Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen von
Drehmoment zwischen zwei drehbaren, koaxialen Wellengliedern in einem
ortsfesten Gehäuse, enthaltend eine Anzahl abwechselnder
Kupplungsscheiben, die mit den beiden Wellengliedern verbunden und miteinander in
Eingriff bringbar sind, um einer Umdrehungsgeschwindigkeits-Differenz
zwischen den Wellengliedern entgegenzuwirken, und eine
Hydraulikanordnung, angetrieben durch die Drehzahldifferenz zwischen den beiden
Wellengliedern, weiterhin umfassend:
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eine Anzahl konzentrischer, ringförmiger Kolben, die koaxial mit den
Wellengliedern in dem Gehäuse axial beweglich sind und dazu dienen,
einen hydraulischen Druck in der Anordnung zu erzeugen und damit die
Kupplungsscheiben bei einer Umdrehungsgeschwindigkeits-Differenz
zwischen den zwei Wellengliedern in Eingriff zu bringen,
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Kolbenbetätigungsglieder, drehbar mit einem der Wellenglieder und mit
dem anderen der Wellenglieder über Steuerkurven in Eingriff stehend,
welche gegeneinander winkelversetzt sind, um den Kolben bei einer
Umdrehungsgeschwindigkeits-Differenz zwischen den Wellengliedern
eine Hubbewegung zu verleihen, und
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ein Hydraulikleitungssystem, welches die Zylinder an sämtlichen Kolben
mittels hydraulischer Leitungen, welche Rückschlagventile enthalten,
verbindet.
Hinterrund der Erfindung
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Eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art ist aus unserer eigenen EP-
A-0 629 790 bekannt, auf die hier bezüglich weiterer Information über
das technische Gebiet und gewisse gemeinsame Merkmale dieser
bekannten Vorrichtung und der erfindungsgemäßen Vorrichtung Bezug
genommen wird. Mit dieser bekannten Vorrichtung ist es möglich geworden,
eine in vernünftigen Maßen gleichmäßige oder nicht-schwankende
Abnahme einer Drehzahldifferenz oder eine Bremswirkung in der
Vorrichtung zu erzielen. Bei einer Ausführungsform der bekannten Vorrichtung
besteht auch die Möglichkeit, die angestrebte gleichmäßige Wirkung
sogar in einer zweiten Drehrichtung, das heißt im Rückwärtsgang zu
erreichen, wenn die Vorrichtung als sogenannte Differentialbremse in
einem Verbindungsteil zwischen Vorderachse und Hinterachse eines
Straßenfahrzeugs eingesetzt wird.
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Allerdings ist ein Zuführkolben in der Hydraulikanordnung der
bekannten Vorrichtung für den Eingriff mit seiner Steuerkurve mittels Feder
vorgespannt, und das Hydrauliksystem selbst ist als Offensystem
ausgebildet, welches Öl aus einem Reservoir ansaugt und das Öl nach
Gebrauch im System zurückliefert.
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Ein Nachteil bei dieser Vorrichtung besteht darin, daß es nicht möglich
ist, ihre Wirkungsweise zu umgehen oder auszuschalten, was zum
Beispiel bedeutet, daß das Abschleppen eines mit einer solchen Vorrichtung
ausgerüsteten Fahrzeugs äußerst schwierig ist. Eine derzeitige Forderung
bei einer Vorrichtung der genannten Art besteht darin, daß sie das
Abschleppen bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h ermöglichen soll.
Die Erfindung
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Erreicht werden kann dies durch die Erfindung dadurch, daß das
Hydraulikleitungssystem ein geschlossenes System ist, und daß dem System
Öl aus einem Reservoir mittels einer Pumpe zugeführt wird und Öl aus
dem System über ein Überlaufventil zu dem Reservoir abgeleitet werden
kann. Es gibt keine Federvorspannung bei irgendeinem Kolben in der
Vorrichtung.
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Durch Abschalten der Pumpe oder vielmehr ihres Motors, was mittels
Zündschlüssel des Fahrzeugs geschieht, werden die Kupplungsscheiben
der Vorrichtung keinerlei Bremskraft beim Abschleppen ausgesetzt, und
es besteht nicht die Gefahr durchgebrannter Kupplungsscheiben.
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Der Pumpenmotor kann mit sehr niedrigem Energieverbrauch ausgelegt
sein, in der Praxis liefert er nur etwa 3% des maximalen Arbeitsdrucks.
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Um die Vorrichtung zu steuern, ist das Hydraulikleitungssystem mit
einem elektrisch gesteuerten Drosselventil ausgestattet.
