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Die Erfindung betrifft einen schaltbaren Freilauf nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein Freilauf kann als ein Klemmkörperfreilauf realisiert sein, der ein radial äußeres ringförmiges Freilauf-Außenteil und ein radial inneres ringförmiges Freilauf-Innenteil aufweist, die zueinander koaxial um eine Drehachse drehen. Zwischen dem Freilauf-Außenteil und dem Freilauf-Innenteil sind Klemmkörper angeordnet, der in Umfangsrichtung verstellbar in einem Klemmkörperkäfig geführt sind. Das Freilauf-Innenteil kann am Außenumfang mit eine Freilaufstrecke und einer Klemmkontur ausgebildet sein.
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Der Klemmkörperfreilauf kann exemplarisch rechtsklemmend ausgeführt sein. In diesem Fall kann der Freilauf ein Drehmoment vom Freilauf-Außenteil (Antriebsteil) auf das Freilauf-Innenteil (Abtriebsteil) übertragen, sofern bei dem Freilauf-Außenteil und dem Freilauf-Innenteil eine Drehzahlgleichheit vorherrscht. Überholt das Freilauf-Innenteil das Freilauf-Außenteil (das heißt nI > nA, rechtsdrehend), dann öffnet der Klemmkörperfreilauf. Der rechtsklemmende Freilauf überträgt aber auch ein Drehmoment vom Freilauf-Innenteil auf das Freilauf-Außenteil, und zwar bei Linksdrehung sowie bei Drehzahlgleichheit. Sofern in diesem Fall das Freilauf-Außenteil das Freilauf-Innenteil überholt, öffnet der Klemmkörperfreilauf.
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Im Hinblick auf eine Funktionserweiterung kann der Klemmkörperfreilauf schaltbar ausgeführt sein. In diesem Fall weist der Freilauf einen zusätzlichen Aktor auf. Dieser wird üblicherweise mittels Fremdenergie angesteuert, um einen Schaltvorgang durchzuführen.
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In Abkehr davon ist aus der
DE 10 2020 104 250 B3 ein schaltbarer Freilauf bekannt, der einen Fliehkraftaktor aufweist, der unter Fliehkraftwirkung den Klemmkörperkäfig um einen Stellweg verstellt und damit den Freilauf von einer Basis-Freilauffunktion in eine Zusatz-Freilauffunktion umschaltet.
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In der
DE 10 2020 104 250 B3 weist der Freilauf eine Vorspannfeder auf, die zwischen dem Freilauf-Außenteil und dem Klemmkörperkäfig abgestützt ist und den Klemmkörperkäfig mitsamt darin gelagerter Klemmkörper in eine Basis-Schaltstellung vorspannt. Aufgrund von Fertigungs- und/oder Bauteiltoleranzen besteht in der
DE 10 2020 104 250 B3 die Problematik, dass in der Basis-Schaltstellung nicht alle Klemmkörper in Klemmkontakt mit der korrespondierenden Klemmkontur des Freilauf-Außenteils stehen, sondern im schlimmsten Fall nur ein Klemmkörper in Klemmkontakt ist, während die anderen Klemmkörper toleranzbedingt geringfügig von der Klemmkontur beabstandet sind. In diesem Fall kann die Funktionsfähigkeit des Freilaufs beeinträchtigt sein.
