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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein motorgesteuertes Kupplungssystem, insbesondere auf ein Kupplungssystem, das in der Lage ist, ein Kupplungselement in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Motors bidirektional zu betätigen.
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HINTERGRUND
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In Rotationseinheiten für Fahrzeuge werden häufig Kupplungen verwendet, um diese Funktionen selektiv ein- und auszuschalten. Ein sogenanntes Sperrdifferential hat beispielsweise eine eingebaute Klauenkupplung, die normalerweise getrennt ist, um eine Differentialbewegung zwischen den Abtriebsachsen zu ermöglichen, und, wenn sie mittels eines externen Aktuators verbunden ist, die Differentialbewegung sperrt.
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Die Kupplung befindet sich in einer Rotationseinheit, die dreht, und deren Steuerung durch ein externes Element, da es stationär ist, einen besonderen Mechanismus erfordert. In der Vergangenheit wurden bereits einige Vorrichtungen mit Steuerkurvenmechanismen unter Verwendung von Motoren oder Magnetantrieben vorgeschlagen. Die Patentliteratur 1 bis 3 offenbart Stand der Technik.
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Zitierliste
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Patentliteratur
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- PTL 1: PCT Internationale Veröffentlichung WO 2017/060963 A1
- PTL 2: PCT Internationale Veröffentlichung WO 2016/035129 A1
- PTL 3: PCT Internationale Veröffentlichung WO 2018/109874 A1
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die bestehenden Aktuatoren bieten zwar viele Vorteile, haben aber das Problem, dass ihre Wirkung nicht unbedingt mit ihrem Zustand übereinstimmt. Genauer gesagt, selbst wenn deren Motor oder Magnetspule bestromt wird, wird die Kupplung häufig nicht geschlossen, zumindest weil der Steuerkurvenmechanismus nicht frei von Hysterese ist, und insbesondere in dem seltenen Fall, dass sich die Kupplungszähne zufällig in einer für den gegenseitigen Eingriff ungeeigneten Position befinden. Darüber hinaus kann auch bei ausgeschaltetem Motor ein vorübergehendes Haften zwischen den Kupplungszähnen aufgrund von Viskosität des Schmieröls oder Magnetisierung ein Entkoppeln verzögern. Um unvorhersehbare Vorgänge zu vermeiden, ist es daher häufig notwendig, Vorrichtungen zum Erkennen, ob die Kupplung eingerückt ist oder nicht, hinzuzufügen.
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Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung wurde im Hinblick auf die oben genannten Probleme entwickelt, und in der Vorrichtung spiegelt ein Drehwinkel eines Motors richtigerweise eine Weglänge eines Kupplungselements wider, so dass nur durch Messung des Drehwinkels bestimmt werden kann, ob die Kupplung ein- oder ausgekuppelt ist.
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Gemäß einem Aspekt ist ein Kupplungssystem zum Verwenden eines Motors zur Steuerung einer Kraftübertragungsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs vorgesehen mit: einem Kupplungselement, das bidirektional in einer axialen Richtung beweglich ist; einem Basiselement, das an einer Drehbewegung um eine Achse gehindert wird; einem Gegenelement, das axial von dem Basiselement entfernt ist und diesem gegenüberliegt, wobei das Gegenelement an einer Drehbewegung in beidem, in einer Umfangsrichtung und in axialer Richtung, gehindert wird; einem Wirkelement, das zwischen dem Basiselement und dem Gegenelement angeordnet, in axialer Richtung beweglich, mit dem Kupplungselement antriebsverbunden ist, und mit dem Motor gekoppelt ist, um eine Drehbewegung um die Achse zu erzeugen; und einer Kurvenschräge, die in Umfangsrichtung schräg und vom Basiselement in Richtung Gegenelement ansteigend verläuft, um die Drehbewegung in eine Bewegung des Wirkelements in axiale Richtung umzuwandeln.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine Teilschnittansicht einer Differentialvorrichtung mit einem Kupplungssystem gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist eine Teilschnittansicht einer Differentialvorrichtung mit einem Kupplungssystem gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 3A ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Motors und des Kupplungssystems.
