DE102015207435A1

DE102015207435A1 - Trennsystem und -verfahren mit elektromagnetischen Impulsen

Info

Publication number: DE102015207435A1
Application number: DE102015207435.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Hervari; Bryan Averill; Adrian SIMULA
Original assignee: Warn Industries Inc
Current assignee: Warn Automotive LLC
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2015-11-12
Also published as: US10731715B2; US20150308519A1; US10221900B2; US20170335900A1; KR101697124B1; US20170356504A1; US9915298B2; CN105034796A; KR20150122604A; CN105034796B

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zum Betreiben einer Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen für das wahlweise Verbinden von zwei sich drehenden Komponenten eines Fahrzeugantriebsstrangs angegeben. Es wird eine Trennanordnung benötigt, die nicht durch ein von einem Motor des Fahrzeugs abgeleitetes Vakuum betrieben wird, weil moderne Motoren mit einer reduzierten Vakuumerzeugung und ohne Vakuumleitungen für das Betreiben von peripheren Einrichtungen wie etwa Trennvorrichtungen entwickelt werden. Es wird eine Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen vorgesehen, die durch Impulse elektrischen Stroms betrieben wird und eine elektromagnetische Spule zum Verschieben einer Kupplungsringanordnung und einer Sperrringanordnung für das wahlweise Verbinden von zwei sich drehenden Komponenten enthält.

Description

Erfindungsfeld
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein eine Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen und ein entsprechendes System zum Verbinden und Trennen von zwei sich drehenden Komponenten eines Fahrzeugs.
Zusammenfassung/Hintergrund
Moderne Fahrzeuge enthalten häufig ein oder mehrere Antriebsstrangmodi für das Übertragen von Kraft von einem Motor zu den angetriebenen Rädern. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug mit nur einem Zweirad-Antriebsystem (4 × 2-System) eine Kraft über eine oder eine Reihe von Drehwellen zu zwei Rädern des Fahrzeugs übertragen. Fahrzeuge wie etwa Kompaktautos können ein Vorderrad-Antriebssystem verwenden, in dem Kraft zu den zwei Vorderrädern übertragen wird. In anderen und meist größeren Fahrzeugen ist es wünschenswert, einen Zweirad- und einen Vierrad-Antriebsmodus zu integrieren, wobei Kraft wahlweise in einem Modus zu zwei Rädern und in einem anderen Modus zu vier Rädern verteilt werden kann. Fahrzeuge verschiedener Größen beinhalten häufig einen Zweiradantrieb der Hinterräder und einen Vierradantrieb für eine bessere Handhabung während variierenden Fahrbedingungen, wobei weiterhin zu einem Zweiradantrieb gewechselt werden kann, um den Kraftstoffverbrauch und damit eine Energieverschwendung zu reduzieren.
Für Fahrzeuge mit wechselbaren Antriebsmodi sind Vorrichtungen und Systeme zum Verbinden und Trennen von Antriebsstrangkomponenten wie etwa Achsen und Wellen erforderlich. Dabei werden häufig Trennanordnungen verwendet, die eine Form von Kupplung beinhalten, die bewegt werden kann, um zwei drehbare Komponenten wie etwa zwei Wellen zu verbinden oder zu trennen. Die Trennanordnungen können in verschiedenen Bereichen in dem Antriebsstrang eines Fahrzeugs platziert werden, wie etwa an den Radenden, an einer oder mehreren Achsen oder entlang einer der Antriebswellen. Durch die Verwendung von Trennsystemen können Fahrzeuge vielseitiger vorgesehen werden, weil zwischen verschiedenen Antriebsmodi in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen und den Wünschen des Bedieners gewechselt werden kann.
In einigen Antriebsstrang-Trennsystemen wird ein von dem Fahrzeugmotor abgeleitetes Vakuum als Bewegungs- oder Betätigungskraft für die Betätigung der Trennsysteme verwendet. Insbesondere können die Trennsystemstellglieder durch das Vakuum betätigt werden. In vielen Systemen wird das Vakuum über eine Leitung von dem Einlasskrümmer des mit Benzin betriebenen Motors abgeleitet. Deshalb kann der Vakuumpegel, d. h. die aus dem Vakuum verfügbare Kraft- bzw. Druckgröße, variieren, wenn Motordrosseleinstellungen in Übereinstimmung mit der Motorlast variieren. Für viele Motorsysteme kann der Vakuumpegel (die verfügbare Druckgröße) aufgrund von Höheneffekten begrenzt sein oder variieren. Weiterhin können auch Temperaturänderungen zu Druckfluktuationen in dem Vakuumpegel führen, wodurch Fluktuationen in der Bewegung des Trennstellglieds verursacht werden, die zu einer unerwünschten Bewegung von Trennkomponenten wie etwa den Membran- oder Kupplungskomponenten führen können. Außerdem ist in einigen Fahrzeugen unter Umständen ein Vakuum nicht einfach verfügbar, weil verschiedene Fahrzeugzubehörsysteme nicht durch ein Vakuum betrieben werden können oder das Fahrzeug entworfen ist, um Motoreinlassverbindungen wie etwa Vakuumleitungen zu beseitigen und dadurch die Motorsteuerung und Performanz zu verbessern. Schließlich können durch ein Vakuum betriebene Antriebsstrang-Trennsysteme bei einem weiter entwickelten Fahrzeugentwurf weniger wünschenswert sein. Es besteht also ein Bedarf für Antriebsstrang-Trennsysteme, die durch andere Quellen als ein Vakuum betrieben werden, und für Entwurfsmerkmale, die für moderne Fahrzeugsysteme geeignet sind. Die Erfinder haben diese Probleme erkannt und verschiedene Ansätze zur Lösung derselben entwickelt.
In einem Beispiel können die oben genannten Probleme mit vakuumbetriebenen Trennvorrichtungen wenigstens teilweise durch ein Verfahren zum Betätigen einer Trennanordnung einer Welle beseitigt werden, das umfasst: Antreiben eines Schaltmechanismus von einer ersten Selbstsperrposition zu einer zweiten Selbstsperrposition über eine elektromagnetische Spule, die eine Axialkraft mittels einer Ankernockenanordnung erzeugt, die eine Reihe von bidirektionalen Rampen enthält, die mit sich axial erstreckenden Führungen des Schaltmechanismus zusammenwirken, wobei die Spule nur während Übergängen zwischen den ersten und zweiten Selbstsperrpositionen mit Strom versorgt wird, wobei die ersten und zweiten Selbstsperrpositionen eine Wellenverbindungsposition und eine Wellentrennungsposition umfassen. Auf diese Weise wird eine kompakte Trennanordnung vorgesehen, die durch diskrete Impulse eines elektrischen Stroms zu einer elektromagnetischen Spule in der Trennanordnung betätigt wird, ohne eine Vakuumkraft zu nutzen. Die elektromagnetische Spule kann ausgebildet sein, um nur in Kontakt mit einem Anker der Trennanordnung zu kommen, wenn die Spule mit Strom versorgt (aktiviert) wird, um die Lebensdauer der einander kontaktierenden Komponenten zu verlängern.
Die Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen kann auch eine magnetische Positionssensoranordnung zum Überwachen der Position der beweglichen Komponenten der Anordnung, die ein Schalten zwischen verschiedenen Antriebsmodi wie etwa einem Vierradantrieb und einem Zweiradantrieb gestatten, enthalten. Die Sensoranordnung kann konfiguriert sein, um die Stärke eines Magnetfelds zu erfassen, das durch einen Magneten an einer sich verschiebenden, aber nicht drehenden Komponente der Trennanordnung erzeugt wird. Eine Korrelation der Magnetfeldstärke mit der Position der Trennanordnung kann eine genaue Überwachung der Schaltbewegungen der Trennanordnung ermöglichen. Außerdem kann unter Verwendung eines Magnetsensors ein Abstand aufrechterhalten werden, sodass der Sensor nicht die Bewegung der Trennanordnung behindert.
Die vorgeschlagene elektromagnetische Trennanordnung kann die mit vakuumbetriebenen Trennvorrichtungen assoziierten Probleme reduzieren. Indem Stromimpulse von einer Stromquelle vorgesehen werden, kann die Trennanordnung weniger Strom verbrauchen als andere Trennvorrichtungen, die einen kontinuierlichen Strom für das Wechseln und Aufrechterhalten von Schaltpositionen vorsehen. Die Stromimpulse können die elektromagnetische Spule mit Strom versorgen, um eine Drehung des Ankers zu verlangsamen, wodurch veranlasst wird, dass sich ein Rampenring in einer Axialrichtung verschiebt, um einen Kupplungsring in der gleichen Richtung zu bewegen. Wie weiter unten erläutert, kann diese Bewegung zusammen mit einer vorspannenden Federkraft eine Kopplung und Entkopplung zwischen zwei sich drehenden Komponenten wie etwa Antriebswellen und/oder Achsen veranlassen.
Die vorstehende Zusammenfassung führt in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten ein, die in der folgenden Beschreibung ausführlicher erläutert werden. Dabei werden keine zentralen oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifiziert, dessen Umfang alleine durch die auf die ausführliche Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Weiterhin ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die die oben oder an anderer Stelle in der vorliegenden Offenbarung genannten Probleme lösen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen vereinfachten Antriebsstrang eines Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt einen Querschnitt eines montierten Zustands einer Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen.
3 zeigt einen montierten Zustand der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen.
4 ist eine Explosionsansicht der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen.
5 zeigt Ansichten der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen an einer 4 × 2-Position.
6 zeigt Ansichten der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen an einer Schaltendeposition.
7 zeigt Ansichten der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen an einer 4 × 4-Position.
8 ist eine schematische Ansicht einer Sperrbahn der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen.
9 ist ein Kurvendiagramm zu der Beziehung zwischen der Schaltposition der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen, der Magnetflussdichte der Anordnung und einer Positionssensorausgabe.
10 und 11 zeigen ein Verfahren für den allgemeinen Betrieb der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen von 2–8.
12–16 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen entlang einer Achse eines Fahrzeugs.
17 ist eine Außenansicht einer ersten Ausführungsform einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen, die für die Positionierung entlang einer Achse eines Fahrzeugs ausgebildet ist.
18 ist eine Explosionsansicht einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen.
19 ist eine Querschnittansicht einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen.
20 zeigt eine Ausrichtung einer Positionssensoranordnung für verschiedene Schaltpositionen einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen.
21–23 zeigen eine zweite Ausführungsform einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen, die ein einzelnes kontinuierliches Gehäuse aufweist.
24 zeigt eine dritte Ausführungsform einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen, die ein einzelnes kontinuierliches Gehäuse aufweist.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende ausführliche Beschreibung gibt Informationen zu einer Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen sowie zu den Verfahren zum Betreiben von dieser für eine wahlweise Verbindung von sich drehenden Komponenten eines Fahrzeugs. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Fahrzeugantriebsstrangs ist in 1 gezeigt und umfasst einen Motor, ein Getriebe, verschiedene Achsen und Wellen und Räder zum Vorsehen einer Bewegungskraft für das Fahrzeug. Eine Ausführungsform einer durch diskrete elektrische Impulse betriebenen Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen ist in 2–3 gezeigt und kann in dem Antriebsstrang von 1 verwendet werden. Eine Explosionsansicht der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen (Electromagnetic Pulse Disconnect bzw. EMPD) in 4 zeigt die verschiedenen Komponenten der EMPD-Anordnung einschließlich einer elektromagnetischen Spule, einer Ankernockenanordnung, die in ein Schaltelement eingreift, und eines Kupplungsrings zum wahlweisen Verbinden von zwei benachbarten, sich drehenden Komponenten (wie etwa Wellen oder Achsen). Dabei kann die EMPD-Anordnung den Kupplungsring zu einer 4 × 4-Position bewegen, an welcher die zwei sich drehenden Komponenten drehbar miteinander gekoppelt sind, und zu einer 4 × 2-Position, an welcher die zwei sich drehenden Komponenten nicht drehbar miteinander gekoppelt sind. 5–7 zeigen Querschnittansichten und Ansichten des montierten Zustands der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen an den verschiedenen Schaltpositionen (z. B. 4 × 2, Schaltende und 4 × 4). Die EMPD-Anordnung kann weiterhin ein Sperrsystem enthalten, das die Anordnung an der ausgewählten Schaltposition hält, ohne dass die elektromagnetische Spule hierfür mit Strom versorgt werden muss. Auf diese Weise kann die Spule nur dann mit Strom versorgt werden, wenn sie von einer Schaltposition zu einer anderen bewegt wird. Ein beispielhafter Sperrmechanismus des Sperrsystems ist in 8 gezeigt. Die EMPD-Anordnung kann weiterhin eine magnetische Positionssensoranordnung zum Bestimmen einer Schaltposition der Anordnung enthalten. 9 ist ein beispielhaftes Kurvendiagramm zu der Beziehung zwischen der Schaltposition und einer Ausgabe des magnetischen Positionssensors. 10 und 11 sind ein Flussdiagramm zu einem Verfahren zum Betreiben der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen in Übereinstimmung mit angewiesenen Schaltmodi (d. h. Positionen). Die Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen kann an verschiedenen Positionen entlang eines Fahrzeugantriebsstrangs (wie etwa des Antriebsstrangs von 1) angeordnet sein. Zum Beispiel kann die EMPD-Anordnung in Nachbarschaft zu einem Radende (d. h. als eine Radende-Trennvorrichtung) und/oder an einer Vorder- oder Hinterradachse (d. h. als eine mittlere Trennvorrichtung) positioniert sein. Beispiele für verschiedene Anordnungen einer mittleren EMPD-Anordnung entlang einer Vorder- oder Hinterradachse sind in 12–16 gezeigt. Die internen Komponenten der EMPD-Anordnung können bei einer mittleren oder Radende-Trennvorrichtung im Wesentlichen gleich sein, wobei die äußeren Gehäuse (d. h. Umhausungen) der Anordnung in Entsprechung zu der spezifischen Position entlang des Antriebsstrangs angepasst sein können. Eine Ausführungsform einer mittleren Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen ist in 17–24 gezeigt.
In der für die ausführliche Beschreibung verwendeten Terminologie wird ein Fahrzeugbetrieb, in dem nur zwei Räder Kraft von dem Motor empfangen, als Zweiradantrieb, 2WD oder 4 × 2 bezeichnet. Die entsprechende Position der Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen kann als eine 4 × 2-Position bezeichnet werden. Weiterhin wird ein Fahrzeugbetrieb, in dem alle vier Räder Kraft von dem Motor empfangen, als Vierradantrieb, 4WD oder 4 × 4 bezeichnet. Die entsprechende Position der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen kann als eine 4 × 4-Position bezeichnet werden. In anderen Beispielen kann ein Vierradantrieb auch als ein Allradantrieb (AWD) bezeichnet werden, wobei normalerweise nicht angetriebene Räder unter bestimmten Bedingungen Kraft empfangen können. Um einen Wechsel zwischen dem 4WD und dem 2WD zu bewerkstelligen, kann die Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen wahlweise zwei sich drehende Komponenten miteinander verbinden. In einigen Ausführungsformen können die sich drehenden Komponenten Achsen, Wellen, Koppler, Radnabenanordnungen oder andere Einrichtungen sein, die in dem Antriebsstrang des Fahrzeugs verwendet werden, um eine Drehkraft zu übertragen.
Moderne Fahrzeuge können durch viele verschiedene Antriebsstrangsysteme betrieben werden, die das wahlweise Antreiben von verschiedenen Rädern in Übereinstimmung mit verschiedenen Betriebsbedingungen und/oder Anweisungen des Bedieners (d. h. Fahrers) vorsehen. Zum Beispiel können Allradantriebsfahrzeuge Kraft zu zwei kollinearen Rädern während eines ersten Betriebsmodus übertragen und bei Erfassung eines Rutschens auch Kraft zu einem oder mehreren der verbleibenden Räder übertragen. In anderen Beispielen kann ein kleineres Fahrzeug wie etwa ein PKW permanent Kraft zu nur den zwei Vorderrädern des Fahrzeugs übertragen, um die Kraftstoffsparsamkeit zu erhöhen (Vorderrad-Zweiradantrieb). In weiteren Beispielen kann ein Fahrzeug konfiguriert sein, um wahlweise zwischen einem Zweiradantriebs- und einem Vierradantriebsmodus zu wechseln, wobei während des Vierradantriebsmodus alle vier Räder Kraft empfangen. Jeder Fahrzeugantriebsstrang weist Vor- und Nachteile auf, wobei der besondere Nutzen und die gewünschte Funktion jedes Fahrzeugs ausschlaggebend für die Wahl des vorzusehenden Antriebsstrangs sein können.
1 ist eine vereinfachte Ansicht eines Antriebsstrangs 100 eines Fahrzeugs. In dieser Ansicht sind die Karosserie des Fahrzeugs und viele andere Komponenten nicht gezeigt, um den Antriebsstrang 100 zu verdeutlichen. Es ist zu beachten, dass der Antriebsstrang die Komponenten von 1 enthält, wobei unter einem Antriebsstrang die weiter unten beschriebenen Komponenten von 1 mit Ausnahme des Motors und des Getriebes zu verstehen sind. Bei dieser Antriebsstrangkonfiguration kann das Fahrzeug von 1 einen wahlweisen 4WD-Antriebsstrang aufweisen, wobei die Hinterräder in einem Hinterradantriebsmodus (oder 2WD-Modus) angetrieben werden und alle vier Räder in einem 4WD-Modus angetrieben werden, wobei sich also der 4WD-Antriebsmodus von dem 2WD-Modus unterscheidet. Viele Nutzfahrzeuge wie etwa große Lastkraftwagen, Geländefahrzeuge und Sportfahrzeuge verwenden aus verschiedenen Gründen einen Hinterradantrieb anstelle eines Vorderradantriebs. Ein Grund hierfür ist, dass ein Hinterradantrieb für ein Ziehen oder Schieben von Lasten förderlich ist, wie etwa für das Ziehen eines mit dem hinteren Ende des Fahrzeugs verbundenen Anhängers.
In 1 sind ein rechtes Hinterrad 101 und ein linkes Hinterrad 102 hinten am Fahrzeug angebracht, d. h. an dem Ende hinter dem Fahrer des Fahrzeugs. In diesem Beispiel beziehen sich die Angaben „links”, „rechts”, „vorne” und „hinten” auf die Perspektive des Bedieners des Fahrzeugs. In 1 sind Richtungspfeile für die Richtungen nach vorne, hinten, links und rechts angegeben. Dementsprechend sind ein rechtes Vorderrad 103 und ein linkes Vorderrad 104 an dem vorderen Ende des Fahrzeugs angebracht.
