetriebenen Teil, bestehend aus einem an dem Antriebsteil befestigten, gezahnten oder mit Klauen versehenen Ring und einer zum Ein- und Ausrücken der Kupplung in radialer Richtung verstellbaren Kupplungsklaue, wobei der Ring auf seiner Innenseite gezahnt und die Kupplungsklaue aus der Mitte zur Außenseite des Rings verstellbar sind, um zwischen zwei einander benachbarten Klauen des Rings in Eingriff gebracht zu werden, wobei während der Drehbewegung des angetriebenen Teils die Zentrifugalkraft dazu beiträgt, die Kupplungsklaue in dieser Weise in Eingriff zu halten.
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Aus der
DD 241 107 A1 ist eine schaltbare Zahnkupplung mit axial verschiebbarem, außenverzahntem Kupplungsstück und mit einer Innenverzahnung versehenen, Kupplungsgegenstück zum formschlüssigen Verbinden von Rotationsteilen, die während des Schaltvorganges stillstehen, bekannt, wobei das Kupplungsgegenstück innerhalb seiner Innenverzahnung eine an der Abtriebswelle stirnseitig und symmetrisch angebrachte Einlaufscheibe mit zylindrischem Umfang und konischem Ende aufweist, das Kupplungsstück an seiner Stirnseite in Richtung Abtriebswelle mit einer Zwischenscheibe versehen ist und die Stirnseite der Zwischenscheibe symmetrisch befestigte kreissegmentförmige Mitnehmerscheiben aufweist, zwischen deren Innenseiten und in diesen geführt radial bewegliche und nach innen ferderbelastete Kupplungsklauen mit Außenverzahnung angeordnet sind.
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Die
DE 694 338 A beschreibt eine doppelseitig wirkende Freilaufkupplung, unter Verwendung von radial beweglichen Kupplungselementen, wobei zur Betätigung von mindestens zwei Mitnehmerbolzen ein mit längs des Umfangs verlaufenden Führungskurvenflächen versehener Steuerkörper und ein davon, getrennter, gegenüber dem Steuerkörper zentrischer und drehbar gelagerter Lagerkörper vorgesehen ist, in dem die Mitnehmerbolzen durch Federn in der Ruhelage derart gehalten sind, dass bei Drehung der treibenden Welle die Bolzen durch Anlage an den Führungsflächen des Steuerkörpers in radialer oder angenähert radialer Richtung nach außen bewegt werden und in Eingriff mit einer, starr an die getriebene Welle angekuppelten Mitnahmeeinrichtung gelangen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Klauenkupplung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Klauenkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Klauenkupplung umfasst eine Hauptwelle und eine schwimmende Scheibe, die koaxial zur Hauptwelle rotierbar gelagert ist, wobei mit einer der beiden Komponenten Hauptwelle und schwimmende Scheibe ein oder mehrere bewegliche Kupplungszähne zum Eingriff in eine oder mehrere Aussparungen in der anderen der beiden Komponenten Hauptwelle und schwimmende Scheibe verbunden sind, um die Klauenkupplung einzukuppeln, wobei der eine oder die mehreren beweglichen Kupplungszähne zum Einkuppeln oder Auskuppeln in einer radialen Richtung bezüglich der Hauptwelle beweglich sind.
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Herkömmliche Interferenzkupplungen sind mit einer axial verschiebbaren Schiebemuffe ausgeführt und werden somit axial betätigt. Der Bauraum für die Kupplung und deren Betätigung muss die axiale Bewegung berücksichtigen. Dies gilt für Klauenkupplungen (Dog Clutches) mit oder ohne Synchronisierung sowie für Allradsperren, Differenzialsperren und Gangschaltungen. Dabei werden selbsthemmende (Zahn-)Geometrien benötigt, damit die Kupplung geschlossen bleibt. Bei herkömmlichen Klauenkupplungen wird ein Mittelteil der Klauenkupplung für zwei benachbarte schwimmende Zahnräder verwendet. Unter bestimmten Umständen kann das Mittelteil beim Auskuppeln zu weit bewegt werden (overshoot) und mit dem benachbarten schwimmenden Zahnrad kollidieren und so unbeabsichtigt einkuppeln.
