DE102010039445A1

DE102010039445A1 - Vorrichtung zum formschlüssigen drehfesten Verbinden von mindestens zwei Bauelementen mit zwei Schaltelementhälften

Info

Publication number: DE102010039445A1
Application number: DE102010039445A
Authority: DE
Inventors: Alois Böck; Timo WEHLEN
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (18) zum drehfesten Verbinden von mindestens zwei Bauelementen mit zwei Schaltelementhälften (18A, 18B), die im Bereich von wenigstens annähernd zahnartig ausgeführten Elementen (18A1E bist 18A3E und 18B1E bis 18B3E) umfassenden Koppeleinrichtungen (35, 36) formschlüssig miteinander in Wirkverbindung bringbar sind, beschrieben. Eine Schaltelementhälfte (18A) umgreift die andere Schaltelementhälfte (18B) zumindest bereichsweise, wobei die Schaltelementhälften (18A, 18B) durch eine Relativbewegung (X) zwischen den Schaltelementhälften (18A, 18B) im Bereich der Koppeleinrichtungen (35, 36) drehfest miteinander verbindbar oder aus dem formschlüssigen Eingriff führbar sinälfte (18A) ist mit einem der anderen Schaltelementhälfte (18B) zugewandten Innenbereich und die Koppeleinrichtung (36) der anderen Schaltelementhälfte (18B) ist in einem dem Innenbereich der einen Schaltelementhälfte (18A) zugewandten Außenbereich vorgesehen. Die Koppeleinrichtungen (35, 36) der Schaltelementhälften (18A, 18B) weisen jeweils wenigstens zwei in Richtung der Relativbewegung zueinander beabstandete Zahnreihen (18A1, 18A2, 18A3 bzw. 18B1, 18B2, 18B3) auf, die jeweils mit zueinander beabstandeten Zahnreihen (18B1, 18B2, 18B3 bzw. 18A1, 18A2, 18A3) der anderen Schaltelementhälfte (18B oder 18A) in Eingriff bringbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum formschlüssigen drehfesten Verbinden von mindestens zwei Bauelementen mit zwei Schaltelementhälften gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der WO 2010/017882 A1 ist eine Antriebsanordnung für ein mehrachsgetriebenes Fahrzeug mit einer Antriebseinheit bekannt. Die Antriebsanordnung umfasst ein Verteilergetriebe, das ein von der Antriebseinheit eingeleitetes Drehmoment auf einen ersten Antriebsstrang und einen zweiten Antriebsstrang verteilt. Der erste Antriebsstrang ist ständig mit dem Verteilergetriebe verbunden, um Drehmoment auf eine erste Antriebsachse zu übertragen, während der zweite Antriebsstrang über Kupplungsmittel mit dem Verteilergetriebe verbindbar oder von diesem trennbar ist. In gekoppeltem Betriebszustand des zweiten Antriebsstranges mit dem Verteilergetriebe wird Drehmoment über die Kupplungsmittel in Richtung einer zweiten Antriebsachse übertragen. Es wird vorgeschlagen, die Kupplungsmittel entweder als reibschlüssige oder als formschlüssige Schaltelemente auszuführen, wobei die formschlüssigen Schaltelemente insbesondere als reine Klauenkupplungen oder als Synchronisierung ausgebildet sein können.
Herkömmliche aus der Praxis bekannte formschlüssige Schaltelemente, wie Klauenkupplungen, umfassen zwei Schaltelementhälften, die im Bereich von wenigstens annähernd zahnartig ausgeführten Elemente umfassenden Koppeleinrichtungen formschlüssig miteinander in Wirkverbindung bringbar sind. In Abhängigkeit der jeweils vorliegenden konstruktiven Ausführung umgreift eine Schaltelementhälfte die andere Schaltelementhälfte zumindest bereichsweise und die Schaltelementhälften sind durch eine Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften im Bereich der Koppeleinrichtungen drehfest miteinander verbindbar oder aus dem formschlüssigen Eingriff führbar. Die Koppeleinrichtung einer Schaltelementhälfte ist dann in einem der anderen Schaltelementhälfte zugewandten Innenbereich und die Koppeleinrichtung der anderen Schaltelementhälfte ist in einem dem Innenbereich der ersten Schaltelementhälfte zugewandten Außenbereich vorgesehen.
Eine Auslegung der Übertragungsfähigkeit eines formschlüssigen Schaltelementes erfolgt üblicherweise in Abhängigkeit des jeweils über das Schaltelement maximal zu führenden Drehmomentes, wobei die Übertragungsfähigkeit der vorbeschriebenen formschlüssigen Schaltelemente jeweils neben einer materialabhängigen Festigkeit auch von den geometrischen Bauteilabmessungen der Elemente der Koppeleinrichtungen abhängt.
Sind die Bauteilabmessungen eines formschlüssigen Schaltelementes in radialer Richtung aufgrund eines begrenzt zur Verfügung stehenden radialen Bauraumes limitiert, ist eine Länge der miteinander in Wirkverbindung bringbaren Elemente der Koppeleinrichtungen der Schaltelementhälften entsprechend höher vorzusehen, woraus jedoch wiederum ein unerwünscht hoher Schaltweg resultiert, der bei einem nur begrenzt zur Verfügung stehenden axialen Bauraum nicht im erforderlichen Umfang realisierbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum formschlüssigen drehfesten Verbinden von mindestens zwei Bauelementen mit zwei Schaltelementhälften zur Verfügung zu stellen, die durch einen geringen radialen Bauraumbedarf sowie einen kurzen axialen Schaltweg bei gleichzeitig hoher Übertragungsfähigkeit gekennzeichnet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum formschlüssigen drehfesten Verbinden von mindestens zwei Bauelementen mit zwei Schaltelementhälften sind die Schaltelementhälften im Bereich von wenigstens annähernd zahnartig ausgeführten Elemente umfassenden Koppeleinrichtungen formschlüssig miteinander in Wirkverbindung bringbar. Eine Schaltelementhälfte umgreift die andere Schaltelementhälfte zumindest bereichsweise. Des Weiteren sind die Schaltelementhälften durch eine Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften im Bereich der Koppeleinrichtungen drehfest miteinander verbindbar oder aus dem formschlüssigen Eingriff führbar. Die Koppeleinrichtung einer Schaltelementhälfte ist in einem der anderen Schaltelementhälfte zugewandten Innenbereich und die Koppeleinrichtung der anderen Schaltelementhälfte in einem dem Innenbereich der ersten Schaltelementhälfte zugewandten Außenbereich vorgesehen.
Dadurch, dass die Koppeleinrichtungen der Schaltelementhälften jeweils wenigstens zwei in Richtung der Relativbewegung zueinander beabstandete Zahnreihen aufweisen, die jeweils mit zueinander beabstandeten Zahnreihen der anderen Schaltelementhälfte in Eingriff bringbar sind, ist eine nutzbare Profillänge im Bereich der formschlüssig miteinander in Wirkverbindung bringbaren Elemente der Koppeleinrichtungen der Schaltelementhälften im Vergleich zu herkömmlichen formschlüssigen Schaltelementen, die mit durchgehenden zahnartigen Elementen ausgebildet sind, bei gleichzeitig geringerem axialen Schaltweg realisierbar.
Dies resultiert aus der Tatsache, dass zur Herstellung des Formschlusses zwischen den Schaltelementhälften bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wenigstens eine Schaltelementhälfte nur um eine Länge der Elemente einer Zahnreihe relativ zur anderen Schaltelementhälfte zu bewegen ist, um den Formschluss im Bereich von jeweils zwei miteinander in Eingriff stehenden Zahnreihen der Schaltelementhälften herzustellen, während bei aus der Praxis bekannten Schaltelementen, die mit durchgehend ausgeführten Elementen im Bereich der Koppeleinrichtungen ausgebildet sind, zumindest eine Schaltelementhälfte im Bezug auf die andere Schaltelementhälfte über die gesamte Länge der einstückig ausgeführten Elemente der Koppeleinrichtungen und somit über einen wesentlich höheren Schaltweg zur Herstellung des Formschlusses zu bewegen ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Elemente jeweils mindestens einer Zahnreihe der einen Schaltelementhälfte, die mit Elementen einer Zahnreihe der anderen Schaltelementhälfte in formschlüssigen Eingriff bringbar sind, in den Elementen der Zahnreihe der anderen Schaltelementhälfte zugewandten Bereiche jeweils ausgehend von einer den Elementen der Zahnreihe der anderen Schaltelementhälfte zugewandten Stirnfläche in Richtung von den Elementen der anderen Schaltelementhälfte abgewandten Endbereichen sich bereichsweise stetig verbreiternd ausgeführt. Damit ist wenigstens eine Zahnreihe einer Koppeleinrichtung einer Schaltelementhälfte mit einer so genannten Verzahnungsanspitzung ausgebildet, mittels der eine Zahn-auf-Zahn-Stellung während eines Schließvorganges bzw. während der Herstellung des Formschlusses zwischen den Schaltelementhälften auf einfache Art und Weise auflösbar bzw. vermeidbar ist.
Die Elemente der Zahnreihe der anderen Schaltelementhälfte, die mit den bereichsweise sich verbreiternden Elementen der Zahnreihe der einen Schaltelementhälfte in Wirkverbindung bringbar sind, verbreitern sich bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls in den Elementen der Zahnreihe der einen Schaltelementhälfte zugewandten Bereichen jeweils ausgehend von einer den Elementen der Zahnreihe der einen Schaltelementhälfte zugewandten Stirnflächen in Richtung den Elementen der einen Schaltelementhälfte abgewandten Endbereichen bereichsweise stetig, womit zwei miteinander in Eingriff bringbare Zahnreihen mit einer Anspitzung ausgebildet sind und eine Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung während der Herstellung des Formschlusses zwischen den Schaltelementhälften vorzugsweise bei geringen Differenzdrehzahlen oder bei Drehzahlgleichheit zwischen den Schaltelementhälften weiter verbessert ist.
Ist eine Länge der Elemente weiterer Zahnreihen der Schaltelementhälften jeweils derart vorgesehen, dass diese erst dann miteinander in Überdeckung kommen, wenn die sich verbreiternden Bereiche der Elemente der Zahnreihen der Schaltelementhälften vorzugsweise vollständig miteinander in Überdeckung sind, ist gewährleistet, dass eine Zahn-auf-Zahn-Stellung zwischen den Koppeleinrichtungen der Schaltelementhälften vollständig aufgehoben ist und der Formschluss zwischen den Schaltelementhälften bei geringen Bauteilbelastungen sowie mit geringen Schaltkräften mit kurzen Schaltzeiten herstellbar ist.
Sind miteinander in Eingriff bringbare Elemente von jeweils zwei einander zugeordneten Zahnreihen der Schaltelementhälften in jeweils einander zugewandten Stirnflächenbereichen mit gegengleich ausgeführten Führungsschrägen ausgebildet, über die die Schaltelementhälften während der Herstellung des Formschlusses zwischen den Schaltelementhälften koaxial zueinander ausrichtbar sind, ist eine konstruktiv aufwändige und die Herstellkosten der Vorrichtung unerwünscht erhöhende Lagereinrichtung der Schaltelementhälfte, die die andere Schaltelementhälfte zumindest bereichsweise umgibt, auf einfache Art und Weise vermeidbar.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei in der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele zugunsten der Übersichtlichkeit für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Es zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung eines Fahrzeugantriebsstranges mit zuschaltbarem Allradantrieb;
2 eine vergrößerte Einzelansicht eines in 1 näher gekennzeichneten Bereiches 3;
3 eine detailliertere Ansicht des in 1 näher gekennzeichneten Bereiches 3;
4 ein aus der Praxis bekanntes formschlüssiges Schaltelement sowie ein reibschlüssiges Schaltelement, die über eine gemeinsame Betätigungseinrichtung betätigbar sind;
5 eine 4 entsprechende Darstellung, wobei das formschlüssige Schaltelement erfindungsgemäß ausgebildet ist;
6a eine Schalelementhälfte des formschlüssigen Schaltelementes gemäß
5 mit mehrere Elemente umfassenden Zahnreihen einer Koppeleinrichtung und ebenfalls Elemente umfassende Zahnreihen einer Koppeleinrichtung der mit der dargestellten Schaltelementhälfte formschlüssig in Wirkverbindung bringbaren weiteren Schaltelementhälfte des formschlüssigen Schaltelementes in geöffnetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes;
6b eine 6a entsprechende Darstellung des formschlüssigen Schaltelementes zu Beginn eines Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes;
6c eine 6a entsprechende Darstellung des formschlüssigen Schaltelementes gemäß 5 in geschlossenem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes;
7 eine Einzeldarstellung eines Elementes einer Zahnreihe einer Koppeleinrichtung der Schaltelementhälften des formschlüssigen Schaltelementes gemäß 5;
8 eine 7 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Elementes;
9 eine weitere Ausführungsform eines Elementes einer Zahnreihe in einer 7 entsprechenden Darstellung;
10 eine vergrößerte Einzellängsschnittansicht des formschlüssigen Schaltelementes gemäß 5;
11 eine Längsschnittansicht des formschlüssigen Schaltelementes und des reibschlüssigen Schaltelementes gemäß 5 bei geöffnetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes;
12 eine 11 entsprechende Darstellung des formschlüssigen Schaltelementes bei geschlossenem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes;
13 eine 11 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen formschlüssigen Schaltelementes gemäß 5;
14 eine schematisierte Darstellung des formschlüssigen Schalelementes und des reibschlüssigen Schaltelementes gemäß 5 bei geschlossenem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes;
15 eine 14 entsprechende Darstellung bei geöffnetem formschlüssigem Schaltelement;
16 eine 14 entsprechende Darstellung, wobei das reibschlüssige Schaltelement als Lamellenbremse ausgeführt ist;
17 eine 16 entsprechende Darstellung bei geöffnetem formschlüssigem Schalelement;
18 eine detailliertere Ansicht des in 5 gezeigten Systems in geöffnetem Betriebszustand der Schaltelemente;
19 eine 18 entsprechende Darstellung bei geschlossenem Betriebszustand der Schaltelemente;
20 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines in 18 näher gekennzeichneten Bereiches XX mit einer zusätzlichen in Öffnungsrichtung des formschlüssigen Schaltelementes wirkenden Federeinrichtung;
21 eine im Wesentlichen 20 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des in 18 und 19 gezeigten Betätigungsmechanismus des formschlüssigen Schaltelementes und des reibschlüssigen Schaltelementes, wobei das formschlüssige Schaltelement ohne die in 20 gezeigte in Öffnungsrichtung wirkende Federeinrichtung ausgebildet ist;
22 eine 18 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Betätigungsmechanismus des formschlüssigen und des reibschlüssigen Schaltelementes bei geöffnetem formschlüssigem Schaltelement und gleichzeitig geöffnetem reibschlüssigem Schaltelement;
23 eine 22 entsprechende Darstellung des Betätigungsmechanismus bei geschlossenem formschlüssigem Schaltelement und gleichzeitig geöffnetem reibschlüssigem Schaltelement;
24 eine 22 entsprechende Darstellung des Betätigungsmechanismus bei geschlossenem formschlüssigem Schaltelement und geschlossenem reibschlüssigem Schaltelement;
25 eine Einzeldarstellung einer Abwicklung einer Kugelbahn einer als Kugel-Rampe-System ausgeführten Antriebswandlereinrichtung des Betätigungsmechanismus des formschlüssigen Schaltelementes und des reibschlüssigen Schaltelementes im Bereich der hinteren Antriebsachse des Fahrzeugantriebsstranges gemäß 1 bei geöffnetem reibschlüssigem Schaltelement und gleichzeitig geöffnetem formschlüssigem Schaltelement;
26 eine 25 entsprechende Darstellung des Kugel-Rampe-Systems bei geschlossenem formschlüssigem Schaltelement und noch nicht vollständig geschlossenem reibschlüssigem Schaltelement;
27 eine Abwicklung einer Kugelbahn einer weiteren Ausführungsform eines Kugel-Rampe-Systems mit mehreren mit unterschiedlicher Steigung ausgeführten Kugelbahnabschnitten;
28 eine 27 entsprechende Darstellung eines Kugel-Rampe-Systems, bei welchem eine Steigung eines mittleren Kugelbahnabschnittes im Wesentlichen gleich Null ist;
29 eine 27 entsprechende Darstellung einer Kugelbahn, wobei ein zwischen zwei Kugelbahnabschnitten mit positiver Steigung angeordneter Kugelbahnabschnitt eine negative Steigung aufweist;
30 eine 25 entsprechende Darstellung eines Kugel-Rampe-Systems, welches zur Reduzierung der hertzschen Pressung jeweils mit zwei Kugelelementen ausgeführt ist;
31 eine schematisierte Einzeldarstellung des reibschlüssigen Schaltelementes und des formschlüssigen Schaltelementes im Bereich der Fahrzeughinterachse des Fahrzeugantriebsstranges gemäß 1, wobei das reibschlüssige Schaltelement durch Verschieben einer als Klauennabe ausgeführten Schaltelementhälfte des formschlüssigen Schaltelementes abkoppelbar ist;
32 eine 31 entsprechende Darstellung der Schaltelemente in vollständig entkoppeltem Betriebszustand des reibschlüssigen Schaltelementes;
33 das formschlüssige Schaltelement und das reibschlüssige Schaltelement in einer 31 entsprechenden Darstellung, wobei das reibschlüssige Schaltelement durch Verschieben einer als Zwischenwelle ausgeführten Schaltelementhälfte des formschlüssigen Schaltelementes und des reibschlüssigen Schaltelementes entkoppelbar ist;
34 eine 33 entsprechende Darstellung der Schaltelemente in vollständig entkoppeltem Betriebszustand des reibschlüssigen Schaltelementes;
35 eine 31 entsprechende Darstellung des reibschlüssigen Schaltelementes und des formschlüssigen Schaltelementes bei angekoppeltem reibschlüssigem Schaltelement, das durch Verschieben einer zwischen den Schaltelementhälften des formschlüssigen Schaltelementes angeordneten Klauenmuffe entkoppelbar ist;
36 eine 35 entsprechende Darstellung des reibschlüssigen Schaltelementes und des formschlüssigen Schaltelementes bei vollständig entkoppeltem reibschlüssigem Schaltelement;
37 eine dreidimensionale Teilansicht einer im Bereich der Fahrzeugvorderachse des Fahrzeugantriebsstranges 1 gemäß 1 angeordneten Verteilereinrichtung mit einem zwischen zwei Gehäuseteilen angeordneten Abschirmblech,
38 eine 37 entsprechende Darstellung der Verteilereinrichtung mit einer Gitternetzdarstellung des Abschirmbleches;
39 eine Schnittansicht der Verteilereinrichtung des Fahrzeugantriebsstranges gemäß 1;
40 eine weitere Schnittansicht der Verteilereinrichtung des Fahrzeugantriebsstranges gemäß 1;
41 eine 40 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verteilereinrichtung des Fahrzeugantriebsstranges gemäß 1;
42 eine vergrößerte Ansicht eines in 40 näher gekennzeichneten Bereiches XLII in geschlossenem Betriebszustand eines formschlüssigen Schaltelementes der Verteilereinrichtung; und
43 eine 42 entsprechende Darstellung der Verteilereinrichtung bei geöffnetem formschlüssigem Schaltelement.
