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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein mehrachsgetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend eine Differentialeinheit mit einer Drehachse, einem Eingangsteil und zwei mit dem Eingangsteil antriebsverbundenen Ausgangsteilen, wobei die beiden Ausgangsteile untereinander eine ausgleichende Wirkung haben; eine extern steuerbare Zuschaltkupplung zum antriebsmäßigen Verbinden der Differentialeinheit mit einer Antriebsquelle; eine extern steuerbare Sperrkupplung zum Sperren der Ausgleichsbewegung zwischen beiden Ausgangsteilen der Differentialeinheit; wobei die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung koaxial zur Drehachse angeordnet sind, und zumindest einen Aktuator zum Betätigen der Zuschaltkupplung und der Sperrkupplung.
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Generell werden Antriebssysteme unterschieden, bei denen mehrere Antriebsachsen des Kraftfahrzeugs permanent angetrieben werden, und solche, bei denen eine erste Antriebsachse permanent angetrieben wird und eine zweite Antriebsachse bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Derartige Antriebssysteme mit bedarfsweise zuschaltbarer Antriebsachse werden auch als „Hang-on” oder „On-demand”-Systeme bezeichnet.
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Aus der
EP 0 466 863 B1 ist eine Vorrichtung zum Zuschalten eines Antriebsstrangs in einem Kraftfahrzeug mit einem Verteilergetriebe für mehrere Antriebsstränge bekannt. Einer der Antriebsstränge ist ständig mit einer Antriebseinheit verbunden und ein weiterer Antriebsstrang ist zuschaltbar mit der Antriebseinheit verbindbar. Zum Zuschalten des Antriebsstrangs ist eine elektronisch betätigbare Reibungskupplung vorgesehen, die in einem Verteilergetriebe oder in einem Differentialgetriebe angeordnet sein kann.
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Aus der
DE 38 15 225 A1 ist ein sperrbares Differentialgetriebe bekannt. Zum Sperren des Differentials ist eine Reibungskupplung vorgesehen, die von einer Kugelrampenanordnung betätigbar ist. Die Kugelrampenanordnung wird von einem Elektromotor angetrieben.
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Aus der
DE 101 60 026 A1 ist ein Betätigungsmechanismus zur Axialverstellung für ein Verteilergetriebe eines mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugs bekannt. Der Betätigungsmechanismus umfaßt eine mittlere Scheibe, die gegenüber zwei außenliegenden Scheiben relativ verdrehbar ist. Hiermit ist die Möglichkeit gegeben, mit einheitlichen Drehantriebsmitteln zwei unterschiedliche Stellfunktionen darzustellen, nämlich das Betätigen einer Sperrkupplung für das Differentialgetriebe einerseits und das Umschalten eines Zweistufengetriebes von der ersten in die zweite Stufe, andererseits.
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Aus der
DE 10 2008 037 885 A1 ist eine Antriebsanordnung mit einer Zuschaltkupplung und einer Differentialeinheit für ein mehrachsgetriebenes Kraftfahrzeug bekannt. Die Zuschaltkupplung ist in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet, die koaxial zur Drehachse des Differentialträgers der Differentialeinheit angeordnet ist.
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Aus der
DE 103 11 427 A1 ist eine gattungsgemäße Differentialanordnung bekannt mit einem Antriebselement und einem Differentialgetriebe. Es ist ein erstes Kupplungspaket vorgesehen, das eingerückt werden kann, um Drehmoment von dem Antriebselement auf das Differentialgetriebe zu übertragen, und ein zweites Kupplungspaket, das eingerückt werden kann, um eine Relativdrehung der Abtriebselemente des Differentialgetriebes zu blockieren. Die beiden Kupplungspakete sind koaxial zur Drehachse des Differentialgetriebes axial benachbart zueinander und funktional in Reihe angeordnet. Bei Betätigung des Elektromotors wird zunächst das erste Kupplungspaket geschlossen, so daß Drehmoment auf das Differentialgetriebe übertragen wird. Durch weitere Betätigung kann zusätzlich das zweite Kupplungspaket geschlossen werden, um die Differentialwirkung zu blockieren.
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Aus der
DE 103 04 730 B3 ist eine Reibungskupplung mit Klauenkupplung bekannt. Die Reibungskupplung umfaßt ein Lamellenpaket, das sich über eine axial verschiebbare Stützscheibe gegen die Rückstellkräfte einer Feder an einer Kupplungsnabe axial abstützt. Mit dem Kupplungskorb bildet die Stützscheibe eine Formschlußkupplung.
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Aus der
DE 39 13 487 A1 ist ein allradgetriebener Schlepper bekannt, dessen Vorderachsdifferential und Hinterachsdifferential im Gelände permanent angetrieben werden. Um bei Kurvenfahrt Verspannungen zwischen der Vorder- und der Hinterachse zu verhindern, ist zwischen dem Tellerrad des Hinterachsdifferentials und dem Differentialkorb eine Kupplung vorgesehen. Die Kupplung wird über einen Betätigungszylinder gelüftet und ist so in einen Schlupfzustand steuerbar. In drucklosem Zustand des Betätigungszylinders beaufschlagt eine Tellerfeder die Kupplung, so daß Drehmoment von der Vorderachse in starrem Durchtrieb auf die Hinterachse übertragen wird.
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Ausgehend von einer Antriebsanordnung der eingangs genannten Art liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung vorzuschlagen, die ein Zuschalten und bedarfsweise Steuern eines sekundären Antriebsstranges sowie das Sperren eines Differentials ermöglicht, wobei die Antriebsanordnung einen kompakten Aufbau und ein geringes Gewicht aufweisen soll und einfach in ein Antriebskonzept integrierbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 und auch durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 12 und 16 gelöst.
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Gemäß der ersten Lösung ist vorgesehen, daß der Aktuator derart gestaltet ist, daß – ausgehend vom unbetätigten Zustand, in dem die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung geöffnet sind – in einem ersten Betätigungsbereich zunächst die Sperrkupplung beaufschlagt wird und in einem zweiten Betätigungsbereich zusätzlich zu der Sperrkupplung auch die Zuschaltkupplung betätigt wird. Hiermit läßt sich die Zuschaltkupplung bei geschlossener Sperrkupplung bedarfsweise steuern.
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Gemäß einer zweiten Lösung ist vorgesehen, daß die Sperrkupplung koaxial innerhalb der Zuschaltkupplung angeordnet ist, wobei die Sperrkupplung und die Zuschaltkupplung sich zumindest teilweise axial überdecken, und wobei zumindest ein Aktuator zum Betätigen der Zuschaltkupplung und zum Betätigen der Sperrkupplung vorgesehen ist, wobei der Aktuator eine Kugelrampenanordnung umfaßt, die eine axial bewegbare erste Stellscheibe zum Beaufschlagen der Zuschaltkupplung sowie eine axial bewegbare zweite Stellscheibe zum Beaufschlagen der Sperrkupplung aufweist, wobei die erste und die zweite Stellscheibe in dieselbe Richtung axial beaufschlagbar sind. Hiermit wird ein axial besonders kompakter Aufbau erreicht.
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Gemäß einer dritten Lösung ist vorgesehen, dass der zumindest eine Aktuator axial zwischen der Zuschaltkupplung und der Sperrkupplung angeordnet ist. Hiermit wird ein radial besonders kompakter Aufbau erreicht.
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Die Antriebsanordnungen können zumindest einen Aktuator zum Betätigen der Zuschaltkupplung und der Sperrkupplung umfassen, wobei vorzugsweise genau ein einziger Aktuator vorgesehen ist, der sowohl zum Betätigen der Zuschaltkupplung als auch zum Betätigen der Sperrkupplung dient.
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Die erfindungsgemäßen Antriebsanordnungen haben den Vorteil, daß sie zwei Funktionalitäten beinhaltet, nämlich das Zuschalten eines sekundären Antriebsstrangs als auch das Sperren der Ausgleichsbewegung der Differentialeinheit, und dabei kompakt aufgebaut sind. Dadurch, daß die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung koaxial zueinander bzw. zur Differentialeinheit angeordnet sind, können beide Kupplungen mittels eines einzigen Aktuators betätigt werden. Insofern kommt die erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit verhältnismäßig wenigen Bauteilen aus, was sich günstig auf das Bauvolumen und die Herstellungskosten auswirkt. Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, daß für die Zuschaltkupplung ein erster Aktuator vorgesehen ist und für die Sperrkupplung ein separater zweiter Aktuator. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung besteht darin, daß der Winkeltrieb, mit dem Drehmoment von der Längsantriebswelle in die Differentialanordnung eingeleitet wird, bei geöffneter Zuschaltkupplung stillsteht. Auf diese Weise lassen sich Lagerumlaufverluste der Lager des Tellerrads und des Antriebsritzels reduzieren, die üblicherweise mit hohen Kräften verspannt sind. Außerdem werden Planschverluste vermieden, welche durch Drehung des Tellerrads um die Drehachse entstehen, was sich wiederum günstig auf den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs auswirkt.
