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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, mit mindestens einer Außennabe, einer Innennabe und Wälzkörpern, wobei die Außennabe Laufbahnen aufweist, wobei die Innennabe Laufbahnen aufweist und wobei die Innennabe zumindest teilweise innerhalb der Außennabe angeordnet ist.
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Durch den Antriebsstrang eines Fahrzeugs werden die Kraft und das Drehmoment eines Motors auf die Räder des Fahrzeugs übertragen.
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Um Kraftstoff oder ggf. elektrische Energie bei einem Elektro-Motor zu sparen, gibt es Fahrzeuge, die im sogenannten Segelbetrieb antriebsfrei gleiten. In diesem Betriebszustand wirkt sich der Motor jedoch nachteilig durch sein bremsendes Schleppmoment aus, so dass eine Entkopplung zwischen dem Motor und den Rädern, d. h. vorzugsweise im Bereich des Antriebsstrangs angestrebt wird.
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Eine Kopplungsanordnung zur Unterbindung der Drehmomentübertragung eines Antriebsstrangs auf die Räder beschreiben beispielsweise die
US 6,881,107 B2 oder die
GB 2 255 380 A . Dabei findet jeweils ein Gelenk Verwendung. Der prinzipielle Aufbau eines Gelenks für die Drehmomentübertragung offenbart beispielsweise die
DE 10 2011 106 355 A1 .
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Eine schaltbare Kupplung für Wellen, bei der die Drehmomentübertragung über Kugeln erfolgt, offenbart die
DE 32 34 456 A1 . Die Kugeln befinden sich auf einem Kupplungsteil, das axial verschoben wird, so dass die Kugeln sich in einem Freiraum eines hülsenförmigen Fortsatzes einer Welle befinden.
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Einen Freilauf mit einrastenden Klinken, die durch Federn mit Kraft beaufschlagt werden, lässt sich der
DE 1 854 842 entnehmen.
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Dem Dokument
WO 2010/069578 A1 lässt sich eine Kupplungsanordnung mit einem Differential entnehmen, über die eine Antriebsachse eines mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeug zuschaltbar ist.
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Dem Verteilen eines Drehmoments auf beide Achsen eines Kraftfahrzeugs dienen gemäß der Offenlegungsschrift
EP 0 879 728 A2 ein Planetengetriebe und ein Doppeltrennungsmechanismus.
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Die im Stand der Technik teilweise verwendeten Kupplungen gehen dabei zumeist mit einem erhöhten Bauraumbedarf und einem erhöhten Gewicht einher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung als Teil eines Antriebsstrangs vorzuschlagen, die eine Alternative zum Stand der Technik darstellt und ein Zu- bzw. Abschalten der Kraft- und/oder Drehmomentübertragung erlaubt.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung, bei der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Außennabe mindestens einen Festabschnitt und einen Losabschnitt aufweist, dass der Festabschnitt und der Losabschnitt reversibel miteinander verbindbar sind, wobei im unverbundenen Zustand der Losabschnitt im Wesentlichen frei drehbar um eine Längsachse der Außennabe ist und dass die Wälzkörper – insbesondere im Wesentlichen längs der Längsachse – zwischen dem Festabschnitt und dem Losabschnitt verschiebbar sind.
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Die Laufbahnen in der Innen- und Außennabe bilden jeweils Paare, in denen vorzugsweise jeweils mindestens ein Wälzkörper angeordnet ist.
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Die Wälzkörper sind beispielsweise Kugeln, Rollen oder Tonnen, wobei auch unterschiedliche Arten von Wälzkörpern miteinander kombinierbar sind.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ermöglicht die Unterbrechung der Drehmomentübertragung zwischen einer antreibenden und einer angetriebenen Welle. Hierfür sind eine Außen- und eine Innennabe vorgesehen, die im Fahrzeug verbauten Zustand entsprechend mit den jeweiligen Wellen des Antriebsstrangs verbunden sind. Die Drehmomentübertragung zwischen den beiden Naben vollzieht sich über die Wälzkörper, die in einander zugeordneten Laufbahnen angeordnet sind.
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Die Außennabe verfügt über wenigstens zwei Komponenten: einen Fest- und einen Losabschnitt. Beide Abschnitte sind reversibel miteinander verbunden, so dass sie auch voneinander entkoppelt werden können. Im entkoppelten Zustand ist der Losabschnitt frei um eine Längsachse der Außennabe drehbar.
