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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Antriebsstrang gemäß Patentanspruch 1.
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Ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs umfasst üblicherweise eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, und ermöglicht - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch den Verbrennungsmotor und den Elektromotor anzutreiben. Im Hybridfahrzeug ersetzt der Elektromotor meist zum einen den früher üblichen Anlasser für den Verbrennungsmotor und zum anderen die früher übliche Lichtmaschine, um eine Gewichtszunahme des Hybridfahrzeugs gegenüber ausschließlich verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen zu reduzieren.
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Gattungsgemäße Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Diesbezüglich offenbart bspw. die
DE 10 2017 212 898 A1 einen Hybrid-Antriebsstrang, bei dem eine Trennkupplung zumindest ein erstes Kupplungsteil, ein zweites Kupplungsteil und eine axial verschiebbare Schiebemuffe zum Öffnen und Schließen der Trennkupplung aufweist. Weiterer Stand der Technik ist mit der
DE 10 2018 212 575 A1 und der
AT 507 523 A2 bekannt.
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Wie ferner aus der
EP 0 773 127 A1 bekannt ist, kann zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor eine Trennkupplung angeordnet sein, um den Verbrennungsmotor vom Elektromotor und vom restlichen Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs abzutrennen. Bei rein elektrischer Betriebsweise wird dann die Trennkupplung, die auch als K0-Kupplung bezeichnet wird, geöffnet und der Verbrennungsmotor abgeschaltet, so dass das Antriebsmoment des Hybridfahrzeugs ausschließlich vom Elektromotor aufgebracht wird.
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Derartige Trennkupplungen werden üblicherweise mittels eines hydraulischen Betätigungssystems betätigt. Ein hydraulisches Betätigungssystem verfügt in der Regel über einen Geberzylinder, der den am Geberzylinder erzeugten Druck über eine hydraulische Druckleitung an einen Nehmerzylinder überträgt. Der Nehmerzylinder überträgt mittels eines in axialer Richtung verlagerbaren Kolbens, und unter Zwischenschaltung eines Kupplungsausrücklagers, den hydraulischen Druck auf ein Hebelsystem, mittels dessen ein Reibschluss an der Trennkupplung ausgebildet oder gelöst wird. Vollhydraulische Betätigungssysteme, wie sie in der Regel bei Hybridmodulen zum Einsatz kommen, können beispielsweise mit einem Zentralausrücker ausgestattet sein, der häufig auch als Concentric Slave Cylinder (CSC) bezeichnet wird.
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Die zur Hybridisierung konventioneller Antriebsstränge benötigten Trennkupplungen müssen verglichen mit konventionellen Anfahr- bzw. Gangwechselkupplungen besonderen Anforderungen hinsichtlich Baugröße und Energieeffizienz genügen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit bereitzustellen, die eine möglichst kompakte Bauform und hohe Leistungsdichte bei möglichst geringer Bauteilkomplexität und Fertigungskosten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebseinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mit einer verbrennungsmotorseitig anbindbaren Eingangswelle, einer getriebeseitig anbindbaren Ausgangswelle, einer zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle wirkend eingesetzten Trennkupplung, wobei ein erster Kupplungsbestandteil der Trennkupplung mit der Eingangswelle drehfest verbunden ist und ein zweiter Kupplungsbestandteil der Trennkupplung mit der Ausgangswelle drehfest verbunden ist, mit einem Elektromotor, dessen Rotor auf einem mit dem ersten Kupplungsbestandteil dauerhaft drehfest verbundenen Rotorträger sitzt, sowie mit einer die Trennkupplung steuernden hydraulischen Betätigungseinrichtung zum Öffnen oder Schließen der Trennkupplung, die ein Gehäuse und einen axial versatzbaren und an oder in dem Gehäuse gelagerten Hydraulikkolben aufweist, wobei die Trennkupplung als Konuskupplung ausgebildet ist, deren erster Kupplungsbestandteil und/oder deren zweiter Kupplungsbestandteil jeweils einen konusförmigen Reibbelag umfassen/umfasst, wobei der erste Kupplungsbestandteil unmittelbar mit dem Hydraulikkolben der hydraulischen Betätigungseinrichtung verbunden ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist es, dass bei dem hier vorgeschlagenen P1-Hybridaufbau, bei dem der Rotorträger drehfest mit der Eingangswelle verbunden ist, durch den Einsatz der Konuskupplung das Schleppmoment-Verhalten der Kupplung gegenüber herkömmlichen, rein axial geschachtelten, Lamellenkupplungen deutlich verbessert werden kann, wodurch die Leistungsdichte der Antriebseinheit gesteigert wird.