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Nach einer ersten Ausführungsform, die insbesondere für die erste Lösung gilt, ist vorgesehen, daß die Sperrkupplung in Form einer formschlüssigen Kupplung gestaltet ist. Mit formschlüssiger Kupplung sind solche Kupplungen gemeint, bei denen die Drehmomentübertragung durch formschlüssiges Ineinandergreifen zwischen einem ersten Kupplungsteil und einem zweiten Kupplungsteil erfolgt. Als Beispiele für formschlüssige Kupplungen seien hier Klauenkupplungen oder Zahnkupplungen genannt. Durch Schließen der Sperrkupplung wird erreicht, daß die beiden Seitenwellenräder und das Trägerelement der Differentialeinheit gemeinsam im Block um die Drehachse rotieren, d. h. es findet keine Ausgleichsbewegung zwischen den Seitenwellenrädern mehr statt. Diese Ausführungsform mit formschlüssiger Kupplung stellt eine besonders kompakte Lösung zur Realisierung einer Differentialsperre dar, wobei die Aktuierungsmechanik für die Zuschaltkupplung gleichzeitig für die Betätigung der Sperrkupplung verwendet wird.
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Vorzugsweise umfaßt die Sperrkupplung ein erstes Kupplungsteil, das mit einem Trägerelement der Differentialeinheit drehfest verbunden ist, sowie ein zweites Kupplungsteil, das mit einer Seitenwelle der Differentialeinheit drehfest verbunden ist, wobei zumindest ein Betätigungshebel vorgesehen ist, um das erste Kupplungsteil mit dem zweiten Kupplungsteil zur Übertragung eines Drehmoments in Eingriff zu bringen. Der zumindest eine Betätigungshebel ist vorzugsweise um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert, wobei er mit seinem ersten Ende dem Aktuator in Wirkverbindung ist und mit seinem zweiten Ende mit einem der Kupplungsteile der Sperrkupplung in Wirkverbindung ist. Auf diese Weise fungiert der Betätigungshebel als Wippe, wobei durch axiales Bewegen eines Bauteils des Aktuators ein axiales Beaufschlagen der Sperrkupplung bewirkt wird. Eine besonders günstige Kraftübertragung wird erreicht, wenn ein erster Hebelarm zwischen dem Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels an dem Aktuator und dem Schwenklager kleiner ist als ein zweiter Hebelarm zwischen dem Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels an dem Kupplungsteil und dem Schwenklager. Ein kleinerer axialer Stellweg des beweglichen Bauteils des Aktuators wird durch diese Ausgestaltung in einen größeren axialen Stellweg an der Sperrkupplung übersetzt. Dabei ist es besonders günstig, wenn das Übersetzungsverhältnis etwa 3:1 beträgt.
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Der Aktuator der ersten Ausführungsform umfaßt vorzugsweise eine Kugelrampenanordnung, die eine axial abgestützte Stützscheibe und eine hierzu axial bewegbare Stellscheibe aufweist, wobei durch relative Verdrehung der beiden Scheiben zueinander die Stellscheibe axial verschiebbar ist. Relative Verdrehung zueinander bedeutet in diesem Zusammenhang, daß entweder die Stützscheibe oder die Stellscheibe relativ zueinander verdreht werden können, während die jeweils andere drehfest gehalten ist, oder daß beide Scheiben relativ zueinander verdreht werden. Es ist insbesondere vorgesehen, daß die beiden Scheiben jeweils Kugelrillen mit variabler Tiefe über dem Umfang aufweisen, in denen Kugeln aufgenommen sind, wobei die beiden Scheiben über die Kugeln gegeneinander axial abgestützt sind. Die Kugelrillen der beiden Scheiben sind derart gestaltet, daß durch relative Verdrehung in eine erste Drehrichtung die Zuschaltkupplung betätigt wird und, daß durch relative Verdrehung der beiden Scheiben in der entgegengesetzten zweiten Drehrichtung zusätzlich auch die Sperrkupplung betätigt wird.
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Vorzugsweise hat die Stellscheibe radial innen ein Formeingriffselement, das mit einem Mitnehmerelement am ersten Ende des Betätigungshebels in Eingriff ist, wobei durch Axialverschiebung der Stellscheibe der Betätigungshebel um die Schwenkachse verschwenkt und die Kupplungsteile der Sperrkupplung miteinander in Eingriff gebracht werden. Es ist insbesondere vorgesehen, daß das erste Kupplungsteil der Sperrkupplung gegenüber dem Trägerelement der Differentialeinheit axial verschiebbar ist und, daß das zweite Kupplungsteil der Sperrkupplung gegenüber der Seitenwelle axial abgestützt ist. Beispielsweise kann das erste Kupplungsteil in Form einer Schaltmuffe gestaltet sein, die mittels einer Wellenverzahnung auf einen Hülsenansatz des Trägerelements drehfest und axial verschiebbar gehalten ist. Das zweite Kupplungsteil kann in Form eines Wellenkranzes gestaltet sein, der mittels einer Wellenverzahnung mit der Seitenwelle drehfest verbunden ist. Die Schaltmuffe und der Wellenkranz können zur Drehmomentübertragung an ihren einander zugewandten Stirnseiten jeweils eine Stirnverzahnung haben, die formschlüssig ineinandergreifen können. Für einen kompakten Aufbau ist es vorteilhaft, wenn die Sperrkupplung radial innerhalb des Aktuators angeordnet ist. Um sicherzustellen, daß die beiden Kupplungsteile sicher formschlüssig ineinandergreifen, kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß der zumindest eine Betätigungshebel in sich elastisch federnd gestaltet ist. Die Anzahl der Betätigungshebel ist generell beliebig und hängt von der zu übertragenden Kraft ab. Für eine gleichmäßige Kraftverteilung über den Umfang ist eine Anzahl von drei Betätigungshebeln günstig.
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In Konkretisierung weisen die die Kugelrillen zumindest einer der Scheiben in der ersten Drehrichtung – ausgehend von einer Endposition, in der die beiden Scheiben aneinander angenähert sind – einen ersten Abschnitt mit einer ersten Steigung und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Steigung auf, wobei die Steigung des ersten Abschnitts größer ist als die Steigung des zweiten Abschnitts. Bei Betätigung der entsprechenden Scheibe erfolgt der Aktuatorhub umgehend erst auf dem steilen ersten Abschnitt, um das Kupplungsspiel schnell zu schließen, und dann auf dem flacheren zweiten Abschnitt, womit eine genaue Dosierung des zu übertragenden Drehmoments vorgenommen werden kann. Bei Betätigung in dieser ersten Drehrichtung wird der Betätigungshebel nicht mitgenommen, so daß die Sperrkupplung unbetätigt bleibt.
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In der zweiten Drehrichtung weisen die Kugelrillen der besagten Scheibe – ausgehend von der Endposition – einen ersten Abschnitt mit einer ersten Steigung, einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Steigung und einen dritten Abschnitt mit einer dritten Steigung auf, wobei die Steigung des ersten und des zweiten Abschnitts jeweils größer ist als die Steigung des dritten Abschnitts. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß die Stellscheibe den Betätigungshebel mitnimmt und axial verschiebt, so daß die Sperrkupplung beaufschlagt wird. Dabei wird zunächst der erste Abschnitt überfahren, welcher kurz und steil ausgebildet ist, um das Hintergreifen des Betätigungshebels sicherzustellen. Dann folgt der zweite Abschnitt, welcher ähnlich steil ausgebildet ist, wie der erste, sowie der dritte Abschnitt, welcher flacher ausgebildet ist als der erste und zweite Abschnitt. Diese Ausgestaltung bewirkt in vorteilhafter Weise, daß die formschlüssige Sperrkupplung sicher bewerkstelligt wird, bevor die Zuschaltkupplung ihren Anlaufpunkt erreicht hat. Es versteht sich, daß zwischen den genannten unterschiedlichen Abschnitten auch Übergangsabschnitte vorgesehen sein können.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere für die zweite und dritte Lösung gilt, ist vorgesehen, daß die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung jeweils in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Sperrwirkung durch entsprechende Ansteuerung des Aktuators bedarfsweise variabel eingestellt werden kann. Dabei kann mittels der Reiblamellenkupplung jede beliebige Zwischenstellung zwischen einer Offenstellung, bei der kein Drehmoment zwischen dem Kupplungseingangsteil und dem Kupplungsausgangsteil übertragen wird, und einer Schließstellung, bei der die Kupplungsteile vollständig geschlossen sind und gemeinsam um die Drehachse umlaufen, realisiert werden. Ein kompakter Aufbau der zweiten Ausführungsform wird insbesondere dadurch erreicht, daß die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung koaxial ineinander angeordnet sind. Dabei ist die Zuschaltkupplung vorzugsweise zwischen dem Eingangsteil der Antriebsanordnung und einem Trägerelement der Differentialeinheit wirksam angeordnet ist, und die Sperrkupplung ist vorzugsweise zwischen dem Trägerelement und einem Seitenwellenrad der Differentialeinheit wirksam angeordnet.