1 zeigt einen Fahrzeugantriebsstrang 1, der in der nachbeschriebenen Art und Weise entweder mit einer antreibbaren Fahrzeugachse 2 oder mit zwei antreibbaren Fahrzeugachsen 2, 3 in einem Allradbetriebsmodus betreibbar ist. Eine Antriebsmaschine 4 und ein nachgeschaltetes Hauptgetriebe 5 sind vorliegend im Fahrzeug in einer so genannten Front-Quer-Anordnung verbaut, bei der Antriebsräder bzw. Vorderräder 2A, 2B der ersten antreibbaren Fahrzeugachse 2 über das Hauptgetriebe 5 von der Antriebsmaschine 4 betriebszustandsabhängig angetrieben werden. Die Antriebsleistung der vorliegend als Brennkraftmaschine ausgeführten Antriebsmaschine 4 wird in dem nachgelagerten Hauptgetriebe 5 entsprechend moduliert und anschließend zumindest teilweise mittels eines Achsdifferentialgetriebes 6 zwischen den beiden Vorderrädern 2A und 2B in an sich bekannter Art und Weise verteilt.
Zusätzlich ist im Bereich der Fahrzeugachse 2 bzw. der Fahrzeugvorderachse eine Verteilereinrichtung 7 vorgesehen, in deren Bereich ein Leistungsfluss in Richtung der Fahrzeugachse 3 bzw. der Fahrzeughinterachse über ein Schaltelement 8 bedarfsweise herstellbar oder unterbrechbar ist. Damit ist der Fahrzeugantriebsstrang 1 gemäß 1 im Vergleich zu einem mit einem herkömmlichen Winkeltrieb ausgebildeten Allradantriebsstrang im Bereich der Fahrzeugvorderachse 2 um das schaltbare Koppelelement 8 ergänzt, welches als Synchronisierung ausgeführt ist und zwischen dem seitlichen Achsdifferentialgetriebe 6 und dem Winkeltrieb der Fahrzeugvorderachse 2, der ein Tellerrad 9 und ein Kegelrad 11 umfasst, angeordnet ist.
Die Ausführung des Schaltelementes 8 als Synchronisierung ermöglicht einerseits eine effiziente, formschlüssige Verbindung zwischen der Antriebsmaschine 4 und der Fahrzeughinterachse 3 und stellt andererseits eine durch niedrige Schleppmomente gekennzeichnete, schaltbare Trennvorrichtung dar. Dabei ist die durch die Synchronisierung 8 zur Verfügung stehende Synchronisationsfunktion im Reaktivierungsfall des Allradbetriebsmodus des Fahrzeugantriebsstranges 1 zum Ausgleich einer Differenzdrehzahl verwendbar.
In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht auch die Möglichkeit, das Schaltelement 8 als rein formschlüssiges Schaltelement, wie beispielsweise eine Klauenkupplung oder dergleichen, auszuführen.
Über das Schaltelement 8 ist das Tellerrad 9 mit einem Differentialgehäuse 10 des Achsdifferentialgetriebes 6 drehfest verbindbar. Das Tellerrad 9 kämmt mit dem Kegelrad 11, das drehfest mit einer in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Welle 12 bzw. Kardanwelle drehfest verbunden ist, die ebenfalls als Gelenkwelle ausgeführt ist. Anderenends ist die Welle 12 ebenfalls mit einem Kegelrad 13 drehfest gekoppelt, das wiederum mit einem drehfest mit einer in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Antriebswelle 14 bzw. Tellerradträger der Fahrzeughinterachse 3 drehfest verbundenen weiteren Kegelrad 15 bzw. Tellerrad kämmt.
Zur Deaktivierung des Allradverteilerbetriebes des Fahrzeugantriebsstranges 1 wird der Leistungsfluss zwischen der Antriebsmaschine 4 und der Fahrzeughinterachse 3 im Bereich der Verteilereinrichtung 7 durch Öffnen des Schaltelementes 8 unterbrochen. Um die durch stetiges Mitdrehen der den Leistungsfluss zwischen dem Differentialgehäuse 10 und den Antriebsrädern 3A und 3B der Fahrzeughinterachse 3 herstellenden Bauteile des Fahrzeugantriebsstranges 1 verursachten Schleppverluste zu vermeiden, werden das Tellerrad 9, des Kegelrad 11, die Welle 12, das Kegelrad 13, das weitere Kegelrad 15 und die Antriebswelle 14 in nachbeschriebener Art und Weise stillgelegt.
Zur Reduzierung der Schleppmomente im Bereich des abgeschalteten Bereiches des Fahrzeugantriebsstranges 1 ist der im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 vorgesehene und die Kegelräder 13 und 15 umfassenden Winkeltrieb stillsetzbar. Hierfür sind die beiden seitlichen Abtriebe zu den Hinterrädern 3A und 3B mit schaltbaren Kopplungselementen 16 bis 19 ausgeführt. Die Kopplungselemente 16 und 17 bzw. 18 und 19 sind gleich aufgebaut, wobei die Kopplungselemente 16 und 17 als reibschlüssige Schaltelemente und die beiden Kopplungselemente 18 und 19 als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind.
Zwischen den formschlüssigen Schaltelementen 18 und 19 und den Antriebsrädern 3A, 3B sind jeweils Gelenkwellen 20 und 21 vorgesehen. Zusätzlich sind die Antriebsräder 2A und 2B ebenfalls über Gelenkwellen 22 und 23 mit Seitenwellen 24 und 25 des Achsdifferentialgetriebes 6 drehfest verbunden. Es besteht auch die Möglichkeit auf die Gelenkwellen 20 bis 25 zu verzichten und die Bauteile direkt zu verbinden. Im Allradbetriebsmodus sind sowohl das formschlüssige Schaltelement 8 der Verteilereinrichtung 7 als auch die beiden reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sowie die beiden formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 geschlossen, womit ein Antriebsmoment der Antriebsmaschine 4 zwischen den antreibbaren Fahrzeugachsen 2 und 3 im Bereich der Verteilereinrichtung 7 in Fahrzeuglängsrichtung verteilt wird, während der der Fahrzeugvorderachse 2 zugeführte Teil des Antriebsmomentes der Antriebsmaschine 4 im Bereich des Achsdifferentialgetriebes 6 in Fahrzeugquerrichtung zu gleichen Teilen zwischen den Antriebsrädern 2A und 2B verteilt wird.
Der der Fahrzeughinterachse 3 zugeführte Anteil des Antriebsmomentes der Antriebsmaschine 4 wird bei geschlossenen formschlüssigen Schaltelementen 18 und 19 und gleichzeitig vollständig geschlossenen reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 ebenfalls zu gleichen Teilen zwischen den Antriebsrädern 3A und 3B ohne Drehzahlausgleich zwischen diesen verteilt. Der Verteilungsgrad im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 ist in an sich bekannter Art und Weise zwischen den Antriebsrädern 3A und 3B in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Übertragungsfähigkeit der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 betriebszustandsabhängig zwischen 0 und 1 veränderbar, womit ein Fahrverhalten eines mit dem Fahrzeugantriebsstrang 1 ausgeführten Fahrzeuges bedarfsgerecht variierbar ist. Gleichzeitig ist in Abhängigkeit der Übertragungsfähigkeiten der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 bei geschlossenen formschlüssigen Schaltelementen 18 und 19 ein Drehzahlausgleich möglich. In geöffnetem Betriebszustand wenigstens eines der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 und/oder wenigstens eines der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sind die Raddrehzahlen der Antriebsräder 3A und 3B ebenfalls voneinander unabhängig.
Über die zwischen den Antriebsrädern 3A und 3B der Fahrzeugachse 3 und der Antriebswelle 14 angeordneten reibschlüssigen Schaltelemente 16 bzw. 17 sowie die jeweils zugeordneten formschlüssigen Schaltelemente 18 bzw. 19, die im Leistungsfluss zwischen den reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 und den Antriebsrädern 3A und 3B positioniert sind, sind die Antriebsräder 3A und 3B bei im Bereich des Schaltelementes 8 unterbrochenem Leistungsfluss zwischen der Antriebsmaschine 4 und der antreibbaren Fahrzeugachse 3 zusätzlich von der Antriebswelle 14 entkoppelbar.
In entkoppeltem Betriebszustand der Antriebsräder 3A und 3B wird auch der Leistungsfluss zwischen den geöffneten reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 und den Antriebsrädern 3A und 3B durch Öffnen der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 getrennt, um verbrauchserhöhende Schleppmomente im Bereich der geöffneten reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 auf einfache Art und Weise zu reduzieren bzw. zu vermeiden, wobei hierfür zunächst die reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 geöffnet werden, während die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sowie die Synchronisierung 8 erst anschließend daran in wenigstens annähernd lastfreiem Zustand in ihren geöffneten Betriebszustand überführt werden.
Abweichend hiervon kann es auch vorgesehen sein, dass die formschlüssigen Schaltelemente im Leistungsfluss zwischen den reibschlüssigen Schaltelementen und der Antriebswelle 14 angeordnet sind. Die gespiegelte Anordnung der formschlüssigen und der reibschlüssigen Schaltelemente bietet in ähnlichem Umfang wie die Anordnung der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 zwischen den reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 und den Antriebsrädern 3A und 3B die Möglichkeit, dass Schleppmomente im Bereich der geöffneten reibschlüssigen Schaltelemente vermieden werden.
Die Anordnung der reibschlüssigen Schaltelemente zwischen den Antriebsrädern der Fahrzeughinterachse und den formschlüssigen Schaltelementen führt jedoch dazu, dass die reibschlüssigen Schaltelemente zumindest mit ihren mit den Antriebsrädern verbundenen Schaltelementhälften im Betrieb eines Fahrzeuges jeweils mit der Raddrehzahl rotieren und dann zur Betätigung der reibschlüssigen Schaltelemente vorgesehene Aktoreinrichtungen ebenfalls mitrotieren, wodurch Schleppverluste bzw. Verlustleistungen generiert werden.
Bei Vorliegen einer entsprechenden Anforderung zur Darstellung des Allradbetriebsmodus werden die ruhenden Komponenten des Fahrzeugantriebsstranges 1 durch entsprechend schnelles Zuschalten reaktiviert, wobei ein Drehzahlausgleich zwischen den stillgelegten Allradkomponenten und den aktiven Fahrzeugantriebsstrangteilen im Bereich der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sowie im Bereich der Synchronisierung 8 erfolgt.
Soll das am Winkeltrieb der Fahrzeughinterachse 3 jeweils anliegende Drehmoment zu wenigstens einem der Hinterräder 3A oder 3B weitergeleitet werden, ist zuerst wenigstens eines der beiden formschlüssigen Schaltelemente 18 oder 19 zu schließen und anschließend das jeweils zugeordnete reibschlüssige Schaltelement 16 oder 17 vorzuspannen. Das Schließen eines formschlüssigen Schaltelementes 18 oder 19 und das Verpressen eines jeweils zugeordneten reibschlüssigen Schaltelementes 16 oder 17 wird konzeptbedingt in einer sequentiellen Abfolge durchgeführt, wobei ein jeweils einer Radseite zugeordneter Aktuator über seinem Verfahrweg zunächst die Schaltung des formschlüssigen Schaltelementes durchführt und im weiteren Verlauf das jeweils damit korrespondierende reibschlüssige Schaltelement 16 oder 17 verpresst.
Um eine Regelung der Übertragungsfähigkeit der beiden reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 exakt durchführen zu können, werden die beiden Übersetzungen im Bereich zwischen dem Tellerrad 9 und dem Kegelrad 11 sowie zwischen dem Kegelrad 13 und dem weiteren Kegelrad 15 derart ausgelegt, dass zwischen den Fahrzeugachsen 2 und 3 ein so genannter Vorlauf zur Verfügung steht. Über den Vorlauf zwischen den Fahrzeugachsen 2 und 3 liegt im Bereich der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 in jeder beliebigen Antriebssituation des Fahrzeugantriebsstranges 1 ein für eine exakte Regelung erwünschter Drehzahlunterschied vor, wodurch eine Fahrdynamik und eine Traktion eines mit dem Fahrzeugantriebsstrang 1 ausgeführten Fahrzeuges gezielt beeinflussbar ist. Damit ist der Fahrzeugantriebsstrang 1 mit einer so genannten Sperren- und Torque-Splitter-Funktionalität ausgeführt. Durch die Wahl einer kleineren Übersetzung im Bereich zwischen den Kegelrädern 13 und 15 im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 wird die im Bereich der Verteilereinrichtung 7 ins Schnelle übersetzte mittlere Antriebsdrehzahl nicht im selben Maße im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 wieder zurück übersetzt.