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Zunächst werden die einzelnen Bauteile der Antriebseinheit näher erläutert.
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Eine Trennkupplung hat die grundsätzliche Funktion, eine lösbare, kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen einer Kupplungseingangswelle und einer Kupplungsausgangswelle zur Übertragung eines Drehmoments herzustellen.
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Die Trennkupplung ist erfindungsgemäß als Konuskupplung ausgebildet. Die Konuskupplung ist eine kraftschlüssige Kupplung mit konusförmiger Klemmnabe, durch die der Kraftschluss zwischen den beiden Kupplungsbestandteilen der Trennkupplung hergestellt wird.
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Die hydraulische Betätigungseinrichtung erfolgt über sogenannte hydraulische Drehdurchführungen, bei denen die Hydraulikflüssigkeit in eine Kammer (Druckkammer) eingebracht wird, wodurch der Hydraulikkolben in Abhängigkeit des Drucks am Hydraulikkolben zum Schließen und Öffnen der Trennkupplung bewegt wird.
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Die Antriebseinheit kann insbesondere als ein Hybridmodul ausgebildet sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
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Das vorliegende Hybridmodul ist als P1-Hybrid-Anordnung ausgebildet, bei der der Elektromotor direkt hinter der Brennkraftmaschine angeordnet ist, also im Drehmomentfluss vor der Trennkupplung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist der Rotorträger eine erste Ausnehmung auf und der erste Kupplungsbestandteil greift zur drehfesten Verbindung mit dem Rotorträger in die erste Ausnehmung ein.
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Vorteilhafterweise weist der Rotorträger eine Vielzahl an über den Umfang verteilten Ausnehmungen auf, wobei der erste Kupplungsbestandteil zur drehfesten Verbindung mit dem Rotorträger in die jeweiligen Ausnehmungen eingreift.
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Die zuvor beschriebene Ausnehmung, bzw. Ausnehmungen können durch Stanzen im Rotorträger erzeugt werden. Der erste Kupplungsbestandteil weist zum Eingriff in die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen jeweils eine Nase auf. Durch den Eingriff der Nase in die Ausnehmung kann das Drehmoment zwischen dem Rotorträger und dem ersten Kupplungsbestandteil übertragen werden.
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Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen können die Nasen und Ausnehmungen jeweils zueinander mit Spiel erzeugt sein. Dies ermöglicht eine einfache axiale Verschiebung des ersten Kupplungsbestandteils bei Betätigung des Hydraulikkolbens, um die Trennkupplung zu Schließen oder zu öffnen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind der Hydraulikkolben und der erste Kupplungsbestandteil über eine Schweißverbindung miteinander verbunden.
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Die Schweißverbindung ermöglicht eine direkte Kraftübertragung des Kolbens auf den ersten Kupplungsbestandteil, der, wie zuvor beschrieben, axial verschieblich aber drehfest gegenüber dem Rotorträger angeordnet ist und so ein Öffnen und Schließen der Trennkupplung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Gehäuse zur Lagerung des Hydraulikkolbens drehfest mit dem Rotorträger verbunden. Das Gehäuse dreht somit mit Rotordrehzahl, bzw. der Drehzahl der Eingangswelle. Gleichzeitig kann das Gehäuse gegenüber der Ausgangswelle drehbar gelagert sein. Hierfür können entsprechende Nadellager vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Rückstellfeder zum Öffnen der Konuskupplung vorgesehen, wobei die Rückstellfeder sich am Gehäuse der hydraulischen Betätigungseinrichtung einerseits und am Hydraulikkolben andererseits abstützt. Durch den Einsatz der Rückstellfeder wird eine gute Ansteuerung der Kupplung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse eine Kammer und eine Bohrung zur Zuführung von Hydraulikflüssigkeit in die Kammer auf, wobei der Hydraulikkolben in Abhängigkeit des Hydraulikdrucks in der Kammer und der Rückstellkraft durch die Rückstellfeder zum Öffnen und Schließen der Trennkupplung bewegt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste Kupplungsbestandteil einen Konuskupplungsdruckdring auf, wobei der zweite Kupplungsbestandteil einerseits einen Reibringbereich mit dem konusförmigen Reibbelag und andererseits eine einteilig mit dem Reibringbereich ausgebildete Abtriebsnabe zur Verbindung