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Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kupplungseinrichtung zum Einsatz in einem Kraftrad, beispielsweise einem Motorrad oder einem Leichtkraftrad.
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Ein Kraftrad umfasst einen Antriebsstrang mit einem Antriebsmotor, einer Kupplungseinrichtung, einem Getriebe und einem Antriebsrad. Die Kupplung ist dazu eingerichtet, einen Drehmomentschluss zwischen dem Antriebsmotor und dem Antriebsrad zu schließen oder zu unterbrechen. Dabei wird üblicherweise eine nasslaufende Mehrscheibenkupplung eingesetzt.
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Um ein verbessertes Lastwechselverhalten zu erzielen oder eine Drehschwingung im Antriebsstrang, die der Drehbewegung überlagert sein kann, zu isolieren bzw. zu dämpfen, kann ein Dämpfer in den Kraftfluss des Antriebsstrangs eingefügt werden. Der Dämpfer kann beispielsweise kombiniert mit der Kupplungseinrichtung ausgeführt werden.
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Die Kupplungseinrichtung umfasst eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite, die um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind. Erste Reibelemente sind drehmomentschlüssig mit der Eingangsseite und zweite Reibelemente drehmomentschlüssig mit der Ausgangsseite verbunden. Erste und zweite Reibelemente sind axial abwechselnd angeordnet und bilden zusammen ein Kupplungspaket. Auf der radialen Innenseite können die zweiten Reibelemente in axialer Richtung umgebogene Eingriffselemente aufweisen, um die zweiten Reibelemente drehmomentschlüssig miteinander zu koppeln. Das Einkoppeln bzw. Auskoppeln eines Drehmoments aus den zweiten Reibelementen kann an einem Eingriffselement eines an einem axialen Ende des Kupplungspakets liegenden zweiten Reibelements erfolgen. Hier kann ein elastisches Element in Umfangsrichtung um die Drehachse eingesetzt sein und auf das Ausgangselement wirken, das beispielsweise als Nabe ausgeführt sein kann.
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Diese Bauform erlaubt jedoch nur den Einsatz von relativ kleinen elastischen Elementen. Ein maximaler Verdrehwinkel zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite ist daher relativ klein. Um ein vorbestimmtes Drehmoment übertragen zu können, ohne das elastische Element zu überlasten, muss das elastische Element sehr steif ausgeführt sein. In der Folge können Drehschwingungen oder Lastwechselreaktionen, die über den Antriebsstrang übermittelt werden, nur in geringem Maß gedämpft bzw. isoliert werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kupplungseinrichtung anzugeben, die eine verbesserte Dämpfung zulässt. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs.
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Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Kupplungseinrichtung für einen Antriebsstrang, insbesondere in einem Kraftrad, umfasst eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite, die um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind, erste Reibelemente, die drehmomentschlüssig mit der Eingangsseite verbunden sind, zweite Reibelemente, die drehmomentschlüssig mit der Ausgangsseite verbunden sind, wobei erste und zweite Reibelemente axial alternierend zu einem Kupplungspaket gestapelt sind, und einen Dämpfer, um eine Verdrehung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite elastisch zu minimieren. Dabei ist der Dämpfer funktional zwischen der Eingangsseite und dem Kupplungspaket angeordnet.
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Insbesondere beim Einsatz in einem Kraftrad ist es wichtig, den wenigen zur Verfügung stehenden Bauraum möglichst optimal auszunutzen. Durch das Anordnen des Dämpfers funktional zwischen der Eingangsseite und dem Kupplungspaket kann der Dämpfer sowohl radial als auch axial an eine Stelle gelegt werden, an der nur wenige Elemente vorgesehen sind und an der relativ leicht Platz geschaffen werden kann für den Dämpfer. Der Dämpfer kann dadurch großzügiger dimensioniert werden. Die Dämpfungseigenschaften können dadurch verbessert sein, sodass eine Lastwechselreaktion oder eine Drehungleichförmigkeit einer durch die Kupplungseinrichtung übertragenen Drehbewegung verbessert abgebaut bzw. isoliert werden kann.