In dem Fahrzeug von 1 wird Kraft durch einen Verbrennungsmotor 110 mit mehreren Zylindern erzeugt. Der Motor 110 kann je nach dem spezifischen Fahrzeug mit Benzin oder Diesel betrieben werden, wobei der Motor 110 dieses Beispiels sechs Zylinder in einer V-Anordnung enthält und also ein V6-Motor ist. Es ist zu beachten, dass der Motor 110 auch mit anderen Ausrichtungen konfiguriert sein kann und andere Anzahlen von Zylindern enthalten kann, um Kraft in ähnlicher Weise wie in 1 vorzusehen. Eine durch den Motor 110 angetriebene Welle kann direkt mit einem Getriebe 115 gekoppelt sein, das eine notwenige Übersetzung für das Antreiben des Fahrzeugs vorsieht. Das Getriebe 115 kann ein manuelles oder automatisches Getriebe je nach den Anforderungen des Fahrzeugsystems sein. Eine Hinterantriebswelle 131 kann mit dem Getriebe 115 an einem Ausgang des Getriebes verbunden sein, um eine Kraft zu dem hinteren Ende des Fahrzeugs zu übertragen.
Während des oben genannten 2WD-Modus des Antriebsstrangs 100 werden die Räder 101 und 102 über eine hintere Achse 132 angetrieben. Die hintere Achse 132 kann in einigen Ausführungsformen eine einzelne kontinuierliche Welle sein oder kann in einer Zwei-Achsen-Konfiguration in zwei Achsen geteilt sein, wobei die Achse mit einem hinteren Differential 121 angeordnet ist. Bei der Zwei-Achsen-Konfiguration kann eine erste hintere Achse zwischen dem hinteren Differential 121 und dem rechten Hinterrad 101 angeordnet sein und kann eine zweite hintere Achse zwischen dem hinteren Differential 121 und dem linken Hinterrad 102 angeordnet sein. Das hintere Differential ist auch an der hinteren Antriebswelle 131 angebracht. Das hintere Differential kann mehrere Zwecke erfüllen, wobei es etwa verschiedene Drehgeschwindigkeiten zwischen den Rädern 101 und 102 und eine Übertragung einer Drehung (und Kraft) von einer einzelnen Richtung der Antriebswelle 131 zu zwei senkrechten Richtungen der hinteren Achse 132 wie in 1 gezeigt ermöglicht. Zum Beispiel wenn das Fahrzeug eine Kurve nach links fährt, kann sich das innere Rad (Rad 102) mit einer kleineren Geschwindigkeit drehen als das äußere Rad (Rad 101). Das hintere Differential 121 kann also ermöglichen, dass sich die zwei Räder mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen, um ein Rutschen zwischen den Rädern des Fahrzeugs und einer Straße, auf der das Fahrzeug während einer Kurve fährt, zu vermeiden.
Für den Betrieb des oben genannten 4WD-Modus, in dem die Vorderräder zusätzlich zu den nominell angetriebenen Hinterrädern angetrieben werden, ist ein System zum Übertragen von Kraft zu der Vorderseite des Fahrzeugs vorgesehen. Ein Verteilergetriebe 140 kann in der Nähe des Ausgangs des Getriebes 115 angeordnet sein, wobei das Verteilergetriebe 140 konfiguriert sein kann, um einen Teil der Kraft von dem Motor 110 zu einer vorderen Antriebswelle 133 zu richten. In einer Ausführungsform kann das Verteilergetriebe 140 eine Kette für die Übertragung eines Teils der Kraft von der hinteren Antriebswelle 131 zu der vorderen Antriebswelle 133 nutzen. Ähnlich wie in dem hinteren Antriebssystem ist die vordere Antriebswelle 133 mit einem vorderen Differential 122 verbunden. Das vordere Differential 122 kann im Wesentlichen gleich dem hinteren Differential 121 sein, wobei das vordere Differential 122 relative Drehgeschwindigkeiten von zwei Rädern ermöglicht. Dabei kann die vordere Achse 134, die in zwei Achsen eines Zwei-Achsen-Systems geteilt sein kann, an dem Differential 122 an einem Ende und jeweils an dem linken Vorderrad 104 und dem rechten Vorderrad 103 angebracht sein. In dieser Konfiguration kann eine Antriebskraft von der vorderen Antriebswelle 133 über das vordere Differential 122 und die vordere Achse 134 zu den Rädern 103 und 104 übertragen werden. Weil das Verteilergetriebe 140 eine Kraftausgabe zu den vorderen und hinteren Achsen gestattet, kann der 4WD-Modus einen gleichzeitigen Antrieb aller vier Räder vorsehen. Wenn sich also das Fahrzeug in dem 4WD-Modus befindet, können die Vorderräder 103 und 104 und die Hinterräder 101 und 102 angetrieben werden.
Für einen Wechsel zwischen dem 4WD und dem 2WD in dem Beispiel von 1 wird ein System benötigt, das den Krafteingang wahlweise mit den Vorderrädern verbindet und von diesen trennt. Deshalb kann eine Trennvorrichtung 150 in dem Verteilergetriebe 140 in einer Linie mit einer Ausgangswelle des Getriebes 115 vorgesehen sein. Bei dieser Konfiguration kann die Trennvorrichtung 150 einstückig mit oder separat zu dem Verteilergetriebe 140 ausgebildet sein. Trennvorrichtungen können in Fahrzeugen mit mehr als einem Antriebsstrangmodus verwendet werden und können zwei separate, drehbare Eingangskomponenten wie etwa Radnaben, Achsen und Antriebswellen verbinden oder trennen. In dem Beispiel von 1 ist eine Trennvorrichtung 150 in dem Verteilergetriebe 140 angeordnet. In anderen Fahrzeugsystemen kann eine Trennvorrichtung 150 an verschiedenen Positionen platziert werden, wie etwa an der vorderen Achse 134 oder an der vorderen Antriebswelle 133, wobei die Welle effektiv in zwei separate Längen wie in der durch Strichlinien wiedergegebenen Trennvorrichtung 150 von 1 gezeigt geteilt werden kann. In anderen Beispielen kann die Trennvorrichtung 150 an einer Kraftübertragungseinheit (PTU) angeordnet sein, um ein Verbinden und Trennen der PTU-Wellenausgabe zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen können mehrere Trennvorrichtungen vorgesehen sein, wobei jede der mehreren Trennvorrichtungen an einer separaten Komponente des Antriebsstrangs 100 fixiert sein kann. In einem Beispiel kann eine erste Trennvorrichtung 150 in dem Verteilergetriebe 140 wie in 1 gezeigt angeordnet sein, während weitere Trennvorrichtungen an der Radnabe des Rads 103, der Radnabe des Rads 104 und/oder entlang der vorderen Achse 134 angebracht sein können. Auf diese Weise können die Trennvorrichtungen separat oder in Verbindung miteinander gesteuert werden. Je nach der Position der Trennvorrichtung wird diese mit verschiedenen Namen bezeichnet, wie etwa als Radende-Trennvorrichtung oder Achsenmitten-Trennvorrichtung. In diesem Beispiel kann die Trennvorrichtung 150 wahlweise Zahnräder in dem Verteilergetriebe 140 für den Antriebsstrang zum Antreiben der vorderen Antriebswelle 133 verbinden und trennen. Dabei teilt die Trennvorrichtung 150 effektiv das Verteilergetriebe 140 (und die Welle 133) von dem Getriebe 115 und der hinteren Antriebswelle 131 über ein System aus Zahnrädern, Steuermechanismen und anderen Aufbauten wie weiter unten im größeren Detail beschrieben.
Wenn während des 2WD-Modus Kraft nur zu den Hinterrädern 101 und 102 übertragen wird, kann ein Eingangsbefehl veranlassen, dass die Trennvorrichtung 150 eine fixe Drehung zwischen den zwei Längen der Welle 133 trennt, um keine Kraft zu der vorderen Achse 134 und den Rädern 103 und 104 zu übertragen. Dabei kann der größte Teil der Kraft von dem Motor 110 zu der hinteren Antriebswelle 131 gerichtet werden, während eine relativ kleinere Kraftmenge über das Verteilergetriebe 140 und in die mit der Trennvorrichtung verbundene Länge der Welle 133 abgeleitet wird. Mit anderen Worten können sich die Vorderräder 103 und 104 in dem getrennten Zustand frei drehen, ohne eine Antriebskraft von dem Motor zu empfangen. Außerdem hat die Drehung der Räder 103 und 104 zusammen mit der Drehung der Achse 134 und dem Teil der Welle 133 vor der Trennvorrichtung 150 (wie durch den Pfeil in 1 angegeben) keinen Einfluss auf die Drehung des restlichen Antriebsstrangs. Und weil die Trennvorrichtung 150 zwei Teile der Welle 133 vor und hinter der Trennvorrichtung trennt, übt die Drehung der zwei Längen keinen Einfluss auf die jeweils andere Länge aus, da diese voneinander getrennt sind. Wenn mehrere Trennvorrichtungen 150 vorgesehen sind, wobei eine Trennvorrichtung in dem Verteilergetriebe 140 oder an der Welle 133 angeordnet ist, während die andere Trennvorrichtung an dem Rad 103 und eine weitere Trennvorrichtung an dem Rad 104 angeordnet sind, dann können sich die vordere Achse 134 und ein Teil der oder die gesamte Welle 133 zu drehen aufhören, wenn die Trennvorrichtung in die Eingangskomponenten eingreift. Dabei kann sich auch das vordere Differential 122 zu drehen aufhören, während die Trennvorrichtungen die Drehung zwischen den Rädern 103 und 104 und der Achse 134 unterbrechen. Auf diese Weise kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden, weil sich die Räder 103 und 104 frei und ohne die zusätzliche Drehträgheit (Trägheitsmoment) der Achse 134 und den Reibungszug des Differentials 122 drehen können.
Wenn während des 4WD-Modus Kraft zu allen vier Rädern übertragen wird, kann ein Eingangsbefehl veranlassen, dass die Trennvorrichtung 150 eine fixe Drehung zwischen den zwei Längen der Welle 133 vorsieht, sodass Kraft zu der gesamten Welle 133 und auch zu der Achse 134 übertragen wird. In diesem Beispiel kann eine fixe Drehung durch den Eingriff einer Reihe von Zahnrädern und/oder Keilwellen vorgesehen werden, sodass sich die Wellen an beiden Enden der Trennvorrichtung 150 im Wesentlichen als eine einzelne Einheit drehen. Während dieses Betriebsmodus kann Kraft von dem Motor 110 im Wesentlichen gleich (oder mit anderen Ausführungsformen ungleich) zu den Rädern 101, 102, 103 und 104 übertragen werden. Es ist zu beachten, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung auch andere Antriebsmodi möglich sind, wenn Komponenten hinzugefügt, geändert und/oder entfernt werden.
Außerdem kann der Antriebsstrang 100 eine Trennvorrichtung 160 mit elektromagnetischen Impulsen an einem oder mehreren Radenden für das Verbinden und Trennen von einzelnen Rädern mit einer bestimmten Achse (z. B. der vorderen Achse 134 und/oder der hinteren Achse 132) umfassen. Dieser Typ von Trennvorrichtung kann hier als eine Radende-Trennvorrichtung bezeichnet werden. Die Trennvorrichtung 160 mit elektromagnetischen Impulsen kann alternativ hierzu auch an der vorderen Achse 134 und/oder der hinteren Achse 132 angeordnet sein. Weiterhin kann die Trennvorrichtung 160 mit elektromagnetischen Impulsen auf beiden Seiten des vorderen Differentials 122 und/oder des hinteren Differentials 121 angeordnet sein. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine motorbetriebene Trennvorrichtung 160 auf jeder Seite (d. h. auf beiden Seiten) des vorderen Differentials 122 an der vorderen Achse 134 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann eine motorbetriebene Trennvorrichtung 160 auf jeder Seite (d. h. auf beiden Seiten) des hinteren Differentials 121 entlang der hinteren Achse 132 angeordnet sein. Auf diese Weise kann der Fahrzeugantriebsstrang 100 ein Zwei-Trennvorrichtungen-Differentialsystem enthalten. Der Typ der Trennvorrichtung entlang der vorderen oder hinteren Achsen in Nachbarschaft zu den vorderen oder hinteren Differentialen kann hier als eine mittlere Trennvorrichtung bezeichnet werden, die weiter unten mit Bezug auf 12–16 näher beschrieben wird. Die nachfolgend beschriebene Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen kann an einer oder mehreren Positionen der Trennvorrichtung 160 mit elektromagnetischen Impulsen von 1 verwendet werden.
Wie zuvor genannt, können einige Trennvorrichtungen durch ein Vakuum betrieben werden, das von dem Motor wie etwa dem Motor 110 von 1 abgeleitet wird. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass ein Vakuum unter Umständen nicht einfach verfügbar sein kann oder dass das Vakuum unerwünscht fluktuieren kann, was eine verminderte Trennsteuerung mit sich bringt. Es können also verschiedene Kraftquellen genutzt werden, was einfachere und kompaktere Trennentwürfe ermöglicht. Dabei haben die Erfinder eine Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen vorgeschlagen, die durch einen gepulsten Strom zu einer elektromagnetischen Spule an der Trennanordnung betätigt wird. Für den elektrischen Strom müssen keine Vakuumleitungen durch das Fahrzeug geführt werden, sodass der elektrische Strom gegenüber der Vakuumkraft zuverlässiger ist. Im Folgenden werden zuerst die verschiedenen Komponenten der vorgeschlagenen Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen beschrieben und wird dann der Betrieb der Trennvorrichtung mit einem beispielhaften Steuerschema beschrieben.
2 und 3 zeigen einen montierten Zustand einer Trennanordnung 200 mit elektromagnetischen Impulsen (EMPD), die hier als eine Trennvorrichtung 200 bezeichnet werden kann, und 4 zeigt eine Explosionsansicht der EMPD-Anordnung 200. Insbesondere ist 2 eine Querschnittansicht der Trennvorrichtung 200 entlang der Linie A-A in der Ansicht des montierten Zustands von 3. Dabei zeigt 2 Innenansichten der Komponenten der Trennvorrichtung 200, während 3 Außenansichten der Komponenten der Trennvorrichtung 200 zeigt. Die internen Komponenten der Trennvorrichtung 200 können durch zusätzliche Komponenten umgeben sein und sind deshalb unter Umständen in der Außenansicht von 3 nicht sichtbar. Außerdem können einige interne Komponenten der Trennvorrichtung 200 nur in der Explosionsansicht von 4 sichtbar sein.
Die Trennvorrichtung 200 weist eine allgemein kreisrunde Form mit einem hohlen Inneren auf, um eine Kopplung zwischen zwei sich drehenden Komponenten zu gestatten. Insbesondere kann die Trennvorrichtung 200 eine Kopplung zwischen zwei Wellen eines Fahrzeugs wie weiter oben genannt vorsehen. Außerdem kann eine der Wellen angetrieben werden, während die andere nicht angetrieben wird, sodass die Kopplung zwischen den zwei Wellen eine Kraftübertragung und eine synchrone Drehung ermöglicht. Die zwei sich drehenden Komponenten wie etwa die Wellen können Zahnradzähne oder Keile für einen Eingriff in einen Kupplungsring 230 der Trennvorrichtung 200 sein. Wie in 2 und 4 gezeigt, kann der Kupplungsring 230 eine Reihe von Zahnradzähnen 233 umfassen, die eine innere Fläche des Kupplungsrings 230 umschreiben. Zum Beispiel weist der Kupplungsring 230 wie in 2 gezeigt zwei separate Reihen von Zähnen auf, die durch einen Ringabschnitt ohne Zähne entlang des Innenumfangs des Kupplungsrings 230 voneinander getrennt werden. Weiterhin weist wie in 2 gezeigt ein erster Satz von Zahnradzähnen in Nachbarschaft zu einer Blockschaltfeder 2408 eine größere Breite in einer Axialrichtung wie durch den Pfeil 203 gezeigt auf als ein zweiter Satz von Zahnradzähnen weiter weg von der Blockschaltfeder 2408 als der erste Satz von Zahnradzähnen. Die Blockschaltfeder 2408 wird weiter unten mit Bezug auf 5 näher erläutert.
Wenn die zwei Wellen in dem hohlen Inneren der Trennvorrichtung 200 angeordnet sind, kann der Kupplungsring 230 in einer Axialrichtung nach hinten und nach vorne verschoben werden, um die zwei Wellen zu verbinden oder zu trennen. Die Axialrichtung kann parallel zu einer Mittenachse 215 der Trennvorrichtung 200 sein. Dementsprechend kann das Verbinden der zwei Wellen ein Eingreifen des Kupplungsrings 230 mit den Zahnradzähnen der beiden Wellen umfassen, um eine im Wesentlichen starre Verbindung zwischen den Wellen zu erzeugen, sodass Kraft und Drehung zwischen den Wellen übertragen (d. h. vollständig übertragen) werden können. Umgekehrt kann das Trennen der zwei Wellen umfassen, dass der Kupplungsring 230 in die Zahnradzähne nur einer der Wellen eingreift, um eine Trennung (d. h. keine Kopplung) zwischen den zwei Wellen aufrechtzuerhalten und eine unabhängige Drehung der Wellen zu gestatten. In einem Beispiel kann der erste Satz von Zahnradzähnen des Kupplungsrings 230 wie oben beschrieben in eine Welle der zwei Wellen eingreifen, während der zweite Satz von Zähnen des Kupplungsrings 230 in die andere Welle der zwei Wellen eingreift. Wenn von der 4 × 2-Position zu der 4 × 4-Position geschaltet wird, bewegt sich der Kupplungsring 230 in der positiven Axialrichtung wie durch den Pfeil 203 angegeben.
In der vorliegenden Offenbarung kann eine Translationsbewegung in der Axialrichtung (z. B. in der Richtung der Mittenachse 215) wie durch den Pfeil 203 in 2–3 angegeben als Bewegung in der Axialrichtung oder positiven Axialrichtung bezeichnet werden, während eine Translationsbewegung in der entgegengesetzten Richtung als Bewegung in der negativen Axialrichtung bezeichnet werden kann. Weiterhin kann die negative Axialrichtung eine erste Richtung sein, während die positive Axialrichtung eine zweite Richtung sein kann. Schließlich kann eine Drehung um die Axialrichtungs- oder Mittenachse 215 auch als eine Drehung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn je nach der Drehrichtung bezeichnet werden. Weil die Trennvorrichtung 200 und ihre verschiedenen Komponenten allgemein kreisrunde Formen aufweisen, können sich einige dieser Komponenten um ihre Mittenachsen drehen, die kollinear mit der Axialrichtung sein können.
