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Die Erfindung betrifft eine Drehmomentübertragungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug. Eine derartige Drehmomentübertragungseinrichtung kann im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb dazu dienen, einen Teil des von einer Antriebseinheit bereitgestellten Antriebsmoments wahlweise auf eine Sekundärachse zu übertragen. In diesem Fall kann die Drehmomentübertragungseinrichtung ein Verteilergetriebe oder eine Hang-On-Kupplung an dem Hinterachsdifferentialgetriebe bilden. Ferner ist es beispielsweise möglich, dass eine derartige Drehmomentübertragungseinrichtung ein sperrbares Zwischenachs-Differentialgetriebe eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb bildet. Unterschiedliche Ausführungsformen einer derartigen Drehmomentübertragungseinrichtung und unterschiedliche Anordnungen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs sind in der
US 7,111,716 B2 beschrieben.
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Eine Drehmomentübertragungseinrichtung der genannten Art besitzt ein Eingangselement (z. B. Eingangswelle), wenigstens ein Ausgangselement (z. B. Ausgangswelle), eine Reibungskupplung zum Einstellen einer Drehmomentübertragung von dem Eingangselement auf das Ausgangselement, und einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung. Dieser Aktuator umfasst zumindest einen Antriebsmotor (beispielsweise einen Elektromotor), ein Untersetzungsgetriebe und einen Rampenringmechanismus. Der Rampenringmechanismus weist wenigstens einen drehbaren ersten Aktuatorring auf, der dazu ausgebildet ist, eine Drehbewegung in eine axiale Betätigung der Reibungskupplung umzusetzen. Beispielsweise kann der erste Aktuatorring mehrere entlang des Umfangs verteilte Rampen oder Rillen aufweisen, die in Umfangsrichtung geneigt sind und unmittelbar oder über Wälzkörper mit entsprechenden Rampen bzw. Rillen eines zugeordneten zweiten Aktuatorrings zusammenwirken, so dass eine Drehbewegung des ersten Aktuatorrings relativ zu dem zweiten Aktuatorring eine axiale Bewegung der beiden Aktuatorringe relativ zueinander bewirkt.
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Das genannte Untersetzungsgetriebe dient dazu, eine Drehbewegung des Antriebsmotors, der beispielsweise als ein hochtourig laufender Elektromotor ausgebildet ist, ins Langsame zu übersetzen und hierbei das von dem Antriebsmotor aufgebrachte Drehmoment zu erhöhen. Hierfür ist es bekannt, das Untersetzungsgetriebe als ein Schneckengetriebe mit einer Schnecke und einem mit der Schnecke kämmenden Stirnradabschnitt auszubilden, wobei die Schnecke mit dem Ausgang des Antriebsmotors gekoppelt ist und der Stirnradabschnitt mit dem genannten drehbaren ersten Aktuatorring gekoppelt oder einstückig ausgebildet ist. Der Stirnradabschnitt kann ein Winkelsegment eines Stirnrads oder ein sich über den vollständigen Umfang erstreckendes Stirnrad umfassen.
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Eine Drehmomentübertragungseinrichtung der genannten Art ist aus der
DE 20 2005 017 525 U1 bekannt. Das Untersetzungsgetriebe umfasst hier entweder eine Schraubradverzahnung, bei der ein schräg verzahntes Ritzel mit einem schräg verzahnten Stirnrad kämmt, oder eine Stirnradschneckenverzahnung, bei der eine Globoidschnecke mit einem schräg verzahnten Stirnrad kämmt. Der das Stirnrad bildende Aktuatorring dient als ein axial verschiebbarer Verstellring, um eine Reibungskupplung zu betätigen. Hierbei wirkt der genannte Aktuatorring über mehrere Kugelrillen und darin angeordnete Kugeln mit einem axial festgelegten Stützring zusammen. Die Schrägstellung der Zähne des Verstellrings ist dabei derart ausgerichtet, dass die durch die Schrägverzahnung verursachten Axialkräfte auf den Verstellring in Richtung der erwünschten Bewegung des Verstellrings zur Bewirkung der Anpressbetätigung der Reibungskupplung wirken. Nachteilig an einer derartigen Anordnung ist allerdings, dass hierdurch die von dem Aktuator auf die Reibungskupplung mittels des Rampenringmechanismus ausgeübten Axialkräfte verfälscht werden können.