Die aus der vorbeschriebenen Übersetzungswahl resultierende Differenzdrehzahl zwischen der Antriebswelle 14 und den beiden Seitenwellen 20 und 21 stellt auf einfache Art und Weise die Grundlage für eine exakte, radindividuelle Regelung der beiden reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 dar, wobei während Kurvenfahrten oder bei schlupfenden Hinterrädern 3A und 3B die aufgeprägten Differenzdrehzahlen ungewollt kompensiert werden können. Deshalb sind derartige Betriebszustände bei der Dimensionierung des Vorlaufs zu berücksichtigen.
Ein zu groß gewählter Vorlauf führt in Verbindung mit herkömmlich nass laufenden Lamellenkupplungen zu ausgeprägten Schleppverlusten, die durch die vorgeschlagene Kombination von formschlüssigen Schaltelementen und reibschlüssigen Schaltelementen im Bereich der Fahrzeughinterachse 3, die die Möglichkeit des gezielten Freischaltens der schlupfenden reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 bietet, auf einfache Art und Weise vermeidbar sind.
Durch die mögliche Abkopplung der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 ist der Fahrzeugantriebsstrang 1 mit einem deutlich ausgeprägten Vorlauf auslegbar, womit die damit verbundenen Vorzüge einer robusten Antriebsmomentverteilung nahezu verlustfrei nutzbar sind. Dies resultiert aus der Tatsache, dass durch einen großen Vorlauf verursachte Schleppverluste bei abgeschaltetem Allradbetriebsmodus durch Öffnen der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 auf einfache Art und Weise ausblendbar sind.
Im zugeschalteten Allradbetriebsmodus des Fahrzeugantriebsstranges 1, während welchem das Schaltelement 8 im Bereich der Fahrzeugvorderachse 2 geschlossen und gleichzeitig auch die reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sowie die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 in ihren geschlossenen Betriebszustand überführt sind, sind Schleppverluste im Bereich des Fahrzeugantriebsstranges 1 bei abgekoppelten Antriebsrädern 3A und 3B im geöffneten Betriebszustand der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 zumindest im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 reduziert. Für eine weitere Reduzierung der Schleppverluste wird zusätzlich das Schaltelement 8 der Verteilereinrichtung 7 geöffnet, womit auch Schleppverluste im Bereich der im Öl planschenden Räder 9 und 11 durch Abschalten dieser Bauteile weiter herabgesetzt sind.
Die vorbeschriebene Kombination aus formschlüssigen Schaltelementen 18 und 19 und reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 ermöglicht eine gezielte Aufgabenteilung zwischen diesen Schaltelementen, wobei die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 vorzugsweise als Trennelemente im Bereich zwischen den reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 und den Antriebsrädern 3A, 3B der Fahrzeughinterachse 3 zur Minimierung der Schleppverluste im Bereich der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 vorgesehen sind. Die reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sind im zugeschalteten Allradbetriebsmodus zur Drehmomentverteilung im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 vorgesehen, wobei eine spezifische Gestaltung der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 zur Gewährleistung einer hohen Übertragungsfähigkeit, beispielsweise durch einen großen Reibradius, eine hohe Anzahl an Lamellen, einem geringen Lüftspiel und dergleichen ohne gleichzeitige Erhöhung unerwünschter Schleppverluste im Bereich der Lamellenpakete möglich ist. Die durch eine entsprechende Auslegung der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 resultierende Erhöhung der Schleppverluste sind durch die mögliche Abtrennung im Bereich der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 während der Auslegung der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 nicht zu berücksichtigen.
Die Abschaltung der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 im Bereich der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 ist auch in geschlossenem Betriebszustand des Schaltelementes 8 der Verteilereinrichtung 7 möglich, wobei die durch den Vorlauf entstehenden Schleppverluste in den beiden seitlichen reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 durch Öffnen der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 gezielt vermieden werden, was insbesondere bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, vorzugsweise größer als 100 km/h, besonders vorteilhaft ist.
Die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sind derart ausgeführt, dass ein Schalten der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 auch im Fahrzeugstillstand möglich ist und ein Anfahrvorgang des Fahrzeugs mit optimaler Traktion im Allradbetriebsmodus des Fahrzeugantriebsstranges 1 selbst bei zuvor abgeschaltetem Allradmodus möglich ist.
Des Weiteren sind Lamellenpakete der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sowie die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 auf kompakte Art und Weise in einen Tellerradträger des Tellerrades 15 integrierbar. Dadurch wird ein einfaches Lagerkonzept für den Tellerradträger des Tellerrades 15 und die das Kegelrad 13 tragende Welle 12 ermöglicht, welches mit einem Lagerkonzept eines herkömmlichen Achsgetriebes vergleichbar ist.
Die von einem Aktor zum Schließen der Schaltelemente 16 bis 19 aufzubringenden Betätigungskräfte bzw. die zum Verpressen der Kupplungen 16 bis 19 aufzubringenden Aktuatorkräfte sind auf einfache Art und Weise nicht im Gehäuse 26 der im Bereich der Fahrzeughinterachse 3 vorgesehenen Getriebeeinheit 27 abzustützen, sondern werden innerhalb des Tellerradträgers des Tellerrades 15 abgefangen. Dadurch werden Gewichtsvorteile erreicht, denn das Gehäuse 26 der hinteren Getriebeeinheit 27 ist dann mit geringerer Festigkeit ausführbar.
Generell bietet die dargestellte Aktuierung von formschlüssigem Schaltelement und reibschlüssigem Schaltelement die Möglichkeit, zwischen einem entkoppelten und einem gekoppelten Betriebszustand des jeweiligen reibschlüssigen Schaltelementes über eine entsprechende Betätigung des jeweils zugeordneten formschlüssigen Schaltelementes zu wechseln, ohne dass der Wechsel von einem Fahrer wahrgenommen wird. Die Umschaltung ist beispielsweise über eine Betriebsstrategie realisierbar, die bezüglich Verbrauch und Allradfunktion eine optimale Performance zur Verfügung stellt.
Des Weiteren ist ein Wechsel zwischen dem entkoppeltem und dem gekoppeltem Betriebszustand des jeweiligen reibschlüssigen Schaltelementes innerhalb kurzer Betriebszeiten durchführbar, womit Traktions- oder Fahrdynamikereignisse mit hoher Spontaneität berücksichtigbar sind und der Allradbetriebsmodus bedarfsgerecht zu- oder abgeschaltet wird.
2 zeigt eine vergrößerte Einzelansicht eines in 1 näher gekennzeichneten Bereiches 3, der das Kegelrad 13, das damit kämmende Tellerrad 15, die Antriebswelle 14, die reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17, die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sowie mit den Gelenkwellen 21 und 22 drehfest verbundene Seitenwellen 28 und 29 der Fahrzeughinterachse 3 der Getriebeeinheit 27 umfasst. Die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sind jeweils koaxial zu den reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 sowie innerhalb der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 angeordnet, wobei die Antriebswelle 14 bauraum- und kostengünstig einstückig mit einem gemeinsamen Außenlamellenträger 16A, 17A der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 ausgebildet ist. Innenlamellenträger 16B und 17B der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sind vorliegend einstückig mit ersten Schaltelementhälften 18A, 19A der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 ausgeführt. Zweite Schaltelementhälften 18B und 19B der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sind wiederum einstückig mit den Seitenwellen 28 und 29 ausgebildet.
Zur Betätigung der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 und der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 ist jeweils eine Betätigungskraft F im Bereich von Druckplatten 30, 31 auf die verschiebbar ausgeführten Innenlamellenträger 16B, 17B bzw. die ersten Schaltelementhälften 18A bzw. 19A aufbringbar. Mit zunehmendem Verschiebeweg X der Innenlamellenträger 16B, 17B bzw. der ersten Schaltelementhälften 18A bzw. 19A werden zunächst jeweils miteinander korrespondierende Zahnreihen 18A1 bis 18A3 und 18B1 bis 18B3 des formschlüssigen Schaltelementes 18 bzw. jeweils miteinander korrespondierende Zahnreihen 19A1 bis 19A3 und 19B1 bis 19B3 des formschlüssigen Schaltelementes 19 im Bereich von Elementen 18A1E bis 18A3E und A18B1E bis A18B3E miteinander in Überdeckung gebracht, um im Bereich der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 jeweils einen Formschluss zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B bzw. 19A und 19B herzustellen. Lamellen 16A1 bzw. Außenlamellen und 16B1 bzw. Innenlamellen des reibschlüssigen Schaltelementes 16 bzw. Lamellen 17A1 bzw. Außenlamellen und 17B1 bzw. Innenlamellen des reibschlüssigem Schaltelementes 17 stehen in dieser Schaltphase noch nicht miteinander in einem derartigen Reibeingriff, dass über die reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 ein Drehmoment führbar ist.
Mit weiterem Verstellweg X der Innenlamellenträger 16B bzw. 17B bei gleichzeitig hergestelltem Formschluss im Bereich der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 werden auch die Lamellenpakete der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 verpresst, wodurch die Übertragungsfähigkeiten der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 in gewünschtem Umfang bis hin zum vollständig geschlossenem Betriebszustand der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 ansteigen, in dem jeweils die maximale Übertragungsfähigkeit der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 vorliegt.
Eine detailliertere Ansicht des in 1 näher gekennzeichneten Bereiches 3 zeigt 3, wobei die Darstellung gemäß 3 auch den formschlüssigen Schaltelementen 18 und 19 sowie den reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 zugeordnete und vorliegend mit Kugel-Rampe-Systemen 32A und 33A ausgeführte Aktoreinrichtungen 32 und 33 umfasst. Jede Aktoreinrichtung 32 und 33 ist zusätzlich in der in 4 und 5 schematisiert dargestellten Art und Weise mit einer als Elektromotor ausgeführten Antriebseinheit 34 ausgebildet, die die Kugel-Rampe-Systeme 32A und 33A mit jeweils wechselnder Drehrichtung in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sowie der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 betätigt.
Das in 3 dargestellte Lagerkonzept bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, die im Bereich der Getriebeeinheit 27 auftretenden Schleppmomente auf einem niedrigen Niveau zu halten. Die Seitenwellen 28 und 29 der Getriebeeinheit 27 sind jeweils im Bereich von zwei Nadellagereinrichtungen 99, 100 und 101, 102 mit geringem Lageraußendurchmesser gelagert, die bei deaktiviertem Allradbetriebsmodus des Fahrzeugantriebsstranges 1 gemäß 1 mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden. Diese Ausführung der Lagerung der Seitenwellen 28 und 29 ist möglich, da im Bereich der Nadellagereinrichtungen 99 bis 102 keine Axialkräfte abgestützt werden müssen. Zusätzlich ist von Vorteil, dass die durch die Aktuatoreinrichtung 32 zur Verfügung gestellte Betätigungskraft zum Schließen des reibschlüssigen Schaltelementes 16 und des formschlüssigen Schaltelementes 18 bzw. im Bereich der weiteren Aktuatoreinrichtung 33 zur Betätigung des reibschlüssigen Schaltelementes 17 und des weiteren formschlüssigen Schaltelementes 19 und die im Bereich der Nadellagereinrichtungen 99, 100 und 101, 102 vorliegenden Lagerkräfte in Vorwärtsfahrtrichtung eines mit dem Fahrzeugantriebsstrang 1 ausgeführten Fahrzeuges kumulativ wirken.
In der Darstellung gemäß 4 ist das formschlüssige Schaltelement 18 ein herkömmliches Klauenschaltelement mit jeweils einer durchgehenden Zahnreihe 18A1 und 18B1 im Bereich der Schaltelementhälften 18A und 18B, während das Klauenschaltelement 18 gemäß 5 jeweils im Bereich von Koppeleinrichtungen 35 und 36 der Schaltelementhälften 18A und 18B mit mehreren Zahnreihen 18A1 bis 18A3 und 18B1 bis 18B3 ausgebildet ist. Beide Schaltelemente 18 weisen die gleiche Übertragungsfähigkeit auf, wobei das Klauenschaltelement 18 gemäß 5 mit erheblich reduziertem axialem Schaltweg X betätigbar ist.
Über die elektromechanischen Aktoreinrichtungen 32 und 33 sind die durch die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sowie die reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 vorgegebenen unterschiedlichen Anforderungen an Schaltweg und Schalkraft auf konstruktiv einfache Art und Weise umsetzbar. Die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sind mit relativ niedrigen Schaltkräften bei im Vergleich zu den reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 größeren Schaltwegen X zu betätigen, während die reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 mit geringeren Schaltwegen X bei gleichzeitig höheren Schaltkräften aus einem geöffneten Betriebszustand in einen geschlossenen Betriebszustand zu überführen sind. Der Schaltweg X im Bereich der formschlüssigen Schaltelemente 18, 19 ist abhängig von einer gesamten axialen Länge der einzelnen Elemente bzw. Zähne der Zahnreihen 18A1 bis 18A3 bzw. 18B1 bis 18B3, die erforderlich ist, um das jeweils anliegende Drehmoment übertragen zu können. Bei einer in 4 gezeigten Standardanordnung von jeweils einer Zahnreihe 18A1 bzw. 18B1 im Bereich der Schaltelementhälften 18A und 18B entspricht der Schaltweg X jeweils einer Zahnbreite plus einem Abstand zwischen den Zahnreihen 18A1 und 18B1, der einem Spiel zwischen den Zahnreihen 18A1 und 18B1 entspricht.
Wird der für die Übertragung des jeweils anliegenden Drehmomentes erforderliche Überdeckungsbereich zwischen den Zahnreihen der Schaltelementhälften eines formschlüssigen Schaltelementes in der in 5 dargestellten Art und Weise auf mehrere einzelne Zahnreihen 18A1 bis 18A3 sowie 18B1 bis 18B3 verteilt, wird die nutzbare Überdeckungslänge zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B im Vergleich zu einem gemäß 4 ausgeführten Schaltelement beibehalten und gleichzeitig der Schaltweg X erheblich reduziert. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die Freiräume zwischen den Zahnreihen 18A1 bis 18A3 der Schaltelementhälfte 18A sowie zwischen den Zahnreihen 18B1 bis 18B3 der Schaltelementhälfte 18B mindestens genau so breit vorgesehen werden müssen, wie die Zahnbreiten der jeweils damit korrespondierenden Zahnreihen plus ein geringes Spiel zwischen den Zahnreihen.
Während ungünstiger Schließvorgänge von formschlüssigen Schaltelementen treten bekannterweise so genannte Zahn-auf-Zahn-Stellungen auf, während welchen formschlüssig miteinander in Eingriff zu bringende Elemente von Zahnreihen von Koppeleinrichtungen der Schaltelementhälften eines formschlüssigen Schaltelementes in einander zugewandten Stirnflächen aneinander zum Anliegen kommen. Aufgrund von im Anlagebereich zwischen den Stirnflächen der Zahnreihen vorliegenden Reibkräften ist eine Zahn-auf-Zahn-Stellung unter Umständen nicht auflösbar und ein Formschluss zwischen den Schaltelementhälften eines formschlüssigen Schaltelementes nicht herstellbar.
Des Weiteren lösen sich Zahn-auf-Zahn-Stellungen bei geringen Differenzdrehzahlen zwischen den Schaltelementhälften bzw. bei Drehzahlgleichheit der beiden Schaltelementhälften ebenfalls nicht selbstständig auf.
Um eine Zahn-auf-Zahn-Stellung im Bereich eines formschlüssigen Schaltelementes auflösen zu können, besteht beispielsweise die Möglichkeit, das formschlüssige Schaltelement bei Erkennen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung zunächst wieder in Öffnungsrichtung zu betätigen und anschließend den Schließvorgang des formschlüssigen Schaltelementes zu wiederholen, wobei diese Vorgehensweise insbesondere bei kleinen Differenzdrehzahlen oder bei einer Differenzdrehzahl gleich Null zwischen den Schaltelementhälften nicht zielführend ist. Des Weiteren ist der Formschluss auch nicht innerhalb definierter Betriebs- bzw. Schaltzeiten herstellbar.