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Um gewisse Schwankungen im Hydraulikstrom auszugleichen, kann das
Hydraulikleitungssystem mit einem Akkumulator ausgestattet sein.
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Von größter Bedeutung ist, daß die Funktion der Vorrichtung
weitestgehend ruckfrei abläuft.
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In einer ersten praktischen Ausführungsform, bei der eine
Steuerkurvenscheibe mit einer kreisförmigen Steuerkurve so angeordnet ist, daß sie
mit den Kupplungsscheiben in Eingriff steht, wobei eine Druckscheibe,
die mit dem Gehäuse über ein Nadellager in Eingriff steht, auf der
anderen Seite der Kupplungsscheiben angeordnet ist, wird dies dadurch
erreicht, daß vier Kolbenbetätigungsglieder in Eingriff mit der Steuerkurve
der Steuerscheibe stehen, um vier Kolben eine Hubbewegung bei einer
Drehzahldifferenz zwischen den Wellengliedern zu vermitteln.
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Bei dieser Ausführungsform werden sämtliche Reaktionskräfte dazu
verwendet, die Kupplungsscheiben miteinander in Eingriff zu bringen.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der gleichen allgemeinen
Ausgestaltung steht ein Kolbenbetätigungsglied in Eingriff mit der Steuerkurve der
Steuerkurvenscheibe, wobei zwei Kolbenbetätigungsglieder in Eingriff
mit einer kreisförmigen Steuerkurve an einer axialen Stirnfläche einer
Nabe an dem ersten Wellenglied stehen, um drei Kolben bei einer
Drehzahldifferenz zwischen den Wellengliedern eine Hubbewegung zu
verleihen, wobei die Nabe mit der Druckscheibe in Eingriff steht.
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Bei dieser Ausführungsform dient nur die Reaktionskraft seitens des
ersten Kolbens dazu, die Kupplungsscheiben in Eingriff zu bringen,
während die Reaktionskräfte von den beiden anderen Kolben über die
Nabe und Druckscheibe auf das Gehäuse übertragen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen in größerer Einzelheit erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Differenzialbremse,
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Fig. 2 ein Diagramm, welches die Arbeitsweise der Differenzialbremse
nach Fig. 1 erläutert,
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Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Differenzialbremse und
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Fig. 4 ein Diagramm, welches die Arbeitsweise der Differenzialbremse
nach Fig. 3 erläutert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind eine links in der Zeichnung gezeigte
erste Welle 1 und eine rechts in der Zeichnung dargestellte Welle 2
drehbar in einem einen Deckel 4 aufweisenden Gehäuse 3 gelagert. Die
erste Welle 1 ist mittels Lagern 5 und 6 gelagert, die zweite Welle ist
über ein Lager 7 gelagert. Außerdem gibt es ein Lager 8 zwischen den
beiden Wellen 1 und 2, wie aus der Darstellung hervorgeht.
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Die beiden Wellen 1 und 2 können mit anderen Maschinenelementen
gekoppelt sein, beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs. Dies ist
dadurch veranschaulicht, daß die erste Welle 1 mit einem Zahnrad 1' und
die zweite Welle 2 mit einem Befestigungsflansch 9, der mittels einer
Verriegelungsmutter 9' in seiner Stellung gehalten wird, dargestellt ist.
Die Anordnung ist derart ausgebildet, daß zwischen den zwei Wellen 1
und 2 keine Axialbewegungen auftreten oder zugelassen werden.
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Eine Nabe 10 ist an der ersten Welle 1 befestigt und mit Hilfe einer
Sperrmutter 11 festgemacht. Die erste Welle 1 und die Nabe 10 bilden
zusammen ein erstes Wellenglied.
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Eine Reihe abwechselnder Kupplungsscheiben oder -ringe 12 ist außen
auf die Nabe 10 aufgekeilt.
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Die zweite Welle 2 besitzt einen Radialflansch 2', an welchem eine
Hülse 13 befestigt ist. Die Welle 2 mit ihrem Flansch 2' und der Hülse
13 bilden zusammen ein zweites Wellenglied.
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Eine Reihe abwechselnder Kupplungsscheiben oder -ringe 14
entsprechend den Kupplungsscheiben 12 ist intern auf die Hülse 13 aufgekeilt.
Miteinander in Eingriff stehend wirken die Kupplungsscheiben 12 und 14
einer Umdrehungsgeschwindigkeits-Differenz zwischen den zwei
Wellengliedern entgegen.