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Der Aktuator umfaßt bei der zweiten Lösung, bei der die beiden Kupplungen koaxial ineinander angeordnet sind, eine Kugelrampenanordnung, die eine axial abgestützte Stützscheibe, eine axial bewegbare erste Stellscheibe zum Beaufschlagen der Zuschaltkupplung sowie eine axial bewegbare zweite Stellscheibe zum Beaufschlagen der Sperrkupplung aufweist. Dabei sind die beiden Stellscheiben von der Stützscheibe in dieselbe axiale Richtung beaufschlagbar. Es ist insbesondere vorgesehen, daß die zweite Scheibe zum Betätigen der Sperrkupplung koaxial innerhalb der ersten Scheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung angeordnet ist. Die Stützscheibe hat an ihrer den Stellscheiben zugewandten Stirnseite über den Umfang verteilte erste Kugelrillen, welche den Kugelrillen der ersten Stellscheibe gegenüberliegen, sowie koaxial innerhalb der ersten Kugelrillen über den Umfang verteilte zweite Kugelrillen, welche den Kugelrillen der zweiten Stellscheibe gegenüberliegen. Dabei sind in den ersten Kugelrillen der Stützscheibe und den gegenüberliegenden Kugelrillen der ersten Stellscheibe erste Kugeln gehalten, über welche die erste Stellscheibe an der Stützscheibe axial abgestützt ist. Entsprechend sind in den inneren zweiten Kugelrillen der Stützscheibe und den gegenüberliegenden Kugelrillen der zweiten Stellscheibe zweite Kugeln gehalten, über welche die zweite Stellscheibe an der Stützscheibe axial abgestützt ist.
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Zumindest die Kugelrillen der Stützscheibe sind vorzugsweise derart gestaltet, daß – ausgehend vom unbetätigten Zustand, in dem die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung geöffnet sind – in einem ersten Betätigungsumfang zunächst die Zuschaltkupplung beaufschlagt wird und in einem zweiten Betätigungsumfang zusätzlich zu der Zuschaltkupplung auch die Sperrkupplung beaufschlagt wird. In Konkretisierung ist vorgesehen, daß die Kugelrillen derart gestaltet sind, daß – ausgehend von einer Endposition, in der die Scheiben aneinander angenähert sind – durch Verdrehen der Stützscheibe zunächst nur die erste Stellscheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung axial beaufschlagt wird. Dabei kann das zu übertragende Drehmoment durch Regelung des Verstellwinkels nach Bedarf eingestellt werden. Ist die Sperrenfunktion gewünscht, so wird die Stützscheibe weitergedreht, so daß zusätzlich zur ersten Stellscheibe auch die zweite Stellscheibe zum Betätigen der Sperrkupplung axial beaufschlagt wird. Dabei ist die Zuschaltkupplung voll geschlossen. Durch Komprimierung der Sperrkupplung wird das Trägerelement der Differentialeinheit, auch Differentialträger oder Differentialkorb genannt, mit einem Seitenwellenrad reibschlüssig verbunden. Auf diese Weise wird die Ausgleichswirkung der Seitenwellenräder unterbunden, d. h. die Differentialeinheit wird gesperrt.
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Nach einer bevorzugten Konkretisierung haben die ersten Kugelrillen der Stützscheibe jeweils einen ersten Steigungsabschnitt, innerhalb dessen die Betätigung der Zuschaltkupplung bewerkstelligt wird. An diesen Steigungsabschnitt schließt sich jeweils ein zweiter Abschnitt ohne Steigung an, in den die Kugeln laufen, wenn die Sperrkupplung betätigt wird. Vorzugsweise sind die Kugelrillen der ersten Stellscheibe gegengleich zu den ersten Kugelrillen der Stützscheibe gestaltet, das heißt sie haben auch einen Steigungsabschnitt und einen Abschnitt ohne Steigung. Die zweiten Kugelrillen der Stützscheibe haben jeweils einen ersten Abschnitt ohne Steigung, der insbesondere im Umfangsbereich der Steigungsabschnitte der ersten Kugelrillen liegt. An diesen schließen sich Steigungsabschnitte an, mittels derer die Betätigung der Sperrkupplung bewerkstelligt wird. Die Kugelrillen der zweiten Stellscheibe sind vorzugsweise gegengleich zu den zweiten Kugelrillen der Stützscheibe gestaltet.
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Nach der dritten Lösung, bei der der Aktuator axial zwischen der Zuschaltkupplung und der Sperrkupplung angeordnet ist, ist die Zuschaltkupplung vorzugsweise auch in Form einer Reiblamellenkupplung ausgebildet. Diese Ausführungsform ähnelt der obengenannten Ausführungsform insofern, als der Aktuator vorzugsweise auch eine Kugelrampenanordnung umfaßt. Es ergeben sich dieselben Vorteile eines kompakten Aufbaus bei variabler Einstellung der Sperrwirkung des Differentials mittels der Reiblamellenkupplung.
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Die Kugelrampenanordnung der dritten Lösung umfaßt vorzugsweise eine axial abgestützte Stützscheibe, eine in eine erste Richtung axial bewegbare erste Stellscheibe für die Zuschaltkupplung und eine in eine entgegengesetzte zweite Richtung axial bewegbare zweite Stellscheibe für die Sperrkupplung. Dabei ist die Stützscheibe axial zwischen der ersten und zweiten Stellscheibe angeordnet. Es ist auch hier vorgesehen, daß die Stützscheibe und die beiden Stellscheiben jeweils Kugelrillen mit Variabler Tiefe über dem Umfang aufweisen, in denen Kugeln aufgenommen sind, wobei die beiden Stellscheiben über die Kugeln gegenüber der Stützscheibe axial abgestützt sind. Die Kugelrillen sind derart gestaltet, daß – ausgehend von einer Endposition, in der die Scheiben aneinander angenähert sind – durch Verdrehen der Stützscheibe zunächst nur die erste Stellscheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung axial beaufschlagt wird, und daß durch weiteres Verdrehen der Stützscheibe zusätzlich zur ersten Stellscheibe auch die zweite Stellscheibe zum Betätigen der Sperrkupplung axial beaufschlagt wird. Hierfür haben die ersten Kugelrillen der Stützscheibe, die der ersten Stellscheibe gegenüberliegen, einen ersten Abschnitt mit einer Steigung ungleich Null und einen zweiten Abschnitt mit konstanter Rillentiefe. Die Kugelrillen der ersten Stellscheibe sind entsprechend gegengleich ausgebildet. Weiter haben die zweiten Kugelrillen der Stützscheibe, die der zweiten Stellscheibe gegenüberliegen, einen ersten Abschnitt ohne Steigung und einen zweiten Abschnitt mit Steigung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der dritten Lösung ist vorgesehen, daß die Kugelrillen derart gestaltet sind, daß durch Verdrehen der Stützscheibe in eine erste Drehrichtung die erste Stellscheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung axial beaufschlagt wird und, daß durch Verdrehen der Stützscheibe in eine entgegengesetzte zweite Drehrichtung sowohl die erste Stellscheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung als auch die zweite Stellscheibe zum Betätigen der Sperrkupplung axial beaufschlagt werden. Hierfür weisen die Kugelrillen der ersten Stellscheibe vorzugsweise einen zentralen Abschnitt mit einer größten Rillentiefe und hieran in beide Umfangsrichtungen angrenzend einen ersten Steigungsabschnitt und einen zweiten Steigungsabschnitt auf. Die der zweiten Stellscheibe gegenüberliegenden zweiten Kugelrillen der Stützscheibe haben jeweils einen ersten Abschnitt mit einer größten Rillentiefe ohne Steigung, einen zentralen zweiten Abschnitt mit einer Steigung und einen dritten Abschnitt mit einer geringen Rillentiefe ohne Steigung.