- 3B ist eine Explosionsseitenansicht des Kupplungssystems entsprechend 3A.
- 4A ist eine Teilschnittansicht, die insbesondere den Motor und das Kupplungssystem im Detail zeigt.
- 4B ist eine Teilschnittansicht entsprechend 4A, basierend auf einem anderen Beispiel.
- 4C ist eine Teilschnittansicht entsprechend 4A, basierend auf einem weiteren Beispiel.
- 5 ist eine Schnittansicht des Kupplungssystems zur Veranschaulichung der Wirkung eines Wirkelements entlang seiner Umfangsrichtung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Beschreibungen und den beigefügten Ansprüchen bedeutet eine Achse, sofern nicht anders beschrieben, eine zentrale Achse eines Kupplungssystems, die normalerweise mit einer Drehachse einer Kraftübertragungsvorrichtung übereinstimmt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, und es wird daher besonders darauf hingewiesen, dass die Maßverhältnisse nicht auf die darin gezeichneten beschränkt sind.
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Eine Kombination aus einem Kupplungssystem und einem Motor, wie im Folgenden beschrieben, kann vorzugsweise mit einer Rotationseinheit, wie z. B. einem Differential, kombiniert werden, um eine Kraftübertragungsvorrichtung zum Antreiben eines Fahrzeugs zu bilden, und kann insbesondere zum Verbinden oder Trennen der Kupplung von der Außenseite der Rotationseinheit verwendet werden, um deren Funktion zu steuern. Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, kann die Kupplung durch Einstellen des Motors auf normale Drehung oder auf Rückwärtsdrehung ein- oder ausgeschaltet werden, wobei die Drehwinkel des Motors während des gesamten Vorgangs die Positionen eines Kupplungselements ständig richtig widerspiegeln.
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Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich zwar auf Differentiale, aber die Vorrichtung ist auch auf jede andere Rotationseinheit wie ein Getriebe, eine Kraftübertragungseinheit (power transfer unit, PTU) oder eine Kupplungsvorrichtung anwendbar. Obwohl als Kupplung eine so genannte Klauenkupplung mit Klauenzähnen beschrieben wird, ist die Vorrichtung auf jeden anderen Typ anwendbar, wie z. B. eine Formschlusskupplung und, allgemeiner, jede Kupplung mit einer Struktur, die nicht durch Reibung, sondern durch gegenseitiges Ineinandergreifen ein Drehmoment überträgt, und ferner eine Reibungskupplung, wie z. B. eine Lamellenkupplung.
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Im Wesentlichen bezugnehmend auf 1 und 2 wird ein Kupplungssystem 1, zur Steuerung der Wirkung des Differentials 3, mit einem Motor 5 zum Antreiben einer Kupplung 7 kombiniert.
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Das Differential 3 nimmt Drehmoment des Motors über ein Ringrad auf, das an einem Flansch befestigt ist, der sich z. B. radial von seinem Gehäuse 31 aus erstreckt, und dabei um die Achse X rotiert, wie in den Zeichnungen durch einen Pfeil T dargestellt. Im gezeigten Beispiel ist das Differential 3 mit einem Differentialradsatz nach Kegelrad-Art ausgestattet, bei dem die Ausgleichsräder 33 drehbar im Gehäuse 31 gelagert sind und das, da ein Paar Seitenräder 35, 37 mit den Ausgleichsrädern kämmt, das Drehmoment differentiell auf beide Achsen verteilt. Wenn die Kupplung 7 ausgekuppelt wird, ist eine Ausgleichsbewegung zwischen den Seitenrädern 35, 37 möglich, wohingegen die Ausgleichsbewegung im eingekuppelten Zustand gesperrt ist. Natürlich ist anstelle des Kegelradgetriebes auch jedes andere Getriebe, wie z. B. ein Stirnrad- oder ein Planetenradgetriebe, möglich. Auch wenn die in den 1 und 2 gezeigten Beispiele sogenannte Sperrdifferentiale betreffen, können stattdessen auch sogenannte freilaufende Differentiale mit dem Kupplungssystem 1 kombiniert werden.
