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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebes einer Antriebseinrichtung in eine translatorische Antriebsbewegung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeuggetriebe mit einer solchen Vorrichtung.
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Eine Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebes einer Antriebseinrichtung in eine translatorische Antriebsbewegung bzw. eine Axialverstellvorrichtung in Form einer Kugel-Rampe-Anordnung ist aus der
DE 10 2005 053 555 B3 bekannt. Die Axialverstellvorrichtung ist insbesondere zum Betätigen einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges einsetzbar und umfasst zwei auf einer gemeinsamen Achse zentrierte Scheiben, von denen eine axial abgestützt und die andere axial verschiebbar ist und von denen zumindest eine drehend antreibbar ist.
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Auf ihren einander zugewandten Stirnflächen weisen die beiden Scheiben jeweils eine gleich große Anzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelbahnen auf, welche jeweils in Draufsicht auf die Stirnflächen in gleicher Umfangsrichtung eine ansteigende Tiefe haben. In Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelbahnen ist jeweils eine Kugel aufgenommen, über die sich die erste und die zweite Scheibe aneinander abstützen. Die Kugelbahnen einer der beiden Scheiben haben einen ersten Kugelbahnabschnitt größerer Steigung und einen sich hieran anschließenden zweiten Kugelbahnabschnitt kleinerer Steigung.
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Von einer unbetätigten Stellung ausgehend, in der die beiden Scheiben den axial kürzesten Abstand zueinander aufweisen, vergrößert sich der axiale Abstand zwischen den Scheiben zu Beginn einer Drehbewegung der drehbaren Scheibe in eine erste definierte Drehrichtung aufgrund der vorgesehenen Steigungen der von den Kugeln durchfahrenen Kugelbahnen zunächst mit größerem Gradienten über dem Verdrehwinkel. Dies ist zum schnellen Überwinden des Spiels im Bereich eines Lamellenpaketes eines reibschlüssigen Schaltelementes bei gleichzeitig geringer aufgeprägter Stellkraft vorgesehen. Der sich an den ersten Kugelbahnabschnitt anschließende zweite Kugelbahnabschnitt ist mit einer flacheren Steigung ausgeführt, so dass sich in diesem Bereich während einer Drehbewegung der drehbaren Scheibe in die erste Drehrichtung gegenüber der drehfest ausgeführten Scheibe zwischen den Scheiben ein kleinerer axialer Stellweg über dem Verdrehwinkel bei gleichzeitig größerer aufprägbarer Axialkraft ergibt. Im Bereich des zweiten Kugelbahnabschnittes wird eine Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes gesteuert eingestellt, wobei aufgrund der flacheren Steigung im Bereich des zweiten Kugelbahnabschnittes eine größere Auflösung vorliegt bzw. eine feinfühlige Verstellung der Axialstellvorrichtung möglich ist und damit eine besonders genaue Ansteuerung des reibschlüssigen Schaltelementes durchführbar ist.
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Bei Vorliegen einer Anforderung zum Öffnen des reibschlüssigen Schaltelementes wird die drehbare Scheibe gegenüber der drehfesten Scheibe in Richtung einer zweiten Drehrichtung verstellt, die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist. Dabei werden die Kugelbahnabschnitte beim Öffnen des Schaltelementes genau in entgegengesetzter Richtung wie während des Schließens des Schaltelementes von den Kugeln überfahren, weshalb die Betätigung des Schaltelementes während des Öffnens nachteilhafterweise nicht unabhängig vom Betätigungsprofil des Schaltelementes während des Schließvorganges des Schaltelementes durchführbar ist.
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Ferner ist aus der
DE 1 755 392 A1 eine Betätigungs- und Nachstellvorrichtung bekannt, mittels welcher eine Lüftspielnachführung für Bremsen durchführbar ist. Hierbei sind mechanische Spreizglieder vorgesehen, von denen eines als axiales Kugelschräglauflager mit Rampenringen sowie Kugeln ausgebildet ist. Die Kugeln sind in Kugelbahnen der Rampenringe mit definierten Steigungen geführt, wobei ein axialer Abstand der Rampenringe zueinander durch eine rotatorische Relativbewegung eines Rampenrings gegenüber dem anderen Rampenring variierbar ist. Zum Antrieb eines rotatorisch gelagerten Rampenrings ist dieser mit einer Lasche verbunden, welche über einen Hydraulikkolben mit einer mechanischen Betätigungsvorrichtung zusammenwirkt.
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Zur Vergrößerung und zur Verkleinerung des axialen Abstands zwischen den Rampenringen wird der von der Betätigungsvorrichtung verdrehbare Rampenring gegenüber dem anderen Rampenring jeweils eine erste Drehrichtung oder in eine hierzu entgegengesetzte zweite Drehrichtung gedreht.
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Somit sind auch bei dieser Ausführung einer Antriebswandlereinrichtung, bei der ein rotatorischer Antrieb in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird, die Stellvorgänge, während den jeweils der axiale Abstand zwischen den Rampenscheiben vergrößert oder verkleinert wird, in unerwünschtem Umfang voneinander abhängig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebes einer Antriebseinrichtung in eine translatorische Antriebsbewegung zur Verfügung zu stellen, bei der die translatorische Antriebsbewegung in eine erste Richtung unabhängig von der Betätigung in eine zweite Richtung der translatorischen Antriebsbewegung durchführbar ist. Außerdem soll ein Kraftfahrzeuggetriebe mit einer solchen Vorrichtung bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und mit einem Kraftfahrzeuggetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebes einer Antriebseinrichtung in eine translatorische Antriebsbewegung mit einer ersten, mit der Antriebseinrichtung koppelbaren Einrichtung und mit einer zweiten Einrichtung stehen die Einrichtungen über Wälzkörper miteinander in Wirkverbindung. Ein axialer Abstand zwischen den Einrichtungen ist über eine Relativdrehbewegung zwischen den Einrichtungen und den dabei auf Bahnbereichen mit definierten Steigungen abwälzenden Wälzkörpern variierbar.
