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Die Erfindung betrifft eine Klauenkupplung für ein Getriebe, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Getriebe mit wenigstens einer solchen Klauenkupplung.
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Eine solche Klauenkupplung für ein Getriebe, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2012 021 458 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Klauenkupplung weist ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement auf, welches relativ zu dem ersten Schaltelement zwischen wenigstens einer Koppelstellung und wenigstens einer Entkoppelstellung verschiebbar, das heißt translatorisch bewegbar, ist. In der Koppelstellung sind die Schaltelemente formschlüssig drehfest miteinander verbunden. In der Entkoppelstellung sind die Schaltelemente voneinander entkoppelt und dadurch um eine Drehachse relativ zueinander drehbar. Dabei ist es insbesondere denkbar, dass das zweite Schaltelement entlang der Drehachse relativ zu dem ersten Schaltelement und beispielsweise auch relativ zu einem Gehäuse, in welchem die Schaltelemente angeordnet sind, zwischen der Koppelstellung und der Entkoppelstellung verschiebbar ist, insbesondere während eine Bewegung beziehungsweise Verschiebung des ersten Schaltelements entlang der Drehachse relativ zu dem Gehäuse unterbleibt.
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Des Weiteren offenbart die
DE 10 2013 010 559 A1 eine Klauenkupplung für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang. Darüber hinaus ist der
DE 10 2015 015 200 A1 eine Klauenkupplung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs als bekannt zu entnehmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klauenkupplung sowie ein Getriebe der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klauenkupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Klauenkupplung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern, ist erfindungsgemäß an einem der Schaltelemente wenigstens ein erstes Fangelement vorgesehen, und an dem anderen Schaltelement ist wenigstens ein zweites Fangelement vorgesehen. Dabei ist das zweite Fangelement verschwenkbar an dem anderen Schaltelement gehalten. Das zweite Fangelement ist bei einer um die Drehachse erfolgenden Relativdrehung zwischen den Schaltelementen aus einer Ruhestellung in eine Fangstellung relativ zu den Schaltelementen um eine Schwenkachse verschwenkbar und dadurch in formschlüssiges Zusammenwirken mit dem ersten Fangelement bewegbar, wodurch das erste Fangelement mittels des zweiten Fangelements einfangbar ist, mithin das zweite Fangelement das erste Fangelement einfängt. Infolgedessen ist, insbesondere bei einer weiteren Relativdrehung zwischen den Schaltelementen, das zweite Schaltelement aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung verschiebbar.
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Das eigentliche Verschieben des zweiten Schaltelements aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung, wodurch die Schaltelemente formschlüssig drehfest miteinander verbunden werden, wird auch als Schaltung oder Klauenschaltung oder Einschalten der Klauenkupplung bezeichnet. Da es nunmehr erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass vor der eigentlichen Klauenschaltung das zweite Fangelement das erste Fangelement einfängt, wodurch bei einer weiteren Relativdrehung zwischen den Schaltelementen die eigentliche Klauenschaltung bewirkt wird, erfolgt die Klauenschaltung desmodromisch, das heißt durch eine Zwangssteuerung. Die Klauenschaltung ist somit erfindungsgemäß eine desmodromische Klauenschaltung. Somit ist unter der Zwangssteuerung beziehungsweise unter des desmodromischen Klauenschaltung zu verstehen, dass die Schaltelemente vor der eigentlichen Klauenschaltung über die Fangelemente formschlüssig miteinander gekoppelt werden, sodass sie sich hinsichtlich wenigstens einer Relativbewegung zwischen den Schaltelementen gegenseitig beeinflussen, insbesondere derart, dass dadurch, dass das zweite Fangelement das erste Fangelement vor der eigentlichen Klauenschaltung einfängt, wodurch die Schaltelemente vor der eigentlichen Klauenschaltung formschlüssig miteinander gekoppelt werden, eine nach dem Einfangen des ersten Fangelements durch das zweite Fangelement stattfindende, weitere Relativdrehung zwischen den Schaltelementen die eigentliche Klauenschaltung bewirkt beziehungsweise hervorruft. Die eigentliche Klauenschaltung erfolgt somit in einem formschlüssig miteinander gekoppelten Zustand der Schaltelemente, welche in dem formschlüssig miteinander gekoppelten Zustand über die Fangelemente formschlüssig miteinander gekoppelt sind. Hierdurch erfolgt die relativ zu dem ersten Schaltelement erfolgende Verschiebung des zweiten Schaltelements aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung mit einer desmodromisch erzwungenen absoluten Sicherheit, sodass eine unerwünschte Kopf-auf-Kopf-Stellung, welche auch als Zahn-auf-Zahn-Stellung bezeichnet wird, vermieden werden kann. Unter der Kopf-auf-Kopf-Stellung ist zu verstehen, dass sich jeweilige, beispielsweise als Klauen ausgebildete, Schaltteile der Schaltelemente, die mittels der Schaltteile formschlüssig drehfest miteinander verbindbar sind beziehungsweise in der Koppelstellung mittels der Schaltteile formschlüssig drehfest miteinander verbunden sind, entlang einer Schieberichtung, in welche das erste Schaltelement relativ zu dem zweiten Schaltelement aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung verschiebbar ist, sich zumindest teilweise gegenseitig überlappen.