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In einer Ausführungsform ist der Dämpfer radial zum Kupplungspaket versetzt. In einer axialen Projektion soll bevorzugterweise der Umriss des Dämpfers den des Kupplungspakets nicht überschneiden. Insbesondere ist bevorzugt, dass der Dämpfer radial außerhalb des Kupplungspakets liegt. Umfasst der Dämpfer ein elastisches Element, das sich auf einem Umfang um die Drehachse erstreckt, so kann als Innenkontur des Dämpfers die Innenkontur des elastischen Elements angenommen werden.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der Dämpfer axial zum Kupplungspaket versetzt ist. Insbesondere können der Dämpfer und das Kupplungspaket in einer radialen Richtung überschneidungsfrei sein, wie analog oben bezüglich einer der radialen Anordnung der beiden Elemente erläutert wurde. Das Kupplungspaket mit allen Elementen, die zum Ein- und Ausleiten von Drehmoment erforderlich sind, kann dadurch unabhängig vom Dämpfer aufgebaut werden. Ausführung und Dimensionierung des Dämpfers können dadurch vereinfacht sein.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der Dämpfer vom Zwei-Scheiben-Typ ist. Dabei umfasst der Dämpfer zwei axial benachbarte Scheiben, die bevorzugterweise jeweils in der Drehebene um die Drehachse liegen, wobei jede der Scheiben eine axiale Aussparung trägt. In den axialen Aussparungen ist ein elastisches Element in Umfangsrichtung angeordnet. Das elastische Element ist vorzugsweise auf Druck elastisch verformbar, sodass es komprimiert wird, wenn eine positive oder negative Verdrehung zwischen den beiden Scheiben erfolgt.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Eingangsseite ein Zahnrad umfasst, das eine der Scheiben umfasst. In einem Motorrad kann die Kupplungseinrichtung auf einer Hauptwelle eines Getriebes eingesetzt werden, wobei das Zahnrad mit einem Ritzel kämmt, das unmittelbar auf einer Kurbelwelle eines Antriebsmotors angebracht ist. Zur Übertragung des Drehmoments kann das Zahnrad insbesondere in axialer Richtung groß dimensioniert sein. Die axiale Aussparung kann daher relativ viel Platz für das elastische Element bereitstellen. Da das elastische Element das zu übertragende Drehmoment vom Zahnrad abnimmt, ist die Materialschwächung im Bereich der Aussparung üblicherweise problemlos bezüglich der Festigkeit des Zahnrads.
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Die Kupplungseinrichtung kann außerdem einen Kupplungskorb mit einem axialen Abschnitt zum axialen Eingriff in die ersten Reibelemente und einem radialen Abschnitt umfassen, wobei der radiale Abschnitt eine der Scheiben umfasst. Ähnlich wie das Zahnrad kann der Kupplungskorb aus anderen Gründen bereits an der Kupplungseinrichtung verbaut oder erforderlich sein. Das existierende Element kann in der beschriebenen Ausführungsform einem zweiten Zweck zugeführt werden, sodass eine höhere Integration der Kupplungseinrichtung möglich ist.
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Bevorzugterweise greift der Kupplungskorb radial außen in die ersten Reibelemente ein. In dieser Ausführungsform kann der radiale Abschnitt des Kupplungskorbs einen großen Durchmesser aufweisen, sodass das elastische Element verbessert in diesem Bereich untergebracht werden kann.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst eine der Scheiben eine axiale Aussparung und die andere einen axialen Fortsatz, der sich durch die Aussparung erstreckt. Ein maximaler Verdrehwinkel zwischen den Scheiben kann dadurch begrenzt sein. Die Aussparung umfasst üblicherweise ein Langloch, das sich auf einem Umfang um die Drehachse erstreckt. Durch Länge und Lage des Langlochs können eine positive und eine negative maximale Verdrehung unabhängig voneinander begrenzt sein.
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Bevorzugterweise umfasst das elastische Element eine Schraubenfeder. Die Schraubenfeder kann insbesondere aus einem Draht gewickelt sein, der an einem Produktionsstandort leicht verfügbar sein kann. Dadurch kann eine Fertigung der Kupplungseinrichtung auch an einem Standort erfolgen, an dem eine Versorgung mit Bauelementen oder Materialien suboptimal ist.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass der Dämpfer mehrere elastische Elemente umfasst, die auf einem Umfang um die Drehachse angeordnet sind. Die elastischen Elemente können dabei funktional zueinander parallel geschaltet sein. Das einzelne elastische Element kann dadurch geringer dimensioniert sein und Übertragungskräfte durch die elastischen Elemente können verbessert auf dem Umfang verteilt sein.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 Längsschnitte einer Kupplungseinrichtung;
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2 Draufsichten der Kupplungseinrichtung von 1;
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3 einen weiteren Längsschnitt der Kupplungseinrichtung von 1;
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4 einen Drehmomentfluss durch die Kupplungseinrichtung von 3; und
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5 ein Federdiagramm für die Kupplungseinrichtung der vorangehenden Figuren in einer bevorzugten Ausführungsform
darstellt.