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Erfindungsgemäß sind jeweils zwei in Umfangsrichtung der Einrichtungen aufeinander folgende Bahnbereiche für die Wälzkörper vorgesehen, die bei gleichsinniger Drehrichtung der Relativdrehbewegung zwischen den Einrichtungen jeweils nacheinander von den Wälzkörpern durchfahrbar sind. Der axiale Abstand zwischen den Einrichtungen steigt beim Durchfahren der Bahnbereiche ausgehend vom Beginn des ersten Bahnbereiches bis zum Ende des ersten Bahnbereiches von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert an und nimmt daran anschließend vom Beginn des zweiten Bahnbereiches, der sich direkt an das Ende des ersten Bahnbereiches anschließt, bis zum Ende des zweiten Bahnbereiches, an den sich wiederum ein Beginn eines weiteren ersten Bahnbereiches anschließt, vom zweiten Wert wieder zurück auf den ersten Wert ab.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine mit einer Verringerung des axialen Abstand zwischen den Einrichtungen einhergehende translatorische Antriebsbewegung unabhängig von einer zur einer Vergrößerung des Abstandes äquivalenten translatorischen Betätigungsbewegung einstellbar, da hierfür zwei unterschiedliche Bahnbereiche durchfahren werden, die im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen für die jeweils andere Stellbewegung nicht benötigt werden. Die erfindungsgemäße Lösung bietet auf konstruktiv einfache Art und Weise die Möglichkeit, eine Vergrößerung und eine Verkleinerung des axialen Abstands zwischen den Einrichtungen über dem Verdrehwinkel mit unterschiedlichen Weg- und Kraftverläufen flexibel zu gestalten und an den jeweils vorliegenden Anwendungsfall anpassen zu können.
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Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Einrichtungen lediglich in eine Drehrichtung betätigt wird, ist eine beispielsweise als Elektromotor ausgebildete Antriebseinrichtung vorteilhafterweise klein dimensionierbar und damit bauraum- sowie kostengünstig ausführbar.
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Die Bahnbereiche sind bei vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der ersten Einrichtung und/oder im Bereich der zweiten Einrichtung ausgebildet. Dabei sind die Bahnbereiche bei kostengünstigeren Ausführungen lediglich im Bereich einer der Einrichtungen vorgesehen, während beide Einrichtungen mit Bahnbereichen ausgebildet sind, wenn über dem Drehwinkel der Einrichtungen zueinander größere translatorischen Betätigungsbewegungen darzustellen sind.
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Um ein Betätigungsprofil einer mit der Vorrichtung zusammenwirkenden Baugruppe über einer Drehbewegung der Einrichtungen zueinander in gewünschtem Umfang einstellen zu können, weist wenigstens einer der Bahnbereiche mindestens zwei Bahnabschnitte mit unterschiedlicher Steigung auf.
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Weist wenigstens einer der Bahnbereiche einen als Rastbereich ausgebildeten Bahnabschnitt auf, mittels dem die Einrichtungen in einer zu einem definierten axialen Abstand zwischen den Einrichtungen äquivalenten Stellung zueinander haltbar sind, ist eine mit der Vorrichtung zusammenwirkende Baugruppe ohne wesentliche im Bereich der Antriebseinrichtung aufzubringende Haltekräfte in einem bevorzugten Betriebszustand haltbar.
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Die Wälzkörper sind bei weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kugeln, Tonnen, Rollen, Walzen, Zahnräder oder dergleichen und die Bahnbereiche jeweils daran angepasst ausgebildet, wobei die jeweiligen Ausführungen beispielsweise in Abhängigkeit der jeweils im Bereich der Vorrichtung wirkenden Kräfte auswählbar sind.
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Sind die Einrichtungen über eine Axialkraft erzeugende Einheit gegeneinander gedrückt, ist eine translatorische Stellbewegung beim Durchfahren der Wälzkörper des zweiten Bahnbereiches unter Umständen ohne Antriebsleistung der Antriebseinrichtung realisierbar.
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Bei einer konstruktiv einfachen und mit geringem Aufwand betreibbaren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Axialkraft erzeugende Einheit eine mit zunehmendem axialen Abstand zwischen den Einrichtungen sich vorspannende Federeinrichtung.
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Greift die Federkraft der Federeinrichtung in einer den axialen Abstand zwischen den Einrichtungen verringernden Umfang an den Einrichtungen an, wird ein den axialen Abstand verringernder Antrieb der Antriebseinrichtung auf einfache Art und Weise unterstützt.
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Weist die zweite Einrichtung eine Drehentkopplungseinheit auf, in deren Bereich eine Differenzdrehzahl zwischen der zweiten Einrichtung und einer von der zweiten Einrichtung translatorisch betätigbaren Baugruppe ausgleichbar ist, sind Reibungsverluste und Verschleiß auf einfache Art und Weise reduziert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine beliebige Zahl an Wälzkörpern aufweisen, wobei insbesondere zwei oder drei Wälzkörper vorteilhaft sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es nun ein Schaltelement bzw. eine Kupplung vorzugsweise langsam zu schließen und schnell zu öffnen. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die erste Einrichtung immer in der gleichen Drehrichtung anzutreiben, um ein Öffnen und auch ein Schließen des Schaltelementes über eine axiale Antriebsbewegung zu realisieren. Dabei befinden sich alle Wälzkörper in einer gemeinsamen und umlaufenden Bahn. Durch ständiges Weiterdrehen der ersten Einrichtung werden die Wälzkörper so nach jeder Schaltung in das nächste Bahnsystem verschoben. Nach zwei Umdrehungen der rotierenden Einrichtung haben die Wälzkörper eine Umdrehung ausgeführt. Bei vier Wälzkörpern sind dann beispielsweise vier aufeinanderfolgende Schaltungen durchführbar.
