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Die Erfindung betrifft einen Freilauf, mit dessen Hilfe wahlweise eine Drehmomentübertragung zugelassen oder unterbrochen werden kann, insbesondere zur wahlweisen Zuschaltung einer elektrischen Maschine an einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Aus
DE 10 2012 214 556 A1 ist ein schaltbarer Rollenfreilauf für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem ein Innenring mit einem Außenring über in einem Umschaltkäfig aufgenommene Rollen wahlweise verklemmt werden kann. Die Innenring und der Außenring sind über zwei nebeneinander positionierte Kugellager gelagert. In axialer Richtung neben den beiden Kugellagern ist der Umschaltkäfig mit den Rollen angeordnet, wobei der Umschaltkäfig an der von den beiden Kugellagern weg weisenden Axialseite zwischen dem Innenring und dem Außenring axial herausragt, um den Umschaltkäfig für eine Umschaltung des Rollenfreilaufs verdrehen zu können.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Lebensdauer von schaltbaren Freiläufen zu erhöhen. Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen schaltbaren Freilauf mit einer hohen Lebensdauer ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Freilauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Freilauf, insbesondere zur wahlweisen Zuschaltung einer elektrischen Maschine an einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen mit einem Innenring zum Einleiten und/oder Ausleiten eines Drehmoments, einem radial außerhalb zum Innenring angeordneten Außenring zum Ausleiten und/oder Einleiten des Drehmoments, mindestens einem zwischen dem Innenring und dem Außenring vorgesehenen Sperrkörper zum Sperren des Innenrings mit dem Außenring zur Drehmomentübertragung, einem den mindestens einen Sperrkörper aufnehmenden Umschaltkäfig zur Bewegung des Sperrkörpers zwischen einer Sperrstellung zur drehfesten Verbindung des Innenrings mit dem Außenring und einer Freilaufstellung zur Entkoppelung des Innenrings von dem Außenring, einem mit dem Innenring und dem Außenring verbundenen Stützlager zur Lagerung des Außenrings relativ zum Innenring, einem mit dem Innenring verbundenen Innenlager, einem mit dem Außenring verbundenen Außenlager und einem von dem Innenlager und dem Außenlager gelagerten Schaltelement zur Verdrehung des Umschaltkäfigs zwischen der Freilaufstellung und der Sperrstellung.
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Eine in eine erste Axialrichtung weisende erste Axialseite des Sperrkörpers kann auf das Stützlager zu weisen, während eine in eine entgegen der ersten Axialrichtung weisende zweite Axialrichtung weisende zweite Axialseite des Sperrkörpers auf das Innenlager und das Außenlager zu weist. Der Außenring und der Innenring können dadurch bezogen auf den Sperrkörper beidseitig gelagert sein, so dass im Vergleich zu einer einseitigen Lagerung ein Verkippen und/oder ein Achsversatz des Innenrings zum Außenring besser vermieden werden kann. Insbesondere kann eine Krafteinleitung in den Freilauf zwischen dem Stützlager einerseits und dem Innenlager und dem Außenlager andererseits erfolgen, wodurch eine günstigere Abtragung der auftretenden Lasten erfolgen kann. Dadurch können auch bei hohen Lasten vergleichsweise geringe Biegemomente realisiert werden, wodurch die Bauteilbelastungen reduziert sind. Durch das zwischen dem Innenlager und dem Außenlager hindurch geführte Schaltelement bleibt eine Schaltbarkeit des Freilauft erhalten, wobei die Lagerung und Abstützung des Innenrings zum Außenring mit Hilfe des Innenlagers und des Außenlagers mittelbar über das durch das Innenlager und das Außenlager gelagerte Schaltelement erfolgen kann. Durch die zueinander beabstandete beidseitige Lagerung des Innenrings zum Außenring ohne die Schaltbarkeit des Freilaufs zu beeinträchtigen, können Bauteilbelastungen und Verschleiß reduziert werden, so dass ein schaltbarer Freilauf mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist.
