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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung zur fliehkraftunabhängig schaltbaren Verbindung von Antriebselementen eines Antriebsstrangs, insbesondere zur Verbindung einer Hydraulikpumpe einer selbstfahrenden Maschine wie eines Mobilbaggers oder einer landwirtschaftlichen Erntemaschine mit einem ebenfalls zum Antriebsstrang gehörenden Pumpenverteilergetriebe, wobei die Kupplung eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle aufweist, zwischen denen drehrichtungsunabhängig ein Drehmoment übertragbar ist und denen jeweils wenigstens eine Reibfläche zugeordnet ist, wobei Antriebs- und Abtriebswelle über eine Anlagestellung der in Umfangsrichtung um eine Drehachse der Kupplung gekrümmten Reibflächen antriebsmäßig miteinander verbindbar sind.
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Bekannt, beispielsweise aus der
DE 20 2006 014 566 U1 sind Lamellenkupplungen mit der eine Vielzahl von mit Reibbelägen versehenen Innen- und Außenlamellen in einem Ölbad aneinander vorbeilaufen. In einer Außereingriffsstellung der Lamellen, bei der beispielsweise ein Hydraulikpumpe nicht verwendet wird, treten bei den bekannten Lamellenkupplungen immer noch Verlustleistungen aufgrund von Verwirbelungen im Ölbad auf. Gleichzeitig wird oftmals ein Restmoment durch aneinander reibende Lamellen erzeugt, wenn diese beispielsweise aufgrund von Abnutzung während des Gebrauchs zu dicht aneinander stehen oder aneinander anliegen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verlustleistung einer Kupplung zu reduzieren.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine neuartige Kupplung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Kupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dergestalt weiterzubilden, dass diese bezüglich der Drehachse eine innere und eine äußere Reibfläche aufweist, von denen eine Teil eines in radialer Richtung zur Drehachse bewegbaren Druckelements ist, welches bei Schaltung der Kupplung seine Reibfläche gegen die andere (innere oder äußere Reibfläche) drückt und wobei die andere Reibfläche zylindermantelförmig ausgebildet ist. ”Seine” Reibfläche meint in diesem Zusammenhang eine dem Druckelement zugeordnete Reibfläche. In dieser Anlagestellung ist die Kupplung geschlossen und ein Drehmoment wird von der Antriebs- auf die Abtriebswelle übertragen. Anstatt eine Vielzahl von in axialer Richtung hintereinander anliegenden Lamellen aufzuweisen, wird durch die Verwendung einer inneren und einer äußeren Reibfläche eine Minimierung der potentiell aneinander anliegenden Reibflächen erreicht. Zwischen der inneren und äußeren Reibfläche ist ein Sicherheitsabstand einstellbar oder vorhanden, der auch bei Abnutzung der Kupplung das Druckelement in einer ausreichend entfernten Außereingriffs- bzw. Außeranlagestellung der Reibflächen belässt. Es erfolgt eine hundertprozentige Trennung der Reibflächen, so dass keine Verluste durch Aneinanderreiben auftreten. Durch den Verzicht auf in axialer Richtung der Drehachse hintereinander und aneinander anliegenden Lamellen wird das Anfallen einer Verlustleistung an dieser Stelle ausgeschlossen. Vorzugsweise findet sich die zumindest eine äußere Reibfläche auf Seiten der Antriebswelle, während zumindest eine innere Reibfläche auf der Seiten der Abtriebswelle vorhanden ist.
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Die Krümmungen der Reibflächen entsprechen vorzugsweise einander, so dass eine optimale Anlage der zumindest einen inneren an der zumindest einen äußeren Reibfläche gewährleistet wird. Durch die Zylindermantelförmigkeit der einen Reibfläche erfolgt bei einem sich drehenden System insbesondere auf der Antriebsseite in der Kupplung bei Einnahme der Anlagestellung ein gleichmäßiger Druckaufbau. Ein- und Auskuppeln erfolgen sanft. In welche Richtung die Antriebs- und Abtriebswelle vor Einnahme der Anlagestellung drehen, ist unwichtig, ein Drehmoment kann in beiden Drehrichtungen übertragen werden. Zylindermantelförmig ist die Reibfläche dann, wenn sie eine Einhüllende um einen zylindrischen Raum ausbildet. Hierbei kann es sich sowohl um einen Hohlraum handeln, so dass die Reibfläche beispielsweise die Innenfläche bzw. innere Mantelseite eines Hohlzylinders darstellt, als auch um einen Körper handeln, bei dem die zylindermantelförmige Reibfläche z. B. durch die in sich geschlossene äußere Oberfläche (Zylindermantel) eines (geometrischen) Zylinders handelt. Rauheit in der Reibfläche selbst wird für diese Betrachtung außer Acht gelassen.
