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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft Drehmoment übertragende
Kupplungen für
Antriebsstränge
und insbesondere eine Drehmomentüberlastkupplung
für einen
Antriebsstrang.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
angetriebene Welle eines landwirtschaftlichen Geräts wird
mit einer Zapfwelle eines Traktors durch wenigstens eine Universalverbindung verbunden,
um die saubere Übertragung
von Torsionskräften
zwischen der Antriebswelle und der getriebenen Welle sicherzustellen.
Wenn ein landwirtschaftliches Gerät an einen Traktor angekuppelt
wird, ist es häufig
wünschenswert,
das Drehmoment, welches durch den Antriebsstrang übertragen
werden kann, zu begrenzen. Wenn dies nicht erfolgt, kann dies zu übermäßigen Torsionskräften führen, was
zu einer Zerstörung
der Wellen oder anderen Elemente des Geräts oder des Traktors führt.
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Es
sind unterschiedliche Arten von das Drehmoment begrenzenden Kupplungen
bekannt, beispielsweise Reibungs-, Abscher- und Klinkenkupplungen.
Reibungskupplungen übertragen
das Drehmoment durch eine Reibungsschnittstelle und haben die Tendenz,
in einer unerwünschten
Rate zu verschleißen
und Wärme
zu erzeugen, wenn die Kupplung auskuppelt. Zusätzlich geben typische Reibungskupplungen
der Bedienungs- Person
keine Warnung oder kein Signal, wenn sie auskuppeln. Als Ergebnis
kann die Kupplung sich abnutzen, oder es kann während des Betriebs Zeit verloren
gehen, wenn der Benutzer unter dem falschen Eindruck steht, dass
das landwirtschaftliche Gerät
wie erwartete arbeitet.
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Frühere Verfahren
zur Begrenzung des Drehmoments umfassen zusätzlich Abschervorrichtungen,
bei denen ein Abscherstift abgeschert wird, wenn das Drehmoment
eine gewisse Höhe überschreitet.
In solchen Vorrichtungen wird ein Stift oder Bolzen abgeschert und
muss jedes Mal dann ersetzt werden, wenn die Drehmomentgrenze überschritten wurde.
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Klinkenkupplungen
schaffen einen Positionseingriff, alarmieren einen Benutzer, wenn
der Drehmomentschwellwert überschritten
wird, und erfordern ein geringes oder kein Eingreifen des Benutzers,
um die Vorrichtung wieder in Betrieb zu setzen, nachdem der Drehmomentschwellwert überschritten wurde.
Das
US-Patent 5,733,196 offenbart
eine solche Vorrichtung, die eine Kupplung zeigt, bei der ein Außengehäuse an der
einen der Wellen befestigt ist und ein inneres Gehäuse an der
anderen befestigt ist. Im Einzelnen werden das innere und das äußere Gehäuse eingekuppelt,
wenn ein Satz von Klauen sich von einer innen liegenden Position,
in welcher diese vollständig
innerhalb einer Öffnung
im inneren Gehäuse
sind, in eine ausgerückte
Position bewegen, in welcher die Klauen teilweise in der Öffnung sowie
auch in einer Aussparung in dem äußeren Gehäuse angeordnet
sind, so dass die zwei Wellen gekuppelt sind und zusammen drehen.