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In der Sperrstellung kann der Freilauf mittelbar über den Sperrkörper ein Drehmoment zwischen dem Innenring und dem Außenring übertragen. Insbesondere sind mehrere Sperrkörper vorgesehen, die vorzugsweise in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt positioniert sind. In der Freilaufstellung kann der Innenring relativ zum Außenring rotieren, so dass eine Drehmomentübertragung zwischen dem Innenring und dem Außenring unterbrochen ist. Für einen Wechsel zwischen der Freilaufstellung und mindestens einer Sperrstellung kann der Umschaltkäfig mit Hilfe des Schaltelements relativ zum Innenring und/oder zum Außenring verdreht werden, um die Position und/oder die Winkellage des Sperrkörpers zu verändern. Das Stützlager kann in direktem Kontakt mit dem Innenring und mit dem Außenring stehen. Insbesondere kann durch das Stützlager ein Zwischenraum zwischen dem Innenring und dem Außenring, in dem der mindestens eine Sperrkörper angeordnet ist, in axialer Richtung vergleichbar zu einem Deckel abgedeckt sein. Bei der Lagerung des Innenrings mit dem Außenring über das Innenlager und das Außenlager kann ein radialer Kraftfluss über das Schaltelement erfolgen. Das Schaltelement ist hierbei nicht durch einen Lagerkäfig eines sowohl an dem Innenring als auch an dem Außenring anliegendes Lager hindurchgeführt, sondern kann an einer Außenseite des Innenlagers und einer Innenseite des Außenlagers anliegen. Dadurch kann im Wesentlichen der gesamte Umfang des Innenlagers und des Außenlagers für die Lagerung verwendet werden ohne für das Schaltelement Zwischenräume vorzusehen. Das Stützlager, das Innenlager und das Außenlager können dadurch insbesondere als kostengünstige Normbauteile ausgestaltet sein.
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Insbesondere ist das Schaltelement formschlüssig mit dem Umschaltkäfig verbunden. Das Schaltelement kann beispielsweise einen ersten Anschlag, über den der Umschaltkäfig in eine erste Umfangsrichtung verdreht werden kann, und einen zweiten Anschlag, über den der Umschaltkäfig in eine entgegen der ersten Umfangsrichtung weisenden zweiten Umfangsrichtung verdreht werden kann, aufweisen. Dies ermöglicht es einen Freiwinkel zwischen dem Schaltelement und dem Umschaltkäfig vorzusehen. Das Schaltelement kann auch mit dem Umschaltkäfig drehfest verbunden sein, wodurch es insbesondere möglich ist Zwischenstellungen zwischen zwei maximal möglichen Extremstellungen des Umschaltkäfigs in Umfangsrichtung anzusteuern und in dieser Winkellage zu halten.
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Vorzugsweise ist das Schaltelement einstückig mit dem Umschaltkäfig ausgestaltet. Das Schaltelement kann beispielsweise zusammen mit dem Umschaltkäfig aus einem Blech ausgestanzt und umgeformt sein. Durch die einstückige Ausgestaltung ist eine drehfeste Verbindung gegeben, wodurch es insbesondere möglich ist Zwischenstellungen zwischen zwei maximal möglichen Extremstellungen des Umschaltkäfigs in Umfangsrichtung anzusteuern und in dieser Winkellage zu halten. Ferner ergibt sich eine geringe Bauteileanzahl, die insbesondere die Montage des Freilaufs vereinfacht.
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Besonders bevorzugt weist das Schaltelement ein in Umfangsrichtung geschlossenes Rohrstück auf, wobei das Rohrstück radial außen an dem Außenlager und radial innen an dem Innenlager anliegt. Durch das Rohrstück ergibt sich für das Schaltelement radial außen und radial innen eine zylindrische geschlossene Lauffläche, die an dem Innenlager beziehungsweise an dem Außenlager anliegen kann. Insbesondere kann das Schaltelement einen Innenring des Außenlagers und/oder einen Außenring des Innenlagers ausbilden, so dass ein Rollkörper des insbesondere als Wälzlager ausgestalteten Innenlagers beziehungsweise Außenlagers direkt an dem Schaltelement abrollen kann.
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Insbesondere ist das Außenlager in axialer Richtung zu dem Innenlager versetzt angeordnet. Durch die in axialer Richtung versetzte Anordnung des Außenlagers zum Innenlager kann insbesondere auf eine in radialer Richtung sich verändernde axiale Erstreckung des Umschaltkäfigs in einer bauraumsparenden Weise Rücksicht genommen werden. Dies ermöglicht größere konstruktive Freiheiten in der geometrischen Ausgestaltung des Umschaltkäfigs.
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Vorzugweise ist das Stützlager und/oder das Außenlager und/oder das Innenlager als Kugellager, Rollenlager, Nadellager oder Gleitlager ausgestaltet. Insbesondere kann ein Wälzlager vorgesehen sein, das beispielsweise in einem Käfig geführte Rollkörper aufweist, wobei der Rollkörper direkt auf den zu lagernden Bauteilen abrollen kann. Der Rollkörper kann den Innenring, den Außenring beziehungsweise das Schaltelement direkt kontaktieren.