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Das Gehäuse 31 kann als zweiteiliger Typ, das eine Teilung in zwei Teile ermöglicht, oder natürlich als unteilbares einteiliges Gehäuse ausgeführt werden. Bei der zweiteiligen Ausführung ist das Gehäuse z. B. im Bereich des Flansches geteilt. In beiden Fällen können das Kupplungssystem 1, der Motor 5 und die Kupplung 7 gegenüber dem Flansch angeordnet sein, wie in 1 gezeigt, oder sie können näher am Flansch angeordnet sein, wie in 2 gezeigt.
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Bezugnehmend auf die 3A und 3B ist das Kupplungssystem 1 im Allgemeinen mit einem Basiselement 13, einem Gegenelement 15, das axial davon entfernt ist und diesem gegenüberliegt, und einem dazwischen angeordneten Wirkelement 11 versehen. Das Wirkelement 11, das Basiselement 13 und das Gegenelement 15 sind alle Scheibenelemente, die um die Achse X kreisförmig sind und jeweils irgendwelche Strukturen aufweisen, die in axialer Richtung vorstehen. Dass sie kreisförmig sind und aus einem Scheibenelement geformt werden, ist nicht unbedingt erforderlich, kann aber von Vorteil sein, um die Herstellung durch Stanzen eines Blechs aus Baustahl, Bearbeiten des Blechs und Pressformen des bearbeiteten Blechs zu ermöglichen. Diese Elemente sind benachbart zum, aber außerhalb des Gehäuses 31 angeordnet und haben eine gemeinsame Achse X mit dem Gehäuse 31.
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Das Basiselement 13 ist gegenüber der Fahrzeugkarosserie, insbesondere dem Träger darin, verdrehgesichert. Das Gegenelement 15 und das Basiselement 13 stehen miteinander in Eingriff, wodurch sie sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung gegen Bewegung gesichert sind, oder können fixiert sein. Das Wirkelement 11 ist zwischen diesen Elementen angeordnet und sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung beweglich. Um das Wirkelement 11 in seine Ausgangsposition zurückzudrehen, kann beispielsweise zwischen dem Gegenelement 15 und dem Wirkelement 11 eine Feder 25 zwischengeschaltet sein, um das Wirkelement 11 in Richtung des Basiselements 13 zu beaufschlagen.
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Das Wirkelement 11 ist mit einer Verzahnung 11G versehen, um mit dem Motor 5 in Eingriff zu kommen. Ein beliebiger Teil des Außenumfangs des Wirkelements 11 kann beispielsweise radial nach außen ragen, und dessen Außenumfang kann mit Zähnen versehen sein, um die Verzahnung 11G zu bilden. Die dadurch gebildete Anordnung ist vorteilhaft, um eine Struktur zu bilden, bei welcher der Motor 5 radial außerhalb des Kupplungssystems 1 angeordnet ist und dessen Getriebewelle 15G mit dem gezahnten Außenumfang in Eingriff steht. Gegebenenfalls kann die Verzahnung 11G an jedem anderen Abschnitt gebildet werden, um den Motor 5 in jeder anderen Position anzuordnen.
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Bezugnehmend auf 4A in Kombination mit den 3A, 3B, da die Verzahnung 11G mit der Getriebewelle 15G in Eingriff steht und die Drehung des Motors 5 aufnimmt, erzeugt das Wirkelement 11 eine Drehbewegung um die Achse X. Es versteht sich, dass sowohl normale als auch umgekehrte Drehbewegungen möglich sind.