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In einer Ausbildung, in der das Druckelement eine innere Reibfläche aufweist und zur Einnahme der Eingriffsstellung nach außen gegen die äußere Reibfläche zu verlagern ist, ist es des Weiteren vorteilhaft, dass in der Anlage- bzw. Eingriffsstellung durch die auf das Druckmittel wirkende Fliehkraft das übertragbare Drehmoment erhöht ist. Hierdurch ist eine erfindungsgemäße Kupplung starker auslegbar. Je nach Ausbildung der Kupplung kann das Druckelement entweder der Antriebs- oder der Abtriebswelle zugeordnet werden.
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Gleichzeitig kann das Druckmittel auch entgegen der wirkenden Fliehkraft durch entsprechende Betätigungsmittel wie beispielsweise Linearmotoren oder hydraulische Stellmittel wieder in eine Außereingriffs-/Außeranlagestellung gebracht werden.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das (erste) Druckelement oder ein weiteres Druckelement zur Einnahme einer Außeranlagestellung und einer Verlagerung der äußeren Reibfläche von der inneren weg bzw. zur Einnahme der Anlagestellung an diese heran radial bewegbar ausgebildet sein. Als radiale Bewegung wird insgesamt eine Bewegung des Druckelements mit zumindest einer radialen Komponente, vorzugsweise ausschließlich in radialer Richtung verstanden.
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Das Druckelement kann durch ein entsprechendes Stellmittel zumindest in einer Anlage- oder in einer Außeranlagestellung gehalten werden. Beispielsweise kann ein Kraftspeicher die Kupplung eingeschaltet halten und nur zur Einnahme einer Außereingriffsstellung ist eine Betätigung des Druckelements mittels Stellmittel notwendig. Vorzugsweise ist das Druckelement durch ein zugehöriges Stellmittel radial sowohl von der Drehachse weg wie auf diese hin bewegbar. Wesentlich ist jedoch, dass die innere Reibfläche gegen die äußere Reibfläche bzw. umgekehrt bewegt wird.
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Vorzugsweise weist das Druckelement die innere Reibfläche auf und die äußere Reibfläche wird durch die zylindermantelförmige Innenseite eines eine hohlzylinderförmige Trommel ausbildenden Teils der Antriebs- oder Abtriebswelle gebildet. Die zylindermantelförmige Innenseite umschließt somit einen zylinderförmigen Innenraum der Trommel. Gleichzeitig kann es vorteilhaft sein, das Druckelement in einem verdickten Bereich der Antriebs- oder der Abtriebswelle geführt anzuordnen. Die Anordnung des Druckelements in dem verdickten Bereich mit einer inneren Reibfläche innerhalb einer Trommel, deren Innenseite mit einem Reibbelag beklebt ist oder die direkt die äußere Reibfläche mit ausbildet, führt zu einer kompakten Kupplung, die aufgrund der in radialer Richtung wirkenden Bewegung des Druckelements in axialer Richtung vergleichsweise klein baut.
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Das Druckelement kann durch den in radialer Richtung bewegbaren Teil eines Linearmotors ausgebildet werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausbildung der Erfindung, bei der das Druckelement durch einen Radialkolben ausgebildet wird, Teil eines solchen ist oder an diesem angeordnet und mitbewegbar ist. Der Radialkolben kann beispielsweise das Druckelement ausbilden und auf seiner in Richtung der Eingriffsstellung weisenden Seite mit einer Reibfläche oder einem Reibbelag mit Reibfläche beklebt oder anderweitig verbunden sein. Diese Ausbildung ist auf einfache Weise in bestehende Systeme integrierbar, bei denen die zur Schaltung der Kupplung respektive Betätigung des Druckmittels benötigten Hydraulikanschlüsse ohnehin vorhanden sind.
