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Die Erfindung betrifft einen Riemenscheibenentkoppler zur Drehmomentübertragung zwischen dem Riemen eines Nebenaggregate-Riementriebs und der Welle eines der Nebenaggregate, mit:
- – einer vom Riemen umschlungenen Riemenscheibe,
- – einer auf der Welle zu befestigenden Nabe,
- – einem um die Drehachse des Riemenscheibenentkopplers und radial zwischen der Riemenscheibe und der Nabe verlaufenden Ringraum,
- – und einer im Ringraum angeordneten Rampenkupplung, die das Drehmoment von der Riemenscheibe auf die Nabe überträgt und Folgendes umfasst:
- – eine Druckfeder,
- – einen axial verschiebbaren Ring,
- – eine mit der Riemenscheibe drehfeste erste axiale Stirnfläche und eine mit der Nabe drehfeste zweite axiale Stirnfläche, wobei eine der Stirnflächen auf dem verschiebbaren Ring verläuft und wobei eine der Stirnflächen durch Rampen gebildet ist, die sich axial zur anderen Stirnfläche hin erheben,
- – und eine Reihe Wälzkörper, die zwischen den Stirnflächen eingespannt sind und beim Hochlaufen der Rampen den verschiebbaren Ring gegen die Kraft der Druckfeder verschieben.
Die Rampenkupplung umfasst eine Hülse, die den verschiebbaren Ring verdrehsichert und zusammen mit der Druckfeder unter Bildung einer verliersicheren Federbaueinheit axial einfasst.
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Drehschwingungen und -ungleichförmigkeiten, die von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine in deren Nebenaggregate-Riementrieb eingeleitet werden, können bekanntlich durch sogenannte Riemenscheibenentkoppler kompensiert werden. Diese sind üblicherweise als Generator-Riemenscheibe mit einer Reihenschaltung aus einem Federentkoppler und einer Einweg-Kupplung ausgebildet. Die Einweg-Kupplung lässt bei verzögert angetriebener Riemenscheibe ein Überholen der trägen Generatorwelle zu und trägt somit ebenfalls zur Beruhigung des Riementriebs bei.
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Ein Riemenscheibenentkoppler der eingangs genannten Art ist aus der
DE 199 19 449 A1 bekannt.
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Weitere Riemenscheibenentkoppler sind unter anderem aus der
WO 2009/142 139 A1 oder der
JP 2012-193 841 A bekannt. Die Rampenkupplung umfasst dort jeweils zwei Ringe mit axialen, d. h. sich in Richtung der Drehachse des Riemenscheibenentkopplers erhebenden Rampen und an den Rampen hoch- und runter laufenden Kugeln. Der Rampenhochlauf der Kugeln erzwingt es, dass sich der Abstand zwischen dem verschiebbaren Ring und dem ortsfesten Ring vergrößert. Dabei drückt der verschiebbare Ring die axial dahinter liegende Druckfeder so weit zusammen, bis sich das von der Riemenscheibe auf die Nabe übertragene Drehmoment im Gleichgewicht mit der Druckfederkraft befindet. Die rotative Entkopplung der Riemenscheibe von der Nabe erfolgt unabhängig von deren Relativdrehrichtung durch abwechselnden Rampenhochlauf und Rampenrunterlauf der Kugeln bei sich entsprechend oszillierend verschiebendem Ring und komprimierender Druckfeder.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die konstruktive Ausgestaltung eines Riemenscheibenentkopplers der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll die andere Stirnfläche rampenfrei sein.
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Der Vorteil der Federbaueinheit liegt zum einen in deren vereinfachter Montierbarkeit auf die Riemenscheibe oder auf die Nabe. Zum anderen kann vor der Montage ein axiales Sollmaß, das bei fertig montiertem Riemenscheibenentkoppler die Vorspannkraft der zwischen den beiden axialen Stirnflächen eingespannten Wälzkörper beeinflusst, mit hoher Genauigkeit eingestellt werden. Die präzise Einstellung des Sollmaßes erfolgt insbesondere durch Kalibrieren des axialen Hülsenmaßes an der Einfassung.