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Um ein über die erfindungsgemäße Vorrichtung darstellbares asymmetrisches Kräfteverhältnis zwischen einem Schließ- und Öffnungsvorgang eines Schaltelementes auf einfache Art und Weise nutzen zu können, kann ein umlaufendes Kugel-Rampe-System mit Connect-Feder eingesetzt werden. Durch einen Elektromotor oder eine hierzu geeigneten äquivalenten Antrieb wird eine Kugelrampenscheibe oder dergleichen verdreht, die bei hoher Übersetzung und daraus resultierendem langsamen axialen Verschieben die Connect-Feder vorspannt. Ist die Feder vorgespannt, wird eine Antriebsbewegung der Antriebseinrichtung bei sich in einem mit geringer Steigung ausgeführtem Bahnabschnitt eines Bahnbereiches befindlichen Wälzkörpern im Wesentlichen auf null reduziert, womit die Vorrichtung ohne zusätzlichen Energieaufwand in vorgespanntem Betriebszustand haltbar ist. Zum axialen Betätigen einer Baugruppe, wie einer Muffe, wird die Einrichtung der Vorrichtung weiter verdreht und es erfolgt bei entsprechender Ausführung der Bahnbereiche ein Übergang der Wälzkörper in einen geringen Übersetzungsbereich der Vorrichtung mit gleichzeitigem Freigeben der Federkraft und Reduzierung des axialen Abstandes zwischen den Einrichtungen. Dabei wirkt die gespeicherte Federkraft und eine Schiebemuffe oder dergleichen ist in gewünschtem Umfang besonders schnell und kraftvoll verschiebbar.
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Die von der Vorrichtung betätigbare Schaltelementeinrichtung kann entweder als form- oder reibschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein, beispielsweise als Scheibenkupplung/-bremse oder Lamellenkupplung/-bremse etc. (= reibschlüssig), oder als Klauenkupplung/-bremse oder Zahnkupplung/-bremse etc. (= formschlüssig). Um eine Übertragungsfähigkeit eines reibschlüssigen Schaltelementes in Richtung größerer oder kleinerer Werte variieren und flexible Drehmomentübertragungseigenschaften im Bereich einer solchen Schaltelementeinrichtung einstellen zu können, ist die erste Einrichtung von der Antriebseinrichtung in beide Drehrichtungen zu betätigen. Wird die Vorrichtung beispielsweise in einem Torque-Vectoring-System eines Kraftfahrzeugs, wie PKW oder LKW, eingesetzt, kann das als Reibkupplung oder Lamellenkupplung ausgebildete Schaltelement auch in einem Rutschzustand betrieben werden, in welchem eine gezielte Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes über die Vorrichtung einstellbar ist.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung in einem Kraftfahrzeuggetriebe, insbesondere Kraftfahrzeugverteilergetriebe (Differentialgetriebe, Allradgetriebe etc.), eingesetzt, um unter Ausnutzung der erzeugten translatorischen Antriebsbewegung eine erste Welle durch eine Schaltelementeinrichtung rotatorisch mit einer zweiten Welle zu koppeln und/oder zu entkoppeln. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Kraftfahrzeuggetriebe, wie ein Kraftfahrzeugverteilergetriebe oder ein Gangwechselgetriebe, welches die Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebes einer Antriebseinrichtung in eine translatorische Antriebsbewegung aufweist sowie zwei Wellen und eine Schaltelementeinrichtung, welche durch die translatorischen Antriebsbewegung der Vorrichtung derart betätigt wird, dass sie die zwei Wellen miteinander drehfest koppelt und/oder zueinander drehbar entkoppelt.
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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.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt:
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1 eine schematisierte Darstellung eines Getriebes mit einer Vorrichtung zum Betätigen eines formschlüssigen Schaltelements, über das eine Welle eines Differentials mit einer Welle eines Rads eines Kraftfahrzeugs drehfest verbindbar ist;
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2 eine schematisierte Darstellung einer Abwicklung von Kugelbahnen der Vorrichtung gemäß 1 bei geschlossenem Schaltelement;
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3 eine 2 entsprechende Darstellung bei geöffnetem Schaltelement;
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4 eine schematische Darstellung einer Abwicklung von Bahnbereichen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Bahnbereichen eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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6 bis 9 mehrere 5 entsprechende Darstellungen weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 ist ein Teil eines Getriebes 1 eines Kraftfahrzeugs stark schematisiert gezeigt, welches eine mit einem Differential koppelbare Differentialwelle 3 und eine mit einem Rad in Wirkverbindung bringbaren Radwelle 5 aufweist, wobei die Differentialwelle 3 und die Radwelle 5 über ein formschlüssiges Schaltelement 7 einer Schaltelementeinrichtung 9 drehfest miteinander in Eingriff bringbar sind. Bei dem Getriebe 1 handelt es sich also insbesondere um ein Fahrzeugverteilergetriebe, i. e. Querverteiler-/Differentialgetriebe. Das innerhalb eines Gehäuses 6 der Getriebevorrichtung 1 angeordnete Schaltelement 7 weist eine als Schiebemuffe ausgebildete erste Schaltelementhälfte 11 und ein zweite Schaltelementhälfte 13 auf, welche einstückig mit der Radwelle 2 ausgebildet ist.