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Die Schieberichtung fällt beispielsweise mit der Drehachse zusammen. Somit ist beispielsweise das zweite Schaltelement entlang der Drehachse relativ zu dem ersten Schaltelement und vorzugsweise auch relativ zu einem Gehäuse, in welchem die Schaltelemente angeordnet sind, aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung verschiebbar, insbesondere während eine entlang der Drehachse, insbesondere relativ zu dem Gehäuse, erfolgende Verschiebung des ersten Schaltelements unterbleibt. Die zuvor genannte Kopf-auf-Kopf-Stellung kann die eigentliche Klauenschaltung, das heißt die tatsächliche Verschiebung des zweiten Schaltelements aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung, vermeiden und/oder zu einer hohen Belastung und somit zu einem hohen Verschleiß der Klauenkupplung führen. Dies kann nun durch die Erfindung vermieden werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das eine Schaltelement eine erste Klaue und das andere Schaltelement eine zweite Klaue aufweist, wobei die Schaltelemente in der Koppelstellung mittels der Klauen formschlüssig drehfest miteinander verbunden sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Fangelement an der ersten Klaue angeordnet und entlang einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Richtung nach innen oder außen hin von der ersten Klaue absteht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass an der zweiten Klaue ein Lagerelement angeordnet ist, welches entlang einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Richtung nach innen oder außen hin von der zweiten Klaue absteht, wobei das zweite Fangelement um die Schwenkachse relativ zu dem Lagerelement und relativ zu den Schaltelementen zwischen der Ruhestellung und der Fangstellung verschwenkbar an dem Lagerelement gelagert ist und entlang einer parallel zur Drehachse verlaufenden Richtung von dem Lagerelement absteht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Lagerelement eine Nut, insbesondere eine Ringnut, aufweist, in welche das zweite Fangelement eingreift, wodurch das zweite Fangelement um die Schwenkachse relativ zu dem Lagerelement und relativ zu den Schaltelementen zwischen der Ruhestellung und der Fangstellung verschwenkbar an dem Lagerelement gelagert ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schwenkachse senkrecht zur Drehachse verläuft.
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Zur Erfindung gehört auch ein Getriebe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Getriebe wenigstens eine erfindungsgemäße Klauenkupplung aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Klauenkupplung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Getriebes anzusehen und umgekehrt.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Schaltbare Getriebe sind insbesondere in Kraftfahrzeugen beliebiger Bauart und Motorisierung Stand der Technik. Historisch waren formschlüssige Klauenschaltungen beziehungsweise Klauenkupplungen die ersten Bauelemente, die einen Gangwechsel des Getriebes und somit unterschiedliche Übersetzungen zwischen einer Antriebsmaschine und Antriebsrädern des jeweiligen Kraftfahrzeugs während einer Fahrt des jeweiligen Kraftfahrzeugs ermöglichten. Die Bedienung einer solchen Klauenkupplung wollte gelernt sein, um Systembeschädigungen beispielsweise infolge überhöhter Laststöße und/oder infolge eines Verschleißes von Klauenkanten oder gar eines Bruchs der Klauen zu vermeiden. Zudem erlaubten Klauenkupplungen im ersten Jahrhundert ihrer Verwendung keine Lastschaltung. Zum Schalten der Gänge musste eine beispielsweise als Reibkupplung ausgebildete Trennkupplung zwischen Motor und Getriebe geöffnet werden, der zunächst eingelegte, alte Gang wurde ausgelegt, die Motordrehzahl wurde an den entsprechend einzulegenden, neuen Gang möglichst angepasst, woraufhin der neue Gang eingelegt werden konnte und die Trennkupplung wieder geschlossen wurde, um den Kraftschluss im Triebstrang wiederherzustellen. Daher galten Klauenkupplungen als wenig komfortabel und nach Entwicklung von Alternativen schlechthin als rudimentär. Nach und nach wurden Klauenkupplungen anfänglich zunächst in Oberklassefahrzeugen, danach auch aus fast allen anderen Fahrzeugklassen durch Schalteinrichtungen ersetzt, die, insbesondere zumindest zeitweise, kraftschlüssig und daher sanfter als formschlüssige Klauenkupplungen arbeiteten. Entweder wurde einer leicht überarbeiteten Klauenkupplung eine beispielsweise kraftschlüssige Drehzahlsynchronisation insbesondere mittels zusätzlicher Reibflächen hinzugefügt, was auch als Synchronisierung bezeichnet wird, oder mittels einer kraftschlüssigen Reibkupplung wurde überhaupt nicht nur das Schalten von Gängen, sondern auch das Halten des jeweils eingelegten Ganges gewährleistet. Dies kann beispielsweise der Fall bei sogenannten Planetenautomaten, das heißt bei Planetenradsätze aufweisenden Automatikgetrieben der Fall sein, deren Wirkungsgrad bis heute darunter leidet, dass die Gangstufen unter Energieaufwendung gehalten werden müssen. Dennoch behielten Klauenkupplungen bis heute zwei Vorteile. Ein erster der Vorteile ist ein unerreicht guter Wirkungsgrad, insbesondere gegenüber Reibkupplungen, sowie das Potential einer besonders schnellen Schaltung. Der zweite Vorteil ist eine technische Einfachheit, aus der sich auch Kostenvorteile ergeben können. Demgegenüber besteht jedoch nach wie vor der gravierende Nachteil, dass seine ohne erheblichen Mehraufwand unkontrollierbare Stochastik beim Einschalten einer Klauenkupplung, das heißt bei der Klauenschaltung, existiert. Diese Stochastik ergibt sich aus der Zufälligkeit des Verhältnisses der beiden üblicherweise voneinander unabhängigen Bewegungen der Schaltelemente beziehungsweise der Klauen relativ zueinander. Eine erste der Relativbewegungen ist die relative Drehzahl, mit welcher sich die Schaltelemente um die Drehachse relativ zueinander drehen. Die zweite Relativbewegung ist ein axialer Hub, um den sich beispielsweise das zweite Schaltelement relativ zu dem ersten Schaltelement verschiebt, um das zweite Schaltelement aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung zu verschieben. Die Stochastik kann durch eine Kopf-auf-Kopf-Stellung zu einer Schaltverzögerung oder zu einer Kantenbeschädigung bei Belastung mit nur geringer Klauenüberdeckung sowie zu unerwünschten Geräuschen wie beispielsweise Ratschen etc. führen.