Die verschiedenen Komponenten der EMPD-Anordnung 200 können in einem Gehäuse (nicht in 2–3 gezeigt) enthalten sein. Zum Beispiel kann das Gehäuse der Trennvorrichtung 200 die Komponenten der Trennvorrichtung 200 vollständig umgeben und umhausen. Dabei kann das Trennvorrichtungsgehäuse wenigstens teilweise davor schützen, dass Fremdmaterialien wie etwa Fett, Staub und Öl die beweglichen Teile der Trennvorrichtung 200 beeinträchtigen. Das Gehäuse kann eine Anzahl von Montageflanschen für eine Fixierung der Trennvorrichtung 200 an einer stationären Fahrzeugkomponente enthalten. Ausführungsformen eines Trennvorrichtungsgehäuses sind in 17–24 gezeigt und werden nachfolgend beschrieben.
Die Trennvorrichtung 200 enthält weiterhin eine elektromagnetische Spule 220, eine Spulenrückstellfeder 2418, eine Ankernockenanordnung 2405 einschließlich eines Ankers 2406 und eines Nockens 2404, ein Schaltelement 2416, eine Blockschaltfeder 2408, ein Sperrringgehäuse 263 (auch als Träger bezeichnet) und einen Sperrmechanismus einschließlich eines Sperrrings 260, eines Sperrnockenrings 261 und eines Sperrführungsrings 271. Der Sperrnockenring 261 und ein Sperrführungsring 271 sind in 4 aber nicht in 2–3 gezeigt. Die elektromagnetische Spule 220 löst eine Betätigung der Trennvorrichtung 200 und eine Bewegung des Kupplungsrings 230 wie weiter unten beschrieben aus. Die Spule 220 weist eine planare Kontaktfläche auf, die der Axialrichtung zugewandt ist, um den Anker 2406 zu kontaktieren. Die Spule 220 umfasst weiterhin eine Kontaktanordnung 303, die eine elektrische Verbindung zwischen der Spule 220 und einer Leiterplatte 207 einer Steuereinrichtung 2414 der Trennvorrichtung 200 vorsieht. Die Kontaktanordnung 303 ist mit einer Seite der Spule 220 gegenüber der dem Rest der Komponenten der Trennvorrichtung 200 zugewandten Seite gekoppelt.
Die Steuereinrichtung 2414 (wie in 4 gezeigt) einschließlich der Leiterplatte 207 enthält verschiedene elektrische Einrichtungen 211, die an der Leiterplatte 207 angebracht sind. Die elektrischen Einrichtungen 211 können Mikroprozessoren für verschiedene Aufgaben sein. Die Steuereinrichtung 2414 kann auch als Trennungssteuereinrichtung bezeichnet werden. Wie weiter unten mit Bezug auf 10–11 beschrieben, kann die Steuereinrichtung verschiedene Signale wie etwa Schaltbefehle (z. B. 4 × 2 oder 4 × 4-Befehle) von einer Einrichtung außerhalb der Trennvorrichtung 200 wie etwa einer Fahrzeugsteuereinrichtung und einem Positionssensor 208 (nicht in 2–4, aber in 19 und 20 gezeigt und weiter unten beschrieben) empfangen. Die Steuereinrichtung 2414 kann dann die empfangenen Signale verarbeiten und Signale zu verschiedenen Stellgliedern von Trennungskomponenten wie etwa der Spule 220 senden (z. B. durch eine Stromversorgung der Spule), um den Kupplungsring 230 zu einer verbundenen (z. B. 4 × 4-Position) oder einer getrennten (4 × 2-Position) zu schalten. Dabei führt die Steuereinrichtung 2414 die in dem Speicher gespeicherten Befehle in Kombination mit verschiedenen Sensoren und Stellgliedern der Trennvorrichtung 200 aus.
Weiterhin kann eine Anzahl von Schrauben 210 die Leiterplatte 207 an einer Außenfläche des Sperrnockenrings 261 fixieren. Der Positionssensor 208 ist mit einer unteren Fläche der Leiterplatte 207 (nicht in 4 gezeigt) gekoppelt und erstreckt sich wie weiter unten in 19 und 20 gezeigt radial nach innen durch einen Schlitz in einer oberen Fläche des Sperrnockenrings 261. Dabei wirkt der Positionssensor 208 mit zwei Magneten 212 zusammen, die in dem Sperrringgehäuse 263 integriert sind. Insbesondere sind die zwei Magneten 212 in einer oberen (in Bezug auf den Boden, auf dem das Fahrzeug sitzt, wenn die Trennvorrichtung 200 an einem Fahrzeugantriebsstrang installiert ist) und äußeren Fläche einer ersten Führungslasche enthalten. Wie in 2 gezeigt, sind die zwei Magneten 212 in dem Sperrringgehäuse 263 eingebettet und voneinander über die Breite des Sperrringgehäuses 263 beabstandet. Das Sperrringgehäuse 263 enthält drei Führungslaschen 213 (wie in 4 gezeigt), die um einen Außenumfang des Sperrringgehäuses 263 herum beabstandet sind. Jede dieser drei Führungslaschen 213 erstreckt sich nach außen von einer Außenfläche des Sperrringgehäuses 263 in einer Radialrichtung (in der Radialrichtung senkrecht zu der Axialrichtung) über die Breite des Sperrringsgehäuses 263 in der Axialrichtung. Die drei Führungslaschen 213 helfen bei der Zentrierung des Sperrringgehäuses 263 während einer Translationsbewegung (d. h. in der Axialrichtung). Auf diese Weise können die Magneten 212 in der obersten Führungslasche in der gleichen Umfangsausrichtung mit dem Positionssensor 208 an der Leiterplatte 207 bleiben. Zum Beispiel greifen die drei Führungslaschen 213 in entsprechende Nuten (z. B. Schlitze) 259 (wie in 4 gezeigt) in einer Innenfläche des Sperrnockenrings 261 ein. In anderen Ausführungsformen kann das Sperrringgehäuse 263 auch mehr oder weniger als drei Führungslaschen 213 und/oder mehr oder weniger als zwei Magneten 212 enthalten. Wie weiter unten beschrieben, können die axiale Ausrichtung des Sperrringgehäuses 263 und die aktuelle Schaltposition der Trennvorrichtung 200 darauf basierend bestimmt werden, ob der Positionssensor 208 axial mit den Magneten 212 ausgerichtet ist und somit diese erfasst.
Die Ankernockenanordnung 2405 enthält den Anker 2406, der direkt mit den Nocken 2404 gekoppelt (d. h. an diesem befestigt) ist, ohne dass zusätzliche Komponenten den Anker 2406 und den Nocken 2404 trennen. In einem Beispiel können der Anker 2406 und der Nocken 2404 einstückig ausgebildet sein. Der Anker 2406 ist eine flache Metallscheibe (d. h. eine dünne, flache Metallring-artige Platte mit einer mittleren Öffnung), die in nächster Nähe zu dem stationären (d. h. nicht-drehbar bzw. in Bezug auf eine Drehung um die Mittenachse 215 herum fixierten) Spule 220 angeordnet ist. Wenn zum Beispiel die Spule 220 nicht mit Strom versorgt wird, sind der Anker 2406 und die Spule 220 durch einen Luftspalt 408 wie in 2 und 3 gezeigt voneinander getrennt. Auch die Spulenrückstellfeder 2418 ist der Spule 220 benachbart und kann einen Teil derselben umgeben. Zum Beispiel enthält die Spule 220 wie in 3 gezeigt ein gestuftes Profil mit einem größerdurchmessrigen Teil und einem kleinerdurchmessrigen Teil, wobei die Spulenrückstellfeder 2418 gegen eine innere, der Axialrichtung zugewandte Fläche des größerdurchmessrigen Teils angeordnet ist und eine Außenfläche des kleinerdurchmessrigen Teils umgibt. Wenn wie weiter unten mit Bezug auf 5–7 beschrieben die Spule 220 mit Strom versorgt wird, wird die Spule 220 zu dem Metallanker 2406 gezogen.
Wie in 3 und 4 gezeigt, enthält der Nocken 2404 eine Reihe von bidirektionalen Rampen, die um einen Umfang des Nockens 2404 herum angeordnet sind. Jede bidirektionale Rampe umfasst einen Scheitel 307 in Nachbarschaft zu dem Anker 2406. Weiterhin umfasst die Reihe von bidirektionalen Rampen eine Basis 309, die zwischen zwei benachbarten (d. h. aufeinander folgenden Scheiteln 307 angeordnet ist. Dabei erstreckt sich jeder Rampenteil der bidirektionalen Rampen zwischen einem Scheitel 307 und einer Basis 309.
Das Schaltelement 2416 ist in Nachbarschaft zu dem Nocken 2404 angeordnet. Das Schaltelement 2416 umfasst einen Führungsteil 2415 und einen Käfigteil 2417. Der Führungsteil 2415 ist dem Nocken 2404 in der Axialrichtung näher als der Käfigteil 2417. Der Führungsteil 2415 umfasst ein erhobenes Flächenprofil, das sich radial von einer Außenfläche des Schaltelements 2416 weg erstreckt. Das erhobene Profil umfasst eine Reihe von Führungen, die um einen Umfang des Schaltelements 2416 herum angeordnet sind. Insbesondere erstreckt sich jede der Führungen axial weg von einem Basisteil des erhobenen Profils und zu dem Nocken 2404, wobei sich der Basisteil um den Umfang des Schaltelements 2416 herum erstreckt. Die Führungen sind voneinander um den Umfang des Schaltelements 2416 herum beabstandet und erzeugen dadurch jeweils flache und planare niedrige Punkte an dem Basisteil und hohe Punkte an einem Scheitel jeder Führung. Jede der Führungen des Führungsteils 2415 wirkt mit einem Scheitel 307 und entsprechenden Rampen des Nockens 2404 zusammen. Weiterhin wirkt jeder Abschnitt des Basisteils zwischen zwei benachbarten Führungen mit einer Basis 309 des Nockens 2404 zusammen. Die Anzahl von Scheiteln 307 des Nockens 2404 ist gleich der Anzahl von Führungen des Führungsteils 2415 des Schaltelements 2416. Wie in 3 gezeigt, können die Führungen des Führungsteils 2415 derart geformt sein (d. h. mit einem Scheitel und gewinkelten Seiten), dass sie mit einem Scheitel 307 des Nockens 2404 passen, wenn sich der Trennungsteil 200 an einer 4 × 2-Position wie weiter unten mit Bezug auf 5 näher erläutert befindet.
Der Käfigteil 2417 des Schaltelements 2416 umfasst eine Vielzahl von äußeren Keilen (z. B. Fingern) 403 und Stangen 405, die um den Umfang des Käfigteils 2417 herum angeordnet sind und sich von einem mittleren Teil des Schaltelements 2416 in einer Richtung erstrecken, die der Richtung, in der sich die Führungen des Führungsteils 2415 erstrecken, entgegengesetzt ist. Die Stangen 405 und die äußeren Keile 403 sind mit einem Käfighalter 401 (in 4 gezeigt) gekoppelt. Der Käfighalter 401 hält den Kupplungsring 230 in dem Käfigteil 2417. Insbesondere sind die Stangen 405 in entsprechende Öffnungen 407 in dem Käfighalter 401 eingesteckt und sind die äußeren Keile 303 in die entsprechenden Öffnungen 409 in dem Käfighalter 401 eingesteckt und darin eingeschnappt, um den Käfighalter 401 an einer Position gegen den Schaltelement 2416 zu halten.
Der Käfigteil 2417 umfasst weiterhin eine Vielzahl von inneren Keilen 2419, die an einer Innenfläche des Käfigteils 2417 und um einen Umfang des Schaltelements 2416 herum angeordnet sind. Jeder der inneren Keile 2419 ist an einem entsprechenden Stangenkörper befestigt, der eine der Stangen 405 enthält. Jeder der inneren Keile 2419 wirkt mit einer Vielzahl von Keilaussparungen 231, die um eine Außenfläche (d. h. entlang eines Außendurchmessers) des Kupplungsrings 230 herum angeordnet sind, zusammen. Dabei ist der Kupplungsring 230 an dem Käfigteil 2417 des Schaltelements 2416 über einen Eingriff zwischen den Keilaussparungen 231 und den Keilen 2419 fixiert. Dabei können die inneren Keile 2419 ein Drehmoment zu dem Kupplungsring 230 übertragen. Anders ausgedrückt, sind das Schaltelement 2416 und der Kupplungsring 230 aneinander fixiert und drehen und verschieben sich somit zusammen um die Mittenachse 215 als eine einzelne Einheit. Auf diese Weise hat eine Translationsbewegung des Schaltelements 2416 in der Axialrichtung eine koordinierte Translationsbewegung des Kupplungsrings 230 zur Folge, um für eine wahlweise Verbindung zwischen den zwei sich drehenden Komponenten außerhalb der Trennvorrichtung 200 zu sorgen.
Wie weiter oben genannt, enthält die Trennvorrichtung 200 einen Sperrmechanismus, der den Sperrring 260 (der sich in der Axialrichtung dreht und verschiebt), den Sperrnockenring 261 und den Sperrführungsring 271 umfasst. Der Sperrring 260 umfasst eine allgemein kreisrunde und ringförmige Form mit einem hohlen Inneren. Eine Außenfläche (d. h. ein Außenumfang) des Sperrrings 260 enthält eine Anzahl von vorstehenden Stiften 2412, die mit gleichen Abständen um den Umfang des Sperrrings 260 herum beabstandet sind. Anders ausgedrückt, sind die Stifte 2412 an einer äußeren Radialfläche des Sperrrings 260 angebracht. In anderen Ausführungsformen können die Stifte 2412 auch ungleichmäßig um den Umfang des Sperrrings 260 herum angeordnet sein. Die Stifte 2412 erstrecken sich von der Außenfläche des Sperrrings 260 nach außen in einer Radialrichtung (in der Radialrichtung senkrecht zu der Axialrichtung).
Wie in 2 und 4 gezeigt, umfasst das Sperrringgehäuse 263 eine gestufte Vertiefung 239 zum Halten des Sperrrings 260. Zum Beispiel passt eine Innenfläche des Sperrrings 260 um eine Außenfläche der gestuften Vertiefung 239. Weiterhin weist die gestufte Vertiefung 239 einen kleineren Durchmesser auf als der verbleibende Teil des Sperrringgehäuses 264 einschließlich der Führungslaschen 213. Zum Beispiel gestattet das Sperrringgehäuse 263, dass sich der Sperrring 260 frei um die Mittenachse 215 dreht, während es nur eine begrenzte Translationsbewegung (d. h. lineare Bewegung) des Sperrrings 260 in der Axialrichtung gestattet.
Wie in 4 gezeigt, umfasst der Sperrmechanismus weiterhin einen stationären Sperrnockenring 261 (der eine innere Bahn vorsieht) und einen stationären Sperrführungsring 271 (der eine äußere Bahn vorsieht). Der Sperrnockenring 261 und der Sperrführungsring 271 (in 4 gezeigt) umgeben andere Komponenten der oben beschriebenen Trennvorrichtung 260 von außen wie etwa die Ankernockenanordnung 2405, den Kupplungsring 230 und das Schaltelement 2416. Dabei können der Sperrnockenring 261 und der Sperrführungsring 271 direkt innerhalb einer Innenfläche eines Gehäuses der Trennvorrichtung 200 angeordnet sein. Der Sperrnockenring 261 und der Sperrführungsring 271 werden stationär relativ zu einem fixen Gehäuse der Trennvorrichtung 200 gehalten. Das heißt, dass sich der Sperrnockenring 261 und der Sperrführungsring 271 nicht in Bezug auf die Mittenachse 215 drehen oder verschieben. Der Sperrnockenring 261 und der Sperrführungsring 271 sind nebeneinander entlang der Mittenachse 215 angeordnet und bilden ein Muster von Gipfeln und Tälern um einen Umfang des Sperrnockenrings 261 und des Sperrführungsrings 271 herum. Ein durch die Gipfel und Täler erzeugter Raum wird hier als ein Sperrbahnprofil bezeichnet (in 8 gezeigt und weiter unten beschrieben). Insbesondere umfasst der Sperrnockenring 261 eine erste Reihe von Zähnen, die ein Muster von verschieden dimensionierten Einkerbungen bilden, die sich in den Sperrnockenring 261 von einem ersten Ende des Sperrnockenrings, das mit dem Sperrführungsring 271 zusammenwirkt, erstrecken, wobei sich die erste Reihe von Zähnen um einen Umfang des Sperrnockenrings 261 herum erstreckt. Der Sperrführungsring 271 umfasst eine zweite Reihe von Zähnen, die ein Muster von entsprechend dimensionierten Einkerbungen bilden, die sich in den Sperrführungsring 271 von einem ersten Ende des Sperrführungsrings 271, das mit dem Sperrnockenring 261 zusammenwirkt, erstrecken. Die Stifte 2412 des Sperrrings 260 passen in das zwischen dem Sperrführungsring 271 und dem Sperrnockenring 261 gebildete Sperrbahnprofil 265 und bewegen sich entlang von diesem wie weiter unten mit Bezug auf 8 näher beschrieben.
Die Trennvorrichtung 200 enthält weiterhin einen oder mehrere Halteringe 277, die Komponenten der Trennvorrichtung 200 an ihren Positionen halten. Außerdem umfasst die Trennvorrichtung 200 wie in 4 gezeigt eine Scheibe 301, die einen Verschleiß zwischen Kunststoffkomponenten der Trennvorrichtung 200 reduziert. Wie weiter oben erläutert, besteht der Anker 2406 aus Metall. Andere Komponenten der Trennvorrichtung 200 wie etwa das Schaltelement 2416, der Nocken 2404 und das Sperrringgehäuse 263 können aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Die Scheibe 301 ist zwischen dem drehbaren Schaltelement 2416 und dem stationären (d. h. fixen und nicht-drehbaren) Sperrringgehäuse 263 angeordnet. Dadurch wird ein Verschleiß zwischen dem Schaltelement 2416 und dem Sperrringgehäuse 263 reduziert, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Trennvorrichtung 200 zu verbessern. In anderen Ausführungsformen kann die Trennvorrichtung 200 weiterhin eine oder mehrere Dichtungen umfassen, die eine schützende Dichtung zwischen den Trennkomponenten und der sich drehenden Komponente wie etwa einer Achse und einem Gehäuse der Trennvorrichtung 200 vorsehen. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Staub und andere Materialien in das Innere der Trennvorrichtung 200 eintreten oder daraus austreten.