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Die Schiebemuffe 11 ist vorliegend drehfest mit der Differentialwelle 3 verbunden und in Richtung einer Achse 15 der koaxial zueinander angeordneten Radwelle 5 und der Differentialwelle 3 verschiebbar gegenüber der Radwelle 5 angeordnet, beispielsweise mittels einer Keilwellenverbindung.
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Zur axialen Verschiebung der Schiebemuffe 11 ist eine Druckübertragungseinrichtung 17 über eine Vorrichtung 23 mit einer Betätigungskraft F beaufschlagbar und hierdurch zwischen einem drehbar gegenüber der Radwelle 5 angeordneten Zustand und einem drehfest gegenüber der Radwelle 5 angeordneten Zustand verlagerbar. Die Schiebemuffe 11 wird bei einer Verschiebung ausgehend von dem in 1 gezeigten drehbaren Zustand gegenüber der Radwelle 5 mit zunehmendem Verschiebeweg X in Richtung der Differentialwelle 3 in Eingriff mit der zweiten Schaltelementhälfte 13 gebracht. Hierbei werden jeweils miteinander korrespondierende Zahnreihen 19 der Schiebemuffe und 21 der zweiten Schaltelementhälfte 13 im Bereich von Zähnen 19A bis 19C der Schiebemuffe 11 und von Zähnen 21A und 21B der zweiten Schaltelementhälfte miteinander in Überdeckung gebracht, so dass im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 7 einen Formschluss zwischen den Schaltelementhälften 11 und 13 hergestellt wird.
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Die Vorrichtung 23 zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors 25 in eine translatorische Antriebsbewegung ist vorliegend von einer mit dem Elektromotor 25 ausgebildeten Antriebseinrichtung 27 betätigbar. Der in dem Gehäuse 6 gelagerte Elektromotor 25, welcher in einer robusten Ausführung bevorzugt mit einem Verdrehwinkelsensor ausgebildet ist, ist hier über eine als einstufige Stirnradverzahnung ausgeführte Getriebeeinrichtung 31 mit dem ebenfalls in dem Gehäuse 6 gelagerten und gegenüber diesem abgedichteten Kugel-Rampe-System 29 der Vorrichtung 23 wirkverbunden. In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles kann es auch vorgesehen sein, dass die Getriebeeinrichtung 31 als mehrstufige Zahnradübersetzung oder als ein hierzu vergleichbares Übersetzungselement, wie eine Zahnkette, ein Riemen oder dergleichen, ausgeführt ist.
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Das konzentrisch zu der Achse 15 angeordnete Kugel-Rampe-System 29 weist eine erste Einrichtung 33 mit einer vorliegend direkt mit der Getriebeeinrichtung 31 kämmenden und axial fest in dem Gehäuse 6 gelagerten ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 und eine zweite Einrichtung 37 mit einer zweiten drehfest und axial beweglich in dem Gehäuse 6 gelagerten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 auf. Zwischen der ersten verdrehbaren Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 und der zweiten verdrehtest ausgeführten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 sind vorliegend als Kugelelemente 41 ausgebildete Wälzkörper angeordnet, welche bei elektromotorseitiger Betätigung der ersten verdrehbaren Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 zwischen den Kugel-Rampe-Segmentscheiben 35 und 39 abrollen. Die Kugelelemente 41 sind dabei in umlaufenden, jeweils mehrere Bahnabschnitte bzw. Kugelbahnabschnitte aufweisenden Bahnbereichen bzw. Kugelbahnen gelagert, wobei bei einer Verlagerung der Kugelelemente 41 in den Kugelbahnen ein axialer Abstand zwischen den Kugel-Rampe-Segmentscheiben 35 und 39 variiert werden kann.
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Eine axiale Verlagerung der zweiten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 verursacht eine axiale Verstellung der Druckübertragungseinrichtung 17, welche einen hülsenförmigen Mittelbereich 17A aufweist, der sich konzentrisch zu der Achse 15 und in radialer Richtung zwischen einem Teil des Gehäuses 6 und einer Federeinrichtung 45 erstreckt. An den Mittelbereich 17A schließt sich in einem der Radwelle 5 abgewandten Seitenbereich ein sich an der zweiten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 abstütztender, ausgehend von dem Mittelbereich 17A vertikal nach außen verlaufender erster Endbereich 17B an, welcher eine axiale Verlagerungsbewegung der zweiten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 aufnimmt. An einem der Differentialwelle 3 abgewandten Seitenbereich des Mittelbereichs 17A schließt sich ein zweiter, sich ausgehend von dem Mittelbereich 17A vertikal nach innen erstreckender zweiter Endbereich 17C an, welcher in axialer Richtung fest mit der Schiebemuffe 11 verbunden ist. Zwischen dem zweiten Endbereich 17C und einem vertikal nach innen gerichteten Teil des Gehäuses 6 ist eine Anschlagdämpfungseinrichtung 46 vorgesehen.
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Durch eine translatorische Verlagerung der zweiten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 gegenüber der ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 wird neben der über die Druckübertragungseinrichtung 17 verursachten Verlagerung der Schiebemuffe 11 auch eine Federeinrichtung 45 (Connect-Feder) zwischen einer vorgespannten und einer entspannten Position betätigt. Die Federeinrichtung 45 ist in axialer Richtung zwischen dem Endbereich 17C der Druckübertragungseinrichtung 17 und einer Halteplatte 43 und in radialer Richtung zwischen dem Mittelbereich 17A der Druckübertragungseinrichtung 17 und der Schiebemuffe 11 angeordnet. Zudem ist eine weitere Federeinrichtung 47 zum Halten des Kugel-Rampen-Systems 29 vorgesehen, welche zwischen der zweiten Einrichtung 37 des Kugel-Rampe-Systems 29 und der Halteplatte 43 angeordnet ist und welche eine Federstärke aufweist, welche geringer als eine Federstärke der Federeinrichtung 45 ist. Die Federeinrichtung 45 oder 47 kann, wie gezeigt, bevorzugt als Schraubenfeder ausgeführt sein. Alternativ kann sie jedoch auch als Wellfeder(n) oder Tellerfeder(n) etc. ausgeführt sein.
