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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Maschinenbau und Flugzeugbau und kann in den Antrieben von automatischen Steuerungssystemen der Luftfahrzeuge sowie in den robotisierten, Antennen- und anderen elektromechanischen Krafterzeugungssystemen angewendet werden, wo das Gewicht und die Abmessungen von Bedeutung sind. Ein elektromechanischer Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist durch die Schrift
WO 2008/085082 A1 bekannt.
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Stand der Technik
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Aus dem Patent
US 4 575 027 A , 16.05.1983, ist eine Erfindung bekannt, wonach der elektromechanische Antrieb eines lenkbaren Objektes (Seitenruder, Querruder) aus einem Motor und einem Umlaufrädergetriebe besteht, dessen Eingangswelle mit der Welle des Läufers des Motors verbunden ist, und das Gehäuse des Planetenradgetriebes rotierend und mit dem beweglichen Teil des angetriebenen Gegenstandes gekoppelt ist. Dabei ist das Gehäuse des Motors mit dem unbeweglichen Teil des lenkbaren Objektes über eine darauf montierte elektromagnetische Auslösevorrichtung verbunden. Dieser bekannte elektromechanische Antrieb ist durch seine beachtlichen Abmessungen und großes Gewicht sowie durch das Vorhandensein von großen Bauteilen zur Befestigung der Motor- und der Planetenradgetriebegehäuse an der zum Rumpf unbeweglichen aerodynamischen Fläche des Flugzeuges nachteilig. Das erschwert den Einbau des elektromechanischen Antriebes in den begrenzten Raum der Lenkobjekte sowie seinen Betrieb. Für die Ausfälle des Motors oder des Getriebes ist der elektromechanische Antrieb mit einer elektromagnetischen Auslösevorrichtung ausgerüstet, um ihn von dem Lenkobjekt zu trennen und um die freie Rotation bei der Rotation des Lenkobjektes sicherzustellen.
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Aus dem Stand der Technik (Patent
RU 2 230 211 C1 , 14.10.2002) ist eine Schleudersitzkanone im Schleudersystem bekannt. Dieses System wird in der Luftfahrttechnik zur prompten Auslösung der Objekte angewendet. Die Schleudersitzkanone hat ein Gehäuse mit feststoffgetriebenen Tabletten, einen Zündladungskörper aus gepresstem Pulver, einen Initialzünder. In der Einrichtung zur Selbstauslösung der Anlage zur Entzündung der Schleudersitzkanone (Patentschrift
RU 2 116 094 C1 , 11.02.1997) wird eine elektrische Anlasseinheit eingesetzt, welche von den elektrischen Signalen der Sensoren oder von einer Fernsteuerung gesteuert wird.
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Solche Einrichtungen zur automatischen Kopplung bzw. Auslösung der Objekte sind wesentlich leichter als elektromagnetische Einrichtungen.
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Durch Patent
RU 2 321 138 C1 (10.01.2007; Anmeldung
WO 2008/085082 A1 , 12.07.2007) ist ein Kleinkraftantrieb bekannt. Er besteht aus den konzentrisch zur Mittelachse angeordneten Baueinheiten: Einem Gehäuse mit zylinderförmigen und Stirnteilen; einem Motor mit einem Ständer und einem auf der Welle befestigten Läufer; einem zweistufigen harmonischen Getriebe mit einer Eingangswelle, die exzentrische Oberflächen aufweist und mit dem Läufer des Motors verbunden ist; einem Käfig der ersten Stufe des harmonischen Getriebes mit den darin mehrreihig angeordneten Wälzkörpern, welche mittels der Arbeitsscheiben in Bezug auf den Wellenbildner im starren Rad verlagert werden, dessen Oberflächen außen exzentrisch sind; einem zweiten Käfig mit den darin mehrreihig angeordneten Wälzkörpern, welche mittels der Ringe in Bezug auf den zweiten Wellenbildner verlagert werden, wobei die Ringe auf die exzentrischen Oberflächen auf dem starren Rad aufgeschoben sind und wobei der zweite Wellenbildner auf der Innenfläche des zylinderförmigen Gehäuseteils angeordnet ist; einer auf den Wälzkörpern und Wälzlagern gelagerten Ausgangswelle; Baueinheiten zur Funktionssteuerung des elektromechanischen Antriebes: einer Sperrvorrichtung, deren Ständer mit zwei Paaren von Dauermagneten und Wicklungen mit dem Gehäuse steif gekoppelt ist, und der Anker ist über einen Feststeller mit der Läuferwelle des Motors kinematisch gekoppelt; einem zwischen der Sperrvorrichtung und dem Motor eingebauten Positionsgeber des Läufers des Motors, der mit seiner Welle steif verbunden ist; einem Positionsgeber einer Ausgangswelle die derart angeordnet ist, dass ihr Ständer am starr befestigten Bauteil der zweiten Stufe des harmonischen Getriebes angebaut wird, und dass der Läufer am Laufteil befestigt ist, der mit der Ausgangswelle gekoppelt ist.