Die oben mit Bezug auf 2–4 beschriebene Trennvorrichtung enthält eine Reihe von stationären und sich bewegenden Komponenten. Wenn eine Komponente als stationär (z. B. stationär in allen Richtungen) beschrieben wird, bedeutet das, dass sie sich relativ zu anderen Komponenten der Trennvorrichtung und relativ zu einem die Komponenten der Trennvorrichtung 200 umgebenden äußeren Gehäuse nicht bewegt. Weiterhin können sich bewegende Komponenten um die Mittenachse 215 der Trennvorrichtung 200 drehen und/oder sich in der positiven und/oder negativen Axialrichtung in Bezug auf die Mittenachse 215 verschieben. Wie weiter oben beschrieben, sind der Sperrnockenring 261 und der Sperrführungsring 271 vollständig stationäre Komponenten, die sich nicht in der Axialrichtung verschieben oder um die Mittenachse 215 drehen. Dabei sind diese Komponenten fixiert und können mit einem Gehäuse der Trennvorrichtung gekoppelt sein, das die Trennkomponenten umgibt und umhaust. Die Spule 220 ist in Bezug auf eine Drehung fixiert (d. h. dreht sich nicht um die Mittenachse 215) und auf eine begrenzte Bewegungsgröße in der Axialrichtung (d. h. gerade ausreichend, um den Luftspalt zwischen der Spule 220 und dem Anker 2406 zu schließen) beschränkt. Das Schaltelement 2416 ist mit dem Kupplungsring 230 gekoppelt, wobei sich diese Komponenten als eine Einheit in der Axialrichtung verschieben und um die Mittenachse 215 drehen. In Reaktion auf eine Translationsbewegung des Schaltelements 2416 verschieben sich auch das Sperrringgehäuse 263 und der Sperrring 260 in der Axialrichtung (d. h. in der positiven und negativen Axialrichtung). Das Sperrringgehäuse 263 ist in Bezug auf eine Drehung fixiert, sodass es sich nicht um die Mittenachse 215 dreht. Der Sperrring 260 kann sich auch um die Mittenachse 215 drehen und bewegt sich nach hinten und nach vorne zwischen und entlang einer Bahnfläche des Sperrnockenrings 261 und einer Bahnfläche des Sperrführungsrings 271 (in dem Sperrbahnprofil 265, das zwischen den Bahnflächen des Sperrnockenrings und des Sperrführungsring) gebildet wird. Der Anker 2406 und der Nocken 2404 sind als eine Einheit (d. h. als die Ankernockenanordnung 2405) fixiert und drehen und verschieben sich zusammen entlang der Axialrichtung. Wenn die Spule 220 nicht mit Strom versorgt wird, wird sie nicht zu dem Anker 2406 gezogen und an diesem befestigt. Deshalb können sich der Anker 2406 und der Nocken 2404 frei um die Mittenachse 215 zusammen mit dem Schaltelement 2416 drehen. Wenn die Spule 220 dagegen mit Strom versorgt wird, wird der Anker 2406 zu der Spule 220 gezogen und berührt die Spule 220. Daraus resultiert, dass sich der Anker 2406 und der Nocken 2404 verlangsamen oder zu drehen aufhören. Weitere Details zu den Schaltdmodi des EMPD 200 werden weiter unten mit Bezug auf 5–11 erläutert.
Auf diese Weise kann die EMPD-Anordnung 200 den Kupplungsring der Anordnung zu einer 4 × 4-Position, in der zwei sich drehende Komponenten (z. B. Achsen oder Wellen eines Fahrzeugantriebsstrangs) drehbar miteinander gekoppelt sind, und zu einer 4 × 2-Position, in der zwei sich drehende Komponenten nicht drehbar miteinander gekoppelt sind, versetzen. 5–7 zeigen Querschnittansichten und Ansichten eines montierten Zustands der EMPD 200 an verschiedenen Schaltpositionen (4 × 2, Schaltende und 4 × 4). Die Komponenten der EMPD von 5–7 können gleich den oben beschriebenen Komponenten von 2–4 sein. Dabei können die Komponenten durch gleiche Bezugszeichen angegeben werden und werden im Folgenden mit Bezug auf 5–7 nicht nochmals erläutert. Insbesondere ist 5 eine schematische Darstellung 500 mit einer ersten Ansicht 501 des montierten Zustands und einer ersten Querschnittansicht 503 des montierten Zustands entlang der Schnittlinie A-A in der Ansicht 501 der Trennvorrichtung 200 an einer ersten 4 × 2-Position (d. h. an einer getrennten Position). 7 ist eine schematische Darstellung 700 mit einer zweiten Ansicht 701 des montierten Zustands und einer zweiten Querschnittansicht 703 des montierten Zustands entlang der Schnittlinie A-A in der Ansicht 701 der Trennvorrichtung 200 an einer zweiten 4 × 4-Position (d. h. an einer verbundenen Position). 6 ist eine schematische Ansicht 600 mit einer dritten Ansicht 601 des montierten Zustands und einer dritten Querschnittansicht 603 des montierten Zustands entlang der Schnittlinie A-A in der Ansicht 601 der Trennvorrichtung 200 an einer dritten Schaltendeposition (EOS). Die Positionen können Schaltmodi des Fahrzeugs entsprechen, wobei ein Schaltbefehl an eine Fahrzeugsteuereinrichtung gesendet werden kann, der wiederum an die Trennsteuereinrichtung 2414 gesendet werden kann, um eine EMPD-Anordnung 200 dementsprechend zu betätigen.
An der 4 × 2-Position ist wie in 5 gezeigt der Kupplungsring 230 nur mit einer sich drehenden Komponente (nicht gezeigt) verbunden, während sich die andere sich drehende Komponente (nicht gezeigt) unabhängig drehen kann. An der 4 × 2-Position sind die Spule 220 und der Anker 2406 durch den Luftspalt 408 voneinander getrennt. Außerdem werden die Führungen des Führungsteils 2415 des Schaltelements 2416 gegen die Scheitel 307 des Nockens 2404 positioniert (und greifen in diese ein). Weiterhin werden die Basisteile des Führungsteils 2415 des Schaltelements 2416 gegen die Basen 309 des Nockens 2404 positioniert (und greifen in diese ein). Dabei kann der leere Raum zwischen dem Schaltelement 2416 und dem Nocken 2404 relativ zu der 4 × 4-Position minimiert werden. Weil das Schaltelement 2416 mit dem Kupplungsring 230 gekoppelt ist, dreht sich das Schaltelement 2416 zusammen mit dem Kupplungsring 230 (und greift die sich drehende Komponente in diesen ein). Dementsprechend dreht sich der Nocken 2404 zusammen mit dem Schaltelement 2416 aufgrund der zusammenwirkenden Führungen und bidirektionalen Rampen des Schaltelements 2416 und des Nockens 2404.
Wenn ein Schalten von dem 4 × 2- zu dem 4 × 4-Modus angewiesen wird, kann die Fahrzeugsteuerung bestimmen, ob es sicher ist, die zwei sich drehenden Komponenten miteinander zu verbinden. Zum Beispiel müssen in einigen Ausführungsformen zwei sich drehende Komponenten in der gleichen Richtung in Entsprechung zu einer Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs gedreht werden. Bei Empfang eines Schaltbefehls zum Schalten der Trennvorrichtung 200 zu der 4 × 4-Position führt die Steuereinrichtung 2414 einen elektrischen Strom zu der elektromagnetischen Spule 220 über die Kontaktanordnung 303 zu (weiter oben mit Bezug auf 3 beschrieben), um die Spule 220 mit Strom zu versorgen. In Übereinstimmung mit den elektromagnetischen Eigenschaften kann eine Stromversorgung der Spule 220 ein Magnetfeld um die Spule herum erzeugen. Dabei wird eine Spule 220 zu dem Anker 2406 gezogen, der aus einem geeigneten Metallmaterial für eine Interaktion mit dem durch die Spule 220 erzeugten Magnetfeld besteht. Während die Spule 220 in Bezug auf eine Drehung fixiert ist, dreht sich der Anker 2406 (und der an dem Anker 2406 befestigte Nocken 2404) mit dem Schaltelement 2416 und dem Kupplungsring 230 wie weiter oben beschrieben. Weil sich die Spule 220 frei über eine bestimmte Strecke verschieben kann bewegt sich die Spule 220 in der positiven Axialrichtung in einen Kontakt mit dem Anker 2406, wodurch der Luftspalt 408 effektiv geschlossen wird und eine Reibung zwischen der Spule 220 und dem Anker 2406 erzeugt wird. Dadurch kann eine Drehung des Ankers 2406 verlangsamt oder gestoppt werden. Wenn sich der Anker 2406 und der Nocken 2404 langsamer als das Schaltelement 2416 drehen, erzeugen die bidirektionalen Rampen des Nockens 2404 eine Kraft gegen die Führungen des Schaltelements 2416. Daraus resultiert, dass wie in der Ansicht 701 gezeigt die Führungen des Schaltelements 2416 teilweise entlang der Rampen des Nockens 2406 weg von den Scheiteln und zu den Basen des Nockens 2406 gleiten. Dadurch wird verursacht, dass sich das Schaltelement 2416 weg von dem Nocken 2404 in der positiven Axialrichtung bewegt (bei dem Bezugszeichen 203 gezeigt). Weil das Schaltelement 2416 an dem Kupplungsring 230 befestigt ist, verschieben sich beide Komponenten in der Axialrichtung (z. B. in der positiven Axialrichtung) als eine einzelne Einheit. Auf diese Weise kann die durch die mit Strom versorgte Spule 220 und den Anker 2406 erzeugte Betätigungskraft die Kupplungsringanordnung in der positiven Axialrichtung und in eine Verbindung mit einer zweiten sich drehenden Komponente drücken. Die Axialbewegung des Schaltelements 2416 wirkt dann auf den Kupplungsring 230, um ein Schalten von der verbundenen zu der getrennten Position zu bewerkstelligen und dadurch von der 4 × 2- zu der 4 × 4-Position zu schalten.
Wie weiter oben und weiter unten mit Bezug auf 8 beschrieben, enthält die Trennvorrichtung 200 einen Sperrmechanismus zum Halten der Trennvorrichtung an der 4 × 4-Position, ohne dass hierfür die Spule 220 weiter mit Strom versorgt werden muss. Zum Beispiel ist es vorteilhaft, die Spule 220 nur dann mit Strom zu versorgen, wenn von einer Position zu einer anderen geschaltet wird. Wenn jedoch kein Sperrmechanismus in der Trennanordnung enthalten ist, hat die nicht erfolgende Stromversorgung der Spule 220 zur Folge, dass sich der Anker 2406 und der Nocken 2404 frei zusammen mit dem Schaltelement 2416 drehen, wobei die Rückstellfeder 2410 dann den Kupplungsring 230 zu der 4 × 2-Position zurückführt (durch das Verschieben des Schaltelements 2416 und des Kupplungsrings 230 in der negativen Axialrichtung). Wenn statt dessen die 4 × 4-Position angewiesen wird, wird die Spule 220 mit Strom versorgt und wird der Kupplungsring 230 zu der 4 × 4-Position wie oben beschrieben geschaltet. Zusätzlich zu dieser Bewegung hält der Sperrmechanismus die Trennvorrichtung 200 an der 4 × 4-Position, auch nachdem die Spule 220 nicht mehr mit Strom versorgt wird. In diesem Zustand bleibt das Fahrzeug in dem 4 × 4-Modus, bis der 4 × 2-Modus ausgewählt wird.
Wenn ein Schalten von dem 4 × 2-Modus zu dem 4 × 4-Modus angewiesen wird, führt die Steuereinrichtung 2414 wieder elektrischen Strom zu der elektromagnetischen Spule 220 über die Kontaktanordnung 303 zu, um die Spule 220 mit Strom zu versorgen. Daraus resultiert, dass sich die Führungen des Führungsteils 2415 des Schaltelements 2416 weiter nach oben über die Rampen des Nockens 2404 bewegen, bis die Führungen in Kontakt mit den nicht mit Rampen versehenen Basisenden der bidirektionalen Rampen (d. h. den Basen 309) des Nockens 2404 kommen. Diese Position wird als eine Schaltendposition (EOS) bezeichnet und ist in 6 gezeigt. Die zusätzliche Bewegungsdistanz verursacht ein Umschalten des Sperrmechanismus, wie weiter unten mit Bezug auf 8 beschrieben. Sobald der Sperrmechanismus umgeschaltet wurde, kann die Stromversorgung der Spule 220 beendet werden. Wenn die Spule ab der EOS-Position nicht mit Strom versorgt wird, bewegt sich die Spule 220 weg von dem Anker 2406 und ist erneut ein Luftspalt 408 zwischen der Spule 220 und dem Anker 2406 vorhanden. Der Anker 2406 und der Nocken 2404 können sich dann frei zusammen mit dem Schaltelement 2416 bewegen, wobei die Rückstellfeder 2410 den Kupplungsring 230 zu der 4 × 2-Position zurückführt. Der Fahrzeugantriebsmodus kann jedesmal zwischen der 4 × 2- und der 4 × 4-Position wechseln, wenn die Spule 220 für eine kurze Dauer oder gepulst mit Strom versorgt wird.
Und wenn der Kupplungsring 230 nicht verschoben werden kann, weil die Kupplungszähne nicht ausgerichtet sind oder eine Blockierung aufgetreten ist, biegt sich die Blockschaltfeder 2408 und gestattet, dass die Schaltanordnung die angewiesene Bewegung abschließt. Wenn die Zähne ausgerichtet sind oder die Blockierung aufgehoben wurde, drückt die Blockschaltfeder 2408 den Kupplungsring zu der gewünschten Position.
Wie oben beschrieben, hält der Sperrmechanismus die Trennvorrichtung 200 an der ausgewählten Schaltposition, ohne dass hierfür die elektromagnetische Spule weiterhin mit Strom versorgt werden muss. Die Spule kann also nur mit Strom versorgt werden, wenn sie sich von einer Schaltposition zu einer anderen bewegt. Ein beispielhafter Sperrmechanismus, der in der Trennvorrichtung 200 verwendet werden kann, ist in 8 gezeigt. Insbesondere ist 8 eine schematische Darstellung 750 eines Sperrbahnprofils 265 in einer Draufsicht auf die Trennanordnung 200. Das Sperrbahnprofil 265 wird zwischen einem stationären Sperrnockenring 261 und einem stationären Sperrführungsring 271 gebildet. Der Sperrmechanismus enthält weiterhin einen sich verschiebenden (in der Axialrichtung) oder sich drehenden Sperrring 260 mit einer Vielzahl von radial ausgerichteten Stiften 2412, die sich entlang des Bahnprofils (d. h. der Bahn) 265 bewegen. Ein Bewegungspfad eines Stifts 2412 des Sperrrings 260 ist in 8 gezeigt. Bahnflächen des Sperrnockenrings 261 und des Sperrführungsrings 271 bilden ein Muster von Gipfeln und Tälern, die in dem kreisförmigen Sperrbahnprofil 265 angeordnet sind. Wie weiter oben mit Bezug auf 3–4 genannt, enthält der Sperrführungsring 271 eine zweite Reihe von Zähnen 751, die ein Muster aus gleichmäßig dimensionierten Nuten (d. h. Einkerbungen) bilden, wobei sich zwei Nuten 752 und 759 der Reihe von Nuten von 8 in den Sperrführungsring 271 erstrecken. Der Sperrnockenring 261 enthält eine erste Reihe von Zähnen 752, die ein wiederholtes Muster um einen Umfang des Sperrnockenrings 261 aus flacheren Nuten (d. h. Einkerbungen) wie etwa den zwei flacheren Nuten 754 und 757 von 8 und tieferen Nuten (d. h. Einkerbungen) wie etwa der einen tieferen Nut 755 von 8 bilden. Das Sperrbahnprofil 265 wird durch die Reihe von Nuten (d. h. 752 und 759 von 8), die flacheren Nuten (d. h. 754 von 8) und die tieferen Nuten (d. h. 755 von 8) und den Raum zwischen den Zähnen des Sperrnockenrings 261 und des Sperrführungsrings 271 gebildet. Nur ein Teil aller Nuten des Sperrnockenrings 261 und des Sperrführungsrings 271 ist in 8 gezeigt.
Der Sperrring 260 dreht sich, wenn sich die Stifte 2412 nach oben und unten über die Gipfel und Täler der Bahn 265 bewegen, wobei die Gipfel und Täler der Bahn durch die Bahnflächen (d. h. die Zahnmuster) des Sperrnockenrings und des Sperrführungsrings gebildet werden. Die Nuten entlang der Bahnfläche des Sperrnockenrings 261 umfassen die flacheren Nuten 754 und 757, in denen der Stift 2412 an einer stabilen Position stoppen kann. Der Stift 2412 kann auch in der tieferen Nut 755 stoppen, die eine natürlich stabile Position ist. Wenn der Schaltmechanismus der Trennvorrichtung 200 wie zuvor beschrieben die Position schaltet (und sich in der positiven Axialrichtung bewegt), werden die Sperrringstifte 2412 gegen die Bahnfläche des Sperrführungsrings 271 gedrückt und bewegen sich entlang der Sperrführungsringseite der Bahn 265. Die Bewegung der Stifte 2412 wird an einem präzisen Punkt durch Stoppnuten 752 und 759 an dem Sperrführungsring 271 gestoppt. Eine erste Stoppnut (d. h. EOS-Nut) 752, die die Sperrnutführungs-EOS-Position 756 ist, ist derart angeordnet, dass sich der Sperrringstift 2412 zu der stabilen tieferen Nut 755 und der Sperrnut-4 × 2-Position 758 bewegt, wenn ein Schalten zu dem 4 × 2-Modus abgeschlossen wird. Eine zweite Stoppnut 759 ist an dem Bezugszeichen 760 derart angeordnet, dass der Sperrringstift 2412 zu der stabilen flacheren Nut 757 und der Sperrnut-4 × 4-Position 762 geht, wenn ein Schalten zu dem 4 × 4-Modus abgeschlossen wird. Der Sperrring dreht sich und bewegt sich in einer Richtung, indem er jedesmal zwischen flacheren Nuten 754 und 757 und tieferen Nuten 755 wechselt, wenn ein Modusschalten durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass das Sperrsystem auch umgekehrt ausgebildet sein kann, sodass die tiefere Nut 755 der 4 × 4-Position entspricht und die flachere Nut 754 und 757 der 4 × 2-Position entspricht.
Wenn die elektromagnetische Spule 220 eingeschaltet oder mit Strom versorgt wird, verschieben sich der Kupplungsring 230 und der Sperrring 260 in der positiven Axialrichtung wie an dem Bezugszeichen 203 gezeigt. Dabei bewegen sich auch die Stifte 2412 des Sperrrings 260 allgemein in der positiven Axialrichtung (und gegen den Sperrführungsring 271). Zusätzlich zu dieser Bewegung können sich die Stifte auch um die Mittenachse der Trennvorrichtung 200 aufgrund einer versetzten Anordnung des Sperrnockenrings 261 und des Sperrführungsrings 271 drehen. Insbesondere entspricht eine Drehung um die Mittenachse der Drehrichtung 764 im Uhrzeigersinn. Auf diese Weise reagiert eine Axialbewegung der Stifte 2412 gegen den Sperrführungsring 271 derart, dass die Zähne des Sperrführungsrings 271 als ein Keil wirken, gegen den die Stifte 2412 gleiten können. Die Gleitbewegung der Stifte 2412 entlang der Bahnfläche des Sperrführungsrings 271 veranlasst, dass sich der Sperrring 260 dreht, bis die Stifte 2412 eine Nut in der Bahnfläche erreichen. In dem Beispiel von 8 kann der Stift 2412 an einer ersten 4 × 4-Nut 754 (oder einer zweiten Selbstsperrposition) des Profils 265 starten, wobei dann bei einer Stromversorgung der Spule der Stift 2412 dem mit Strom versorgten Pfad 770 folgt und sich nach oben zu der ersten EOS-Nut 752 bewegt. Wenn sich der Stift 2412 in der EOS-Nut 752 befindet, können sich der Kupplungsring und die Sperrringanordnungen entsprechend an der EOS-Position befinden.