Damit Zahn-auf-Zahn-Stellungen im Bereich der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden werden und die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 innerhalb definierter wiederholbarer Schaltzeiten aus einem geöffneten Betriebszustand in einen geschlossenen Betriebszustand überführbar sind, sind zumindest die nachfolgend als Pilotzahnreihen bezeichneten und einander zugeordneten Zahnreihen 18A1 und 18B1 sowie die Zahnreihen 19A1 und 19B1 der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 in der in 6a bis 6c näher dargestellten Art im Bereich ihrer miteinander in formschlüssigen Eingriff bringbaren Elemente 18A1E und 18B1E jeweils in den Elementen 18A1E und 18B1E der Zahnreihen 18A1 und 18B1 zugewandten Bereichen jeweils ausgehend von den Elementen 18A1E bzw. 18B1E der Zahnreihe 18A1 bzw. 18B1 der Schaltelementhälften 18A bzw. 18B zugewandten Stirnflächen 18A1S bzw. 18B1S in Richtung zu den Elementen 18A1E bzw. 18B1E der jeweils anderen Schaltelementhälfte 18A bzw. 18B abgewandten Endbereichen 18A1Z bzw. 18B1Z sich bereichsweise stetig verbreiternd ausgeführt.
Die Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 der Koppeleinrichtungen 35 und 36 weisen im Bereich ihrer Elemente 18A1E und 18B1E bzw. in den zugewandten Bereichen 18A1S bzw. 18B1S jeweils eine Verzahnungsanspitzung auf, mittels der Zahnauf-Zahn-Stellungen zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B selbst bei geringen Differenzdrehzahlen zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B oder bei einer Differenzdrehzahl gleich Null mit hoher Wahrscheinlichkeit aufgelöst werden oder nur bedingt kurzzeitig auftreten.
Wird die Verzahnungsanspitzung im Bereich der Schaltelementhälften 18A und 18B beispielsweise mittels spanender Fertigungsverfahren, wie rotatives Abdachen mittels flächigen Fräsern bzw. Formfräsern durchgeführt, ist die Herstellung bei geringen Verzahnungsdurchmessern der formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 sehr anspruchsvoll. Des Weiteren ist auch der Abstand zwischen den Zahnreihen 18A1 bis 18A3 der Schaltelementhälfte 18A bzw. der Zahnreihen 18B1 bis 18B3 der Schaltelementhälfte 18B unter Umständen nicht ausreichend, um alle miteinander korrespondierenden Zahnreihen 18A1 bis 18A3 sowie 18B1 bis 18B3 der Schaltelementhälften 18A und 18B in der vorbeschriebenen Art und Weise mit einer Verzahnungsanspitzung auszuführen, da die spanenden Verfahren für die im Bezug auf die Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 hinteren Zahnreihen 18A2 und 18A3 bzw. 18B2 und 18B3 nicht anwendbar sind. Auch aus Sintermaterial hergestellte Klauen bzw. Elemente von Zahnreihen von Koppelelementen formschlüssiger Schaltelemente der jeweils ersten Zahnreihe sind anzuspitzen, damit sie werkzeugfallend existieren.
In dem in 6a dargestellten Betriebszustand ist das formschlüssige Schaltelement 18 vollständig geöffnet und die Zahnreihen 18A1 bis 18A3 sind von den Zahnreihen 18B1 bis 18B3 beabstandet. In diesem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 ist ein freies Rotieren beider Schaltelementhälften 18A und 18B mit beliebiger Drehzahl möglich. Ein jeweils vorgesehenes Luftspiel zwischen den jeweils zueinander benachbart angeordneten Zahnreihen 18A1 bis 18B3 gewährleistet ein störungsfreies Drehen zwischen den beiden Schaltelementhälften 18A und 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18.
Aufgrund einer entsprechenden Anforderung zum Schließen des formschlüssigen Schaltelementes 18 wird die Schaltelementhälfte 18A relativ zur Schaltelementhälfte 18B des formschlüssigen Schaltelementes verschoben, wodurch die Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 zunächst im Bereich ihrer Verzahnungsanspitzungen miteinander in Überdeckung kommen, während die Zahnreihen 18A2 und 18B2 bzw. 18A3 und 18B3 noch keine Überdeckung miteinander aufweisen. In dieser Phase des Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes 18 gleiten die angeschrägten Flächen der Elemente 18A1E und 18B1E der Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 bei gleichzeitigem Drehzahlausgleich zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B und ebenfalls gleichzeitiger Zentrierung der Zahnreihen 18A1 bis 18A3 bzw. 18B1 bis 18B3 zueinander mit zunehmendem Schaltweg X aneinander entlang. Das bedeutet, dass aufgrund der Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B eine Drehzahlanpassung und eine Zentrierung im Bereich der angespitzten Zähne bzw. Elemente 18A1E und 18B1E der Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 erfolgt.
Die Zentrierung zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B ist abgeschlossen, sobald das Luftspiel zwischen den Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 überfahren ist und die Pilotzahnreihen 18A1 bis 18B1 die Bereiche der Verzahnungsanspitzung der Elemente 18A1E und 18B1E miteinander in Überdeckung sind sowie die Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 im Bereich von Zahnflanken 18A1F und 18B1F der Elemente 18A1E und 18B1E aneinander anliegen. Die weiteren Zahnreihen 18A2 und 18B2 bzw. 18A3 und 18B3 der Schaltelementhälften 18A und 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 befinden sich zu diesem Zeitpunkt noch nicht miteinander in Überdeckung.
Anschließend wird das formschlüssige Schaltelement 18 während einer so genannten Durchschiebephase der Schaltelementhälfte 18A in Bezug auf die zweite Schaltelementhälfte 18B bis zu einem formschlüssigen Anschlag im Bereich der zweiten Schaltelementhälfte 18B vollständig geschlossen.
Die Gesamtüberdeckung zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B stellt dabei jeweils die Summe aus den einzelnen Überdeckungsbereichen zwischen den miteinander korrespondierenden Zahnreihen der Koppeleinrichtungen 35 und 36 der Schaltelementhälften 18A und 18B dar.
Fertigungstoleranzen im Bereich der Zahnreihen 18A1 bis 18A3 bzw. 18B1 bis 18B3 sind durch Fertigung der Zahnreihen während eines gemeinsamen Arbeitsschrittes minimierbar.
Die Elemente 18A1E und 18B1E sind in der in 7 bis 9 jeweils dargestellten Art und Weise mit einer vollen Anspitzung, mit einer abgerundeten Form oder jeweils nur im Bereich der äußeren Kanten mit Anspitzungen ausführbar, wobei auch andere zum Auflösen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung geeignete Formen der miteinander in Eingriff zu bringenden Elemente von Zahnreihen der Schaltelementhälften eines formschlüssigen Schaltelementes vorgesehen sein können.
In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht auch die Möglichkeit, dass jeweils nur eine der Pilotzahnreihen 18A1 oder 18B1 der Schaltelementhälften 18A und 18B mit einer Verzahnungsanspitzung ausgeführt ist, um ein Auflösen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B zu verbessern. Wiederum bei weiteren alternativen Ausführungsformen ist es vorgesehen, dass alle Zahnreihen der Schaltelementhälften 18A und 18B mit einer der in 7 bis 9 oder einer beliebig anderen Verzahnungsanspitzung ausgeführt sind.
10 zeigt die beiden Schaltelementhälften 18A und 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 in stark schematisierter Ausführung in geöffnetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18. Um zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B, die im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, während eines Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes 18 eventuell vorliegende Exzentrizitäten auf einfache Art und Weise ausgleichen zu können, sind die Zahnprofile 18A1 bis 18A3 sowie die Zahnreihen 18B1 bis 18B3 im Bereich ihrer Elemente in jeweils einander zugewandten Stirnflächenbereichen 18A1Y, 18B1Y mit gegengleich ausgeführten Führungsschrägen ausgebildet, über die die Schaltelementhälften 18A und 18B während der Herstellung des Formschlusses im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 18 koaxial zueinander ausrichtbar sind.
Während des Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes 18 werden die jeweils als Gegenstück ausgeführten Stirnflächenprofile der Zahnreihen 18A1 bis 18A3 und 18B1 bis 18B3 der Schaltelementhälften 18A und 18B an den Klauenphasen bzw. entlang der Schrägen in die für das Schließen des formschlüssigen Schaltelementes 18 gewünschte zentrische Position geführt. Damit ist ein unerwünschtes Verblocken aufgrund von Verkippungen zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B während des Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes 18 auf konstruktiv einfache Art und Weise vermieden.
Ein Winkel α der Klauenphasen wird in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles vorzugsweise empirisch ermittelt. Da während des Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes 18 zunächst die beiden Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 in ihrem Anspitzungsbereich miteinander in Anlage kommen, ist die Klauenphase vorwiegend im Bereich der Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 vorteilhaft. Da die Schaltelementhälften 18A und 18B nach Auflösen einer eventuellen Zahn-auf-Zahn-Stellung im Bereich der Verzahnungsanspitzungen der Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 im Wesentlichen gut zueinander zentriert sind, wird eine mögliche Schief- bzw. Kippstellung zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B, d. h. eine Exzentrizität zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B, durch wenigstens eine zweite angephaste Verzahnungsreihe 18A2, 18B2 und 18A3 und 18B3 durch entsprechendes Aneinandergleiten der angephasten Stirnflächenbereiche 18A2Y, 18B2Y und 18A3Y sowie 18B3Y aufgehoben.
11 und 12 zeigen eine 10 entsprechende Darstellung des formschlüssigen Schaltelementes 18, wobei in 11 das formschlüssige Schaltelement 18 geöffnet ist und in der Darstellung in 12 in geschlossenem Betriebszustand vorliegt. Zusätzlich ist in 11 und 12 das das formschlüssige Schaltelement 18 radial umgreifende reibschlüssige Schaltelement 16 gezeigt. In geöffnetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 ist die Schaltelementhälfte 18A, die vorliegend als Klauennabe ausgeführt ist, über einen Spielsitz 37 im Außenlamellenträger 16A des reibschlüssigen Schaltelementes 16 gelagert, wobei die Differenzdrehzahl zwischen der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 und dem Außenlamellentrager 16A gleich Null ist.
Im Bereich des Spielsitzes 37 bzw. im Bereich der Spielsitzlagerung der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 werden in geöffnetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 um den Lagerpunkt der ersten Schaltelementhälfte 18A im Bereich des Außenlamellenträgers 16A an der ersten Schaltelementhälfte 18A angreifende Kippmomente aufgenommen und insbesondere im geöffneten Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 ein Kontakt zwischen der ersten Schaltelementhälfte 18A und der zweiten Schaltelementhälfte 18B bzw. der Klauenwelle auf jeden Fall vermieden.
Die Spielsitzlagerung 37 ist bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel am äußeren Umfang der ersten Schaltelementhälfte 18A vorgesehen. Bei weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsformen ist die Spielsitzlagerung der ersten Schaltelementhälfte 18A in einem der zweiten Schaltelementhälfte 18B zugewandten Innenbereich ausgeführt.
Liegt eine entsprechende Anforderung zum Schließen des formschlüssigen Schaltelementes 18 vor, wird die erste Schaltelementhälfte 18A aus der in 11 dargestellten Position in die in 12 gezeigte zweite Schaltstellung unter Aufbringung einer in axialer Richtung wirkenden Betätigungskraft auf das formschlüssige Schaltelement 18 bzw. dessen erste Schaltelementhälfte 18A verfahren, wobei die erste Schaltelementhälfte 18A dabei zunehmend aus dem Spielsitzbereich des Außenlamellenträgers 16A kommt. Gleichzeitig wird die erste Schaltelementhälfte 18A in Bezug auf die zweite Schaltelementhälfte 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 durch den Kontakt im Bereich der Klauenphasen 18A1Y und 18B1Y der Pilotzahnreihen 18A1 und 18B1 aufgrund der Anwinkelung selbstständig im Bereich der zweiten Schaltelementhälfte 18B zentriert bzw. über die zu 10 näher beschriebenen Klauenphasen 18A1Y, 18B1Y, 18A2Y und 18B2Y sowie 18A3Y und 18B3Y der Verzahnungsreihen 18A1 bis 18B3 koaxial zentriert und an der ersten Schaltelemente 18 angreifende Kippmomente im Bereich des Formschlusses mit der zweiten Schaltelementhälfte 18B abgestützt.
Dabei wird eine zentrierende Wirkung einer Evolventenverzahnung für die erste Schaltelementhälfte 18A bzw. die Klauennabe in geschaltetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 genutzt und die erste Schaltelementhälfte 18A ist in geschlossenem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 Im Bereich der zweiten Schaltelementhälfte 18B gelagert wird. Das in der Beschreibung zu 11 und 12 näher erläuterte Lagerungskonzept der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 entspricht im Wesentlichen dem Lagerkonzept der ersten Schaltelementhälfte 19A des weiteren formschlüssigen Schaltelementes 19 und ist sowohl durch niedrige Herstellkosten als auch durch einen geringen Bauraumbedarf gekennzeichnet.
In nicht geschaltetem Zustand bzw. in geöffnetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 ist im Bereich des Spielsitzes 37 eine ausreichende Stützbreite vorzusehen. Alternativ hierzu sind auch zwei Stützstellen mit Spielsitz und ausreichender Lagersitzbreite im Bereich des Außenlamellenträgers 16A des reibschlüssigen Schaltelementes 16 für die erste Schaltelementhälfte 18A denkbar.
Um den vorbeschriebenen Lagerwechsel der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 zwischen dem Spielsitz 37 und im Bereich der Verzahnung zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B in gewünschtem Umfang zur Verfügung stellen zu können, sind der Außenlamellenträger 16A des reibschlüssigen Schaltelementes 16 und die zweite Schaltelementhälfte 18B des formschlüssigen Schaltelementes, die jeweils eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle des formschlüssigen Schaltelementes 18 darstellen, im Gehäuse 26 der Getriebeeinheit 27 entsprechend zu lagern.
Eine 11 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des formschlüssigen Schaltelementes 18 zum formschlüssigen drehfesten Verbinden von mindestens zwei Bauteilen über die beiden Schaltelementhälften 18A und 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 zeigt 13, bei welchem die Zentrierung der ersten Schaltelementhälfte 18A im Bereich des Außenlamellenträgers 16A des reibschlüssigen Schaltelementes 16 über miteinander zusammenwirkende kegelförmige Zentrierflächen 16C, 18C des Außenlamellenträger 16A des reibschlüssigen Schaltelementes 16 und der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 zentriert ist. Die kegelförmigen Zentrierflächen 16C und 18C stellen im Wesentlichen die gleiche Funktionalität wie der Spielsitz 37 gemäß 11 und 12 zur Verfügung, wobei die erste Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 in geschlossenem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 im Bereich des Formschlusses zwischen den beiden Schaltelementhälften 18A und 18B in gleichem Umfang wie in der vorstehenden Beschreibung zu 11 und 12 gelagert ist.
Durch den Einsatz des vorbeschriebenen wechselnden Lagerkonzeptes für die erste Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 sind verschleißbehaftete Wälz- und Gleitlager für die Lagerung der ersten Schaltelementhälfte 18A nicht erforderlich. Zusätzlich erfordert die Lagerung der schaltbaren Klaue bzw. die Lagerung der ersten Schaltelementhälfte 18A einen minimalen Bauraumaufwand und die Auflösung der Klauenverzahnung während der Klauensynchronisationsphase des formschlüssigen Schaltelementes 18 im Bereich der Anphasung der Elemente 18A1E und 18BE der Zahnreihen 18A1, 18B1 wird unterstützt.
Im Allgemeinen verursachen nicht betätigte reibschlüssige Schaltelemente, wie Lamellenkupplungen oder -bremsen im geöffneten Betriebszustand und bei hohen Differenzdrehzahlen zwischen den Schaltelementhälften hohe Schleppmomente, die im Betrieb konzeptbedingte Nachteile verursachen und eine Funktion von technischen Einrichtungen in unerwünschtem Umfang negativ beeinflusst. Die Schleppmomente treten insbesondere bei nasslaufenden reibschlüssigen Schaltelementen aufgrund von viskosen Reibkräften auf. Zusätzlich verursachen ungewollte Taumelbewegungen von Lamellen reibschlüssiger Lamellenschaltelemente insbesondere bei hohen Differenzdrehzahlen einen nicht vernachlässigbaren Verschleiß und erhöhen eine thermische Belastung im Bereich der reibschlüssigen Schaltelemente unter Umständen bis hin zum Funktionsausfall eines reibschlüssigen Schaltelementes.