mit der Ausgangswelle aufweist. Die Abtriebsnabe kann auf der Ausgangswelle in axialer Richtung abgestützt sein, um die beim Schalten der Kupplung auftretenden Axialkräfte aufzunehmen. Beispielsweise kann hierfür ein Sicherungsring vorgesehen sein. Eine solche Ausgestaltung wird auch als Einfachkonuskupplung bezeichnet. Einfachkonuskupplungen bringen besondere Vorteile hinsichtlich Kosten und Schleppmomenreduzierung mit sich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste Kupplungsbestandteil einen Konuskupplungsdruckring auf, wobei ein erster Reibring vorgesehen ist, der drehfest mit dem Rotorträger verbunden ist, wobei der zweite Kupplungsbestandteil einen dritten Reibring aufweist, wobei der dritte Reibring zwischen dem Konuskupplungsdruckring und dem ersten Reibring angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung wird auch als Zweifachkonuskupplung bezeichnet. Die Zweifachkonuskupplung bringt besondere Vorteile dahingehend mit, dass der Kraftfluss der beim Schalten auftretenden Axialkräfte in sich geschlossen ist. Eine Abstützung über die Ausgangswelle ist hier nicht erforderlich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zweite Kupplungsbestandteil eine Abtriebsnabe zur Verbindung mit der Ausgangswelle aufweist, wobei die Abtriebsnabe eine zweite Ausnehmung aufweist und der dritte Reibring zur drehfesten Verbindung mit der Abtriebsnabe in die zweite Ausnehmung eingreift.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Antriebseinheit in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Antriebseinheit in einer schematischen Axialschnittansicht.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Antriebseinheit 1 für einen Antriebsstrang 2 eines Kraftfahrzeuges. In der gezeigten Ausführungsform ist die Antriebseinheit 1 als ein P1-Hybridmodul ausgebildet. Hierbei ist der Elektromotor, bzw. der Rotor 9 des Elektromotors 8, über einen Rotorträger 10 mit der Eingangswelle drehfest verbunden.
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Die Antriebseinheit 1 besitzt eine mit einer verbrennungsmotorseitig anbindbare Eingangswelle 3, eine getriebeseitig anbindbare Ausgangswelle 4, einer zwischen der Eingangswelle 3 und der Ausgangswelle 4 wirkend eingesetzten Trennkupplung 5. Ein erster Kupplungsbestandteil 6 der Trennkupplung 5 ist mit der Eingangswelle 3 drehfest verbunden und ein zweiter Kupplungsbestandteil 7 der Trennkupplung 5 mit der Ausgangswelle 4.
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Die Trennkupplung 5 wird durch die hydraulische Betätigungseinrichtung 11, die ein Gehäuse 12 und einen axial versatzbaren und an oder in dem Gehäuse 12 gelagerten Hydraulikkolben 13 aufweist, aktuiert, also in ihren eingekuppelten oder ausgekuppelten Betriebszustand überführt. Die hydraulische Betätigung erfolgt in Form einer Betätigung mittels Drehdurchführung.
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Die Trennkupplung 5 ist als Konuskupplung 14, hier als Einfachkonuskupplung, ausgebildet, deren erster Kupplungsbestandteil 6 und deren zweiter Kupplungsbestandteil 7 jeweils einen konusförmigen Reibbelag 15 umfassen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform der Antriebseinheit 1 ist der mit dem ersten Kupplungsbestandteil 6 ausgebildete Konuskupplungsdruckring 21 radial oberhalb eines mit dem zweiten Kupplungsbestandteil 7 ausgebildeten konusförmigen Reibrings angeordnet, wobei der Konuskupplungsdruckring 21 formschlüssig mit einem Rotorgehäuse 10 gekoppelt und der Reibring einteilig mit der Abtriebsnabe 23 ausgebildet ist.
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Die Abtriebsnabe 23 ist über eine Steckverzahnung mit der Ausgangswelle 4, hier eine Getriebeeingangswelle, verbunden und axial über einen Sicherungsring gesichert. Die axiale Sicherung kann auch über andere Sicherungselemente, wie bspw. eine Wellenmutter, oder auch über eine Presspassung erfolgen.
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Die hydraulische Betätigungseinrichtung 11 zum Schließen oder Öffnen der Trennkupplung 5 übt in Form eines Hydraulikkolbens 13 eine Axialkraft den axial verschiebbaren an der Eingangswelle 3 drehfest gelagerten Konuskupplungsdruckring 21 in derart aus, dass ein Reibschluss zwischen dem ersten Kupplungsbestandteil 6 und dem zweiten Kupplungsbestandteil 7 herstellbar ist. Hierbei sind der Hydraulikkolben 13 und der Konuskupplungsdruckring 21 fest miteinander verbunden, hier in Form einer Schweißverbindung 17. Die Verbindung kann auch durch andere form- und/oder stoffschlüssige Verbindungen erfolgen.