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Anhand der 2 und 3, welche eine vereinfachte Abwicklung des Kugel-Rampe-Systems 29 zeigen, wird im Folgenden die Umwandlung der rotatorischen Antriebsbewegung durch den mit der ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 in eine translatorische Bewegung der zweiten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 näher beschrieben.
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Die in 2 dargestellte Abwicklung zeigt das Kugel-Rampe-System 29 in einer Position, in welcher die Schiebemuffe 11 drehbar gegenüber der Radwelle 5 gelagert ist und das Schaltelement 7 somit geöffnet ist. Dabei ist ersichtlich, dass sowohl die verdrehbare Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 drei im Wesentlichen identisch ausgebildete Kugelbahnen 51A, 51B und 51C mit jeweils zwei Bahnabschnitten als auch die im Wesentlichen baugleich zu der Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 ausgebildete, verdrehfeste Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 drei im Wesentlichen identisch zu den Kugelbahnen 51A, 51B und 51C ausgebildete Kugelbahnen 53A, 53B und 53C mit jeweils zwei Bahnbereichen aufweisen, welche jeweils komplett umlaufend an den Einrichtungen 33 bzw. 37 angeordnet sind und jeweils eine durchgängige Bahn bilden. Entsprechend schließt sich an die Kugelbahn 51C die Kugelbahn 51A sowie an die Kugelbahn 53C die Kugelbahn 53A an.
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Das Kugel-Rampe-System 29 befindet sich im in 2 dargestellten Betriebszustand in ihrem Grundzustand, in dem drei Kugelelemente 41A, 41B und 41C jeweils im tiefsten Punkt der Kugelbahnen 51A, 51B, 51C und 53A, 53B, 53C angeordnet sind und in dem ein axialer Abstand A zwischen Außenseiten 55, 57 der Kugel-Rampe-Segmentscheiben 35 und 39 minimal ist. Durch ein Verdrehen der verdrehbaren ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 in der durch den Pfeil 59 näher gekennzeichneten Richtung rollen die Kugelelemente 41A, 41B und 41C innerhalb der Kugelbahnen 51A, 51B, 51C und 53A, 53B, 53C ab.
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Die Kugelbahnen 51A, 51B, 51C und 53A, 53B, 53C sind in der gezeigten Darstellung im Wesentlichen spiegelsymmetrisch mit jeweils drei Kugelbahnabschnitten 51A1, 51B1, 51C1, 51A2, 51B2, 51C2, 51A3, 51B3, 51C3 bzw. 53A1, 53VB1, 53C1, 53A2, 53B2, 53C2, 53A3, 53B3, 53C3 ausgebildet, wobei die ersten Kugelbahnabschnitte 51A1, 51B1, 51C1 bzw. 53A1, 53B1, 53C1 mit einer in Bezug auf parallel zueinander ausgerichtete und einander zugewandten Flächen der Einrichtungen 33, 37 geringen positiven Steigung von vorliegend zwischen 2° und 3° ausgeführt sind. Hierdurch führt ein Verdrehen der verdrehbaren Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 und ein hierdurch bedingter Abrollvorgang der Kugelelemente 41A, 41B, 41C im Bereich der ersten Kugelbahnabschnitte 51A1, 51B1, 51C1, 53A1, 53B1, 53C1 zu einer langsamen Vergrößerung des Abstandes A zwischen den Außenseiten 55, 57 der Kugel-Rampe-Segmentscheiben 35 und 39 und somit zu einem langsamen Öffnungsvorgang des Schaltelements 7, wobei hierbei große Kräfte übertragen werden können.
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Die sich jeweils an die ersten Kugelbahnabschnitte 51A1, 51B1, 51C1, 53A1, 53B1, 53C1 anschließenden zweiten Kugelbahnabschnitte 51A2, 51B2, 51C2, 53A2, 53B2, 53C2 weisen eine Steigung gleich Null auf. Über die waagrechten Abschnitte bzw. die zweiten Kugelbahnabschnitte 51A2, 51B2, 51C2, 53A2, 53B2, 53C2 wird die Übersetzung des Kugel-Rampe-Systems 29 bei sich in diesem Bereich befindlichen Kugelelementen 41A, 41B, 41C zeitweise neutralisiert, um einen so genannten Ruheabschnitt bzw. eine erste Rastposition 63 für die Kugelelemente 41A, 41B, 41C zu schaffen, wobei bei sich in der ersten Rastposition 63 befindlichen Kugelelementen 41A, 41B, 41C in axialer Richtung angreifende Kräfte nicht in Richtung des Elektromotors 25 rückgekoppelt werden und das formschlüssige Schaltelement 7 ohne Aufbringen einer elektromotorseitigen Betätigungskraft im aktuellen Betriebszustand haltbar ist. Die Außenseiten 55, 57 der Kugel-Rampe-Segmentscheiben 35 und 39 weisen bei sich in dem zweiten Kugelbahnschnitten 51A, 51B2, 51C2, 53A2, 53B2, 53C2 befindlichen Kugelelementen 41A, 41B, 41C vorliegend den größtmöglichen Abstand A zueinander auf, wobei dieser Zustand in 3 ersichtlich ist. Das Schaltelement 7 ist in diesem Zustand geöffnet, d. h. die Schiebemuffe 11 ist gegenüber der Radwelle 5 drehbar.
