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Die Erfindung betrifft eine Reibungskupplung oder -bremse mit Selbstverstärkung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Die selbstverstärkende Eigenschaft beruht auf einem Kraftverstärkungsmechanismus, der infolge eines zwischen den Kupplungshälften übertragenen Drehmoments eine Axialkraft auf Reibelemente, welche an der Drehmomentübertragung beteiligt sind, verstärkt. Infolge der so erhöhten Axialkraft erhöht sich wiederum das übertragbare Drehmoment.
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Derartige Reibungskupplungen oder -bremsen werden überall dort eingesetzt, wo mit geringen Betätigungskräften große Drehmomente zu übertragen sind.
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Der Kraftverstärkungsmechanismus vieler bekannter Reibungskupplungen oder -bremsen beinhaltet eine Kombination von Kugeln, die in tangential geneigten Rampen geführt sind, welche ein Drehmoment in eine Axialkraft zwischen der ersten Kupplungshälfte und einem Übertragungsmittel übersetzen. Bei einer Verdrehung des Übertragungsmittels gegenüber der ersten Kupplungshälfte wird das Übertragungsmittel gegenüber der ersten Kupplungshälfte durch den Rampenmechanismus zwangsweise axial ausgelenkt und damit eine Axialkraft auf Reibflächen ausgeübt, welche mit dem Übertragungsmittel verbunden und in Kontakt mit Reibflächen der zweiten Kupplungshälfte sind.
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Die
US 5,713,445 zeigt eine Reibungsbremse mit Selbstverstärkung, bei der jede der Rampen nur eine Flanke aufweist. Die Selbstverstärkung stellt sich demzufolge nur bezüglich einer Drehmomentenrichtung ein.
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Die
EP 0 669 480 B1 und die
US 5,505,285 zeigen Kupplungen, bei denen der Kraftverstärkungsmechanismus sowohl bei Drehmomenten, die im Uhrzeigersinn wirken, als auch bei Drehmomenten, welche entgegen dem Uhrzeigersinn wirken, funktioniert. Derartige Kupplungen sind geeignet, in Antriebssträngen von Fahrzeugen verwendet zu werden, da sie sowohl im Zug- als auch im Schubbetrieb Drehmomente übertragen. Beim Übergang von der einen in die andere Drehmomentenrichtung findet jedoch eine Verdrehung der beiden Kupplungshälften statt, so lange, bis die Kugeln an den für die neue Momentenrichtung wirksamen Rampen anliegen. Dieser Effekt tritt, wenn auch in geringerem Maß, auch bei der nicht vorveröffentlichten
DE 102 04 947 der Anmelderin auf, bei der die Kugeln in konischen Vertiefungen aufgenommen sind und, je nach Drehmomentenrichtung, auf der einen oder der anderen Seite in der konischen Vertiefung anliegen.
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Es gibt Anwendungsfälle, bei denen dieses Drehspiel unerwünschte Lastwechselstöße hervorruft, welche hör- und/oder spürbar sind und bei der Anwendung in Fahrzeugen zu Komforteinbußen führen könnten.
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Auch für weitere Anwendungsfälle, wie z. B. festbremsbare Servomotoren, welche für Positionierzwecke geeignet sind, ist ein Drehspiel im festgebremsten Zustand unerwünscht, weshalb hier bisher vorzugsweise Bremsen ohne einen Selbstverstärkungsmechanismus eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Reibungskupplung oder -bremse mit Selbstverstärkung anzugeben, welche bezüglich beiden Drehmomentenrichtungen wirkt und bei der im festgebremsten bzw. gekuppelten Zustand kein Drehspiel zwischen den beiden Kupplungshälften vorhanden ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine, auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs aufweisende Reibungskupplung oder -bremse gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Erfindungsgemäß weist also das Übertragungsmittel, welches zwischen den beiden Kupplungshälften angeordnet ist und das mittels eines Kraftverstärkungsmechanismus mit der ersten Kupplungshälfte verbunden ist und das Reibflächen aufweist, welche mit Reibflächen auf der zweiten Kupplungshälfte reibschlüssig zusammenwirken können, ein erstes und ein zweites Überragungselement auf, welche relativ zueinander verdrehbar sind und unabhängig voneinander eine die zwischen den Reibflächen wirkende Anpreßkraft verstärkende Axialkraft erzeugen. Dabei wird vom ersten Übertragungselement eine die Anpreßkraft verstärkende Axialkraft infolge eines im Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments und vom zweiten Übertragungselement eine die Anpreßkraft verstärkende Axialkraft infolge eines gegen den Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments erzeugt. Darüber hinaus sind Vorspannmittel vorgesehen, welche dem ersten Übertragungselement ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment aufprägen und dem zweiten Übertragungselement ein gegen dem Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment aufprägen oder umgekehrt. Sofern die beiden Übertragungselemente nicht von einem Betätigungsmittel, wie z. B. einem Elektromagneten, gelüftet, d. h. axial von der Reibfläche der zweiten Kupplungshälfte wegbewegt sind, sind sowohl die Reibflächen des ersten Übertragungselements als auch die Reibflächen des zweiten Übertragungselements in Kontakt mit einer oder mehreren zugeordneten Reibflächen der zweiten Kupplungshälfte. Bezüglich jeder Drehmomentenrichtung wirkt jeweils eines der beiden Übertragungselemente kraftverstärkend. Die Vorspannmittel bewirken, dass der Kraftverstärkungsmechanismus des jeweils anderen Übertragungselements in einem Zustand ist, aus dem heraus bei einer Drehmomentenrichtungsänderung unmittelbar ohne die Überwindung eines Drehspiels ein Drehmoment übertragen wird, wobei dann der Kraftverstärkungsmechanismus des zweiten Übertragungselements wirkt.
