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Die Erfindung betrifft eine Aktuierungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 9 sowie eine Kupplungs/Bremseinrichtung nach Anspruch 10.
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Zur Betätigung von Lamellenkupplungen sind hydraulisch betätigte Aktuierungskolben bekannt. Sie befinden sich in unmittelbarer Nähe zum Lamellenpaket der Lamellenkupplung und drehen im Aktuierungszustand mit dem Lamellenpaket.
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Es sind auch stehende Aktuierungskolben bekannt, die drehentkoppelt über eine Axialwälzlagerung auf das Lamellenpaket der Lamellenkupplung wirken. Solche Lösungen sind insbesondere für langsam drehende Systeme, wie Differentialsperren oder Allradkupplungen, vorgesehen.
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Darüber hinaus sind bei gängigen Kupplungen im Automobilbereich auch herkömmliche Schaltkolben bekannt.
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Solche Kupplungs/Bremseinrichtungen bestehen aus vielen einzelnen Komponenten, die im Gesamtsystem aufeinander abgestimmt sein müssen und während der Aktuierung in Kontakt stehen. Die Montage dieser Vielzahl von Komponenten macht den Handlingsaufwand unnötig komplex und kostenaufwändig.
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Bei einer bekannten Aktuierungsvorrichtung (
DE 28 28 317 A1 ) wird die Kupplungs/Bremseinrichtung durch einen Aktuierungskolben betätigt, der eine axial wirkende Anpresskraft auf die Kupplungs/Bremsteile ausübt. Der Aktuierungskolben wird durch eine Schaltkolben axial in die Aktuierungsposition verschoben. Im Kontaktbereich zwischen dem Aktuierungskolben und dem Schaltkolben ist eine Beschichtung vorgesehen, wenn eine Restschmierung vom Lecköl von Radiallagern her in Axiallagern nicht sichergestellt werden kann.
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Es ist eine weitere Aktuierungsvorrichtung bekannt (
DE 10 2012 223 384 A1 ), mit der Reiblamellen einer Reibkupplung axial verschoben und aneinandergepresst werden können. Hierfür dient ein Aktuierungskolben, der gleichzeitig ein Schaltkolben ist und unmittelbar mit den Reiblamellen zusammenwirkt. Die Aktuierungsvorrichtung hat einen mit einem Druckmedium gefüllten Druckraum, um eine axiale Kompression der Reibpartner zur Erzeugung eines Drehmomentschlusses zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aktuierungsvorrichtung sowie die Kupplungs/Bremseinrichtung so auszubilden, dass das Handling beim Zusammenbau des Gesamtsystems vereinfacht und die Kosten reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Aktuierungsvorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 9 und bei der Kupplungs/Bremseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Aktuierungsvorrichtung hat den Aktuierungskolben, der durch den wenigstens einen Schaltkolben axial in die Aktuierungsposition verschoben wird. Der Schaltkolben kann dadurch im Bereich außerhalb der Kupplungs/Bremsteile angeordnet werden. Der Schaltkolben wird aus einer Ausgangslage axial verschoben und drückt den Aktuierungskolben in die Aktuierungsposition. Der Aktuierungskolben wird zusammen mit den Kupplungs/Bremsteilen um seine Achse gedreht, während der Schaltkolben lediglich axial verschiebbar ist. Dadurch entsteht im Kontaktbereich zwischen dem Aktuierungskolben und dem Schaltkolben eine Art Gleitkopplung. In diesem Bereich befindet sich die Beschichtung, die vorzugsweise eine Gleitbeschichtung ist und dafür sorgt, dass der Verschleiß der beiden Kolben in diesem Kontaktbereich minimal ist. Die Beschichtung kann am Aktuierungskolben und/oder am Schaltkolben vorgesehen sein. Ist die Beschichtung als Gleitbeschichtung ausgebildet, sorgt sie dafür, dass die Reibung zwischen den beiden Kolben gering ist, so dass eine lange Einsatzdauer des Aktuierungskolbens gewährleistet ist und es nicht zu einer metallischen Reibung zwischen den beiden Kolben kommt.