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Aus der
DE 40 07 208 C2 ist eine gattungsgemäße Freilaufkupplung mit Drehmomentbegrenzungsfunktion bekannt. Aus der
DE 102 58 907 A1 ist ein Freilaufriemenscheibe bekannt, die Freilaufeinrichtungen mit zueinander entgegengesetzten Wirkrichtungen bereitstellt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen schaltbaren Freilauf bereitzustellen, der im Vergleich zum Stand der Technik einfacher sowie betriebssicherer betätigbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung betrifft einen schaltbaren Freilauf, der ein radial äußeres ringförmiges Freilauf-Außenteil und ein radial inneres ringförmiges Freilauf-Innenteil aufweist, die zueinander koaxial um eine Drehachse drehen. Zwischen dem Freilauf-Außenteil und dem Freilauf-Innenteil ist zumindest ein Klemmkörper angeordnet, der in einem Klemmkörperkäfig in Umfangsrichtung verstellbar geführt ist. In einer ersten Basis-Betriebsart (MB1) ist eine Basis-Freilauffunktion (B) aktiviert, in der das Freilauf-Außenteil als Antriebsteil in einer ersten Drehrichtung dreht und den Klemmkörper gegen eine Klemmkontur in eine Basis-Schaltstellung drückt. Dies erfolgt unter Aufbau einer drehmomentübertragenden Sperrwirkung, bei der sowohl das Freilauf-Außenteil als auch das Freilauf-Innenteil bei gleicher Drehzahl in der ersten Drehrichtung drehen sowie das Freilauf-Innenteil als Abtriebsteil wirkt. Erfindungsgemäß weist der Freilauf eine Vorspannfeder auf, die mit einer Vorspannkraft den Klemmkörper in Richtung Klemmkontur vorspannt. Die Vorspannfeder ist unmittelbar zwischen dem Freilauf-Außenteil und dem Klemmkörper abgestützt ist.
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Erfindungsgemäß wirkt daher die Vorspannfeder direkt auf den Klemmkörper ein. Auf diese Weise ist - trotz Fertigungs- und/oder Bauteiltoleranzen - gewährleistet, dass in der Basis-Schaltstellung der Klemmkörper betriebssicher in Klemmkontakt mit der Klemmkontur des Freilauf-Außenteils gebracht ist, um eine Sperrwirkung bereitzustellen.
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Im erfindungsgemäßen schaltbaren Freilauf kann das Freilauf-Außenteil unter Zwischenschaltung von sowohl der Vorspannfeder als auch des Klemmkörpers mit dem Klemmkörperkäfig drehgekoppelt sein. In diesem Fall kann die Vorspannfeder unter Zwischenschaltung des Klemmkörpers den Klemmkörperkäfig mit der Vorspannkraft in die Basis-Schaltstellung drücken.
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Erfindungsgemäß wird im schaltbaren Freilauf auf extern mittels elektronischer Steuergeräte ansteuerbare Aktuatoren verzichtet. Anstelle dessen weist der erfindungsgemäße schaltbare Freilauf einen Fliehkraftaktor auf. Der Fliehkraftaktor schaltet unter Fliehkraftwirkung den Freilauf von einer Basis-Freilauffunktion B in eine Zusatz-Freilauffunktion Z um. Hierzu verstellt der Fliehkraftaktor unter Fliehkraftwirkung den Klemmkörperkäfig um einen Stellweg, wodurch der Freilauf von der Basis-Freilauffunktion B in die Zusatz-Freilauffunktion Z umgeschaltet wird.
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In der Zusatz-Freilauffunktion Z ist eine übertragungsfreie Freilaufwirkung aktiviert, in der der Freilauf in beiden Drehrichtungen offen ist. In diesem Fall ist keine drehmomentübertragende Sperrwirkung vorhanden, so dass keine Momentenübertragung zwischen dem Freilauf-Außenteil und dem Freilauf-Innenteil erfolgt.
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Die Klemmkontur kann Bestandteil einer am Innenumfang des Freilauf-Außenteils ausgebildeten taschenförmigen Ausnehmung mit einem radial äußeren Profilboden sein, der in Umfangsrichtung über Profilflanken in den radial inneren Innenumfang des Freilauf-Außenteils übergeht. Der radial äu-ßere Profilboden der taschenförmigen Ausnehmung bildet eine Freilaufstrecke, während die entgegen der ersten Drehrichtung anschließende Profilflanke die Klemmkontur bildet und die in der ersten Drehrichtung anschließende Seitenflanke eine Stützfläche bildet, an der die Vorspannfeder abgestützt ist. Sofern der Klemmkörper in der Zusatz-Freilauffunktion von der Klemmkontur bis in den Bereich der Freilaufstrecke verlagert ist, stellt sich die übertragungsfreie Freilaufwirkung ein, bei der keine Drehmomentübertragung zwischen dem Freilauf-Innenteil und dem Freilauf-Außenteil erfolgt.