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Auf die Nabe 10 ist rechts von den Kupplungsscheiben 12, 14 in der
Darstellung eine Steuerkurvenscheibe 15 aufgekeilt, damit die
Kupplungsscheiben in noch zu beschreibender Weise in Eingriff treten,
wobei die Reaktionskraft von dem Gehäuse 3 über eine Druckscheibe 16
aufgenommen wird, die links von den Kupplungsscheiben 12, 14 in der
Zeichnung angeordnet ist, außerdem über ein Axial-Nadellager 17,
welches von dem Gehäuse 3 gehaltert ist.
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Auf ihrer von den Kupplungsscheiben 12, 14 wegweisenden Fläche
besitzt die Steuerkurvenscheibe 15 eine vergleichsweise breite,
kreisförmige Steuerkurve, und vier Sätze von zylindrischen Tastrollen 18-21
stehen in zusammenwirkendem Eingriff mit dieser Steuerkurve. Die
Tastrollen 18-21 sind drehbar in dem Radialflansch 2' der zweiten Welle
2 angeordnet. Diese Sätze von Tastrollen 18-21 sind konzentrisch
angeordnet. Die Anzahl der Tastrollen innerhalb jedes Satzes kann
schwanken, allerdings wird bei der bevorzugten Ausführungsform eine Anzahl
von vier vorgesehen, wobei es von der einen bis zur nächsten Tastrolle
einen Phasenversatz gibt, bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt
dieser 30º. Das Steuerkurvenprofil der Steuerkurvenscheibe 15 ist derart
beschaffen, daß bei Drehung die Tastrollen 18-21 eine Bewegung
erfahren, deren Axialgeschwindigkeit sich linear ändert mit dem
Relativ-Drehwinkel zwischen den Wellen 1 und 2.
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Druckscheiben 22-25 stehen in Eingriff mit den Tastrollen 18-21. Diese
Druckscheiben 22-25 sind konzentrisch und unabhängig voneinander
drehbar, wobei die am weitesten innen liegende Druckscheibe 25 in
Dreheingriff mit der zweiten Welle 2 steht.
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Ein Axialrollenlager 26 mit vier konzentrischen Rollensätzen, die
unabhängig voneinander axial bewegbar sind, ist auf der zweiten Welle 2 in
Eingriff mit einerseits den Druckscheiben 22-25 und andererseits vier
konzentrischen, ringförmigen Kolben 27-30 angeordnet, wobei die
Kolben axial beweglich in zugehörigen ringförmigen Zylindern innerhalb des
Gehäusedeckels 4 angeordnet und mit Dichtungen ausgestattet sind. Die
verschiedenen Kolben 27-30 besitzen gleich große Kolbenflächen, was
bedeutet, daß ihre radialen Breiten mit abnehmendem Durchmesser von
dem äußersten Kolben 27 bis hin zu dem innersten Kolben 30
entsprechend zunehmen.
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Unter den nachstehend angegebenen Bedingungen besteht das Ergebnis
der beschriebenen Anordnungen darin, daß die Kolben 27-30 axiale
Hubbewegungen erfahren, wenn die beiden Wellen 1 und 2 eine
Drehzahldifferenz aufweisen.
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An jeden der ringförmigen Zylinder für die Kolben 27-30 ist eine
Hydraulikleitung 31 angeschlossen. Jede solche Hydraulikleitung 31 ist mit
einem Rückschlagventil 32 ausgestattet, und im Anschluß daran sind die
Leitungen 31 zusammengeführt und zu einer Überlaufleitung 40 und
dann weiter zu einer Hydraulikleitung 37 geleitet. Diese Leitung führt zu
einem elektrisch gesteuerten Drosselventil 38 und verzweigt sich dann,
um über Rückschlagventile 39 zu den vier Hydraulikleitungen 31 bis zu
den ringförmigen Zylindern in dem Gehäusedeckel 4 zu führen. Dieses
Hydrauliksystem ist ein geschlossenes System.
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Die Hydraulikleitung ist außerdem über ein Überlaufventil 34, das zum
Beispiel auf einen Druck von 3 bar eingestellt ist, an ein Ölreservoir 33
angeschlossen. Öl aus dem Reservoir 33 wird mit Hilfe einer Pumpe 35,
die von einem Elektromotor 36 (mit einer Leistung von beispielsweise 10
W) angetrieben wird, zu der Hydraulikleitung 37 gepumpt. Der Zweck
der Pumpe 35 besteht darin, einen gewissen Arbeitsdruck in dem
geschlossenen Hydrauliksystem zu schaffen. Wie weiter unten deutlich
werden wird, ist das System ohne diesen Systemdruck nicht in der Lage,
in der beabsichtigten Weise zu arbeiten.