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In der Aktuierungsposition wird der Aktuierungskolben von wenigstens einer Stauwand mit radialem Spiel umgeben. Durch die Stauwand kann das Schmiermittel möglichst lange im Bereich des Gleitkontaktes gehalten werden. Der Austritt des Schmiermittels aus dem Gleitspalt wird dadurch erheblich verringert. Die Stauwand ist am Schaltkolben vorgesehen, vorteilhaft einstückig mit ihm ausgebildet.
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Eine Gleitbeschichtung kann beispielsweise ein Gleitlack oder auch eine DLC-Beschichtung sein. Auch andere Materialien, die eine gute Gleitwirkung haben, können eingesetzt werden.
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Da die Beschichtung am Aktuierungskolben und/oder am Schaltkolben vorgesehen ist, ist kein zusätzliches Bauteil erforderlich.
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Die Beschichtung ist vorteilhaft längs des äußeren Umfanges des Aktuierungskolbens und/oder des Schaltkolbens vorgesehen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung kreisringförmig ausgebildet ist und über den gesamten Umfang des Aktuierungskolbens bzw. des Schaltkolbens verläuft.
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Falls kein Drehmoment übertragen wird, ist die Beschichtung vorzugsweise eine Gleitbeschichtung.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung ergibt sich hierbei, wenn der Schaltkolben mit wenigstens einer dünnen Bohrung versehen ist, über die ein Schmiermittel in den Kontaktbereich zwischen den beiden Kolben gelangt. Dadurch wird die Standzeit der Gleitbeschichtung wesentlich erhöht. Das Schmiermittel, das durch die feinen Bohrungen bzw. durch Ventile durch den Schaltkolben strömt, dient auf der gegenüberliegenden Seite als Schmiermedium für die Gleitbeschichtung.
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Vorteilhaft wird als Schmiermittel das Druckmedium eingesetzt, mit dem der Schaltkolben betätigt wird. Dementsprechend verbindet die Bohrung im Schaltkolben den Kontaktbereich mit dem Druckraum, der durch den Schaltkolben begrenzt wird.
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Eine weitere Verbesserung der Standzeit der Gleitbeschichtung kann dadurch erreicht werden, dass der Aktuierungskolben und/oder der Schaltkolben an der Stirnseite mit einer Struktur zur gleichmäßigen Verteilung des Schmiermittels versehen ist. Die Struktur sorgt somit dafür, dass das Schmiermittel gleichmäßig über die Gleitfläche der Gleitbeschichtung verteilt wird.
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Damit der Schaltkolben bei der auftretenden Relativbewegung zwischen ihm und dem Aktuierungskolben nicht in eine Rotation versetzt wird, ist der Schaltkolben gegen Drehen um seine Achse gesichert. Die Drehsicherung kann beispielhaft durch eine entsprechende Gestaltung einer Rückstellfeder für den Schaltkolben vorgesehen sein. Auch können beispielhaft Stifte oder Nutensteine über den Umfang des Schaltkolbens verteilt angeordnet sein, die in die Innenwand eines den Schaltkolben umgebenden Gehäuses eingreifen.
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Die Aktuierungsvorrichtung gemäß Anspruch 9 zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktuierungskolben durch den Schaltkolben gebildet ist, der unmittelbar mit den Kupplungs/Bremsteilen zusammenwirkt und im Kontaktbereich mit wenigstens einer Beschichtung versehen ist, die durch einen Reibbelag gebildet, mit dem der drehfest mit der Welle verbundene Schaltkolben im Betätigungsfall auf die entsprechende Gegenreibfläche gedrückt wird. Zwischen den Kupplungs/Bremsteilen und dem Schaltkolben tritt keine Relativdrehung auf. Der Schaltkolben dient nicht nur als Träger der Beschichtung, sondern dient gleichzeitig auch als Aktuierungselement, um den Axialdruck auf die Kupplungs/Bremsteile auszuüben.