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Weiterhin findet im entkoppelten Zustand vorzugsweise eine gegenüber dem gekoppelten Zustand reduzierte Drehmoment- oder Kraftübertragung zwischen dem Los- und dem Festabschnitt statt. In einer Ausgestaltung findet im entkoppelten Zustand zumindest zeitweise im Wesentlichen keine Drehmoment- oder Kraftübertragung statt.
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Der Festabschnitt wirkt in einer Ausgestaltung insbesondere ständig drehmomentübertragend relativ zu einer mit dem Festabschnitt verbundenen Welle. In einer weiteren Ausgestaltung ist ebenfalls die Innennabe ständig drehmomentübertragend mit einer weiteren Welle des Antriebsstrangs verbunden.
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Die Wälzkörper sind weiterhin zwischen dem Los- und dem Festabschnitt frei verschiebbar. Befinden sich die Wälzkörper axial im Bereich des Losabschnitts in dem Fall, dass der Los- und der Festabschnitt voneinander entkoppelt sind, so führt dies dazu, dass die Wälzkörper zwischen der Innennabe und dem Losabschnitt gehalten werden, dass aber kein bzw. in einer Ausgestaltung zumindest nur ein reduziertes Drehmoment zwischen der Innen- und der Außennabe übertragen wird.
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Die Drehbarkeit des Losabschnitts um die Längsachse ist insbesondere vorteilhaft für das ggf. erneute Erzeugen des gekoppelten Zustands. Sie erlaubt in einer Ausgestaltung eine Drehmomentanpassung für eine Synchronisierung zwischen Los- und Festabschnitt. Die Drehbarkeit des Losabschnitts wird ggf. auch dafür verwendet, dass die ggf. verdrehten Laufbahnabschnitte von Los- und Festabschnitt wieder fluchtend ausgerichtet werden, so dass die Wälzkörper verschoben werden können.
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Die Drehbarkeit des Losabschnitts um die Längsachse kann dabei in einer Ausgestaltung auf eine Richtung beschränkt sein. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Losabschnitt in beide Richtungen um die Längsachse drehbar.
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Als Alternative verfügt die Innennabe über einen Los- und einen Festabschnitt.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Außennabe und die Innennabe eine im Wesentlichen feste Position relativ zueinander innehaben. In dieser Ausgestaltung werden Außen- und Innennabe nicht axial relativ zueinander verschoben, so dass die relative Anordnung zueinander erhalten bleibt.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Wälzkörper in Fenstern eines Käfigs angeordnet sind und dass der Käfig zwischen dem Festabschnitt und dem Losabschnitt verschiebbar ist. Durch das Verschieben des Käfigs werden auch die Wälzkörper verschoben. Eine Schaltgabel dient beispielsweise dem Verschieben des Käfigs, um damit die Wälzkörper axial zwischen Los- und Festabschnitt zu bewegen. Handelt es sich bei den Wälzkörpern um Kugeln, so hält der Käfig die Kugeln auch in einer Ebene.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Losabschnitt ein der Innennabe zugewandtes Ende der Außennabe bildet. Das andere Ende der Außennabe ist dabei vorzugweise mit einer Welle des Antriebsstrangs verbunden, um ein Drehmoment zu erfahren bzw. abzugeben.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Laufbahnen der Außennabe und/oder die Laufbahnen der Innennabe im Wesentlichen parallel zur Längsachse verlaufen. Die Laufbahnen sind in dieser Ausgestaltung insbesondere gerade, parallel zueinander und parallel zur Längsachse der Außen- bzw. Innennabe ausgestaltet. Werden daher die Wälzkörper in den Laufbahnen verschoben, so werden sie damit auch entlang der Längsachse versetzt.
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Für die reversible Verbindung zwischen Los- und Festabschnitt ist in einer Ausgestaltung mindestens eine Klinkenvorrichtung vorgesehen. In einer weiteren Ausgestaltung sind mehrere identische oder unterschiedliche Klinkenvorrichtungen vorhanden.
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In einer Ausgestaltung verfügt die mindestens eine Klinkenvorrichtung über mindestens eine Klinke und eine Aussparung, wobei die Klinke an einem Ende drehbar gelagert ist und wobei die Klinke so dimensioniert ist, dass die Klinke in mindestens einem Zustand mit einem freien Ende in die Aussparung hineinragt.