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Die
DE 100 33 482 A1 beschreibt eine Drehmomentübertragungseinrichtung mit einer Verstellscheibe, die über Kugelrillenkonfigurationen mit einer Druckscheibe zusammenwirkt. Die Verstellscheibe weist eine äußere Schrägverzahnung oder Schneckenverzahnung auf, die mit einer drehend antreibbaren Schnecke in Eingriff ist.
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Aus der
DE 10 2006 053 311 A1 ist es bekannt, für einen elektromotorischen Antrieb eines Ventils ein Schneckengetriebe vorzusehen, bei dem durch eine Schrägstellung des Schneckenantriebes ein geradverzahntes Stirnrad zum Einsatz gelangen kann.
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Die
DE 812 141 B offenbart ein Schneckengetriebe, bei dem eine Globoidschnecke mit einem geradverzahnten Stirnrad gepaart ist, wobei der Schrägstellungswinkel des Stirnrades mit dem Steigungswinkel der Schnecke übereinstimmt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Drehmomentübertragungseinrichtung der genannten Art zu schaffen, die eine präzise Betätigung der Reibungskupplung gestattet und hierbei eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Drehmomentübertragungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass die Drehachse der Schnecke um einen Schrägstellungswinkel bezüglich der Rotationsebene des Stirnradabschnitts geneigt ist, wobei der Schrägstellungswinkel im Wesentlichen dem Steigungswinkel der Schnecke entspricht, und wobei der Stirnradabschnitt eine Geradverzahnung aufweist, so dass zusätzliche axiale Kräfte oder Kippmomente, die aufgrund einer Drehbewegung der Schnecke auf den Stirnradabschnitt ausgeübt werden, weitestgehend vermieden werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung umfasst das Untersetzungsgetriebe eine Schnecke, die von einem Antriebsmotor zu einer Drehbewegung angetrieben wird. Die Drehachse der Schnecke ist um einen Schrägstellungswinkel bezüglich der Rotationsebene eines Stirnradabschnitts geneigt, mit dem die Schnecke kämmt. Die genannte Rotationsebene ist durch diejenige Ebene gebildet, innerhalb derer sich der Stirnradabschnitt erstreckt und seine Drehbewegung ausführt. Mit anderen Worten handelt es sich hierbei um die Normalebene zu der Drehachse des Stirnradabschnitts, wobei diese Normalebene den Stirnradabschnitt enthält (und sich gegebenenfalls mit diesem axial mitbewegt). Der genannte Schrägstellungswinkel ist so gewählt, dass er im Wesentlichen dem Steigungswinkel der Schnecke entspricht, wobei der mit der Schnecke kämmende Stirnradabschnitt eine Geradverzahnung besitzt. Der genannte Schrägstellungswinkel kann beispielsweise einen Wert im Bereich von 5° bis 25° besitzen.
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Für den genannten Steigungswinkel β der Schnecke gilt generell die Beziehung: tanβ = P/(dT·π)
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Hierbei bezeichnet P die Steigung der Schnecke, also die axiale Erstreckung eines Gewindeganges (entsprechend einer vollen Umdrehung der Schnecke). Die Variable dT bezeichnet den Durchmesser der Schnecke im Teilkreis.
