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Die Erfindung betrifft eine Booster-Kupplung mit einer Rotationsachse für einen Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine Vorsteuer-Kupplung mit einem Reibpaket, wobei das Reibpaket eine Vorsteuer-Eingangsseite und eine Vorsteuer-Ausgangsseite umfasst;
- - eine mit der Vorsteuer-Eingangsseite drehmomentfest verbundene Booster-Ausgangsseite;
- - eine mit einer Eingangswelle drehmomentfest verbindbare Booster-Eingangsseite;
- - zumindest ein Wippenelement;
- - zumindest eine Rolle; und
- - zumindest ein erstes Energiespeicherelement.
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Die Booster-Kupplung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Trommel umfasst ist, und bei Anliegen eines vorbestimmten Drehmoments über der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite infolge eines Verrollens der zumindest einen Rolle auf der Rampenpaarung das zumindest eine Wippenelement radial gegen die Trommel gepresst ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang.
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Aus dem Stand der Technik sind selbstverstärkende Kupplungen (sogenannte Booster-Kupplungen) bekannt, mittels welcher die Drehmomentübertragung zwischen beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe übertragbar ist. Eine solche Booster-Kupplung ermöglicht bei einem (zu) geringen Anpressdruck beziehungsweise Steuerdruck ein großes Drehmoment zu übertragen. Hierzu wird ein Teil des zu übertragenden Drehmoments in eine Anpresskraft umgewandelt. Solche Booster-Kupplungen weisen beispielsweise Blattfedersysteme oder Kugelrampensysteme auf, wobei mittels einer Vorsteuer-Kupplung ein Drehmoment aufgebaut und daraufhin (zumindest ein Teil) dieses Drehmoments in eine axiale Anpresskraft umgewandelt ist. Bei einem Kugelrampensystem werden dabei zwei Rampenscheiben infolge des anliegenden Drehmoments gegeneinander verdreht und damit ein axialer Weg und somit eine Axialkraft erzeugt, welche als verstärkende Anpresskraft genutzt wird. Bei einem Blattfedersystem stellen sich die Blattfedern unter dem anliegenden Drehmoment auf mit der gleichen Folge wie bei dem Kugelrampensystem.
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Die bekannten Bauformen weisen einen hohen axialen Bauraumbedarf auf. Es ist aber erwünscht, dass die (selbstverstärkende) Kupplung bauraumneutral und mit möglichst geringem konstruktiven Eingriff in den Antriebsstrang, beispielsweise zwischen der Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe, beispielsweise in einem Hybrid-Modul, integrierbar ist.
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Insbesondere ist aus der
DE 10 2014 210 976 A1 eine Vorsteuerkupplung bekannt, bei der eine an der Anpressplatte angreifende Betätigungskraft über die Vorsteuerkupplung eine Kraftverstärkung und/oder eine Drehmomentabzweigung aus dem zu übertragenen Drehmoment zum Schließen der Reibungskupplung bewirkt, so dass die Kupplungsscheibe mit einer deutlich erhöhten Anpresskraft verpresst werden kann. Das Drehmoment wird über die Antriebswelle in die Gegenplatte eingeleitet. Die Booster-Eingangsseite ist somit die Gegenplatte. Die Eingangsrampe entspricht der Booster-Ausgangsseite, und die Ausgangsrampe ist das Wippenelement. Die Kugel entspricht der Rolle, und die Rückstellfeder entspricht dem Energiespeicherelement. Die Rückstellfeder ist zwischen der Ausgangsrampe, d.h. dem Wippenelement, und der Gegenplatte bzw. dem Kupplungsdeckel, d.h. der Booster-Eingangsseite, drehmomentübertragend angeordnet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Booster-Kupplung mit einer Rotationsachse für einen Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine Vorsteuer-Kupplung mit einem Reibpaket, wobei das Reibpaket eine Vorsteuer-Eingangsseite und eine Vorsteuer-Ausgangsseite umfasst, wobei in einem verpressten Zustand zwischen der Vorsteuer-Eingangsseite und der Vorsteuer-Ausgangsseite ein Drehmoment reibschlüssig übertragbar ist;
- - eine mit der Vorsteuer-Eingangsseite drehmomentfest verbundene Booster-Ausgangsseite;
- - eine mit einer Eingangswelle drehmomentfest verbindbare Booster-Eingangsseite;
- - zumindest ein Wippenelement, welches im Drehmomentfluss zwischen der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite drehmomentübertragend angeordnet ist;
- - zumindest eine Rolle, welche über eine Rampenpaarung drehmomentübertragend zwischen einem korrespondierenden der Wippenelemente und der Booster-Eingangsseite oder der Booster-Ausgangsseite angeordnet ist;
- - zumindest ein erstes Energiespeicherelement, wobei das zumindest eine erste Energiespeicherelement entweder:
- - drehmomentübertragend zwischen einem korrespondierenden der Wippenelemente und der Booster-Ausgangsseite oder der Booster-Eingangsseite angeordnet ist; oder
- - radial-kraftübertragend zu dem zumindest einen Wippenelement angeordnet ist.
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Die Booster-Kupplung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Trommel umfasst ist, und
bei Anliegen eines vorbestimmten Drehmoments über der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite infolge eines Verrollens der zumindest einen Rolle auf der Rampenpaarung das zumindest eine Wippenelement radial gegen die Trommel gepresst ist.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Die hier vorgeschlagene Booster-Kupplung ist wie prinzipiell vorbekannt zum verstärkbaren Übertragen eines Drehmoments um eine Rotationsachse für den Einsatz in einem Antriebsstrang eingerichtet. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Betätigungskraft zum Erzeugen der Anpresskraft zum reibschlüssigen Übertragen eines vorbestimmten (Gesamt-) Drehmoments unzureichend ist, beispielsweise damit lediglich 20 % [zwanzig Prozent] bis 30 % des vorbestimmten (Gesamt-) Drehmoments übertragbar sind. Diese Betätigungskraft beziehungsweise dieser Steuerdruck wird für die Vorsteuer-Kupplung eingesetzt. Die weitere Anpresskraft wird von dem anliegenden und zu übertragenden (Gesamt-) Drehmoment abgezweigt. Für eine Steuerbarkeit ist die Vorsteuer-Kupplung eine Reibkupplung, welche über die Anpresskraft (beziehungsweise Betätigungskraft) auf eine Schlupfgrenze einregelbar ist. Beispielsweise bei einem Wiederstart einer Verbrennungskraftmaschine (Schubbetrieb) ist die Vorsteuer-Kupplung (und die Trommel, vergleiche unten) an der Schlupfgrenze betrieben. Als die Betätigungskraft ist hier diejenige Kraft bezeichnet, welche von einem Nehmersystem, beispielsweise einem Nehmerkolben bei einem hydraulischen oder pneumatischen System oder einem Ausrückring beziehungsweise Einrückring (gegebenenfalls über eine Membranfeder) auf eine (Vorsteuer-) Anpressplatte übertragen wird. Die Anpresskraft ist diejenige Kraft, welche unmittelbar über den Reibpartnern der Vorsteuer-Kupplung anliegt. Ein Gefälle der Anpresskraft über die Übertragungsstrecke ist hierbei vernachlässigt beziehungsweise ein für das (maximal) übertragbare Drehmoment wirksames Mittel der Anpresskraft betrachtet.
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Die hier vorgeschlagene Booster-Kupplung umfasst entsprechend eine Vorsteuer-Kupplung mit einem Reibpaket. Das Reibpaket umfasst eine Vorsteuer-Eingangsseite und eine Vorsteuer-Ausgangsseite, welche schleifend (oder schlupfend) mit einem über eine axiale Anpresskraft steuerbaren Drehmoment miteinander verpressbar sind und so ein Drehmoment rein reibschlüssig übertragbar ist. Das (aktuell) maximal übertragbare Drehmoment ergibt sich aus dem Produkt von der (aktuell) anliegenden Anpresskraft, dem mittleren Radius der Reibfläche und dem (gegebenenfalls veränderlichen, also aktuellen) Reibkoeffizienten.