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Die Klinke ist in einer Ausgestaltung ein Stab, der an einem Ende drehbar um eine Lagerstelle gelagert ist und dadurch mit einem freien Ende in eine Aussparung hinein- und wieder hinausbewegt werden kann. Dies geschieht über die Drehung um das gelagerte Ende. Befindet sich die Klinke in der Aussparung, so wird dadurch insbesondere die Verbindung zwischen dem Los- und dem Festabschnitt erzeugt. Hierfür stößt beispielsweise bei einem Drehmomentunterschied die Klinke gegen eine Berandung der Aussparung und wirkt damit entsprechend auf die Komponente – also Los- oder Festabschnitt – ein, die die Aussparung trägt, bzw. auch umgekehrt auf die Komponente, der die Klinke zugeordnet ist.
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Dabei ist in einer Ausgestaltung die Klinke dem Los- oder Festabschnitt und ist die Aussparung dem Fest- oder Losabschnitt zugeordnet.
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In einer Ausgestaltung ist als Teil der Klinkenvorrichtung mindestens ein Federelement vorgesehen, das auf das freie Ende der Klinke in Richtung der Aussparung eine Kraft ausübt. Das Federelement drückt in einer Ausgestaltung das freie Ende der Klinke in die Aussparung und verhindert in einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung, dass das freie Ende über ein gewisses Maß hinaus entgegen der Aussparung bewegt wird.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Klinke so ausgestaltet und mindestens in Abstimmung mit der Aussparung so gelagert ist, dass in mindestens einem Zustand die die Aussparung tragende Komponente der Außennabe die Klinke aus der Aussparung herausbewegt. In dieser Ausgestaltung sorgt somit die Komponente der Außennabe – also der Los- oder Festabschnitt – dafür, dass die Klinke aus der Aussparung herausbewegt wird. Dies kann beispielsweise abhängig von einer gewissen Drehzahldifferenz zwischen Los- und Festabschnitt oder auch in Abhängigkeit von den jeweiligen Drehrichtungen der beiden Abschnitte erfolgen. Durch diese Ausgestaltung wird daher auch eine Entkopplung zwischen Los- und Festabschnitt bewirkt.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Klinke in einer Kammer des Festabschnitts und die Aussparung in dem Losabschnitt angeordnet sind. Die Kammer ist dabei ebenfalls eine Aussparung oder Vertiefung, die die Aufnahme der Klinke ermöglicht.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Antriebsanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische, im Wesentlichen die funktionalen Wirkzusammenhänge verdeutlichende Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung im teilweisen Schnitt in einem ersten Zustand,
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2 die Anordnung der 1 in einem zweiten Zustand und
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3 ein vergrößerter Ausschnitt der Antriebsanordnung.
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In den 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung 1 eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs dargestellt. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Antriebsstrang in Form einer Längs- oder Seitenantriebswelle. Dabei kann die Antriebsanordnung 1 mit weiteren – hier nicht dargestellten – Komponenten wie beispielsweise Getriebeausgangswellen, Differential- aus- oder -eingangswellen, Radnaben oder dergleichen verbunden sein. Beispielsweise können auch – hier nicht dargestellte – Längenausgleichselemente vorhanden sein.
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Die Antriebsanordnung 1 verfügt über einen Außennabe 2 und eine Innennabe 3, wobei die Innennabe 3 teilweise von der Außennabe 2 umgeben ist.
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Für die Drehmomentübertragung befindet sich zwischen Innen- 3 und Außennabe 2 ein mit Fenstern 4 versehener Käfig 5. In den Fenstern 4 befindet sich jeweils eine Kugel 6 als eine beispielhafte Variante eines Wälzkörpers. Insgesamt wird also ein Gelenk gebildet.
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Für die Kugeln 6 und entsprechend für diese ausgestaltet, verfügt die Außennabe 2 über Laufbahnen 7 und sind in der Innennabe 3 ebenfalls Laufbahnen 8 vorhanden. Die Laufbahnen 7, 8 sind hier jeweils gerade ausgestaltet und erlauben die Führung und das axiale Verschieben der Kugeln 6.
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Die Außennabe 2 verfügt über einen Festabschnitt 9 und einen Losabschnitt 10. Der Festabschnitt 9 ist dabei in Bezug auf die Drehmomentübertragung fest mit einer – hier nicht dargestellten – Welle des Antriebsstrangs verbunden.