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Es ist bekannt, dass bei Rennfahrzeugen der Formel 1 Klauenkupplungen in Schaltgetrieben genutzt werden, aufgrund der oben genannten Vorteile von Klauenkupplungen insbesondere gegenüber Reibkupplungen. Dabei wurde ein System konstruiert, entwickelt und erstmalig eingesetzt, wobei das System Klauenkupplungen ohne Lastunterbrechung und unter sicherer Vermeidung der sonst unumgänglichen Stochastik bei der Zuschaltung von Klauenkupplungen schalten kann. Diese in der Formel 1 zum Einsatz kommende Technik umfasst eine höchstfrequente, elektronische Positionsüberwachung, insbesondere zumindest eines der Schaltelemente, wobei die Positionsüberwachung den Schaltbefehl insbesondere im Bereich von Millisekunden solange verzögert, bis die zu schaltende Klauenkupplung mit Sicherheit eine Lücke treffen wird, das heißt bis das zweite Schaltelement sicher aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung verschoben werden kann. Eine Übertragung dieser in der Formel 1 zum Einsatz kommenden Technik auf herkömmliche Serienfahrzeuge wie beispielsweise Serienpersonenkraftwagen scheiterte bislang an heftigen Laststößen bei Gangschaltungen, wobei diese Laststöße im Motorsport als willkommener, weil effizienzsteigender Zusatzantrieb aus der Drehträgheit von Motor und Antriebsstrang beim Hochschalten und als wirksame Hilfe gegen blockierende Hinterräder beim Runterschalten verbucht werden, an der erheblichen Rechenleistung und Rechengeschwindigkeit, die zur Auflösung des stochastischen Charakters der Klauenschaltungen eingesetzt werden muss, dann zum Teil auch an unerlässlichem Umschlagspiel, welches eine solche Schaltung zum lastunterbrechungsfreien Schalten nutzt und an dem lauten Geräusch beim Zuschalten der Klauen.
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Dennoch wird zunehmend auch im Serienfahrzeugbau, insbesondere im Bau von Personenkraftwagen-Triebsträngen, mit Klauenkupplungen geplant beziehungsweise deren Einsatz in Betracht gezogen. Neben Kostenvorteilen von Klauenkupplungen gegenüber Reibkupplungen wird insbesondere bei diversen elektrohybriden Antrieben argumentiert, dass aufgrund der besseren Drehzahlsteuerbarkeit von elektrischen Maschinen (gegenüber Verbrennungsmotoren) die stochastischen Unzulänglichkeiten beim Einlegen beziehungsweise Schalten der Klauenkupplungen gegebenenfalls reduziert oder besser überwunden werden könnten, indem zuverlässiger zumindest nahezu eine Synchrondrehzahl der zu schaltenden Klauen beziehungsweise Schaltelemente erreicht werden kann. Es wird dabei mit sogenannten höheren Einschaltwahrscheinlichkeiten argumentiert. In Kauf genommen werden dabei zum Teil erhebliche Schaltzeiten bei gegebenenfalls auftretender Kopf-auf-Kopf-Stellung der Klauen beziehungsweise Schaltelemente oder eine potentielle Beschädigung von Klauenkanten bei der Belastung der Klauen mit geringer gegenseitiger Überdeckung aufgrund der nach wie vor unausweichlich verbleibenden Anteile stochastischer Ungewissheit. Eine tatsächlich gegebene Betriebssicherheit kann nur nach dem vollständigen Eliminieren des stochastischen Charakters des Einschaltvorgangs erreicht werden, wobei hier die Erfindung einen Beitrag leisten kann.