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Die genannte Winkelbedingung – also die Übereinstimmung des Schrägstellungswinkels der Drehachse der Schnecke mit dem Steigungswinkel der Schnecke – gilt zumindest im Bereich des Eingriffs zwischen der Schnecke und dem Stirnradabschnitt. Hierdurch kann sich der Stirnradabschnitt bezogen auf seine Drehachse in axialer Richtung relativ zu der Schnecke bewegen, ohne dass dies notwendigerweise mit einer Drehbewegung des Stirnradabschnitts verbunden ist. Umgekehrt betrachtet bedeutet dies, dass zusätzliche axiale Kräfte oder Kippmomente, die aufgrund einer Drehbewegung der Schnecke auf den Stirnradabschnitt ausgeübt werden, weitestgehend vermieden werden. Hierdurch wird also vermieden, dass die von dem Aktuator auf die Reibungskupplung mittels des Rampenringmechanismus ausgeübten Axialkräfte verfälscht werden, und es wird eine präzisere Betätigung der Reibungskupplung ermöglicht. Außerdem vereinfacht sich die Herstellung des Aktuators, da die Geradverzahnung des Stirnradabschnitts einfacher zu fertigen ist als die im Stand der Technik üblicherweise vorgesehene Schrägverzahnung des Stirnrads.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der genannte Schrägstellungswinkel exakt dem Steigungswinkel der Schnecke entspricht. Eine Abweichung um einige Grad ist möglich und kann zum Zwecke einer Spielbeseitigung sogar von Vorteil sein. Der Schrägstellungswinkel der Schnecke muss lediglich derart dem Steigungswinkel entsprechen, dass ein antriebswirksamer Eingriff der Schnecke in die Geradverzahnung des Stirnradabschnitts gewährleistet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verteilergetriebes.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Verteilergetriebes.
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4 zeigt Teile einer Drehmomentübertragungseinrichtung in einer Draufsicht.
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5 zeigt eine Detailansicht eines Teils der Drehmomentübertragungseinrichtung gemäß 4.
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1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit zuschaltbarem Allradantrieb. Das von einem Verbrennungsmotor 11 erzeugte Antriebsmoment wird über ein Hauptgetriebe 13 (manuelles Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe) einem Verteilergetriebe 15 zugeführt. Ein erster Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über eine Kardanwelle 17 mit einem Hinterachs-Differentialgetriebe 19 gekoppelt. Hierdurch werden die Räder 21 der Hinterachse 23 permanent angetrieben. Die Hinterachse 23 bildet somit die Primärachse des Fahrzeugs. Ein zweiter Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über eine Kardanwelle 25 mit einem Vorderachse-Differentialgetriebe 27 gekoppelt. Hierdurch kann ein Teil des Antriebsmoments des Verbrennungsmotors 11 wahlweise auf die Räder 29 der Vorderachse 31 übertragen werden. Die Vorderachse 31 bildet somit die Sekundärachse des Fahrzeugs.
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Ferner ist in 1 eine Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 gezeigt. Diese ist mit Raddrehzahl-Sensoren 35, 37 verbunden, die den Rädern 21 der Hinterachse 23 bzw. den Rädern 29 der Vorderachse 31 zugeordnet sind. Die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ist auch noch mit weiteren Sensoren 39 verbunden, beispielsweise einem Gierraten-Sensor. In Abhängigkeit von den Signalen der Sensoren 35, 37, 39 erzeugt die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ein Steuersignal, welches einer Steuereinrichtung (in 1 nicht gezeigt) des Verteilergetriebes 15 zugeführt wird, um hierdurch eine bestimmte Verteilung des Antriebsmoments zwischen den beiden Achsen 23, 31 des Fahrzeugs einzustellen. Bei dem genannten Steuersignal handelt es sich insbesondere um einen Sollwert eines Kupplungsmoments, d. h. um eine Drehmomentanforderung für eine Kupplungseinheit des Verteilergetriebes 15.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Verteilergetriebes 15 gemäß 1. Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Eingangswelle 41, eine erste Ausgangswelle 43 und eine zweite Ausgangswelle 45. Die erste Ausgangswelle 43 ist koaxial zu der Eingangswelle 41 und mit dieser drehfest – vorzugsweise einstückig – ausgebildet. Die zweite Ausgangswelle 45 ist parallel versetzt zu der Eingangswelle 41 angeordnet.