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Der Mangel des Kleinkraftantriebes ist eine große Trägheit des Hohlläufers mit großem Durchmesser, worin eine Exzentereinheit, ein Teil des Käfigs und ein Teil des starren Rads der ersten Stufe des zweistufigen harmonischen Getriebes angeordnet sind. Dieser Mangel beschränkt den Beschleunigungswert des Läufers bei zulässigen Motorverlusten (Kupferverluste) und ermöglicht keine Erhöhung der Lenkbarkeit der Objekte, die elektromechanisch angetrieben werden. Darüber hinaus hat der Kleinkraftantrieb keinen Nottrennschalter der Ausgangswelle und des angetriebenen Objektes.
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JP H03-134 345 A offenbart ein einstufiges harmonisches Getriebe. In einem zylindermantelförmigen Aktuatorrahmen ist ein tassenförmiges Bauteil mit Innenverzahnung und ein Motor mit einem Permanentmagneten, einem Eisenkern und einer Wicklung untergebracht. Der Eisenkern ist innerhalb eines Motorrahmens untergebracht und fest mit diesem verbunden. Der Motorrahmen ist wiederum über einen Flanschteil fest mit dem Aktuatorrahmen verbunden. Der Motorrahmen ragt teilweise in eine flexible Büchse hinein, die drehfest mit dem Aktuatorrahmen verbunden ist. Der Permanentmagnet ist über eine Motorwelle fest mit einem Wellenbildender verbunden. Der Abtrieb erfolgt über das tassenförmige Bauteil mit mindestens einem Installationsloch. Die Mantelfläche des tassenförmigen Bauteils ist innerhalb des Aktuatorrahmens mit zwei Kugellagern gelagert. Die Innenverzahnung des tassenförmigen Bauteils greift in die Außenverzahnung der flexiblen Büchse ein.
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DE 1 231 494 A offenbart eine Sicherheitskupplung zum schnellen Trennen von zwei gekuppelten Maschinenteilen nach Eintritt eines Schadens. Wenn in dem zu prüfenden Getriebe ein zunächst geringfügiger Schaden entstanden ist, muss die Entlastung des Getriebes sofort erfolgen, damit sich der Anfangsschaden nicht zu einem Totalschaden des Getriebes entwickelt, der die Ermittlung der ursprünglichen Schadensursache nicht mehr zulässt. Die Trennzeiten dürfen die Größenordnung von Millisekunden nicht überschreiten. Zwei zu kuppelnde Wellen tragen an den Wellenenden Kupplungshälften. Diese sind mittels der Keile in Nuten mit den Wellenstümpfen verbunden. Die Kupplung erfolgt durch zwei oder mehr Kupplungsbolzen, die in achsparallelen Bohrungen der Kupplungshälften eingepasst sind. In einer der Kupplungshälften sind Sprengkapseln untergebracht. Nach Auslösung der Zündung drücken die Treibladungen der Sprengkapseln die Kupplungsbolzen aus ihren Bohrungen in Auffangräume.
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AT 332 681 B betrifft eine Kupplung, die aus zwei hülsenförmigen Kupplungsstücken mit komplementären, zentrischen Bohrungen und einem darin axial verschiebbaren Dorn besteht. Die Kupplungsstellung findet zwischen einem Dorn und dem Boden der Bohrung eine Schraubenfeder zur Belastung des Dornes Platz. Falls die Kupplung verstellt werden soll, d. h. die Kupplungsstücke gegeneinander zu verdrehen sind, wird der Dorn mittels der Schraube nach links verschoben, bis er aus dem Bereich des Kupplungsstückes gelangt, wonach die Kupplungsstücke um den gewünschten Winkel gegeneinander verdreht werden. Nach Freigabe der Schraube drückt die Feder den Dorn in das Kupplungsstück hinein und fixiert es gegenüber dem Kupplungsstück.
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Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe ist die Verminderung des Massenträgheitsmoments des Läufers des Motors, die Erhöhung der zulässigen Beschleunigung des Objektes unter zulässigen Motorverlusten (Kupferverlusten) beim hohen Übersetzungsverhältnis des harmonischen Getriebes und beim hohen Drehmoment der Ausgangwelle des elektromechanischen Antriebes sowie die Sicherstellung der schnellen Nottrennung der Ausgangswelle und des angetriebenen Objektes.