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Der Motor 5 kann so aufgebaut sein, dass er die Drehbewegung des Rotors direkt an die Getriebewelle 5G abgibt, wie in 4A dargestellt, wobei jede Struktur mit einem Getriebemechanismus stattdessen ebenfalls anwendbar ist. In 4B ist beispielsweise dargestellt, dass der Motor 5 die Drehbewegung über ein Schneckengetriebe 41 ausgibt. Wenn das Schneckengetriebe 41 eingreift, wirkt dessen eigene Reibung als Widerstand gegen die äußere Kraft und hält so die Position der Verzahnung 11G. Anstatt den Motor 5 mit dem Schneckengetriebe 41 auszustatten, können die Getriebewelle 5G und die Verzahnung 11G auch einen Schneckenradsatz bilden. In jedem Fall sind, da der Motor 5 nicht angetrieben werden muss, um die Position des Wirkelements 11 zu halten, die vorgenannten Konstruktionen im Hinblick auf Energieeinsparung vorteilhaft.
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Oder, wie in dem Beispiel gemäß 4C dargestellt, benötigt die Kopplung zwischen dem Motor 5 und dem Wirkelement 11 keine Verzahnung 11G. Der Motor 5 könnte ein Axialspaltmotor oder ein Radialspaltmotor sein, der einen Rotor 51 mit einer Hohlwelle hat, und somit könnte der Motor 5 koaxial mit dem Differential 3 und dem Kupplungssystem 1 sein. Die Kopplung zwischen dem Rotor 51 und dem Wirkelement 11 kann durch ein Drehelement 53 realisiert werden, das beispielsweise über eine Verzahnung (Splines) mit dem Rotor 51 verbunden ist. Das Drehelement 53 hat eine allgemein zylindrische Form, die an ihrem Außenumfang beispielsweise eine Keilverzahnung zum Verzahnungs-Koppeln mit dem Rotor 51 und ferner einen Flansch für eine Schraubverbindung aufweist, wobei seine Form aber nicht darauf beschränkt ist. Das Drehelement 53 dient ferner, anstelle einer später beschriebenen Befestigungsplatte 19, als Träger für ein Kugellager 21. Weiter alternativ dazu können das Wirkelement 11 und das Drehelement 53 auch einen einteiligen Körper bilden.
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Der Motor 5 ist gegen Drehen zu sichern, und die Verdrehsicherung kann beispielsweise durch eine am Träger befestigte Halterung 43 (bracket) erfolgen. Die Verdrehsicherung des Grundkörpers 13 kann auch durch die Halterung 43 erfolgen, oder der Grundkörper 13 und die Halterung 43 können einen einheitlichen Körper bilden.
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Wieder bezugnehmend auf die 3A, 3B ist ein Kupplungselement 9 ganz am Ende des Kupplungssystems 1 angeordnet und befindet sich im Allgemeinen innerhalb des Gehäuses 31. Das Kupplungselement 9 ist an einer Stirnseite mit einer Eingriffsstruktur wie z. B. Kupplungszähnen 9T versehen. In einem Fall, in dem das Differential 3 ein Sperrdifferential ist, ist eines der Seitenräder 35 mit einer entsprechenden Eingriffsstruktur versehen, die in Verbindung mit dem Kupplungselement 9 die Kupplung 7 bildet. Im Falle eines freilaufenden Differentials, wie bereits beschrieben, ist dessen Innengehäuse mit der Eingriffsstruktur versehen, um die Kupplung 7 zu bilden. Das Kupplungselement 9 ist in axialer Richtung im Gehäuse 31 bidirektional beweglich und bewirkt, wenn es vom Seitenrad 35 (oder dem Innengehäuse) wegbewegt wird, ein Ausrücken der Kupplung 7, während es, wenn es in entgegengesetzter Richtung bewegt wird, ein Einrücken der Kupplung 7 bewirkt. Eine Rückstellfeder 27 ist, obwohl unwesentlich, zur Unterstützung des Ausrückens der Kupplung 7 einsetzbar.