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Gegenüber dem eingangs zitierten Stand der Technik ergibt sich eine (ruckfreie) Freilauffunktion der dann die Riemenscheibe überholenden Nabe dadurch, dass die Rampen nur auf der einen Stirnfläche ausgebildet sind und dass die andere Stirnfläche rampenfrei, d. h. ohne jeden Axialhub ist.
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Vorzugsweise verläuft die eine Stirnfläche auf dem verschiebbaren Ring und ist durch die Rampen gebildet. Wenn dann die Hülse der Federbaueinheit mit der Riemenscheibe drehfest ist, handelt es sich bei der einen Stirnfläche um die erste axiale Stirnfläche. Wenn umgekehrt die Hülse mit der Nabe drehfest ist, dann handelt es sich bei der einen Stirnfläche um die zweite axiale Stirnfläche.
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Die Rampenkupplung kann entweder einfach oder doppelt, d. h. entweder nur an einem axialen Ende oder an beiden axialen Enden der Federbaueinheit ausgeführt sein. Bei der doppelten Ausführung umfasst die Rampenkupplung jeweils zwei der ersten axialen Stirnflächen, der zweiten axialen Stirnflächen und der Wälzkörperreihen, die dann an beiden axialen Enden der Federbaueinheit angeordnet sind und vorzugsweise spiegelsymmetrisch zueinander verlaufen.
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Die Druckfeder kann ein Tellerfederpaket sein. Die Tellerfedern sind vorzugsweise wechselsinnig gestapelt. Je nach erforderlicher Federkennlinie können einige der Tellerfedern aber auch gleichsinnig gestapelt sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Riemenscheibenentkoppler für den im Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine angeordneten Generator dargestellt sind. Die Bezugszahlen sind dreistellig, wobei die erste Ziffer dem jeweiligen Ausführungsbeispiel entspricht. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel in perspektivischem Längsschnitt;
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2 ein Kugellager des Riemenscheibenentkopplers gemäß 1 in perspektivischem Längsschnitt;
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3 eine Federbaueinheit des Riemenscheibenentkopplers gemäß 1 in perspektivischem Längsschnitt;
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4 die Federbaueinheit gemäß 3 in perspektivisch explodiertem Längsschnitt;
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel in perspektivischem Längsschnitt;
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6 einen Teil einer Rampenkupplung des Riemenscheibenentkopplers gemäß 5 in perspektivischem Längsschnitt;
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7 ein drittes Ausführungsbeispiel in perspektivischem Längsschnitt;
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8 eine Federbaueinheit des Riemenscheibenentkopplers gemäß 7 in perspektivischer Explosion;
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9 eine Federbaueinheit eines vierten Ausführungsbeispiels in perspektivischem Längsschnitt;
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10 einen verschiebbaren Ring der Federbaueinheit gemäß 9 in perspektivischer Darstellung;
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11 die Hülse der Federbaueinheit gemäß 9 in perspektivischer Darstellung;
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12 die Federbaueinheit gemäß 9 bei deren Montage in perspektivischem Längsschnitt.
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Der in 1 gezeigte Riemenscheibenentkoppler 101 umfasst eine im wesentlichen hohlzylindrische Riemenscheibe 102, deren vom Riemen (nicht dargestellt) umschlungener Außenmantel 103 der Poly-V-Form des Riemens entsprechend profiliert ist. Der Riemenscheibenentkoppler 101, der vom Riemen um die Drehachse 104 der Generatorwelle (nicht dargestellt) in der eingezeichneten Drehrichtung angetrieben wird, umfasst weiterhin eine Nabe 105, die konzentrisch mit der Generatorwelle fest verschraubt ist. Das dem Generator abgewandte Ende der Nabe 105 ist zwecks der Verschraubung mit einem Innenvielzahn 106 als Eingriff für ein Schraubwerkzeug (nicht dargestellt) versehen.