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Die Vorsteuer-Kupplung weist in einer Ausführungsform beispielsweise eine Vorsteuer-Anpressplatte, eine Vorsteuer-Gegenplatte und eine (Vorsteuer-) Reibscheibe auf, welche mittels einer axial wirkenden Anpresskraft miteinander verpressbar sind. In einer anderen Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Reibscheiben und eine korrespondierende Anzahl von Zwischenplatten vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist das Reibpaket als Lamellenpaket ausgeführt. In noch einer Ausführungsform ist die Vorsteuer-Kupplung nach Art einer Trommelbremse mit einer Reibtrommel und zumindest einem Anpressklotz und somit radial wirkender Anpresskraft ausgeführt.
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In einer Ausführungsform ist die Vorsteuer-Eingangsseite von der zumindest einen Vorsteuer-Reibscheibe beziehungsweise die Reibtrommel gebildet. Die Vorsteuer-Ausgangsseite ist dann von der Vorsteuer-Gegenplatte und der Vorsteuer-Anpressplatte beziehungsweise von dem zumindest einen Anpressklotz gebildet.
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Die Vorsteuer-Ausgangsseite des Reibpakets ist im Einsatz mit einem Ausgang, beispielsweise einer Getriebeeingangswelle (bevorzugt unmittelbar) drehmomentfest verbunden, beispielsweise mittels einer (Steck-) Verzahnung. Alternativ oder zusätzlich ist die Vorsteuer-Ausgangsseite mit einer Rotorwelle einer elektrischen Antriebsmaschine, beispielsweise in einem Hybrid-Modul, bevorzugt über den mitrotierenden Kupplungsdeckel der Vorsteuer-Kupplung, drehmomentfest verbunden.
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Wie oben bereits erläutert ist zum axialen Betätigen des Reibpakets, also zu Aufbringen einer Anpresskraft auf das Reibpaket, eine Betätigungseinrichtung vorgesehen, wobei mittels der Betätigungskraft das Reibpaket von einer normalen Stellung (bei einer normal-offenen Konfiguration offen) in die betätigte Stellung (bei einer normal-offenen Konfiguration geschlossen) überführbar ist. Bei Ausbleiben einer ausreichenden Betätigungskraft wird, beispielsweise mithilfe eines antagonistischen Energiespeicherelements, beispielsweise zumindest einer Blattfeder, das Reibpaket (passiv) in die normale Stellung zurückgeführt.
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In einer Ausführungsform ist die Booster-Kupplung nass ausgeführt. Bei der nassen Ausführungsform ist eine eingetragene Reibwärme gut abführbar und damit oftmals das Bauvolumen verringerbar. In einer anderen Ausführungsform ist die Booster-Kupplung trocken ausgeführt. Bei der trockenen Ausführungsform ist die Booster-Kupplung außerhalb des Getriebegehäuses anordenbar und kostengünstig im Vergleich zu einer nass ausgeführten Booster-Kupplung fertigbar. Damit ist zudem der Reibkoeffizient (bei ausreichender Kühlung) in einem sehr engen Toleranzfenster und das Reibmoment nahezu kraft-proportional zwischen einem getrennten und einem verpressten Zustand.
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Die Booster-Kupplung weist weiterhin eine Booster-Ausgangsseite auf, welche mit der Vorsteuer-Eingangsseite drehmomentfest verbunden ist. Die Booster-Ausgangsseite ist beispielsweise von zumindest einer Scheibensegment-artigen oder (bevorzugt) Scheiben-artigen Komponente gebildet. In einer Ausführungsform sind die Booster-Ausgangsseite und die Vorsteuer-Eingangsseite separat gebildet und beispielsweise über eine Verzahnung auf einer gemeinsamen Welle, mittels einer Nietverbindung und/oder einer Schraubverbindung drehmomentfest verbunden. In einer Ausführungsform sind die Booster-Ausgangsseite und die Vorsteuer-Eingangsseite axial nebeneinander angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind die Booster-Ausgangsseite und die Vorsteuer-Eingangsseite axial-überlappend angeordnet, bevorzugt einstückig miteinander gebildet.
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Weiterhin ist eine Booster-Eingangsseite vorgesehen, welche im Einsatz mit einer Eingangswelle drehmomentfest verbunden ist, beispielsweise mittels Steckverzahnung, Verpressung und/oder Schraubverbindung. Beispielsweise ist die Eingangswelle eine Verbrennerwelle einer Verbrennungskraftmaschine.
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In einer Ausführungsform bildet die Booster-Eingangsseite in einem Hauptzustand (im Einsatz in einem Kraftfahrzeug beispielsweise einer Zugmomentübertragung) die Drehmoment-Eingangsseite. In einer Ausführungsform bildet die Booster-Ausgangsseite in einem Nebenzustand (im Einsatz in einem Kraftfahrzeug beispielsweise einer Schubmomentübertragung) die Drehmoment-Eingangsseite. Alternativ ist dies umgekehrt.
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Die Booster-Eingangsseite ist von zumindest einer Scheibensegment-artigen oder (bevorzugt) Scheiben-artigen Komponente gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Booster-Eingangsseite zwei Scheiben, wobei zumindest eine der Scheiben mit der Eingangswelle drehmomentfest verbunden ist. Die beiden Scheiben sind dann beispielsweise axial beabstandet, beispielsweise mittels Abstandsbolzen, und drehmomentfest verbunden. Axial zwischen den beiden Scheiben der Booster-Eingangsseite ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Booster-Ausgangsseite angeordnet. Alternativ ist dies umgekehrt.
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Die Booster-Kupplung weist weiterhin zumindest ein Wippenelement, bevorzugt zwei oder drei Wippenelemente, auf, wobei das zumindest eine Wippenelement im Drehmomentfluss zwischen der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite drehmomentübertragend angeordnet ist. Das zumindest eine Wippenelement ist sowohl relativ zu der Booster-Eingangsseite als auch relativ zu der Booster-Ausgangsseite bewegbar.
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Das zumindest eine Wippenelement ist Scheiben-artig oder (bevorzugt) Scheibensegment-artig gebildet und mittels zumindest einer (ersten) Rolle und/oder mittels zumindest eines (ersten) Energiespeicherelements unmittelbar drehmomentübertragend mit der Booster-Eingangsseite (gemäß obigem Beispiel mit einer der Scheiben, bevorzugt mit beiden Scheiben) verbunden. Das zumindest eine Wippenelement ist weiterhin mittels zumindest einer (anderen als der zuvor genannten, zweiten) Rolle und/oder mittels zumindest eines (anderen als dem zuvor genannten, zweiten) Energiespeicherelements unmittelbar drehmomentübertragend mit der Booster-Ausgangsseite verbunden.
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Das Wippenelement ist mittels zumindest eines Energiespeicherelements, beispielsweise einer Bogenfeder, einer Schraubendruckfeder (mit beispielsweise gerader Federachse), einer Blattfeder, einem Gasdruckspeicher oder vergleichbarem, an sich selbst oder einem benachbarten Wippenelement abgestützt. Das Energiespeicherelement ist an einer entsprechenden, bevorzugt einstückigen, Verbindungseinrichtung des zugeordneten Wippenelements kraftübertragend beziehungsweise momentübertragend abgestützt.
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Bei einer Ausführungsform mit eingangsseitig und ausgangsseitig des Wippenelements vorgesehenen Rollen ist das zumindest eine Wippenelement an der Booster-Eingangsseite und an der Booster-Ausgangsseite also jeweils mittels der in Reihe geschalteten Rollen abgestützt, wobei das Wippenelement für jeweils eine der Rollen eine Wippenbahn aufweist und an der Booster-Eingangsseite und an der Booster-Ausgangsseite jeweils eine komplementäre Gegenbahn für dieselbe (zugeordnete) Rolle ausgebildet ist. Die komplementäre Gegenbahn ist von der Booster-Eingangsseite beziehungsweise von der Booster-Ausgangsseite gebildet, bevorzugt jeweils einstückig. Über die Gegenbahn und Wippenbahn, welche eine Rampenpaarung bilden, wird ein Drehmoment übertragen.