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Die erfindungsgemäße Klauenkupplung weist diese Nachteile nicht auf, da die beweglichen Kupplungszähne in radialer Richtung aktuiert, und nicht wie bei der herkömmlichen Lösung in axialer Richtung bewegt werden. Die Interferenz zwischen den Kupplungszähnen wird somit über eine Änderung des Durchmessers der inneren oder der äußeren Verzahnung herbeigeführt, eine axiale Bewegung von Verstellelementen findet nicht statt.
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Insbesondere bei quer eingebauten Antrieben (Motor + Getriebe) in Kraftfahrzeugen wird daher weniger Bauraum benötigt, da der Antrieb besser zwischen die Lenkschemel/Radaufhängung passt. Ferner ergeben sich Gewichtsvorteile. Die Kupplungszähne können in axialer Richtung kürzer sein. Platz für eine bei herkömmlichen Klauenkupplungen übliche Schiebemuffe wird nicht benötigt.
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Es ist möglich, die beweglichen Kupplungszähne einzeln zu betätigen, beispielsweise um die Schaltwahrscheinlichkeit zu erhöhen. Beispielsweise kann erst mit einem oder wenigen Zähnen eine Synchronisierung erfolgen und erst dann werden alle Zähne eingerückt. Funktionsspezifische Geometrien der Kupplungszähne sind möglich, beispielsweise teils spitze und teils massive flache Kupplungszähne. Beispielsweise können radiale Reib-Synchronisier-Zähne oder andere Reibbelagselemente und darauf folgend eingerückte kraftübertragende Kupplungszähne vorgesehen sein.
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In einer Ausführungsform ist eine Konturenscheibe rotatierbar und koaxial zur Hauptwelle gelagert, wobei in der Konturenscheibe eine oder mehrere Nockennuten vorgesehen sind, wobei der eine oder die mehreren beweglichen Kupplungszähne jeweils einen Nocken zum Eingriff in eine der Nockennuten aufweisen.
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In einer Ausführungsform weist die schwimmende Scheibe eine Anzahl von festen Kupplungszähnen auf, zwischen denen die radial ausgerichteten Aussparungen angeordnet sind, wobei die festen Kupplungszähne radial von der Hauptwelle beabstandet sind, so dass radial innerhalb der festen Kupplungszähne ein freier Bereich vorliegt, in dem die beweglichen Kupplungszähne in einem ausgekuppelten Zustand lokalisiert sind.
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In einer Ausführungsform ist zwischen der Konturenscheibe und der schwimmenden Scheibe eine Führungsscheibe rotationsfest an die Hauptwelle gekoppelt, wobei die Führungsscheibe eine oder mehrere radial ausgerichtete Führungsnuten aufweist, in denen jeweils einer der beweglichen Kupplungszähne radial führbar ist.
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Alternativ kann die Konturenscheibe rotationsfest an die Hauptwelle gekoppelt und/oder einstückig mit dieser gebildet sein. Die Führungsscheibe kann um die Hauptwelle herum rotierbar gelagert sein.
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In einer Ausführungsform sind die eine oder mehreren Nockennuten so ausgebildet, dass der eine oder die mehreren beweglichen Kupplungszähne durch Verdrehen der Konturenscheibe relativ zur Führungsscheibe radial bewegbar sind.
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In einer Ausführungsform verlaufen die eine oder mehreren Nockennuten ausgehend von einem inneren Ende hin zu einem äußeren Ende, wobei das innere Ende jeder Nockennut nicht mit dem äußeren Ende derselben Nockennut radial fluchtet.
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In einer Ausführungsform sind die eine oder mehreren Nockennuten als Abschnitt einer jeweiligen Spirale gebildet. Andere Geometrien sind ebenfalls möglich.
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In einer Ausführungsform ist der Nocken an einem Führungsabschnitt angeordnet, der zum Eingriff in je eine der Führungsnuten ausgebildet ist, wobei sich an den Führungsabschnitt jeweils ein Kupplungsabschnitt anschließt, der zum Eingriff in je eine der Aussparungen ausgebildet ist.
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In einer Ausführungsform ist ein Betätigungsmechanismus zum Verdrehen der Konturenscheibe gegenüber der Führungsscheibe vorgesehen, wobei der Betätigungsmechanismus insbesondere einen elektronischen Variator umfasst.
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In einer Ausführungsform ist ein Betätigungsmechanismus vorgesehen, wobei der Betätigungsmechanismus einen oder mehrere Ölkanäle in der Hauptwelle umfasst, die in eine oder mehreren radialen Bohrungen münden, über die die beweglichen Kupplungszähne hydraulisch bewegbar sind.