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Es hat sich des Weiteren als vorteilhaft erwiesen, den Radialkolben in einem Hohlraum einer Welle zu führen, vorzugsweise in einem verdickten Bereich der Abtriebswelle, in dessen Wand eine um eine Bewegungsrichtung des Kolbens umlaufende Nut vorhanden ist, in die wenigstens ein Dichtungselement eingelegt ist. Dieses Dichtungselement, welches beispielsweise aus einem O-Ring in Kombination mit einem PTFE-Ring besteht und so eine Stangendichtung darstellt, kann während der Montage leicht in die Nut eingelegt werden. Ware die Dichtung auf dem Kolben aufzubringen, müsste sie kurzzeitig überdehnt werden, was ein Beschädigungsrisiko wäre. Gleichzeitig wird durch eine solche Führung des Kolbens im Wellen-/Zylindersystem eine fast spielfreie und insbesondere durch das als Stangendichtung ausgebildete Dichtelement gedämpfte Drehmomentübertragung realisiert. Bei Druckbeaufschlagung des Druckelements erhöht sich bei der Stangendichtung der Andruck am Druckelement und damit die Dämpfung. Im geschalteten Zustand ergeben sich beispielsweise bei einem Dieselantrieb nur schwellende Momente. Bei geöffneter Kupplung können Wechselmomente vom Dieselmotor auftreten. Dann werden insbesondere bei Anordnung des Motors auf der eine Trommel aufweisenden Antriebsseite der Kupplung keine spielbehafteten Bauteile angetrieben. Ein Ausschlagen von Bauteilen kann somit ausgeschlossen werden.
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Durch den erfindungsgemäßen Kupplungsaufbau mit einem Radialkolben bzw. mit einem in radialer Richtung wirkenden Druckelement ergibt sich beim Drehmomentaufbau während des Einkuppelns ein Verkanten oder Auflaufen des Kolbens und damit ein sogenannter Servoeffekt, wie er aus der Nutzung von Trommelbremsen oder Fliehkraftkupplungen bekannt ist. Hieraus kann eine Drehmomentsteigerung beispielsweise von bis zu 30% erfolgen. Entsprechend ist bei den Abmessungen des Kolbens darauf zu achten, dass eine große Überdeckung und Führung im Zylinder vorhanden ist, um ein Verklemmen zu verhindern. Vorteilhafterweise stehen weniger als 20% betrachtet in einer Längsrichtung des Kolbens über die Führung über.
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Vorzugweise ist der zumindest eine Radialkolben im Querschnitt viereckig mit abgerundeten Ecken ausgebildet. So kann der zur Verfügung stehende Raum bei Integration des Kolbens in eine Welle am besten ausgenutzt werden. Dies insbesondere bei der Verwendung von drei oder vier Radialkolben, die symmetrisch um die Welle verteilt sind. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von vier Radialkolben, die über ein und dasselbe Hydrauliksystem gleichzeitig betätigbar sind, einen guten Kompromiss darstellt zwischen einer gewünschten Reibfläche/einem zu übertragenden Drehmoment und einer ausreichenden Stabilität des Wellenbereiches, der das Drehmoment in die Abtriebswelle (oder in die Antriebswelle) überträgt. Es versteht sich, dass auch andere Querschnittsformen von Radialkolben denkbar sind, beispielsweise runde, ovale oder vieleckige.
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Ein als Radialkolben ausgebildetes Druckelement ist bei einer Ausbildung mit einer inneren Reibfläche insbesondere über ein in Richtung der Längsachse der zugehörigen Welle verlaufendes Hydrauliksystem druckbeaufschlagbar, welches vorzugsweise des Weiteren eine Radialzuführung zur Bewahrung einer kompakten Bauweise aufweist. Durch das Hydrauliksystem wird ein Hydraulikmedium in Richtung des Druckelements in die Welle einspeist, welches sowohl zur Überführung des Radialkolbens in eine Anlagestellung wie auch umgekehrt in eine Außeranlagestellung verwendet werden kann. Die Verwendung eines einzelnen entlang der Längsmittelsachse der Welle verlaufenden Zuführkanals für Hydraulikmedium hin zu einer in Richtung der einzelnen Radialkolben verlaufenden Verzweigung stellt eine einfache Möglichkeit dar, mehrere Radialkolben gleichzeitig radial zu bewegen.
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In einer Ausbildung der Kupplung mit dem Radialkolben auf der Abtriebswellenseite und einem trommelförmigen Außenkörper auf der Antriebswellenseite ist bei geöffneter Kupplung nur dieser mit seiner Lagerung in Rotation. Alle anderen Bauteile können dann im geöffneten Zustand der Kupplung rotationsfrei bleiben, was beispielsweise für die bei Radialzuführung des Hydraulikmediums verwendeten weiteren Dichtungen weniger Belastung und geringere Abnutzung bedeutet.