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Während das Wirkelement 11 direkt mit dem Kupplungselement 9 gekoppelt werden kann, kann ein Übertragungselement 17 dazwischen angeordnet werden, um dessen axiale Bewegung auf das Kupplungselement 9 zu übertragen. Die Verbindung zwischen dem Kupplungselement 9 und dem Übertragungselement 17 kann durch Bolzen hergestellt werden, und für die Bolzenverbindung können Schenkel 9L, die sich vom Kupplungselement 9 erstrecken, oder Laschen 17T, die sich vom Wirkelement 11 erstrecken, oder beide verwendet werden. Wie beispielsweise in 1 gezeigt, können sich die Laschen 17T durch eine am Ende des Gehäuses 31 relativ weit geöffnete Öffnung 31H erstrecken und nach außen hin freiliegen, und diese freiliegenden Abschnitte können für die Bolzenverbindung verwendet werden. Alternativ können die Öffnungen 31H, wie in dem Beispiel gemäß 2 dargestellt, schmale Durchgangslöcher sein, und die Laschen 17T können sich durch diese Durchgangslöcher in das Gehäuse 31 erstrecken und mit dem Kupplungselement 9 im Inneren verbunden sein. In jedem Fall ist es, wie später ausführlicher beschrieben, nicht erforderlich, dass die Öffnung(en) 31H eine Kurvenstruktur zur Unterstützung des Eingriffs des Kupplungselements 9 aufweisen, weshalb deren Herstellung einfach ist und die Festigkeit und Steifigkeit des Gehäuses 31 nicht beeinträchtigt. Die schmalen Durchgangslöcher, wie sie in 2 dargestellt sind, sind eher vorteilhaft für die Aufrechterhaltung der Festigkeit und der Steifigkeit.
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Wieder bezugnehmend auf 3A, 3B, sind das Übertragungselement 17 und das Wirkelement 11 miteinander gekoppelt, obwohl das Kugellager 21 dazwischen angeordnet ist, so dass das Übertragungselement 17 relativ zum Wirkelement 11 drehbar ist. Anstelle des Kugellagers 21 kann auch ein anderes Lager verwendet werden, oder das Wirkelement 11 kann gleitend mit dem Übertragungselement 17 gekoppelt werden, solange eine reibungsarme Drehung gewährleistet ist. In einem Fall, in dem ein Kugellager 21 verwendet wird, kann für den inneren Umfang des Wirkelements jede geeignete Struktur verwendet werden, die ein gegenseitiges Einpassen und Ineinandergreifen damit ermöglicht. Ferner ist es möglich, die Befestigungsplatte 19 zu verwenden und das Kugellager 21 zwischen der Befestigungsplatte 19 und dem Wirkelement 11 anzuordnen, so dass sich diese Elemente einheitlich in axialer Richtung bewegen. Das Kugellager 21 ist an dem Übertragungselement 17 befestigt, und ein Sprengring 23 ist beispielsweise für eine solche Befestigung geeignet. Das Übertragungselement 17 ist somit relativ zum Wirkelement 11 drehbar, während die bidirektionalen Bewegungen des Wirkelements 11 in axialer Richtung auf das Kupplungselement 9 übertragen werden.
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Unter Bezugnahme auf 5 in Kombination mit den 3A, 3B, weist die Kombination der Elemente 11, 13 und 15 eine Struktur zur Umwandlung der Rotationsbewegung des Wirkelements 11 durch den Motor 5 in eine Bewegung in axialer Richtung auf. Ein Beispiel sind die Kurvenschrägen 13C, die jeweils vom Basiselement 13 in Richtung zum Gegenelement 15 geneigt sind bzw. ansteigen. Wenn das Wirkelement 11 eine Rotationsbewegung R in Umfangsrichtung erzeugt, führen die Kurvenschrägen 13C das Wirkelement 11 und bewirken dadurch eine Bewegung M in axialer Richtung. Wie bereits beschrieben, kann diese Struktur leicht durch Pressformen hergestellt werden. Oder, obwohl nicht dargestellt, können die Kurvenschrägen 13C separate Körper vom Grundelement 13 sein.