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Der Drehwinkel, um den die beiden Übertragungselemente relativ zueinander verdrehbar sind, muß lediglich so groß sein, dass das vom Vorspannmittel zwischen den beiden Übertragungselementen wirkende Drehmoment sich auf den jeweiligen Kraftverstärkungsmechanismen abstützt. Hierfür können bereits wenige Winkelgrade ausreichend sein. Auch die axiale Beweglichkeit der beiden Übertragungsmittel relativ zueinander muß nur so groß sein, dass sowohl das erste als auch das zweite Übertragungsmittel unabhängig voneinander eine Axialkraft auf die zugeordneten Reibflächen der zweiten Kupplungshälfte ausüben können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Vorspannmittel mindestens ein Federelement, welches zwischen den beiden Übertragungselementen angeordnet ist. Alternativ hierzu können auch zwischen jedem Übertragungselement und der ersten Kupplungshälfte Federelemente vorgesehen sein. Anstelle von Federelementen können auch andere Vorspannmittel, welche beispielsweise auf magnetischer oder pneumatischer Wirkung beruhen, verwendet werden.
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Bestehen die Vorspannmittel aus Federelementen, können diese aus drei sich radial erstreckenden Blattfedern gebildet werden, von denen jede an ihrem radial inneren Ende mit einem Übertragungselement und an ihrem radial äußeren Ende mit dem anderen Übertragungselement verbunden sind. Die gleiche Funktion wird jedoch auch von einer Spiralfeder erfüllt, welche konzentrisch zwischen den beiden Übertragungselementen angeordnet ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Federelemente sind am Umfang verteilt mehrere, vorzugsweise drei, tangential ausgerichtete Zug- oder Druckfedern vorgesehen, die sich mit ihrem einen Ende am ersten Übertragungselement und mit ihrem anderen Ende am zweiten Übertragungselement abstützen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das erste Übertragungselement aus einer ersten Scheibe und das zweite Übertragungselement aus einer zweiten, benachbarten, koaxialen Scheibe, wobei die erste Scheibe auf der Seite der ersten Kupplungshälfte und die zweite Scheibe auf der Seite der zweiten Kupplungshälfte zwischen den beiden Kupplungshälften angeordnet sind. Die erste Scheibe weist dabei Ausnehmungen auf, durch welche Vorsprünge der zweiten Scheibe zur ersten Kupplungshälfte hindurchgreifen, und die zweite Scheibe weist Ausnehmungen auf, durch welche Vorsprünge der ersten Scheibe zur zweiten Kupplungshälfte hindurchgreifen.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung bestehen die beiden Übertragungselemente aus einer ersten und einer zweiten koaxialen Ringscheibe, wobei die erste Scheibe im selben axialen Bauraum radial innerhalb oder außerhalb der zweiten Scheibe angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung sind längere, flach ansteigende Rampen möglich, die für hohe Kraftverstärkungsfaktoren benötigt werden.