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Für alle der vorstehend genannten Lösungen bzw. Ausführungsformen gilt, daß die Zuschaltkupplung vorzugsweise in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet ist, wobei ein Außenlamellenträger der Zuschaltkupplung drehfest mit einem Eingangsteil der Antriebsanordnung verbunden ist und wobei ein Innenlamellenträger der Zuschaltkupplung drehfest mit einem Trägerelement der Differentialeinheit verbunden ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Es zeigt
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1 Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt;
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2 Die Stellscheibe aus 1;
- a) in Axialansicht;
- b) das Rillenprofil einer Kugelrille über den Umfang;
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3 Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt;
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4 Die Stützscheibe aus 3;
- a) in Axialansicht;
- b) das Rillenprofil einer ersten und zweiten Kugelrille über den Umfang;
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5 Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer dritten Ausführungsform;
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6 Die Stützscheibe aus 5
- a) in Axialansicht auf die erste Stirnseite;
- b) das Rillenprofil einer ersten Kugelrille über den Umfang;
- c) schematisch im Längsschnitt;
- d) in Axialansicht auf die zweite Stirnseite;
- e) das Rillenprofil einer zweiten Kugelrille über den Umfang;
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7 Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer vierten Ausführungsform;
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8 Die Stützscheibe aus 7
- a) in Axialansicht auf die erste Stirnseite,
- b) das Rillenprofil einer ersten Kugelrille über den Umfang;
- c) im Längsschnitt schematisch;
- d) in Axialansicht auf die zweite Stirnseite;
- e) das Rillenprofil einer zweiten Kugelrille über den Umfang.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 2 in einer ersten Ausführungsform. Die Antriebsanordnung 2 umfaßt eine Differentialeinheit 3, eine Zuschaltkupplung 4, welche die im Drehmomentfluß dahinter liegende Antriebsachse bei Bedarf Zuschalten kann, eine Sperrkupplung 5 zum Bedarfsweisen Sperren der Ausgleichsbewegung der Differentialeinheit 3 sowie einen Aktuator 6, welcher sowohl die Zuschaltkupplung 4 als auch die Sperrkupplung 5 betätigen kann.
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Die Antriebsanordnung umfaßt ein Tellerrad 7, über das mittels eines hier nicht dargestellten Ritzels Drehmoment in die Antriebsanordnung 2 eingeleitet werden kann.
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Das Tellerrad 7 ist fest an einem Flansch einer Hohlwelle 8 verbunden und über Lagermittel 9, 9' um eine Drehachse A in dem Gehäuse 10 der Antriebsanordnung 2 drehbar gelagert. Die Hohlwelle 8 hat an ihrem der Differentialeinheit 3 zugewandten Ende eine Längsverzahnung 11, in die eine entsprechend gegengleiche Längsverzahnung eines ersten Kupplungsteils 12 der Zuschaltkupplung 4 zur Drehmomentübertragung eingreift. Das erste Kupplungsteil 12 ist in Form eines Kupplungskorbes gestaltet, der koaxial zur Drehachse A angeordnet ist und innerhalb dessen die Differentialeinheit 3 angeordnet ist. Es ist ersichtlich, daß die Zuschaltkupplung 4 in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet ist. Diese umfaßt einen Außenlamellenträger, mit dem Außenlamellen axial beweglich und drehfest verbunden sind, sowie einen Innenlamellenträger, mit dem Innenlamellen drehfest und axial beweglich verbunden sind. Die Außenlamellen und Innenlamellen sind axial abwechselnd angeordnet und bilden gemeinsam das Lamellenpaket 14 der Zuschaltkupplung 4. Der Innenlamellenträger bildet das zweite Kupplungsteil 13 der Zuschaltkupplung 4, welches auch als Kupplungsausgangsteil bezeichnet werden kann.
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Das zweite Kupplungsteil 13 ist fest mit einem Eingangsteil 15 der Differentialeinheit 3 verbunden und vorzugsweise einteilig mit diesem gestaltet. Das Eingangsteil 15 ist in Form eines Differentialträgers 15 gestaltet, der um die Drehachse A drehend antreibbar ist und auch als Differentialkorb bezeichnet werden kann. In dem Differentialträger 15 sind Differentialräder 16 auf Zapfen 17 drehbar gelagert und rotieren gemeinsam mit dem Differentialträger 15 um die Drehachse A. Die Differentialräder 16, 16' kämen mit Seitenwellenrädern 18, 18', welche koaxial zur Drehachse A angeordnet sind und über Anlaufscheiben axial gegenüber dem Differentialträger 15 abgestützt sind. Die Seitenwellenräder 18, 18' haben jeweils eine Bohrung mit einer Längsverzahnung, in die eine zugehörige Seitenwelle 19, von den vorliegend nur die rechte Seitewelle dargestellt ist, zur Drehmomentübertragung eingesteckt sind. Der Differentialträger 15 umfaßt ein erstes Korbteil 22, daß mittels Lagermitteln 23 gegenüber der Hohlwelle 8 um die Drehachse A drehbar gelagert ist sowie ein hiermit fest verbundenes zweites Korbteil 24, das an dem gegenüberliegenden Ende einen Hülsenansatz 25 aufweist. Mittels des Hülsenansatzes 25 ist der Differentialträger 15 auf der Seitenwelle 19 drehbar gelagert.
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Der Aktuator 6, welcher unter anderem zum Betätigen der Zuschaltkupplung 4 dient, umfaßt eine Stützscheibe 26, welche gegenüber dem Gehäuse 10 der Antriebsanordnung 2 axial abgestützt ist, sowie eine Stellscheibe 28, welche der Stützscheibe 26 gegenüberliegt. In den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Stützscheibe 26 bzw. Stellscheibe 28 sind jeweils über dem Umfang verteilte Kugelrillen 29, 30 angeordnet die eine variable Tiefe über dem Umfang aufweisen und in denen jeweils eine Kugel aufgenommen ist. Die Kugeln sind in Taschen eines axial zwischen den beiden Scheiben angeordneten Käfigs 32 aufgenommen und werden so in ihrer Umfangsposition gehalten. Zur Betätigung der Kugelrampenanordnung dient ein Elektromotor, welcher die Stellscheibe 28 gegenüber der Stützscheibe 26 verdrehen kann.
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Bei Betätigung des Elektromotors (nicht dargestellt) wandern die in den Kugelrillen 29, 30 gehaltenen Kugeln in Bereiche geringerer Tiefe, was dazu führt, daß die Stellscheibe 28 axial in Richtung Zuschaltkupplung 4 wandert. Die Stellscheibe 28 ist über ein Axiallager 33 gegenüber einer Druckplatte 34 axial abgestützt. Durch Verdrehen der Stellscheibe 28 wandert diese in Richtung Zuschaltkupplung 4 wobei die Druckplatte 34 das Lamellenpaket 14 axial beaufschlagt. Auf diese Weise wird Drehmoment vom ersten Kupplungsteil 12 auf den Differentialträger 15 übertragen. In vollständig geöffnetem Zustand der Zuschaltkupplung 4 findet überhaupt keine Drehmomentübertragung statt, so daß das erste Kupplungsteil 12 samt Hohlwelle 8 und Tellerrad 7 stillsteht, während im vollständig geschlossenem Zustand der Zuschaltkupplung 4 Drehmoment vom Tellerrad 7 auf die Seitenwellen 19, 19' übertragen wird. Zwischen der Druckplatte 34 und dem zweiten Kupplungsteil 24 ist eine Rückstellfeder 35 angeordnet, welche in unbetätigten Zustand des Aktuators 6 die Druckplatte 34 in Richtung Stützscheibe 26 axial beaufschlagt.
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Neben der Betätigung der Zuschaltkupplung 4 hat der Aktuator 6 eine weitere Funktion, nämlich das Betätigen der Sperrkupplung 5. Die Sperrkupplung 5 ist in der vorliegenden Ausführungsform in Form einer formschlüssigen Kupplung gestaltet, d. h. die Drehmomentübertragung erfolgt durch formschlüssiges Ineinandergreifen der beiden Kupplungsteile 42, 44. Es ist ersichtlich, daß die Stellscheibe 28 an ihrem radial innenliegenden Ende Formeingriffsmittel 36 aufweist, welche mit mehreren über den Umfang verteilten Betätigungshebeln 37 zusammenwirken. Die Betätigungshebel 37 sind jeweils um individuelle Schwenkachsen S schwenkbar gelagert. Das radial außenliegende erste Ende 39 der Betätigungshebel 37 ist in Form einer Gabel gestaltet, welche die Formeingriffsmittel 36 umgreift. Das radial innenliegende zweite Ende 40 der Betätigungshebel 37 greift jeweils in eine radiale Ausnehmung 41 des ersten Kupplungsteils 42 ein.