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Diese Aufgabe wird durch die Lehre des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um das Trägheitsmoment des Läufers beim vorgegebenen Drehmoment des Motors wesentlich zu vermindern, liegt das Längen-Innendurchmesserverhältnis des Ständers im Bereich 1 bis 2.
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Um die Betriebsgleichmäßigkeit des harmonischen Getriebes zu verbessern, ist die Anzahl der exzentrischen Oberflächen gerade, dabei sind die Achsen der angrenzenden Oberflächen gegenseitig zur Mittelachse versetzt.
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Um das Drehmoment der Ausgangwelle des elektromechanischen Antriebes bei der Drehzahl des Läufers des Motors von 5000 bis 25000 Min–1 wesentlich zu steigern, liegt das Übersetzungsverhältnis des zweistufigen harmonischen Getriebes im Bereich 500–2500.
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Um das Gewicht der elektromechanischen Antriebschleudervorrichtung zum Ausstoßen der genuteten Buchse aus der Nabe gering zu halten, gibt es eine Schleudersitzkanone mit pyrotechnischer Ladung und elektrischem Initialzünder der pyrotechnischen Ladung.
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Der technische Effekt der Erfindung ist die Erhöhung der zulässigen Beschleunigung des Objektes unter zulässigen Motorverlusten (Kupferverlusten) beim hohen Drehmoment der Ausgangwelle des E-Motors und die Sicherstellung der schnellen Nottrennung der Ausgangswelle und des angetriebenen Objektes. Dieser technische Effekt wurde dank der Gesamtheit von folgenden kennzeichnenden Merkmalen erreicht: Das Gehäuse ist ein unbeweglicher Teil des elektromechanischen Antriebes, der Motor ist im starren Rad des zweistufigen harmonischen Getriebes angeordnet; die Exzentereinheit der ersten Stufe ist außerhalb des Läufers des Motors angeordnet; die Ausgangswelle ist am Käfig der zweiten Stufe angeschlossen und hohl ausgebildet und weist Nuten auf der Innenfläche sowie eine Erweiterung in Form von einer Hohlnabe mit einem auf der Hohlnabe befestigten Flansch auf, der mit dem angetriebenen Objekt gekoppelt ist; ein Teil der Innenfläche der Nabe hat genutete Oberfläche, die mit der inneren genuteten Oberfläche der Ausgangswelle zusammenfällt; in der Keilwelle und im genuteten Teil der Nabe ist eine genutete Buchse eingebaut, in der genuteten Buchse gibt es eine knautschbare Spirale, die am Boden der Buchse angeschlossen ist; in der Nabe ist eine Schleudervorrichtung eingebaut, um die genutete Buchse aus der genuteten Partie der Nabe auszustoßen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist das elektromechanische Getriebe im Längsschnitt dargestellt.
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2 Schnitt A-A aus 1.
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3 Ansicht B aus 1.
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Beispiel der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
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Der elektromechanische Antrieb (1, 2) besteht aus den folgenden konzentrisch zur Mittelachse angeordneten Baueinheiten. Ein Gehäuse 1 hat einen zylinderförmigen Teil 1a, wobei Gehäuse 1 der unbewegliche Teil des elektromechanischen Antriebes ist. Ein Motor 2 hat einen Ständer 3 und dem an der Welle 4 befestigten Läufer 5. Ein zweistufiges harmonisches Getriebe 6 hat eine Eingangswelle 7, die eine Exzentereinheit 8 mit den exzentrischen Oberflächen 8a und 8b aufweist und mit der Welle 4 verbunden ist. Ein Käfig 9 der ersten Stufe 10 des harmonischen Getriebes 6 hat die darin mehrreihig angeordneten Wälzkörpern 11, welche mittels Arbeitsscheiben 12 zum Wellenbildner 13 im starren Rad 14 verschoben werden, dessen Oberflächen 14a, 14b außen exzentrisch sind Der zweite Käfig 15 hat die darin mehrreihig angeordneten Wälzkörpern 16, welche mittels der Ringe 17a und 17b in Bezug auf den zweiten Wellenbildner 18 verlagert werden, wobei