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Zudem kann der Fliehkraftaktor in einer technisch einfachen Ausführung ein Fliehkraftelement (zum Beispiel eine Kugel) aufweisen. Das Fliehkraftelement kann bei drehendem Freilauf-Innenteil mit einer Fliehkraft beaufschlagt werden. In diesem Fall kann das Fliehkraftelement unter Fliehkraftwirkung gegen eine Steuerfläche des Freilauf-Außenteils drücken. Der Klemmkörperkäfig kann mittels einer in Umfangsrichtung wirkenden Kraftkomponente (das heißt Steuerkraft Fs) der Fliehkraft entgegen der Vorspannkraft um einen Stellweg in die Zusatz-Schaltstellung verstellt werden.
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In einer technischen Realisierung kann das Fliehkraftelement in einer nach radial außen offenen Aussparung radial verstellbar im Klemmkörperkäfig gelagert sein. Bei aktivierter Basis-Freilauffunktion B kann der federvorgespannte Klemmkörperkäfig über die Steuerfläche des Freilauf-Außenteils das Fliehkraftelement in eine radial innere Ausgangslage in die Aussparung des Freilauf-Innenteils hineindrücken.
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Demgegenüber kann bei aktivierter Zusatz-Freilauffunktion Z das Fliehkraftelement unter (ausreichend großer) Fliehkraftwirkung aus seiner Ausgangslage radial nach außen verlagert werden. Dadurch übt das Fliehkraftelement eine Steuerkraft auf den Klemmkörperkäfig aus, wodurch dieser um einen Stellweg von der Basis-Schaltstellung in die Zusatz-Schaltstellung verstellt wird.
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Nachfolgend wird ein Umschaltvorgang in einer speziellen Betriebssituation (MB1) beschrieben, bei der im Freilauf die Basis-Freilauffunktion aktiviert ist und bei der das Freilauf-Außenteil als Antriebsteil in der ersten Drehrichtung A1 dreht, so dass ein Drehmoment vom Freilauf-Außenteil auf das Freilauf-Innenteil übertragen wird. Die Umschaltung von der Basis-Freilauffunktion B in die Zusatz-Freilauffunktion Z erfolgt selbsttätig, sofern die Drehzahl des Freilauf-Innenteils eine vordefinierte Fliehkraft-Drehzahlschwelle erreicht. Mit Erreichen der Fliehkraft-Drehzahlschwelle ist die Fliehkraftwirkung ausreichend groß, so dass das Fliehkraftelement - entgegen der FederVorspannkraft - mit einer Steuerkraft den Klemmkörperkäfig in seine Zusatz-Klemmstellung verstellt.
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Um ein leichtgängiges Umschalten von der Basis-Freilauffunktion B in die Zusatz-Freilauffunktion Z zu gewährleisten, kann der Umschaltvorgang in den folgenden beiden Umschalt-Prozessschritten durchgeführt werden: In einem ersten Umschalt-Prozessschritt kann die Drehzahl des Freilauf-Innenteils gegenüber der Drehzahl des Freilauf-Außenteils bis auf eine vordefinierte Abkoppel-Drehzahlschwelle erhöht werden, die um eine Drehzahl-Differenz größer als die Drehzahl des Freilauf-Außenteils ist, so dass das Freilauf-Innenteil das Freilauf-Außenteil überholt. Somit ist die Sperrwirkung aufgehoben. In einem zweiten Umschalt-Prozessschritt können die Drehzahlen des Freilauf-Innenteils und des Freilauf-Außenteils unter Beibehaltung der Drehzahl-Differenz weiter erhöht wird, bis der Klemmkörperkäfig die vordefinierte Fliehkraft-Drehzahlschwelle erreicht. Mit Erreichen der Fliehkraft-Drehzahlschwelle kann das Fliehkraftelement den (nunmehr außer Klemmeingriff befindlichen) Klemmkörperkäfig entgegen der Vorspannkraft in seine Zusatz-Schaltstellung verstellen.