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Die Beschichtung kann eine Gleitbeschichtung sein, wenn sich die Kupplungs/Bremsteile während des Aktuierungsprozesses relativ zum Schaltkolben drehen.
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Der Reibbelag kann auf unterschiedliche Weise auf den Schaltkolben aufgebracht werden. Beispielhaft ist es möglich, den Reibbelag auf den Schaltkolben aufzusintern, in Form einer Beschichtung über ein PVD-Verfahren aufzubringen oder auf den Schaltkolben aufzukleben.
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Die erfindungsgemäße Kupplungs/Bremseinrichtung ist mit mindestens einer erfindungsgemäßen Aktuierungsvorrichtung ausgestattet.
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Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
- 1 in schematischer Darstellung eine Lamellenkupplung mit einer erfindungsgemäßen Aktuierungsvorrichtung, deren Aktuierungskolben sich in einer Aktuierungsposition befindet,
- 2 in einer Darstellung entsprechend 1 die Lamellenkupplung mit dem Aktuierungskolben in nicht aktuierter Stellung,
- 3 eine Stirnansicht eines Schaltkolbens der Aktuierungsvorrichtung gemäß den 1 und 2,
- 4 im axialen Halbschnitt eine zweite Ausführungsform eines Aktuierungskolbens in Aktuierungsposition.
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Die 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung ein Beispiel einer Hochgeschwindigkeitskupplung, bei der ein Schaltkolben 1 sich außerhalb eines Lamellenpaketes 2 befindet und vorzugsweise hydraulisch betätigt wird. Das Lamellenpaket 2 weist Innenlamellen 3 und Außenlamellen 4 auf, die zur Drehmomentübertragung von einer Welle 5 auf eine Welle 6 axial gegeneinander gedrückt werden. Die Innenlamellen 3, die drehfest mit der Welle 5 verbunden sind, sind mit (nicht dargestellten) Reibbelägen versehen. Die Außenlamellen 4, die drehfest mit der Welle 6 verbunden sind, befinden sich jeweils zwischen benachbarten Innenlamellen 3 und sind drehfest mit einem Kupplungskorb 7 verbunden, der seinerseits drehfest mit der Welle 6 verbunden ist. Sie hat eine Wellenhülse 8, an deren Innenwand der Kupplungskorb 7 angeordnet ist.
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2 zeigt die Lamellenkupplung in geöffnetem Zustand, bei dem die Lamellen 3, 4 mit Abstand voneinander angeordnet sind. Das von der Welle 5 erzeugte Drehmoment kann somit nicht auf die Welle 6 übertragen werden.
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Um die Lamellen 3, 4 axial gegeneinander zu drücken, ist ein Aktuierungskolben 9 vorgesehen, der gegenüber der Welle 6 axial verschiebbar ist. Der Aktuierungskolben 9 hat im Ausführungsbeispiel eine ringförmige Kolbenfläche 10, die koaxial zum Lamellenpaket 2 liegt und zum Schließen der Lamellenkupplung gegen das Lamellenpaket 2 axial gedrückt wird.
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Um die auf die Lamellen 3, 4 wirkende, zum Schließen der Lamellenkupplung erforderliche Anpresskraft zu erzeugen, dient der Schaltkolben 1, der in einem Gehäuse 11 untergebracht ist. Der Schaltkolben 1 begrenzt einen Druckraum 12 im Gehäuse 11, in den ein Druckmedium, im Ausführungsbeispiel Hydraulikmedium, eingebracht wird. Durch Druckbeaufschlagung wird der Schaltkolben 1 aus seiner Ausgangsstellung (2) in die Schaltstellung gemäß 1 bewegt, wobei er den Aktuierungskolben 9 mit seiner Kolbenfläche 10 unter dem erforderlichen Anpressdruck gegen das Lamellenpaket 2 axial drückt. Die Lamellen 3, 4 werden entsprechend axial zusammengedrückt, so dass das Drehmoment von der Welle 5 auf die Welle 6 übertragen werden kann.