die Ringe auf die exzentrischen Oberflächen 14a, 14b des starren Rads 14 aufgesetzt sind, und wobei der zweite Wellenbildner 18 an der Innenfläche des zylinderförmigen Teils 1a des Gehäuses 1 angeordnet ist. Die Ausgangswelle 19 ist auf den Wälzkörpern 16 und Wälzlagern 20 gelagert und hat Flansch 21, welcher an die angetriebene Regelstrecke angeschlossen wird (nicht abgebildet). Ferner weisen Baueinheiten zur Funktionssteuerung des elektromechanischen Antriebes folgende Elemente auf. Eine Sperrvorrichtung 22 (3), deren Ständer 23 mit zwei Paaren von Dauermagneten 24 und Wicklungen 25 mit dem Gehäuse 1 steif gekoppelt ist. Ein Anker 26 ist über einen Feststeller 27 kinematisch mit Welle 4 des Läufers 5 gekoppelt. Ein Positionsgeber 28 des Läufers 5 des Motors 2 ist zwischen der Sperrvorrichtung 22 und dem Motor 2 (1), dessen Läufer 29 steif mit Welle 4 des Läufers 5 gekoppelt ist. Ein Positionsgeber 30 der Ausgangswelle 19 ist derart angeordnet, dass sein Ständer 31 am starr befestigten Bauteil des Gehäuses 1 befestigt wird, und dass sein Läufer 32 am Käfig 15 befestigt ist, der mit der Ausgangswelle 19 verbunden ist. Der Motor 2 ist im starren Rad 14 des zweistufigen harmonischen Getriebes 6 angeordnet. Eine Exzentereinheit 8 der ersten Stufe des harmonischen Getriebes ist außerhalb des Läufers 5 des Motors 2 angeordnet. Eine Ausgangswelle 19 ist am Käfig 15 angeschlossen und hohl ausgebildet und weist Nuten auf der Innenfläche 19a sowie eine Erweiterung in Form von einer Hohlnabe 33 mit dem darauf befestigten Flansch 21 auf. Ein Teil der Innenfläche der Nabe 33 hat eine genutete Oberfläche 34, die mit der inneren genuteten Oberfläche 19a der Ausgangswelle 19 zusammenfällt. In der Ausgangswelle 19 und in einem Teil der Nabe 33 ist eine genutete Buchse 35 eingebaut. In der genuteten Buchse gibt es eine vorgepresste knautschbare Spirale 36, die am Boden der Buchse 35 angeschlossen ist und die an die innere Stirnfläche der Nabe 33 andrückt. In der Nabe ist eine Schleudervorrichtung 37 eingebaut, um die genutete Buchse 35 aus der genuteten Partie 34 der Nabe 33 auszustoßen.
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Um ein vermindertes Trägheitsmoment des Läufers bei vorgegebener Leistung des Motors sicherzustellen, ist die Anzahl der exzentrischen Oberflächen an der Eingangswelle 7 oder am starren Rad 14 der Oberflächen 8a, 8b, 14a, 14b bevorzugt gerade. Dabei sind die Achsen der angrenzenden Oberflächen gegenseitig zur Mittelachse versetzt.
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Das Übersetzungsverhältnis des zweistufigen harmonischen Getriebes 6 liegt im Bereich 500–2500 bei der Drehzahl von 5000 bis 25000 Min–1 des Läufers 5 des Motors 2. Beim Übersetzungsverhältnis unter 500 und der Drehzahl des Läufers 5 unter 5000 Min–1 wird das erforderliche Moment bei solchen Stromwerten erreicht, welche eine erhöhte Motorerhitzung infolge der Wärmeverluste in der Wicklung verursachen. Bei der Drehzahl von über 25000 Min–1 entstehen im Läufer beachtliche Belastungen infolge der Zentrifugal kraftwirkung.
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Um das Gewicht des elektromechanischen Antriebes zusätzlich zu vermindern, weist Schleudervorrichtung 37 zum Ausstoßen der genuteten Buchse 35 aus der Nabe eine Schleudersitzkanone 38 mit pyrotechnischer Ladung 39 und elektrischem Initialzünder 40 der pyrotechnischen Ladung 39 auf.
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Beim Einschalten des elektromechanischen Antriebes wird die elektrische Spannung ans Wicklungspaar 25 des Ständers 23 der Sperrvorrichtung 22 (3) angelegt. Anker 26 kehrt um und reißt die kinematische Verbindung zwischen dem Feststeller 27 und dem Zahnrad 27a, welches mittels Welle 4 gekoppelt ist. Somit wird Welle 4 des Läufers des Motors freigesetzt. Nach der Spannungsfreischaltung der Wicklungen 25 des Ständers 23 der Sperrvorrichtung 22 wird Anker 26 in dieser Stellung durch Dauermagnete 24 festgehalten.