Wenn die Torsionskräfte
zwischen den zwei Wellen einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten,
gleiten die Klauen radial nach innen in die ausgekuppelte Position
gegen die Kraft einer Tellerfeder, die axial wirkt. Wenn die Kupplung
einmal ausgekuppelt ist, bewegt eine radiale Feder einen mehrteilig
segmentierten Schaltring, um das Wiedereinkuppeln der Klauen in die
Aussparung zu blockieren, so dass die Klauen so lange nicht wieder
einkuppeln, bis die Geschwindigkeit ausreichend niedrig ist, um
ein abruptes Überlagern
oder Rucken beim Wiedereinkuppeln zu vermeiden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Drehmoment begrenzende Kupplung,
bei der ein abruptes Überlagern
oder Rucken beim Wiedereinkuppeln verhindert wird, ohne dass an
dem Mechanismus zusätzliche
Teile eingeführt
werden. In einer Kupplung gemäß der Erfindung
ist das Federelement eine regressive Tellerfeder, deren Widerstand
dramatisch sinkt, wenn sie über
einen gewissen Punkt hinaus komprimiert wird, wie dies auftritt,
wenn die Kupplung ausgekuppelt wird. Die kleine Restfederkraft bei
ausgekuppelter Kupplung ist jedoch ausreichend, um die treibenden
Elemente radial nach außen
vorzuspannen, um die Kupplung wieder mit einer relativ kleinen Anfangswiedereinkupplungskraft
einzukuppeln, wenn die relative Geschwindigkeit und das Drehmoment
zwischen den treibenden und angetriebenen Wellen ausreichend klein
oder Null sind. Die Wiedereinkupplungskraft ist auch ausreichend,
um zu bewirken, dass die treibenden Elemente rattern, wenn sie die
Aussparungen in dem Außenelement
passieren, um die Betriebsperson zu warnen, dass die Kupplung ausgekuppelt
hat.
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In
einer bevorzugten Form ist die Feder in der eingekuppelten Position
auf eine Kraft vorgespannt, die die maximale Kraft nicht erreicht,
beispielsweise auf 40–80%
der maximalen Kraft, die die Feder erreichen kann, was typischerweise
bei einer Abbiegung von weniger als 50% der Höhe (Höhe = Gesamtlänge – Dicke)
der Feder auftritt. Die Maximalkraft tritt typischerweise bei ungefähr 50% Abbiegung
auf, so dass die Kraft, welche durch die Feder anfänglich ausgeübt wird,
steigt, wenn die treibenden Elemente sich radial nach innen zum
Auskuppeln bewegen. Nachdem die Maximalkraft überschritten ist, läßt die Kraft
nach und kann deutlich sinken, wenn die Biegung über die Maximalkraft hinaus
ausreichend ist. Daher kann die Tellerfeder vorzugsweise in die
flache Form und über
diese hinaus biegen, so dass sie in der ausgekuppelten Position
konkav ist und nur eine sehr kleine Kraft ausübt, um die treibenden Elemente
zurück
in die Wiedereinkupplung vorzuspannen.
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Vorzugsweise
ist das Verhältnis
von Höhe
zu Dicke der Feder so gewählt,
dass es so hoch wie möglich
ist, während
noch möglich
ist, dass die Feder zurückfedert,
nachdem sie über
ihre ebene Position in eine konkave Form hinweg gebogen ist. Somit
sollte das Höhe-Dicke-Verhältnis im
Bereich von ungefähr
2,3 bis 2,8 und vorzugsweise zwischen 2,6 und 2,8 sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung gleitet ein Betätigungsring auf den treibenden Elementen
und ist durch die Feder vorgespannt, um die treibenden Elemente
in die Ausnehmungen des Außengehäuses vorzuspannen.
An der Seite der Feder gegenüber
dem Betätigungsring
hält eine
Druckplatte die Feder axial zurück.