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Neben den bereits oben erwähnten ersten Basis-Betriebsart MB1 kann der erfindungsgemäße schaltbare Freilauf bei aktivierter Basis-Freilauffunktion B noch in eine zweite Basis-Betriebsart MB2 sowie in eine dritte und eine vierte Basis-Betriebsart MB3 und MB4 bereitstellen.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer Halbschnittansicht einen schaltbaren Freilauf;
- 2 eine Teilschnittansicht entlang der Schnittebene A aus der 1;
- 3 bis 8 jeweils Teilschnittansichten, anhand derer unterschiedliche Betriebszustände veranschaulicht sind.
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In der 1 ist ein schaltbarer Freilauf K gezeigt, der zwischen einer später beschriebenen Basis-Freilauffunktion B und einer dazu umgekehrt wirkenden Zusatz-Freilauffunktion Z umschaltbar ist. Der schaltbare Freilauf K weist einen Fliehkraftaktor 14 auf, der unter Fliehkraftwirkung Fz den Freilauf K selbsttätig zwischen der Basis-Freilauffunktion B und der umgekehrt wirkenden Zusatz-Freilauffunktion Z schaltet.
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Der Freilauf K ist als ein Klemmkörperfreilauf realisiert, der ein radial äußeres ringförmiges Außenteil 17 und ein radial inneres ringförmiges Innenteil 19 aufweist, die zueinander koaxial um eine Drehachse D drehen. Das Freilauf-Außenteil 17 ist in der 1 mit seinem Außenumfang drehfest an einer nicht gezeigten Welle angebunden. Das radial innere Freilauf-Innenteil 19 sitzt drehfest auf einer Vollwelle 9. Zwischen dem Freilauf-Außenteil 17 und dem Freilauf-Innenteil 19 sind in der 1 Klemmkörper 21 angeordnet, die in einem Klemmkörperkäfig 23 in Umfangsrichtung verstellbar geführt sind.
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Gemäß der 3 weist der Freilauf K eine Vorspannfeder 25 auf, die mit einer Vorspannkraft Fv den Klemmkörper 21 in Richtung einer Klemmkontur 29 vorspannt, die am Innenumfang des Freilauf-Außenteils 17 ausgebildet ist. Die Vorspannfeder 25 ist unmittelbar zwischen dem Freilauf-Außenteil 17 und dem Klemmkörper 21 abgestützt. Auf diese Weise ist das Freilauf-Außenteil 17 unter Zwischenschaltung der Vorspannfeder 25 und des Klemmkörpers 21 mit dem Klemmkörperkäfig 23 drehgekoppelt. Zudem drückt die Vorspannfeder 25 unter Zwischenschaltung des Klemmkörpers 21 den Klemmkörperkäfig 23 mit der Vorspannkraft Fv in eine Basis-Schaltstellung (3). In der Basis-Schaltstellung ist die Basis-Freilauffunktion B (2 bis 6) aktiviert ist.