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Als Betätigungsmittel für die beiden Übertragungselemente eignet sich insbesondere ein Elektromagnet, wenngleich die Erfindung nicht auf elektromagnetisch betätigte Reibungskupplungen oder -bremsen beschränkt ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist also ein Elektromagnet der ersten Kupplungshälfte zugeordnet, welcher dafür vorgesehen ist, die beiden Übertragungselemente, welche die beiden Ankerscheiben eines zweiteiligen Ankers sind, zu lüften.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen der ersten Kupplungshälfte und jedem der beiden Übertragungselemente mehrere Mitnahmeelemente in zugeordneten Aufnahmebereichen der ersten Kupplungshälfte und der beiden Übertragungselemente angeordnet, wobei die Aufnahmebereiche und/oder die Mitnahmeelemente tangential geneigte Kontaktflächen aufweisen. Wenn für jedes Übertragungselement genau drei gleichmäßig am Umfang verteilte Mitnahmeelemente vorgesehen sind, wird hierdurch eine statisch bestimmte Abstützung jedes Übertragungselements auf der ersten Kupplungshälfte erzielt und gewährleistet, dass alle Übertragungselemente an der Drehmomentübertragung beteiligt sind.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist für die beiden Übertragungselemente kein separates Lager vorgesehen. Die Übertragungselemente sind hierbei von den Mitnahmeelementen auf der ersten Kupplungshälfte gesichert.
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Eine besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mitnahmeelemente als Kugeln ausgebildet sind, welche in zugeordneten, vorzugsweise konisch zulaufenden Vertiefungen der ersten Kupplungshälfte und der beiden Übertragungselemente aufgenommen sind. Alternative Ausgestaltungen weisen radial ausgerichtete Rollen oder auch Stifte mit konischen oder sphärischen Spitzen, auf, welche mit axial gegenüberliegenden Rampen zusammenwirken.
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Bei einer Ausführung als Reibungsbremse ist die erste oder die zweite Kupplungshälfte drehfest in einem Gehäuse angeordnet und nur die andere Kupplungshälfte drehantreibbar gelagert. Eine Ausführung als Reibungskupplung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Kupplungshälften drehbar in einem Gehäuse gelagert sind.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 und 3 Explosionsdarstellungen einer erfindungsgemäßen Bremse in verschiedenen Ansichten;
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2 eine Zusammenbauansicht der erfindungsgemäßen Bremse nach 1 und 3;
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4 schematisch eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Funktion der Erfindung;
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5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bremse gemäß 1 bis 3;
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6 und 7 Schnitt-Darstellungen einer erfindungsgemäßen Bremse nach 1 bis 3 und 5;
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8 bis 11 verschiedene Ausgestaltungen von Kraftverstärkungsmechanismen;
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12 und 13 Darstellungen einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bremse und
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14 und 15 Darstellungen einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bremse.