Die Druckplatte hat eine konkave oder anders radial nach innen zurücktretende
Fläche,
die es ermöglicht,
dass die Feder in der ausgekuppelten Position eine konkave Form
einnimmt. Die Druckplatte verhindert auch, dass die Feder zerstört wird,
indem sie in eine extrem konkave Form überbogen wird.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenansicht eines Anschlussstücks, das eine bevorzugte Ausführungsform
einer Drehmoment begrenzenden Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet;
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2 ist
eine Ansicht im Schnitt des in der 1 dargestellten
Anschlussstücks
in einer Radialebene gesehen, in eingekuppelter Position;
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3 ist
eine explosionsartige Baugruppenansicht zur Erläuterung einer Lager-Naben-Unterbaugruppe des
Anschlussstücks,
das von einer Kupplungsunterbaugruppe des Anschlussstücks ausgebaut
ist;
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4 ist
eine explosionsartige Baugruppenansicht der Kupplungsunterbaugruppe;
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5 ist
eine Ansicht im Schnitt gesehen in der Ebene gemäß der Linie 5-5 in 7 der
Kupplungsunterbaugruppe in der ausgekuppelten Position;
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6 ist
eine Ansicht im Schnitt gesehen in der Ebene gemäß der Linie 6-6 in 2 des
Anschlussstücks
in der eingekuppelten Position;
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7 ist
eine Ansicht im Schnitt der Kupplung gesehen in der Ebene gemäß der Linie
7-7 aus 5 in der ausgekuppelten Position;
und
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8 ist
eine grafische Darstellung der charakteristischen Kurve des Drehmoments
bezogen auf die Zeit für
eine Kupplung, die gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf die 1–3 hat eine
Anschlussstückbaugruppe 20 eine
Drehmomentüberlastkupplung 22 und
eine Gabellager/Naben-Baugruppe 12. Die Drehmomentüberlastkupplung 22 hat ein
ringförmiges
Außengehäuse 24,
das mit dem Gabellager 26 der Baugruppe 12 durch
Bolzen 28 verbunden ist, die sich durch die Schenkel 30 des
Gabellagers 26 erstrecken.
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Mit
Bezug auf 2 ist die Nabe 32 der
Baugruppe 12 vorzugsweise mit Keilen versehen, wie bei 34 gezeigt,
die mit den Keilen auf der Welle zusammenpassen, um mit der Nabe 32 verbunden
zu werden, und kann, wie bei 36 gezeigt, geschlitzt sein
und mit Bolzen versehen sein, um diese an der Welle zur axialen
Fixierung zu klemmen, beispielsweise um sie in eine Geräteeingangswelle
oder Zapfwelle eines Traktors zu klemmen. Es kann alternativ eine
Längskeilverbindung
oder irgendeine andere geeignete Drehantriebsverbindung verwendet
werden. Die Nabe 32 erstreckt sich durch das Loch 38 der
Kupplung 22, und am innen liegenden Ende der Nabe ist ein
sich axial erstreckender Flansch 40 ausgebildet und begrenzt
eine äußere Kugellagerbahn 42 an
seinem Innendurchmesser, und die Innenwand 46 ist an dem
Außendurchmesser
des innen liegenden Endes des Gabellagers 26 begrenzt.
In das Gewindeloch 43 im Flansch 40, das sich
zu den Bahnen 42, 46 hin öffnet, so dass die Kugeln 44 in
die Bahn eingefüllt
werden können,
ist eine Einsteckschraube (nicht dargestellt) eingeschraubt. Das
durch die Kugeln 44 in den Bahnen 42 und 46 gebildete
Antireibungslager ermöglicht
eine relative Rotation zwischen dem Gabellager 26 und der
Nabe 32, wobei das Gabellager 26 und die Nabe 32 axial
aneinander befestigt sind. Zur Schmierung des Lagers ist ein Schmiernippel 47 (1 und 3)
vorgesehen.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist das Gabellager
26 durch Schraubbolzen
28 an
das Außengehäuse
24 geschraubt,
wie dies ferner in der
3 dargestellt ist. Die Löcher
50 in
dem Gabellager
26 sind so gestaltet, dass sie ein Universalkreuzgelenk aufnehmen,
welches an einer anderen Universalkreuzgelenkgabel (nicht gezeigt)
befestigt ist. Das Universalkreuzgelenk wird dann mit einem landwirtschaftlichen
Antriebsstrang verbunden, der durch die Zapfwelle eines Traktors
angetrieben wird, wie dies in dem
US-Patent
5,681,222 beschrieben ist.