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Die Riemenscheibe 102 ist drehbar auf der Nabe 105 gelagert, und zwar mittels zweier identischer Kugellager 107 und 108 mit einseitiger Abdichtung. Das generatorseitige Kugellager 107 ist als Festlager sowohl im Innenmantel der Riemenscheibe 102 als auch auf dem Außenmantel der Nabe 105 verpresst. Das generatorferne Kugellager 108 ist als Loslager lediglich im Innenmantel der Riemenscheibe 102 verpresst. Das generatorferne Ende des Riemenscheibenentkopplers 101 ist in bekannter Weise mit einer in der Riemenscheibe 102 verschnappten Schutzkappe 109 verschlossen.
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In einem zur Drehachse 104 konzentrischen Ringraum 110, der sich radial zwischen der Riemenscheibe 102 und der Nabe 105 und axial zwischen den beiden Kugellagern 107, 108 erstreckt, ist eine Rampenkupplung angeordnet. Diese umfasst eine Federbaueinheit 111, zwei erste axiale Stirnflächen 112 und 113, zwei zweite axiale Stirnflächen 114 und 115 und zwei Reihen Wälzkörper, die als Kugeln 116 zwischen den ersten und zweiten axialen Stirnflächen 112 und 114 bzw. 113 und 115 eingespannt sind. Die ersten axialen Stirnflächen 112, 113 sind drehfest mit der Riemenscheibe 102 und die zweiten axialen Stirnflächen 114, 115 sind drehfest mit der Nabe 105. Zwecks Montagevereinfachung können alternativ die Wälzkörper/Kugeln 116 auch in einem nicht dargestellten Lagerkäfig gehaltert werden.
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Die Federbaueinheit 111 ist in den 3 und 4 als Einzelteil dargestellt. Sie umfasst eine Hülse 117, zwei auf der Hülse 117 verschiebbare Ringe 118 und 119 und eine als Tellerfederpaket 120 ausgebildete Druckfeder mit wechselsinnig gestapelten und an deren Innenumfang auf der Hülse 117 zentrierten Tellerfedern. Die Hülse 117 und die verschiebbaren Ringe 118, 119 sind am Außenmantel bzw. jeweils am Innenmantel mit ineinander greifenden und aufeinander gleitenden Längsverzahnungen 121 bzw. 122 versehen, die die verschiebbaren Ringe 118, 119 zur Hülse 117 verdrehsichern und nur deren Verschiebung gegen die Kraft des Tellerfederpakets 120 zulassen. Die axialen Enden der Hülse 117 sind zu radial auswärtigen und umlaufenden Borden 123 und 124 umgeformt, an denen die verschiebbaren Ringe 118, 119 mit der Vorspannkraft des Tellerfederpakets 120 jeweils axial anschlagen. Damit fasst die Hülse 117 die verschiebbaren Ringe 118, 119 und das dazwischen vorgespannte Tellerfederpaket 120 nicht nur axial ein, sondern auch zu einer verliersicher montierbaren Baugruppe zusammen.
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Der Innenmantel der Hülse 117 ist mittels eines Pressverbands auf dem Außenmantel der Nabe 105 befestigt. Die zweiten axialen Stirnflächen 114, 115, die folglich auf den verschiebbaren Ringen 118, 119 verlaufen, sind jeweils durch gleichsinnige Rampen 125 und 126 gebildet, die sich axial zur jeweils gegenüberliegenden ersten axialen Stirnfläche 112, 113 hin erheben. Vorliegend hat jeder verschiebbare Ring 118, 119 fünf identische und umfänglich unmittelbar aneinander anschließende Rampen 125, 126. Die Rampenhöhe ist in Abhängigkeit des Federwegs bis auf die Blocklänge des Tellerfederpakets 120 so dimensioniert, dass auch bei sehr hoher Drehmomentübertragung ein Überspringen der Kugeln 116 von jeweils einer auf die nächste Rampe 125, 126 ausgeschlossen ist. Die verschiebbaren Ringe 118, 119 sind keine Gleichteile, sondern spiegelsymmetrisch zueinander.