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Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass beim Zuschalten formschlüssiger Klauenkupplungen eine gewisse Stochastik herrscht: Einige Schaltungen gelingen auf Anhieb, andere verursachen eine sogenannte Kopf-auf-Kopf-Stellung der Klauen, die das Einschalten beziehungsweise die Klauenschaltung verhindert, andere Schaltungen mit nur geringfügiger Überdeckung der Klauen können deren Kanten beschädigen, was zu einem hohen Verschleiß und langfristig zu einem unerwünscht frühen Versagen der Klauenkupplung führen kann. Erfindungsgemäß kann die Stochastik beim Einschalten der Klauenkupplung dadurch aufgelöst werden, dass vor dem effektiven Zuschalten der Klauen, das heißt vor der eigentlichen Klauenschaltung, zwischen den beispielsweise als Klauenringen ausgebildeten Schaltelementen mittels des beispielsweise als Fanghaken ausgebildeten Fangelements eine gelenkige Verbindung beziehungsweise Kopplung hergestellt wird, die die zu schaltende Klaue, mithin das zu schaltende und somit aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung zu verschiebende zweite Schaltelement mit einer besonders hohen Sicherheit zwangsweise, das heißt durch die zuvor genannte Zwangssteuerung und somit desmodromisch in eine Lücke, insbesondere des ersten Schaltelements beziehungsweise einer Verzahnung des ersten Schaltelements, steuert, führt beziehungsweise bewegt. Hierdurch wird der stochastische Charakter der Klauenschaltung beseitigt, und es kann eine 100 prozentige Einschaltsicherheit der Klauenkupplung realisiert werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, Klauenschaltungen besonders betriebssicher einzusetzen beziehungsweise durchzuführen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Klauenkupplung;
- 2 ausschnittsweise eine schematische und abgewinkelte Draufsicht der Klauenkupplung; und
- 3 ausschnittsweise eine weitere schematische und abgewickelte Draufsicht der Klauenkupplung.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Längsschnittansicht eine Klauenkupplung 10 für ein Getriebe, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das Getriebe in seinem vollständig hergestellten Zustand die Klauenkupplung 10 aufweist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise über das Getriebe vor einem beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antriebsmotor antreibbar. Die Klauenkupplung 10 umfasst ein erstes Schaltelement 12, welches vorliegend an einem als Losrad 14 ausgebildeten Zahnrad angeordnet ist. Das Losrad 14 weist eine Verzahnung 16 auf und ist beispielsweise als ein Stirnrad ausgebildet. Insbesondere ist das Losrad 14 ein Gangrad eines schaltbaren, das heißt einlegbaren und auslegbaren Gangs des Getriebes. Das Losrad 14 ist auf einer Welle 18 des Getriebes angeordnet und grundsätzlich beziehungsweise dann, wenn das Losrad 14 auf der Welle 18 angeordnet, jedoch nicht mit der Welle 18 drehfest verbunden ist, um eine Drehachse 20 relativ zu der Welle 18 drehbar. Dabei ist das Losrad 14 mittels wenigstens eines Wälzlagers 22 drehbar auf der Welle 18 gelagert. Vorliegend ist das Wälzlager 22 beispielsweise ein Nadellager. Beispielsweise ist das Schaltelement 12 ein erster Klauenring. Es ist erkennbar, dass die Welle 18 ein um die Drehachse 20 relativ zu dem Gehäuse drehbares Bauelement des Getriebes ist. Dabei ist das Losrad 14 dann, wenn es nicht drehfest mit der Welle 18 verbunden ist, um die Drehachse 20 relativ zu dem Gehäuse und relativ zur Welle 18 drehbar. Die Klauenkupplung 10 wird genutzt, um das Losrad 14 bedarfsgerecht drehfest mit der Welle 18 zu verbinden. Ist das Losrad 14 drehfest mit der Welle 18 verbunden, so kann sich das Losrad 14 mit der Welle 18 um die Drehachse 20 relativ zu dem Gehäuse drehen, wobei Relativdrehungen zwischen dem Losrad 14 und der Welle 18 unterbleiben.
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Die Klauenkupplung 10 umfasst ferner ein zweites Schaltelement 24, welches beispielsweise als zweiter Klauenring ausgebildet ist. Das Schaltelement 24 ist auf der Welle 18 angeordnet und, insbesondere über jeweilige Verzahnungen 26 des Schaltelements 24 und der Welle 18, drehfest mit der Welle 18 verbunden, wobei jedoch das drehfest mit der Welle 18 verbundene Schaltelement 24 entlang der Drehachse 20 relativ zu der Welle 18, relativ zu dem Gehäuse und relativ zu dem Schaltelement 12 verschiebbar ist, insbesondere während entlang der Drehachse 20 relativ zu dem Gehäuse und relativ zu der Welle 18 erfolgende Verschiebungen des Schaltelements 12 unterbleiben.
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Das Schaltelement 24 ist entlang der Drehachse 20 relativ zu der Welle 18, relativ zu dem Schaltelement 12 und relativ zu dem Losrad 14 sowie relativ zu dem Gehäuse zwischen wenigstens einer Koppelstellung und wenigstens einer Entkoppelstellung verschiebbar. In der Koppelstellung sind die Schaltelemente 12 und 24 formschlüssig drehfest miteinander verbunden, wodurch das Losrad 14 über die Schaltelemente 12 und 24 formschlüssig mit der Welle 18 drehfest verbunden ist. In der Entkoppelstellung sind die Schaltelemente 12 und 24 voneinander entkoppelt, wodurch in der Entkoppelstellung die Schaltelemente 12 und 24 um die Drehachse 20 relativ zueinander drehbar sind. Somit gibt die Klauenkupplung 10 in der Entkoppelstellung das Losrad 14 für um die Drehachse 20 relativ zu der Welle 18 und relativ zu dem Schaltelement 24 erfolgende Drehungen frei. Mit anderen Worten kann sich das Losrad 14 in der Entkoppelstellung um die Drehachse 20 relativ zu der Welle 18 und auch relativ zu dem Schaltelement 24 drehen. Das Schaltelement 12 ist drehfest mit dem Losrad 14 verbunden. Außerdem ist das Schaltelement 12 in axialer Richtung der Welle 18 und somit in axialer Richtung der Schaltelemente 12 und 24 an dem Losrad 14 festgelegt. Somit ist das Schaltelement 12 mit dem Losrad 14 mitdrehbar, und das Schaltelement 24 ist mit der Welle 18 mitdrehbar.