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Die Steuereinheit des elektromechanischen Antriebes (nicht abgebildet) treibt Läufer 5, Welle 4 und die damit verbundene Eingangswelle 7 der ersten Stufe des harmonischen Getriebes 6 aufgrund eines Befehlssignals, der Signale von den Signalwicklungen des Positionsgebers 30 der Ausgangswelle 19 und des Positionsgebers 28 des Läufers 5 an.
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Bei rotierender Eingangswelle 7 drehen sich auch die exzentrischen Oberflächen 8a und 8b, so dass ihre exzentrisch versetzten Achsen und Scheiben 12 eine volle Umdrehung um die Achse der Eingangswelle 7 pro eine ihre Umdrehung machen.
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Käfig 9 lässt Wälzkörper 11 nur radial laufen, indem sie wellenförmige Bewegungen ausführen, deren Periode einer Umdrehungsperiode der Eingangswelle 7 gleich ist und deren Amplitude dem Abstand zwischen der Achse der Eingangswelle 7 und der Achse der exzentrischen Oberflächen 8a oder 8b gleich ist. Wälzkörper 11 wirken mit der profilierten Oberfläche des Wellenbildners 13 zusammen, lassen das starre Rad 14 um einen Winkel drehen, der mehrfach kleiner als der Drehwinkel der Eingangswelle 7 ist, wobei diese Verhältniszahl mit der Anzahl der Wellen der profilierten Oberfläche des Wellenbildners 13 übereinstimmt.
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Die Drehung des starren Rads 14 setzt die exzentrischen Oberflächen 14a und 14b und Ringe 17a und 17b in Bewegung, welche die Wälzkörper 16 in den Aufnahmen des Käfigs 15 radial derart verlagern, dass sie eine zusammengesetzte Bewegung ausführen. Solche zusammengesetzte Bewegung ist die Gesamtheit der rotierenden Bewegung des Käfigs 15 und der Radialbewegung in den Aufnahmen des Käfigs 15 mit der Amplitude, die der zweifachen Exzentrizität der Oberflächen 14a und 14b gleich ist. Wälzkörper 16 wirken mit der profilierten Oberfläche des zweiten Wellenbildners 18 zusammen und lassen den Käfig 15 um einen Winkel drehen, der mehrfach kleiner als der Drehwinkel des starren Rads 14 ist. Dabei ist diese Verhältniszahl um Eins kleiner als die Anzahl der Wellen des Profils des Wellenbildners 18. Zusammen mit dem Käfig 15 wird auch Ausgangswelle 19 mit der genuteten Buchse und der Nabe mit dem Flansch gedreht.
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Beim Abschalten des elektromechanischen Antriebes wird die elektrische Spannung auf das Wicklungspaar 25 des Ständers 23 der Sperrvorrichtung 22 (3) angelegt. Anker 26 kehrt in die Grundstellung zurück, stellt die kinematische Verbindung zwischen dem Feststeller 27 und dem Zahnrad 27a sicher und hält Welle 4 des Läufers 5 fest. Nach der Spannungsfreischaltung der Wicklungen des Ständers 25 der Sperrvorrichtung 22 wird Anker 26 in der Grundstellung durch die Dauermagnete festgehalten.
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Um das elektromechanische Getriebe von der Regelstrecke beim Ausfall des Motors 2 (1), der Steuereinheit (nicht abgebildet), des Positionsgebers 28 des Läufers, des Positionsgebers 30 der Ausgangswelle oder beim Verklemmen des zweistufigen harmonischen Getriebes 6 abzuschalten, gibt die Zustandsauswerteeinheit des Antriebs (nicht abgebildet) ein Signal zum Anlassen des elektrischen Initialzünders 40. Die pyrotechnische Ladung 39 der Schleudersitzkanone 38 wird gezündet. Der bei Verbrennung der Ladung 39 aufgebaute Gasdruck wirkt auf den Boden der genuteten Buchse 35 ein und erzeugt eine Kraft, die die Druckkraft der knautschbaren Spirale 36 und die Reibungskraft zwischen der Buchse 35 und der Oberfläche der Nabe 33 und der Welle 19 überschreitet. Spirale 36 wird zuerst elastisch und dann plastisch verformt. Buchse 35 wird in Bewegung gesetzt und kommt außer Eingriff mit Nabe 33, welche zusammen mit dem Flansch und dem daran angeschlossenen Objekt sich in Bezug auf das Ende der Ausgangswelle 19 drehen kann. Nach dem Ausbrennen der pyrotechnischen Ladung 39 und dem Austritt der Abgase wird die verformte Spirale 36 nicht mehr aufgerichtet und Buchse 35 bleibt in der Ausgangswelle 19.