Die vorbeschriebenen nachteiligen Effekte werden direkt durch die im Bereich eines reibschlüssigen Schaltelementes auftretende Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften beeinflusst. Die bedarfsgesteuerte Abkopplung der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 im Bereich einer der beiden Schaltelementhälften über die formschlüssigen Schaltelemente 18 und 19 verhindert das Auftreten von Differenzdrehzahlen zwischen den Schaltelementhälften der reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 und damit die genannten negativen Effekte.
Anhand der Darstellungen gemäß 14 und 15 werden die Wirkungsweisen der Abkopplung der vorliegend als Lamellenkupplungen ausgeführten Schaltelemente 16 und 17 kurz dargestellt, während anhand der Darstellung gemäß 16 und 17 das vorteilhafte Abkopplungsprinzip bei der Ausführung eines reibschlüssigen Schaltelementes 41 als Lamellenbremse erläutert wird.
In 14 befindet sich das formschlüssige Schaltelement 18 in geschlossenem Betriebszustand, während das reibschlüssige Schaltelement 16 geöffnet ist. Eine Eingangsdrehzahl n1 des formschlüssigen Schaltelementes 18 entspricht daher einer Ausgangsdrehzahl n2 des formschlüssigen Schaltelementes, die gleichzeitig die Eingangsdrehzahl des geöffneten reibschlüssigen Schaltelementes 16 ist. Die Ausgangsdrehzahl n3 des reibschlüssigen Schaltelementes weicht vorliegend von der Eingangsdrehzahl n2 ab, womit im Bereich des reibschlüssigen Schaltelementes 16 Schleppmomente auftreten und zusätzlich erhöhter Verschleiß und thermische Belastung aufgrund von Lamellentaumeln verursacht werden.
In 15 sind sowohl das formschlüssige Schaltelement 18 als auch das reibschlüssige Schaltelement 16 in geöffnetem Betriebszustand gezeigt, wobei die Eingangsdrehzahl n1 und die Ausgangsdrehzahl n2 des formschlüssigen Schaltelementes voneinander abweichen, während die Eingangsdrehzahl n2 und die Ausgangsdrehzahl n3 des reibschlüssigen Schaltelementes aufgrund der zwischen den Lamellen 16A1 und 16A2 des reibschlüssigen Schaltelementes 16 auftretenden Reibung gleich sind und sowohl Schleppmomente als auch Verschleiß sowie thermische Belastung auf ein Minimum reduziert sind.
In der in 16 gezeigten Darstellung ist ein dem reibschlüssigen Schaltelement 41 zugeordnetes formschlüssige Schaltelement 40 geschlossen, weshalb die Eingangsdrehzahl n1 und die Ausgangsdrehzahl n2 des formschlüssigen Schaltelementes 40 gleich ist. Das als Lamellenbremse ausgeführte reibschlüssige Schaltelement 41 ist geöffnet, womit die Eingangsdrehzahl n2 größer als die Ausgangsdrehzahl n3 des reibschlüssigen Schaltelementes 41 ist, die gleich Null ist. In angekoppeltem Betriebszustand des reibschlüssigen Schaltelementes 41 treten die vorbeschriebenen Nachteile, d. h. Schleppmomente sowie hoher Verschleiß als auch hohe thermische Belastung, im Bereich des reibschlüssigen Schaltelementes 41 auf.
Das formschlüssige Schaltelement 40 ist in 17 in geöffnetem Betriebszustand gezeigt, womit die Eingangsdrehzahl n1 und die Ausgangsdrehzahl n2 unterschiedlich sind. Aufgrund der viskosen Reibkräfte im Bereich des geöffneten reibschlüssigen Schaltelementes 41 entspricht die Eingangsdrehzahl n2 des reibschlüssigen Schaltelementes der Ausgangsdrehzahl n3, die wiederum Null ist, womit weder Schleppmomente noch aus Lamellentaumeln resultierender Verschleiß und auch eine thermische Belastung im Bereich des reibschlüssigen Schaltelementes 41 vermieden sind. Die Abkopplung der rotierenden Eingangswelle des reibschlüssigen Schaltelementes 41 im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 40 bietet auch Vorteile hinsichtlich der Begrenzung der Massenträgheit, wobei die Abkopplung der Verbindung von Lamellenbremse und einem Gehäuse 42 bei dem dargestellten System im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Systemen geometrisch einfacher zu inte-grieren ist.
Eine detailliertere Ansicht der in 5 gezeigten Aktoreinrichtung 32, die zur Betätigung des formschlüssigen Schaltelementes 18 und des reibschlüssigen Schaltelementes 16 vorgesehen ist, ist in 18 und 19 dargestellt. Der Elektromotor 34 ist vorliegend über eine als einstufige Stirnradverzahnung ausgeführte Getriebeeinrichtung 43 mit dem Kugel-Rampe-System 32A wirkverbunden. In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles kann es auch vorgesehen sein, dass die Getriebeeinrichtung 43 als mehrstufige Zahnradübersetzung oder als ein hierzu vergleichbares Übersetzungselement, wie eine Zahnkette, ein Riemen oder dergleichen, ausgeführt ist.
Das Kugel-Rampe-System 32A weist eine vorliegend direkt mit der Getriebeeinrichtung 43 verbundene verdrehbare erste Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 auf, die wenigstens drei mit unterschiedlicher Steigung ausgeführte Kugelbahnabschnitte hat. Die drehfeste Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32B ist in gleichem Umfang wie die verdrehbare Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 ebenfalls mit wenigstens drei mit unterschiedlicher Steigerung ausgeführten Kugelbahnabschnitten ausgebildet. Zwischen der ersten verdrehbaren Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 und der zweiten verdrehfest ausgeführten Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A2 ist ein Kugelelement 32A3 angeordnet, welches bei elektromotorseitiger Betätigung der verdrehbaren Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 zwischen den Kugel-Rampen-Segmentscheiben 32A1 und 32A2 abrollt und eine Druckscheibe 44 in Richtung der Schaltelemente 16 und 18 entgegen einer zwischen der Druckplatte 44 und der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 angeordneten Federeinrichtung 45 verschiebt.
Sowohl zwischen einem axial festgelegten Bauteil 46 bzw. einer Stützscheibe und der verdrehbaren Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 als auch zwischen der weiteren Druckscheibe 44 und der verdrehfesten Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A2 ist jeweils eine vorliegend als Nadellager ausgeführte Axiallagerung 47, 48 zur Drehentkopplung des Kugel-Rampen-Systems 32A vorgesehen.
Über die Federeinrichtung 45 bzw. die Aktuierungsfeder für das formschlüssige Schaltelement 18 ist auch eine so genannte Fail-Safe-Funktion zur Verfügung stellbar, über die bei einem Ausfall des Elektromotors 34 das Kugel-Rampen-System 32A in einen zu einem geöffneten Betriebszustand der Schaltelemente 16 und 18 äquivalenten Betriebszustand überführt wird.
Ausgehend von dem in 18 dargestellten geöffneten Betriebszustand der Schaltelemente 16 und 18 wird bei einer entsprechenden Anforderung zum Ankoppeln des reibschlüssigen Schaltelementes 16 die weitere Druckscheibe 44 über das Kugel-Rampen-System 32A in Richtung der Schaltelemente 16 und 18 translatorisch verschoben. Dabei wird das formschlüssige Schaltelement 18 bzw. dessen erste Schaltelementhälfte 18A durch entsprechende Übertragung der Betätigungskraft über die Federeinrichtung 45 zunächst in formschlüssigen Eingriff mit der weiteren Schaltelementhälfte 18B in vorbeschriebenem Umfang geführt.
Das reibschlüssige Schaltelement 16 wird bis zur Herstellung des vollständigen Formschlusses zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 über einen zwischen der Druckscheibe 44 und der Druckplatte 30 angeordneten Druckbolzen 50 noch nicht mit der elektromotorseitigen Betätigungskraft beaufschlagt. Bei vollständig hergestelltem Formschluss zwischen den Schaltelementhälften 18A und 18B liegt die erste Schaltelementhälfte 18A an einem den Verstellweg X der ersten Schaltelementhälfte 18A begrenzenden Anschlag 49 an und wird somit bei einer weiteren Betätigung der Schaltelemente 16 und 18 durch den Elektromotor 34 und das Kugel-Rampe-System 32A nicht weiter in Schließrichtung betätigt.
Mit zunehmendem Verstellweg X der weiteren Druckscheibe 44 wird die Federeinrichtung 45 weiter gestaucht und der zwischen der weiteren Druckscheibe 44 und der Druckplatte 30 angeordnete Druckbolzen 50 kommt an der Druckplatte r zum Anliegen. Mit weiterem Verstellweg X des Druckbolzens 50 wird das Lamellenpaket des reibschlüssigen Schaltelementes 16 zunehmend verpresst, bis auch das reibschlüssige Schaltelement 16 in vollständig geschlossenem Betriebszustand vorliegt. 19 zeigt sowohl das formschlüssige Schaltelement 18 als auch das reibschlüssige Schaltelement 16 in geschlossenem Betriebszustand. Die Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes 16 ist über die Aktoreinrichtung 32 in geschlossenem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 zwischen einem maximalen Wert und einem minimalen Wert, der vorliegend gleich Null ist, durch entsprechende elektromotorseitige Betätigung variierbar.
Die Federeinrichtung 45 ist an die Druckscheibe 44 angebunden und für das Schließen des formschlüssigen Schaltelementes 18 verantwortlich. Die Federeinrichtung 45 übernimmt dabei mehrere Funktionen, wobei über die Federeinrichtung 45 ein Verstellweg der weiteren Druckscheibe 44 von einem Verstellweg der ersten Schaltelementhälfte 18A entkoppelt ist. Dieser konstruktiven Ausführung liegt die Anforderung zugrunde, dass das reibschlüssige Schaltelement 16 erst dann mit einer Betätigungskraft beaufschlagt werden soll, wenn das formschlüssige Schaltelement 18 vollständig aktuiert ist und das formschlüssige Schaltelement 18 bzw. dessen erste Schaltelementhälfte 18A am Anschlag 49 anliegt.
Des Weiteren wird über die Federeinrichtung 45 eine definierte Betätigungskraft am formschlüssigen Schaltelement 18 angelegt. Wird das formschlüssige Schaltelement 18 beispielsweise aufgrund einer temporär vorliegenden Zahn-auf-Zahn-Stellung nicht sofort in den geschlossenen Betriebszustand mit vollständig hergestelltem Formschluss überführt, ist eine elektromotorseitige Betätigung des Kugel-Rampe-Systems 32A nicht abzubremsen bzw. zu unterbrechen, da die weitere Verstellung des Kugel-Rampe-Systems 32A bei geblockter Bewegung der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 zu einer Stauchung der Federeinrichtung 45 führt, die bei einer durch die Verzahnungsanspitzung im Bereich der Koppeleinrichtungen 35 und 36 verbesserte Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung anschließend durch eine wieder aufgenommene Bewegung der ersten Schaltelementhälfte 18 in Richtung des Anschlags 49 wieder entspannt wird.
In Abhängigkeit der Stauchung der Federeinrichtung 45 wird über die Federeinrichtung 45 eine Gegenkraft erzeugt, die im Bereich des Elektromotors 34 durch eine entsprechende Leistungsaufnahme des Elektromotors 34 sensierbar ist. Über die Sensierung der Gegenkraft ist ein aktueller Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 insbesondere während eines Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes durch Überwachung der Schiebekraft über dem Schiebeweg des formschlüssigen Schaltelementes 18 durchführbar. Steigt die Betätigungskraft vor Erreichen des vollständigen Formschlusses bzw. vor Erreichen der Endposition der ersten Schaltelementhälfte 18A, die der Anlage am Anschlag 49 entspricht, in nicht erwartetem Umfang an, wird von einem nicht vollständig hergestellten Formschluss im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 18 ausgegangen.
In 20 ist eine vergrößerte Einzeldarstellung eines in 18 näher gekennzeichneten Bereiches XX mit einer zusätzlichen in Öffnungsrichtung des formschlüssigen Schaltelementes 18 wirkenden Federeinrichtung 51 gezeigt, die die erste Schaltelementhälfte 18A entgegen der Betätigungskraft der Ak-toreinrichtung 32A mit einer Federkraft in Öffnungsrichtung des formschlüssigen Schaltelementes 18 beaufschlagt. Die weitere Federeinrichtung 51 bzw. die Klauenrückstellfeder ist auf der der Aktoreinrichtung 32 abgewandten Seite der Schaltelemente 16 und 18 vorgesehen, die sich im Bereich eines Tellerfederträgers 52 abstützt. Die Federeinrichtung 45 ist zwischen der weiteren Druckscheibe 44 und der ersten Schaltelementhälfte des formschlüssigen Schaltelementes 18 bzw. dem Innenlamellenträger 16B des reibschlüssigen Schaltelementes 16 angeordnet und über einen Sicherungsring 53 in vorgespannter Einbaulage zwischen diesen Bauteilen gehalten. Die Vorspannung der Federeinrichtung 45 bietet aufgrund der Energiespeicherung im Bereich der Federeinrichtung 45 und einer entsprechend hoch ausgelegten Federkraft der Federeinrichtung 45 bereits bei geringer Federstauchung erhebliche Vorteile in Bezug auf den Betätigungsweg, die Schaltzeit, eine Fail-Safe-Federkraftbereitstellung sowie ein Schaltverhalten des formschlüssigen Schaltelementes 18.
Die erste Schaltelementhälfte 18A bzw. die Klauenschiebemuffe ist in axialer Richtung frei schwimmend auf der zweiten Schaltelementhälfte 18B montiert und wird von den beiden Federeinrichtungen 45 und 51 geführt. Die Federeinrichtung 51 betätigt das formschlüssige Schaltelement in Öffnungsrichtung und stellt in unbestromtem Zustand des Elektromotors 34 einen definierten, geöffneten Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 sicher. Zusätzlich wird in geöffnetem Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 die Aktoreinrichtung 32 von der Federeinrichtung 51 mit einer gewünschten Vorspannkraft beaufschlagt.
Im Fehlerfall im Bereich der Aktoreinrichtung 32, der beispielsweise durch einen Stromausfall ausgelöst sein kann, wird das formschlüssige Schaltelement 18 durch die Federeinrichtung 51 selbsttätig geöffnet.
In 21 ist eine im Wesentlichen 20 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des in 18 und 19 gezeigten Betätigungsmechanismus des formschlüssigen Schaltelementes 18 und des reibschlüssigen Schaltelementes 16 gezeigt, wobei im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes die in 20 gezeigte und in Öffnungsrichtung wirkende weitere Federeinrichtung 51 nicht vorgesehen ist. Eine Rückstellung des formschlüssigen Schaltelementes 18 bzw. der Druckscheibe 44 wird bei dem in 21 dargestellten Federungskonzept durch eine formschlüssige Verbindung zwischen der angefederten aktorseitigen Druckscheibe 44 und dem Innenlamellenträger 16B des reibschlüssigen Schaltelementes 16 realisiert. Die Druckscheibe 44 ist über den Druckbolzen 50 mit der Druckplatte 30 zugfest verbunden, wobei die zugfeste Verbindung beispielsweise über einen Presssitz, eine Verstemmung, eine Schraubverbindung oder dergleichen hergestellt sein kann. Die Druckplatte 30 ist über den Sicherungsring 53 zugfest mit dem Innenlamellenträger 16B des reibschlüssigen Schaltelementes verbunden, wobei der Sicherungsring 53 wiederum die oben genannte Vorspannung der Federeinrichtung 45 ermöglicht.