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Um nun eine besonders hohe Betriebs- beziehungsweise Einschaltsicherheit der Klauenkupplung 10 realisieren zu können, ist an dem Schaltelement 12 ein erstes Fangelement 28 vorgesehen, welches vorliegend als ein erster Stift ausgebildet ist. Der erste Stift wird auch als erstes Stiftelement oder erster Pin bezeichnet. Des Weiteren ist - wie in Zusammenschau mit 2 erkennbar ist - an dem zweiten Schaltelement 24 ein zweites Fangelement 30 verschwenkbar gehalten, wobei das Fangelement 30 auch als Haken oder Fanghaken bezeichnet wird beziehungsweise als Fanghaken ausgebildet ist. Der Fanghaken (zweites Fangelement 30) ist bei einer um die Drehachse 20 erfolgenden und in 2 durch Pfeile 32 erfolgenden Relativdrehung zwischen den Schaltelementen 12 und 24 und somit zwischen dem Losrad 14 und der Welle 18 aus einer in 2 gezeigten und dort mit R bezeichneten Ruhestellung in eine Fangstellung F um eine Schwenkachse S relativ zu den Schaltelementen 12 und 24, relativ zu der Welle 18 und relativ zu dem Losrad 14 verschwenkbar und dadurch in formschlüssiges Zusammenwirken mit dem ersten Fangelement 28 bewegbar, infolgedessen, insbesondere bei einer weiteren, auf das formschlüssige Zusammenwirken der Fangelemente 28 und 30 miteinander folgenden, Relativdrehung zwischen den Schaltelementen 12 und 24, das zweite Schaltelement 24 entlang der Drehachse 20 aus der Entkoppelstellung, welche in 1 gezeigt ist, in die Koppelstellung verschiebbar ist. Die Schwenkachse S verläuft dabei senkrecht zur Drehachse 20. In 2 ist ein Schalthub mit H bezeichnet, wobei der Schalthub H einfach auch als Hub bezeichnet wird. Um die Klauenkupplung 10 tatsächlich einzuschalten, das heißt um die Schaltelemente 12 und 24 formschlüssig miteinander zu verbinden, wird das Schaltelement 24 entlang der Drehachse 20 relativ zu der Welle 18, relativ zu dem Losrad 14 und relativ zu dem Schaltelement 12 in Richtung des Schaltelements 12 um den Schalthub H verschoben, wobei der Schalthub H durch die Relativdrehung zwischen den Schaltelementen 12 und 24 und dadurch bewirkt wird, dass der Fanghaken in formschlüssiges Zusammenwirken mit dem Fangelement 28 bewegt, mithin aus der Ruhestellung R in die Fangstellung F verschwenkt wird.
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Das Schaltelement 12 weist mehrere, erste Klauen auf, von denen in 1 eine mit 34 bezeichnete Klaue erkennbar ist. Vorzugsweise sind die ersten Klauen in um die Drehachse 20 verlaufender Umfangsrichtung des Schaltelements 12 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet. Außerdem weist das Schaltelement 24 zweite Klauen auf, von denen eine in 1 mit 36 bezeichnete Klaue erkennbar ist. Vorzugsweise sind die zweiten Klauen in um die Drehachse 20 verlaufender Umfangsrichtung des Schaltelements 24 gleichmäßig verteilt angeordnet. In der Koppelstellung wirken die ersten Klauen formschlüssig mit den zweiten Klauen zusammen, wodurch in der Koppelstellung die Schaltelemente 12 und 24 mittels der Klauen 34 und 36 formschlüssig drehfest miteinander verbunden sind. Dies erfolgt insbesondere derart, dass die ersten Klauen in in Umfangsrichtung zwischen den zweiten Klauen angeordnete Lücken des Schaltelements 24 eingreifen, und die zweiten Klauen greifen in in Umfangsrichtung zwischen den ersten Klauen angeordnete Lücken des Schaltelements 12 ein. Am Beispiel der Klaue 34 ist erkennbar, dass zumindest die Klaue 34, vorzugsweise wenigstens zwei der stirnseitig angeordneten ersten Klauen, eine beispielsweise als Bohrung ausgebildete und/oder als Durchgangsöffnung ausgebildete Aufnahme 38 aufweist beziehungsweise aufweisen. Das als zylindrischer Stift beziehungsweise zylindrischer Pin ausgebildete Fangelement 28 ist teilweise in der Aufnahme 38 angeordnet und ragt teilweise aus der Aufnahme 38 heraus. Beispielsweise ist das Fangelement 28 in die Aufnahme 38 eingepresst. Bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel steht das Fangelement 28 in radialer Richtung der Welle 18 und somit in radialer Richtung des jeweiligen Schaltelements 12 beziehungsweise 24 und somit entlang einer senkrecht zur Drehachse 20 verlaufenden Richtung von der Klaue 34 ab, insbesondere in radialer Richtung nach innen hin. Mit anderen Worten ist es vorliegend vorgesehen, dass das Fangelement 28, dessen Längserstreckungsrichtung in radialer Richtung verläuft, in radialer Richtung, vorzugsweise nach innen hin, aus der Aufnahme 38 herausragt und somit in radialer Richtung, vorzugsweise nach innen hin, von der Klaue 34 absteht. Alternativ ist es denkbar, dass das Fangelement 28 in radialer Richtung nach außen hin aus der Aufnahme 38 herausragt beziehungsweise von der Klaue 34 absteht.