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Durch diese Konstruktion erfolgt bei axialer Bewegung der Stellscheibe 28 ein Verschwenken der Betätigungshebel 37, wobei das erste Kupplungsteil 42 in Richtung zum zweiten Kupplungsteil 44 bewegt wird. Es ist erkennbar, daß ein erster Hebelarm H1 zwischen dem Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels 37 an dem Aktuator 6 und dem Schwenklager S kleiner ist als ein zweiter Hebelarm H2 zwischen dem Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels 37 an dem ersten Kupplungsteil 42 und dem Schwenklager S. Ein kleinerer axialer Stellweg der Stellscheibe 28 des Aktuators 6 wird durch diese Ausgestaltung in einen größeren axialen Stellweg an der Sperrkupplung 5 übersetzt. Das erste Kupplungsteil 42 ist in Form einer Schaltmuffe gestaltet, welche mittels einer Längsverzahnung 43 drehfest auf dem Hülsenansatz 25 des Differentialträgers angeordnet und gegenüber diesem axial verschiebbar gehalten ist. An seiner dem zweiten Kupplungsteil 44 zugewandten Seite hat das erste Kupplungsteil 42 eine Stirnverzahnung 45, welche in einer entsprechend gegengleich gestaltete Stirnverzahnung 47 des zweiten Kupplungsteils 44 eingreifen kann. Das zweite Kupplungsteil 44 ist in Form eines Wellenkranzes gestaltet, der mit der Seitenwelle 19 über eine Längsverzahnung 46 drehfest verbunden. Die Lagerung des zweiten Kupplungsteils 44 bzw. der Seitenwelle 19 erfolgt über ein Wälzlager 48.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 die Funktionsweise des Aktuators 6 erläutert, der vorzugsweise in Form einer Kugelrampenanordnung gestaltet ist.
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Vorliegend ist die Stellscheibe 28 gezeigt, wobei die Stützscheibe 26 hinsichtlich des Profils der Kugelrillen vorzugsweise gegengleich gestaltet ist. Die Kugelrampenanordnung bzw. die Konturen der Kugelrillen der Stellscheibe 28 bzw. der Stützscheibe 26 sind so gestaltet, daß – ausgehend von einer Endposition, in der die beiden Scheiben 26, 28 aneinander angenähert sind – durch relative Verdrehung in eine erste Drehrichtung R1 nur die Zuschaltkupplung 4 betätigt wird und, daß durch relative Verdrehung der beiden Scheiben 26, 28 in der entgegengesetzten zweiten Drehrichtung R2 zusätzlich zur Zuschalkupplung 4 auch die Sperrkupplung 5 betätigt wird. Hierfür weist das Profil der Kugelrillen 30 ausgehend von einem zentralen Abschnitt 50 mit größter Rillentiefe bei Drehung in der ersten Drehrichtung R1 zunächst einen ersten Abschnitt 51 mit größerer Steigung sowie einen sich hieran in Umfangsrichtung anschließender zweiten Abschnitt 52 mit kleinerer Steigung auf. Dabei ist vorgesehen, daß der Umfangswinkel a des ersten Steigungsabschnitts 51 kleiner ist als der Umfangswinkel b des zweiten Steigungsabschnitts 52. Durch das so definierte Profil erfolgt bei Drehung der Stellscheibe 28 in Richtung R1 zunächst eine verhältnismäßig schnelle axiale Bewegung der Stellscheibe 28 in Richtung Lamellenpaket 14, wenn die Kugeln entlang des ersten Steigungsabschnitts 51 wandern. Demgegenüber kann im zweiten Steigungsabschnitt 52 dann aufgrund der geringeren Steigung eine feinfühlige Steuerung des Sperrgrades der Zuschaltkupplung 4 erfolgen.
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Bei Drehung in der entgegengesetzt gerichteten zweiten Drehrichtung R2 ist das Profil der Kugelrillen so gestaltet, daß, ausgehend von der tiefsten Stelle im zentralen Abschnitt 50, zunächst ein kleiner verhältnismäßig steiler erster Rillenabschnitt 53 mit einer Umfangserstreckung c sowie ein sich daran in Umfangsrichtung anschließender zweiter Rillenabschnitt 54 mit größerer Umfangserstreckung und einer konstanten Rillentiefe anschließt. Beim Überfahren dieser ersten und zweiten Rillenabschnitte 53, 54 wird zunächst das hintergreifen des Betätigungshebels 37 sichergestellt. Auf den zweiten Rillenabschnitt 54 folgt ein dritter Rillenabschnitt 55 mit einer Umfangserstreckung e und ein vierter Rillenabschnitt 56, wobei der vierte Rillenabschnitt 56 sich über eine größere Umfangslänge f erstreckt und eine geringere Steigung aufweist als der dritte Rillenabschnitt 55. Durch den dritten Rillenabschnitt 55 wird ein Schließen der Sperrkupplung 5 bewerkstelligt, während im Umfangsbereich des vierten Rillenabschnitts 56 die Zuschaltkupplung 4 betätigt wird. Mit dem vorliegenden Profil der Kugelrillen 30 in der zweiten Drehrichtung R2 wird erreicht, daß die formschlüssige Sperrkupplung 5 sicher geschlossen wird, bevor die Zuschaltkupplung 4 ihren Anlaufpunkt erreicht hat.
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Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 102 in einer zweiten Ausführungsform. Diese entspricht in weiten Teilen der Ausführungsform gemäß 1, so daß hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden kann. Gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile sind mit um die Ziffer 100 hochgesetzten Bezugszeichen versehen. Die Besonderheit der vorliegenden Antriebsanordnung 102 besteht darin, daß sowohl die Zuschaltkupplung 104 als auch die Sperrkupplung 105 in Form von Reiblamellenkupplungen gestaltet sind. Das Drehmoment wird mittels eines nicht dargestellten Kegelrads in das Tellerrad 107 eingeleitet, das fest mit dem ersten Kupplungsteil 112 verbunden ist, beispielsweise mittels Schweißen. Das erste Kupplungsteil 112 ist vorliegend in Form eines Kupplungskorbes gestaltet, mit dem die Außenlamellen des Lamellenpakets 114 drehfest und axial verschieblich befestigt sind. Das zweite Kupplungsteil 113, welches koaxial innerhalb des ersten Kupplungsteils 112 liegt, ist in Form eines Innenlamellenträgers gestaltet, mit dem die Innenlamellen des Lamellenpakets 114 drehfest und axial verschieblich verbunden sind. Es ist ersichtlich, daß bei der vorliegenden Ausführungsform die Differentialeinheit 103 mit axialer Überdeckung, das heißt innerhalb des Tellerrads 107 angeordnet ist. Hierdurch wird eine axial kompakte Anordnung bereitgestellt.
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Das Lamellenpaket 114 der Zuschaltkupplung 104 ist mittels Federmitteln 160, die vorzugsweise in Form von Tellerfedern gestaltet sind, gegenüber dem Kupplungskorb axial abgestützt. Der Kupplungskorb 112 umfaßt neben dem Außenlamellenträger noch ein mit diesem verbundenes Deckelteil 161, daß fest mit dem Außenlamellenträger verbunden ist, beispielsweise mittels Schweißen. Das Deckelteil 161 hat einen Flanschabschnitt mit mehreren über dem Umfang verteilten ersten Durchbrüchen 162, durch welche erste Betätigungsstempel 163 hindurchgeführt sind, und radial innerhalb der äußeren Durchbrüche 162 liegende über den Umfang verteilte zweite Durchbrüche 165, durch die zweite Betätigungsstempel 166 hindurchgeführt sind. Die ersten Betätigungsstempel 163 dienen zur Kraftübertragung von der ersten Stellscheibe auf das Lamellenpaket der Zuschaltkupplung 104, während die zweiten Betätigungsstempel 166 zur Kraftübertragung von der zweiten Stellscheibe auf das Lamellenpaket der Sperrkupplung 105 dient.