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Die erfindungsgemäße Klauenkupplung kann beispielsweise in Doppelkupplungsgetrieben, Handschaltgetrieben, Wandlerautomaten, Power-Sports-Antrieben, Bootsantrieben, Transfer Cases (Allradantrieb) und Differenzialsperren verwendet werden und eignet sich besonders für Nutzfahrzeuganwendungen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Klauenkupplung,
- 2 eine weitere schematische Ansicht einer Klauenkupplung,
- 3 eine schematische Ansicht einer Klauenkupplung in einem ausgekuppelten Zustand,
- 4 eine weitere schematische Ansicht einer Klauenkupplung in einem ausgekuppelten Zustand,
- 5 eine weitere schematische Ansicht einer Klauenkupplung in einem ausgekuppelten Zustand,
- 6 eine schematische Ansicht einer Klauenkupplung in einem eingekuppelten Zustand,
- 7 eine weitere schematische Ansicht einer Klauenkupplung in einem eingekuppelten Zustand,
- 8 eine weitere schematische Ansicht einer Klauenkupplung in einem eingekuppelten Zustand, und
- 9 eine schematische Ansicht eines Betätigungsmechanismus.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1, 2 und 3 zeigen verschiedene schematische Ansichten einer Klauenkupplung 1. Die Klauenkupplung 1 weist eine Hauptwelle 2 auf, an die eine Führungsscheibe 7 rotationsfest gekoppelt ist. Die Führungsscheibe 7 kann auch einstückig mit der Hauptwelle 2 ausgebildet sein. Eine schwimmende Scheibe 4 ist um die Hauptwelle 2 rotierbar gelagert. Wenn die schwimmende Scheibe 4 nicht im Eingriff mit der Führungsscheibe 7 und somit mit der Hauptwelle 2 ist, so kann sie frei um die Hauptwelle 2 rotieren.
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Die schwimmende Scheibe 4 weist eine Anzahl von festen Kupplungszähnen 5 auf, die in axialer Richtung zur Führungsscheibe 7 hin ausgerichtet sind. Zwischen den festen Kupplungszähnen 5 sind radial ausgerichtete Aussparungen 6 vorgesehen. Die festen Kupplungszähne 5 sind radial von der Hauptwelle 2 beabstandet, so dass radial innerhalb der festen Kupplungszähne 5 ein freier Bereich 14 vorliegt, der frei von festen Kupplungszähnen 5 ist. Die Führungsscheibe 7 ist zwischen einer Konturenscheibe 3 und der schwimmenden Scheibe 4 angeordnet. Die Konturenscheibe 3 ist um die Hauptwelle 2 herum rotierbar gelagert. Die Konturenscheibe 3 ist nur begrenzt gegenüber der Führungsscheibe 7 verdrehbar (es handelt sich um eine Phasenverschiebung, beide Scheiben rotieren mit gleicher Geschwindigkeit). Die Führungsscheibe 7 weist eine Anzahl radial ausgerichteter Führungsnuten 8 entsprechend der Anzahl der Aussparungen 6 auf. Die Konturenscheibe 3 weist eine Anzahl von Nockennuten 9 entsprechend der Anzahl der Aussparungen 6 und der Führungsnuten 8 auf. Alle Nockennuten 9 sind in gleicher Weise weder radial noch tangential ausgerichtet. Insbesondere verlaufen alle Nockennuten 9 ausgehend von einem einer Rotationsachse der Konturenscheibe 3 nächstgelegenen inneren Ende hin zu einem von der Rotationsachse der Konturenscheibe 3 entfernten äußeren Ende, wobei das innere Ende jeder Nockennut 9 nicht mit dem äußeren Ende derselben Nockennut 9 radial fluchtet. Die Nockennut 9 kann dabei eine Kurve beschreiben. In einer Ausführungsform ist jede Nockennut 9 als Abschnitt einer jeweiligen Spirale gebildet. Andere Geometrien sind ebenfalls möglich.