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Insbesondere zeigt 1 das klauengeschaltete, nadelgelagerte Losrad 14 in einer Schnittebene, welche durch die Mitte der beispielsweise als radiale Bohrung ausgebildeten Aufnahme 38 beziehungsweise der Klaue 34 hindurch verläuft. Das als zylindrischer Pin ausgebildete Fangelement 28 ist dabei in die Aufnahme 38 eingepresst und ragt vorzugsweise zur Drehachse 20 der Welle 18 hin aus der Aufnahme 38 und somit aus der Klaue 34 heraus. Zumindest an der Klaue 36, insbesondere an mindestens zwei diametral entgegengesetzten beziehungsweise gegenüberliegenden zweiten Klauen 36, ist ein Lagerelement 40 angeordnet, welches vorliegend als ein auch als Pin bezeichneter Stift ausgebildet ist und als Führungsstift fungiert. Somit ist das im Grunde konventionell gestaltete Schaltelement 24 drehfest, aber axial verschiebbar auf der beispielsweise als Getriebewelle ausgebildeten Welle 18 angeordnet und geführt und beispielsweise als Klauenring ausgebildet, wobei zumindest an der stirnseitigen, zweiten Klaue 36 das Lagerelement 40 angeordnet ist. Hierzu weist die Klaue 36 eine beispielsweise als Bohrung ausgebildete Aufnahme 42 auf. Die Aufnahme 38 und/oder die Aufnahme 42 sind vorzugsweise als Durchgangsöffnung und/oder als radiale Bohrung ausgebildet. Mit anderen Worten verläuft die Längserstreckungsrichtung der Aufnahme 38 beziehungsweise 42 in radialer Richtung. Ein erster Längenbereich des Lagerelements 40 ist in der Aufnahme 42 und somit in der Klaue 36 angeordnet, und ein sich an den ersten Längenbereich anschließender zweiter Längenbereich des Lagerelements 40 ist außerhalb der Aufnahme 42 und somit außerhalb der Aufnahme 38 angeordnet. Dabei weist das Lagerelement 40 eine Längserstreckungsrichtung auf, welche vorliegend zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung der Welle 18 und somit der Schaltelemente 12 und 24, das heißt senkrecht zur Drehachse 20, verläuft. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ragt das Lagerelement 40 in radialer Richtung und somit entlang der zuvor genannten, senkrecht zur Drehachse 20 verlaufenden Richtung aus der Aufnahme 42 und somit aus der Klaue 36 heraus, sodass das Lagerelement 40 entlang der Richtung beziehungsweise in radialer Richtung von der Klaue 36 absteht. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ragt das Lagerelement 40 in radialer Richtung nach innen, das heißt zur Drehachse 20 hin, aus der Aufnahme 42 heraus, sodass das Lagerelement 40 in radialer Richtung nach innen und somit um die Drehachse 20 hin von der Klaue 36 absteht. Alternativ dazu ist es denkbar, dass das Lagerelement 40 in radialer Richtung nach außen hin und somit von der Drehachse 20 wegweisend aus der Aufnahme 42 herausragt beziehungsweise von der Klaue 36 absteht.
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In dem zweiten Längenbereich weist das Lagerelement 40 eine wie auch immer gestaltete, beispielsweise radiale Nut 44 auf, welche beispielsweise als Ringnut ausgebildet ist. Der Fanghaken (Fangelement 30) ist nun um die Schwenkachse S relativ zu dem Lagerelement 40 und relativ zu den Schaltelementen 12 und 24 derart verschwenkbar an dem Lagerelement 40 gelagert, dass das Fangelement 30 (Fanghaken) in die Nut 44 eingreift. Außerdem steht der Fanghaken entlang einer parallel zu der Drehachse 20 verlaufenden Richtung beziehungsweise entlang der Drehachse 20 und somit in axialer Richtung der Welle 18 und somit der Schaltelemente 12 und 24 von dem Lagerelement 40 ab. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass der Fanghaken eine Längserstreckungsrichtung aufweist, welche zumindest im Wesentlichen parallel zu der Drehachse 20 beziehungsweise in einer Ebene verläuft, welche parallel zu der Drehachse 20 verläuft. Es ist erkennbar, dass das Schaltelement 24 beispielsweise als ein insbesondere minimalistischer Klauenring, insbesondere mit hier nicht näher spezifizierter, beliebiger Betätigung, ausgebildet ist, wobei das Schaltelement 24 auf der Welle 18 angeordnet und drehfest mit der Welle 18 verbunden, jedoch relativ zu der Welle 18 und relativ zu dem Losrad 14 und relativ zu dem Schaltelement 12 in axialer Richtung der Welle 18 verschiebbar ist. Die Verzahnungen 26 sind beispielsweise Mitnahmeverzahnungen, mittels welchen das Schaltelement 24 drehfest mit der Welle 18 verbunden ist, wobei jedoch die Mitnahmeverzahnungen eine entlang der Drehachse 20 relativ zu der Welle 18 erfolgende Verschiebung des Schaltelements 24 zulassen. Vorzugsweise ist das Lagerelement 40 ein insbesondere radialer Führungsstift, der in die beispielsweise als Bohrung ausgebildete Aufnahme 42 eingepresst sein kann. Dadurch, dass der Fanghaken um die Schwenkachse S relativ zu dem Lagerelement 40 und relativ zu den Schaltelementen 12 und 24 verschwenkbar und somit drehbar ist, ist der Fanghaken gelenkig an dem Schaltelement 24, insbesondere an der Klaue 36, gehalten beziehungsweise gelagert.
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2 zeigt insbesondere schematisch eine ebene Projektion einer Abwicklung einer Mantelfläche eines Zylinders direkt unterhalb eines jeweiligen Innendurchmessers der Klauen 34 und 36.