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Ein
ringförmiges
innen liegendes Antriebsgehäuse
52 der
Kupplung
22 hat einen Kragen
54 mit radial nach
innen ragenden Zungen
56 an seiner Innenfläche, die
mit Vorsprüngen
33 an
der Nabe
32 kämmen,
um zwischen dem Innengehäuse
52 und der
Nabe
32, die mit der Zapfwelle des Traktors verbunden ist,
eine treibende Verbindung zu schaffen. Die Vorsprünge
33 sind
beträchtlich
kleiner als die Zwischenräume
zwischen den Zungen
56, um einen begrenzten Bereich einer
freien Bewegung zwischen der Gabel
26 und der Nabe
32 zu
schaffen, um die Keile
34 zur Welle, mit der sie zu verbinden
sind, ausrichten zu können,
wie dies vollständig
in dem
US-Patent Nr. 5,681,222 beschrieben
ist.
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Mit
Bezug auf 4 ist der ringförmige Kragen 54 des
inneren Gehäuses 52 an
seinem am weitesten außen
liegenden Ende einstückig
mit einem sich radial nach außen
erstreckenden Segment 58 verbunden, das ferner einstückig mit
einem sich axial erstreckenden Flansch 60 verbunden ist.
Der Flansch 60 hat drei darin ausgebildete Öffnungen 62, die
jeweils Seitenwände 64 haben.
Jede Öffnung 62 ist
dabei so geformt, dass sie eine Klaue 66 aufnehmen kann.
Jede Klaue 66 hat eine abgeschrägte Fläche 68, die an einer
passend abgeschrägten
Fläche 70 eines
ringförmigen
Betätigungsrings 72 anschlägt. In der
Nähe des
Betätigungsrings 72 ist
ein ringförmiges
regressives Tellerfederelement 74 angeordnet. Wie im Folgenden
im Einzelnen beschrieben, übt
das Federelement 74 auf den Betätigungsring 72 eine solche
axiale Vorspannkraft aus, dass dieser die Tendenz hat, die Klauen 66 radial
nach außen
zu drücken.
eine Druckplatte 76 ist neben dem Federelement 74.
angeordnet und hat eine kegelstumpfförmige konkave Fläche 80,
die für
das Federelement 74 einen ausreichenden Spalt bildet, damit
sich dieses zwischen einer zusammengedrückten oder entkoppelten Position,
wie in der 5 gezeigt, und einer ausgedehnten
oder eingekuppelten Position, wie in der 2 gezeigt,
bewegen kann. Die Oberfläche 90 verhindert
auch, dass das Federelement 74 in eine extreme konkave
Form überbogen
wird, da die Feder nicht weiter als es die Form der Oberfläche 80 zulässt gebogen
werden kann.
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Mit
Bezug auf 5 liegt ein O-Dichtungsring 84 in
einer Ringnut 82, die an der Außenkante des Halteelements 76 ausgebildet
ist, um Schmiermittel abzudichten, welches aus dem Inneren des Gehäuses 24 entweichen
kann. Der Schmiernippel 87 (1 und 3)
ermöglicht
ein Schmieren des Inneren des Gehäuses 24. Sprengringe 88 und 94 sitzen
in entsprechenden Nuten in dem jeweiligen Außengehäuse 24 und Innengehäuse 52,
um die Druckplatte 76 an einer Bewegung axial nach außen zu hindern.
Die Ringe 88 und 94 passen in entsprechende Hinterschneidungen 86 und 92 in
der Außenfläche der
Druckplatte 76. Die Druckplatte 76 liegt an der
Außenkante
der Feder 76 an und hat eine konkave kegelstumpfförmige Fläche 80,
die der Feder 74 zugewandt ist, um der Feder 74 in
der ausgekoppelten Position der Feder 74 wie in 5 gezeigt
einen Spalt zu geben.