Nachdem wie zuvor genannt die EOS-Position mit dem Stift 2412 in der EOS-Nut 756 erreicht wurde, kann die Spule ausgeschaltet werden (d. h. nicht mehr mit Strom versorgt werden), woraufhin sich der Anker 2406 und der Nocken 2404 frei mit dem Schaltelement 2416 drehen können, um die Führungen des Schaltelements 2416 zurück nach unten über die Rampen des Nockens 2404 zu bewegen, der das Schaltelement axial zu dem Nocken 2404 dreht. Dabei bewegt sich der Kupplungsring 230 wiederum in der negativen Axialrichtung. Auf ähnliche Weise kann sich der Stift 2412 des Sperrrings 260 allgemein in der negativen Axialrichtung bewegen, während er sich um die Mittenachse der Trennvorrichtung 200 dreht, wobei er dem Profil des Sperrnockenrings 261 entlang des nicht mit Strom versorgten Pfads 772 folgt, bis der Stift 2412 die 4 × 2-Nut (d. h. die tiefere Nut) 755 (d. h. die erste Selbstsperrposition) erreicht. Wenn ein folgender Schaltbefehl gegeben würde, dann würde die Spule 220 wieder eingeschaltet werden (d. h. mit Strom versorgt werden), wodurch eine Bewegung der Kupplungs- und Sperrringanordnungen in der Axialrichtung veranlasst werden würde. Daraus resultiert, dass der Stift 2412 dem mit Strom versorgten Pfad 774 folgt, bis er die zweite Stoppnut 759 erreicht. Die Spule 220 kann erneut ausgeschaltet werden (d. h. nicht mit Strom versorgt werden), sodass sich das Schaltelement 2416 und der Kupplungsring 230 in der negativen Axialrichtung bewegen können, um zu veranlassen, dass sich der Stift 2412 entlang des Profils des Sperrnockenrings 261 entlang des nicht mit Strom versorgten Pfads 776 bewegt, bis der Stift in Kontakt mit einer zweiten 4 × 4-Nut (d. h. flacheren Nut) 757 kommt. Wenn auf diese Weise der Stift 2412 in 4 × 4-Nuten 754 oder 757 angeordnet wird (d. h. an zweiten Selbstsperrpositionen), befindet sich die Trennanordnung 200 an der 4 × 4-Position. Und wenn der Stift 2412 in der 4 × 2-Nut 755 angeordnet ist (d. h. an der ersten Selbstsperrposition), befindet sich die Trennvorrichtung 200 an der 4 × 2-Position. Wenn sich also die Trennvorrichtung an einer der ersten oder zweiten Selbstsperrpositionen befindet, bleibt die Trennvorrichtung an der entsprechenden 4 × 2- oder 4 × 4-Position, ohne dass die Spule 220 weiterhin mit Strom versorgt werden muss (d. h. die Spule ausgeschaltet werden kann). In 8 sind feine Nuten gezeigt, wobei jedoch zu beachten ist, dass die Muster der Nuten und Profile 265 entlang des Umfangs des Sperrnockenrings 261 und des Sperrführungsrings 271 wiederholt werden können. Weiterhin können mehrere Stifte 2412 in dem Profil 265 angeordnet sein. Insbesondere kann die Anzahl von Nuten ein Vielfaches der Anzahl von Stiften 2412 des Sperrrings 260 sein. Wenn zum Beispiel der Sperrring 5 Stifte umfasst, dann können 20 oder 25 Nuten an dem Sperrbahnprofil 265 vorgesehen sein. Wie in 4 gezeigt, umfasst der Sperrring 260 acht Stifte. Es kann aber auch eine größere oder kleinere Anzahl von Stiften als acht vorgesehen sein.
Aus den Schaltprozeduren zum Bewegen der Trennanordnung 200 zu den 4 × 2- und 4 × 4-Positionen wird deutlich, dass die Kupplungsringanordnung (d. h. der Kupplungsring 230, das Schaltelement 2416, der Nocken 2406, die Blockschaltfeder 2408 und der Käfighalte 401) und die Sperrringanordnung (d. h. der Sperrring 260, der Haltering 277 und das Sperrringgehäuse 263) als separate Komponenten mit einer gemeinsamen Translationsbewegung in der Axialrichtung wirken. Dabei können sich die Kupplungsring- und Sperrringanordnungen als eine im Wesentlichen einzelne Einheit verschieben. Die Kupplungsring- und Sperrringanordnungen können gesammelt als Nockenfolgemechanismus bezeichnet werden. Die Sperrringanordnung mit dem Sperrring 260 und dem Sperrringgehäuse 263 interagiert mit dem Sperrbahnprofil 265, um die Sperrringanordnung und die Kupplungsringanordnung an den 4 ×2- und 4 × 4-Positionen über ein Zwischenschalten zu der EOS-Position zu halten. Wenn die Spule 220 mit Strom versorgt wird, können die Kupplungs- und Sperrringanordnungen bewegt und an der EOS-Position gehalten werden. Und wenn umgekehrt die Spule 220 nicht mit Strom versorgt wird, können die Kupplungs- und Sperrringanordnungen bewegt und an ihren stabilen 4 × 2- und 4 × 4-Positionen durch die Sperrringanordnung (d. h. den oben beschriebenen Sperrringmechanismus) gehalten werden. Wiederum kann das Sperrringgehäuse 263 gestatten, dass sich der Sperrring 260 frei um die Mittenachse der Trennvorrichtung 200 dreht, aber eine Translationsbewegung des Sperrrings 260 in der Axialrichtung auf eine begrenzte Größe beschränkt. Die begrenzte Größe der Translationsbewegung kann die Größe des Drehzugs zwischen dem Sperrring 260 und dem Sperrringgehäuse 263 während Schaltbewegungen verkleinern. Weiterhin kann das Sperrringgehäuse 263 derart in der Trennvorrichtung 200 beschränkt werden, dass das Sperrringgehäuse 263 verschoben werden kann, aber in Bezug auf eine Drehung fixiert ist. Dabei kann das Sperrringgehäuse 263 nur Axialkräfte (Translationskräfte) auf den Sperrring 260 unabhängig von einer Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs ausüben.
Das Sperrbahnprofil 265, das die Nuten in Entsprechung zu jeweils den 4 × 2-, 4 × 4- und EOS-Positionen der Trennvorrichtung 200 vorsieht, ist an der Sperrringanordnung über die Stifte 2412 des Sperrrings 260 angebracht. Das Bahnprofil 265 kann stationär in einem Gehäuse der Trennvorrichtung vorgesehen sein und kann vorgespannt sein, um die Stifte 2412 auf eine Drehung in nur einer Drehrichtung zu beschränken. Wie in 8 gezeigt, kann die Vorspannung des Profils 265 durch eine Fehlausrichtung zwischen dem Sperrnockenring 261 und dem Sperrführungsring 271 erzeugt werden. Insbesondere kann der Sperrnockenring 261 in der Richtung im Uhrzeigersinn verschoben werden, sodass der Stift vorgespannt ist, um sich nur in der Richtung im Uhrzeigersinn und nicht in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Allgemein kann der Stift 2412 durch die Bahn 265 nur auf eine Drehung in einer einzelnen Drehrichtung ohne eine Umkehr der Richtungen beschränkt werden. Wenn dabei der Sperrring 260 in der positiven oder negativen Axialrichtung durch die Kupplungsringanordnung oder eine nicht-Stromversorgung der Spule 220 betätigt wird, können sich die Stifte 2412 entsprechend in der Richtung im Uhrzeigersinn bewegen, bis sie eine der Nuten 754, 752, 755, 759 oder 757 erreichen. Wenn sich die Kupplungsring- und Sperrringanordnungen nicht zu der EOS-Position bewegen, sodass der Stift 2412 die EOS-Nut 752 oder die Nut 759 nicht erreicht, dann können die Komponenten zu dem vorausgehenden Zustand zurückkehren. Es ist zu beachten, dass die 4 × 2- und 4 × 4-Nuten auch umgekehrt vorgesehen sein können. Die Kupplungsringanordnung kann eine Bewegung der Trennvorrichtung 200 zwischen den 4 × 2- und 4 × 4-Positionen veranlassen, während die Sperrringanordnung die Trennvorrichtung 200 an den 4 × 2- und 4 × 4-Positionen halten kann.
Die EMPD-Anordnung 200 kann weiterhin eine magnetische Positionssensoranordnung zum Bestimmen einer Schaltposition der Anordnung wie weiter oben genannt enthalten. Die Positionssensoranordnung umfasst die Magneten 212, die in dem Sperrringgehäuse 263 eingebettet sind, und den Positionssensor 208 von 19 und 20 wie weiter unten beschrieben. Weil das Sperrringgehäuse 263 auf eine freie Translationsbewegung beschränkt ist und sich nicht drehen kann, können sich die Magneten 212 nur verschieben, ohne um die zentrale Mittenachse 215 der Trennvorrichtung 200 zu drehen. Der Positionssensor 208 kann ein magnetischer Sensor sein, sodass der Sensor die Stärke der Magnetkraft der Magneten 212 erfassen kann. Deshalb kann eine externe Fahrzeugsteuereinrichtung, die Signale von dem Sensor 208 empfängt, die Magnetkraft mit der Position der Trennanordnung 200 korrelieren, d. h. mit der Position der Kupplungsringanordnung und der Sperrringanordnung und insbesondere des Kupplungsrings 230. Zum Beispiel kann der Sensor 208 direkt über dem Magneten 212 montiert werden, wenn sich die Trennvorrichtung 200 an der EOS-Position befindet. Der Sensor 208 kann die Stärke der Magnetkraft des Magneten 212 aus seiner Axialbewegung von der EOS-Position zu den 4 × 2- und 4 × 4-Positionen erfassen. Auf diese Weise kann der Sensor 208 die 4 × 2-, 4 × 4- und EOS-Positionen des Kupplungsrings 230 an jeder Kupplungsringposition dazwischen oder über die 4 × 2-, 4 × 4- und EOS-Positionen hinaus erfassen. Mit den Magnetkraftsignalen von dem Sensor 208 kann die Fahrzeugsteuereinrichtung oder andere Steuereinrichtung die Kraftgröße zu der Position der Trennvorrichtung 200 wandeln. Es ist zu beachten, dass die Performanz des Sensors 208 unter Umständen nicht durch das durch die Spule 220 erzeugte lokalisierte Magnetfeld beeinflusst wird, weil das Feld der magnetischen Spule um die Spule 220 und den Anker 2406 herum konzentriert sein kann. Bei Verwendung des magnetischen Sensors 208 ist kein Kontakt zwischen der Sensoranordnung und den Betätigungskomponenten der Trennvorrichtung 200 erforderlich. Auf diese Weise kann die nicht-kontaktierende Sensoranordnung eine Beeinträchtigung der Trennvorrichtung 200 reduzieren.
9 zeigt ein beispielhaftes Kurvendiagramm 900 zu der Beziehung zwischen der Schaltposition der EMPD-Anordnung 200 und einer Ausgabe des magnetischen Positionssensors 208. Wie gezeigt, gibt die erste horizontale Achse des Kurvendiagramms 900 die Schaltposition der Trennanordnung 200 wieder, während die vertikale Achse die Signalausgabe des Sensors 208 wiedergibt, die als ein Prozentsatz (%) einer maximalen Spannungssignalausgabe des Positionssensors gemessen wird. Die zweite horizontale Achse des Kurvendiagramms 900 gibt die Magnetflussdichte B der Magneten 212, gemessen in Gauss (G), wieder. In diesem Beispiel besteht eine lineare Beziehung zwischen der Schaltposition und der Sensorausgabe sowie zwischen der Magnetflussdichte und der Sensorausgabe. Die 4 × 2-Position entspricht einem niedrigeren Spannungssignal (ungefähr 0%), die 4 × 4-Position entspricht einem höheren Spannungssignal (ungefähr 50%) und die EOS-Position entspricht dem höchsten Spannungssignal des Kurvendiagramms 900 (ungefähr 100%). Wenn in diesem Fall der Sensor 208 eine höhere Spannung ausgibt, weil ein höherer Magnetfluss von dem Magneten 212 erfasst wird, kann der Sensor 208 direkt über den Magneten 212 angeordnet sein, wenn sich die Trennvorrichtung 200 an der EOS-Position befindet. Dabei kann der erfasste Magnetfluss (Kraft) an der EOS-Position am höchsten sein, was sich in der höchsten Ausgabespannung des Kurvendiagramms 900 widerspiegelt. In dem Kontext des Kurvendiagramms 900 sind höhere oder niedrigere Spannungssignale oder Magnetfelder relativ zueinander. Zum Beispiel kann das Spannungssignal in Entsprechung zu der 4 × 4-Position höher als das Spannungssignal der 4 × 2-Position, aber niedriger als das Spannungssignal der EOS-Position sein. Es sind aber auch andere Beziehungen zwischen der Position und der Sensorsignalausgabe innerhalb des Erfindungsumfangs möglich.
In einer Ausführungsform kann nur ein Puls mit einer begrenzten Dauer zu der Spule 220 der EMPD-Anordnung 200 zugeführt werden, um einen Schaltvorgang unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit durchzuführen. Wenn die Spule 220 mit Strom versorgt wird, um die Trennvorrichtung 200 zu schalten, misst der magnetische Positionssensor die Position des Kupplungsrings 230 über die Kupplungs- und Sperrringanordnungen und den eingebetteten Magneten 212 in Echtzeit, bis die EOS-Position erreicht wird oder eine maximal zulässige Zeit für den Spulenimpuls abgelaufen ist. Die maximal zulässige Impulszeit kann eine vorbestimmte Zeit für die Stromversorgung der Spule bis zu einer automatischen nicht-Stromversorgung sein, um eine übermäßige Beeinträchtigung der Spule 220 und des Ankers 2406 sowie eine Wärmeerzeugung zu vermeiden. Wenn die Kupplungsringanordnung nicht geschaltet werden kann, wie etwa während einer Klemmdrehmomentbedingung, kann die maximal zulässige Impulszeit unter Umständen der Spule 220 nicht erlauben, kontinuierlich mit Strom versorgt zu werden und die Trennanordnung 200 zu beschädigen. Wenn die Spule 220 nicht mit Strom versorgt wird, kann der Positionssensor 208 die Position der Trennanordnung 200 verfolgen, bis ein stabiler Zustand in Entsprechung zu den 4 × 2- oder 4 × 4-Positionen erreicht wird. Wenn die gewünschte Position nicht erfasst wird, kann die Spule 220 erneut mit Strom versorgt werden, um die Kupplungs- und Sperrringanordnungen zu schalten, bis die gewünschte Position erreicht wird. Auf diese Weise kann durch das Minimieren der Stromversorgungszeit der Spule 220 der Energieverbrauch reduziert werden. Das Pulsen von Strom durch die Spule 220 kann wesentlich weniger Energie verbrauchen als andere Trennanordnungen, die einen kontinuierlichen Stromfluss erfordern. Weiterhin können andere nachteilige Effekte, die mit elektromagnetischen Trennsystemen assoziiert sind, wie etwa ein Komponentenverschleiß, eine Wärmeerzeugung, Geräusche, Vibrationen und Rauheit reduziert werden.
Auf diese Weise wird mit der EMPD-Anordnung 200 von 2–9 ein eigenständiges Trennsystem vorgesehen, das eine intelligente Steuereinrichtung oder ein Regelsystem verwenden kann, um den Steueraufwand im Fahrzeug zu reduzieren. Der Aspekt der intelligenten Steuereinrichtung der EMPD-Anordnung 200 kann durch die Verwendung der Steuereinrichtung 2414 implementiert werden. Insbesondere kann die externe Fahrzeugsteuereinrichtung Befehlssignale für das Schalten zu 4 × 2- oder 4 × 4-Modi an die Steuereinrichtung 2414 der Trennanordnung 200 senden und dabei Rückkopplungssignale empfangen, um die Trennposition zu verifizieren. In einem beispielhaften Steuersystem der Trennanordnung 200 können die Rückkopplungssignale analog sein, sodass ein einzelner Draht Trennpositions- und Fehlersignale übertragen kann. Und in Fahrzeugen mit mehreren Trennanordnungen 200 können die Rückkopplungssignale den Status jeder Trennanordnung 200 während des normalen Betriebs, während einer Wartung oder bei einem Ausfall der Trennvorrichtungen berichten. Und wenn eine Trennvorrichtung eines Fahrzeugs während einer Wartung aus der Synchronisation fällt, kann das Steuersystem das Synchronisierungsproblem korrigieren, indem eine Trennvorrichtung unabhängig von den anderen in dem Fahrzeug betätigt wird. Und wenn schließlich eine Trennanordnung derart ausfällt, dass sie nicht mehr betrieben werden kann, können die Fahrzeugsteuereinrichtung oder eine andere Steuereinrichtung den Ausfall und die Ausfallposition an einen Bediener des Fahrzeugs oder einen Techniker berichten.
In einem Beispiel kann die Trennsteuereinrichtung 2414 in dem Gehäuse der Trennvorrichtung 200 und dem Sperrnockenring der Trennvorrichtung 200 integriert sein oder in eine externe Anordnung gepackt sein, die über einen oder mehrere Drähte mit der EMPD-Anordnung 200 verbunden ist. Die Trennsteuereinrichtung kann verschiedene elektrische Komponenten wie etwa einen Spannungsregler, einen Mikroprozessor und einen Spulentreiber enthalten. Der Spulentreiber kann zum Beispiel ein Trockenkontaktrelais oder ein Festkörperschaltersein, das bzw. der einen elektrischen Strom für die Stromversorgung der elektromagnetischen Spule 220 zuführt, wenn es bzw. er durch den Mikroprozessor dafür angewiesen wird. Wenn wie weiter oben mit Bezug auf 4 erläutert, die Trennsteuereinrichtung Teil der Trennvorrichtung 200 ist, können die elektrischen Komponenten als Einrichtungen 211 an der PCB 207 angebracht sein.