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An die zweiten Kugelbahnabschnitte 51A, 51B2, 51C2, 53A2, 53B2, 53C2 wiederum schließen sich dritte Kugelbahnabschnitte 51A3, 51B3, 51C3, 53A3, 53B3, 53C3 an, welche jeweils bezogen auf parallel zueinander ausgerichtete und einander zugewandten Flächen der Einrichtungen 33, 37 eine negative Steigung aufweisen, die vorliegend im Bereich zwischen 15° und 20° liegt. Damit wird erreicht, dass bei im Bereich der dritten Kugelbahnabschnitte 51A3, 51B3, 51C3, 53A3, 53B3, 53C3 abrollenden Kugelelementen 41A, 41B, 41C bei gleichen Differenzdrehwinkeln der verdrehbaren Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 gegenüber der verdrehfesten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 39 eine größere Veränderung des Abstandes A erzielt wird als beim Überfahren der ersten Kugelbahnabschnitte 51A1, 51B1, 51C1, 53A1, 53B1, 53C1. Eine Untersetzung im Bereich der dritten Kugelbahnabschnitte 51A3, 51B3, 51C3, 53A3, 53B3, 53C3 ist dabei größer als im Bereich der ersten Kugelbahnabschnitte 51A1, 51B1, 51C1, 53A1, 53B1, 53C1, wobei beim Durchfahren der dritten Kugelbahnabschnitte 51A3, 51B3, 51C3, 53A3, 53B3, 53C3 durch die Federkraftunterstützung der Federeinrichtung 45 lediglich geringe antriebsseitige Betätigungskräfte benötigt werden.
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Wiederum an die dritten Kugelbahnabschnitte 51A3, 51B3, 51C3 bzw. 53A3, 53B3, 53C3 schließt sich der erste Kugelbahnabschnitt 51A1, 51B1, 51C1 bzw. 53A1, 53B1, 53C1 der folgenden Kugelbahn 51B, 51C, 51A bzw. 53B, 53C, 53A an, so dass das jeweilige Kugelelement 41A, 41B, 41C nach einem Durchlaufen einer Kugelbahn 51A, 51B, 51C bzw. 53A, 53B, 53C durch eine in der gleichen Drehrichtung fortgesetzten Drehung der Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 in die darauffolgende Kugelbahn 51B, 51C, 51A bzw. 53B, 53C, 53A bewegt wird und die jeweiligen Kugelbahnabschnitte durchläuft.
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Dabei umfassen erste Bahnbereiche der Kugelbahnen 51A, 51B, 51C und 53A, 53B, 53C jeweils die beiden ersten Kugelbahnabschnitte 51A1 und 51A2, 51B1 und 51B2, 51C1 und 51C2 bzw. 53A1 und 53A2, 53B1 und 53B2, 53C1 und 53C2. Zweite Bahnbereiche der Kugelbahnen 51A, 51B, 51C und 53A, 53B, 53C entsprechen vorliegend jeweils den dritten Kugelbahnabschnitten 51A3, 51B3, 51C3 bzw. 53A3, 53B3, 53C3.
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Im Bereich des Kugel-Rampe-Systems 29 wird eine von dem Elektromotor 25 der Antriebseinrichtung 23 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 31, dem Durchmesser einer Kugelbahn sowie der Steigung der Kugelbahn innerhalb der Kugelbahnebene. Durch entsprechende Auslegung der Radien und der Steigungen des Kugel-Rampe-Systems 29 sind die gewünschten Untersetzungs-/Übersetzungsverhältnisse zur Verfügung stellbar.
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Bei der in der 2 gezeigten Darstellung befinden sich die Kugelelemente 41A, 41B, 41C jeweils in einem eine zweite Rastposition 61 darstellenden Übergangsbereich zwischen den dritten Kugelbahnabschnitten 51A3, 51B3, 51C3 bzw. 53A3, 53B3, 53C3 einer Kugelbahn 51A, 51B, 51C bzw. 53A, 53B, 53C und den ersten Kugelbahnabschnitten 51A1, 51B1, 51C1 bzw. 53A1, 53B1, 53C1 einer darauffolgenden Kugelbahn 51B, 51C, 51A bzw. 53B, 53C, 53A. Eine Axialkrafteinwirkung auf das Kugel-Rampe-System 29 erzeugt keine in Umfangsrichtung der ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 wirkende Kraft, so dass das formschlüssige Schaltelement 7 ohne Aufbringen einer elektromotorseitigen Betätigungskraft im aktuellen Betriebszustand haltbar ist.
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Die vorbeschriebene konstruktive Ausgestaltung der Kugelbahnen 51A, 51B, 51C bzw. 53A, 53B, 53C des Kugel-Rampe-Systems 29 resultiert aus der Tatsache, dass ausgehend von einem geschlossenen Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes 7 das Schaltelement 7, wenn die Kugelelemente 41A, 41B, 41C die ersten Kugelbahnabschnitte 51A1, 51B1, 51C1, 53A1, 53B1, 53C1 durchlaufen, langsam mit großer Krafteinwirkung geöffnet wird. Die Öffnungsbewegung des Schaltelements 7 wird durch eine translatorische Verlagerung der Druckübertragungseinrichtung 17 in Richtung der Halteplatte 43 verursacht, wobei die Schiebemuffe 11 hierdurch entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 45 in formschlüssigen Eingriff mit der zweiten Schaltelementhälfte 13 gebracht wird.
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Nach Überwindung der zweiten Kugelbahnabschnitte 51A2, 51B2, 51C2, 53A2, 53B2, 53C2 und bei einem Durchlaufen der dritten Kugelbahnabschnitte 51A3, 51B3, 51C3, 53A3, 53B3 wird das Schaltelement 7 schnell und mit geringer Krafteinwirkung durch den Elektromotor 25 mit Unterstützung der vorgespannten Federeinrichtung 45 geschlossen, wobei eine Bewegung der Druckübertragungseinrichtung 17 in eine der Halteplatte 43 abgewandte Richtung von dem Kugel-Rampen-System 29 zugelassen und von der Federkraft der Federeinrichtung 45 unterstützt bzw. bei gegebenenfalls stromlos geschaltetem Elektromotor 25 alleine durchgeführt werden kann.