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Ferner sind eine Anzahl beweglicher Kupplungszähne 10 entsprechend der Anzahl der Aussparungen 6, der Führungsnuten 8 und der Nockennuten 9 vorgesehen. Die beweglichen Kupplungszähne 10 weisen jeweils einen Nocken 11 auf, der zum Eingriff in je eine der Nockennuten 9 ausgebildet ist. Der Nocken 11 kann beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen. Der Nocken 11 ist an einem Führungsabschnitt 12 angeordnet, der zum Eingriff in je eine der Führungsnuten 8 ausgebildet ist. Der Führungsabschnitt 12 kann beispielsweise einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. An den Führungsabschnitt 12 schließt sich jeweils ein Kupplungsabschnitt 13 an, der zum Eingriff in je eine der Aussparungen 6 ausgebildet ist. Der Kupplungsabschnitt 13 kann beispielsweise einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Eine Breite der Führungsabschnitte 12 und der Führungsnuten 8 kann etwas geringer sein als eine Breite der Kupplungsabschnitte 13 und Aussparungen 6. Die Führungsnuten 8 sind als Durchbrüche in der Führungsscheibe 7 ausgebildet, so dass die beweglichen Kupplungszähne 10 mit dem Führungsabschnitt 12 in der Führungsnut 8 und gleichzeitig mit dem Nocken 11 in der Nockennut 9 sowie mit dem Kupplungsabschnitt 13 in einer der Aussparungen 6 im Eingriff befindlich sein können oder sich anstatt in einer der Aussparungen 6 im freien Bereich 14 befinden.
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Die Nockennuten 9 können als Durchbrüche oder lediglich als Vertiefungen in der Konturenscheibe 3 ausgebildet sein.
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Die Nockennuten 9 dienen vorzugsweise nicht der Übertragung eines Drehmoments, sind aber für die Verstellung der beweglichen Kupplungszähne 10 zuständig. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt über die radialen Führungsnuten 8.
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3, 4 und 5 zeigen verschiedene schematische Ansichten der Klauenkupplung 1 in einem ausgekuppelten Zustand.
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Dabei befinden sich die beweglichen Kupplungszähne 10 mit ihren Nocken 11 am inneren Ende der jeweiligen Nockennut 9. Dementsprechend befindet sich der jeweilige Führungsabschnitt 12 an einem inneren Ende der jeweiligen Führungsnut 8 und der jeweilige Kupplungsabschnitt 13 befindet sich im freien Bereich 14 und somit nicht im Eingriff mit den festen Kupplungszähnen 5. Die schwimmende Scheibe 4 kann daher unabhängig von der Hauptwelle 2 rotieren.
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6, 7 und 8 zeigen verschiedene schematische Ansichten der Klauenkupplung 1 in einem eingekuppelten Zustand.
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Ausgehend vom ausgekuppelten Zustand wird die Konturenscheibe 3 gegenüber der Führungsscheibe 7 verdreht, so dass sich die Nocken 11 der beweglichen Kupplungszähne 10 vom inneren Ende zum äußeren Ende der Nockennut 9 bewegen. Dabei bewegt sich jeder bewegliche Kupplungszahn 10 mit seinem Führungsabschnitt 12 in der Führungsnut 8 radial von der Hauptwelle 2 weg und der jeweilige Kupplungsabschnitt 13 bewegt sich aus dem freien Bereich 14 heraus und greift in eine der Aussparungen 6 zwischen den festen Kupplungszähnen 5 ein. Die radial nach außen weisenden Enden der Kupplungsabschnitte 13 und/oder die radial nach innen weisenden Enden der festen Kupplungszähne 5 können abgerundet sein, um das Eingreifen zu erleichtern.
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Alternativ kann die Konturenscheibe 3 rotationsfest an die Hauptwelle 2 gekoppelt und/oder einstückig mit dieser gebildet sein. Die Führungsscheibe 7 kann um die Hauptwelle 2 herum rotierbar gelagert sein.
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Ein nicht dargestellter Betätigungsmechanismus kann zum Verdrehen der Konturenscheibe 3 gegenüber der Führungsscheibe 7 ausgebildet sein. Der Verdrehwinkel ist durch die Führungsnut 8, die Nockennut 9 und den darin eingreifenden beweglichen Kupplungszahn 10 begrenzt. Beispielsweise kann der Betätigungsmechanismus einen elektronischen Variator (ähnlich wie bei einer elektronischen variablen Ventilverstellung eVVT) zur Einstellung einer Phase der Führungsscheibe 7 zur Konturenscheibe 3 umfassen.