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Der Zweck des elektrisch gesteuerten Drosselventils 38 besteht darin,
den Arbeitsdruck in dem geschlossenen Hydrauliksystem und damit die
Kraft zu steuern, mit der der Drehzahldifferenz entgegengewirkt wird.
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Aus Gründen der Deutlichkeit ist der die Teile 31-40 umfassende
geschlossene Hydraulikkreis außerhalb des Gehäuses 3, 4 angeordnet
dar
gestellt. In der Praxis ist er innerhalb des Gehäuses untergebracht,
welches selbst als das Reservoir 33 fungiert. Hierdurch erhalten die
verschiedenen Teile innerhalb des Gehäuses 3, 4 ausreichende Schmierung,
und das Gehäuse ist mit Dichtungen 41 und 42 ausgestattet.
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Wenn das beschriebene Hydrauliksystem unter Druck steht, so daß die
Kolben 27-30 mit einer gewissen Kraft gegen das Rollenlager 26
gehalten werden, hat eine Drehzahldifferenz zwischen den zwei Wellen 1 und
2 Einfluß auf eine Hubbewegung der Kolben 27-30, während die
Tastrollen 18-21 über die Steuerkurven der Steuerkurvenscheibe 15 laufen. Die
Frequenz der Hubbewegungen nimmt mit zunehmendem
Drehzahlunterschied zu.
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Wenn sich die Kolben 27-30 in der Richtung fort von der
Steuerkurvenscheibe 15 oder gemäß Fig. 1 nach rechts bewegen, wird ein
Nettostrom durch das Drosselventil 38 erreicht (über die Rückschlagventile
39, die Leitungen 31, die Rückschlagventile 32 und die Leitungen 40 und
37). Der Strom von jedem Kolben ist proportional zu dessen
Axialgeschwindigkeit, und der resultierende Strom von sämtlichen Kolben 27-30
ist proportional zur Drehgeschwindigkeits-Differenz zwischen den zwei
Wellen 1 und 2.
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Gibt es eine Strömung durch das Drosselventil 38, so erscheint auf der
Auslaßseite der Zylinder für die Kolben 27-30 ein Gegendruck. Dieser
Gegendruck ist eine Funktion der Strömung (erhöhte Strömung, erhöhter
Gegendruck - eine proportionale, progressive oder degressive
Verbindung hängt ab von der Gestaltung des Ventils). Jeder Kolben 27-30, der
sich von der Steuerkurvenscheibe 15 wegbewegt, überträgt eine
Axialkraft proportional zu dem Druck und der Kolbenfläche auf die
Steuerkur
venscheibe 15 und damit auf die Kupplungsscheiben oder -ringe 12 und
14, demzufolge die Drehzahldifferenz zwischen den zwei Wellen 1 und 2
abnimmt.
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Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorrichtung mit vier Tastrollen
in jedem Satz von Tastrollen 18-21 und mit vier gleichmäßig verteilten
Steuerkurven an der Steuerkurvenscheibe 15 ist in Fig. 2 dargestellt. In
dem Diagramm nach Fig. 2 ist der Ölstrom bei jedem Kolben 27-30
sowie der Gesamtölstrom 43 als Funktion des Drehwinkels von 0-180º
veranschaulicht. Da der Ölstrom bei jedem Kolben das gleiche
Erscheinungsbild hat und es eine 30º betragende Phasenverschiebung von einem
Kolben zum nächsten Kolben aufgrund der Ausgestaltung der
Vorrichtung gibt, läßt sich der Gesamtstrom 43 als gerade Linie darstellen, die
in anderen Worten bedeutet, daß die Bremswirkung, welche die Neigung
hat, die Drehzahldifferenz zu verringern, gleichmäßig ist.
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Solange der Motor 36 eingeschaltet ist und folglich die Pumpe 35
arbeitet, funktioniert die beschriebene Differenzialbremse in der
beschriebenen Weise. Wird allerdings der Motor 36 durch Abziehen des
Zündschlüssels aus dem Fahrzeug ausgeschaltet, so setzt die Funktion der
Differenzialbremse aus. Somit wird ein Abschleppen des Fahrzeugs ohne
Beschädigungen an der Differenzialbremse möglich.