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Bei einer Ausführungsform mit einzig eingangsseitig oder einzig ausgangsseitig des Wippenelements vorgesehenen Rollen (Bahnseite) ist an der jeweils anderen Seite des Wippenelements eine Kraftseite gebildet, indem das Wippenelement unmittelbar mittels eines Energiespeicherelements an der jeweiligen Booster-Seite abgestützt ist. Bevorzugt ist eingangsseitig die Kraftseite und ausgangsseitig die Bahnseite gebildet. Die Bahnseite ist wie oben definiert mit zumindest einer Rolle und einer korrespondierenden Rampenpaarung ausgeführt.
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Bei zumindest einer (bevorzugt einer einzigen, besonders bevorzugt der ausgangsseitigen) Seite der Wippenelemente ist die Rampenpaarung als Übersetzungspaarung ausgeführt. Das heißt, dass aus einer erzwungenen Umlaufbewegung der übersetzenden Rollen eine radiale (bevorzugt einwärtigen) Bewegung des Wippenelements resultiert. Wenn beispielsweise ein Drehmoment, beispielsweise von der Booster-Eingangsseite, eingeleitet wird, so werden infolge des anliegenden Drehmoments (bei reibkraftübertragender, beispielsweise geschlossener, Vorsteuer-Kupplung) die Rollen auf der Wippenbahn und der komplementären Gegenbahn aus einer Ruhelage in der entsprechenden Richtung auf der rampenartigen Wippenbahn (hoch) gewälzt. Mit einem hoch Wälzen ist hier lediglich zur Veranschaulichung bezeichnet, dass eine Arbeit verrichtet wird. Genauer wird aufgrund des geometrischen Zusammenhangs eine entgegenstehende Kraft des Energiespeicherelements überwunden. Ein runter Wälzen bedeutet also ein Abgeben eingespeicherter Energie von dem Energiespeicherelement in Form einer Kraft auf das zugeordnete Wippenelement. Hoch und runter entsprechend also nicht zwangsläufig einer Raumrichtung, auch nicht in einem mitrotierenden Koordinatensystem.
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Mit dieser drehmomentbedingten Bewegung zwingen die Rollen dem zugehörigen Wippenelement eine relative Bewegung gegenüber der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite auf und das antagonistisch wirkende Energiespeicherelement wird entsprechend gespannt.
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Die Kraft wird in Form von einer Stauchung, Dehnung, Torsion oder anderen Energieeinspeicherung von dem entsprechend ausgeführten Energiespeicherelement aufgenommen und zeitverzögert, bevorzugt (nahezu) dissipationsfrei, an die jeweils andere Seite, hier beispielsweise die Booster-Ausgangsseite, weitergegeben. Der Drehmomenteintrag, hier beispielsweise die Booster-Eingangsseite, inklusive der Torsionsschwingung wird damit, bevorzugt (nahezu) verlustfrei, zeitlich verändert, hier beispielsweise an die Booster-Ausgangsseite, weitergegeben.
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Bevorzugt sind jeweils zwei Energiespeicherelemente zum Einwirken auf ein (einziges) Wippenelement vorgesehen, wobei die Energiespeicherelemente einander antagonistisch angeordnet sind, und bevorzugt entsprechend der Ausführungsform der Wippenbahnen und komplementären Gegenbahnen miteinander ins Gleichgewicht gebracht sind. In einer alternativen Ausführungsform ist zumindest eine Zwangsführung vorgesehen, mittels welcher zumindest einem der Wippenelemente geometrisch geführt eine Bewegung aufgezwungen ist, beispielsweise nach Art von einer Schiene beziehungsweise Nut und umgreifendem Zapfen beziehungsweise hineingreifender Feder.
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Das zumindest eine Energiespeicherelement wirkt mit einer Kraftrichtung mit einem Vektoranteil in Umfangsrichtung auf das zugeordnete Wippenelement ein. Die Umfangsrichtung ist an einem konzentrischen Kreis zu der Rotationsachse definiert. Die Umfangsrichtung ist in einer Ausführungsform über eine Bewegung des zugeordneten Wippenelements konstant ausgerichtet, wandernd an einem konstanten Kreis oder konstant oder wandernd an einem veränderlichen Kreis ausgerichtet. Der Kreis ist zumindest so groß, dass er das Wippenelement berührt, bevorzugt so groß, dass der Kreis einen Kontaktpunkt oder eine Kontaktfläche, an welcher Stelle die Kräfte zwischen dem betreffenden Energiespeicherelement und dem zugeordneten Wippenelement übertragen wird, schneidet. Eine Umfangsrichtung ist zu einem Radius mit der Rotationsachse als Zentrum senkrecht ausgerichtet. Der jeweils zugrundeliegende Radius schneidet den Kontaktpunkt beziehungsweise die Kontaktfläche von dem Energiespeicherelement und dem Wippenelement. An dem Wippenelement ergibt sich so eine Kraftrichtung mit einem großen Vektoranteil in Umfangsrichtung, bevorzugt mit einem Vektoranteil in Umfangsrichtung, welcher größer ist als der Vektoranteil in radialer Richtung. Das heißt, die Kraft auf das Wippenelement ist nicht rein radial ausgerichtet, sondern ausschließlich (im Kontaktpunkt) tangential zu der Umfangsrichtung oder mit einem radialen Vektoranteil und mit einem (im Kontaktpunkt) tangentialen Vektoranteil. Damit ergibt sich eine Kraftrichtung, welche in dasselbe Wippenelement (von der anderen Seite), beispielsweise mittels einer Schraubenbogenfeder, oder in das benachbarte Wippenelement etwa entlang der Umfangsrichtung überleitbar ist. Dies ermöglicht beispielsweise anstelle einer Auslenkung (beziehungsweise Schwingung) des Energiespeicherelements ausschließlich in (radialer) Querrichtung eine Auslenkung zusätzlich oder ausschließlich in Umfangsrichtung. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Wippenelement dabei über die Rollen unzureichend definiert abgestützt, beispielsweise ausschließlich radial definiert abgestützt, wobei das zumindest eine Energiespeicherelement die Bewegung infolge der Krafteinleitungsrichtung definiert, beispielsweise ausschließlich in Umfangsrichtung. Alternativ ist eine zusätzliche Führung für das Wippenelement vorgesehen.
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Bei einer Ausführungsform des Wippenelements mit einer Kraftseite, also einem Energiespeicherelement an einer Seite des Wippenelements zu der Booster-Ausgangsseite oder (bevorzugt) Booster-Eingangsseite oder einer Rolle mit einer Rampenpaarung ohne der Eigenschaft einer Übersetzungspaarung, und einer Bahnseite ist von der Rampenpaarung der Bahnseite eine Übersetzungspaarung wie oben beschrieben gebildet. Die Kraftseite liegt im Drehmomentfluss. Es resultiert hier aber nicht unmittelbar eine radiale Bewegung des Wippenelements. Vielmehr ist eine (näherungsweise) rein in Umlaufrichtung wirkende Kraftübertragung gebildet.