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1 zeigt zwei Längsschnitte durch eine Kupplungseinrichtung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform. Schnittebenen der beiden Darstellungen sind gegeneinander um eine Drehachse 105 der Kupplungseinrichtung 100 verdreht. Die Kupplungseinrichtung 100 umfasst eine Eingangsseite 110 und eine Ausgangsseite 115, die um die Drehachse 105 drehbar angeordnet sind. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Eingangsseite 110 ein Zahnrad mit einer radial äußeren Stirnverzahnung. Das Zahnrad 110 ist dazu eingerichtet, mit einem weiteren Zahnrad zu kämmen, das mit einem Antriebsmotor verbunden ist. Die Ausgangsseite 115 ist exemplarisch durch eine Nabe gebildet, die in der dargestellten Ausführungsform eine radial innere Verzahnung trägt. Die Nabe 115 kann insbesondere auf eine Getriebehauptwelle eines Getriebes wirken.
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Ein Kupplungspaket 120 der Kupplungseinrichtung 100 umfasst erste Reibelemente 125 und zweite Reibelemente 130, die in axialer Richtung abwechselnd angeordnet sind. Die ersten Reibelemente 125 und/oder die zweiten Reibelemente 130 können jeweils axiale Reibbeläge tragen oder nicht. In der dargestellten Ausführungsform tragen die ersten Reibelemente 125 in beiden axialen Richtungen Reibbeläge, während die zweiten Reibelemente 130 ohne Reibbeläge als Lamellen, insbesondere Stahllamellen ausgeführt sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die ersten Reibelemente 125 dazu eingerichtet, auf einer radial äußeren Seite drehmomentschlüssig und axial verschiebbar in einem äußeren Kupplungskorb 135 einzugreifen. Die zweiten Reibelemente 130 sind dazu eingerichtet, radial innen drehmomentschlüssig und axial verschiebbar ineinander einzugreifen. Dazu weisen die zweiten Reibelemente 130 in axialer Richtung umgebogene Fortsätze auf, sodass benachbarte zweite Reibelemente 130 formschlüssig ineinander eingreifen können. Ein axial letztes zweites Reibelement 130 ist mittels seines Fortsatzes drehmomentschlüssig mit einem inneren Kupplungskorb 140 gekoppelt. In einer anderen Ausführungsform können die zweiten Reibelemente 130 am inneren Kupplungskorb 140 in der gleichen Weise angebracht sein wie die ersten Reibelemente 125 am äußeren Kupplungskorb 135. Außerdem kann die Zuordnung zwischen ersten oder zweiten Reibelementen 125, 130 und innerem oder äußerem Kupplungskorb 135, 140 auch umgekehrt gewählt sein.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der innere Kupplungskorb 140 drehmomentschlüssig mit der Ausgangsseite 115 verbunden. Der innere Kupplungskorb 140 kann beispielsweise mittels Schrumpfen, Schweißen, Nieten, Schrauben oder mittels einer Verzahnung mit der als Nabe ausgeführten Ausgangsseite 115 verbunden sein.
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Der äußere Kupplungskorb 135 umfasst einen axialen Abschnitt 145 und einen radialen Abschnitt 150. Der äußere Kupplungskorb 135 ist topfförmig ausgebildet, wobei die beiden Abschnitte 145, 150 bevorzugterweise einstückig miteinander integriert ausgeführt sind. Der äußere Kupplungskorb 135 ist bevorzugterweise aus einem ebenen Blech herstellbar, beispielsweise mittels Tiefziehen, Pressen, Stanzen und/oder Biegen.
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Funktional ist zwischen der Eingangsseite 110 und dem Kupplungspaket 120 ein Dämpfer 160 vorgesehen. Der Dämpfer 160 ist vom Zwei-Scheiben-Typ und umfasst zwei ebene Scheiben, die sich jeweils in der Drehebene um die Drehachse 105 erstrecken. Die beiden Scheiben sind parallel zueinander versetzt und weisen jeweils eine Aussparung 165 auf. In den Aussparungen 165 liegt ein elastisches Element 170, das insbesondere als Zylinderfeder ausgeführt sein kann. Das elastische Element 170 ist in Umlaufrichtung um die Drehachse 105 orientiert und bevorzugterweise elastisch auf Druck belastbar. Werden die beiden Scheiben des Dämpfers 160 um die Drehachse 105 gegeneinander verdreht, so wird das elastische Element 170 komprimiert. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist eine der Scheiben vom Zahnrad der Eingangsseite 110 und die andere Scheibe vom radialen Abschnitt 150 des äußeren Kupplungskorbs 135 umfasst.