Die Entkoppelstellung wird beispielsweise auch als Neutralstellung der Klauenkupplung 10 bezeichnet, wobei sich beispielsweise der Fanghaken zunächst in der Ruhestellung R befindet. In der Ruhestellung R ist der Fanghaken beispielsweise zumindest annähernd in Umfangsrichtung ausgerichtet. Gegebenenfalls kann es sich als sinnvoll erweisen, diese Position beziehungsweise die Ruhestellung R federnd zu arretieren. Eine beliebige Betätigungsvorrichtung vermag den Fanghaken aus der Ruhestellung R auszulenken, mithin um den Führungsstift um die Schwenkachse S zu verschwenken, sodass der Fanghaken in Richtung des Fangelements 28 verschwenkt wird. Vorzugsweise erfolgt die Auslenkung und somit der Schaltbefehl zu einem Zeitpunkt vor der beabsichtigen Schaltung der Klauenkupplung 10, wobei zu dem genannten Zeitpunkt noch eine als angemessen angesehene Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementen 12 und 24 und somit zwischen dem Losrad 14 und der Welle 18 besteht. Diese Differenzdrehzahl ist in 2 durch die Pfeile 32 veranschaulicht, wobei die Pfeile 32 einen Drehbeziehungsweise Richtungssinn veranschaulichen, entlang welchem die Differenzdrehzahl, mithin die Relativdrehung zwischen den Schaltelementen 12 und 24, erfolgt. Durch Verschwenken des Fanghakens aus der Ruhestellung R in die Fangstellung F kommt es zu einem Einhaken des Fanghakens in beziehungsweise um das Fangelement 28, wie es in 2 in der Mitte und oben dargestellt ist. In einer bevorzugten Ausführung weisen wenigstens zwei diametral entgegengesetzte Klauen 34 des Schaltelements 12 jeweilige Fangelemente 28 auf, und entsprechend sind an wenigstens diametral entgegengesetzten Klauen 36 des Schaltelements 24 jeweilige Fanghaken verschwenkbar gelagert. Hierdurch besteht eine besonders hohe Wahrscheinlichkeit, dass zumindest einer der Fanghaken in zumindest eines der Fangelemente 28 eingreift. Sollte dies nicht auf Anhieb der Fall sein, da diesbezüglich eine ähnliche Stochastik wie auch bei einer üblichen Klauenschaltung besteht, sollte der Fanghaken von dem Fangelement 28 bei noch nicht ausreichender Überlappung zwischen dem Fanghaken, insbesondere dessen auch als Hakenkuhle bezeichneten Einbuchtung 46, und dem Fangelement 28 abgewiesen werden, ist bei sachgemäßer Gestaltung der Eigenfrequenz des Fanghakens (durch an die Drehträgheit des Fanghakens angepasste Federrate der Betätigungskraft) mit sehr hoher, insbesondere absoluter, Sicherheit davon auszugehen, dass nach einer weiteren, halben Relativdrehung zwischen den Schaltelementen 12 und 24, insbesondere bei der zuvor erwähnten, als angemessen angesehenen Differenzdrehzahl, es zum gewünschten Einhaken des Fanghakens in das korrespondierende Fangelement 28 kommt. Bei entsprechender Ausführung, aber insbesondere auch aufgrund der geringen Masse des Fanghakens und daher auch geringem Impaktpuls ist davon auszugehen, dass im Abweisungsfall keine Schädigung, weder am Fangelement 28 noch an dem Fanghaken oder dessen Lagerung, zu erwarten ist. Nach erfolgtem Einhakten sind die Schaltelemente 12 und 24 über den beziehungsweise die Fanghaken kinematisch miteinander gekoppelt, wodurch das Schaltelement 24 mit dem Losrad 14 beziehungsweise über die Welle 18 mit dem Losrad 14 kinematisch gekoppelt ist. Aufgrund der immer noch bestehenden Differenzdrehzahl beziehungsweise Relativdrehung zwischen den Schaltelementen 12 und 24 wird während einer nur zwangsweise erfolgenden Schwenkbewegung des Fanghakens um das Lagerelement 40 das Schaltelement 24 entlang der Drehachse 20 zu dem Losrad 14 beziehungsweise zu dem Schaltelement 12 hingezogen, insbesondere entlang einer in 2 strichpunktiert dargestellten, kreisbogenförmigen Bewegungsbahn B. Dabei kommt es zum zwangsweisen, sicheren Klaueneingriff, mithin zum sicheren formschlüssigen Zusammenwirken der Klauen 34 und 36, insbesondere, sofern die Länge des Fanghakens und die Abstände zwischen den beispielsweise unterschiedlich hohen Klauen 34 und 36 aufeinander entsprechend abgestimmt sind. In diesem Zustand ist das Losrad 14 mittels der Klauenkupplung 10 formschlüssig drehfest mit der Welle 18 verbunden, gegebenenfalls mit einem noch als angemessen erachteten Umschaltspiel. Vorzugsweise ist das Schaltelement 24 in der geschalteten Position, mithin in der Koppelstellung, federbelastet auf der Welle 18 oder andersartig arretiert, alternativ oder zusätzlich gegebenenfalls auch durch einen Hinterschnitt der Klauen 34 und 36. Bei geschaltetem Schaltelement 24, mithin in der Koppelstellung, kehrt der Fanghaken zwangsweise in seine auch als Ausgangsstellung bezeichnete Ruhestellung R insbesondere relativ zum Schaltelement 24 zurück, wobei - wie zuvor bereits erwähnt - die Ruhestellung R vorzugsweise federarretiert ist.