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Bezug
nehmend auf die 6–8 spannt im
Betrieb die regressive Tellerfeder 74 den Nockenring 72 axial
nach innen auf die Klauen 66 zu, wodurch bewirkt wird,
dass die Klauen 66 radial nach außen entlang der abgeschrägten Fläche 70 gleiten. Wenn
demgemäß die Öffnung 62 zu
einer Ausnehmung 97 in dem Außengehäuse bei einer gewissen ausreichend
niedrigen Geschwindigkeit und ausreichend niedrigem Drehmoment fluchtet,
bewegen sich die Klauen 66 radial nach außen und
in die Ausnehmungen 97, wodurch das Innengehäuse 52 und das
Außengehäuse 24 mechanisch
gekoppelt werden. Weil die Wände,
welche die Seiten der Ausnehmungen 97 begrenzen, abgeschrägt sind,
um mit den abgeschrägten
Flächen 67 der
Klaue 66 zusammenzupassen, werden, wenn das relative Drehmoment zwischen
den zwei Gehäusen 24 und 52 größer wird, die
Klauen 66 radial nach innen verschoben, wenn sie entlang
den abgeschrägten
Flächen
der Ausnehmungen 97 gleiten. Wenn die Torsionskräfte zwischen
den zwei Wellen die maximale Drehmomentgrenze der Kupplung überschreiten,
werden die Klauen 66 vollständig aus den Ausnehmungen 97 herausgezogen,
und die Kupplung 22 befindet sich in der ausgekuppelten
Position (5 und 7), wobei
die zwei Gehäuse 24 und 52 relativ
zueinander drehen können.
Die Federkraft ist daher so ausgewählt, dass sie einer maximalen
Drehmomentgrenze entspricht, welche die Kupplung 22 übertragen
kann, so dass jegliche Torsionskräfte, welche diese Grenze überschreiten,
die Kupplung 22 auskuppeln.
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Die
Tellerfeder 74 ist regressiv und ist durch einen Abbiegebereich
vorgespannt, der den Vorteil ihrer regressiven Charakteristik annimmt.
Damit die Tellerfeder 74 regressiv ist, muss sie eine Charakteristik
haben, bei der die Biegung der Feder über ihre maximale Kraft hinausgehend
erhöht
wird, so dass die Feder fortgesetzt eine Kraft ausübt, obwohl
sie gegenüber
dem Maximum reduziert ist. Vorzugsweise übt die Feder fortgesetzt eine
axiale Kraft zur Abbiegung über
das Maximum hinaus für
eine Abbiegung aus, die so groß wie
möglich
ist, selbst wenn die Feder eine über
die ebene Form hinausgehende Form einnimmt, so dass die Kraft in
der vollständig ausgekuppelten
Position sehr klein wird, wie dies in den 5 und 7 gezeigt
ist. Zusätzlich
sollte die Neigung der Kurve Kraft bezogen auf die Biegung nach
dem Maximum so steil als möglich
sein, so dass, wenn das Auskuppeln beginnt, dies schnell fortschreitet.
Um die vorliegende Erfindung in die Praxis umzusetzen, sollten regressive
Federn, die ein Verhältnis
von Höhe
(gleich der unzusammengedrückten
Gesamtaxiallänge
der Feder minus der Dicke) zu Dicke von ungefähr 2,3 bis 2,8 haben, verwendet
werden, wobei 2,6 bis 2,8 vorzuziehen und 2,7 als zweckmäßig im Gebrauch
herausgefunden worden ist. Dieses Verhältnis sollte innerhalb praktischer
Grenzen so hoch wie möglich
sein, jedoch nicht so hoch sein, dass die Feder, nachdem sie über die
ebene Position hinaus abgebogen worden ist, nicht wieder zurückkehrt.