In 22 bis 24 ist ein dem in 20 dargestellten Betätigungssystem entsprechendes System zur Betätigung des reibschlüssigen Schaltelementes 16 und des formschlüssigen Schaltelementes 18 gezeigt, welches mit einer im Bereich zwischen der Druckscheibe 44 und dem Tellerfederträger 52 zusätzlich angeordneten Federeinrichtung 54 ausgebildet ist. Die zusätzliche Federeinrichtung 54 ist zur Anpressung und Rückstellung der Kugel-Rampen-Einheit 32A und des formschlüssigen Schaltelementes 18 außerhalb des Kupplungsraumes angeordnet. In 22 sind sowohl das formschlüssige Schaltelement 18 als auch das reibschlüssige Schaltelement 16 vollständig geöffnet, während 23 das formschlüssige Schaltelement 18 in geschlossenem Zustand und das reibschlüssige Schaltelement 16 noch in geöffnetem Betriebszustand zeigt. Bei dem in 24 gezeigten Betriebszustand ist auch das reibschlüssige Schaltelement 16 betätigt, wobei in Abhängigkeit der elektromotorseitigen Betätigung des Kugel-Rampe-Systems 32A die Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes 16 zur Darstellung eines gewünschten Fahrverhaltens entsprechend variierbar ist.
Über das Kugel-Rampe-System 32A wird ein rotatorischer Antrieb der Antriebseinrichtung 34 in eine translatorische Betätigungsbewegung für die Schaltelemente 16 und 18 umgesetzt. Mittels der Kombination aus der Antriebseinrichtung 34 und der Antriebswandlereinrichtung 32A werden die zwei Schaltelemente 18 und 16, d. h. das formschlüssige Schaltelement 18 und das reibschlüssige Schaltelement 16, sequentiell nacheinander betätigt, wobei bei einer Anordnung des reibschlüssigen Schaltelementes 16 im Leistungsfluss zwischen dem formschlüssigen Schaltelement 18 und dem Antriebsrad 3B der Fahrzeughinterachse 3 die Reihenfolge der Betätigung der beiden Schaltelemente 16 und 18 derart vorgesehen wird, dass zunächst das Lamellenpaket des reibschlüssigen Schaltelementes 16 mit einer definierten Betätigungskraft beaufschlagt wird, um das formschlüssige Schaltelement 18 vor dem Schließen zu synchronisieren. Anschließend wird die Betätigungskraft auf das formschlüssige Schaltelement 18 aufgebaut und dieses geschlossen. Im geschlossenen Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 wird wiederum die Betätigungskraft im Bereich des reibschlüssigen Schaltelementes 16 erhöht um dieses vollständig zu schließen. Der Betätigungsablauf beim öffnen der beiden Schaltelemente erfolgt dann genau in umgekehrter Reihenfolge.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Anordnung des formschlüssigen Schaltelementes 18 zwischen dem reibschlüssigen Schaltelement 16 und dem Antriebsrad 3B wird beim öffnen der beiden Schaltelemente 16 und 18 zunächst das reibschlüssige Schaltelement 16 geöffnet und anschließend das formschlüssige Schaltelement 16 in seinen geöffneten Betriebszustand überführt. Die Betätigungskraft wird im Bereich der beiden Schaltelemente 16 und 18 jeweils sequentiell reduziert, was wiederum im Wesentlichen der umgekehrten Vorgehensweise wie beim Schließen der beiden Schaltelemente 16 und 18 entspricht.
Die Federkraft der zwischen der Druckscheibe 44 und dem Innenlamellenträger 16B des reibschlüssigen Schaltelementes 16 bzw. der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 angeordneten Federeinrichtung 45 ist wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 18 und 19 größer als die Federkraft der Federeinrichtung 51, die auf der zu der Aktoreinrichtung 32 abgewandten Seite des Innenlamellenträgers 16B und dem Anschlag 49 für den Verfahrweg der ersten Schaltelementhälfte 18A angeordnet ist. Die Druckscheibe 44 ist in der in 22 dargestellten Art und Weise beabstandet zum Lamellenpaket des reibschlüssigen Schaltelementes 16 angeordnet, womit zu Beginn der elektromotorseitigen Betätigung zunächst nur das formschlüssige Schaltelement 18 mit der Betätigungskraft der elektrischen Maschine 34 ausgehend von der Druckscheibe 44 über die Federeinrichtung 45 beaufschlagt wird.
Aufgrund der höheren Federkraft der Federeinrichtung 45 wird diese in geringerem Umfang gestaucht als die Federeinrichtung 51. Mit zunehmendem Verstellweg wird das formschlüssige Schaltelement 18 in seinen geschlossenen Betriebszustand überführt. Kommt der Innenlamellenträger 16B bzw. die erste Schaltelementhälfte 18A, die auch der Außenlamellenträger des reibschlüssigen Schaltelementes 16 sein kann, am Endanschlag 49 zum Anliegen, wobei die Federeinrichtung 51 dann nicht weiter gestaucht wird. Die weiter aufgebrachte Betätigungskraft führt zu einer weiteren Stauchung der Federeinrichtung 45, wobei die Druckscheibe 44 am Lamellenpaket des reibschlüssigen Schaltelementes 16 zum Anliegen kommt.
Die vorbeschriebene Funktionsweise der sequentiellen Betätigung des formschlüssigen Schaltelementes 18 und des reibschlüssigen Schaltelementes 16 erfordert, dass die beiden mit der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes zusammenwirkenden Federeinrichtungen 45 und 51 bzw. deren Federkennlinien derart ausgelegt sind, dass die Federeinrichtung 45 während der Betätigung des formschlüssigen Schaltelementes 18 im Wesentlichen keine Stauchung erfährt, während die Federeinrichtung 51 einfedert. Bei Erreichen des mechanischen Anschlags 49 des Verschiebewegs des formschlüssigen Schaltelementes 18 in Schließrichtung wird die Federeinrichtung 45 durch die Betätigungskraft der Antriebseinrichtung 34 und der im Bereich der Antriebswandlereinrichtung 32A gewandelten Betätigungsbewegung zunehmend gestaucht und das reibschlüssige Schaltelement 16 in gewünschtem Umfang betätigt. Während der Betätigung der beiden Schaltelemente 16 und 18 wird auch die zusätzliche Federeinrichtung 54 entsprechend gestaucht.
Über die unterschiedlich hohen Federraten der Federeinrichtung 45 und der Federeinrichtung 51 besteht sowohl mit der Federeinrichtung 54 als auch ohne die Federeinrichtung 54 vorteilhafterweise die Möglichkeit, eine so genannte Zahn-auf-Zahn-Stellung im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 18 zu ermitteln, da die Federeinrichtung 45 dann durch die im Bereich der elektrischen Maschine 34 aufgebrachte Verstellkraft gestaucht wird und von der elektrischen Maschine 34 eine höhere Kraft aufzubringen ist. Die elektrische Maschine 34 wird lagegeregelt betätigt, weshalb der Verstellweg bzw. die Relativbewegung zwischen der ersten Schaltelementhälfte 18A und der zweiten Schaltelementhälfte 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 durch die Anzahl der Drehungen der im Bereich der elektrischen Maschine 34 feststellbar ist. Bei einem Kraftanstieg im Bereich der elektrischen Maschine 34 zu einem Zeitpunkt, zu dem das formschlüssige Schaltelement 18 noch nicht vollständig durchgeschaltet ist, ist somit auf einfache Art und Weise auf eine Zahn-auf-Zahn-Stellung im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 18 schließbar.
Die zusätzliche Federeinrichtung 54 ist zum Öffnen der Schaltelemente 16 und 18 vorgesehen, wobei bei einem Verhaken im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 18 die Federeinrichtung 51 das Kugel-Rampe-System 32A nicht mehr mit der gewünschten Vorspannkraft beaufschlagt. Diese Funktionalität wird dann über die zusätzliche Federeinrichtung 54 zur Verfügung gestellt. Die Federrate der zusätzlichen Federeinrichtung 54 ist wiederum kleiner als die Federrate der Federeinrichtung 45.
Im Bereich der Kugel-Rampe-Systeme 32A und 33A wird eine von Elektromotoren 34 der Aktuatoreinrichtungen 32 und 33 ausgehende Drehbewegung jeweils in eine Axialbewegung umgewandelt, wobei gleichzeitig eine Untersetzung/Übersetzung der Kraftkopplung erfolgt. Die Untersetzung/Übersetzung steht dabei in Abhängigkeit der Übersetzung der Getriebeeinrichtung 43, dem Durchmesser einer Kugelbahn sowie der Steigung der Kugelbahn innerhalb der Kugelbahnebene. Durch entsprechende Auslegung der Radien und der Steigungen der Kugel-Rampe-Systeme 32A und 33A sind die gewünschten Untersetzungs-/Übersetzungsverhältnisse zur Verfügung stellbar.
In 25 ist eine Abwicklung einer Kugelbahn 55 der verdrehbaren Kugel-Rampe-Segmentscheibe 32A sowie einer Kugelbahn 56 der verdrehfesten Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A2 des Kugel-Rampen-Systems 32A gezeigt. Das Kugel-Rampen-System 32A befindet sich im in 25 dargestellten Betriebszustand in ihrem Grundzustand, in dem das Kugelelement 32A3 jeweils im tiefsten Punkt der Kugelbahnen 55 und 56 angeordnet ist und in dem ein Abstand G zwischen Außenseiten 57, 58 der Kugel-Rampen-Segmentscheiben 32A1 und 32A2 minimal ist. Durch Verdrehen der verdrehbaren Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 in der durch den Pfeil 49 näher gekennzeichneten Richtung rollt das Kugelelement 32A3 innerhalb der Kugelbahnen 55 und 56 ab. Die Kugelbahnen 55 und 56 sind vorliegend spiegelsymmetrisch mit drei Kugelbahnabschnitten 55A1 bis 55A3 bzw. 56A1 bis 56A3 ausgebildet, wobei die ersten Kugelbahnabschnitte 55A1 und 56A1 im Wesentlichen mit einer Steigung gleich Null ausgeführt sind. Die sich jeweils an die ersten Kugelbahnabschnitte 55A1, 56A1 anschließenden zweiten Kugelbahnabschnitte 55A2 und 56B2 sind mit einer positiven Steigung ausgeführt, womit ein Verdrehen der verdrehbaren Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 während eines Abrollvorganges des Kugelelementes 32A3 im Bereich zwischen den Kugelbahnabschnitten 55A2 und 56A2 zu einer Vergrößerung des Abstandes G zwischen den Außenseiten 57, 58 der Kugel-Rampen-Segmentscheiben 32A1 und 32A2 bewirkt. Die sich wiederum an die zweiten Kugelbahnabschnitte 55A2 und 56A2 anschließenden dritten Kugelbahnabschnitte 55A3 und 56A3 sind ebenfalls mit einer positiven Steigung ausgeführt, die jedoch kleiner ist als die Steigung der zweiten Kugelbahnabschnitte 55A2 und 56A2. Damit wird erreicht, dass im Bereich der zweiten Kugelbahnabschnitte 55A2 und 56A2 bei gleichen Differenzdrehwinkeln der verdrehbaren Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A1 gegenüber der verdrehfesten Kugel-Rampen-Segmentscheibe 32A2 eine größere Veränderung des Abstandes G erzielt wird als beim Überfahren der dritten Kugelbahnabschnitte 55A3 und 56A3, wobei eine Untersetzung im Bereich der zweiten Kugelbahnabschnitte 55A2 und 56A2 größer ist als im Bereich der dritten Kugelbahnabschnitte 55A3 und 56A3.
Die vorbeschriebene konstruktive Ausgestaltung der Kugelbahnen 55 und 56 des Kugel-Rampe-Systems 32A resultiert aus der Tatsache, dass ausgehend von einem geöffneten Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 18 und des reibschlüssigen Schaltelementes 16 bei Vorliegen zum Schließen des formschlüssigen Schaltelementes 18 und zum Einstellen einer betriebszustandabhängig ausgewählten Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes 16 unterschiedliche Anforderungen an den über die Aktoreinrichtung 32 zur Verfügung gestellten Betätigungsweg während eines Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes und einer Betätigung des reibschlüssigen Schaltelementes 16 gestellt werden. Während des Schließvorganges des formschlüssigen Schaltelementes 18 ist ein größerer axialer Betätigungsweg bei gleichzeitig geringeren Schaltkräften zur Verfügung zu stellen, als während der Betätigung des reibschlüssigen Schaltelementes 16, das über einen geringeren axialen Schaltweg bei vergleichsweise höheren Schaltkräften als das formschlüssige Schaltelement 18 zu betätigen ist.
Um das formschlüssige Schaltelement 18 und das reibschlüssige Schaltelement 16 mit einer höheren Auflösung betätigen zu können, wird eine der Darstellung gemäß 27 entsprechenden Ausführung des Kugel-Rampe-Systems 32A vorgesehen, wobei 27 lediglich die nicht verdrehbare Kugel-Rampe-Segmentscheibe 32A2 mit vier Kugelbahnabschnitten 56A1 bis 56A4 der Kugelbahn 56 zeigt. Der erste Kugelbahnabschnitt 56A1 der Kugelbahn 56 ist wiederum mit einer Steigung gleich Null ausgeführt, die die Ruheposition des Kugel-Rampe-Systems 32A definiert. Der sich daran anschließende zweite Kugelbahnabschnitt 56A2 ist mit der größten positiven Steigung der Kugelbahn 56 ausgebildet. Die sich daran anschließenden Kugelbahnabschnitte 56A3 und 56A4 weisen bei dem in 27 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kugel-Rampe-Systems 32 ebenfalls jeweils eine positive Steigung auf, wobei die Steigung des dritten Kugelbahnabschnittes 56A3 kleiner als die Steigung des zweiten Kugelbahnabschnittes 56A2 ist und die Steigung des vierten Kugelbahnabschnittes 56A4 ist wiederum kleiner als die Steigung des dritten Kugelabschnittes 56A3.
Beim Überfahren des zweiten Kugelbahnabschnittes 56A2 wird das formschlüssige Schaltelement 18 aus seinem geöffneten Betriebszustand in seinen geschlossenen Betriebszustand überführt, während der dritte Kugelbahnabschnitt 56A3 und der vierte Kugelbahnabschnitt 56A4 für die Betätigung des reibschlüssigen Schaltelementes 16 vorgesehen sind. Der mit höherer Steigung ausgeführte dritte Kugelbahnabschnitt 56A3, über den eine geringere Betätigungskraft als über den vierten Kugelbahnabschnitt 56A4 zur Verfügung stellbar ist, ist zu Beginn des Schließvorganges des reibschlüssigen Schaltelementes 16 vorgesehen, während dem ein Luftspiel zwischen den Lamellen bei vergleichsweise geringen Schaltkräften zu überwinden ist. Anschließend werden die Lamellen des Lamellenpaketes des reibschlüssigen Schaltelementes 16 mit zunehmendem Schaltweg X beim Überfahren des vierten Kugelbahnabschnittes 56A4 bei geringerer Schaltwegveränderung und gleichzeitig höheren Schaltkräften zunehmend miteinander verpresst, wobei während dieser Schaltphase des reibschlüssigen Schaltelementes 16 die Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes mit zunehmendem Schaftweg X in Schließrichtung ansteigt.
In 28 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kugel-Rampe-Systems 32A gezeigt, bei welchem der dritte Kugelbahnabschnitt 56A3 mit einer Steigung von wenigstens annähernd gleich Null ausgeführt wird, während die weiteren Kugelbahnabschnitte 56A1, 56A2 und 56A4 im Wesentlichen die gleiche Steigung aufweisen wie die Kugelbahnabschnitte 56A1, 56A2 und 56A4 der Kugelbahn 56 gemäß 27. Über den waagrechten Abschnitt bzw. den dritten Kugelbahnabschnitt 56A3 wird die Übersetzung des Kugel-Rampe-Systems 32A zeitweise neutralisiert, um einen so genannten Ruheabschnitt zu schaffen, während welchem am Kugel-Rampe-System 32A angreifende und in Öffnungsrichtung des formschlüssigen Schaltelementes 18 wirkende Rückstellkräfte nicht in Richtung des Elektromotors 34 rückgekoppelt werden und das formschlüssige Schaltelement 18 und auch das reibschlüssige Schaltelement 16 ohne Aufbringen einer elektromotorseitigen Betätigungskraft im aktuellen Betriebszustand haltbar sind.