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Die ersten axialen Stirnflächen 112, 113 sind durch gleichmäßige, d. h. vollumfängliche und rampenfreie Sicken 127 mit konstantem Querschnitt gebildet, die unmittelbar auf den Lageraußenringen 128 der Kugellager 107, 108 verlaufen. Dies verdeutlicht 2, in der die im Querschnitt kreisbogenförmige oder im Hinblick auf einen pressungsarmen 2-Punkt-Kontakt mit den Kugeln 116 profilierte Sicke 127 erkennbar ist.
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Das in 4 mit s bezeichnete innere Abstandsmaß zwischen den Borden 123, 124 wird beim Bördeln so eingestellt, dass sich ein vorbestimmtes Abstandsmaß der verschiebbaren Ringe 118, 119 ergibt. Dieses in 3 mit h bezeichnete Abstandsmaß kennzeichnet den axialen Abstand zwischen den axial tiefsten Punkten zweier gegenüberliegender Rampen 125, 126, wenn sich die verschiebbaren Ringe 118, 119 in vorgespanntem Anschlag mit den Borden 123, 124 befinden. Die Montage des Riemenscheibenentkopplers 101 erfolgt dann in Kenntnis des Abstandsmaßes h so, dass die Kugeln 116 mit einer vorbestimmten Vorspannkraft zwischen diesen tiefsten Rampenpunkten und dem jeweils gegenüberliegenden Lageraußenring 128 eingespannt sind. Diese Einstellung kann beispielsweise durch eine Größensortierung der Kugeln 116 und/oder durch tiefenvariables Einpressen der Kugellager 107, 108 in die Riemenscheibe 102 erfolgen.
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Die Funktionsweise des Riemenscheibenentkopplers 101 ist wie folgt: Die Riemenscheibe 102 wird vom Riemen in der eingezeichneten Drehrichtung angetrieben und möge zunächst schneller als die Nabe 105 drehen. Dabei bewirken die mit der Riemenscheibe 102 festen Lageraußenringe 128 der Kugellager 107, 108, dass die zwischen den Rampen 125, 126 und den Sicken 127 durch die Kraft des Tellerfederpakets 120 eingespannten Kugeln 116 die Rampen 125, 126 hochlaufen und die verschiebbaren Ringe 118, 119 unter Kompression des Tellerfederpakets 120 aufeinander zu verschieben. Bei Erreichen eines relativen Verdrehwinkels zwischen der Riemenscheibe 102 und der Nabe 105, der von der Kennlinie des Tellerfederpakets 120 und der axialen Steigung der Rampen 125, 126 abhängt, befindet sich die Rampenkupplung im Drehmomentgleichgewicht zwischen der antreibenden Riemenscheibe 102 und der angetriebenen Nabe 105, die dann die Generatorwelle antreibt. In diesem betrieblichen Antriebsmodus wird das vom Riemen eingeleitete Drehmoment über folgenden Kraftflusspfad übertragen: Riemenscheibe 102 – Lageraußenringe 128 – Kugeln 116 – verschiebbare Ringe 118, 119 – Hülse 117 – Nabe 105.
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Da der Riemen nicht mit gleichmäßiger Geschwindigkeit umläuft, sondern die Riemenscheibe 102 aufgrund von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oszillierend antreibt, befindet sich auch die Rampenkupplung in einem dementsprechend oszillierenden Zustand, in dem die ersten und zweiten axialen Stirnflächen 112 und 114 bzw. 113 und 115 relativ zueinander hin- und herdrehen. Dies bewirkt, dass die Rampenkupplung die antriebseitigen Drehungleichförmigkeiten vom Abtrieb entkoppelt und dort mit wesentlich geringerer Amplitude auf den Generator überträgt.