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Der Losabschnitt 10 ist reversibel mit dem Festabschnitt 9 verbunden und ist im gelösten Zustand insbesondere frei drehbar um die Längsachse 11 der Außennabe 2, die hier auch die Längsachse der Antriebsanordnung 1 bzw. der Innennabe 3 ist.
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Für das Ermöglichen bzw. Verhindern der Drehmomentübertragung zwischen Außennabe 2 und Innennabe 3 werden die Kugeln 6 in den Laufbahnen 7, 8, axial über den Käfig 5 entlang der Längsachse 11 bewegt und befinden sich daher entweder im Bereich des Losabschnitts 10 oder des Festabschnitts 9.
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Sind die Kugeln 6 – wie in der 1 gezeigt – im Bereich des Festabschnitts 9, so findet die Drehmomentübertragung statt.
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Für den Übergang von dem Zustand der 1 zum Zustand der 2 wird der Käfig 5 axial entlang der Längsachse 11 bewegt und werden damit auch die Kugeln 6 in den Bereich des Losabschnitts 10 verschoben.
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Für das Verschieben der Kugeln 6 ist erforderlich, dass sich die Teil-Laufbahnen von Los- 10 und Festabschnitt 9 zu durchgehenden Laufbahnen 7 ergänzen. Dafür ist jedoch das gleiche Drehmoment erforderlich, was insbesondere dadurch gewährleistet wird, dass die radial umlaufend angeordneten Klinkenvorrichtungen 12 jeweils für die Verbindung zwischen Los- 10 und Festabschnitt 9 sorgen.
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In der 2 befinden sich die Kugeln 6 axial auf der Höhe des Losabschnitts 10 der Außennabe 2. Indem die Klinkenvorrichtungen 12 gelöst werden, besteht keine Drehmomentkopplung zwischen dem Losabschnitt 10 und dem Festabschnitt 9, so dass sich der Losabschnitt 10 frei um die Längsachse 11 drehen kann und so dass insbesondere kein Drehmoment von der Außennabe 2 über die Kugeln 6 auf die Innennabe 3 oder umgekehrt übertragen wird.
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Soll umgekehrt wieder die Drehmomentübertragung erzeugt werden bzw. sollen die Kugeln 6 wieder in den Bereich des Festabschnitts 9 verbracht werden, so werden der Losabschnitt 10 und der Festabschnitt 9 miteinander synchronisiert. Damit ergeben sich dann auch wieder insgesamt durchgehende Laufbahnen 7 in der Außennabe 2, die das Verschieben der Kugeln 6 erlauben.
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Die 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Bereichs zwischen Festabschnitt 9 und Losabschnitt 10. Zu erkennen sind die Klinkenvorrichtungen 12.
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Dabei sind jeweils eine Klinke 13, ein Federelement 14 und eine Aussparung 15 vorgesehen. Die Klinke 13 und das Federelement 14 befinden sich in der gezeigten Ausgestaltung auf dem Festabschnitt 9 und die Aussparung 15 ist ein Teil des Losabschnitts 10. Die Klinke 13 ist mit einem Ende 16 drehbar gelagert und kann dadurch mit seinem freien Ende 17 in die Aussparung 15 eingebracht werden.
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Die Klinke 13 und das Federelement 14 sind in einer Kammer 18 des Festabschnitts 9 angeordnet. Das Federelement 14 wirkt gegen das freie Ende 17 der Klinke 13 in Richtung der Aussparung 15.
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Befindet sich die Klinke 13 in der Aussparung 15, so stößt bei einer gewissen Drehzahldifferenz zwischen Los- 10 und Festabschnitt 9 die Klinke 13 gegen die Umrandung der Aussparung 15 an. Umgekehrt ist die Klinke 13 mit dem drehbar gelagerten Ende 16 so nah am Rand des Festabschnitts 9 angebracht, dass bei einer anderen Drehmomentdifferenz der Losabschnitt 10 die Klinke 13 aus der Aussparung 15 hinaus in die Kammer 13 verschiebt bzw. dreht.
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Insgesamt ergibt sich quasi ein rastender Freilauf in einer Drehrichtung für einen Formschluss zwischen den beiden Komponenten 9, 10 der Außennabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6881107 B2 [0004]
- GB 2255380 A [0004]
- DE 102011106355 A1 [0004]
- DE 3234456 A1 [0005]
- DE 1854842 [0006]
- WO 2010/069578 A1 [0007]
- EP 0879728 A2 [0008]