In 29 ist eine weitere Ausführungsform des Kugel-Rampe-Systems 32A in einer 28 entsprechenden Darstellung gezeigt, die sich von den Ausführungen des Kugel-Rampe-Systems 32A gemäß 27 und 28 wiederum im Wesentlichen nur im Bereich des dritten Kugelabschnittes 56A3 unterscheidet. Bei der Ausführung des Kugel-Rampe-Systems 32A gemäß 29 ist der dritte Kugelbahnabschnitt 56A3 mit einer negativen Steigung ausgeführt, um nach Durchfahren des zweiten Kugelbahnabschnittes 56A2 einen Ruhepunkt zu erzeugen, der aufgrund seiner Beschaffenheit eine selbstständige Bewegung des Kugel-Rampe-Systems 32A in die konstruktiv vorgegebene Ruhelage bewirkt.
Um eine hertzsche Pressung im Bereich des Kugelelementes 32A3 zu verringern, werden bei dem in 30 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kugel-Rampe-Systems 32A im Bereich zwischen den Kugelbahnen 55 und 56 jeweils zwei Kugelelemente 32A31 und 32A32 angeordnet, wodurch Anforderungen an die Kugelbahnoberfläche der Kugelbahnen 55 und 56 leichter zu erfüllen sind. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von zwei Kugelelementen, wenn die Kugelbahnen 55 und 56 mit konstanter Steigung ausgeführt sind. Werden mehrere Kugelelemente in Kugel-Rampe-Systemen verwendet, deren Kugelbahnen mit unterschiedlicher Steigung ausgeführt sind, ist eine Kugelführung vorzuhalten, mittels der die vorbeschriebenen Funktionalitäten eines Kugel-Rampe-Systems zur Betätigung eines formschlüssigen Schaltelementes und eines reibschlüssigen Schaltelementes zur Verfügung stellbar sind.
Die waagrechte Ausführung des dritten Kugelbahnabschnittes 56A3 führt zu einer Reduzierung der Betätigungskraft der Rückstellkraft auf Null während die negative Steigung des dritten Kugelbahnabschnittes 56A3 einen definierten Ruhepunkt zur Verfügung stellt, in welchem das Kugel-Rampe-System 32A selbst bei abgeschaltetem Antrieb der Antriebseinrichtung 34 sicher verbleibt. Dabei sind verschiedene Funktionen darstellbar, wie beispielsweise ein erhöhtes Drehmoment im Bereich des Abtriebs, über das eine Parksperrenfunktion bei abgeschaltetem Antriebssystem zur Verfügung stellbar ist. Befindet sich das Kugelelement 32A3 im Bereich der durch den dritten Kugelbahnabschnitt 56A3 gebildeten Ruheposition, ist der Elektromotor 34 nicht zu bestromen und das Kugel-Rampe-System 32A verbleibt trotzdem in der Ruheposition, womit ein Energieaufwand für den Betrieb der Getriebeeinrichtung 27 reduziert ist.
31 bis 36 zeigen verschiedene Ausführungen des reibschlüssigen Schaltelementes 16 und des formschlüssigen Schaltelementes 18 im Bereich zwischen dem Innenlamellenträger 16B und der ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18, wobei 31, 33 und 35 jeweils das reibschlüssige Schaltelement 16 in angekoppeltem Betriebszustand darstellen, während 32, 34 und 36 das reibschlüssige Schaltelement 16 jeweils in entkoppeltem Betriebszustand bzw. das formschlüssige Schaltelement 18 in geöffnetem Betriebszustand darstellen.
Bei der Ausführung gemäß 31 und 32 sind der Innenlamellenträger 16B und die erste Schaltelementhälfte 18A einstückig ausgeführt und die zweite Schaltelementhälfte 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 ist relativ zur ersten Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes beweglich ausgebildet. Bei der weiteren Ausführung des formschlüssigen Schaltelementes 18 und des reibschlüssigen Schaltelementes 16 gemäß 33 und 34 sind der Innenlamellenträger 16B und die erste Schaltelementhälfte 18A wiederum einstückig ausgeführt und in Bezug auf den Außenlamellenträger 16A des reibschlüssigen Schaltelementes und die zweite Schaltelementhälfte 18B des formschlüssigen Schaltelementes axial verschiebbar zwischen diesen angeordnet, um das formschlüssige Schaltelement 18 zu öffnen oder zu schließen und das reibschlüssige Schaltelement 16 anzukoppeln oder zu entkoppeln.
Bei der in 35 und 36 dargestellten Ausführungsform sind der Innenlamellenträger 16B des reibschlüssigen Schaltelementes 16 und die erste Schaltelementhälfte 18A des formschlüssigen Schaltelementes 18 in Bezug auf den Innenlamellenträger 16B des reibschlüssigen Schaltelementes 16 und die zweite Schaltelementhälfte 18B des formschlüssigen Schaltelementes 18 in axialer Richtung verschiebbar und als getrennte Bauteile ausgebildet.
Die Ausführungsformen gemäß 33 und 34 bzw. gemäß 35 und 36 sind im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 31 und 32 hinsichtlich der Masse sowie der Massenträgheit des jeweils in axialer Richtung verschiebbaren Bauteiles vorteilhafter, da eine geringere Masse sowie eine niedrigere Massenträgheit des verschiebbaren Bauteils geringere Beschleunigungskräfte während der Aktuierung und somit eine energieärmere Synchronisation der beiden Schaltelementhälften 18A und 18B des formschlüssigen Schaltelementes bewirkt. Dies resultiert aus der Tatsache, dass ein geringerer Energieeintrag insbesondere während der Betätigung des formschlüssigen Schaltelementes eine Lebensdauer des formschlüssigen Schaltelementes in geringerem Umfang beeinträchtigt und während der Betätigung des formschlüssigen Schaltelementes 18 geringere Schaltgeräusche entstehen.
37 und 38 zeigen eine dreidimensionale Teilansicht der Verteilereinrichtung 7, welche auch als Winkelgetriebe oder Transfergetriebe bezeichnet werden kann, des Fahrzeugantriebsstranges 1 gemäß 1, während in 39 bis 43 jeweils Schnittansichten unterschiedlicher Ausführungsformen der Verteilereinrichtung 7 zeigen.
Ein Gehäuse 59 der Verteilereinrichtung 7 ist längsgeteilt ausgeführt und umfasst drei Gehäuseteile 60 bis 62, wobei das Gehäuseteil 60 das Hauptgehäuseteil, das Gehäuseteil 61 ein Gehäuseflansch und das Gehäuseteil 62 ein Gehäusedeckel sind. Die dreiteilige Gehäuselängsteilung des Gehäuses 59 der Verteilereinrichtung 7 bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, Lagereinrichtungen 63 und 64 des Tellerrades 9 mit geringem axialen Abstand zueinander vorzusehen, womit die Verteilereinrichtung 7 einen geringen axialen Bauraumbedarf aufweist. Die Lagereinrichtungen 63 und 64 des Tellerrades 9 bzw. eines damit drehfest verbundenen Tellerradträgers 65, der vorliegend als Hohlwelle ausgeführt ist, sind als Schrägkugellager ausgeführt. Eine über das Schaltelement 8 mit dem Tellerradträger 65 drehfest verbindbare Antriebswelle 66 ist durch den Tellerradträger 65 geführt und ebenfalls als Hohlwelle ausgebildet. Auf der dem Achsdifferentialgetriebe 6 zugewandten Seite ist die Antriebswelle 66 im ersten Gehäuseteil 60 über eine vorliegend als Rillenkugellager ausgeführte Lagereinrichtung 67 drehbar gelagert. In einem dem Achsdifferentialgetriebe 6 abgewandten Wellenendbereich ist die Antriebswelle 66 über eine ebenfalls als Rillenkugellager ausgeführte weitere Lagereinrichtung 68 drehbar am Tellerradträger 65 gelagert. Das Schrägkugellager 64 ist aufgrund der dreiteiligen Längsteilung des Gehäuses 60 mit geringem axialen Abstand zum Tellerrad 9 positionierbar, womit das Schaltelement 8 ebenfalls nahe des Tellerrades 9 im Gehäuse 59 anordenbar ist. Dadurch ist ein axialer Bauraumbedarf der Verteilereinrichtung 7 weiter reduziert.
Zusätzlich ist das Tellerrad 9 auf der dem Schrägkugellager 64 zugewandten Seite mit einer Aussparung 9A ausgeführt, womit die ganze Anordnung insgesamt noch kompakter anordenbar ist. Über die Lagereinrichtung 68 der Antriebswelle 66 ist eine definierte axiale Positionierung zwischen einem Synchronkörper 68A des Schaltelementes 8 und der Antriebswelle 66 auf konstruktiv einfache Art und Weise realisiert.
Der Formschluss im Bereich der Synchronisierung 8 bzw. des Schaltelementes zwischen dem Tellerradträger 65 und der Antriebswelle 66 wird über eine in axialer Richtung verschiebbare Schiebemuffe 69 des Schaltelementes 8 und einer drehfest mit der Antriebswelle 66 verbundenen Kupplungsscheibe 70 hergestellt, wobei die Schiebemuffe 69 aus der in 39 dargestellten Position axial in Richtung der Kupplungsscheibe 70 über eine in 40 dargestellte Aktoreinrichtung 71 zu verschieben ist. Die Aktoreinrichtung 71 umfasst vorliegend einen Elektromotor 72, dessen rotatorischer Antrieb im Bereich einer Spindel-Mutter-Anordnung 73 in eine translatorische Betätigungsbewegung des Schaltelementes 8 bzw. dessen Schiebemuffe 69 umgewandelt wird.
Die axiale Position der Kupplungsscheibe 70 ist vorliegend über die beiden Rillenkugellager 67 und 68 festgelegt, wobei während der Montage der Verteilereinrichtung 7 zunächst die Position der Kupplungsscheibe 70 über das direkt dem Synchronkörper 68A zugeordnete Rillenkugellager 68 eingestellt wird. Anschließend wird im Bereich des Rillenkugellagers 67 eine Wellfeder 74 verbaut, mittels welcher Temperaturunterschiede zwischen dem vorliegend aus Aluminium hergestellten Gehäuse 59 und der aus Stahl hergestellten Antriebswelle 66 auf einfache Art und Weise ausgleichbar sind. Das Rillenkugellager 67 ist gemeinsam mit der Wellfeder 74 über Sicherungsringe 75 und 76 auf der Antriebswelle 66 und in dem Gehäuse 59 angeschultert, womit an der Antriebswelle 66 angreifende Axialkräfte in die betreffenden Bauteile einleitbar sind und die axiale Position der Kupplungsscheibe 70 eindeutig festgelegt ist.
Bei der in 41 dargestellten Ausführungsform der Verteilereinrichtung 7 ist das Schaltelement 8 im Vergleich zu der in 40 dargestellten Ausführungsform der Verteilereinrichtung 7 in gespiegelter Anordnung im Gehäuse 59 angeordnet, die jedoch einen höheren radialen Bauraumbedarf der Verteilereinrichtung 7 im Bereich des Schaltelementes 8 verursacht. Zusätzlich ist die Kupplungsscheibe 70 bei der Ausführung der Verteilereinrichtung 7 gemäß 41 über ein zusätzliches Adapterteil 77 mit dem Tellerradträger 65 verbunden. Die in 40 dargestellte Ausführung des Schaltelementes 8 bietet im Vergleich zu der Ausführung der Verteilereinrichtung 7 gemäß 41 zudem den Vorteil, dass in geöffnetem Betriebszustand des Schaltelementes 8 der im Vergleich zu der Kupplungsscheibe 70 wesentlich größere Synchronkörper 68A stillsteht und damit in geöffnetem Betriebszustand des Schaltelementes 8 geringere Schleppmomente erzeugt werden. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die Antriebswelle 66 über den gesamten Betriebsbereich der Verteilereinrichtung 7 unabhängig vom Betriebszustand des Schaltelementes 8 rotiert und bei der Ausführung der Verteilereinrichtung 7 gemäß 40 lediglich die damit drehfest verbundene Kupplungsscheibe 70 und eine ebenfalls drehfest mit der Antriebswelle 66 verbundene Distanzscheibe 78 im Gehäuse 59 bzw. dem dritten Gehäuseteil 62 umlaufen.
Die Bauteile der Verteilereinrichtung 7 gemäß 40 und auch gemäß 41 werden vorliegend über ein inaktives Beölungskonzept sowohl mit Schmieröl als auch mit Kühlöl versorgt. Hierfür wird in das Gehäuse 59 ein definiertes Ölvolumen eingefüllt, wobei das in das Gehäuseinnere des Gehäuses 59 eingefüllte Ölvolumen bei nicht rotierenden Bauteilen der Verteilereinrichtung einen statischen Ölstand zur Folge hat und sowohl die Kupplungsscheibe 70 als auch die Distanzscheibe 78 mit der Aktoreinrichtung 71 zugewandten Bereichen in das Öl eintauchen. Das Gehäuseinnere des Gehäuses 59 ist im Bereich des zweiten Gehäuseteiles 61 in einen ersten Ölraum 80 und einen zweiten Ölraum 81 aufgeteilt, wobei der erste Ölraum 80 vom ersten Gehäuseteil 60 und dem zweiten Gehäuseteil 61 begrenzt wird, während der zweite Ölraum 81 vom zweiten Gehäuseteil 61 und dem dritten Gehäuseteil 62 gebildet wird. Die beiden Ölräume 80 und 81 sind im Bereich von zwei oberhalb der Antriebswelle 66 im Wesentlichen horizontal durch das zweite Gehäuseteil 61 verlaufende Übertrittsbohrungen 82, 83 und eine im Wesentlichen in den unteren Bereich des ersten Ölraums 80 mündende sowie durch das zweite Gehäuseteil 61 ebenfalls im Wesentlichen horizontal verlaufende Ölbohrung 84 verbunden bzw. in Wirkverbindung bringbar.
Dabei sind die beiden Ölräume 80 und 81 über die Übertrittsbohrungen 82 und 83 permanent miteinander verbunden, während die beiden Ölräume 80 und 81 im Bereich der Ölbohrung 84 lediglich in geschlossenem Betriebszustand des Schaltelementes 8 miteinander in Wirkverbindung stehen. Der Ölbohrung 84 ist ein mit einer die Schiebemuffe 69 des Schaltelementes 8 betätigenden Schaltgabel 85 gekoppelter Verschlussstopfen 86 zugeordnet, mittels dem die Ölbohrung 84 in geöffnetem Betriebszustand des Schaltelementes 8 im Mündungsbereich zum zweiten Ölraum 81 verschlossen ist. Der Verschlussstopfen 86 ist in axialer Richtung in der mit der Aktoreinrichtung 71 wirkverbundenen Schaltgabel 85 verschiebbar angeordnet und in Richtung des Mündungsbereiches der Ölbohrung 84 in den zweiten Ölraum 81 angefedert, womit der Verschlussstopfen 86 unabhängig von Fertigungstoleranzen sicher dichtend im Mündungsbereich der Ölbohrung 84 in den zweiten Ölraum 81 in geöffnetem Betriebszustand des Schaltelementes 8 zum Anliegen kommt.
Da das zweite Gehäuseteil 61 auf der dem zweiten Ölraum 81 zugewandten Seite vorliegend mit radial verlaufenden Versteifungsrippen 87 ausgebildet ist, ist das zweite Gehäuseteil 61 in diesem Bereich mittels eines Abschirmbleches 88 in der in 37 und 38 näher dargestellten Art und Weise auf seiner dem zweiten Ölraum 81 zugewandten Seite verkleidet. Damit werden unerwünschte Verwirbelungen der Ölströmung im Bereich des zweiten Ölraumes 81 reduziert und Schleppverluste auf einfache Art und Weise minimiert.
Das Abschirmblech 88 ist sowohl in einem ringförmigen Anlagebereich 89 des zweiten Gehäuseteils 61 und im Bereich von zwei im Wesentlichen mittleren Versteifungsrippen 90, 91 des zweiten Gehäuseteiles 61 dichtend am zweiten Gehäuseteil 61 befestigt. Zusätzlich ist das Abschirmblech 88 in einem oberen Kreissegmentbereich mit einer Aussparung 92 ausgeführt, die sich im Wesentlichen über einen Winkelbereich erstreckt, der oberhalb der beiden mittleren Versteifungsrippen 90 und 91 liegt. Zudem überragt das Abschirmblech 88 den ringförmigen Anlagebereich 89 im Bereich der Aussparung 92 um eine definierte Steghöhe, womit im Bereich der Aussparung 92 zwischen dem zweiten Gehäuseteil 61 und dem Abschirmblech ein gebogener dachrinnenartiger Auffangbereich gebildet ist, in den die Übertrittsbohrungen 82 und 83 münden.