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Der Hydraulikkolben 13 ist im Gehäuse 12 der Betätigungseinrichtung 11 gelagert und axial verschieblich. Wobei das Gehäuse 12 eine Kammer 19 und entsprechende Bohrungen 20 zur Zuführung von Hydraulikflüssigkeit in die Kammer 19 aufweist. Der Kammer 19 gegenüberliegend auf der anderen Seite des Hydraulikkolbens 13 sind Rückstellfedern 18 angeordnet, die sich einerseits am Gehäuse 12 der Betätigungseinrichtung 11 und andererseits am Hydraulikkolben 13 abstützen und so eine Rückstellung des Hydraulikkolbens 13 und somit des Konuskupplungsdruckrings 21 nach Betätigung der Trennkupplung 5 ermöglichen.
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Die Betätigung selbst erfolgt durch Druckanstieg in der Kammer 19. Übersteigt die durch den Druck in der Kammer 19 vorliegende Kraft die durch die Rückstellfedern 18 erzeugte Gegenkraft, wird der Hydraulikkolben 13 in seine Schließstellung bewegt und die Trennkupplung 5 geschlossen.
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Fällt der Druck in der Kammer 19 und somit die vorliegende Kraft unter die durch die Rückstellfedern 18 vorliegende Kraft, wird der Hydraulikkolben 13 in die geöffnete Stellung bewegt und die Trennkupplung 5 somit geöffnet.
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Der Konuskupplungsdruckring 21 ist durch Nasen, die in und/oder durch Ausnehmungen 16 des Rotorträgers 10 eingreifen, formschlüssig und axial verschieblich mit dem Rotorträger 10 verbunden. Die formschlüssige Verbindung bleibt auch bei Betätigung der Konuskupplung 14, also bei Verschiebung des Konuskupplungsdruckrings 21, erhalten.
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Eine zweite Ausführungsform der Antriebseinheit 1 ist in der 2 gezeigt. Die in 2 gezeigte Ausführungsform entspricht grundsätzlich der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei entgegen den Darstellungen zu 1 die Ausführungsform gemäß 2 als Zweifachkonuskupplung ausgebildet ist. Hierbei weist der erste Kupplungsbestandteil 6 neben dem bzgl. 1 beschriebenen Konuskupplungsdruckring 21 einen ersten Reibring 24 auf, der drehfest mit dem Rotorträger 10 verbunden ist. Der zweite Kupplungsbestandteil 7 weist einen dritten Reibring 25 auf, und der dritte Reibring 25 ist zwischen dem Konuskupplungsdruckring 21 und dem ersten Reibring 24 angeordnet. Dies erfolgt in radialer Richtung.
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Die Abtriebsnabe 23 weist Ausnehmungen 27 auf, in die entsprechenden Nasen des dritten Reibrings eingreifen, wodurch das im geschlossenen Zustand der Trennkupplung 5 vom ersten Kupplungsbestandteil 6 auf den zweiten Kupplungsbestandteil 7 übertragene Drehmoment über die Nasen des dritten Reibrings auf die Abtriebsnabe 23 und letztlich über die Abtriebsnabe 23 auf die Ausgangswelle 4 übertragen wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Antriebsstrang
- 3
- Eingangswelle
- 4
- Ausgangswelle
- 5
- Trennkupplung
- 6
- Erster Kupplungsbestandteil
- 7
- Zweiter Kupplungsbestandteil
- 8
- Elektromotor
- 9
- Rotor
- 10
- Rotorträger
- 11
- Hydraulische Betätigungseinrichtung
- 12
- Gehäuse
- 13
- Hydraulikkolben
- 14
- Konuskupplung
- 15
- Reibbelag
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Schweißverbindung
- 18
- Rückstellfeder
- 19
- Kammer
- 20
- Bohrung
- 21
- Konuskupplungsdruckring
- 22
- Reibringbereich
- 23
- Abtriebsnabe
- 24
- Erster Reibring
- 25
- Dritter Reibring
- 26
- Abtriebsnabe
- 27
- Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212898 A1 [0003]
- DE 102018212575 A1 [0003]
- AT 507523 A2 [0003]
- EP 0773127 A1 [0004]