Im Allgemeinen führen
Höhe-Dicke-Verhältnisse
größer als
ungefähr
2,8 dazu, dass die Feder nicht in die ebene Position zurückkehrt,
und bei Verhältnissen
kleiner als ungefähr
2,3 ist der Grad der Regression nicht ausreichend, um eine praktische
Anwendung bei der Erfindung zu ermöglichen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Tellerfeder 74 so vorgespannt, dass sie eine anfängliche
Axiallast von beispielsweise ungefähr 160–270 kg (40–80% des typischen Maximums)
in der vollständig
eingekoppelten Position ausübt,
in welcher die Klauen 66 vollständig in die Ausnehmungen 67 eingerastet
sind (6). In dieser Position befindet sich die Tellerfeder 74 in
einer normal konvexen kegelstumpfförmigen Form in der in der 2 gezeigten
Richtung. Wenn das Drehmoment zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse 52 und 24 über die
Grenze hinaus erhöht
wird, bei der das Auskuppeln beginnt, beginnen die Klauen 66 aus
den Ausnehmungen 97 zu gleiten, und die Tellerfeder 74 wird von
ihrer anfänglich
vollständig
eingekuppelten Kompressionsvorspannung bei der bevorzugten Ausführungsform
160–270
kg, mehr zusammengedrückt, und
zwar auf ein Maximum bei einer gewissen Abbiegung, das bei der bevorzugten
Ausführungsform
ungefähr
318–340
kg ist. Sie erzielt ihr Maximum bei einer Gesamtabbiegung von ungefähr 50% ihrer
nicht zusammengedrückten
Höhe. Über diese
hinausgehend wird die Kraft, welche von der Feder 74 ausgeübt wird,
auf ein niedrigeres Maß als
die anfänglich vollständig eingekoppelte
Vorspannung sinken. Wenn die Feder 74 weiter abgebogen
wird, wird die Maximallast zum Zeitpunkt, zu welchem die Feder eine
ebene Form einnimmt, nahezu halbiert, und eine weitere Abbiegung
der Feder 74 über
ihre ebene Form hinaus in eine konkave kegelstumpfförmige Form,
wie in der 5 gezeigt, führt zu einer weiteren Reduktion
der Federkraft. In der vollständig
ausgekuppelten Position der Klauen 66 (5 und 7)
ist die Kraft sehr gering, beispielsweise 5–10 kg, aber die Kraft wird
immer noch in der Richtung ausgeübt,
um die Klauen 66 in die Ausnehmungen 97 zurückzuführen.
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Das
Ergebnis ist eine Kurve Drehmoment bezogen auf die Zeit, wie in
der 8 gezeigt. Wie zu ersehen ist, tritt das Auskuppeln
in ungefähr
3,3 Sekunden sehr abrupt auf, und das Wiedereinkuppeln tritt ohne
signifikante Versuche durch die Kupplung zum Wiedereinkuppeln bei
höheren
Drehmomenten solange nicht auf, bis ein sehr niedriges Drehmoment oder
ein Drehmoment gleich Null auftritt. Dies ist deshalb der Fall,
weil die von der Feder 74 im ausgekuppelten Zustand ausgeübte Kraft
nicht ausreicht, um die Kupplung bei etwas Anderem als einem sehr niedrigen
Drehmoment wieder einzukuppeln. Wenn sie jedoch erst einmal wieder
eingekuppelt ist, dehnt sich die Feder aus, so dass relativ hohe
Drehmomente, beispielsweise annähernd
2000 Nm gemäß 8, übertragen
werden können.
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Obwohl
die von der Feder 74 in der vollständig ausgekuppelten Position
ausgeübte
Kraft klein ist, reicht sie aus, um die Klauen 66 zurück in die
Ausnehmungen 97 mit ausreichender Kraft zurückzuzwängen, um
ein Rattergeräusch
zu erzeugen, um die Bedienungsperson zu warnen, dass die Kupplung ausgekuppelt
ist und um das Problem zu korrigieren, welches aus einer Drehmomentüberlastung
resultiert. Nachdem das Problem korrigiert worden ist, stoppt die
Bedienungsperson den Antriebsstrang oder verlangsamt diesen ausreichend,
um das Drehmoment auf eine Höhe
zu reduzieren, bei der das Wiedereinkuppeln der Klauen in die Ausnehmungen 97 möglich ist.