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In einer Ausführungsform ist zumindest eines der Wippenelemente (bevorzugt alle Wippenelemente) axial zwischen und radial-überlappend mit der Booster-Eingangsseite angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform umfasst ein Wippenelement ein Scheibenpaar und die Booster-Eingangsseite (beispielsweise eine einzige Scheibe) ist axial zwischen dem Scheibenpaar des zumindest einen Wippenelements angeordnet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweilige drehmomentfeste Verbindung von der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite entweder radial-zentral oder radial-außen gebildet ist. In einer für einen geringen Bauraum vorteilhaften Ausführungsform ist die Booster-Eingangsseite mit der Eingangswelle radial-zentral und die Booster-Ausgangsseite mit der Vorsteuer-Eingangsseite radial-außen drehmomentfest verbunden.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass die Booster-Kupplung eine Trommel aufweist. Die Trommel ist koaxial zu der Rotationsachse und mit einer geeigneten axialen Erstreckung ausgeführt. In einer Ausführungsform ist die Trommel radial-außerhalb des zumindest einen Wippenelements angeordnet, in einer anderen Ausführungsform ist die Trommel radial-innerhalb des Wippenelements angeordnet. Die Trommel und das zumindest eine Wippenelement sind axial überlappend angeordnet.
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Wenn aufgrund eines Reibmoments an der Vorsteuer-Kupplung ein vorbestimmtes Drehmoment über der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite anliegt, wird die zumindest eine Rolle auf ihrer eine Übersetzungsbahn bildenden Rampenpaarung aus einer Ruhelage in der entsprechenden Richtung gewälzt. Weil diese in Umlaufrichtung wirkende Kraft von der Übersetzungsbahn in eine radiale Bewegung übersetzt wird, wird infolge des Verrollens der Rolle das zumindest eine Wippenelement radial gegen die Trommel gepresst. Die antagonistische Kraft des zumindest einen Energiespeicherelements wird also überwunden und das Wippenelement (in einer Ausführungsform nach Art eines Bremsklotzes) radial gegen die Trommel gepresst. Damit ist von dem zumindest einen Wippenelement und der Trommel eine weitere, der Vorsteuer-Kupplung parallel-geschaltete, drehmomentübertragende Kupplung (als Trommel-Kupplung) gebildet. Diese parallel-geschaltete (Trommel-) Kupplung schließt nur dann, wenn das Reibpaket der Vorsteuer-Kupplung geschlossen wird und ein für das Schließen ausreichendes Drehmoment über der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite anliegt. Wenn letzteres nicht gegeben ist, ist das von der Vorsteuer-Kupplung allein (maximal) übertragbare Drehmoment mehr als ausreichend. Die für ein gewünschtes (maximal) übertragbares Drehmoment erforderliche (radiale) Anpresskraft zwischen der Trommel und dem zumindest einen Wippenelement wird von einem Teil des anliegenden Drehmoments über der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite mittels der Übersetzungsbahn bereitgestellt. Die Trommel und das zumindest eine Wippenelement sind für einen reinen Reibschluss, einen reinen Formschluss (unrunder Querschnitt, beispielsweise eine Verzahnung) oder einen zumindest initialen Reibschluss und zumindest anschließenden Formschluss eingerichtet, beispielsweise mittels eines Konus mit einem unrunden Querschnitt (beispielsweise etwa dreieckig mit abgerundeten Ecken, wie beispielsweise bei einer sogenannten Wedge-Clutch bekannt).
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Es sei darauf hingewiesen, dass mit der hier vorgeschlagenen Booster-Kupplung nicht allein ein sehr geringes Bauvolumen erzielbar ist, sondern darüber hinaus eine nahezu Hysterese-freie Drehmomentübertragung erzielbar ist. Dies folgt vor allem aus einer (zumindest nahezu, bevorzugt über eine angestrebte Lebensdauer wie bei einer üblichen Reibkupplung vernachlässigbare Schlupfverlagerung) schlupffreien Kraftübertragung zwischen der Rolle, dem Wippenelement und der entsprechenden Booster-Seite, also einem reinen Abrollen der Rolle innerhalb der Rampenpaarung.
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In einer Ausführungsform sind zwei oder mehr Wippenelemente vorgesehen, welche bevorzugt zu der Rotationsachse rotationssymmetrisch angeordnet sind, sodass die Booster-Kupplung mit einfachen Mitteln ausgewuchtet ist. Für eine geringe Anzahl von Komponenten und (Übersetzungs-) Bahnen ist eine Ausführungsform mit genau zwei Wippenelementen vorteilhaft. Für einen geringen Radial-Anteil bei dem zumindest einen Energiespeicherelement bei dem Kraftansatz an dem jeweiligen Wippenelement ist eine Ausführungsform mit genau drei Wippenelementen vorteilhaft.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eines der folgenden Bauteile beziehungsweise zumindest eines der Bauteil einer der folgenden Baugruppen als Blechteil gefertigt, bevorzugt mittels Stanzen und/oder Blechumformung und so in großen Stückzahlen besonders kostengünstig herstellbar: eine Vorsteuer-Gegenplatte, eine Vorsteuer-Anpressplatte, eine Booster-Ausgangsseite, eine Booster-Eingangsseite, das zumindest eine Wippenelement, ein mitrotierender Kupplungsdeckel.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung vorgeschlagen, dass die Trommel mit der Vorsteuer-Ausgangsseite drehmomentübertragend verbunden ist, bevorzugt mit einer Vorsteuer-Ausgangskomponente einstückig gebildet ist.
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Die Trommel ist bei dieser Ausführungsform nicht zu der Vorsteuer-Kupplung separat mit dem Ausgang der Booster-Kupplung drehmomentübertragend verbunden, sondern mittelbar oder unmittelbar drehmomentübertragend mit der Vorsteuer-Ausgangsseite verbunden. Beispielsweise ist die Trommel separat von der Vorsteuer-Ausgangsseite gebildet und mit dieser beispielsweise über eine Steckverzahnung, Schraubverbindung oder Nietverbindung drehmomentübertragend verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trommel einstückig von einer Vorsteuer-Ausgangskomponente, beispielsweise von der Vorsteuer-Gegenplatte, gebildet, wobei dann die Trommel axial überlappend mit dem Reibpaket der Vorsteuer-Eingangsseite angeordnet ist. Das von der Trommel übertragende Drehmoment ist somit parallel zu dem Drehmoment zwischen Vorsteuer-Eingangsseite und Vorsteuer-Ausgangsseite übertragen.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung vorgeschlagen, dass die Trommel mit dem Ausgang unmittelbar verbindbar, bevorzugt mit dem Ausgang einstückig gebildet, ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Trommel mit dem Ausgang unmittelbar drehmomentfest verbunden oder mit diesem einstückig gebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Steifigkeitskette der zueinander parallel-geschalteten Vorsteuer-Kupplung und der Trommel-Kupplung (Trommel und Wippenelement(e)) voneinander separat sind und jeweils unabhängig voneinander auslegbar sind.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung vorgeschlagen, dass das zumindest eine Wippenelement eine Kraftseite und eine Bahnseite aufweist,
wobei die Bahnseite die zumindest eine zweite Rolle mit einer übersetzenden Rampenpaarung umfasst,
wobei bevorzugt die Kraftseite an dem Wippenelement eingangsseitig angeordnet ist, und/oder
wobei bevorzugt die Kraftseite eine erste Rolle zum radial-neutralen Übertragen einer Kraft in Umlaufrichtung umfasst.
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Bisherige bekannte Bauformen von selbstverstärkenden Kupplungen, wie zuvor erwähnt, sind oftmals schwer zu regeln, sodass es bei den Schließvorgängen und Öffnungsvorgängen zu Verzögerungen kommt und außerdem unerwünschte Vibrationen im Antriebsstrang auftreten.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass eine Seite des Wippenelements eine Kraftseite ist, wie bereits eingangs erläutert. Eine solche Kraftseite hat die Aufgabe die Kraft zwischen dem Wippenelement und der entsprechenden Booster-Seite unabhängig von der jeweiligen (radialen) Lage des Wippenelements zu übertragen.