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Die Rampenkupplung umfasst weiterhin einen Freilaufmodus, in dem die Nabe 105 die Riemenscheibe 102 in der eingezeichneten Drehrichtung überholen kann. Dieser Freilaufmodus ist allgemein von Generatorfreiläufen bekannt, die es dem masseträgen Generatorläufer erlauben, beliebig lange schneller als die Riemenscheibe 102 und – übersetzungsbereinigt – schneller als die verzögert drehende Kurbelwelle zu drehen. Im Freilaufmodus befinden sich die Kugeln 116 an den axial tiefsten Punkten der Rampen 125, 126, so dass das Tellerfederpaket 120 maximal entspannt sind. Dabei verhindern die von den axial tiefsten Punkten der Rampen 125, 126 aufragenden Rampenstufen zur jeweils benachbarten Rampe 125, 126 ein Abwälzen der Kugeln 116 und erzwingen deren Gleitbewegung auf diesen Punkten. Diese Gleitbewegung ist zwingend erforderlich, da andernfalls ein Axialspiel der Kugeln 116 deren zuverlässigen Rampenhochlauf beim Wechsel vom Freilaufmodus in den betrieblichen Antriebsmodus verhindern würde. Dennoch soll die bei der Gleitbewegung der Kugeln 116 entstehende Reibung auf einem möglichst geringen Niveau gehalten werden. Dieses Ziel kann durch präzise geformte Freilaufmulden 129 erreicht werden, die jeweils den axial tiefsten Punkt der Rampe 125, 126 bilden.
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Die 5 und 6 zeigen wesentliche Details des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers 201, der bei gleicher Funktionsweise eine quasi invertiert konstruierte Rampenkupplung mit Federbaueinheit 211 aufweist. In diesem Fall wird das vom Riemen eingeleitete Drehmoment über folgenden Kraftflusspfad übertragen: Riemenscheibe 202 – Hülse 217 – verschiebbare Ringe 218, 219 – Kugeln 216 – Lagerinnenringe 230 – Nabe 205. Dieser invertierte Kraftflusspfad setzt im wesentlichen die nachfolgend beschriebenen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel voraus.
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Die Hülse 217 und die verschiebbaren Ringe 218, 219 sind am Innenmantel bzw. jeweils am Außenmantel mit den Längsverzahnungen 221 bzw. 222 versehen. Der Außenmantel der Hülse 217 ist in den Innenmantel der Riemenscheibe 202 eingepresst. Folglich sind die mit der Riemenscheibe 202 drehfesten, ersten axialen Stirnflächen 212, 213 durch die Rampen 225, 226 auf den verschiebbaren Ringen 218, 219 gebildet. Die gegenüberliegenden zweiten axialen Stirnflächen 214, 215 sind durch die gleichmäßigen Sicken 227 auf den Lagerinnenringen 230 gebildet, die beide als Festlager mit der Nabe 205 verbunden sind. Die Steigungsrichtung der zueinander spiegelsymmetrischen Rampen 225, 226 ist bei gleicher Antriebsdrehrichtung des Riemenscheibenentkopplers 201 umgekehrt zum ersten Ausführungsbeispiel.
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Die 7 und 8 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers 301 bzw. dessen Federbaueinheit 311. Bei dieser Ausführung wälzen die Kugeln 316 nicht unmittelbar auf den Lagerringen 328, 330 des Kugellagers 307, sondern auf den gleichmäßigen Sicken 327 der zweiten axialen Stirnflächen 314, 315 ab, die durch separate Stützringe 331, 332 gebildet sind. Die auf dem Außenmantel der Nabe 305 verpressten Stützringe 331, 332 sind Gleichteile, wobei der generatorseitige Stützring 331 zwischen der Federbaueinheit 311 und dem Kugellager 307 angeordnet ist und wobei der generatorferne Stützring 332 die Riemenscheibe 302 mittels eines Gleitlagerrings 333 radial auf der Nabe 305 lagert. Der den Stützring 332 umschließende Gleitlagerring 333 ist als geschlitzter Ring in einer Umfangsnut 334 des Stützrings 332 eingelegt.
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Die Rampenkupplung dieses dritten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch den größeren Freiheitsgrad bei der radialen Positionierung der Kugeln 316, die hierbei von der Dicke der Lagerinnenringe 330 unabhängig ist. Damit können die Kugeln 316 auf einem größeren Durchmesser abwälzen, der im fliehkraftbedingten Sammelbereich des im Ringraum 310 befindlichen Lagerfetts liegt.