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Der Aktuierungskolben 9 ist zusammen mit der Welle 6 um seine Achse drehbar, während der Schaltkolben 1 lediglich axial verschiebbar, aber nicht drehbar um seine Achse im Gehäuse 11 angeordnet ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schaltkolben 1 ein Ringkolben, der koaxial zur Achse der Lamellenkupplung angeordnet ist.
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Der Aktuierungskolben 9 weist an seinem der Kolbenfläche 10 gegenüberliegenden Ende eine weitere ringförmige Kolbenfläche 13 auf, die mit einer ringförmigen Kolbenfläche 14 des Schaltkolbens 1 zusammenwirken kann.
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Da bei der Drehmomentübertragung der Aktuierungskolben 9 zusammen mit der Welle 6 gedreht wird, entsteht zwischen den beiden Kolbenflächen 13, 14 der beiden Kolben eine Art Gleitkopplung. Um den Verschleiß der Kolbenflächen 13, 14 so gering wie möglich zu halten, ist mindestens eine der beiden Kolbenflächen 13, 14 mit einer Gleitbeschichtung 15 versehen, welche die Gleit- und Kopplungseigenschaften verbessert. Die Gleitbeschichtung 15 kann beispielsweise ein Gleitlack oder eine DLC(diamond-like carbon)-Beschichtung sein. Darüber hinaus sind selbstverständlich alle Materialien geeignet, die den Verschleiß der Kolbenflächen 13, 14 und damit der beiden Kolben 1 und 9 verbessern.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gleitbeschichtung 15 an der Kolbenfläche 13 des Betätigungskolbens 9 vorgesehen. Vorteilhaft bedeckt die Gleitbeschichtung 15 die Kolbenfläche 13 vollständig.
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Die Gleitbeschichtung 15 kann auch an der Kolbenfläche 14 des Schaltkolbens 1 vorgesehen sein. Es ist weiter möglich, die Gleitbeschichtung 15 an beiden Kolbenflächen 13, 14 anzubringen.
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Die Gleitbeschichtung 15 stellt sicher, dass der Verschleiß an den Berührflächen der beiden Kolben 1, 9 gering ist. Dadurch ist die Funktionsfähigkeit der Lamellenkupplung auch über eine lange Einsatzdauer hinweg gewährleistet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Kupplung eine Hochgeschwindigkeitskupplung ist.
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Die Gleitbeschichtung 15 kann, wenn sie einen entsprechenden Verschleiß aufweist, einfach erneuert werden.
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Zur Verbesserung der Standzeit der Gleitbeschichtung 15 ist der Schaltkolben 1 so ausgebildet, dass das im Druckraum 12 befindliche Hydraulikmedium durch feine Bohrungen 16 im Schaltkolben 1 an dessen Kolbenfläche 14 gelangen kann. In den 1 und 2 ist der Übersichtlichkeit wegen nur eine Bohrung 16 dargestellt. Da die Bohrungen 16 nur sehr geringen Querschnitt haben, ist der Leckageverlust sehr gering.
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Auf der Kolbenfläche 14 bildet das Druckmedium einen Schmierfilm für die Gleitbeschichtung 15.
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Vorteilhaft ist es, wenn in der Kolbenfläche 14 des Schaltkolbens 1 eine Strukturierung vorgesehen ist, die so gestaltet ist, dass das Druckmedium als Schmiermittel optimal auf der Kolbenfläche 14 gleichmäßig verteilt wird. Dadurch wird ein guter Gleitkontakt zwischen der Gleitbeschichtung 15 und der Kolbenfläche 14 gewährleistet.
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3 zeigt ein Beispiel für eine Strukturierung 26. Sie kann beispielhaft durch schräg zur Umfangsrichtung liegende Vertiefungen gebildet sein, die mit Abstand in Umfangsrichtung hintereinander liegen. Die Vertiefungen können einzeln, paarweise oder auch in Gruppen angeordnet sein.