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In 1 ist mit 2 der feststehende Magnetkörper einer elektromagnetischen Bremse 4 bezeichnet, der eine kreisringförmige Ausnehmung für eine nicht dargestellte Spule eines Elektromagneten aufweist. Der Magnetkörper 2 dient als erste Kupplungshälfte. Da der Magnetkörper 2 feststehend ist, handelt es sich um eine elektromagnetische Bremse. Mit 6 ist ein drehantreibbarer Flansch bezeichnet, der als zweite Kupplungshälfte dient und koaxial zum Magnetkörper 2 angeordnet ist. Zwischen dem Magnetkörper 2 und dem Flansch 6 sind axial bewegbar eine erste Ankerscheibe 8 und eine zweite Ankerscheibe 10 angeordnet. Jede der beiden Ankerscheiben 8, 10 ist über jeweils drei Kugeln 12, 14 mit dem Magnetkörper in Wirkverbindung. Die Ankerscheiben 8, 10 weisen auf der zum Flansch 6 hingewandten Seite Reibflächen 16, 18 auf, welche dafür vorgesehen sind, mit der Reibfläche 20 (3) des Flansches 6 zusammenzuwirken. Damit beide Ankerscheiben 8, 10 sowohl mit dem Magnetkörper als auch mit dem Flansch 6 in direkten Kontakt kommen können, weist die erste Ankerscheibe 8, welche auf der Seite des Magnetkörpers 2 angeordnet ist, drei gleichmäßig am Umfang der Nabe 22 verteilte Ausnehmungen 24 auf. Durch diese Ausnehmungen 24 greifen Vorsprünge 26 der zweiten Ankerscheibe 10 zum Magnetkörper 2 hindurch. Die Ankerscheibe 10 weist an ihrem Umfang drei Ausnehmungen aus, durch welche die Vorsprünge der Ankerscheibe 8, welche die Reibflächen 16 tragen, hindurchgreifen, so dass die Reibflächen 16 in Kontakt mit der Reibfläche 20 des Flansches 6 treten können. Die beiden Ankerscheiben 8, 10 sind in gewissem Maß unabhängig voneinander axial zwischen dem Magnetkörper 2 und dem Flansch 6 bewegbar und außerdem um einen Winkelbetrag relativ zueinander verdrehbar. Zwischen den beiden Ankerscheiben 8, 10 sind drei radial ausgerichtete Blattfedern 28 angeordnet, die mit ihrem radial inneren Ende 30 in zugeordneten Schlitzen 32 in der Nabe 22 sitzen und mit ihrem radial äußeren Ende 34 in Schlitzen 36 sitzen, die in die zweite Ankerscheibe 10 eingearbeitet sind. Die zweite Ankerscheibe 10 weist in den Bereichen der Blattfedern 28 radiale Ausnehmungen 38 auf, die den Blattfedern Raum zur Verformung bieten, wenn die beiden Ankerscheiben 8, 10 gegeneinander verdreht werden. Der Flansch 6 sitzt auf einer nicht dargestellten Welle, welche im Magnetkörper 2 gelagert ist und den Abstand zwischen dem Magnetkörper 2 und dem Flansch 6 konstant hält. Die Kugeln 12, 14 dienen als Mitnahmeelemente zwischen jeder der beiden Ankerscheiben 8, 10 und dem Magnetkörper. Im Magnetkörper 2 sind konische Bohrungen 40, 42 vorgesehen, welche als Aufnahmebereiche für die Kugeln 12, 14 dienen. Die erste Ankerscheibe 8 weist auf der dem Magnetkörper 2 zugewandten Seite drei gleichmäßig am Umfang der Nabe 22 angeordnete konische Bohrungen 44 (3) auf. Die drei Vorsprünge 26 der zweiten Ankerscheibe 10 weisen ebenfalls konische Bohrungen 46 auf. Die beiden Ankerscheiben 8, 10 werden durch den Flansch 6 in geringem Abstand von dem Magnetkörper 2 gehalten, so dass die Kugeln 12, 14 sowohl in die Bohrungen 40, 42 als auch in die Bohrungen 44, 46 eintauchen und eine triebliche Anbindung der Ankerscheiben 8, 10 an den Magnetkörper 2 bewirken. Jede Ankerscheibe 8, 10 ist also durch genau drei Kugeln 12, 14 an den Magnetkörper 2 gekoppelt und auf dem Magnetkörper 2 gesichert. Solange die beiden Ankerscheiben 8, 10 nicht mit äußeren Drehmomenten beaufschlagt werden, bewirken die Blattfedern 28 eine Verdrehung der beiden Ankerscheiben 8, 10, welche durch den Winkelsektor der Ausnehmungen 48 (2) begrenzt ist. Der sich dabei einstellende Differenzwinkel zwischen den Bohrungen 44 und 46 ist unterschiedlich gegenüber dem Differenzwinkel zwischen den Bohrungen 40, 42. Werden die beiden zusammengebauten Ankerscheiben 8, 10 dann also axial gegen den Magnetkörper gedrückt, so liegen die Kugeln 12 zwischen einer Flanke der Bohrung 40 und einer gegenüberliegenden Flanke der Bohrung 44 und die Kugeln 14 spiegelbildlich zwischen einer Flanke der Bohrung 42 und einer gegenüberliegenden Flanke der Bohrung 26 an.