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Die Fangelemente 28 und 30 und insbesondere deren Kopplung in der Fangstellung F bilden eine desmodromische Zwangskopplung der Schaltelemente 12 und 24. Insbesondere kann über die Fangelemente 28 und 30 eine Zwangssteuerung, das heißt eine desmodromische Zwangskopplung, zwischen den üblicherweise unabhängigen Bewegungen der zu schaltenden Schaltelemente 12 und 24 realisiert werden. Bei den ansonsten unabhängigen und nun über die Fangelemente 28 und 30 koppelbaren Bewegungen der Schaltelemente 12 und 24 relativ zueinander handelt es sich um einen um die bestehende Differenzdrehzahl beziehungsweise um eine auf die bestehende Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementen 12 und 24 zurückzuführende relative Umfangsbewegung der Klauen 34 und 36 beziehungsweise der Schaltelemente 12 und 24 zueinander, und um eine axiale Annäherung der Schaltelemente 12 und 24 und somit der Klauen 34 und 36 zueinander beim Einschalten der Klauenkupplung 10, mithin um das entlang der Drehachse 20 relativ zu dem Schaltelement 12 erfolgende Verschieben des Schaltelements 24 aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung. Sofern diese Zwangskopplung gegeben bleibt, können eine Reihe unterschiedlicher konstruktiver Gestaltungen des geschilderten Prinzips erfolgen. Neben der hier beispielsweise dargestellten Ausführung gibt es eine Reihe weiterer Alternativen, die aber alle gemäß dem aufgezeigten Grundprinzip das sichere Zuschalten der Klauenkupplung 10 gewährleisten.
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Um Schaltungen bei beliebiger Orientierung der Differenzdrehzahl der zu schaltenden Komponenten zu ermöglichen, sind beispielsweise am Schaltelement 24 wenigstens oder genau vier Fanghaken in beide Richtungen vorzusehen, insbesondere alternierend je zwei diametral entgegengesetzte. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Fanghaken in Umfangsrichtung des Schaltelements 24 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Beispielsweise können wenigstens oder zwei der Fanghaken in eine parallel zur Drehachse 20 verlaufende erste Richtung von den jeweiligen Lagerelementen beziehungsweise von den jeweiligen Klauen 36 abstehen, während beispielsweise zwei weitere Fanghaken in eine parallel zur Drehachse 20 verlaufende und der ersten Richtung entgegengesetzte, zweite Richtung von den jeweiligen Lagerelementen 40 beziehungsweise von der Klaue 36 abstehen. Hierdurch kann beispielsweise das Schaltelement 24 hin- und hergeschaltet, das heißt aus der Entkoppelstellung in die Koppelstellung und wieder aus der Koppelstellung in die Entkoppelstellung verschoben werden. Die Betätigung der Fanghaken, das heißt deren Auslenkung aus der Ruhestellung R zur Einleitung einer Schaltung, muss nicht notwendigerweise dem Richtungssinn der Relativdrehzahl zwischen Losrad 14 und Schaltelement 24 Rechnung tragen, da die entgegengesetzt zur Drehrichtung ausgerichteten Fanghaken einfach abgewiesen werden, ohne das Eingreifen der richtig orientierten Fanghaken zu beeinflussen.
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In 3 ist die Entkoppelstellung des Schaltelements 24 mit E bezeichnet, und die Koppelstellung des Schaltelements 24 ist mit K bezeichnet. Vorzugsweise ist die jeweilige Geometrie der Klauen 34 beziehungsweise 36 der Kinematik des Einschaltvorgangs, mithin der Klauenschaltung entsprechend anzupassen, wie es beispielsweise in 3 schematisch veranschaulicht ist, insbesondere in einer ebenen Abwicklung einer Mantelfläche eines beliebigen Zylinders innerhalb der radialen Klauenhöhe. Dadurch ist gewährleistet, dass während des Einschaltvorgangs die Klauen 34 und 36 kontaktlos aneinander vorbeischwenken, bis zum erstmaligen Kontakt im geschalteten Zustand. Auch dargestellt ist in 3 die mit B bezeichnete und auch einfach als Bahn oder Bahnkurve bezeichnete Bewegungsbahn, die eine mittels der Fanghaken erzwungene Bahn ist, entlang welcher sich beispielsweise die Schwenkachse S bewegt, wenn das Schaltelement 24 aus der Entkoppelstellung E in die Koppelstellung K verschoben wird. Bei entsprechender gegenseitiger Gestaltung der Fanghaken, der Klauenform und deren relativer Position zueinander kann die Bahn die Klauen 34 und 36 kontaktlos bis in den geschalteten Zustand aneinander vorbeiführen. Bei der Auslegung der Form und der Höhe der Klauen 34 und 36 ist die Bewegungsbahn B, entlang derer die Klauen mittels der Fanghaken zugeschaltet werden, ebenso zu berücksichtigen wie eine ausreichende axiale Überdeckung der geschalteten Klauen. Dafür können Klauenkantenradien oder Klauenkantenphasen benötigt werden.
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Als weitere Besonderheit dieser Art der Schaltungsbetätigung kann hervorgehoben werden, dass die zum effektiven Schalthub des Schaltelements 24 aufzuwendende Leistung über den Triebstrang unmittelbar von dem auch als Traktionsmotor bezeichneten Antriebsmotor geleistet wird, und nicht von einem wie auch immer gearteten Betätigungsmechanismus, welcher nur die geringe Leistung zum ursprünglichen Auslenken der Fanghaken aus deren Ruhestellung erbringen muss.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Klauenkupplung
- 12
- Schaltelement
- 14
- Losrad
- 16
- Verzahnung
- 18
- Welle
- 20
- Drehachse
- 22
- Wälzlager
- 24
- Schaltelement
- 26
- Verzahnungen
- 28
- Fangelement
- 30
- Fangelement
- 32
- Pfeil
- 34
- Klaue
- 36
- Klaue
- 38
- Aufnahme
- 40
- Lagerelement
- 42
- Aufnahme
- 44
- Nut
- 46
- Einbuchtung
- B
- Bewegungsbahn
- E
- Entkoppelstellung
- F
- Fangstellung
- H
- Schalthub
- K
- Koppelstellung
- R
- Ruhestellung
- S
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012021458 A1 [0002]
- DE 102013010559 A1 [0003]
- DE 102015015200 A1 [0003]