In einigen Ausführungsformen kann eine zusätzliche Mehrplattenkupplung in Reihe mit der Trennvorrichtung 200 und dem darin enthaltenen Kupplungsring 230 gekoppelt sein. In einem Beispiel kann die Mehrplattenkupplung (die auch als eine Reibungskupplung bezeichnet werden kann) einen Satz von Keilplatten umfassen, die drehbar mit einer der zwei sich drehenden Komponenten gekoppelt sind, die wahlweise durch den Kupplungsring 230 verbunden werden, und weiterhin einen Satz von Kupplungsplatten, die drehbar mit der anderen der zwei sich drehenden Komponenten gekoppelt sind, die wahlweise durch den Kupplungsring 230 verbunden werden. Eine Druckplatte (z. B. Kolbenplatte) kann die Keil- und Reibungsplatten komprimieren, um die Geschwindigkeiten zwischen den zwei sich drehenden Komponenten zu synchronisieren. Der Kupplungsring 230 der Trennvorrichtung 200 kann dann als eine Sperrkupplung verwendet werden, um die zwei sich drehenden Komponenten miteinander zu sperren, damit die zwei sich drehenden Komponenten vollständig für eine vollständige Drehmomentübertragung zwischen den zwei sich drehenden Komponenten verbunden werden. Es ist zu beachten, dass die oben beschriebene Mehrplattenkupplung in Reihe mit einer der hier beschriebenen EMPD-Anordnungen enthalten sein kann.
10 und 11 zeigen ein Verfahren 800 zum Betreiben der EMPD-Anordnung 200. Es ist zu beachten, dass die verschiedenen Schritte und Entscheidungsprozesse in dem Speicher einer Hauptfahrzeugsteuereinrichtung extern zu der Trennanordnung 200 gespeichert sein können. In anderen Beispielen kann eine lokalisierte Nabensteuereinrichtung direkt mit der Anordnung 200 gekoppelt sein und die Schritte des Verfahrens 800 ausführen, während sie mit der externen Hauptfahrzeugsteuereinrichtung kommuniziert. In einem weiteren Beispiel können die verschiedenen Schritte und Entscheidungsprozesse des Verfahrens 800 in einem Speicher der Trennsteuereinrichtung (wie etwa der Steuereinrichtung 2414 von 4) gespeichert sein. Dabei kann die Trennsteuereinrichtung das Verfahren 800 in Kombination mit den verschiedenen Sensoren (z. B. dem Positionssensor 208) und Stellgliedern (z. B. der Kontaktanordnung 303 der Spule 220) der EMPD-Anordnung ausführen. Es wird hier wiederholt darauf hingewiesen, dass der 4 × 2 (2WD) oder erste Modus der ersten Position entspricht, an welcher der Kupplungsring 230 in nur eine sich drehende Komponente (z. B. Welle oder Achse) eingreift, während der 4 × 4 (4WD) oder zweite Modus der zweiten Position entspricht, an welcher der Kupplungsring 230 in beide sich drehende Komponenten (z. B. beide Wellen oder Komponenten in Nachbarschaft zu der EMPD) eingreift, um die zwei sich drehenden Komponenten miteinander zu koppeln. Und schließlich entspricht die Schaltendposition (EOS) der Position, an welcher der Kupplungsring 230 und andere vorgesehene Komponenten am weitesten in der Axialrichtung geschaltet sind, wenn die Spule 220 mit Strom versorgt wird. Dies ist in 9 deutlich zu sehen, wo die EOS-Position am weitesten rechts im Vergleich zu den 4 × 2- und 4 × 4-Positionen ist. Der Einfachheit halber wird im Folgenden auf die zuvor mit Bezug auf die vorausgehenden Figuren beschriebenen Komponenten Bezug genommen. Das Verfahren 800 kann jedoch auch in andren EMPD-Anordnungen mit anderen Konfigurationen als den oben beschriebenen verwendet werden.
Wie in 10 gezeigt, führt das Verfahren in Schritt 801 zuerst eine Reihe von Initialisierungsoperationen durch. Die Initialisierungsoperationen können das Kalibrieren des Positionssensors (d. h. des Positionssensors 208), damit eine Magnetkraft mit den 4 × 2, 4 × 4 oder EOS-Positionen korreliert werden kann, und das Bestimmen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs und das Synchronisieren der Drehgeschwindigkeit der zwei sich drehenden Komponenten (d. h. der zwei sich drehenden Komponenten, die wahlweise drehbar über den Kupplungsring der Trennvorrichtung gekoppelt werden können) umfassen. Dann kann in Schritt 802 ein Bediener (d. h. der Fahrer) oder ein anderes System einen Eingangsbefehl zu der Steuereinrichtung oder einer ähnlichen Einrichtung senden. Der Eingangsbefehl kann eine Anforderung zum Schalten von dem 4 × 4-Modus zu dem 4 × 2-Modus oder umgekehrt sein. Dabei kann das Verfahren in Schritt 802 das Empfangen und Lesen des Eingangsbefehls von der Steuereinrichtung umfassen. Nach dem Empfangen des Schaltbefehls umfasst das Verfahren in Schritt 803 das Bestimmen, welcher Schaltmodus durch den Fahrzeugbediener angewiesen (d. h. angefordert) wurde. Wenn eine 4 × 2-Operation angefordert wird, dann fährt der Prozess mit Schritt 813 in 11 fort. Wenn dagegen eine 4 × 4-Operation angefordert wird, dann fährt der Prozess mit Schritt 804 in 10 fort.
In Schritt 804 umfasst das Verfahren das Bestimmen, ob sich die EMPD-Anordnung 200 an der 4 × 4 (zweiten) Position befindet, d. h. ob sich der Kupplungsring 230 zusammen mit den anderen Komponenten, die sich axial mit dem Kupplungsring 230 verschieben, an der 4 × 4-Position befindet, sodass die zwei sich drehenden Komponenten miteinander verbunden sind. Wenn in Schritt 804 und anderen Schritten des Verfahrens 800 bestimmt wird, ob sich die EMPD an einer bestimmten Position (z. B. 4 × 4, 4 × 2 oder EOS) befindet, kann die Steuereinrichtung dies basierend auf einer Ausgabe eines Positionssensors (z. B. des Positionssensors 208) wie weiter oben mit Bezug auf 9 beschrieben und weiter unten mit Bezug auf 19 und 20 näher beschrieben bestimmen. Wenn sich die EMPD-Anordnung 200 bereits an der 4 × 4-Position befindet, dann umfasst das Verfahren in Schritt 812 das Ausgeben eines 4 × 4-Rückkopplungssignals zu der externen Fahrzeugsteuereinrichtung, um den Bediener und das andere System über die aktuelle 4 × 4-Position zu benachrichtigen. Wenn sich alternativ hierzu in Schritt 804 die EMPD-Anordnung 200 nicht an der 4 × 4-Position befindet, dann kann in Schritt 805 ein elektrischer Strom für die Stromversorgung der Spule 220 gesendet werden. Wie zuvor erläutert, können sich bei einer Stromversorgung der Spule 220 die Kupplungs- und Sperrringanordnungen in der positiven Axialrichtung bewegen. Dann kann der Sensor 208 in Schritt 806 erfassen, ob sich die EMPD-Anordnung 200 an der durch die Stifte des Sperrrings 260, die in einem gemeinsamen Flächenkontakt mit den Nuten 752 oder 759 kommen, definierten EOS-Position befindet. Wenn die EMPD-Anordnung 200 die EOS-Position noch nicht erreicht hat, dann kann in Schritt 807 ein Timer oder eine andere Einrichtung bestimmen, ob die maximal zulässige Zeit abgelaufen ist. Wie weiter oben genannt, kann die maximal zulässige Zeit für das Pulsieren der Spule 220 dabei helfen, eine Beeinträchtigung der Spule 220 und des Ankers 225 zu reduzieren. Wenn die maximal zulässige Zeit nicht abgelaufen ist, dann kann der Schritt 806 wiederholt werden, um kontinuierlich zu prüfen, ob die EMPD-Anordnung 200 die EOS-Position erreicht hat. Wenn dagegen die maximal zulässige Zeit abgelaufen ist, kann in Schritt 808 der Stromfluss zu der Spule 220 gestoppt werden, um die Spule 220 nicht mehr mit Strom zu versorgen. Weiterhin kann eine Kühlperiode eingeleitet werden, damit sich die Spule 220 abkühlen kann, bevor zurück zu Schritt 806 gegangen wird.
Sobald in Schritt 806 die EOS-Position erreicht wurde, kann in Schritt 809 die Spule 220 nicht mehr mit Strom versorgt werden. Wenn die Spule 220 nicht mit Strom versorgt wird, können sich die Kupplungs- und Sperrringanordnungen axial zu der 4 × 4-Position und entsprechenden Sperrnuten bewegen. Während dieser Bewegung kann in Schritt 810 der Sensor 208 die Position der EMPD-Anordnung 200 überwachen. In einem Beispiel kann der Sensor 208 kontinuierlich ein Signal in Entsprechung zu der linearen Beziehung der Kurve 900 von 9 ausgeben. In Schritt 811 umfasst das Verfahren das Bestimmen, ob sich die EMPD-Anordnung 200 an der 4 × 4-Position befindet. Wenn die 4 × 4-Position noch nicht erreicht wurde, dann fährt der Prozess mit Schritt 822 fort, um zu bestimmen, ob eine Schwellanzahl (d. h. eine maximale Anzahl) von Schaltversuchen überschritten wurde. Wenn eine Schwellanzahl von Schaltversuchen überschritten wurde, wird der Prozess beendet. Weil das Verfahren 800 kontinuierlich wiederholt werden kann, kann das Verfahren in Schritt 802 anstatt in Schritt 801 während eines einzelnen Zyklus neu gestartet werden. Wenn die Schwellanzahl von Schaltversuchen nicht überschritten wurde, geht das Verfahren zurück zu Schritt 804, um zu bestimmen, ob sich die EMPD an der 4 × 4-Position befindet. Wenn dagegen in Schritt 811 der Sensor 208 bestimmt, dass sich die EMPD-Anordnung 200 an der 4 × 4-Position befindet, dann umfasst das Verfahren in Schritt 812 das Ausgeben eines 4 × 4-Rückkopplungssignals zu der Fahrzeugsteuereinrichtung und/oder dem Fahrzeugbediener, womit das Verfahren 800 beendet wird.
Wenn in Schritt 803 die 4 × 2-Operation angefordert wird, dann schreitet das Verfahren 800 wie in 11 gezeigt fort. Die Schritte 813–823 von 11 können den Schritten 804–812 von 10 ähnlich sein, wobei sich 11 auf das Schalten zu der 4 × 2-Position konzentriert. Dabei werden der Einfachheit halber kurze Beschreibungen jedes der Schritte 813–821 gegeben, wobei auf 10 Bezug genommen werden kann, um ausführlichere Beschreibungen zu erhalten. Wie in 11 gezeigt, umfasst das Verfahren in Schritt 813 das Bestimmen, ob sich die EMPD-Anordnung 200 an der 4 × 2-Position befindet. Wenn die 4 × 2-Position erreicht wurde, dann kann das Verfahren mit Schritt 821 beendet werden, in dem ein 4 × 2-Rückkopplungssignal zu der Fahrzeugsteuereinrichtung ausgegeben wird. Alternativ hierzu kann die Spule 220 in Schritt 814 mit Strom versorgt werden, wenn sich die EMPD-Anordnung 200 nicht an der 4 × 2-Position befindet. Wenn sich in Schritt 815 die EMPD 200 nicht an der EOS-Position befindet, dann können die Schritte 816 und/oder 817 eingeleitet werden, damit die EMPD 200 die EOS-Position erreichen kann, ohne die Spule 220 zu überhitzen, indem ein Abkühlen der Spule gestattet wird und an der maximal zulässigen Impulszeit festgehalten wird. Sobald sich die EMPD 200 an der EOS-Position befindet, kann in Schritt 818 die Spule 220 nicht mehr mit Strom versorgt werden, damit die EMPD 200 in der entgegengesetzten, negativen Axialrichtung verschoben werden kann. Die Position der EMPD 200 kann durch den Sensor 208 in Schritt 819 überwacht werden, bis das Verfahren in Schritt 820 bestimmt, ob die EMPD 200 die angeforderte 4 × 2-Position erreicht hat. Wenn die EMPD 200 die 4 × 2-Position nicht erreicht hat, können mehrere der Schritte von 11 wiederholt werden, nachdem in Schritt 823 bestimmt wurde, ob die Schwellanzahl von Schaltversuchen erreicht wurde oder nicht. Wenn dagegen die 4 × 2-Position erreicht wurde, dann kann in Schritt 821 das 4 × 2-Rückkopplungssignal zu der Fahrzeugsteuereinrichtung ausgegeben werden, womit das Verfahren 800 beendet wird.
Auf diese Weise kann die Trennanordnung 200 mit elektromagnetischen Impulsen eine wahlweise Verbindung zwischen zwei sich drehenden Komponenten vorsehen und dabei den Stromverbrauch reduzieren, wobei außerdem kein Vakuum als Kraftquelle verwendet wird. Weil der Sperrmechanismus einschließlich eines Sperrrings, eines Sperrführungsrings und eines Sperrnockenrings die Trennvorrichtung 200 an den 4 × 4- und 4 × 2-Positionen halten kann, kann elektrischer Strom nur dann vorgesehen werden, wenn ein Schalten zwischen den 4 × 4- und 4 × 2-Positionen erforderlich ist. Deshalb kann die Trennvorrichtung 200 Strom sparen, während dagegen die anderen Trennanordnungen kontinuierlich mit Strom versorgt werden. Weiterhin kann wie oben beschrieben das Schweben der Spule 220 (z. B. eine geringfügige Bewegung in der Axialrichtung) verbessert werden und können die Lebensdauer der Spule 220 und des Ankers 2406 verlängert werden, weil die Spulenrückstellfeder 2418 den Luftspalt 657 aufrechterhalten kann, während die Spule 220 nicht mit Strom versorgt wird.
12–16 zeigen Ausführungsformen einer mittleren Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen, die entlang einer Fahrzeugachse angeordnet ist. Die mittlere elektromagnetische Trennvorrichtung 1802 kann ähnliche Komponenten und Funktionen wie die oben mit Bezug auf 2–11 beschriebene Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen aufweisen. Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen kann wahlweise zwei Teile einer Achse (z. B. zwei Teile der vorderen Achse 134 oder der hinteren Achse 132 von 1) voneinander trennen.
Zum Beispiel zeigt 12 eine schematische Ansicht 1800 einer ersten Ausführungsform der mittleren Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen, die entlang einer Achse 1804 eines Fahrzeugs angeordnet ist. Zum Beispiel kann die Achse 1804 eine vordere Achse oder eine hintere Achse des Fahrzeugs sein. Wie in 12 gezeigt, ist die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen in einem mittleren Teil der Achse 1804 und entfernt von dem Rad/Reifen 1818 an beiden Enden der Achse 1804 angeordnet. Die Achse 1804 kann an einem Ende der Achse 1804 mit einer Halbwelle 1816 gekoppelt sein. Jede Halbwelle 1816 ist mit einer Radnabe 1820 gekoppelt, wobei ein Achsschenkel 1824 und ein Radlager 1822 die Verbindungswelle zwischen der Halbwelle 1816 und der Radnabe 1820 umgeben. Wie in 12 gezeigt, ist die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen auf einer Seite eines Differentials 1806 (z. B. des vorderen Differentials 122 oder des hinteren Differentials 121 in 1) angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann die mittlere Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen auf der gegenüberliegenden Seite des Differentials 1806 wie in 15 gezeigt und weiter unten beschrieben angeordnet sein.
Das Differential 1806 ist direkt mit einer Propellerwelle 1814 gekoppelt. Die Propellerwelle 1814 kann Teil einer vorderen oder hinteren Antriebswelle des Fahrzeugs (wie etwa der vorderen Antriebswelle 133 oder der hinteren Antriebswelle 131 von 1) sein oder mit dieser gekoppelt sein. Dabei wird eine Drehkraft von einer Fahrzeugantriebswelle zu dem Differential 1806 übertragen. Das Differential 1806, das entlang der Achse 1804 angeordnet ist, verteilt dann das Drehmoment zu jedem der mit der Achse 1804 gekoppelten Räder. Das Differential 1806 ist auf einer ersten Seite mit einem Wellenstumpf 1812 gekoppelt, wobei der Wellenstumpf 1812 Teil der Achse 1804 ist und direkt mit einer der Halbwellen 1816 gekoppelt ist. Das Differential 1806 ist auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Seite direkt mit einer mittleren Welle 1810 der Achse 1804 gekoppelt.
Die mittlere Welle 1810 ist weiterhin mit der mittleren Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen gekoppelt. Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen ist auch mit einer Kopplerwelle 1808 gekoppelt, wobei die Kopplerwelle 1808 direkt mit einer anderen der Halbwellen 1816 gekoppelt ist. Dabei kann die mittlere Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen wahlweise zwei sich drehende Komponenten voneinander trennen, wobei die zwei sich drehenden Komponenten die mit einem ersten Rad 1801 verbundene Kopplerwelle 1808 und die mit dem Differential 1806 und damit mit der Antriebswelle des Fahrzeugs über die Propellerwelle 1814 gekoppelte mittlere Welle 1810 sind.
Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen besteht aus einer Trenneinheit im Gegensatz zu den zwei Einheiten eines Nabensperrsystems mit jeweils einer Anordnung an jedem Rad. Weil nur eine Trenneinheit verwendet wird, kann nur ein Rad (z. B. das erste Rad 1801) getrennt werden und kann das andere Rad (z. B. das zweite Rad 1803) verbunden bleiben (z. B. mit dem Antriebsteil der Achse 1804). Zum Beispiel kann die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen von 12 das erste Rad 1801 von dem Antriebsstrang trennen, während das zweite Rad 1803 mit dem Antriebsstrang verbunden bleibt. Das verbundene zweite Rad 1803, die anschließende Halbwelle 1816 und der Wellenstumpf 1812 drehen sich gemeinsam, ebenso wie die getrennte Kopplerwelle 1808, die anschließende Halbwelle 1816 und das erste Rad 1801. Die mittlere Welle 1810 dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die mit dem Rad 1803 und dem Wellenstumpf 1812 verbundene Halbwelle 1816, aber aufgrund der Differential-Kegelzahnräder in einer entgegengesetzten Richtung. Weil die durchschnittliche Geschwindigkeit der mittleren Welle 1810 und des Wellenstumpfs 1812 ungefähr bei null liegen kann, bleiben der Differentialträger und die Propellerwelle 1814 bewegungslos. Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Wellen kann Vorteile gegenüber einer Radende-Trennvorrichtung wie etwa die insgesamt reduzierte Größe, reduzierte Kosten, eine vereinfachte Implementierung und reduzierte Schaltgeräusche bieten. Weiterhin können wie in 12 gezeigt die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen und das Differential 1806 mit einem Achsengehäuse 1826 gekoppelt sein. Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen enthält ein Stellglied 1828 für ein wahlweises Verbinden und Trennen der gekoppelten Welle 1808 und der mittleren Welle 1810 wie weiter unten mit Bezug auf 17–24 beschrieben.