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Der Einsatz eines Pilotlagers ermöglicht des Weiteren eine genauere und unwuchtfreie Führung der einzelnen Bauteile.
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Bereits durch die Verwendung zweier Druckelemente, die sich bezüglich ihrer identischen Drehachse auf gegenüberliegenden Seiten derselben befinden, ist eine Kupplung realisiert, die kompakt und gering baut und weniger Verlustleistung aufweist als eine Lamellenkupplung.
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Die Verlustleistung einer erfindungsgemäßen Kupplung ist weiter verringert, wenn die Kupplung im Trockenlauf ausgeführt ist, d. h. es finden in einem trockenen, hydraulik- oder schmiermediumfreien Kupplungsinnenraum keine Verwirbelungen statt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, in diesen Kupplungsinnenraum, beispielsweise dem Innenraum einer Trommel, eine um die Drehachse umlaufende und auf einer in Richtung der Drehachse weisenden Innenfläche eine Nut einzubringen, in die ggf. von seitlich in den Innenraum resp. die Trommel einlaufendes Hydraulik- oder Schmiermedium durch Rotation der Trommel hineinbewegt wird. Diese an den Innenraum angrenzende oder diesen mit ausbildende Vertiefung dient dem Trockenhalten der Reibflächen. Die Nut kann einen Ablauf aufweisen, der die Verschmutzung nach außen leiten kann. So kann beispielsweise bei einer Sichtkontrolle aus der Trommel oder weiter aus dem Gehäuse austretendes Hydraulik- oder Schmiermittel identifiziert werden und eine möglicherweise schadhafte Dichtung ersetzt werden. Anstelle einer mit seitlichen Wänden versehenen Nut kann die Vertiefung auch andere Geometrien aufweisen.
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Eine kompakte Bauweise ergibt sich insbesondere bei einer Ausbildung einer erfindungsgemäßen Kupplung, bei der die Längsmittelachse und Drehachse der Kupplung, um die die Reibflächen herum angeordnet sind, den identischen Drehachsen der Antriebs- und der Abtriebswelle entsprechen.
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Vorzugsweise wird das Druckelement durch ein Kraftspeicherelement in einer Außeranlagestellung gehalten oder ist durch das Kraftspeicherelement in diese zurück überführbar, so dass entweder die Einnahme der Außeranlagestellung durch das Kraftspeicherelement während einer beispielsweise Drucklosstellung des Hydrauliksystems erleichtert wird bzw. bei einer Fehlfunktion sicherheitshalber die Einnahme der Außeranlagestellung erreicht wird.
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So kann ein radial durch Druck herausbewegter Kolben vorzugsweise durch Blattfedern bei Wegfall des Druckes zurückbewegt und gehalten werden. Hierdurch wird eine 100-prozentige Trennung der Reibflächen zuverlässig realisiert. Im Leerlauf fällt kein Moment ab. Eine Erwärmung bei geöffneter Kupplung, wie dies bei Lamellenkupplungen der Fall ist und auch ein Mitnahmeeffekt durch einen Restmoment sind ausgeschlossen.
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Die Kupplung kann darüber hinaus ein Gehäuse aufweisen, welches direkt als Anbaugehäuse den Anbau der Kupplung an ein Verteilergetriebe ermöglicht. Hierdurch wäre dann mit einer Welle bzw. einer Hohlwellendurchführung ein axialer Ölzuführungsanschluss möglich, was die vorgeschlagene Kupplung noch kompakter bauen lässt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden figurenbeschreibend. In den schematischen Darstellungen der Figuren zeigt:
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1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Kupplung,
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2 eine Ansicht entlang des Schnitts D-D gemäß 1,
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3 eine perspektivische Darstellung eines Teils einer Abtriebswelle des Gegenstands nach 1,
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4 eine Ansicht des Ausschnitts N nach der 2,
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5 eine Ansicht des Ausschnitts P gemäß 2,
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6 eine Ansicht des Ausschnitts R nach 2.
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Gleich oder ähnlich wirkende Teile sind – sofern dienlich – mit identischen Bezugsziffern versehen. Einzelne technische Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch mit den Merkmalen der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele zu erfindungsgemäßen Weiterbildungen führen.
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Eine erfindungsgemäße Kupplung 1 weist ein Kupplungsgehäuse 2 auf, aus dem seitlich Enden einer Antriebswelle 3 sowie einer Abtriebswelle 4 herausragen. Das Kupplungsgehäuse selbst kann mehrteilig aufgebaut sein und beispielsweise einen an den Hauptteil anflanschbaren weiteren Teil 6 aufweisen. Die Kupplung ist als Radialkolbenkupplung mit vier Radialkolben ausgebildet, sie kann jedoch auch einen, zwei oder mehr Kolben umfassen.