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Beispielsweise ist mit einer (ersten) Rolle in der Kraftseite in der Booster-Seite (beispielsweise einer Scheibe) sowie an dem Wippenelement jeweils ein radial ausgerichtetes Langloch beziehungsweise eine radial ausgerichtete Bahn gebildet. Damit ist eine Kraft in Umlaufrichtung unabhängig von jener infolge der als Übersetzungsbahn wirkenden Rampenpaarung der (zweiten) Rolle erzwungenen radialen relativen Lage des Wippenelements zu der kraftseitigen Booster-Seite übertragbar. In einer Ausführungsform ist zwar eine radial-neutrale Kraftübertragung erzielt, aber zugleich eine in Umlaufrichtung verstärkende Rampenpaarung vorgehalten, wobei also neben einem relativen Verdrehwinkel zwischen der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite zudem überlagernd ein relativer Verdrehwinkel zwischen der entsprechenden Booster-Seite und dem Wippenelement erzeugt ist. Dieser überlagernde Verdrehwinkel ist abhängig von dem Betrag der relativen radialen Verlagerung des Wippenelements zu den Booster-Seiten infolge des Abrollens der zweiten Rolle auf der übersetzenden Rampenpaarung (Bahnseite).
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Alternativ oder zusätzlich ist ein (erstes) Energiespeicherelement vorgesehen, welches beispielsweise in radialer Richtung verrutschbar oder um eine Achse parallel zu der Rotationsachse der Booster-Kupplung verkippbar ist, sodass eine radial-neutrale Kraftübertragung zwischen der betreffenden Booster-Seite und der Kraftseite des Wippenelements gewährleistet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kraftseite zwischen dem Wippenelement und der Booster-Eingangsseite, also eingangsseitig, gebildet. Damit ist eine mögliche Verklemmung ohne weitere Maßnahmen und mit einfachen Mitteln vermieden. Es ist damit eine nicht allein nahezu Hysterese-freie Drehmomentübertragung erzielbar, sondern auch bei einem Richtungswechsel der Drehmomentübertragung (beispielsweise im Einsatz in einem Kraftfahrzeug einem Wechsel zwischen Zugmoment und Schubmoment) wird einzig eine vernachlässigbare Verzögerung erzeugt. Dies bedeutet auch, dass dauerhaft und in jedem Zustand eine Regelbarkeit des Maximums des übertragbaren Drehmoments besteht. Indem also die Vorsteuer-Kupplung stufenlos zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand steuerbar ist, ist auch die Anpresskraft an der Trommel, welche von der Rampenpaarung und dem zumindest einen Wippenelement ausgeht, stufenlos gesteuert. Bei vorbekannten Konzepten wird hingegen die der Vorsteuer-Kupplung nachgeschaltete verstärkende Kupplung erst mit einem großen gegenläufigen Drehmoment wieder geöffnet. Dabei ist also keine stufenlose Regelbarkeit der verstärkenden Kupplung gegeben.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung vorgeschlagen, dass zumindest ein zweites Energiespeicherelement vorgesehen ist, welches drehmomentübertragend zwischen Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite angeordnet ist.
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Hier ist zumindest ein zweites Energiespeicherelement, beispielsweise eine Bogenfeder, eine Schraubendruckfeder (mit beispielsweise gerader Federachse), eine Blattfeder, ein Gasdruckspeicher oder vergleichbares, vorgesehen, welches drehmomentübertragend zwischen Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite angeordnet ist. Von Vorteil ist hier, dass mittels des zumindest einen zweiten Energiespeicherelements auftretende Torsionsschwingungen, beispielsweise von einer Verbrennungskraftmaschine, reduzierbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest zwei zweite Energiespeicherelemente vorgesehen, bevorzugt für eine Ausführungsform umfassend zumindest eine Schraubendruckfeder mit gerader Federachse, besonders bevorzugt drei oder mehr zweite Energiespeicherelemente. Für viele Anwendungsfälle ist es vorteilhaft zwei oder mehr Schraubendruckfedern radial-ineinander anzuordnen, von welchen gemeinsam ein zweites Energiespeicherelement gebildet ist.
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Die Booster-Eingangsseite und die Booster-Ausgangsseite weisen zur Abstützung des zumindest einen Energiespeicherelements bevorzugt eine entsprechende, bevorzugt einstückige, Verbindungseinrichtung auf, beispielsweise eine Anlagefläche und/oder eine Nietstelle. Wenn eine Änderung des anliegenden Drehmoments und einhergehend eine Drehzahldifferenz zwischen der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite auftritt, wie beispielsweise bei einer Torsionsschwingung, ist die Kraft in Form von einer Stauchung, Dehnung, Torsion oder anderen Energieeinspeicherung von dem entsprechend ausgeführten zweiten Energiespeicherelement aufnehmbar und zeitverzögert, bevorzugt (nahezu) dissipationsfrei, an die Booster-Ausgangsseite weitergebbar. Damit stehen die Rollen dauerhaft unter einer Vorspannung und es wird ein Klappern reduziert oder verhindert. Weiterhin wird eine Ruhelage beziehungsweise Nominalposition sichergestellt beziehungsweise wiederhergestellt. Weiterhin ist darüber zugleich ein (bevorzugt für auslegungsgemäße Drehmomentspitzen schlagfreier) Anschlag für eine maximale relative Verdrehung zwischen der Booster-Eingangsseite und der Booster-Ausgangsseite schaffbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung vorgeschlagen, dass von der Booster-Ausgangsseite die Vorsteuer-Eingangsseite einstückig gebildet ist.
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Dazu ist die Booster-Ausgangsseite axial zwischen der Vorsteuer-Gegenplatte und der Vorsteuer-Anpressplatte angeordnet, wobei bei dieser Ausführungsform die Booster-Ausgangsseite dann als (Vorsteuer-) Reibscheibe eingerichtet ist. Beispielsweise ist dann ein Reibbelag, bevorzugt zwei Reibbeläge axial-beidseitig, auf der Booster-Ausgangsseite aufgebracht, welcher mit der Vorsteuer-Gegenplatte und der axial gegenüberliegenden Vorsteuer-Anpressplatte reibschlüssig in Kontakt treten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das zumindest eine Wippenelement und die Booster-Ausgangsseite in einem gemeinsamen axialen Bauraum zwischen einer Booster-Eingangsseite angeordnet, wobei die Booster-Eingangsseite zwei, beispielsweise miteinander mit einem Abstandsbolzen, drehmomentfest verbundenen Scheiben umfasst. Das zumindest eine erstes Energiespeicherelement ist bevorzugt zwischen dem zumindest einen Wippenelement und das optionale zweite Energiespeicherelement zwischen der Booster-Ausgangsseite und der Booster-Eingangsseite radial-außerhalb des ersten Energiespeicherelements und des zumindest einen Wippenelements angeordnet. Die zumindest eine zweite Rolle ist radial-außerhalb des zumindest einen Wippenelements, bevorzugt auf (zumindest etwa) dem gleichen Umfangskreis angeordnet. Dieser Umfangskreis ist ein solcher Kreis, zu welchem die Federachse tangential ausgerichtet ist und auf welchem im Mittel die zweite Rollenachse liegt. Der zumindest eine Reibbelag ist radial-außerhalb des zumindest einen Wippenelements und der zumindest einen zweiten Rolle angeordnet.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung vorgeschlagen, dass die Vorsteuer-Ausgangsseite mit einer ersten Torsionssteifigkeit und die Trommel mit einer zweiten Torsionssteifigkeit mit einem Ausgang drehmomentübertragend verbunden sind,
wobei die erste Torsionssteifigkeit größer als die zweite Torsionssteifigkeit ist.
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In einer Ausführungsform kommt es im Reibkontakt zwischen dem zumindest einen Wippenelement und der Trommel während der Belastung zu Rutschphasen, damit der Rampenmechanismus der übersetzenden Rampenpaarung nachrücken kann. Um den hierbei zurückgelegten Weg muss sich das System bei Entlastung, und zwar entgegen dem nun in entgegengesetzter Richtung wirkenden Reibmoment, wieder zurückbewegen, um die Verspannung im System zu lösen. Eine Selbsthemmung dieser Bewegung tritt auf, wenn das maximale Reibmoment größer ist als die horizontale Komponente der Normalkraft im Rollenrampenkontakt, also wenn das Produkt aus dem Kosinus des Steigungswinkels der Rampenpaarung, der Normalkraft und dem Reibungskoeffizienten größer ist als das Produkt aus der Normalkraft und dem Sinus des Steigungswinkels der Rampenpaarung. Dies ist umgeformt der Fall, wenn das (Reibwinkel-) Verhältnis aus dem Reibungskoeffizienten (Zähler) und dem Tangens des Steigungswinkels der Rampenpaarung (Nenner) größer eins ist.