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Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Kupplungseinheit 47 mit einer Reibungskupplung 49 und einem Aktuator 51. Die Reibungskupplung 49 weist eine Kupplungskorb 53 auf, der drehfest mit der Eingangswelle 41 und der ersten Ausgangswelle 43 verbunden ist und mehrere Kupplungslamellen trägt. Ferner besitzt die Reibungskupplung 49 eine drehbar gelagerte Kupplungsnabe 55, die ebenfalls mehrere Kupplungslamellen trägt, welche in einer alternierenden Anordnung in die Lamellen des Kupplungskorbs 53 eingreifen. Die Kupplungsnabe 55 ist drehfest mit einem Antriebszahnrad 57 eines Kettentriebs 59 verbunden. Ein Abtriebszahnrad 61 des Kettentriebs 59 ist drehfest mit der zweiten Ausgangswelle 45 verbunden. Anstelle des Kettentriebs 59 kann ein Rädertrieb vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Zwischenzahnrad zwischen den genannten Zahnrädern 57, 61.
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Durch Betätigung des Aktuators 51 im Einrücksinn der Reibungskupplung 49 kann ein zunehmender Anteil des über die Eingangswelle 41 in das Verteilergetriebe 15 eingeleiteten Antriebsmoments auf die zweite Ausgangswelle 45 übertragen werden.
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3 zeigt in einer Querschnittsansicht Teile eines Verteilergetriebes gemäß 2 in weiteren Einzelheiten. Innerhalb eines Gehäuses 71 sitzt die Reibungskupplung 49 mit dem Kupplungskorb 53 und der Kupplungsnabe 55. Die Kupplungsnabe 55 ist drehfest mit der Eingangswelle 41 gekoppelt, die einstückig mit der ersten Ausgangswelle 43 ausgebildet ist. Über die Kupplungslamellen 73 kann die Kupplungsnabe 55 reibschlüssig mit dem Kupplungskorb 53 gekoppelt werden, der um die Achse A der Eingangswelle 41 bzw. der Reibungskupplung 49 drehbar gelagert ist. Der Kupplungskorb 53 ist über das Antriebszahnrad 57 (und in diesem Beispiel über ein Zwischenzahnrad anstelle eines Kettentriebes) mit der zweiten Ausgangswelle gekoppelt (in 3 nicht gezeigt). Der Reibschluss zur Übertragung eines Drehmoments zwischen der Kupplungsnabe 55 und dem Kupplungskorb 53 wird mittels einer Druckplatte 75 bewirkt, die entgegen der Vorspannung einer Tellerfederanordnung 77 axial verschiebbar ist und hierdurch die jeweiligen Kupplungslamellen 73 der Kupplungsnabe 55 und des Kupplungskorbs 53 aneinanderpresst.
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Um die Druckplatte 75 wahlweise entgegen der Vorspannung verschieben und die Reibungskupplung 49 hierdurch betätigen zu können, sind ein Stützring 79 und ein Verstellring 81 vorgesehen, die koaxial zueinander sowie bezüglich der Achse A angeordnet sind. Der Verstellring 81 bildet einen drehbaren ersten Aktuatorring, und der Stützring 79 bildet einen drehfesten zweiten Aktuatorring. Der Stützring 79 ist mittels einer in 3 nicht gezeigten Fixiereinrichtung drehfest bezüglich des Gehäuses 71 gehalten. Hierbei stützt sich der Stützring 79 mittels eines Radiallagers 83 und eines Axiallagers 85 an der Eingangswelle 41 bzw. an einem Flanschabschnitt 87 der Eingangswelle 41 ab. Der Verstellring 81 ist drehbar und axial verschiebbar gelagert, und er wirkt mittels eines Axiallagers 89 mit der Druckplatte 75 zusammen.