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In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Differenzialbremse dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind gewisse
Elemente den entsprechenden Elementen der ersten Ausführungsform
nach Fig. 1 derart ähnlich, daß für sie gleiche Bezugszeichen verwendet
sind. Dies gilt für die erste Welle 1 mit ihrem Zahnrad 1', die zweite
Welle 2 mit ihrem Flansch 2', das Gehäuse 3 mit seinem Deckel 4, die
Lager 5-8, den Befestigungsflansch 9 mit seiner Sperrmutter 9', die
Nabe 10, die abwechselnden Kupplungsscheiben oder -ringe 12 und 14,
die Hülse 13, die Druckscheibe 16, das Nadellager 17, die
Hydraulikleitungen 31 und 37, die Rückschlagventile 32 und 39, das Reservoir 33,
das Überlaufventil 34, die Pumpe 35 mit ihrem Motor 36, das
Drosselventil 38, die Überlaufleitung 40 und die Dichtungen 41 und 42.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform sind nur drei Sätze zylindrischer
Tastrollen 45-47 drehbar in dem Radialflansch 2' der zweiten Welle 2
angeordnet. Die am weitesten außen liegenden Tastrollen 45 kooperieren
mit einer kreisförmigen Steuerkurve an einer Steuerkurvenscheibe 48, die
der Steuerkurvenscheibe 15 der ersten Ausführungsform entspricht und
auf die Nabe 10 der ersten Welle 1 aufgekeilt ist. Die beiden übrigen
Sätze von Tastrollen 46 und 47 kooperieren mit einer kreisförmigen
Steuerkurve an der axialen Stirnfläche der Nabe 10. Wie bei der ersten
Ausführungsform nach Fig. 1 gibt es einen Phasenversatz von einem
Satz zum nächsten, bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt dieser
30º.
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Konzentrische Druckscheiben 49-51 stehen in Eingriff mit den jeweiligen
Tastrollen 45-47, außerdem in Eingriff mit zugehörigen Druckscheiben
49-51 stehen Rollenlager 52-54, die an den Enden von drei
konzentrischen, ringförmigen Kolben 55-57 angeordnet sind, wobei letztere axial
beweglich in entsprechenden ringförmigen Zylindern innerhalb des
Gehäusedeckels 4 angeordnet und mit Dichtungen ausgestattet sind.
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Die beiden inneren Kolben 56 und 57, die mit der Nabe 10
zusammenwirken, besitzen gleich große Kolbenflächen, wohingegen der äußerste
Kolben 55, der mit der Steuerkurvenscheibe 48 zusammenwirkt, eine
andere Kolbenfläche besitzt, vorzugsweise eine größere.
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Die Pumpe 35 hat die gleiche Funktion wie bei der vorhergehenden
Ausführungsform nach Fig. 1. Bei dieser zweiten Ausführungsform
nach Fig. 3 ist allerdings ein Akkumulator 58 hinzugefügt, um
Schwankungen des Stroms zu den Kolben 55-57 auszugleichen. Wie im
folgenden deutlich werden wird, ist der Strom von den drei Kolben
proportional zur Drehzahldifferenz zwischen den zwei Wellen 1 und 2.
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Die zwei inneren Kolben 56 und 57 tragen mittels der Rückschlagventile
32 und 39 analog zu der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 zu einem
Nettostrom bei, allerdings wird die Axialkraft nicht über
Kupplungsscheiben übertragen, sondern über die Lager 53 und 54, die
Druckscheiben 50, 51, die Tastrollen 46, 47, die Nabe 10 und die Druckscheibe 16
auf das Gehäuse 3. Der äußerste Kolben 55 hingegen überträgt seine
Axialkraft auf die Kupplungsscheiben 12 und 14 über die
Steuerkurvenscheibe 48. Dieser Kolben 55 leistet keinen Beitrag zu dem Nettostrom,
sondern hat die Funktion des Ausgleichs in Relation zu den anderen
Kolben 56 und 57.
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Der Beitrag zu dem Nettostrom seitens der einzelnen Kolben als
Funktion des Relativ-Drehwinkels zwischen den Wellen 1 und 2 bei
konstanter Drehzahldifferenz ist in Fig. 4 dargestellt. Die Kurven sind
symmetrisch, und die Funktion ist unabhängig von der Drehrichtung. Auch
bei dieser Ausführungsform kann der Gesamtstrom 58 als gerade Linie
dargestellt werden, was bedeutet, daß die Bremswirkung, welche die
Drehzahldifferenz zu verringern trachtet, gleichmäßig ist.