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Um einzukuppeln, müssen sich die beweglichen Kupplungszähne 10 anders als im Stand der Technik nicht axial bewegen, so dass die axiale Länge der Klauenkupplung 1 reduziert werden kann. Die Länge der Kupplungszähne 5, 10 in axialer Richtung kann reduziert und mit einer größeren Breite in radialer Richtung kompensiert werden, so dass die axiale Länge der Klauenkupplung 1 weiter reduziert werden kann. Es können Kupplungszähne 5, 10 mit verschiedenen Geometrien für verschiedene Funktionen verwendet werden. Beispielsweise können einige Kupplungszähne 5, 10 zum Synchronisieren der Klauenkupplung 1 verwendet werden, während andere zum Übertragen von Drehmoment verwendet werden.
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Es können unabhängige Betätigungsmechanismen für benachbarte Klauenkupplungen 1 vorgesehen sein. Bei herkömmlichen Klauenkupplungen wird ein Mittelteil (Schiebemuffe) der Klauenkupplung für zwei benachbarte schwimmende Zahnräder verwendet. Unter bestimmten Umständen kann das Mittelteil beim Auskuppeln zu weit bewegt werden und mit dem benachbarten schwimmenden Zahnrad kollidieren und so unbeabsichtigt einkuppeln. Bei der erfindungsgemäß radial betätigten Klauenkupplung 1 ist nur eine schwimmende Scheibe 4 einer Hauptwelle 2 zugeordnet, so dass beim Auskuppeln nicht unbeabsichtigt eingekuppelt werden kann.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann radial außerhalb der Kupplungszähne 5 ein freier Bereich 14 vorliegen, der frei von Kupplungszähnen 5 ist. In diesem Fall wären im ausgekuppelten Zustand die beweglichen Kupplungszähne 10 mit ihren Nocken 11 am äußeren Ende der jeweiligen Nockennut 9. Dementsprechend befände sich der jeweilige Führungsabschnitt 12 am äußeren Ende der jeweiligen Führungsnut 8 und der jeweilige Kupplungsabschnitt 13 befände sich im freien Bereich 14 und somit nicht im Eingriff mit den festen Kupplungszähnen 5. Die schwimmende Scheibe 4 könnte daher unabhängig von der Hauptwelle 2 rotieren.
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In diesem Fall würde ausgehend vom ausgekuppelten Zustand die Führungsscheibe 7 gegenüber der Konturenscheibe 3 verdreht, so dass sich die Nocken 11 der beweglichen Kupplungszähne 10 vom äußeren Ende zum inneren Ende der Nockennut 9 bewegen würden. Dabei würde sich jeder bewegliche Kupplungszahn 10 mit seinem Führungsabschnitt 12 in der Führungsnut 8 radial zur Hauptwelle 2 hin bewegen und der jeweilige Kupplungsabschnitt 13 würde sich aus dem freien Bereich 14 heraus bewegen und in eine der Aussparungen 6 zwischen den festen Kupplungszähnen 5 eingreifen. Die radial nach innen weisenden Enden der Kupplungsabschnitte 13 und/oder die radial nach außen weisenden Enden der festen Kupplungszähne 5 könnten abgerundet sein, um das Eingreifen zu erleichtern.
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In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen können die Nockennuten 9 auf der Führungsscheibe 7 und die Führungsnuten 8 auf der Konturenscheibe 3 angeordnet sein. Die Nocken 11 der beweglichen Kupplungszähne 10 befänden sich in diesem Fall jeweils zwischen dem Führungsabschnitt 12 und dem Kupplungsabschnitt 13.
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9 ist eine schematische Ansicht eines alternativen Betätigungsmechanismus 15. In dieser Ausführungsform wird die Konturenscheibe 3 nicht benötigt. Die Hauptwelle 2 weist einen oder mehrere Ölkanäle 16 auf, die in radialen Bohrungen 17 münden, über die die beweglichen Kupplungszähne 10 (nicht gezeigt) hydraulisch bewegt werden können. In dieser Ausführungsform können die beweglichen Kupplungszähne 10 in axialer Richtung nacheinander entlang der Hauptwelle 2 angeordnet sein und in entsprechend in axialer Richtung nacheinander entlang der schwimmenden Scheibe 4 angeordnete Aussparungen 6 radial eingreifen (nicht gezeigt).