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Besonders bevorzugt ist der Sperrkörper als Kugel, Rolle, Klemmkörper oder Klinke ausgestaltet. Der Freilauf kann dadurch als Kugelfreilauf, Rollenfreilauf, Klemmkörperfreilauf beziehungsweise Klinkenfreilauf ausgestaltet sein, die jeweils mit Hilfe des Schaltelements schaltbar ausgestaltet sind.
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Insbesondere sind der Innenring, der Außenring und das Sperrelement derart konturiert, dass bei einer Positionierung des Umschaltkäfigs in einer ersten Winkellage in einer ersten Sperrstellung eine Relativdrehung des Innenrings zum Außenring in einer ersten Umfangsrichtung und in einer zur ersten Winkellage in Umfangsrichtung versetzten zweiten Winkellage des Umschaltkäfigs in einer zweiten Sperrstellung eine Relativdrehung des Innenrings zum Außenring in einer entgegen der ersten Umfangsrichtung gerichteten zweiten Umfangsrichtung gesperrt ist. Dies ermöglicht es wahlweise die Wirkrichtung des Freilaufs umzukehren. Hierzu kann beispielsweise der Außenring an seiner radialen Innenseite und/oder der Innenring an seiner radialen Außenseite eine von der Zylinderform abweichende Konturierung, insbesondere einen eckigen Querschnitt, aufweisen. Dadurch kann sich zwischen dem Innenring und dem Außenring ein Zwischenraum mit einer sich in Umfangsrichtung veränderlichen radialen Erstreckung ergeben. Dadurch kann Sperrelement in einem Bereich des Zwischenraums mit einer geringen radialen Erstreckung zwischen dem Innenring und dem Außenring zur Drehmomentübertragung verkeilt werden und in einem in einem Bereich des Zwischenraums mit einer großen radialen Erstreckung zur Unterbrechung einer Drehmomentübertragung zu dem Innenring und/oder zu dem Außenring radial beabstandet oder gleitend positioniert sein. Ferner ist es möglich das Sperrelement mit einem von einer Kreisform verschiedenen Querschnitt auszugestalten, so dass das Sperrelement in einer im Wesentlichen in radialer Richtung aufrechten Position den Innenring mit dem Außenring verklemmen kann und in einer dazu verkippten Position eine Drehmomentübertragung unterbricht.
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Vorzugsweise greift an dem Sperrkörper mindestens ein in Umfangsrichtung wirkendes Federelement, insbesondere eine als Druckfeder wirkende Spiralfeder, an, wobei das Federelement an dem Umschaltkäfig oder einem in Umfangsrichtung nachfolgenden Sperrkörper abgestützt ist. Ein Wechsel zwischen der Sperrstellung und der Freilaufstellung kann dadurch gedämpft und sanfter erfolgen. Ferner kann der Sperrkörper, wenn der Sperrkörper von dem Umschaltkäfig in die Sperrstellung gedrückt wird, mit einer durch das Federelement ansteigenden Federkraft verklemmt werden. Dadurch ist ein sicheres Verklemmen des Sperrkörpers ermöglicht, wobei der Sperrkörper bei nachlassender Federkraft, wenn der Umschaltkäfig von der Sperrstellung weg bewegt wird, leicht aus der Sperrstellung heraus bewegt werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Kraftfahrzeugmotor, insbesondere Verbrennungsmotor oder elektrische Maschine, einem Kraftfahrzeuggetriebe und einem zwischen dem Kraftfahrzeugmotor und dem Kraftfahrzeuggetriebe zwischengeschalteten Freilauf, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur wahlweisen Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Kraftfahrzeugmotor und dem Kraftfahrzeuggetriebe und/oder einem zwischen zwei Kraftfahrzeugmotoren zwischengeschalteten Freilauf, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur wahlweisen Übertragung eines Drehmoments zwischen den Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere zum Starten eines Verbrennungsmotors mit Hilfe einer elektrischen Maschine und/oder zur Rekuperation. Durch die zueinander beabstandete beidseitige Lagerung des Innenrings zum Außenring ohne die Schaltbarkeit des Freilaufs zu beeinträchtigen, können Bauteilbelastungen und Verschleiß reduziert werden, so dass ein einen derartigen schaltbaren Freilauf aufweisender Antriebsstrang mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist. Mit Hilfe des Freilaufs kann insbesondere wahlweise ein Verbrennungsmotor und/oder eine elektrische Maschine an- und/oder abgekoppelt werden, so dass beispielsweise mit Hilfe der elektrischen Maschine der Verbrennungsmotor gestartet werden kann, ein mit Hilfe des Verbrennungsmotors rein mechanischer Betrieb des Antriebsstrangs ermöglicht ist, ein mit Hilfe der elektrischen Maschine rein elektrischer Betrieb des Antriebsstrangs ermöglicht ist, über einen zum Energieeintrag des Verbrennungsmotors mit Hilfe der elektrischen Maschine zusätzlichen Energieeintrag ein Boost-Betrieb ermöglicht ist, im Generatorbetrieb der elektrischern Maschine Bremsenergie rückgewonnen werden kann („Rekuperation“), im Generatorbetrieb der elektrischern Maschine ein elektrischer Energiespeicher, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, aufgeladen werden kann und/oder bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor und stehendem Kraftfahrzeug ein Nebenaggregat, insbesondere ein Klimakompressor einer Klimaanlage für einen Standklimatisierungsbetrieb, elektrisch betrieben werden kann. Insbesondere weist der Antriebsstrang ein Planetengetriebe auf, über das der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine miteinander gekoppelt werden können, wobei mit Hilfe des Freilaufs das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes, insbesondere zwischen 1:1 und 1:3, geändert werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht eines Freilaufs und
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2: eine schematische Schnittansicht des Freilaufs aus 1 entlang einer Schnittlinie II-II aus 1.