13 ist eine schematische Ansicht 1900 einer zweiten Ausführungsform der mittleren Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen, die entlang der Achse 1804 eines Fahrzeugs angeordnet ist. Wie in 13 gezeigt, erstreckt sich die Achse 1804 (insbesondere die mittlere Achse 1810 der Achse 1804) durch eine Motorölpfanne 1902. Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen ist auf einer ersten Seite der Motorölpfanne 1902 angeordnet, während das Differential 1812 auf einer zweiten Seite der Motorölpfanne 1902 angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite entlang einer Länge der Achse 1804 gegenüberliegt.
14 ist eine schematische Ansicht 2000 einer dritten Ausführungsform der mittleren Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen, die entlang der Achse 1804 eines Fahrzeugs angeordnet ist. Die dritte Ausführungsform ist der ersten Ausführungsform von 12 ähnlich. Wie in 14 gezeigt, können die Halbwellen 2002 jedoch länger als die Halbwellen 1816 von 12 sein. Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen ist näher an dem Differential 1806 entlang der mittleren Welle 2004 angeordnet. Dabei ist die mittlere Welle 2004 von 14 kürzer als die mittlere Welle 1810 von 12. Weiterhin kann die Gesamtlänge der Achse 1804 in 14 kürzer sein als in 12. Auf diese Weise können die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen und das Differential 1806 näher aneinander oder weiter weg voneinander entlang der Achse 1804 angeordnet sein.
15 ist eine schematische Ansicht 2100 einer vierten Ausführungsform der mittleren Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen, die entlang der Achse 1804 eines Fahrzeugs angeordnet ist. In der vierten Ausführungsform ist die Motorölpfanne 1902 auf einer ersten Seite des Differentials 1806 angeordnet, wobei der Wellenstumpf 1812 durch die Motorölpfanne 1902 verläuft. Die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen ist auf einer zweiten Seite des Differentials 1806 angeordnet und kann das zweite Rad 1803 von dem Antriebsstrang (anstelle des ersten Rads 1801 wie zuvor in 12–14 gezeigt) trennen.
16 ist eine schematische Ansicht 2200 einer fünften Ausführungsform der mittleren Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen, die entlang der Achse 1804 des Fahrzeugs angeordnet ist. In 16 ist jedoch die Achse 1804 eine Monobeam-Achse, die direkt mit einem Gelenk 2202 der Radnabe 1820 und nicht mit einer Halbwelle gekoppelt ist. Dabei trennt die mittlere Trennvorrichtung 1802 mit elektromagnetischen Impulsen von 16 wahlweise die Kopplerwelle 1808 und die mittlere Welle 1810 der Monobeam-Achse 1804.
Ausführungsformen einer mittleren Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen, die an einer oder mehreren der in 13–16 gezeigten Positionen angeordnet werden kann, sind in 17–23 im größeren Detail gezeigt. Es ist zu beachten, dass die im Folgenden mit Bezug auf 17–24 beschriebenen mittleren EMPD-Anordnungen an zusätzlichen oder alternativen Positionen entlang einer Fahrzeugachse zu denjenigen von 13–16 angeordnet sein können. 17–24 können ähnliche Komponenten wie die oben mit Bezug auf 2–11 beschriebenen enthalten. Dabei können diese ähnlichen Komponenten durch ähnliche Bezugszeichen angegeben werden und wie oben mit Bezug auf 2–11 beschrieben funktionieren. Die mittlere Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen kann also ähnlich wie oben mit Bezug auf 2–11 beschrieben betrieben werden. Der Kürze halber werden die gemeinsamen Komponenten von 17–24 und 2–11 im Folgenden nicht nochmals vollständig beschrieben.
17–20 zeigen eine erste Ausführungsform einer mittleren EMPD 1702. Insbesondere ist 17 eine schematische Außenansicht 1700 der mittleren EMPD 1702. 18 ist eine Explosionsansicht der mittleren Trennvorrichtung 1702 mit elektromagnetischen Impulsen. 19 ist eine Querschnittansicht 1950 der mittleren Trennvorrichtung 1702 mit elektromagnetischen Impulsen einschließlich einer Detailansicht 2420 der Positionssensoranordnung (d. h. mit dem Positionssensor 208 und der Magneten 212). 20 zeigt eine Detailansicht der Positionssensoranordnung und des Kupplungsrings 230 relativ zu der Kopplerwelle 1808 und einer mittleren Welle 1810 für verschiedene Schaltpositionen der EMPD 1702. Insbesondere ist die 4 × 2-Position an dem Bezugszeichen 2020 gezeigt, ist die 4 × 4-Position an dem Bezugszeichen 2022 gezeigt, ist die Schaltendeposition (EOS) an dem Bezugszeichen 2024 gezeigt und ist eine Blockschaltposition an dem Bezugszeichen 2024 gezeigt. Die folgende Beschreibung nimmt auf 18, 19 und 20 Bezug.
Die mittlere EMPD 1702 umfasst ein äußeres Gehäuse 2306 einschließlich eines Basisgehäuses 2302 und eines Abdeckungsgehäuses 2304. Das äußere Gehäuse 2306 umschließt (und umgibt vollständig auf allen Seiten) die internen Komponenten der mittleren Trennvorrichtung 1702 mit elektromagnetischen Impulsen wie in 19 gezeigt. Deshalb können Schmutz und Staub nicht von außen in das äußere Gehäuse 2306 eindringen, wodurch die Lebensdauer verlängert, eine Beeinträchtigung vermindert und der Betrieb der EMPD 1702 verbessert werden. Das Basisgehäuse 2302 ist mit dem Abdeckungsgehäuse 2304 über eine Vielzahl von Befestigungsgliedern 2309 gekoppelt. Außerdem enthält das Abdeckungsgehäuse 2304 einen elektrischen Verbindungsteil 2307 für eine Verbindung der Steuereinrichtung 2414 (wie in 18 gezeigt) mit einer externen Quelle wie etwa einer Fahrzeugsteuereinrichtung und/oder einer Stromquelle. Die mittlere Trennvorrichtung 1702 mit elektromagnetischen Impulsen enthält weiterhin die mittlere Welle 1810 und die Kopplerwelle 1808, wobei die mittlere Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen wahlweise die mittlere Welle 1810 und die Kopplerwelle 1808 voneinander trennt.
Der Kupplungsring 230 wird mittels um die Achsenwelle gedrehten Nocken zwischen Positionen verschoben. Bei diesem Typ von Trennvorrichtung ist kein Motor oder kein anderer Krafterzeugungsmechanismus außer der Achsenwelle selbst vorgesehen. Weil sich die Achsen immer drehen, wenn das Fahrzeug auf einer Straße fährt, wird eine Selektivität der Drehkraft bewerkstelligt, indem ein wählbarer Kraftpfad zu einem sich nicht bewegenden Fahrzeugaufbau vorgesehen wird, der als ein Reaktionsglied für die auf den Kupplungsring 230 wirkenden Kräfte dient. Wenn das Reaktionsglied vorhanden ist, wird der Kupplungsring 230 zwischen den Modi (z. B. 4 × 4 und 4 × 2) bewegt. Wenn das Reaktionsglied nicht vorhanden ist, ruhen der Kupplungsring 230 und die Schaltanordnung 2402 an der zuletzt angewiesenen Position.
18 zeigt eine Gehäusescheibe 2315, die zwischen dem Basisgehäuse 2302 und dem Abdeckungsgehäuse 2304 angeordnet ist, wenn die EMPD 1702 montiert ist. Die mittlere Welle umfasst einen Zahnradteil 2314 mit einer Vielzahl von Zähnen für das Eingreifen in komplementäre Zähne des Kupplungsrings 230 (d. h. die Reihe von Zähnen an dem Kupplungsring 230 am nächsten zu dem Basisgehäuse 2302). 18 zeigt auch eine Reihe mit einer Komponentendichtung 2310 (hält Verunreinigungen aus dem Inneren der Trennvorrichtung), einem Nadellager 2311 (hält die mittlere Welle 1810), einem Schubabstandsglied 2312 (positioniert die mittlere Welle 1810 (über den Haltering 2313) und den Anker 2406 axial in der Richtung nach innen) und einem Haltering 2313 (hält die mittlere Welle 1810 in der Trennvorrichtung), die in Nachbarschaft zu dem Basisgehäuse 2302 und der mittleren Welle 1810 angeordnet sind. Die Kopplerwelle 1808 enthält einen Zahnradteil 2416 einschließlich einer Vielzahl von Zähnen, die ausgebildet sind, um in den Kupplungsring 230 einzugreifen, wenn sich die EMPD an der 4 × 4-Position befindet. Die EMPD 1702 enthält weiterhin eine Reihe von Dichtungen, ein gedichtetes Kugellager 2417 und einen Schleuderdichtungsteil 2418 (hält große Verunreinigungen von dem Lager ab) in Nachbarschaft zu dem Abdeckungsgehäuse 2304.
Wie zuvor mit Bezug auf 2–11 beschrieben, besteht die Schaltanordnung 2402 aus einem Nocken 2404, einem Anker 2406, einem Kupplungsring 230, einem Schaltelement 2416 und einer Blockschaltfeder 2408. Ein Teil des Kupplungsrings 230 ist derart angeordnet, dass er gleitende Zähne aufweist, die immer in die mittlere Welle 1810 eingreifen. Weil sich die mittlere Welle 1810 durch die Differential-Kegelzahnräder zu der Halbwelle der gegenüberliegenden Achsenseite dreht, dreht sich auch der Kupplungsring 230. Der andere Teil des Kupplungsrings 230 ist derart angeordnet, dass er gleitende Zähne aufweist, die an einer Position (z. B. 4 × 4) in die Kopplerwelle 1808 eingreifen und an einer anderen Position (z. B. 4 × 2) von dieser gelöst sind. Das Schaltelement 2416 weist hohe und niedrige Punkte auf (z. B. an dem Führungsteil 2415) und ist mit dem Kupplungsring 230 mit einem sich damit drehenden Käfigteil 2417 verbunden. Dabei drehen sich das Schaltelement 2416 und der Kupplungsring 230 als eine Einheit um die Mittenachse 215 und verschieben sich nach hinten und nach vorne entlang der Axialrichtung 203. Ein Nocken 2404 ist mit dem Führungsteil 2415 des Schaltelements 2416 ausgerichtet, sodass sich die Führungen des Schaltelements 2416 entlang der Nockenrampen des Nockens 2404 bewegen. Weiterhin ist der Anker 2406 an dem Nocken 2404 fixiert.
Die Ankernockenanordnung 2405 (Anker 2406 und Nocken 2404) ist in nächster Nachbarschaft zu der stationären elektromagnetischen Spule 220 angeordnet und von dieser durch einen kleinen Luftspalt getrennt. Eine Spulenrückstellfeder 2418 kann auch in Nachbarschaft zu der Spule 220 angeordnet sein. Wenn die Spule 220 mit Strom versorgt wird, wird die Spule 220 zu dem Metallanker 2406 gezogen und berührt diesen, nachdem der Luftspalt geschlossen wurde. Die aus der elektromagnetischen Kraft beim Schließen des Luftspalts entwickelte Kontaktreibung reicht aus, um eine Drehung der Ankernockenanordnung 2405 zu verlangsamen oder zu stoppen. Wenn die Ankernockenanordnung 2405 langsamer gedreht wird als das Schaltelement 2416, erzeugen die Nockenrampen des Nockens 2404 eine Kraft gegen die Führungen des Schaltelements 2416, wodurch veranlasst wird, dass sich das Schaltelement 2416 weg von dem Nocken 2404 bewegt. Diese Bewegung wirkt dann auf den Kupplungsring 230, um einen Wechsel in der positiven Axialrichtung von der getrennten zu der verbundenen Position zu veranlassen, wodurch von der 4 × 2-Position zu der 4 × 4-Position geschaltet wird. Der Schaltprozess und die entsprechende Interaktion der Komponenten der mittleren EMPD 1720 funktionieren wie oben mit Bezug auf 2–11 beschrieben.
Die Detailansicht 2420 von 19 zeigt die Positionierung des Positionssensors 208 in der EMPD 1702. Insbesondere ist der Positionssensor 208 mit einer unteren Fläche der Leiterplatte 207 gekoppelt. Der Positionssensor 208 ist weiterhin direkt über (in Bezug auf die vertikale Richtung, wobei die vertikale Richtung senkrecht zu der Axialrichtung und relativ zu einem Boden, auf dem ein Fahrzeug mit der darin installierten EMPD sitzt, ist) dem Sperrringgehäuse 263 angeordnet. Anders ausgedrückt, ist der Positionssensor 208 relativ zu der Mittenachse 215 radial außerhalb des Sperrringgehäuses 263 angeordnet. Wie zuvor mit Bezug auf 2–4 beschrieben, enthält das Sperrringgehäuse 263 zwei Magneten 212 (wobei jedoch auch andere Anzahlen von Magneten möglich sind), die an einer oberen Fläche des Sperrringgehäuses 263 angeordnet und in dieser eingebettet sind, wobei die obere Fläche dem Positionssensor 208 und der Leiterplatte 207 zugewandt ist. Die zwei Magneten 212 sind mit einem Abstand zueinander auf gegenüberliegenden Seiten einer oberen Lasche 213 des Sperrringgehäuses 263 angeordnet. Wie in der Detailansicht 2420 gezeigt, sind die zwei Magneten 212 derart angeordnet, dass der Nordpol eines ersten der zwei Magneten nach außen zu dem Positionssensor 208 gewandt ist und sein Südpol in der Lasche 213 eingebettet ist, während der Südpol des zweiten der zwei Magneten nach außen zu dem Positionssensor 208 gewandt ist und sein Nordpol in der Lasche 213 eingebettet ist. Die Axialposition der zwei Magneten 212 relativ zu dem stationären Sensor 208 (z. B. ist die Leiterplatte 207 stationär und verschiebt sich nicht in der Axialrichtung) bestimmt dann die durch den Sensor gemessene Magnetfeldstärke, wodurch die Sensorausgabe geändert wird und die Steuereinrichtung die Schaltposition der EMPD 1702 bestimmen kann.
Wenn wie zuvor beschrieben die Feldstärke gleich einem vorbestimmten ersten Wert ist, befindet sich die Schaltanordnung 2402 an der 4 × 4-Position. Wenn das Feld einen zweiten Wert aufweist, der niedriger als der erste Wert ist, befindet sich die Schaltanordnung 2402 an der 4 × 2-Position. Die Position wird zurück an die Steuereinrichtung 2414 gemeldet. Die Steuereinrichtung 2414 kann dann die Spule 220 in erforderlicher Weise mit Strom versorgen, um ein Schalten zu dem angewiesenen Modus zu bewerkstelligen. Es ist zu beachten, dass der Sensor 208 und die Magneten 212 ein Schaltsystem bilden und auch durch andere Typen von Schaltsystemen wie etwa einen Schnappschalter und Betätigungspunkte, einen Kontaktwischer, der einem Codierer folgt, oder ein optisches Schalten ersetzt werden könnten.
20 zeigt die relative Positionierung des Positionssensors 208 und der Magneten 212 an den verschiedenen Schaltpositionen. Die Magneten 212 enthalten einen ersten Magneten 2011, der in der Axialrichtung näher an der Spule 220 ist als ein zweiter Magnet 2012. Anders ausgedrückt ist der zweite Magnet 2012 des Magneten 212 der Rückstellfeder 2410 näher als der erste Magnet. Die Ansicht 2020 zeigt die EMPD 1702 an der 4 × 2-Position, wobei der Kupplungsring 230 nur mit der mittleren Welle 1810 und nicht mit der Kopplerwelle 1808 gekoppelt ist. Der zweite Magnet 2012 ist in Nachbarschaft zu (z. B. direkt unter und in Ausrichtung mit) dem Positionssensor 208 angeordnet. Dabei ist der Positionssensor 208 näher an dem zweiten Magneten als an dem ersten Magneten 2011. Dabei gibt der Positionssensor 208 ein erstes Signal aus, das angibt, dass sich die EMPD an der 4 × 2-Position befindet.
Die Ansicht 2022 zeigt die EMPD 1702 an der 4 × 4-Position, wobei der Kupplungsring 230 mit der mittleren Welle 1810 und der Kopplerwelle 1808 gekoppelt ist. An dieser Position wird das Sperrringgehäuse 263 weiter in der positiven Axialrichtung gedrückt als an der 4 × 2-Position. Der Positionssensor 208 ist mit beinahe gleichen Abständen zwischen dem ersten Magneten 2011 und dem zweiten Magneten 2012 angeordnet. Dabei kann der Positionssensor 208 die beiden Magneten 212 erfassen und ein zweites Signal ausgeben, das angibt, dass sich die EMPD an der 4 × 4-Position befindet. Wie oben mit Bezug auf 9 beschrieben, kann das zweite Signal einen höheren Spannungsprozentsatz aufweisen als das erste Signal.
Die Ansicht 2024 zeigt die EMPD 1702 an der EOS-Position, wobei der Kupplungsring weiterhin mit der mittleren Welle 1810 und der Kopplerwelle 1808 gekoppelt ist. An dieser Position wird das Sperrringgehäuse 263 noch weiter in der positiven Axialrichtung gedrückt, sodass der erste Magnet 2011 beinahe in einer vertikalen Ausrichtung mit dem Positionssensor 208 ist. Anders ausgedrückt, ist der erste Magnet 2011 möglichst nah an dem Positionssensor 208 angeordnet, während der zweite Magnet möglichst weit weg von dem Positionssensor 208 angeordnet ist. Dabei gibt der Positionssensor ein drittes Signal aus, das angibt, dass sich die EMPD an der EOS-Position befindet. Wie weiter oben mit Bezug auf 9 beschrieben, kann das dritte Signal einen höheren Spannungsprozentsatz aufweisen als das zweite Signal.
Die Ansicht 2026 zeigt die EMPD 1702 in einer Blockschaltposition, wobei sich der Kupplungsring 230 nicht verschieben kann, weil die Kupplungszähne fehlausgerichtet oder blockiert sind. Dabei biegt die Blockschaltfeder 2408 die Schaltanordnung und gestattet, dass diese die angewiesene Bewegung abschließt. Wenn die Zähne ausgerichtet sind oder die Blockierung aufgehoben ist, drückt die Feder den Kupplungsring zurück zu der gewünschten Position. An dieser Position sind der erste Magnet 2011 und der zweite Magnet 2012 mit beinahe gleichen Abständen in der Axialrichtung von dem Positionssensor 208 beabstandet. An dieser Position hat die Schaltanordnung wie in der Ansicht 2026 gezeigt die angewiesene Bewegung abgeschlossen und ruht in der 4 × 4-Position. Sobald der Kupplungsring und die Kopplerwellenkeile ausgerichtet sind, greift die Schaltfeder 2408 in den Kupplungsring ein und wird ein Drehmoment auf die Räder übertragen.