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Nach zwei vollständigen Umdrehungen der drehbaren ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 haben die Kugelelemente 41A, 41B, 41C jeweils eine Umdrehung durchgeführt. Bei der vorliegenden Ausführung mit drei Kugelelementen 41A, 41B, 41C entsprechen somit zwei vollständige Umdrehungen der ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe 35 drei kompletten Schließ- und Öffnungsvorgängen des Schaltelements 7.
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4 zeigt exemplarisch eine abgewickelt dargestellte und alternativ ausgebildete Kugelbahn 71 in Alleinstellung mit einem ersten Kugelbahnabschnitt 71A, einem zweiten Kugelbahnabschnitt 71B und einem dritten Kugelbahnabschnitt 71C, wobei ein erster Bahnbereich die beiden ersten Kugelbahnabschnitte 71A und 71B und ein zweiter Bahnbereich den dritten Kugelbahnabschnitt 71C umfasst. Die Kugelbahn 71, welche wie die Kugelbahnen 51A, 51B, 51C und 53A, 53B, 53C des Kugel-Rampe-Systems 29 an der ersten Einrichtung 33 und der zweiten Einrichtung 37 fortlaufend angeordnet werden kann, unterscheidet sich von den Kugelbahnen 51A, 51B, 51C und 53A, 53B, 53C lediglich in der Ausführung des zweiten Kugelbahnabschnitts 71B. Dieser weist im Unterschied zu den vollständig plan verlaufenden zweiten Kugelbahnabschnitten 51A2, 51B2, 51C2, 53A2, 53B2, 53C2 der Kugelbahnen 51 und 53 etwa mittig eine durchgängig (konkav) gebogene, eine zweite Rastposition 75 für die Kugelelemente 41A, 41B, 41C definierende Vertiefung 73 (Rastmulde) auf, wobei sowohl zwischen der Vertiefung 73 und dem ersten Kugelbahnabschnitts 71A als auch zwischen der Vertiefung 73 und dem dritten Kugelbahnabschnitts 71C sich jeweils ein kurzer plan verlaufender Kugelbahnabschnitt 76 bzw. 77 an die Vertiefung 73 anschließt. Zur Bewegung der Kugelelemente 41A, 41B, 41C aus der zweiten Rastposition 75 heraus muss somit ein geringer axialer Weg Y überwunden werden.
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In 5 ist eine weitere alternativ ausgebildete Kugelbahn 81 mit einem zweiten Kugelbahnabschnitt 79 ersichtlich, wobei die Kugelbahn 81 sich lediglich durch die Ausbildung des zweiten Kugelbahnabschnitts 79 von der in der 4 gezeigten Kugelbahn 71 unterscheidet. Im Unterschied zu der durchgängig gebogenen Vertiefung 75 weist eine Vertiefung 83 der Kugelbahn 81 jeweils randseitig (konkav) gebogene bzw. gekrümmte Abschnitte 85, 87 und einen planen mittleren Abschnitt 89 auf.
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Eine weitere alternativ ausgeführte Kugelbahn 91 ist in der 6 gezeigt. Die Kugelbahn 91 entspricht weitestgehend der in der 5 ersichtlichen Kugelbahn 81 mit dem Unterschied, dass ein dem dritten Kugelbahnabschnitt 71C zugewandter Abschnitt der Vertiefung 83 nicht gebogen, sondern mit einer bezogen auf parallel zueinander ausgerichtete und einander zugewandten Flächen der Einrichtungen 33, 37 konstanten Steigung 93 ausgeführt ist.
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In 7 ist eine weitere alternative Ausführung einer Kugelbahn 95 gezeigt, welche eine Vertiefung 97 mit zwei Stufen aufweist, wobei ein an den planen Kugelbahnabschnitt 76 angrenzender Teil der Vertiefung im Wesentlichen analog zu der Vertiefung 83 gemäß 6 und zusätzlich mit dem Unterschied ausgebildet ist, dass die Steigung 93 einen geringeren axialen Weg überbrückt. In Richtung des dritten Kugelbahnabschnitts 71C schließt sich an die Steigung 93 wiederum ein planer Bereich 99 mit einer weiteren darauf folgenden Steigung 101 an, welche hier eine geringere Neigung als die Steigung 93 aufweist, und die wiederum an den planen Kugelbahnabschnitt 77 grenzt. Zur Überführung des sich im Bereich der Vertiefung 97 befindlichen Kugelelementes 41 auf den planen Kugelbahnabschnitt 99 ist ein erster axialer Weg Z1, und zur weiteren Überführung des Kugelelements 41 auf den planen Kugelbahnabschnitt 77 ist ein zweiter axialer Weg Z2 zu überwinden.
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8 zeigt eine weitere alternativ ausgeführte Kugelbahn 103, welche mit zwei über einen kurzen planen Kugelbahnabschnitt 104 aneinander grenzenden Vertiefungen ausgebildet ist. Eine an den planen Kugelbahnabschnitt 76 grenzende Vertiefung 105 ist dabei im Wesentlichen analog zu der Vertiefung 83 der 5 ausgeführt. In Richtung des dritten Kugelbahnabschnitts 71C grenzt an den planen Kugelbahnabschnitt 76 eine weitere Vertiefung 107 mit jeweils endseitigen Steigungen 109, 111 und einem zwischen den Steigungen 109, 111 plan verlaufenden Kugelbahnabschnitt 110, so dass die Kugelbahn 103 im Bereich des zweiten Kugelbahnabschnitts zwei zweite Rastpositionen für die Kugelelemente 41 aufweist. Zur Überführung des Kugelelements 41 von der Vertiefung 105 auf den planen Kugelbahnabschnitt 110 ist ein erster axialer Weg V1 und zur Überführung des Kugelelements 41 von der weiteren Vertiefung 107 auf den planen Kugelbahnabschnitt 77 ein zweiter axialer Weg V2 zu überwinden, wobei der erste axiale Weg V1 vorliegend größer als der zweite axiale Weg V2 ist.