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Dies ist der Fall, wenn für die Kraftübertragung eine Verstärkung größer als Faktor 2 [zwei] erzielt werden soll. Der Faktor der Verstärkung ist das Verhältnis von dem maximal übertragbaren Drehmoment der Trommelkupplung (Zähler) und dem maximal übertragbaren Vorsteuermoment der Vorsteuer-Kupplung (Nenner).
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Die Verspannung im System lässt sich jedoch jederzeit lösen, wenn das maximal übertragbare Vorsteuermoment der Vorsteuer-Kupplung begrenzt ist auf einen Betrag kleiner als das Produkt aus der Normalkraft und dem Sinus des Steigungswinkels der Rampenpaarung beziehungsweise kleiner als das Produkt aus der vor dem Lösen der Trommelkupplung zuletzt eingespeicherten Anpresskraft und dem Tangens des Steigungswinkels der Rampenpaarung. Daraus folgt, dass für eine Vermeidung einer Selbsthemmung die zweite Torsionssteifigkeit (zwischen der Trommel und dem Ausgang) geringer als die erste Torsionssteifigkeit (zwischen der Vorsteuer-Ausgangsseite und dem Ausgang) sein muss. Zugleich muss das Verhältnis aus den beiden Torsionssteifigkeiten kleiner als das Reibwinkelverhältnis sein, damit sich das Trommelmoment der Trommel-Kupplung sicher über das Vorsteuermoment der Vorsteuer-Kupplung steuern lässt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - zumindest eine Antriebsmaschine zum Abgeben eines Drehmoments;
- - zumindest einen Verbraucher zum Aufnehmen eines Drehmoments;
- - ein Getriebe zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der zumindest einen Antriebsmaschine und einem Verbraucher; und
- - eine Booster-Kupplung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
wobei mittels der Booster-Kupplung ein Drehmoment zwischen der zumindest einen Antriebsmaschine und dem Verbraucher übertragbar ist.
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Der hier vorgeschlagene Antriebsstrang umfasst eine erste Antriebsmaschine, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Verbrennerwelle und ein Getriebe zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der Verbrennerwelle und einem Verbraucher, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug die Vortriebsräder. Mittels der Booster-Kupplung, welche nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt ist, ist die Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Verbraucher übertragbar, wobei eine sehr geringe (externe) Kraft beziehungsweise Druck zum Betätigen der Booster-Kupplung aufgewendet werden muss. Eine Betätigungseinrichtung ist somit mit kleiner Bauraumforderung und/oder kostengünstig ausführbar. Eine Drehmomentübertragung zwischen dem Verbraucher und der Verbrennerwelle ist bevorzugt in beiden Richtungen möglich, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Beschleunigen des Kraftfahrzeugs (Zugbetrieb) und in Gegenrichtung (Schubbetrieb) beispielsweise zum Einsatz der Motorbremse zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebsstrangs ist weiterhin eine elektrische Antriebsmaschine mit einer Rotorwelle in den Drehmomentfluss ausgangsseitig der Booster-Kupplung und vor den Verbraucher geschaltet. Beispielsweise ist so bei geöffneter Booster-Kupplung ein rein elektrischer Betrieb der Verbraucher ermöglicht. In einer Ausführungsform bilden die elektrische Antriebsmaschine und die Booster-Kupplung gemeinsam ein sogenanntes Hybrid-Modul, welches als eine Baueinheit in den Antriebsstrang einfach integrierbar ist.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Antriebsstrang, welcher die oben beschriebene Booster-Kupplung umfasst, ist mit verringerter Anpresskraft ein hohes Drehmoment zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebe übertragbar, wobei zugleich ein sehr geringer axialer Bauraum benötigt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend einen Antriebsstrang nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung und zumindest ein Vortriebsrad, wobei zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs das zumindest eine Vortriebsrad mittels des Antriebsstrangs antreibbar ist.
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Der Bauraum ist gerade bei Kraftfahrzeugen aufgrund der zunehmenden Anzahl von Komponenten besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, einen Antriebsstrang kleiner Baugröße zu verwenden. Mit dem gewünschten sogenannten Downsizing der Antriebsmaschine bei einer gleichzeitigen Verringerung der Betriebsdrehzahlen wird die Intensität der störenden Torsionsschwingungen erhöht. Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich bei der sogenannten Hybridisierung, bei welcher eine elektrische Antriebsmaschine im Betrieb immer häufiger in Einsatz gebracht wird oder sogar die Hauptdrehmomentquelle bildet und eine möglichst kleine Verbrennungskraftmaschine einzusetzen ist, welche aber deutlich häufiger dem Antriebsstrang zugeschaltet und wieder weggeschaltet werden muss. Es ist daher eine Herausforderung, eine ausreichende Vergleichmäßigung von Drehungleichförmigkeiten und eine ausreichende Betätigungskraft bei gleichzeitig geringen Teilekosten und geringem verfügbarem Bauraum bereitzustellen.
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Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner.
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Bei dem hier vorgeschlagenen Kraftfahrzeug, dessen Antriebsstrang die oben beschriebene Booster-Kupplung umfasst, ist mit verringerter Anpresskraft ein hohes Drehmoment zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebe übertragbar, wobei zugleich ein sehr geringer axialer Bauraum benötigt wird.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Audi A1, Volkswagen Polo, Opel Corsa oder Renault Clio. Bekannte HybridFahrzeuge sind BMW 330e oder der Toyota Yaris Hybrid. Als Mild-Hybride bekannt sind beispielsweise ein Audi A6 50 TFSI e oder ein BMW X2 xDrive25e.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Schaltschema einer Booster-Kupplung im unverstärkten Zustand;
- 2: das Schaltschema nach 1 im verstärkenden Zustand;
- 3: ein Ausschnitt einer Booster-Kupplung von der Trommel bis zur Booster-Ausgangsseite;
- 4: eine Booster-Kupplung in einer Schnittansicht; und
- 5: ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang.
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In 1 ist ein Schaltschema einer Booster-Kupplung 1 in einer vorteilhaften Ausführungsform gezeigt. Das Schaltschema ist ein translatorisches Ersatzmodell. Die (geraden) waagerechten Pfeile entsprechen in einer realen Umsetzung (wie beispielsweise in 3 oder 4 gezeigt) der Umlaufrichtung 22. Die vertikalen Pfeile entsprechen in der realen Umsetzung der Radialrichtung. Ein Eingangsmoment 30 liegt an der Booster-Eingangsseite 10 an und resultiert in einem (gesamten) Verdrehwinkel 31, wobei zunächst ein eingangsseitiger Verdrehwinkel 32 auf die hier (rein optional) als reine Kraftseite 20 mit einer ersten Rolle 12 ausgebildeten Eingangsseite des Wippenelements 11 unabhängig von der relativen vertikalen (also radialen) Lage wirkt. Wenn die Vorsteuer-Kupplung 4 offen ist, wird das Wippenelement 11 einfach darstellungsgemäß nach rechts verdreht. Erst wenn die Vorsteuer-Kupplung 4 (ausreichend stark) geschlossen ist, also das Reibpaket 5 verpresst ist, wird die Vorsteuer-Eingangsseite 6 zu der Vorsteuer-Ausgangsseite 7 fixiert und damit die Booster-Ausgangsseite 8 fixiert. Die Vorsteuer-Ausgangsseite 7 ist mit dem Ausgang 19 verbunden, an welchem ein dem Eingangsmoment 30 antagonistisches Ausgangsmoment 33 anliegt und in einem Vorsteuermoment 34 an der Vorsteuer-Ausgangsseite 7 resultiert. Das Wippenelement 11 ist gegen eine Radial-Abstützung 35 gelagert. Diese Radial-Abstützung 35 ist beispielsweise von der Booster-Eingangsseite 10, Booster-Ausgangsseite 8 oder dem Ausgang 19 gebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das Wippenelement 11 an sich selbst oder einem benachbarten weiteren Wippenelement 11 abgestützt (vergleiche 3).