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Gemäß der 2 verbreitert sich die Antriebswelle 3 zu einer Trommel 7, deren Innenseite 8 eine äußere Reibfläche ausbildet. Bei Antrieb der Antriebswelle rotiert die Trommel um eine Drehachse 9, die gleichzeitig auch die Drehachse der Abtriebswelle 4 darstellt. Die Antriebswelle 3 ist über ein Lager 11 in dem Gehäuse 2 gelagert. Ebenfalls mittels eines Lagers 12 ist die Abtriebswelle 4 in dem Gehäuse 2 gelagert. In einem verdickten Bereich 13 der Abtriebswelle 4 sind vier Radialkolben 14 angeordnet, von denen in der 2 zwei zu sehen sind. Die Radialkolben 14 sind über ein Hydrauliksystem druckbeaufschlagbar. Hierzu weist das Hydrauliksystem eine Radialzuführung auf, die zwei sichtbare und insgesamt vier radial verlaufende Druckmittelzuführungen 16, einen zentralen, in axialer Richtung verlaufenden Hauptkanal 17 sowie vier ebenfalls wieder in radialer Richtung von der Drehachse 9 weg verlaufende Kolbenzuführungen 18 aufweist. Über einen nicht näher dargestellten Anschluss wird das Druckmittel in das Hydrauliksystem eingespeist, wodurch sich die Kolben bei Schaltung der Kupplung mit ihrem eine innere Reibfläche 19 aufweisenden Reibbelag 20 in Richtung der Innenseite 8 der Trommel 7 bewegen und durch Anlage an der Innenseite die Anlagestellung herstellen. In dieser Eingriffsstellung dienen Dichtungen 21 der Dämpfung der Kupplung bei der Übertragung eines Drehmoments von der Antriebswelle 3 auf die Abtriebswelle 4.
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Der 3 ist zu entnehmen, dass die Radialkolben einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweisen, sowie das des Weiteren vier Radialkolben vorhanden sind. Diese werden über seitliche Begrenzungen 23 der zugehörigen Hohlräume 24 sowie ggf. noch über die Dichtungen 21 geführt.
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Die Radialzuführung des Hydrauliksystems umfasst einen Druckölanschluss am stehenden Gehäuse. Der Öldruck wird zwischen Gehäuse und Welle durch eine Dichtungsanordnung 26 gehalten und durch die Kanäle 16, 17, 18 zum Kolben geführt. Aufgrund einer speziellen Auswahl von Dichtungs-/und Reibwerkstoffen sowie einer speziellen, symmetrisch um die Bohrungen (vgl. 4) ausgeführten Geometrie werden bei hohen Drücken die Presskräfte auf das Nötigste begrenzt. So können bei übertragenden Drehmomenten, die typischerweise in einem Bereich zwischen 1500 und 6000 Nm liegen, minimale Leckagen und Reibungsverluste erreicht werden.
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Die Radialkolbenkupplung ist als Trockenkupplung, d. h. im Trockenlauf ausgeführt. Zur Vermeidung des Eindringens eines Schmier- oder Hydraulikmediums in einen Innenraum 27 der Trommel 7 ist daher eine umlaufende Nut 28 eingearbeitet, die über einen Abführkanal 29 durch die Trommel 7 hindurch etwaiges, den Innenraum 27 zu verschmutzen drohendes Material aus diesem mittels Fliehkraft abgeschieden werden kann.
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Durch einen Kanal 30 (6) kann das in den Zwischenraum zwischen Trommel 7 und Gehäuse 2 abgeführte Medium weiter nach draußen abgeführt werden.
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Durch eine Ausführung im Trockenlauf kann ein größeres Drehmoment aufgrund eines rund dreimal so hohen Reibungskoeffizienten erreicht werden. Aufgrund der nicht vorhandenen Durchwirbelung von Öl und der fehlenden Wärmeproduktion im Leerlauf ist die erfindungsgemäße Kupplung mit einer größeren Leistungsdichte gegenüber im Nasslauf betriebenen Lamellenkupplung versehen.
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Etwaige Kraftspeicherelemente in Form von Federn od. dgl. können zwischen dem verdickten Bereich 13 und dem Radialkolben 14 angeordnet werden, sind jedoch in den Figuren nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202006014566 U1 [0002]