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Der Fliehkraftaktor 14 weist in der 1 oder 2 ein Fliehkraftelement 15 auf, das radial verstellbar in einer Aussparung 24 (2 oder 7) im Klemmkörperkäfig 23 gelagert ist. In seiner, in der 2 gezeigten Basis-Schaltstellung drückt der federvorgespannte Klemmkörperkäfig 23 zusammen mit einer am Innenumfang des Freilauf-Außenteils 19 ausgebildeten rampenförmigen Steuerfläche 27 das Fliehkraftelement 15 in eine radial innere Ausgangslage in die Aussparung des Freilauf-Innenteils 19 hinein. Zudem sind in der Basis-Freilauffunktion B (2 bis 6) die Klemmkörper 21 mit der Federvorspannkraft Fv in die (linke) Basis-Schaltposition (2 bis 6) vorgespannt, in der die Klemmkörper 21 gegen die linksseitige Klemmkontur 29 (2 bis 6) drücken. Die Klemmkontur 29 ist Bestandteil einer am Innenumfang des Freilauf-Außenteils 19 ausgebildeten taschenförmigen Ausnehmung 30 (3 oder 8) mit einem radial äußeren Profilboden, der in Umfangsrichtung über Profilflanken in den radial inneren Innenumfang des Freilauf-Außenteils 19 übergeht. Der radial äußere Profilboden der taschenförmigen Ausnehmung bildet eine Freilaufstrecke 28, während die entgegen der ersten Drehrichtung A1 anschließende Profilflanke die Klemmkontur 29 bildet und die in der ersten Drehrichtung A1 anschließende Seitenflanke eine Stützfläche 32 bildet, an der die Vorspannfeder 25 am Freilauf-Außenteil 19 abgestützt ist.
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Nachfolgend wird ein Umschaltvorgang ausgehend von einer speziellen Betriebssituation (MB1, 3) beschrieben, bei der im schaltbaren Freilauf K die Basis-Freilauffunktion B aktiviert ist und das Freilauf-Außenteil 17 als Antriebsteil in der ersten Drehrichtung A1 dreht. In diesem Fall wird über einen Lastpfad L1 (3) ein Drehmoment vom Freilauf-Außenteil 17 auf das als Abtriebsteil wirkende Freilauf-Innenteil 19 übertragen. Die Umschaltung von der Basis-Freilauffunktion B in die Zusatz-Freilauffunktion Z erfolgt selbsttätig, sofern die Drehzahl nA des Freilauf-Außenteils 17 und des damit über die Feder 25 drehgekoppelten Klemmkörperkäfigs 23 eine vordefinierte Fliehkraft-Drehzahlschwelle nFK erreicht. Mit Erreichen der Fliehkraft-Drehzahlschwelle nFK ist die Fliehkraftwirkung Fz ausreichend groß (vgl. 7), so dass das Fliehkraftelement 15 - entgegen der FederVorspannkraft Fv - mit einer Steuerkraft Fs den Klemmkörperkäfig 23 in seine rechte Zusatz-Schaltstellung verstellt, und zwar über einen in der 7 angedeuteten Stellweg Δs. In der rechten Zusatz-Schaltstellung (8) sind die Klemmkörper 21 gegen die Vorspannfeder 25 bis in den Bereich der Freilaufstrecke 28 verlagert, wodurch die Zusatz-Freilauffunktion Z aktiviert ist.
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Um ein leichtgängiges Umschalten von der Basis-Freilauffunktion B in die Zusatz-Freilauffunktion Z zu gewährleisten, kann der Umschaltvorgang in den folgenden beiden Umschalt-Prozessschritten durchgeführt werden: In einem ersten Umschalt-Prozessschritt kann die Drehzahl nI des Freilauf-Innenteils 19 gegenüber der Drehzahl nA des Freilauf-Außenteils 17 bis auf eine Abkoppel-Drehzahlschwelle nab erhöht werden, die um eine Drehzahl-Differenz Δn größer als die Drehzahl nA des Freilauf-Außenteils 17 ist. Somit überholt das Freilauf-Innenteil 19 das Freilauf-Außenteil 17 überholt und ist die Sperrwirkung aufgehoben. In einem folgenden zweiten Umschalt-Prozessschritt können die Drehzahlen nI, nA des Freilauf-Innenteils 19 und des Freilauf-Außenteils 17 unter Beibehaltung der Drehzahl-Differenz Δn weiter erhöht werden, bis der Klemmkörperkäfig 23 die Fliehkraft-Drehzahlschwelle nFK erreicht, ab der das Fliehkraftelement 15 den (nunmehr außer Klemmeingriff befindlichen) Klemmkörperkäfig 23 entgegen der Vorspannkraft Fv in seine Zusatz-Schaltstellung verstellt.