Unterhalb der beiden mittleren Versteifungsrippen 90 und 91 ist das Abschirmblech 88 mit mehreren Bohrungen 103 ausgeführt, womit ein vom Abschirmblech 88 und dem zweiten Gehäuseteil 61 begrenzter Hohlraum 104 permanent mit dem zweiten Ölraum 81 verbunden ist. Auf diese Art und Weise ist der Hohlraum 104 ebenfalls für das in das Innere des Gehäuses 59 eingefüllte Ölvolumen zugänglich. Zusätzlich stellt der Hohlraum 104 einen so genannten Ölberuhigungsraum dar.
Ist eine die Verteilereinrichtung 7 bzw. dessen Schaltelement 8 betätigende Fahrstrategie derart ausgeführt, dass das Schaltelement 8 bei abgestelltem Fahrzeug bzw. im Fahrzeugstillstand in seinen geschlossenen Betriebszustand überführt wird, in dem der Fahrzeugantriebsstrang 1 im Allradbetriebsmodus mit angekoppelter Fahrzeughinterachse 3 betrieben wird, ist der erste Ölraum 80 im Bereich der Ölbohrung 84 mit dem zweiten Ölraum 81 verbunden, wobei sich dann bei nicht rotierenden Bauteilen im Gehäuse 59 der Verteilereinrichtung 7 der vorbezeichnete statische Ölstand einstellt. Im Betrieb des Fahrzeugantriebsstranges 1 bzw. bei rotierender Antriebswelle 66 und gleichzeitig geschlossenem Schaltelement 8 wird das im Inneren des Gehäuses 59 angeordnete 61 in den Ölräumen 80 und 81 umgewälzt und es liegt ein gewisser Austausch von Öl zwischen den Ölräumen 80 und 81 über die Übertrittsbohrungen 82 und 83 sowie die Ölbohrung 84 vor.
Dabei wird das im Ölraum 81 vorhandene Öl von den im geschlossenen Betriebszustand des Schaltelementes 8 im Ölraum 81 rotierenden Bauteilen radial nach außen geschleudert. Der Teil des Öls, der im Bereich der Aussparung 92 des Abschirmbleches 88 in den Bereich zwischen dem Abschirmblech 88 und dem zweiten Gehäuseteil 61 gelangt, fließt über die Übertrittsbohrungen 82 und 83 in Richtung des ersten Ölraumes 80 ab, während 61 aus dem ersten Ölraum 80 über die Ölbohrung 84 in Richtung des zweiten Ölraumes 81 zurückfließt, wenn eine entsprechende Verteilung des Ölvolumens vorliegt.
Grundsätzlich wird sich im Betrieb der Verteilereinrichtung 7 bei rotierendem Tellerrad 9 im ersten Ölraum 80 ein größeres Ölvolumen ansammeln, da die Rotation des Tellerrades 9 einen gewissen Sog verursacht, der eine Ölströmung ausgehend vom zweiten Ölraum 81 in Richtung des ersten Ölraumes 80 begünstigt.
Um im geöffneten Betriebszustand des Schaltelementes 8, in dem die Fahrzeughinterachse durch Abkoppeln des Tellerrades 9 von der Antriebswelle 66 zur Minimierung von Verlustleistungen getrennt ist und der Fahrzeugantriebsstrang 1 lediglich Antriebsmoment im Bereich der Fahrzeugvorderachse 2 zur Verfügung stellt, werden mit dem vorbeschriebenen Beölungskonzept der Verteilereinrichtung 7 Verlustleistungen im Bereich der Verteilereinrichtung 7 in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise weiter reduziert.
Wie bereits beschrieben, wird die Ölbohrung 84 in geöffnetem Betriebszustand des Schaltelementes 8 durch den Verschlussstopfen 86 verschlossen, während die Übertrittsbohrungen 82 und 83 die beiden Ölräume 80 und 81 weiterhin miteinander verbinden. Die drehfest mit der Antriebswelle 66 verbundene Kupplungsscheibe 70 und die ebenfalls damit drehfest gekoppelte Distanzscheibe 78 verteilen gemeinsam mit der im zweiten Ölraum 81 rotierenden Antriebswelle 66 Öl im zweiten Ölraum 81. Gleichzeitig steht das Tellerrad 9 im ersten Ölraum 80 und taucht nicht in das im ersten Ölraum 80 vorhandene Ölvolumen ein, womit im ersten Ölraum 80 keine Planschverluste erzeugt werden.
Aufgrund der Rotation der Antriebswelle 66 und der Kupplungsscheibe 70 sowie der Distanzscheibe 78 wird weiterhin im zweiten Ölraum 81 Öl verwirbelt, wobei die Rotation der Antriebswelle 66 und der Kupplungsscheibe 70 sowie der Distanzscheibe 78 zunehmend Öl durch die Aussparung 92 hindurch in den Bereich hinter dem Abschirmblech 88 fördert, das anschließend über die Übertrittsbohrungen 82, 83 in Richtung des ersten Ölraumes 80 abfließt. Durch dieses wenigstens teilweise Abpumpen des im zweiten Ölraum 81 vorhandenen Öles sinkt der Ölstand im zweiten Ölraum 81 zumindest auf ein Niveau unterhalb der unteren Bauteilkante der Kupplungsscheibe 70 ab, wobei dieser dynamische Ölstand in 40 unter dem Bezugszeichen 93 näher bezeichnet ist und unterhalb des statischen Ölstandes liegt.
Da im zweiten Ölraum 81 bei geöffnetem Schaltelement 8 keine weiteren Bauteile rotieren, die sich in Richtung der Aktoreinrichtung 71 radial weiter nach unten erstrecken als die Kupplungsscheibe 70, sind die Planschverluste im Bereich des zweiten Ölraumes 81 nach kurzer Betriebsdauer ebenfalls auf ein Minimum reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugantriebsstrang
2: Fahrzeugachse
2A, 2B: Antriebsrad, Vorderrad
3: Fahrzeugachse, Fahrzeughinterachse
3A, 3B: Antriebsrad, Hinterrad
4: Antriebsmaschine
5: Hauptgetriebe
6: Achsdifferentialgetriebe
7: Verteilereinrichtung
8: Schaltelement, Synchronisierung
9: Tellerrad
9A: Aussparung
10: Differentialgehäuse
11: Kegelrad
12: Welle
13: Kegelrad
14: Antriebswelle
15: weiteres Kegelrad
16: reibschlüssiges Schaltelement
16A: Außenlamellenträger
16A1: Lamellen
16B: Innenlamellenträger
16B1: Lamellen
16C: kegelförmige Zentrierfläche
17: reibschlüssiges Schaltelement
17A: Außenlamellenträger
17A1: Lamellen
17B: Innenlamellenträger
17B1: Lamellen
18: formschlüssiges Schaltelement
18A: erste Schaltelementhälfte
18A1 bis 18A3: Zahnreihe
18A1E bis 18A3E: Element
18A1F: Zahnflanke
18A1S: Bereich
18A1Y bis 18A3Y: Stirnflächenbereich
18A1Z: Endbereich
18B: zweite Schaltelementhälfte
18B1 bis 18B3: Zahnreihe
18B1E bis 18B3E: Element
18B1F: Zahnflanke
18B1S: Bereich
18B1Y bis 18B3Y: Stirnflächenbereich
18B1Z: Endbereich
18C: kegelförmige Zentrierfläche
19: formschlüssiges Schaltelement
19A: erste Schaltelementhälfte
19A1 bis 19A3: Zahnreihe
19B: zweite Schaltelementhälfte
19B1 bis 19B3: Zahnreihe
20 bis 23: Gelenkwelle
24, 25: Seitenwelle
26: Gehäuse
27: Getriebeeinheit
28, 29: Seitenwelle
30, 31: Druckplatte
32: Aktoreinrichtung
32A: Kugel-Rampe-System
32A1: verdrehbare Kugel-Rampen-Segmentscheibe
32A2: verdrehfeste Kugel-Rampen-Segmentscheibe
32A3, 32A31, 32A32: Kugelelement
33: Aktoreinrichtung
33A: Kugel-Rampe-System
34: Antriebseinheit
35, 36: Koppeleinrichtung
37: Spielsitz
40: formschlüssiges Schaltelement
41: reibschlüssiges Schaltelement
42: Gehäuse
43: Getriebeeinrichtung
44: Druckscheibe
45: Federeinrichtung
46: Bauteil
47, 48: Axiallager
49: Anschlag
50: Druckbolzen
51: Federeinrichtung
52: Tellerfederträger
53: Sicherungsring
54: zusätzliche Federeinrichtung
55: Kugelbahn
55A1 bis 55A4: Kugelbahnabschnitt
56: Kugelbahn
56A1 bis 56A4: Kugelbahnabschnitt
57: Außenseite der verdrehbaren Kugel-Rampen-Segmentscheibe
58: Außenseite der verdrehfesten Kugel-Rampen-Segmentscheibe
59: Gehäuse der Verteilereinrichtung bzw. des Winkelgetriebes oder des Transfergetriebes
60 bis 62: Gehäuseteil
63, 64: Lagereinrichtung
65: Tellerradträger
66: Antriebswelle
67, 68: Lagereinrichtung
68A: Synchronkörper
69: Schiebemuffe
70: Kupplungsscheibe
71: Aktoreinrichtung
72: Elektromotor
73: Spindel-Mutter-Anordnung
74: Wellfeder
75, 76: Sicherungsring
77: Adapterteil
78: Distanzscheibe
80: erster Ölraum
81: zweiter Ölraum
82, 83: Übertrittsbohrung
84: Ölbohrung
85: Schaltgabel
86: Verschlussstopfen
87: Versteifungsrippen
88: Abschirmblech
89: ringförmiger Anlagebereich
90, 91: mittlere Versteifungsrippen
92: Aussparung
93: dynamischer Ölstand
99 bis 102: Nadellagereinrichtung
103: Bohrungen
104: Hohlraum
F: Betätigungskraft
G: Abstand
n1 bis n3: Drehzahl
X: Schaltweg, Verschiebeweg
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/017882 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (18) zum formschlüssigen drehfesten Verbinden von mindestens zwei Bauelementen mit zwei Schaltelementhälften (18A, 18B), die im Bereich von wenigstens annähernd zahnartig ausgeführte Elemente (18A1E, 18B1E) umfassenden Koppeleinrichtungen (35, 36) formschlüssig miteinander in Wirkverbindung bringbar sind, wobei eine Schaltelementhälfte (18A) die andere Schaltelementhälfte (18B) zumindest bereichsweise umgreift und die Schaltelementhälften (18A, 18B) durch eine Relativbewegung (X) zwischen den Schaltelementhälften (18A, 18B) im Bereich der Koppeleinrichtungen (35, 36) drehfest miteinander verbindbar oder aus dem formschlüssigen Eingriff führbar sind, und wobei die Koppeleinrichtung (35) einer Schaltelementhälfte (18A) in einem der anderen Schaltelementhälfte (18B) zugewandten Innenbereich und die Koppeleinrichtung (36) der anderen Schaltelementhälfte (18B) in einem dem Innenbereich der einen Schaltelementhälfte (18B) zugewandten Außenbereich vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtungen (35, 36) der Schaltelementhälften (18A, 18B) jeweils wenigstens zwei in Richtung der Relativbewegung (X) zueinander beabstandete Zahnreihen (18A1 bis 18A3 und 18B1 bis 18B3) aufweisen, die jeweils mit zueinander beabstandeten Zahnreihen (18B1 bis 18B3 und 18A1 bis 18A3) der anderen Schaltelementhälfte(18A, 18B) in Eingriff bringbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen den zueinander beabstandeten Zahnreihen (18A1 bis 18A3) der einen Schaltelementhälfte (18A) größer als die Breite der Zahnreihen (18B1 bis 18B3) der anderen Schaltelementhälfte (18B) in Richtung der Relativbewegung (X) ist, die bei aufgehobenem Formschluss zwischen Zahnreihen (18A1 bis 18A3) der einen Schaltelementhälfte (18A) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (18A1E) jeweils wenigstens einer Zahnreihe (18A1) der einen Schaltelementhälfte (18A), die mit Elementen (18B1E) einer Zahnreihe (18B1) der anderen Schaltelementhälfte (18B) in formschlüssigen Eingriff bringbar sind, in den Elementen (18B1E) der Zahnreihe (18B1) der anderen Schaltelementhälfte (18B) zugewandten Bereichen jeweils ausgehend von den Elementen (18B1E) der Zahnreihe (18B1) der anderen Schaltelementhälfte (18B) zugewandten Stirnflächen (18A1S) in Richtung zu den Elementen (18B1E) der anderen Schaltelementhälfte (18B) abgewandten Endbereichen (18A1Z) sich bereichsweise stetig verbreitern.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (18B1E) der Zahnreihe (18B1) der anderen Schaltelementhälfte (18B), die mit den bereichsweise sich verbreiternden Elementen (18A1E) der Zahnreihe (18A1) der einen Schaltelementhälfte (18A) in Wirkverbindung bringbar sind, sich ebenfalls in den Elementen (18A1E) der Zahnreihe (18A1) der einen Schaltelementhälfte (18A) zugewandten Bereichen jeweils ausgehend von einer den Elementen (18A1E) der Zahnreihe (18A1) der einen Schaltelementhälfte (18A) zugewandten Stirnflächen (18A1S) in Richtung zu den Elementen (18A1E) der einen Schaltelementhälfte (18A) abgewandten Endbereichen (18B1Z) bereichsweise stetig verbreitern.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge von Elementen (18A2E, 18A3E, 18B2E, 18B3E) weiterer Zahnreihen (18A2, 18A3, 18B2, 18B3) der Schaltelementhälften (18A, 18B) jeweils derart vorgesehen ist, dass diese erst dann miteinander in Überdeckung kommen, wenn die sich verbreiternden Bereiche der Elemente (18A1E, 18B1E) der Zahnreihen (18A1, 18B1) der Schaltelementhälften (18A, 18B) vorzugsweise vollständig miteinander in Überdeckung sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass miteinander in Eingriff bringbare Elemente (18A1E, 18B1E) von jeweils wenigstens zwei einander zugeordneten Zahnreihen (18A1, 18B1) der Schaltelementhälften (18A, 18B) in jeweils einander zugewandten Stirnflächenbereichen (18A1Y, 18B1Y) mit gegengleich ausgeführten Führungsschrägen ausgebildet sind, über die die Schaltelementhälften (18A, 18B) während der Herstellung des Formschlusses zwischen den Schaltelementhälften (18A, 18B) koaxial zueinander ausrichtbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schaltelementhälften (18B) drehfest mit einem als Welle (28) ausgebildeten Bauteil und die andere Schaltelementhälfte (18A) drehfest mit einem als Nabe (16B) ausgeführten Bauelement verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (16B) mit einer Schaltelementhälfte eines reibschlüssigen Schaltelementes (16) drehfest verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (16B) bei aufgehobenem Formschluss zwischen den Schaltelementhälften (18A, 18B) über einen Spielsitz (37) im Bereich einer zweiten Schaltelementhälfte (18B) des reibschlüssigen Schaltelementes (16) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (16A) mit einer kegelförmigen Zentrierfläche (18C) ausgebildet ist, die bei aufgehobenem Formschluss zwischen den Schaltelementhälften (18A, 18B) mit einer kegelförmigen Zentrierflächen (16C) einer zweiten Schaltelementhälfte des reibschlüssigen Schaltelementes (16B) in Eingriff steht und in diesem Bereich gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (16A) bei vorliegendem Formschluss zwischen den Schaltelementhälften (18A, 18B) im Bereich der Elemente (18A1E bis 18A3E und 18B1E bis 18B3E) der Zahnreihen (18A1 bis 18A3 und 18B1 bis 18B3) der Koppeleinrichtungen (35, 36) auf der Welle (28) gelagert ist.