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An den einander zugewandten Seiten besitzen der Stützring 79 und der Verstellring 81 jeweils mehrere Kugelrillen 91 bzw. 93. Diese verlaufen bezüglich der Achse A entlang einer jeweiligen Umfangsrichtung. Jeweils eine Kugelrille 91 des Stützrings 79 und eine Kugelrille 93 des Verstellrings 81 stehen einander gegenüber und umschließen hierdurch eine jeweilige Kugel 95. Die Kugelrillen 91, 93 sind bezüglich einer Normalebene der Achse A geneigt, d. h. die Kugelrillen 91, 93 besitzen entlang des genannten umfänglichen Verlaufs eine variierende Tiefe. Hierdurch wird erreicht, dass eine Drehbewegung des Verstellrings 81 relativ zu dem drehfest gehaltenen Stützring 79 zu einer axialen Verschiebung des Verstellrings 81 führt. Eine Drehbewegung des Verstellrings 81 bewirkt somit, dass die Druckplatte 75 axial versetzt wird und die Reibungskupplung 49 hierdurch betätigt wird. Die von der Tellerfederanordnung 77 bewirkte Vorspannung gewährleistet hierbei, dass in jeder Drehposition des Verstellrings 81 relativ zu dem Stützring 79 die jeweilige Kugel 95 in den zugeordneten Kugelrillen 91, 93 gefangen bleibt.
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Um die erläuterte Drehbewegung des Verstellrings 81 herbeiführen zu können, ist dieser über ein Untersetzungsgetriebe 101 mit einem Elektromotor 103 antriebswirksam gekoppelt. Dies ist in der Draufsicht gemäß 4 gezeigt.
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Gemäß 4 ist das Untersetzungsgetriebe 101 durch ein Schneckengetriebe gebildet, mit einer Schnecke 105, die mit einem Stirnradabschnitt 107 kämmt. Die Schnecke 105 ist mit einer Ausgangswelle 108 des Elektromotors 103 drehfest gekoppelt. Der Stirnradabschnitt 107 ist mit dem Verstellring 81 einstückig ausgebildet.
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Die Drehachse S der Schnecke 105 ist bezüglich der Rotationsebene R des Stirnradabschnitts 107 um einen Schrägstellungswinkel α geneigt. Dieser Schrägstellungswinkel α entspricht dem Steigungswinkel β der Schnecke 105. Der Steigungswinkel β der Schnecke 105 ist in 5 dargestellt, die eine Detailansicht des Eingriffsbereichs zwischen der Schnecke 105 und dem Stirnradabschnitt 107 zeigt. Der Steigungswinkel β ist hier als der Winkel zu erkennen, den das Schneckengewinde relativ zu einer Normalebene der Schneckenachse S einnimmt.
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Wie aus 4 ferner ersichtlich ist, besitzt der Stirnradabschnitt 107 des Verstellrings 81 eine Geradverzahnung 109. Der Stirnradabschnitt 107 ist als ein Umfangsabschnitt eines zylindrischen Stirnrads ausgebildet, also nicht etwa als ein Globoidrad. Die Schnecke 105 ist als eine Zylinderschnecke ausgebildet, wobei die Schnecke 105 und der Stirnradabschnitt 107 nach Art einer Schraubradverzahnung in Eingriff stehen. Alternativ kann die Schnecke 105 jedoch auch als eine Globoidschnecke ausgebildet sein, um mit dem Stirnradabschnitt 107 nach Art einer Stirnradschneckenverzahnung zu kämmen.