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Neben der ersten Basis-Betriebsart MB1 (3) kann der erfindungsgemäße schaltbare Freilauf K bei aktivierter Basis-Freilauffunktion B noch zweite bis vierte Basis-Betriebsarten MB2 bis MB4 bereitstellen, die nachfolgend beschreiben sind:
- Die zweite Basis-Betriebsart MB2 ist in der 4 gezeigt. Demnach dreht das Freilauf-Außenteil 17 als Antriebsteil in einer zweiten Drehrichtung A2 (Linksdrehung), wodurch die Klemmkörper 21 von der Klemmkontur 29 in Richtung auf die Freilaufstrecke 28 verlagert werden. Dadurch reduziert sich die Sperrwirkung unter gleichzeitigem Aufbau einer übertragungsfreien Freilaufwirkung, bei der keine Drehmomentübertragung von dem Freilauf-Außenteil 17 auf das Freilauf-Innenteil 19 erfolgt.
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Die dritte Basis-Betriebsart MB3 ist in der 5 gezeigt. Demnach dreht das Freilauf-Innenteil 19 als Antriebsteil in der zweiten Drehrichtung A2 (linksdrehend), wodurch die Klemmkörper 21 gegen die rechtsseitige Klemmkontur 29 in die Basis-Schaltstellung gedrückt werden, und zwar unter Aufbau einer drehmomentübertragenden Sperrwirkung, bei der sowohl das Freilauf-Außenteil 17 als auch das Freilauf-Innenteil 19 bei gleicher Drehzahl in der zweiten Drehrichtung A2 drehen sowie das Freilauf-Außenteil 17 als Abtriebsteil wirkt. Dadurch wird über einen Lastpfad L2 (5) ein Drehmoment von dem Freilauf-Innenteil 19 auf das Freilauf-Außenteil 17 übertragen.
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Die vierte Basis-Betriebsart MB4 ist in der 6 gezeigt. Demnach dreht das Freilauf-Innenteil 19 als Antriebsteil in der ersten Drehrichtung A1, so dass der Klemmkörper 21 von der Klemmkontur 29 in Richtung auf die Freilaufstrecke 28 verlagert wird. Dadurch stellt sich eine übertragungsfreie Freilaufwirkung ein, bei der keine Drehmomentenübertragung von dem Freilauf-Innenteil 19 auf das Freilauf-Außenteil 17 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 9
- Vollwelle
- 14
- Fliehkraftaktor
- 15
- Fliehkraftelement
- 17
- Freilauf-Außenteil
- 18
- Drehlager
- 19
- Freilauf-Innenteil
- 21
- Klemmkörper
- 23
- Klemmkörperkäfig
- 24
- Aussparung
- 25
- Vorspannfeder
- 27
- rampenförmige Steuerfläche
- 28
- Freilaufstrecke
- 29
- Klemmkontur
- 30
- taschenförmige Ausnehmung
- 32
- Stützfläche
- A1
- erste Drehrichtung
- A2
- zweite Drehrichtung
- L1, L2
- Lastpfade
- B
- Basis-Freilauffunktion
- Z
- Zusatz-Freilauffunktion
- Δs
- Stellweg
- FZ
- Fliehkraft
- FS
- Steuerkraft
- FV
- Vorspannkraft
- D
- Drehachse
- nFK
- Fliehkraft-Drehzahlschwelle
- nab
- Abkoppel-Drehzahlschwelle
- nI
- Drehzahl des Freilauf-Innenteils
- nA
- Drehzahl des Freilauf-Außenteils
- Δn
- Drehzahl-Differenz