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9 schließlich zeigt eine weitere alternativ ausgebildete Kugelbahn 113, wobei sich an den planen Kugelbahnabschnitt 76 in Richtung des dritten Kugelbahnabschnitts 71C ein kurze bezogen auf parallel zueinander ausgerichtete und einander zugewandten Flächen der Einrichtungen 33, 37 negative Steigung 115 mit anschließendem planen Kugelbahnabschnitt 117 anschließt, welcher direkt an den dritten Kugelbahnabschnitt 71C grenzt. Bei der Überführung eines Kugelelements 41 von dem planen Kugelbahnabschnitt 76 auf den planen Kugelbahnabschnitt 117 überwindet das Kugelelement 41 einen Abstand zwischen den Einrichtungen 33, 37 reduzierenden Weg W.
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Es sei angemerkt, dass die in 1 bis 9 dargestellten Wälzkörper (Kugel 41, 41A, 41B, 41C) auch anders geeignet ausgeführt sein können, beispielsweise als Rollen, Tonnen, Walzen, Zahnräder etc. Die Bahnen bzw. deren Oberflächen, auf welchen die Wälzkörper abrollen, sind dann entsprechend der jeweiligen Wälzkörperausführung ausgebildet.
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Alternativ zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der hier beschriebene Betätigungsmechanismus auch zur Ansteuerung bzw. Betätigung von nicht rotierenden Systemen, die beispielsweise einen nach dem Kugelschreiberbetätigungsprinzip bzw. -aktivierungsprinzip arbeitendes Wirkprinzip aufweisen, eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 3
- Differentialwelle
- 5
- Radwelle
- 6
- Gehäuse
- 7
- Schaltelement
- 9
- Schaltelementeinrichtung
- 11
- erste Schaltelementhälfte; Schiebemuffe
- 13
- zweite Schaltelementhälfte
- 15
- Achse
- 17
- Druckübertragungseinrichtung
- 17A
- Mittelbereich der Druckplatte
- 17B
- erster Endbereich der Druckplatte
- 17C
- zweiter Endbereich der Druckplatte
- 19
- Zahnreihe der ersten Schaltelementhälfte
- 19A bis 19C
- Zähne der ersten Schaltelementhälfte
- 21
- Zahnreihe der zweiten Schaltelementhälfte
- 21A, 21B
- Zähne der zweiten Schaltelementhälfte
- 23
- Vorrichtung
- 25
- Elektromotor
- 27
- Antriebseinrichtung
- 29
- Kugel-Rampe-System
- 31
- Getriebeeinrichtung
- 33
- erste Einrichtung
- 35
- erste Kugel-Rampe-Segmentscheibe
- 37
- zweite Einrichtung
- 39
- zweite Kugel-Rampe-Segmentscheibe
- 41, 41A bis 41C
- Wälzkörper; Kugelelement
- 43
- Halteplatte
- 45
- Federeinrichtung
- 46
- Anschlagdämpfungseinrichtung
- 47
- weitere Federeinrichtung
- 51A bis 51C
- Kugelbahnen der ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe
- 51A1, 51B1, 51C1
- erster Kugelbahnabschnitt
- 51A2, 51B2, 51C2
- zweiter Kugelbahnabschnitt
- 51A3, 51B3, 51C3
- dritter Kugelbahnabschnitt
- 53A bis 53C
- Kugelbahnen der zweiten Kugel-Rampe-Segmentscheibe
- 53A1, 53B1, 53C1
- erster Kugelbahnabschnitt
- 53A2, 53B2, 53C2
- zweiter Kugelbahnabschnitt
- 53A3, 53B3, 53C3
- dritter Kugelbahnabschnitt
- 55
- Außenseite der ersten Kugel-Rampe-Segmentscheibe
- 57
- Außenseite der zweiten Kugel-Rampe-Segmentscheibe
- 59
- Pfeil
- 61
- zweite Rastposition
- 63
- erste Rastposition
- 71
- Kugelbahn
- 71A bis 71C
- Kugelbahnabschnitt
- 73
- Vertiefung
- 75
- zweite Rastposition
- 76
- planer Kugelbahnabschnitt
- 77
- planer Kugelbahnabschnitt
- 79
- zweiter Kugelbahnabschnitt
- 81
- Kugelbahn
- 83
- Vertiefung
- 85
- gekrümmter Abschnitt
- 87
- gekrümmter Abschnitt
- 89
- mittlerer Abschnitt
- 91
- Kugelbahn
- 93
- Steigung
- 95
- Kugelbahn
- 97
- Vertiefung
- 99
- planer Kugelbahnabschnitt
- 101
- Steigung
- 103
- Kugelbahn
- 104
- planer Kugelbahnabschnitt
- 105
- Vertiefung
- 107
- weitere Vertiefung
- 109
- Steigung
- 110
- planer Kugelbahnabschnitt
- 111
- Steigung
- 113
- Kugelbahn
- 115
- Steigung
- 117
- planer Kugelbahnabschnitt
- A
- Abstand
- X
- Verschiebeweg
- V1, V2, W, Y, Z1, Z2
- axialer Weg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053555 B3 [0002]
- DE 1755392 A1 [0006]