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Das zweite Kupplungsteil 113 der Zuschaltkupplung 104 ist fest mit dem Differentialträger 115 verbunden und vorzugsweise als hülsenförmiger Ansatz mit diesem gestaltet. Zur Lagerung des ersten Kupplungsteils 112 gegenüber dem Differentialträger 115 sind zwei Lagermittel 123, 123' in Form von Radiallagern vorgesehen. Die Sperrkupplung 105 ist koaxial innerhalb der Zuschaltkupplung 104 angeordnet und zwar derart, daß sie sich zumindest teilweise axial überdecken. Dabei bildet das zweite Kupplungsteil 113 der Zuschaltkupplung 104 gleichzeitig das erste Kupplungsteil 122 der Sperrkupplung 105. Insbesondere sind an einer Innenfläche des hülsenförmigen Ansatzes Formeingriffsmittel vorgesehen, in welche die Außenlamellen der Sperrkupplung 105 drehfest und axial verschieblich gehalten sind. Die axial abwechselnd zu den Außenlamellen angeordneten Innenlamellen sind drehfest und axial verschieblich mit einem Hülsenansatz 164 verbunden, der wiederum mit einem Seitenwellenrad 118 der Differentialeinheit 103 fest verbunden ist.
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Der Aktuator 106 ist in Form einer Kugelrampenanordnung gestaltet. Im Unterschied zur obigen Ausführungsform umfaßt die Kugelrampenanordnung jedoch eine Stützscheibe 126 und zwei Stellscheiben 128, 128', welche der Stützscheibe 126 gegenüberliegend koaxial zur Drehachse A angeordnet sind. Die erste Stellscheibe 128, die zum Betätigen der Zuschaltkupplung 104 dient, liegt koaxial außerhalb der zweiten Stellscheibe 128', welche zum Betätigen der Sperrkupplung 105 dient. Beide Stellscheiben 128, 128' sind ringförmig gestaltet und jeweils über ein Axiallager 133, 133' gegen den zugehörigen Betätigungsstempel 163, 166 axial abgestützt. Die Stützscheibe 126 weist äußere erste Kugelrillen 129 auf, die den Kugelrillen 130 der ersten Stellscheibe 128 gegenüberliegen, sowie radial innenliegende zweite Kugelrillen 129', welche den Kugelrillen 130' der zweiten Stellscheibe 128' axial gegenüberliegen. Die der ersten Stellscheibe 128 zugeordneten ersten Kugeln 169 und die der zweiten Stellscheibe 128' zugeordneten zweiten Kugeln 169' sind in einem gemeinsamen Kugelkäfig 132 gehalten. Die Stützscheibe 126 ist ringförmig gestaltet und hat an ihrer Rückseite einen hülsenförmigen Ansatz 170, in dem der Außenring eines Wälzlagers 171 aufgenommen ist, mittels dem die Stützscheibe 126 gegenüber dem Deckelteil 161 drehbar gelagert ist. Das Wälzlager 171 ist über einen Sicherungsring 172 gegenüber dem Deckelteil 161 axial abgestützt.
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Zwischen dem ersten Betätigungsstempel 163 und dem Deckelteil 161 sind erste Federmittel 173 wirksam eingesetzt, welche den Betätigungsstempel 163 bei unbetätigtem Zustand des Aktuators 106 wieder zurückstellen, d. h. in Richtung von der Zuschaltkupplung 104 weg axial beaufschlagen. Ebenso sind zwischen den zweiten Betätigungsstempeln 166 und dem Deckelteil 161 zweite Federmittel 173' wirksam angeordnet, welche die zweiten Betätigungsstempel 166 in Richtung zur Kugelrampenanordnung 106 axial beaufschlagen. Die ersten und zweiten Federmittel 173, 173' sind vorliegend in Form von Tellerfedern gestaltet; sie können jedoch auch als Schraubenfedern oder dergleichen gestaltet sein.
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Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß der Sperrwert der Sperrkupplung 105 im Gegensatz zur ersten Ausführungsform variabel über die Motorposition des Aktuators 106 einstellbar ist. Wie bei den übrigen Ausführungsformen, ist für die Betätigung des Aktuators 106 ein Antriebsmotor vorgesehen, welcher die Axialkraft zur Komprimierung des Lamellenpaketes 114 der Zuschaltkupplung 104 als auch des Lamellenpaketes 168 der Sperrkupplung 105 bewirkt. Zur Betätigung sind über den Umfang verteilt mehrere erste Kugelrillen 129 sowie hierzu konzentrisch angeordnete zweite Kugelrillen 129' mit unterschiedlichen Steigungen und Winkelpositionen vorgesehen. Die erste Stellscheibe 128 zur Betätigung der Zuschaltkupplung 104 korrespondiert mit den ersten Kugelrillen 129 und die zweite Stellscheibe 128' zum Betätigen der Sperrkupplung 105 korrespondiert mit den zweiten Kugelrillen 129' der Stützscheibe 126.
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Im folgenden wird die Funktionsweise der Kugelrampenanordnung 106 im Detail erläutert. 4 zeigt eine Axialansicht auf die Stützscheibe 126 der Kugelrampenanordnung 106. Es sind die radial außen liegenden ersten Kugelrillen 129 und die radial innen liegenden zweiten Kugelrillen 129' erkennbar. In 4b sind die Profile der ersten Kugelrillen 129 gestrichelt und die der zweiten Kugelrillen 129' mit durchgezogener Linie über den Umfang dargestellt. Die Kugelrillen 129, 129' der Stützscheibe bzw. die Kugelrillen 130, 130' der beiden Stellscheiben 128, 128' sind so gestaltet, daß, ausgehend vom unbetätigten Zustand, in dem die Zuschaltkupplung 104 und die Sperrkupplung 105 geöffnet sind, in einem ersten Betätigungsbereich zunächst nur die Zuschaltkupplung 104 beaufschlagt wird und in einem daran anschließenden zweiten Betätigungsbereich zusätzlich zu der Zuschaltkupplung 104 auch die Sperrkupplung 105 beaufschlagt wird.
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Hierfür haben die ersten Kugelrillen 129 der Stützscheibe 126 bzw. die Kugelrillen 130 der ersten Stellscheibe 128 einen ersten Rillenabschnitt 151 mit einer Umfangserstreckung a und mit einer Steigung ungleich Null, an den sich ein zweiter Rillenabschnitt 152 mit größerer Umfangserstreckung b + c und konstanter Rillentiefe anschließt. Die zweiten Kugelrillen 129' der Stützscheibe 126 bzw. die Kugelrillen 130' der zweiten Stellscheibe 128' haben einen ersten Rillenabschnitt 151' mit einer Umfangserstreckung a + b mit konstanter Rillentiefe und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt 152' mit kürzerer Umfangserstreckung c mit Steigung ungleich Null. Dabei ist die Steigung des zweiten Rillenabschnitts 152' der zweiten Kugelrillen 129' kleiner als die Steigung des ersten Rillenabschnitts 151 der ersten Kugelrillen 129. Der ebene Rillenabschnitt 151' der zweiten Kugelrillen 129' und der ebene Rillenabschnitt 152 der ersten Kugelrillen 129 haben einen gewissen Überdeckungsbereich b. Hiermit wird ein neutraler Verstellbereich zur Verfügung gestellt, um Toleranzeinflüsse zu vermeiden.
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Wird die Stützscheibe 126 in Pfeilrichtung, das heißt gegen den Uhrzeigersinn gedreht, führt die Steigung der ersten Rillenabschnitte 151 der Kugelrillen 129 zunächst zur Komprimierung der Zuschaltkupplung 104. Das wirksame Kupplungsmoment kann dabei durch Regelung der Motorposition bedarfsweise variiert werden. Ist die Sperrenfunktion abgefragt, so muß der Aktuator 106 weitergedreht werden, damit der später auflaufende zweite Wellenabschnitt 152' der Stützscheibe 126 über die zweite Stellscheibe 128' auf die Sperrkupplung 105 wirken kann. Dabei ist die Zuschaltkupplung 104 voll zugefahren. Durch die Komprimierung der Sperrkupplung 105 wird der Differentialkorb 115 reibschlüssig mit dem Seitenwellenrad 118' verbunden, so daß die Ausgleichsbewegung zwischen den beiden Seitenwellenrädern 118, 118' reduziert wird. Die Komprimierung des Lamellenpakets 168 der Sperrkupplung 105 ist variabel einstellbar, so daß auch das zu übertragende Drehmoment zwischen einer geöffneten Position und einer vollständig geschlossenen Position variabel einstellbar ist.