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In der dargestellten Ausführungsform ist eine Tellerfeder 175 vorgesehen, um einen axialen Abstand zwischen dem radialen Abschnitt 150 des äußeren Kupplungskorbs 135 und der Eingangsseite 110 herzustellen. Außerdem kann eine Verdrehsicherung 180 vorgesehen sein, um einen maximalen Verdrehwinkel zwischen den beiden Seiten des Dämpfers 160, also hier dem radialen Abschnitt 150 des äußeren Kupplungskorbs 135 und der als Zahnrad ausgeführten Eingangsseite 110 zu begrenzen. Die Verdrehsicherung 180 umfasst eine Aussparung 185 in der Eingangsseite 110 und einen axialen Fortsatz 190, der am radialen Abschnitt 150 des äußeren Kupplungskorbs 135 angebracht ist und sich durch die Aussparung 185 erstreckt. In anderen Ausführungsformen kann der Fortsatz 190 auch an der Eingangsseite 110 befestigt sein und die Aussparung 185 liegt im radialen Abschnitt 150 des äußeren Kupplungskorbs 135. Die Aussparung 185 ist so bemessen, dass eine vorbestimmte relative Verdrehung zwischen der Eingangsseite 110 und dem radialen Abschnitt 150 möglich ist, bevor der axiale Fortsatz 190 gegen eine in Umfangsrichtung um die Drehachse 105 liegende Begrenzung der Aussparung 185 läuft. Durch Größe und Lage der Aussparung 185 können ein positiver und ein negativer Verdrehwinkel zwischen dem radialen Abschnitt 150 und der Eingangsseite 110 unabhängig voneinander vorgegeben werden.
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In der vorliegenden, bevorzugten Ausführungsform ist der axiale Fortsatz 190 auf einer dem radialen Abschnitt 150 abgewandten axialen Seite der Eingangsseite 110 mit einem größeren Durchmesser als die Aussparung 185 ausgestattet. Eine axiale Position zwischen der Eingangsseite 110 und dem radialen Abschnitt 150 kann dadurch definiert sein.
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2 zeigt Draufsichten der Kupplungseinrichtung 100 von 1. Im linken Bereich der Figur ist eine Draufsicht dargestellt, die in den Darstellungen von 1 ebenfalls links liegt. Im rechten Bereich ist die entgegengesetzte Seite dargestellt, wobei nicht alle Elemente der Kupplungseinrichtung 100 dargestellt sind. Insbesondere fehlen in der Darstellung der innere Kupplungskorb 140 und das Kupplungspaket 120.
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Es ist bevorzugt, dass der Dämpfer 160 mehrere elastische Elemente 170 umfasst, die auf einem Umfang um die Drehachse 105 möglichst gleichmäßig verteilt sind. Auch die Verdrehsicherung 180 kann mehrere Aussparungen 185 und jeweils zugeordnete Fortsätze 190 umfassen, die bevorzugterweise ebenfalls auf einem Umfang um die Drehachse 105 möglichst gleichmäßig verteilt sind. Dabei liegen die Fortsätze 190 und Aussparungen 185 des Dämpfers 160 bevorzugterweise auf einem größeren Umfang als die elastischen Elemente 170 und zugeordneten Aussparungen 165 des Dämpfers 160.
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3 zeigt einen weiteren Längsschnitt durch die Kupplungseinrichtung 100 von 1. Diese Darstellung ähnelt der im rechten Bereich von 1 und stellt nicht die Verdrehsicherung 180 dar.
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4 zeigt einen Drehmomentfluss durch die Kupplungseinrichtung 100 in einer Darstellung ähnlich derer von 3. Die Darstellung bezieht sich auf einen Zugbetrieb, bei dem ein Drehmomentfluss von der Eingangsseite 110 zur Ausgangsseite 115 erfolgt. Eine umgekehrte Übertragungsrichtung ist jedoch ebenfalls möglich. Außerdem wird davon ausgegangen, dass die Verdrehsicherung 180 noch nicht greift und vorzugsweise auch, dass das elastische Element 170 nicht auf Block beansprucht wird.