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In 2 ist das Schaltschema nach 1 im verstärkenden Zustand gezeigt.
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Auch hier liegt ein Eingangsmoment 30 an der Booster-Eingangsseite 10 an und resultiert in einem (gesamten) Verdrehwinkel 31. Die Vorsteuer-Kupplung 4 ist hier (ausreichend stark) geschlossen, also das Reibpaket 5 verpresst. Somit ist die Vorsteuer-Eingangsseite 6 zu der Vorsteuer-Ausgangsseite 7 fixiert und damit auch die Booster-Ausgangsseite 8 fixiert. Damit findet an der (hier rein optional als einzige) Bahnseite 21 ausgebildeten Ausgangsseite des Wippenelements 11 mittels der Rampenpaarung 14 aus (wippenseitiger) Wippenbahn 36 und (vorsteuerseitiger) Gegenbahn 37 ein Verrollen der zweiten Rolle 13 statt, welche in einer vertikalen (also radialen) Bewegung des Wippenelements 11 resultiert. Hieraus folgt ein relativer Verdrehwinkel 38 zwischen dem Wippenelement 11 und der Booster-Ausgangsseite 8, also der Vorsteuer-Eingangsseite 6. Das Wippenelement 11 legt infolge eines ausreichend großen wippenseitigen Verdrehwinkels 38 einen so großen Trommeleinrückweg 39 (vertikale, also radiale Bewegung) entgegen der (ersten) Federkraft 40 zurück, dass das Wippenelement 11 vertikal (radial) gegen die Trommel 16 gepresst wird und so drehmomentübertragend mit dem Ausgang 19 verbunden ist. Hieraus folgt eine Anpresskraft 41 zwischen dem Wippenelement 11 und der Trommel 16 und damit ein reibschlüssiges Booster-Moment 42 (darstellungsgemäß nach links). An der Kraftseite 20 des Wippenelements 11 findet lediglich eine Verlagerung der dortigen ersten Rolle 12 statt. Die Kraft (beziehungsweise das Eingangsmoment 30) und der Weg (beziehungsweise der eingangsseitige Verdrehwinkel 32) werden ohne Übersetzung übertragen.
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Die Booster-Kupplung 1 wird somit über die Vorsteuer-Kupplung 4 von einem Teil des Eingangsmoments 30 geschlossen, und zwar mittels der Vorsteuer-Kupplung 4 gesteuert (beziehungsweise bei umgekehrter Drehmomentrichtung von dem Ausgangsmoment 33). Das maximal übertragbare Drehmoment ist verstärkt. Hierbei bleibt in jedem Zustand das (maximal) übertragbare Drehmoment mittels der Vorsteuer-Kupplung 4 steuerbar.
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In 3 ist die Booster-Eingangsseite 10 bis zur Booster-Ausgangsseite 8 einer Vorsteuer-Kupplung 4 in einer schematischen geschnittenen Vorderansicht gezeigt, wobei also die Rotationsachse 2 normal zu der Bildebene ausgerichtet ist. Radial-außen ist die Booster-Ausgangsseite 8 von einer Ring-Scheibe gebildet. Radial-innen ist die Trommel 16 als geschnittener Ring gezeigt. In dieser Ausführungsform ist (rein optional) von noch weiter radial-innen bis in (ebenfalls rein optional) radialer Überlappung mit der Ring-Scheibe der Booster-Ausgangsseite 8 im Hintergrund die (beispielsweise zweite) Scheibe 43 der Booster-Eingangsseite 10 zu sehen. Radial zwischen der Ring-Scheibe der Booster-Ausgangsseite 8 und der Trommel 16 sind (hier rein optional drei) Wippenelemente 11 angeordnet, welche in dem gezeigten (offenen) Zustand radial-innen einen definierten Radialspalt zu der Trommel 16 vorhalten. Bei dieser Ausführungsform ist an den Wippenelementen 11 jeweils eine eingangsseitige Kraftseite 20 mit einer (rein optional einzigen) ersten Rolle 12 (hier ist der Übersichtlichkeit halber pars-pro-toto nur die im Bild oberste bezeichnet) und eine ausgangsseitige Bahnseite 21 mit (rein optional zwei) zweiten Rollen 13 (hier ist der Übersichtlichkeit halber pars-pro-toto nur die im Bild linke bezeichnet) gebildet.
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Zwischen der Booster-Eingangsseite 10 und der Booster-Ausgangsseite 8 sind (rein optional drei) zweite Energiespeicherelemente 23 drehmomentübertragend abgestützt und bilden einen Anschlag für einen maximalen Verdrehwinkel zwischen den beiden Seiten. Die zweiten Energiespeicherelemente 23 sind ausreichend weich für eine gewünschte Booster-Charakteristik der Booster-Kupplung 1. Die Wippenelemente 11 sind (rein optional) gegeneinander mittels einer korrespondierenden Anzahl von ersten Energiespeicherelementen 15 aneinander abgestützt. Diese ersten Energiespeicherelemente 15 weisen sowohl einen radialen Kraftanteil als auch einen Kraftanteil in Umlaufrichtung 22 auf, sodass deren (antagonistische) Kraft überwunden werden muss, um die Wippenelemente 11 für einen Reibschluss nach radial-innen gegen die Trommel 16 zu pressen. In einer Ausführungsform ist damit ein reiner Schutz gegen ungewolltes Schleifen im offenen Zustand der Booster-Kupplung 1 vorgehalten. In einer andern Ausführungsform ist damit zudem ein definierter Drehmoment-Bereich vorgehalten, in welchem ein Drehmoment allein von der Vorsteuer-Kupplung 4 (vergleiche 4) übertragen wird.
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Wenn ein Drehmoment über der Booster-Eingangsseite 10 und der Booster-Ausgangsseite 8 anliegt, was nur bei einer verpressten Vorsteuer-Kupplung 4 gegeben ist (vergleiche 4), verdreht sich die Booster-Eingangsseite 10 relativ zu der Booster-Ausgangsseite 8. Die Wippenelemente 11 werden jeweils mittels der ersten Rollen 12 (Kraftseite 20) mitgenommen. Die relative Verdrehung der Wippenelemente 11 zu der Booster-Ausgangsseite 8 wiederum erzwingt ein Abrollen der zweiten Rollen 13 auf der Wippenbahn 36 und der komplementären Gegenbahn 37 der betreffenden Rampenpaarung 14. Aufgrund des Steigungswinkels (hier nicht deutlich zu erkennen) abweichend von einer reinen Umlaufrichtung 22 wird damit eine radial-einwärtige Bewegung des jeweiligen Wippenelements 11 entgegen der Speicherkraft der ersten Energiespeicherelemente 15 erzwungen. Damit werden (nach Überwinden des besagten Radialspalts) die Wippenelemente 11 gegen die Trommel 16 gepresst, also die Trommel-Kupplung geschlossen.
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Bei den ersten Rollen 12 wird die (aus einem Teil) des anliegenden Drehmoments resultierende Kraft in Umlaufrichtung 22 weiterhin übertragen und (beispielsweise einzig) die sich verändernde relative radiale Lage der Wippenelemente 11 zu der Booster-Eingangsseite 10 mittels Verrollen ausgeglichen. Hierzu läuft eine jeweilige erste Rolle 12 auf einer Wippenbahn 36 und einer (hier verdeckten und daher gestrichelt dargestellten) komplementären Gegenbahn 37 der betreffenden Rampenpaarung 14 ab. Diese Rampenpaarung 14 ist bevorzugt nicht übersetzend, sondern neutral ausgeführt. Die Rollen 12,13 sind hier in einer neutralen Stellung (ohne anliegendes Drehmoment) gezeigt. Eine Umkehr der Drehmomentrichtung führt zu einer gegenläufigen Verdrehung, welche bei einer vernachlässigbaren Hysterese aufgrund eines zwangsläufigen Nulldurchgangs auch bei der Drehmomentübertragung nicht spürbar und auch aufgrund des sanften Schließens der Trommel-Kupplung nicht hörbar ist.