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Der in 1 und 2 dargestellte Freilauf 10 weist einen Innenring 12 und einen Außenring 14 auf. Zwischen dem Innenring 12 und dem Außenring 14 sind in einem Umschaltkä16 aufgenommene als Rollen ausgestaltete Sperrkörper 18 vorgesehen, die in einem sich zwischen dem Innenring 12 und dem Außenring 14 ausgebildeten Zwischenraum 20 angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innenring 12 radial außen eckig konturiert, so dass der Zwischenraum 20 in Umfangsrichtung eine sich verändernde radiale Erstreckung aufweist. Der Umschaltkä16 kann den in 2 in der Freilaufstellung dargestellten Sperrkörper 18 insbesondere über ein an dem Sperrkörper 18 angreifendes als Spiralfeder ausgestaltetes Federelement 22 in Umfangsrichtung in einen sich verjüngenden Bereich des Zwischenraums 20 drücken, wodurch der Innenring 12 mit dem Außenring 14 verklemmt werden kann, um ein Drehmoment zwischen dem Innenring 12 und dem Außenring 14 in der Sperrstellung des Sperrkörpers 18 übertragen zu können. Hierzu kann der Umschaltkä16 von einem zwischen dem Innenring 12 und dem Außenring 14 axial herausragenden zylindrischen rohrförmigem Schaltelement 24 in Umfangsrichtung relativ zum Innenring 12 und/oder zum Außenring 14 verdreht werden.
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Wie in 1 dargestellt ist ein Stützlager 26 vorgesehen, das direkt mit dem Innenring 12 und mit dem Außenring 14 zusammenwirkt, um den Innenring 12 an dem Außenring 14 zu lagern.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Stützlager 26 als Kugellager ausgestaltet, wobei insbesondere ein äußerer Laufring des Kugellagers durch den Außenring 14 und/oder ein innerer Laufring des Kugellagers durch den Innenring 12 ausgebildet sein kann. An der vom Stützlager 26 weg weisenden Seite des Sperrkörpers 18 ist ein Innenlager 28 und ein Außenlager 30 vorgesehen, zwischen denen das Schaltelement 24 hindurch greift. Das Innenlager 28 lagert den Innenring 12 an dem Schaltelement 24, während das Außenlager 30 das Schaltelement 24 an dem Außenring 14 lagert. Dadurch ist der Außenring 14 mittelbar über das gelagerte Schaltelement 24 an dem Innenring 12 gelagert und zumindest in radialer Richtung abgestützt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Innenlager 28 und das Außenlager 30 als Rollenlager ausgestaltet. Insbesondere ist ein äußerer Laufring des Innenlagers 28 durch das Schaltelement 24 und/oder ein innerer Laufring des Innenlagers 28 durch den Innenring 12 ausgebildet. Entsprechend ist vorzugsweise ein äußerer Laufring des Außenlagers 30 durch den Außenring 14 und/oder ein innerer Laufring des Außenlagers 30 durch das Schaltelement 24 ausgebildet. Da das Innenlager 28 und das Außenlager 30 separate Bauteile sind, können das Innenlager 28 und das Außenlager 30 leicht in axialer Richtung zueinander versetzt angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Freilauf
- 12
- Innenring
- 14
- Außenring
- 16
- Umschaltkäfig
- 18
- Sperrkörper
- 20
- Zwischenraum
- 22
- Federelement
- 24
- Schaltelement
- 26
- Stützlager
- 28
- Innenlager
- 30
- Außenlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012214556 A1 [0002]