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Das Wirkelement 11 weist eine Struktur auf, die auf die Kurvenschrägen 13C bezogen ist; ein Beispiel hierfür sind die Schrägen 11C, die jeweils den Kurvenschrägen 13C entsprechen. Die Schrägen 11C sind vorzugsweise so dimensioniert, dass sie in ständigem Flächenkontakt mit den Kurvenschrägen 13C stehen. Weiter korrespondierend mit diesen Elementen, kann das Gegenelement 15 auch mit zweiten Kurvenschrägen 15C versehen sein. Die Schrägen 11C des Wirkelements 11 stehen in ständigem Flächenkontakt mit diesen beiden Kurvenschrägen 13C und 15C. Diese Struktur verhindert, dass die Axialbewegung M eine Hysterese in Bezug auf die Drehbewegung R erzeugt. Genauer gesagt spiegelt der Drehwinkel des Motors 5 die Axialbewegung des Kupplungselements 9 korrekt wider.
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Als im Zusammenhang mit den Kurvenschrägen 13C stehende Struktur des Wirkelements 11 können anstelle der Schrägen 11C auch Öffnungen vorgesehen sein, die jeweils die Kurvenschrägen 13C aufnehmen. Da die Kurvenschrägen 13C teilweise in die Öffnungen des Wirkelements 11 passen und darauf gleiten, führen die Öffnungen das Wirkelement 11. In diesem Fall können die zweiten Kurvenschrägen 15C, im Gegensatz zu den in 5 gezeigten Schrägen, in Richtung des Basiselements 13 geneigt sein, und beide Kurvenschrägen 11C, 15C können in jedem Fall mit dem Wirkelement 11 ständig in Kontakt stehen und es dadurch führen. Diese Struktur wandelt nicht nur die Drehbewegung R in eine axiale Bewegung M um, sondern verhindert auch die Hysterese.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, bewegt sich das Wirkelement 11, in Reaktion auf die durch den Motor 5 bedingte Drehbewegung um die Achse X, in axialer Richtung, um das Kupplungselement 9 anzutreiben. Da der Drehwinkel des Rotors des Motors 5 in einem Eins-zu-Eins-Verhältnis zur Bewegungsweg des Kupplungselements 9 in axialer Richtung steht, kann durch Erfassen nur des Drehwinkels festgestellt werden, ob die Kupplung 7 eingerückt oder ausgerückt ist. Darüber hinaus kann der Drehwinkel z. B. durch Ablesen der Induktivitätsänderung im Motor oder elektrisch erfasst werden, wenn eine Struktur wie z. B. ein Encoder am Rotor angebracht ist. Insgesamt ist keine zusätzliche Vorrichtung erforderlich, um festzustellen, ob die Kupplung ein- oder ausgekuppelt ist. Auch wenn eine äußere Kraft auf das Kupplungselement 9 wirkt, weist die Kurvenstruktur eine ausreichende Widerstandsfähigkeit auf. Genauer gesagt erfordert die beschriebene Vorrichtung keine besondere Struktur, um die Verbindung der Kupplung 7 zu halten. Dies erleichtert die Herstellung des Gehäuses 31 und geht nicht zu Lasten seiner Festigkeit und Steifigkeit.
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Obwohl bestimmte beispielhafte Ausführungsformen oben beschrieben sind, werden Modifikationen und Variationen der Ausführungsformen in Anbetracht der obigen Lehren den Fachleuten geläufig sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/060963 A1 [0003]
- WO 2016/035129 A1 [0003]
- WO 2018/109874 A1 [0003]