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Hierdurch verläuft das Gewinde der Schnecke 105 im Eingriffsbereich zwischen der Schnecke 105 und dem Stirnradabschnitt 107 im Wesentlichen parallel zu der Drehachse A des Verstellrings 81. Der Verstellring 81 kann sich somit frei, d. h. ohne überlagerte Drehbewegung in axialer Richtung bewegen, und der Drehantrieb des Verstellrings 81 mittels der Schnecke 105 führt zu keinen oder nur geringfügigen zusätzlichen Axialkräften und Kippmomenten, die auf den Verstellring 81 wirken. Hierdurch sind eine genaue Steuerung des Aktuators 57 und eine präzise Betätigung der Reibungskupplung möglich. Dies gilt insbesondere, falls die Steuerung des Aktuators auf einer Überwachung des Motorstroms des Elektromotors 103 basiert.
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Außerdem vereinfacht sich aufgrund der Geradverzahnung 109 des Stirnradabschnitts 107 die Fertigung des Verstellrings 81.
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Der genannte Stirnradabschnitt 107 kann sich selbstverständlich auch entlang des gesamten Umfangs des Verstellrings 81 erstrecken, d. h. in diesem Fall ist der gesamte Außenumfang des Verstellrings 81 durch den Stirnradabschnitt 107 gebildet.
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Während die Erfindung vorstehend beispielhaft im Zusammenhang mit einem Verteilergetriebe für ein Kraftfahrzeug mit permanent angetriebener Hinterachse
23 und zuschaltbarer Vorderachse
31 erläutert wurde, kann die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungseinrichtung auch in anderen Ausführungsformen oder Anordnungen in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz gelangen, insbesondere wie in der
US 7,111,716 B2 beschrieben. Beispielsweise kann die Drehmomentübertragungseinrichtung für einen Permanentantrieb der Vorderachse mit einem zuschaltbaren Antrieb der Hinterachse vorgesehen sein, oder in einem sperrbaren Zwischenachs-Differentialgetriebe. Weiterhin ist es möglich, dass die Reibungskupplung
49 auf der Eingangswelle
41 oder auf einer der Ausgangswellen
43,
45 sitzt. Außerdem können andere Freiheitsgrade der beiden Aktuatorringe (Stützring
79 und Verstellring
81) vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Verbrennungsmotor
- 13
- Hauptgetriebe
- 15
- Verteilergetriebe
- 17
- Kardanwelle
- 19
- Hinterachs-Differentialgetriebe
- 21
- Rad
- 23
- Hinterachse
- 25
- Kardanwelle
- 27
- Vorderachs-Differentialgetriebe
- 29
- Rad
- 31
- Vorderachse
- 33
- Fahrdynamik-Regelungseinheit
- 35
- Raddrehzahl-Sensor
- 37
- Raddrehzahl-Sensor
- 39
- Sensor
- 41
- Eingangswelle
- 43
- erste Ausgangswelle
- 45
- zweite Ausgangswelle
- 47
- Kupplungseinheit
- 49
- Reibungskupplung
- 51
- Aktuator
- 53
- Kupplungskorb
- 55
- Kupplungsnabe
- 57
- Antriebszahnrad
- 59
- Kettentrieb
- 61
- Abtriebszahnrad
- 71
- Gehäuse
- 73
- Kupplungslamellen
- 75
- Druckplatte
- 77
- Tellerfederanordnung
- 79
- Stützring
- 81
- Verstellring
- 83
- Radiallager
- 85
- Axiallager
- 87
- Flanschabschnitt
- 89
- Axiallager
- 91
- Kugelrille
- 93
- Kugelrille
- 95
- Kugel
- 101
- Untersetzungsgetriebe
- 103
- Elektromotor
- 105
- Schnecke
- 107
- Stirnradabschnitt
- 108
- Ausgangswelle des Elektromotors
- 109
- Geradverzahnung
- A
- Achse
- S
- Drehachse
- R
- Rotationsebene
- α
- Schrägstellungswinkel
- β
- Steigungswinkel