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Ein weiteres Detail geht aus 8 hervor. Die axiale Einfassung der verschiebbaren Ringe 318, 319 und des Tellerfederpakets 320 ist hier nicht durch umlaufende Borde sondern durch vier um 90° versetzte Vorsprünge 335 der Hülse 317 gebildet, die bei der Montage der Federbaueinheit 311 radial einwärts umgeformt werden.
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Die 9 bis 11 zeigen wesentliche Details des vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verdrehsicherung der verschiebbaren Ringe 418, 419 gegenüber der Hülse 417 nicht durch die aufeinander gleitenden Längsverzahnungen 21, 22 gebildet. Zugunsten einer wesentlich geringeren Reibung greifen vielmehr die Hülse 417 und die verschiebbaren Ringe 418, 419 über eine lineare Wälzführung ineinander. Diese ist durch mehrere umfangsverteilte Längsnuten 436 am Innenmantel der Hülse 417 und durch eine entsprechende Anzahl Mulden 437 am Außenumfang der verschiebbaren Ringe 418, 419 sowie durch Kugeln 438 gebildet, die beim Verschieben der Ringe 418, 419 in den Mulden 437 rotieren und in den Längsnuten 436 abwälzen.
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Die Montage der Federbaueinheit 411 kann über einen Montagering 439 mit Kugelkanälen 440 gemäß 12 erfolgen. Bei der aufeinanderfolgenden Montage der verschiebbaren Ringe 418, 419 wird der Montagering 439 jeweils so auf die Hülse 417 aufgelegt, dass die Kugelkanäle 440 mit den Längsnuten 436 der Hülse 417 umfänglich fluchten. Die verschiebbaren Ringe 418, 419 werden so in den Montagering 439 eingelegt, dass sich die Mulden 437 und die Mündungen der Kugelkanäle 440 ausreichend überdecken, um die Kugeln 438 in die Mulden 437 zu befördern. Dies kann beispielsweise ausschließlich durch Schwerkraft oder mit Hilfe von Druckluft erfolgen. Anschließend wird der Montagering 439 in die Hülse 417 eingeschoben, um die Enden der Längsnuten 436 zur Anformung eines Endanschlags für die Kugeln 438 radial einwärts zu verstemmen.
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Die Hülse 17 kann bei allen Ausführungsbeispielen entweder durch Tiefziehen einer Blechronde oder durch Rollen eines Blechstreifens mit anschließendem Fügen der Streifenenden hergestellt werden. In Abhängigkeit davon können die Längsverzahnung 20, 21 bzw. die Längsnuten 436 durch Räumen der Hülse 17 bzw. vorheriges Walzen des Blechstreifens erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Riemenscheibenentkoppler
- 2
- Riemenscheibe
- 3
- Außenmantel der Riemenscheibe
- 4
- Drehachse
- 5
- Nabe
- 6
- Innenvielzahn
- 7
- Kugellager
- 8
- Kugellager
- 9
- Schutzkappe
- 10
- Ringraum
- 11
- Federbaueinheit
- 12
- erste axiale Stirnfläche
- 13
- erste axiale Stirnfläche
- 14
- zweite axiale Stirnfläche
- 15
- zweite axiale Stirnfläche
- 16
- Kugel
- 17
- Hülse
- 18
- verschiebbarer Ring
- 19
- verschiebbarer Ring
- 20
- Tellerfederpaket
- 21
- Längsverzahnung
- 22
- Längsverzahnung
- 23
- Bord
- 24
- Bord
- 25
- Rampe
- 26
- Rampe
- 27
- Sicke
- 28
- Lageraußenring
- 29
- Freilaufmulde
- 30
- Lagerinnenring
- 31
- Stützring
- 32
- Stützring
- 33
- Gleitlagerring
- 34
- Umfangsnut
- 35
- Vorsprung
- 36
- Längsnut
- 37
- Mulde
- 38
- Kugel
- 39
- Montagering
- 40
- Kugelkanal