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Dieser Zusammenhang läßt sich am besten anhand der Prinzipskizze gemäß 4 erläutern. Der nicht maßstäbliche Schnittverlauf gemäß 4 ist in der 1 mit 50 bezeichnet und ergibt sich durch Abschneiden eines Kreisringsegments der Reibungsbremse 4. Die Kugeln 12, 14 tauchen also sowohl in die Bohrungen 40, 42 des Magnetkörpers 2 als auch in die Bohrungen 44 der ersten Ankerscheibe 8 und in die Bohrungen 46 der zweiten Ankerscheibe 10 ein. Die Funktion der Feder 52 wird durch die Blattfedern 28 erfüllt. Die Feder 52 bewirkt ein Drehmoment zwischen den beiden Ankerscheiben 8, 10, so dass der Abstand der Bohrungen 44, 46 kleiner ist als der Abstand der beiden Bohrungen 40, 42. Die Feder 52 bzw. die Blattfedern 28 bewirken, außer der Funktion, die beiden Ankerscheiben 8, 10 gegeneinander zu verdrehen, einen weiteren Effekt, nämlich in Zusammenwirkung mit den Kugeln 12, 14 und den Bohrungen 40, 42 eine auf den Flansch 6 hin gerichtete Axialkraft. Durch Einschalten des nicht dargestellten Elektromagneten werden die beiden Ankerscheiben 8, 10 gelüftet, d. h. von dem Flansch 6 wegbewegt. Bei abgeschaltetem Elektromagneten liegen die beiden Ankerscheiben mit ihren Reibflächen 16, 18 infolge der durch die Federn bewirkten Axialkraft an der Reibfläche 20 des Flansches an. Je nach Drehmomentenrichtung wirkt dann die eine Ankerscheibe 8 oder die andere Ankerscheibe 10 kraft- bzw. drehmomentverstärkend, da infolge des Drehmoments die Kugeln 12, 14, die an den tangential geneigten Seitenflanken der Bohrungen 40, 42, 44, 46 anliegen, eine Axialkraft auf die Ankerscheiben 8, 10, welche die zwischen den Reibflächen 16, 18, 20 wirkende Anpreßkraft verstärkt. Dadurch, dass die Kugeln 12 genau spiegelverkehrt zu den Kugeln 14 zwischen den entsprechenden Flanken der Bohrungen gehalten sind bzw. an ihnen anliegen, wird von der ersten Ankerscheibe 8 eine die Anpreßkraft verstärkende Axialkraft infolge eines im Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments und die zweite Ankerscheibe 10 eine die Anpreßkraft verstärkende Axialkraft infolge eines gegen den Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments erzeugt. Dabei prägen die Blattfedern 28 bzw. die Feder 52 der ersten Ankerscheibe 8 ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment auf und die der zweiten Ankerscheibe 10 ein gegen den Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment.
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In den 5 bis 7 sind gleiche Positionen mit entsprechenden Bezugsziffern versehen, wie in den 1 bis 3.
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6 zeigt den Schnittverlauf, der durch eine Kugel 12 verläuft, die zwischen dem Magnetkörper und der ersten Ankerscheibe 8 sitzt. Im Magnetkörper 2 ist die Spule des Elektromagneten 54 aufgenommen.
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7 zeigt eine entsprechende Darstellung durch die Kugel 14.
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Aus den 6 und 7 ist ersichtlich, dass die zweite Ankerscheibe 10 drehbar und axial verschiebbar auf der Nabe 22 der ersten Ankerscheibe 8 angeordnet ist.
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Anstelle der vorbeschriebenen Kugeln, welche in konischen Bohrungen aufgenommen sind, wie vorbeschrieben und wie in 8 dargestellt, kommen auch andere Ausgestaltungen für den Kraftverstärkungsmechanismus in Frage.
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9 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste Kupplungshälfte Stifte mit sphärischen Köpfen bzw. Spitzen aufweist, welche in gegenüberliegende konische Bohrungen eingreifen. Auch ein Hebelmechanismus, wie er in der 10 dargestellt ist, kann zur Kraftverstärkung verwendet werden.
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Sind höhere Kraftverstärkungsfaktoren gefordert, können anstelle von konischen Bohrungen auch Rampen mit flachen Neigungswinkeln in die Kupplungshälften eingearbeitet sein, wie in der 11 dargestellt.
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Anstelle von Blattfedern 28 können auch eine Spiralfeder 56, die koaxial zwischen den beiden Ankerscheiben 8, 10, wie in 12, 13 gezeigt, oder tangential ausgerichtete Zug- oder Druckfedern 58 vorgesehen werden, wie in 14, 15 gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Magnetkörper
- 4
- Bremse
- 6
- Flansch
- 8
- Ankerscheibe
- 10
- Ankerscheibe
- 12
- Kugeln
- 14
- Kugeln
- 16
- Reibflächen
- 18
- Reibflächen
- 20
- Reibfläche
- 22
- Nabe
- 24
- Ausnehmung
- 26
- Vorsprünge
- 28
- Blattfeder
- 30
- Ende
- 32
- Schlitz
- 34
- Ende
- 36
- Schlitz
- 38
- Ausnehmung
- 40
- konische Bohrung
- 42
- konische Bohrung
- 44
- konische Bohrung
- 46
- konische Bohrung
- 48
- Ausnehmung
- 50
- Schnittverlauf
- 52
- Feder
- 54
- Spule
- 56
- Spiralfeder
- 58
- Zug- oder Druckfeder