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Ein erster Drehmomentfluss 405 verläuft von der radialen Außenseite der als Zahnrad ausgeführten Eingangsseite 110 und verläuft von dort radial nach innen bis zur Aussparung 165. In Umfangsrichtung um die Drehachse 105 liegende Begrenzungen der Aussparung 165 in der Eingangsseite 110 leiten den ersten Drehmomentfluss 405 in das elastische Element 170 ein. An einer gegenüberliegenden Seite des elastischen Elements 170 wird das Drehmoment an einer Begrenzung der Aussparung 165 im radialen Abschnitt 150 des äußeren Kupplungskorbs 135 wieder ausgeleitet und radial nach außen zum axialen Abschnitt 145 geleitet. Dort greifen die ersten Reibelemente 125 formschlüssig und axial verschiebbar ein und leiten den ersten Drehmomentfluss 405 radial nach innen ins Kupplungspaket 120.
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Werden die ersten Reibelemente 125 und die zweiten Reibelemente 130 des Kupplungspakets 120 axial komprimiert, so wird der erste Drehmomentfluss 405 in einen zweiten Drehmomentfluss 410 gekoppelt. Dieser beginnt an den zweiten Reibelementen 130 und wird in den inneren Kupplungskorb 140 formschlüssig eingekoppelt. Vom inneren Kupplungskorb 140 aus wird der zweite Drehmomentfluss 410 zu der als Nabe ausgeführten Ausgangsseite 115 geführt.
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5 zeigt ein Federdiagramm
500 für die Kupplungseinrichtung
100 der vorangehenden Figuren in einer bevorzugten Ausführungsform. In einer horizontalen Richtung ist ein Verdrehwinkel φ zwischen der Eingangsseite
110 und dem radialen Abschnitt
150 des äußeren Kupplungskorbs
135 angegeben. In vertikaler Richtung ist ein dafür erforderliches Drehmoment angegeben. Eine erste Federrate
505 korrespondiert zu einem elastischen Element
170 einer bekannten Kupplungseinrichtung
100, während eine zweite Federrate
510 zu einem elastischen Element
170 korrespondiert, das in der Kupplungseinrichtung
100 einer der
1 bis
4 Verwendung findet. Die dargestellten Parameter bzw. Größen beziehen sich auf zwei exemplarische, aber miteinander vergleichbare Ausführungsformen, die in dem gleichen Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftrads, verwendet werden können. Es ist zu sehen, dass die erste Federrate
505 einen geringeren maximalen Drehwinkel bei geringerem maximal übertragbarem Drehmoment als die zweite Federrate
510 realisiert. Zum Vergleich sind die dargestellten Werte in folgender Tabelle wiedergegeben:
| | Verdrehwinkel [°] | Federrate [Nm/°] | maximales Drehmoment [Nm] |
| Stand der Technik | ~2,75 | ~23 | ~63 |
| Vorschlag | ~8 | ~16 | ~128 |
| Änderung | ~291% ↑ | ~69% ↓ | ~203% ↑ |
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Der Vorschlag bezieht sich auf die Kupplungseinrichtung 100 einer der 1 bis 4. Die Pfeile unter „Änderung“ deuten die Veränderungsrichtung an. Es zeigt sich, dass der vorteilhafte Aufbau der Kupplungseinrichtung 100 den Einsatz weicherer und längerer elastischer Elemente 170 ermöglicht, ohne das übertragbare Drehmoment zu verringern. Im Gegenteil kann gleichzeitig das maximal durch den Dämpfer 160 übertragbare Drehmoment signifikant vergrößert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kupplungseinrichtung
- 105
- Drehachse
- 110
- Eingangsseite
- 115
- Ausgangsseite
- 120
- Kupplungspaket
- 125
- erste Reibelemente
- 130
- zweite Reibelemente
- 135
- äußerer Kupplungskorb
- 140
- innerer Kupplungskorb
- 145
- axialer Abschnitt
- 150
- radialer Abschnitt
- 160
- Dämpfer
- 165
- Aussparung
- 170
- elastisches Element
- 175
- Tellerfeder
- 180
- Verdrehsicherung
- 185
- Aussparung
- 190
- Fortsatz
- 405
- erster Drehmomentfluss
- 410
- zweiter Drehmomentfluss
- 500
- Federdiagramm
- 505
- erste Federrate
- 510
- zweite Federrate