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Ist der Schaltkolben 1 nicht aktuiert und nimmt seine Ausgangslage gemäß 2 ein, kann das Druckmedium aus dem Druckraum 12 über die Bohrungen 16 an die Kolbenfläche 14 ungehindert gelangen.
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Um das Medium während der Betätigung des Schaltkolbens 1 (1) weitestgehend im Bereich des Gleitkontaktes mit der Gleitbeschichtung 15 zu halten, ist es vorteilhaft, einen Stauring 17 vorzusehen, der sich im Bereich zwischen dem Schaltkolben 1 und dem Gehäuse 11 befinden kann. Im Ausführungsbeispiel ist der Stauring 17 am Schaltkolben 1 vorgesehen, vorteilhaft einstückig mit ihm ausgebildet. Da der Schaltkolben 1 als Ringkolben ausgebildet ist, ist er am äußeren und am inneren Umfang mit jeweils einem Stauring 17 versehen. Beide Stauringe 17 liegen koaxial zueinander und zur Achse des Schaltkolbens 1.
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Befindet sich der Schaltkolben 1 in seiner Schaltposition gemäß 1, taucht der Aktuierungskolben 9 zwischen die beiden Stauringe 17 ein. Zwischen den Stauringen 17 und dem Aktuierungskolben 9 werden schmale Ringräume 18 gebildet. Sie bilden Stauräume, die dafür sorgen, dass das Medium möglichst lange im Bereich des Gleitkontaktes zwischen der Gleitbeschichtung 15 und der Kolbenfläche 14 des Schaltkolbens 1 verbleibt. Dadurch ist eine einwandfreie Schmierung im Gleitkontaktbereich sichergestellt.
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Wird der Schaltkolben 1 durch mindestens eine (nicht dargestellte) Rückstellfeder in seine Ausgangsposition zurückbewegt und dadurch die Lamellenkupplung wieder geöffnet, befindet sich der Aktuierungskolben 9 nicht mehr zwischen den beiden Stauringen 17. Dadurch kann das Medium direkt von der Kolbenfläche 14 des Schaltkolbens 1 in den Getrieberaum abströmen (2).
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Damit der Schaltkolben 1 in seiner Schaltposition nicht durch den drehenden Aktuierungskolben 9 in Rotation versetzt wird, ist der Schaltkolben 1 verdrehgesichert im Gehäuse 11 geführt. Als Verdrehsicherung kommen beispielhaft Stifte oder Nutensteine in Betracht, die über den Umfang des Schaltkolbens 1 im Bereich zwischen ihm und der Innenwand des Gehäuses 11 angeordnet sind. Auch ist es möglich, die Rückstellfeder, mit welcher der Schaltkolben 1 in bekannter Weise aus seiner Schaltposition in seine Ruheposition zurückgeschoben wird, entsprechend so zu gestalten, dass es nicht zu einem Verdrehen des Schaltkolbens 1 während des Gleitkontaktes mit dem Aktuierungskolben 9 kommt. Die beschriebenen Kolben 1, 9 werden insbesondere bei Hochgeschwindigkeitskupplungen eingesetzt, bei denen sehr hohe Drehzahlen auftreten, die im Bereich zwischen etwa 10 000 U/min bis etwa 50 000 U/min liegen können.
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Die Kolben 1, 9 können auch bei Lamellenkupplungen mit Drehzahlen eingesetzt werden, wie sie beispielsweise bei Verbrennungsmotoren bekannt sind.
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Auch bei Bremseinrichtungen können die beschriebenen Kolben 1, 9 eingesetzt werden, bei denen Bremslamellen axial gegeneinander gedrückt werden.
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Vorteilhaft bei herkömmlichen Lamellenkupplungen mit Drehzahlen, wie sie beispielsweise bei Verbrennungsmotoren bekannt sind, kann der Schaltkolben 1 so ausgebildet und angeordnet sein, dass er sich innerhalb der Lamellenkupplung in unmittelbarer Nähe des Lamellenpaketes 2 befindet (4). In diesem Fall bildet der Schaltkolben 1 den Aktuierungskolben. Der Schaltkolben 1 sitzt drehfest und axial verschieblich auf der Welle 6 und ist am radial äußeren Rand mit einer Beschichtung 19 versehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 19 ein Reibbelag, so dass der Schaltkolben 1 direkt mit den Lamellen 3, 4 der Lamellenkupplung zusammenwirken kann, um den erforderlichen Anpressdruck zum Schließen der Lamellenkupplung zu erzeugen.