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Damit das Antriebsmoment des Antriebsmotors nicht erschöpft wird und das maximale Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 104 ein zu definierendes Maximum nicht überschreitet, sind die Kugeln der ersten Kugelrillen 129, bevor die Sperrkupplung 105 angefahren wird, in die zweiten Rillenabschnitte 152 gelaufen, wo der Steigungswinkel 0° beträgt. Das maximale Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 104 wird durch die Steifigkeit der Federmittel 160 definiert.
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Für bestimmte fahrdynamische Anforderungen ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der in einer ersten Drehrichtung des Antriebsmotors bzw. der Stützscheibe 126 zunächst die Sperrkupplung 105 gegen eine Tellerfederanordnung läuft und damit einen definierten konstanten Sperrwert für die Differentialeinheit 103 einstellt. Durch Weiterdrehen der Stützscheibe 126 würde dann die Zuschaltkupplung 104 geschlossen werden können, wobei ein variables Kupplungsmoment nach Bedarf einstellbar wäre. Die Kugelrillen wären ferner so gestaltet, daß bei Drehung der Stützscheibe 126 in entgegengesetzter zweiter Drehrichtung lediglich die erste Stellscheibe 128 zum Betätigen der Zuschaltkupplung 104 beaufschlagt werden würde.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 202 in einer weiteren Ausführungsform, die in weiten Teilen derjenigen aus 1 entspricht. Insofern wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Dabei sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit um die Ziffer 200 erhöhten Bezugszeichen versehen. Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß die Sperrkupplung 205 in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet ist, wobei die beiden Reiblamellenkupplungen etwa denselben Reibradius aufweisen. Durch diese Ausgestaltung lassen sich aufgrund des verhältnismäßig großen Reibradius der Sperrkupplung 205 auch große Sperrmomente realisieren. Der Aktuator 206, welcher vorliegend ebenfalls in Form einer Kugelrampenanordnung gestaltet ist, ist axial zwischen der Zuschaltkupplung 204 und der Sperrkupplung 205 angeordnet. Die Kugelrampenanordnung 206 umfaßt eine Stützscheibe 226, die drehend antreibbar ist und über ein Stützlager 275 an dem Gehäuse 210 axial abgestützt ist. Ferner umfaßt die Kugelrampenanordnung 206 eine erste Stellscheibe 228, welche zum Betätigen der Zuschaltkupplung 204 dient, und eine zweite Stellscheibe 228', welche auf der entgegengesetzten Seite angeordnet ist und zum Betätigen der Sperrkupplung 205 dient. In den einander zugewandten Stirnflächen der Stützscheibe 226 und 228 sind jeweils erste Kugelbahnen 229 bzw. 230 angeordnet, in denen hier nicht dargestellte Kugeln gehalten sind.
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Durch Drehung der Stützscheibe 226 laufen die Kugeln in den Kugelrillen in Bereichen geringerer Tiefe, so daß die erste Stellscheibe 228 axial in Richtung der Zuschaltkupplung 204 beaufschlagt wird und über ein Axiallager 233 und eine Druckplatte 234 das Lamellenpaket 214 komprimiert. Es ist ersichtlich, daß die erste Stellscheibe 228 mittels Verdrehsicherungsmitteln 276 drehfest gegenüber dem Gehäuse 210 gehalten ist. In analoger Weise wird auch die Sperrkupplung 205 betätigt. Und zwar wandert bei Drehung der Stützscheibe 226 die zweite Stellscheibe 228' in Richtung der Sperrkupplung 205, wobei die Kraft von der zweiten Stellscheibe 228' über ein Axiallager 233' und eine Druckplatte 234' auf das Lamellenpaket 268 übertragen wird. Die zweite Stellscheibe 228' ist ebenfalls verdrehgesichert, was vorliegend jedoch nicht dargestellt ist. Zur Rückstellung der ersten Druckplatte 234 bzw. der zweiten Druckplatte 234' sind jeweils Federmittel 273, 273' in Form von Tellerfedern vorgesehen. Die Sperrkupplung 205 umfaßt ein erstes Kupplungsteil 242, das drehfest mit dem Differentialträger 215 verbunden ist, sowie ein zweites Kupplungsteil 244, das drehfest mit der Seitenwelle 219 verbunden ist. Das erste Kupplungsteil 242 umfaßt einen Innenlamellenträger, mit dem Innenlamellen drehfest und axial verschieblich verbunden sind. Das zweite Kupplungsteil 244 umfaßt einen Außenlamellenträger, mit dem Außenlamellen drehfest und axial verschieblich verbunden sind.
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Das zweite Kupplungsteil 244 ist über ein Axiallager 277 gegenüber dem Gehäuse 210 axial abgestützt. Das erste Kupplungsteil 212 der Zuschaltkupplung 204 ist ebenfalls über ein Axiallager 278 gegenüber dem Gehäuse 210 abgestützt. Durch diese Ausgestaltung können sich je nach Kugelbahnanordnung die Axialkräfte zwischen der Zuschaltkupplung 204 und dem Stützlager 275 teilweise kompensieren. Sobald nämlich die Sperrkupplung 205 zugeschaltet wird, tritt eine Reaktionskraft an der Stützscheibe 226 auf, um deren Betrag die Axialkraft am Stützlager 275 reduziert wird. Durch die Komprimierung der Sperrkupplung 205 wird der Außenlamellenträger reibschlüssig mit dem Innenlamellenträger verbunden, was zu einer Reduzierung der Ausgleichswirkung zwischen den Seitenwellenrädern 218, 218' der Differentialeinheit 203 führt.
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Wie auch schon bei der Ausführungsform gemäß 3 kommt vorliegend eine einzige Stützscheibe 226 zum Einsatz, die auch als Eingangsscheibe bezeichnet werden kann. Die Stützscheibe 226 umfaßt, wie oben bereits gesagt, an ihrer ersten Stirnseite erste Kugelbahnen 229 und ihrer entgegengesetzt gerichteten zweiten Stirnseite zweite Kugelbahnen 229'. Die Kugelrillen 229, 229' der Stützscheibe 226 und die der beiden Stellscheiben 228, 228' sind so gestaltet, daß – ausgehend von einer Endposition, in der die Scheiben einander angenähert sind – durch Verdrehen der Stützscheibe 226 zunächst nur die erste Stellscheibe 228 zum Betätigen der Zuschaltkupplung 204 axial beaufschlagt wird, und daß durch weiteres Verdrehen der Stützscheibe 226 zusätzlich zur ersten Stellscheibe 228 auch die zweite Stellscheibe 228' zum Betätigen der Sperrkupplung 205 axial beaufschlagt wird. Hierfür ist das Profil der Kugelrillen ähnlich gestaltet wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und wird nachstehend anhand von 6 erläutert.
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Wird die Stützscheibe 226 in die eingezeichnete Richtung R1 gedreht, wandern die Kugeln entlang dem ersten Rillenabschnitt 251 über die Umfangserstreckung a in Bereiche geringerer Rillentiefe, so daß die Stellscheibe 228 von der Stützscheibe 226 weg bewegt wird. Dies führt zum Beaufschlagen des Lamellenpaketes 214 der Zuschaltkupplung 204 und damit zum antriebsmäßigen Verbinden des Antriebsanordnung an die Längsantriebswelle. Dabei bewegen sich die Kugeln in der zweiten Kugelrille 229' entlang des ebenen Rillenabschnitts 251' über den Winkelbereich a, das heißt die Sperrkupplung 205 bleibt unbetätigt. Das wirksame Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 204 kann durch Regelung des Motormoments des Antriebsmotors des Aktuators bedarfsgerecht variiert werden, und zwar zwischen einer Position, in der die Zuschaltkupplung 204 vollständig geöffnet ist und einer solchen, in der die Zuschaltkupplung 204 vollständig geschlossen ist.