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In 4 ist eine Booster-Kupplung 1 in einer Schnittansicht gezeigt, wobei unten in der Darstellung die Rotationsachse 2 gezeigt ist. Links in der Darstellung ist eine Eingangswelle 9, beispielsweise eine Verbrennerwelle 44 beziehungsweise ein entsprechender Anschluss, vorgesehen, welche mit einer zweiten Scheibe 43 einer Booster-Eingangsseite 10 drehmomentfest verbunden ist. Die zweite Scheibe 43 ist mit der ersten Scheibe 45 drehmomentfest verbunden (im Schnitt nicht sichtbar). Über die im Schnitt liegende erste Rolle 12 ist die Booster-Eingangsseite 10 drehmomentübertragend mit einem Wippenelement 11 verbunden. Das Wippenelement 11 ist über eine in diesem Schnitt nicht sichtbare zweite Rolle 13 mit der Booster-Ausgangsseite 8 drehmomentübertragend verbunden. Die Scheiben 45,43 der Booster-Eingangsseite 10 sind zudem über ein zweites Energiespeicherelement 23 mit der Booster-Ausgangsseite 8 verbunden. Radial-innerhalb der Wippenelemente 11 ist eine Trommel 16 mit einem definierten Radialspalt beabstandet angeordnet, wobei hier die Trommel 16 (rein optional) einstückig mit der Vorsteuer-Gegenplatte 17 gebildet ist. Die Komponenten von der Trommel 16 bis zu der Booster-Ausgangsseite 8 sind zumindest prinzipiell wie in 3 erläutert miteinander drehmomentübertragend verbunden.
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Bei dieser Ausführungsform ist von der Scheiben-artig gebildeten Booster-Ausgangsseite 8 (beziehungsweise von der gesamten Trommel-Kupplung) die Vorsteuer-Reibscheibe 46 gebildet, wobei beidseitig der Booster-Ausgangsseite 8 jeweils ein Reibbelag 47 befestigt ist. Die Reibbeläge 47 sind zwischen der (axial starren) Vorsteuer-Gegenplatte 17 und der (axial bewegbaren) Vorsteuer-Anpressplatte 18 verpressbar. Die Vorsteuer-Gegenplatte 17 ist über einen mitrotierenden Kupplungsdeckel 48 mit einem Ausgang 19 (beispielsweise eine Getriebeeingangswelle) drehmomentfest verbunden. Die Vorsteuer-Anpressplatte 18 ist über ein drittes Energiespeicherelement 49 (hier ein Blattfederpaket) drehmomentfest und axial bewegbar mit dem mitrotierenden Kupplungsdeckel 48 und somit mit dem Ausgang 19 verbunden. Die Vorsteuer-Anpressplatte 18 ist mittels eines (rein optional hydraulischen) Nehmerkolbens 50 betätigbar. Das Reibpaket 5 aus der Vorsteuer-Gegenplatte 17, Vorsteuer-Reibscheibe 46 und der Vorsteuer-Anpressplatte 18 ist hier normal-offen ausgeführt, wobei das Reibpaket 5 (passiv) von dem dritten Energiespeicherelement 49 offengehalten wird und von der Betätigungskraft des Nehmerkolbens 50 (aktiv und steuerbar) schließbar ist. In der gezeigten Ausführungsform ist (rein optional) an dem Ausgang 19 weiterhin ein Torsionsschwingungsdämpfer 51 vorgesehen, welcher hier nicht weiter bezeichnet ist. Der mitrotierende Kupplungsdeckel 48 ist (rein optional) ein Anschluss für eine Rotorwelle 52, bevorzugt zum unmittelbaren Aufnehmen der Rotormagnete, einer elektrische Antriebsmaschine 25. Bevorzugt ist die gezeigte Booster-Kupplung 1 in ein Hybrid-Modul integriert.
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In 5 ist rein schematisch ein Kraftfahrzeug 29 mit einem Antriebsstrang 3 in einer Draufsicht gezeigt, wobei in einer Quer-Front-Anordnung eine erste Antriebsmaschine 24, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine 24, mit ihrer Verbrennerwelle 44 und einer korrespondierenden Motorachse 53 sowie eine elektrische Antriebsmaschine 25 mit ihrer Rotorwelle 52 koaxial zu der Motorachse 53 sowie quer zu der Längsachse 54 des Kraftfahrzeugs 29 und vor der Fahrerkabine des Kraftfahrzeugs 29 angeordnet sind und von dem Antriebsstrang 3 umfasst sind.
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Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 3 ein Getriebe 28 zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der Verbrennerwelle 44 und zwei Verbrauchern 26,27, in diesem Ausführungsbeispiel das linke Vortriebsrad 26 und das rechte Vortriebsrad 27. Mittels einer Booster-Kupplung 1 innerhalb des Getriebes 28 ist die Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 24 und den Verbrauchern 26,27 übertragbar, wobei nur eine sehr geringe (externe) Kraft beziehungsweise Druck zum Betätigen der Booster-Kupplung 1 aufgewendet werden muss.
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Mit der hier vorgeschlagenen Booster-Kupplung ist mit verringerter Anpresskraft ein hohes Drehmoment zwischen übertragbar, wobei zugleich ein sehr geringer axialer Bauraum benötigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Booster-Kupplung
- 2
- Rotationsachse
- 3
- Antriebsstrang
- 4
- Vorsteuer-Kupplung
- 5
- Reibpaket
- 6
- Vorsteuer-Eingangsseite
- 7
- Vorsteuer-Ausgangsseite
- 8
- Booster-Ausgangsseite
- 9
- Eingangswelle
- 10
- Booster-Eingangsseite
- 11
- Wippenelement
- 12
- erste Rolle (Eingang)
- 13
- zweite Rolle (Rampe)
- 14
- Rampenpaarung
- 15
- erstes Energiespeicherelement
- 16
- Trommel
- 17
- Vorsteuer-Gegenplatte
- 18
- Vorsteuer-Anpressplatte
- 19
- Ausgang (Getriebeeingangswelle)
- 20
- Kraftseite
- 21
- Bahnseite
- 22
- Umlaufrichtung
- 23
- zweites Energiespeicherelement
- 24
- Verbrennungskraftmaschine
- 25
- elektrische Antriebsmaschine
- 26
- linkes Vortriebsrad
- 27
- rechtes Vortriebsrad
- 28
- Getriebe
- 29
- Kraftfahrzeug
- 30
- Eingangsmoment
- 31
- gesamter Verdrehwinkel
- 32
- eingangsseitiger Verdrehwinkel
- 33
- Ausgangsmoment
- 34
- Vorsteuermoment
- 35
- Radial-Abstützung
- 36
- Wippenbahn
- 37
- Gegenbahn
- 38
- wippenseitiger Verdrehwinkel
- 39
- Trommeleinrückweg
- 40
- erste Federkraft
- 41
- Anpresskraft
- 42
- Booster-Moment
- 43
- zweite Scheibe
- 44
- Verbrennerwelle
- 45
- erste Scheibe
- 46
- Vorsteuer-Reibscheibe
- 47
- Reibbelag
- 48
- Kupplungsdeckel
- 49
- drittes Energiespeicherelement (Blattfeder)
- 50
- Nehmerkolben
- 51
- Torsionsschwingungsdämpfer
- 52
- Rotorwelle
- 53
- Motorachse
- 54
- Längsachse