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Die Beschichtung 19 ist am radial äußeren Randbereich auf der den Lamellen 3, 4 zugewandten Stirnseite 20 des Schaltkolbens 1 aufgebracht. Die Beschichtung 19 ist längs des Randes des Schaltkolbens 1 ringförmig vorgesehen. Der die Beschichtung 19 tragende Teil 21 des Schaltkolbens 1 ist eben und liegt in einer Radialebene des Schaltkolbens 1. Dadurch ist sichergestellt, dass die Beschichtung 19 flächig an der benachbarten Lamelle des Lamellenpaketes 2 anliegt.
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Die Beschichtung 19 in Form eines Reibbelages kann auf verschiedene Weise am Schaltkolben 1 angebracht werden. Beispielhaft könnte die Beschichtung 19 aufgesintert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Beschichtung 19 mittels eines PVD(physical vapour deposition)-Verfahrens aufzubringen. Auch ist es möglich, die Beschichtung 19 mittels eines Klebemittels auf dem Schaltkolbenteil 21 zu befestigen.
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Die Verschiebung des Schaltkolbens 1 kann in gleicher Weise erfolgen, wie anhand der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 beschrieben worden ist.
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Der Schaltkolben 1 kann nicht nur bei einer Schaltkupplung, sondern auch bei einer Bremse eingesetzt werden. Welcher Art die Beschichtung 19 ist, hängt davon ab, ob mit dem Schaltkolben 1 ein Drehmoment übertragen werden soll oder nicht. Wird kein Drehmoment übertragen, ist die Beschichtung 19 als Gleitbelag ausgebildet. Soll ein Drehmoment übertragen werden, ist die Beschichtung 19 durch einen Reibbelag gebildet. In beiden Fällen ist es nicht entscheidend, ob der Schaltkolben 1 Teil einer Kupplung oder einer Bremse ist.
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Beim Ausführungsbeispiel nach 4 erfüllt der Schaltkolben 1 eine Doppelfunktion, indem er sowohl zur Aktuierung als auch als Träger für die Beschichtung 19 eingesetzt wird. Dadurch wird das Handling beim Zusammenbau des Gesamtsystems vereinfacht und die Kosten wegen der geringen Zahl an Bauteilen reduziert.
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Die radiale Breite der Beschichtung 19 ist so gewählt, dass der Schaltkolben 1 die geforderte Funktion zuverlässig erfüllen kann.
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Der Schaltkolben 1 hat eine zentrale Öffnung 22 für den Durchtritt der Welle 6. An der von der Beschichtung 19 abgewandten Rückseite 23 ist der Schaltkolben 1 mit einer Dichtung 24 versehen, die auf die Rückseite 23 in geeigneter Weise aufgebracht werden kann, beispielsweise durch Aufkleben oder durch Aufvulkanisieren und dergleichen. Die Dichtung 24 hat zumindest einen Dichtteil 25, der in der Einbaulage unter elastischer Verformung dichtend am Umfang der Welle 6 anliegt. Die über den Umfang der Welle 6 verlaufende Dichtung 24 kann aus jedem geeigneten Material bestehen, beispielsweise aus PTFE oder einem Elastomer.
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Die beschriebenen Ausführungsformen können insbesondere für Kupplungen im Highspeed-Bereich im Zusammenhang mit der Elektromobilität eingesetzt werden. Im Highspeed Bereich können die Drehzahlen in einem Bereich von etwa 10 000 U/min bis etwa 50 000 U/min liegen. Die beschriebenen Ausführungsformen lassen sich aber auch bei konventionellen Kupplungen verwenden.