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Ist die Sperrenfunktion abgefragt, so wird die Stützscheibe 226 über den Winkelbereich b hinaus weiter in Richtung R1 gedreht, so daß die Kugeln in den zweiten Kugelrillen 229 entlang dem Rillenabschnitt 252' in Bereiche geringerer Tiefe laufen. Auf diese Weise wird die zweite Stellscheibe 228' in Richtung des Lamellenpaketes 268 der Sperrkupplung 205 bewegt, so daß diese geschlossen wird. Dabei rollen die Kugeln der ersten Kugelrillen 229 entlang der ersten Rillenabschnitte 252 über den Verdrehwinkel c, das heißt die Zuschaltkupplung 204 bleibt gesperrt. Auch hier kann durch entsprechende Regelung des Verdrehwinkels der Stützscheibe 226 innerhalb des Winkelabschnitts c das Sperrmoment der Sperrkupplung 205 bedarfsgerecht eingestellt werden. Dabei ist die Zuschaltkupplung 204 stets voll geschlossen.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 302 in einer weiteren Ausführungsform, die weitestgehend derjenigen aus 5 entspricht. Insofern wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Dabei sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit um nochmals der Ziffer 100 erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß die Kugelrillen der Stützscheibe 326 und der beiden Stellscheiben 328, 328' so gestaltet sind, daß – ausgehend von einer Endposition, in der die Scheiben aneinander angenähert sind – durch Verdrehen der Stützscheibe 326 in eine erste Drehrichtung R1 nur die erste Stellscheibe 328 zum Betätigen der Zuschaltkupplung 304 axial beaufschlagt wird, und daß durch Verdrehen der Stützscheibe 326 in einer entgegengesetzt gerichteten zweiten Drehrichtung R2 zusätzlich zur ersten Stellscheibe 328 auch die zweite Stellscheibe 328' zum Betätigen der Sperrkupplung 305 axial beaufschlagt wird.
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Ein bevorzugtes Profil der Kugelrillen 329, 329' für diese Ausführungsform wird nachstehend anhand der Zeichnungsfigur 8 erläutert.
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Es ist hier die Stützscheibe 326 gezeigt, wobei in 8a die der Zuschaltkupplung 304 zugewandte erste Stirnseite erkennbar ist und in 8d die der Sperrkupplung 305 zuwandte zweite Stirnseite erkennbar ist. Ausgehend von einem zentralen Abschnitt 350, bei dem sich die Kugeln in den Bereichen größter Rillentiefe befinden (Punkt P), laufen die Kugeln bei Drehung der Stützscheibe 326 in einer ersten Drehrichtung R1 entlang dem ersten Rillenabschnitt 351 zwischen der Stützscheibe 326 und der ersten Stellscheibe 328 in Bereiche geringerer Tiefe. Dabei wandern die Kugeln, welche zwischen der Stützscheibe 326 und der zweiten Stellscheibe 328' gehalten sind, ausgehend vom Punkt P' entlang dem ersten Rillenabschnitt 351', welcher eine gleichbleibende Tiefe hat. Auf diese Weise wird allein die Zuschaltkupplung 304 betätigt, wobei das zu übertragende Drehmoment variabel einstellbar ist, während die Sperrkupplung 305 vollständig geöffnet bleibt, das heißt die Differentialeinheit 303 als offenes Differential arbeitet.
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Durch Drehung der Stützscheibe 326 in einer der ersten Richtung R1 entgegengesetzten zweiten Richtung R2 wandern die Kugeln, die zwischen der Stützscheibe 326 und der ersten Stellscheibe 328 gehalten sind, zunächst entlang dem ebenen zentralen Abschnitt 350 über einen Winkelbereich b. Entsprechend wandern die Kugeln, die zwischen der Stützscheibe 326 und der zweiten Stellscheibe 328' gehalten sind, in den Kugelrillen 329' entlang dem Rillenabschnitt 350' innerhalb des Winkelbereiches b in Bereiche geringerer Tiefe, so daß die Sperrkupplung 305 zunächst nur leicht angefahren wird. Dabei hebt sich die Stützscheibe 326 vom Kugellager 375 ab. Innerhalb dieses Winkelbereichs b befinden sich die Kugeln zur Betätigung der Zuschaltkupplung 304 innerhalb des ebenen Abschnitts 350, so daß die Zuschaltkupplung 304 unbetätigt bleibt.
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Bei weiterem Drehen der Stützscheibe 326 in der Richtung R2 wandern die Kugeln in den ersten Kugelrillen 329 entlang der zweiten Rillenabschnitte 352 innerhalb des Winkelbereichs c in Bereiche geringerer Tiefe, so daß auf diese Weise die Zuschaltkupplung 304 zusätzlich zur Sperrkupplung 305 betätigt wird. Parallel hierzu laufen die Kugeln für die Sperrkupplung 305 entlang der dritten Rillenabschnitte 352', welche eine konstante Tiefe haben und sich über einen Winkelbereich c2 erstrecken. Das heißt bei Betätigung der Kugelrampenanordnung derart, daß die Kugeln in den Kugelrillen 329, 329' innerhalb der Winkelbereiche c bzw. c2 laufen, ist die Zuschaltkupplung 304 zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung variabel steuerbar ist, so daß entsprechend nach Bedarf Drehmoment auf die hintere Achse übertragen werden kann.
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Mit der vorliegenden Ausführungsform wird eine Antriebsanordnung bereitgestellt, welche zunächst ein Schließen der Sperrkupplung 305 gegen die Kraft der Federmittel ermöglicht. Durch weiteres Drehen der Stützscheibe 326 wird über die lediglich der Zuschaltkupplung 304 zugeordneten Kugelabschnitte 352 mit Steigung die Komprimierung der Zuschaltkupplung 304 eingeleitet. Dabei verhält sich das Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 304 proportional zum Kupplungsmoment der Sperrkupplung 305. Auf diese Weise wird das Stützlager 375 entlastet, da die Aktuierungskräfte proportional auf beide Kupplungen 304, 305 wirken.
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Sämtliche der vorstehend genannten Ausführungsformen bieten den Vorteil, daß die Antriebsanordnung sowohl eine Funktion zum Sperren der Differentialeinheit, als auch eine Zuschaltfunktion zum Zuschalten der Antriebsachse an einen Hauptantriebsstrang ermöglicht, wobei lediglich ein einziger Aktuator erforderlich ist. Durch entsprechend geeignete Wahl der Steigungen und Winkelpositionen der Scheiben der Kugelrampenanordnungen können entsprechend unterschiedliche Schaltreihenfolgen realisiert werden. Durch die Anordnung der Kugelrampenanordnungen an und koaxial zum Differentialkorb können eine Winkeltriebabschaltung zur Steigerung der Energieeffizienz und eine Sperrenfunktion in kompakter und kostengünstiger Form kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Antriebsanordnung
- 3
- Differentialeinheit
- 4
- Zuschaltkupplung
- 5
- Sperrkupplung
- 6
- Aktuator
- 7
- Tellerrad
- 8
- Hohlwelle
- 9
- Lagermittel
- 10
- Gehäuse
- 11
- Längsverzahnung
- 12
- erstes Kupplungsteil
- 13
- zweites Kupplungsteil
- 14
- Lamellenpaket
- 15
- Differentialträger/Differentialkorb
- 16
- Differentialräder
- 17
- Zapfen
- 18
- Seitenwellenräder
- 19
- Seitenwelle
- 22
- erstes Kupplungsteil
- 23
- Lagermittel
- 24
- zweites Kupplungsteil
- 25
- Hülsenansatz
- 26
- Stützscheibe
- 27
- Schulter
- 28
- Stellscheibe
- 29
- Kugelrille
- 30
- Kugelrille
- 32
- Käfig
- 33
- Axiallager
- 34
- Druckplatte
- 35
- Stellfeder
- 36
- Formeingriffsmittel
- 37
- Betätigungshebel
- 38
- Schwenkachse
- 39
- erstes Ende
- 40
- zweites Ende
- 41
- Ausnehmung
- 42
- erstes Kupplungsteil
- 43
- Längsverzahnung
- 44
- zweites Kupplungsteil
- 45
- Stirnverzahnung
- 46
- Längsverzahnung
- 47
- Stirnverzahnung
- 48
- Lagermittel
- 49
- Lagermittel
- 50
- zentraler Abschnitt
- 51
- erster Abschnitt
- 52
- zweiter Abschnitt
- 53
- erster Abschnitt
- 54
- zweiter Abschnitt
- 55
- dritter Abschnitt
- 56
- vierter Abschnitt
- 160
- Federmittel
- 161
- Deckelteil
- 162
- erster Durchbruch
- 163
- Betätigungsstempel
- 164
- Hülsenansatz
- 165
- zweiter Durchbruch
- 166
- zweiter Betätigungsstempel
- 167
- Druckplatte
- 168
- Lamellenpaket
- 169
- Kugel
- 170
- hülsenförmiger Ansatz
- 171
- Wälzlager
- 172
- Sicherungsring
- 173
- Federmittel
- 275
- Stützlager
- 276
- Verdrehsicherungsmittel
- 277
- Axiallager
- 278
- Axiallager
- 279
- Kugel
- a–e
- Winkelerstreckung
- A
- Drehachse
- S
- Schwenkachse
- H
- Hebelarm