Zusätzlich zu dem normalen Betrieb kann die Steuereinrichtung 2414 konfiguriert sein, um verschiedene Typen von Fehlern zu erfassen und korrigierende Maßnahmen zu ergreifen. Wenn sich zum Beispiel die Schaltanordnung 2402 nicht innerhalb einer erwarteten Zeitperiode bewegt, kann dies als ein Fehler erfasst werden. Diese Bedingung kann auf verschiedene Weise korrigiert werden, etwa indem ein Spulenimpuls wiederholt wird, bis der angewiesene Modus erzielt wird.
Eine weitere Anordnung der Steuereinrichtung 2414 kann andere Sensortypen wie etwa unter anderem Achsgeschwindigkeitssensoren enthalten. Informationen von diesen Sensoren können verwendet werden, um den Schaltalgorithmus unter bestimmten Fahrzeugumständen zu verfeinern, wobei etwa ein Modusschalten unterbunden wird, während das Fahrzeug hält oder mit hohen Geschwindigkeiten fährt.
21–23 zeigen eine zweite Ausführungsform einer mittleren EMPD 2120, die nur ein Gehäuse (z. B. ein integriertes oder kontinuierliches Gehäuse, das einstückig ausgebildet ist) umfasst und mit einem Achszapfen integriert sein kann. 21 ist eine isometrische Außenansicht der EMPD 2120. 22 ist eine seitliche Außenansicht der EMPD 2120. Und 22 ist eine interne Querschnittansicht der EMPD 2120. Die EMPD 2120 enthält die gleichen internen Komponenten wie in 18–20 gezeigt. Die Komponenten werden durch ähnliche Bezugszeichen angegeben und hier nicht nochmals beschrieben. Allerdings werden nicht alle Komponenten durch gleiche Bezugszeichen wie n 18–20 angegeben.
Wie in 21 und 22 gezeigt, enthält die EMPD 2120 ein einzelnes, kontinuierliches Gehäuse 2122, das die internen Komponenten der EMPD 2120 (wie etwa die in 18 und 19 gezeigten Komponenten) vollständig umhaust und umgibt. Das Gehäuse 2122 enthält weiterhin mit Rampen versehene Flansche 2124, die in Nachbarschaft zu der Kopplerwelle 1808 angeordnet sind. Die mit Rampen versehenen Flansche 2124 erstrecken sich um einen Umfang des Teils des Gehäuses 2122, der die Kopplerwelle 1808 umgibt. Außerdem erstrecken sich Flansche 2124 von dem Gehäuse 2122 nach außen und zwischen dem schmäleren Teil des Gehäuses 2122, der die Kopplerwelle 1808 umgibt, und dem breiteren Teil des Gehäuses 2122, der die mittlere Welle 1810 umgibt. Wie in 23 gezeigt, enthält die EMPD 2120 zusätzlich zu den oben mit Bezug auf 2–8 und 18–20 beschriebenen Komponenten einen Kopplungsflansch 2321, der die internen Komponenten der EMPD 2120 an ihren Positionen hält und eine Verbindungsfläche für die Kopplung der EMPD 2120 mit einem Fahrzeug vorsieht. In anderen Ausführungsformen kann das Gehäuse 2122 auch keine Flansche 2124 enthalten.
24 zeigt eine dritte Ausführungsform einer mittleren EMPD 2420, die nur ein Gehäuse (z. B. ein integriertes und kontinuierliches Gehäuse, das einstückig ausgebildet ist) enthält. Die schematische Ansicht 2422 zeigt eine isometrische Außenansicht der EMPF 2420, und die schematische Ansicht 2424 zeigt eine interne Querschnittansicht der EMPD 2420. Die EMPD 2420 enthält die gleichen internen Komponenten wie in 18–20 gezeigt. Die Komponenten werden durch ähnliche Bezugszeichen angegeben und hier nicht nochmals beschrieben. Allerdings werden nicht alle Komponenten durch gleiche Bezugszeichen wie n 18–20 angegeben.
Wie in 24 gezeigt, enthält die EMPD 2420 ein einzelnes, kontinuierliches Gehäuse 2426, das die internen Komponenten der EMPF 2420 (wie etwa die in 18 und 19 gezeigten Komponenten) vollständig umhaust und umgibt. Das Gehäuse 2426 enthält weiterhin mit Rampen versehene Flansche 2428, die in Nachbarschaft zu der Kopplerwelle 1808 angeordnet sind. Die mit Rampen versehenen Flansche 2428 erstrecken sich um einen Umfang des Teils des Gehäuses 2426, der die Kopplerwelle 1808 umgibt. Außerdem erstrecken sich Flansche 2428 von dem Gehäuse 2426 nach außen und zwischen dem schmäleren Teil des Gehäuses 2426, der die Kopplerwelle 1808 umgibt, und dem breiteren Teil des Gehäuses 2426, der interne Komponenten der EMPD 2420 mit einem größeren Durchmesser umgibt. Wie in der schematischen Ansicht 2424 gezeigt, enthält die EMPD 2420 zusätzlich zu den oben mit Bezug auf 2–8 und 18–20 beschriebenen Komponenten einen Kopplungsflansch 2421, der die internen Komponenten der EMPD 2420 an ihren Position hält und eine Verbindungsfläche für die Kopplung der EMPD 2420 mit einem Fahrzeug vorsieht. Beide Gehäuse 2120 und 2422 wie oben mit Bezug auf 21–23 und 24 beschrieben enthalten jeweils eine Seite, die geöffnet und nicht gedichtet ist. Dabei wird auf einen Gehäuseteil verzichtet und kann die Trennvorrichtung gegen die Seite einer Antriebsstrangkomponente wie etwa eines Differentials oder einer Ölpfanne geschraubt und gedichtet werden.
Es können auch zusätzliche hier nicht beschriebene Komponenten in den mittleren Trennvorrichtungen mit elektromagnetischen Impulsen von 17–24 enthalten sein. Weitere zusätzliche in 2–8 gezeigte Komponenten können in den mittleren Trennvorrichtungen mit elektromagnetischen Impulsen von 17–24 enthalten sein. Weitere Komponenten der oben mit Bezug auf 17–24 beschriebenen mittleren Trennvorrichtungen mit elektromagnetischen Impulsen können auch in den Ausführungsformen von 2–8 enthalten sein.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Trennanordnung einer Welle: Antreiben eines Schaltmechanismus von einer ersten Selbstsperrposition zu einer zweiten Selbstsperrposition über eine elektromagnetische Spule, die eine Axialkraft mittels einer Ankernockenanordnung erzeugt, die eine Reihe von bidirektionalen Rampen umfasst, die mit sich axial erstreckenden Führungen des Schaltmechanismus zusammenwirken, wobei die Spule nur während Übergängen zwischen den ersten und zweiten Selbstsperrpositionen mit Strom versorgt wird, und wobei die ersten und zweiten Selbstsperrpositionen eine Wellenverbindungsposition und eine Wellentrennungsposition umfassen. In einem Beispiel ist ein Kupplungsring einschließlich einer Vielzahl von Zähnen für das wahlweise Verbinden der Welle mit dem Schaltmechanismus gekoppelt und umfasst das Antreiben des Schaltmechanismus das gemeinsame axiale Verschieben des Kupplungsrings und eines Sperrrings, die in Nachbarschaft zu dem Schaltmechanismus angeordnet sind, in einer Richtung einer Mittenachse der Trennanordnung zwischen den ersten und zweiten Selbstsperrpositionen, während sich der Kupplungsring und der Sperrring unabhängig voneinander drehen. Weiterhin bleibt der Schaltmechanismus an den ersten und zweiten Selbstsperrpositionen, wenn die elektromagnetische Spule nicht aktiviert wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Drehen der Ankernockenanordnung zusammen mit dem Schaltmechanismus, wenn die elektromagnetische Spule deaktiviert ist und sich die Trennanordnung an der ersten Selbstsperrposition befindet. In einem anderen Beispiel umfasst das Verfahren weiterhin das Aktivieren und anschließend des Deaktivieren der Spule, um den Schaltmechanismus von der ersten Selbstsperrposition zu der zweiten Selbstsperrposition zu versetzen, und das Aktivieren und Deaktivieren der Spule, um den Schaltmechanismus von der zweiten Selbstsperrposition zu der ersten Selbstsperrposition zu versetzen. In einem weiteren Beispiel umfasst das Verfahren weiterhin das Halten des Schaltmechanismus an der ersten Selbstsperrposition oder an der zweiten Selbstsperrposition, wenn die Spule deaktiviert ist, unabhängig davon, ob ein Drehmoment und eine Drehung der Welle durch die Anordnung übertragen werden oder nicht. In einem Beispiel werden das Verbinden und Trennen der Welle über eine Drehbewegung der Welle unterstützt, wobei eine mechanische Vorspannkraft der elektromagnetischen Spule entgegenwirkt.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen: eine elektromagnetische Spule, die wahlweise durch einen pulsierenden elektrischen Strom mit Strom versorgt wird; eine Schaltanordnung, die einen Anker aus Metall, der an einem Nocken mit einer Reihe von bidirektionalen Rampen fixiert ist, ein Schaltelement mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden Führungen, die mit dem Nocken zwischen jeder aus der Reihe von bidirektionalen Rampen zusammenwirken, und einen mit dem Schaltelement gekoppelten Kupplungsring umfasst; und eine Sperrringanordnung mit einem Sperrbahnprofil, das erste und zweite Selbstsperrpositionen enthält. In einem Beispiel verschieben sich das Schaltelement und der Kupplungsring als eine Einheit in einer Axialrichtung in Bezug auf eine Mittenachse der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen und drehen sich um die Mittenachse. In einem anderen Beispiel umfasst die Sperrringanordnung weiterhin einen Sperrring mit einer Vielzahl von Stiften, die um einen Außenumfang des Sperrrings herum angeordnet sind, und ein Sperrringgehäuse mit einer gestuften Vertiefung zum Halten des Sperrrings, wobei das Sperrringgehäuse und der Sperrring in der Axialrichtung zusammen mit dem Schaltelement verschoben werden können. In einem weiteren Beispiel ist das Sperrringgehäuse in Bezug auf eine Drehung fixiert und enthält das Sperrringgehäuse eingebettete Magneten, die ein erfassbares Magnetfeld separat von einem durch die elektromagnetische Spule erzeugten lokalisierten Magnetfeld erzeugen. In einem Beispiel umfasst die Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen einen stationären magnetischen Positionssensor, der konfiguriert ist, um das Magnetfeld der Magneten für das Bestimmen der Schaltposition der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen zu erfassen. In einem anderen Beispiel umfasst die Sperrringanordnung weiterhin einen Sperrnockenring mit einer ersten Reihe von Zähnen, die eine erste Bahnfläche bilden, und einen Sperrführungsring mit einer zweiten Reihe von Zähnen, die von dem ersten Satz versetzt sind und eine zweite Bahnfläche bilden, wobei die erste Bahnfläche und die zweite Bahnfläche das Sperrbahnprofil bilden. Außerdem ist die Vielzahl von Stiften in dem Sperrbahnprofil zwischen der ersten Bahnfläche und der zweiten Bahnfläche angeordnet, wobei der Sperrnockenring und der Sperrführungsring stationär sind und wobei der Sperrring um die Mittenachse gedreht und entlang von dieser verschoben werden kann. In einem anderen Beispiel umgibt der Sperrnockenring den Umfang die Schaltanordnung, wobei die erste Bahnfläche weiterhin mehrere Nuten umfasst, die geformt sind, um die Vielzahl von Stiften des Sperrrings an der ersten Selbstsperrposition und an der zweiten Selbstsperrposition zu kontaktieren und zu halten. Weiterhin wird der Anker magnetisch zu der elektromagnetischen Spule gezogen, wenn die elektromagnetische Spule mit Strom versorgt wird, und enthält die elektromagnetische Spule eine oder mehrere Federn zum Aufrechterhalten eines Luftspalts zwischen der elektromagnetischen Spule und dem Anker, wenn die Spule nicht mit Strom versorgt wird. In einem anderen Beispiel umfasst das Trennsystem mit elektromagnetischen Impulsen weiterhin ein äußeres Gehäuse, das entlang eines mittleren Teils einer Achse eines Fahrzeugs angeordnet ist, wobei das äußere Gehäuse die elektromagnetische Spule, die Schaltanordnung und die Sperrringanordnung vollständig umhaust und wobei der Kupplungsring wahlweise eine Kopplerwelle und eine mittlere Welle der Achse verbindet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum wahlweisen Verbinden von zwei sich drehenden Komponenten mittels einer Trennanordnung: während eines ersten Modus, Halten eines Kupplungsrings an einer ersten Position mittels Stiften eines Sperrrings, die erste Nuten in einem Sperrnockenring kontaktieren, wobei der Sperrring zusammen mit dem Kupplungsring entlang einer Mittenachse der Trennanordnung verschoben werden kann; bei Empfang eines Befehls zum Schalten zu einem zweiten Modus, Stromversorgen einer elektromagnetischen Spule, um einen an einem Nocken fixierten Anker magnetisch anzuziehen und ein an dem Kupplungsring fixiertes Schaltelement zu einer Schaltendposition zu verschieben, woraufhin die Spule nicht mehr mit Strom versorgt wird und eine Feder den Kupplungsring zu einer zweiten Position drückt, an welcher die Stifte zweite Nuten in dem Sperrnockenring kontaktieren, um den Kupplungsring an der zweiten Position zu halten; und bei Empfang eines Befehls zum Schalten zu dem ersten Modus, Stromversorgen der elektromagnetischen Spule, um den Kupplungsring zu der Schaltendeposition zu verschieben, woraufhin die Spule nicht mehr mit Strom versorgt wird und die Feder den Kupplungsring zu der ersten Position drückt, wo die Stifte die ersten Nuten kontaktieren, um den Kupplungsring an der ersten Position zu halten. In einem Beispiel werden das Schaltelement und der Kupplungsring zu der Schaltendeposition verschoben und gleiten die Stifte entlang eines Sperrbahnprofils und gegen eine erste Bahnfläche eines Sperrführungsrings, um den Sperrring zu drehen und die Stifte in einen Kontakt mit Schaltendenuten in dem Sperrführungsring zu bringen, wobei eine zweite Bahnfläche des Sperrnockenrings und die erste Bahnfläche des Sperrführungsrings das Sperrbahnprofil bilden. In einem anderen Beispiel umfasst das Verfahren weiterhin das nicht-Stromversorgen der elektromagnetischen Spule und das Gleiten der Stifte entlang des Sperrbahnprofils und gegen die zweite Bahnfläche des Sperrnockenrings, um den Sperrring zu drehen und die Stifte in einen Kontakt mit den ersten Nuten oder den zweiten Nuten zu bringen. Weiterhin ist der erste Modus ein Zweirad-Antriebsmodus, in dem der Kupplungsring nur mit einer der zwei sich drehenden Komponenten gekoppelt ist, und ist der zweite Modus ein Vierrad-Antriebsmodus, in dem der Kupplungsring mit den beiden sich drehenden Komponenten gekoppelt ist. In einem weiteren Beispiel umfasst das Verfahren weiterhin das Empfangen der Befehle zum Schalten zu den ersten und zweiten Modi an einer Trennsteuereinrichtung der Trennanordnung von einer Fahrzeugsteuereinrichtung. In einem anderen Beispiel umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen der ersten, zweiten und Schaltendepositionen des Kupplungsrings und einer beliebigen Position des Kupplungsrings zwischen den ersten, zweiten und Schaltendepositionen oder über diese hinaus mittels eines Positionssensors, der elektronisch mit der Trennsteuereinrichtung kommuniziert.
Es ist zu beachten, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhaft sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht einschränkend aufzufassen sind, weil verschiedene Variationen an denselben möglich sind. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht-offensichtlichen Kombinationen und Subkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie der anderen hier beschriebenen Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die folgenden Ansprüche definieren bestimmte Kombinationen und Subkombinationen, die als neuartig und nicht-offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können „ein” Element oder „ein erstes” Element oder ein Äquivalent dazu nennen. Derartige Ansprüche sind derart zu verstehen, dass sie eine Integration von einem oder mehreren derartigen Elementen angeben, ohne dass zwei oder mehr derartiger Elemente erforderlich oder ausgeschlossen sind. Andere Kombinationen und Subkombinationen der angegebenen Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch eine Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch das Vorlegen neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche, die einen breiteren, schmäleren, gleichen oder anderen Umfang als die ursprünglichen Ansprüche aufweisen können, sind als ebenfalls in dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Trennanordnung für eine Welle, umfassend: Antreiben eines Schaltmechanismus von einer ersten Selbstsperrposition zu einer zweiten Selbstsperrposition über eine elektromagnetische Spule, die eine Axialkraft mittels einer Ankernockenanordnung erzeugt, die eine Reihe von bidirektionalen Rampen umfasst, die mit sich axial erstreckenden Führungen des Schaltmechanismus zusammenwirken, wobei die Spule nur während Übergängen zwischen den ersten und zweiten Selbstsperrpositionen mit Strom versorgt wird, und wobei die ersten und zweiten Selbstsperrpositionen eine Wellenverbindungsposition und eine Wellentrennungsposition umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Kupplungsring mit einer Vielzahl von Zähnen für das wahlweise Verbinden der Welle mit dem Schaltmechanismus gekoppelt ist und wobei das Antreiben des Schaltmechanismus das gemeinsame axiale Verschieben des Kupplungsrings und eines Sperrrings, die in Nachbarschaft zu dem Schaltmechanismus angeordnet sind, in einer Richtung einer Mittenachse der Trennanordnung zwischen den ersten und zweiten Selbstsperrpositionen umfasst, während sich der Kupplungsring und der Sperrring unabhängig voneinander drehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schaltmechanismus an den ersten und zweiten Selbstsperrpositionen bleibt, wenn die elektromagnetische Spule nicht aktiviert wird, und das Verfahren weiterhin das Drehen der Ankernockenanordnung zusammen mit dem Schaltmechanismus umfasst, wenn die elektromagnetische Spule deaktiviert ist und sich die Trennanordnung an der ersten Selbstsperrposition befindet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das weiterhin das Aktivieren und dann das Deaktivieren der Spule umfasst, um den Schaltmechanismus von der ersten Selbstsperrposition zu der zweiten Selbstsperrposition zu versetzen, und das Aktivieren und das Deaktivieren der Spule umfasst, um den Schaltmechanismus von der zweiten Selbstsperrposition zu der ersten Selbstsperrposition zu versetzen, und weiterhin das Halten des Schaltmechanismus an der ersten Selbstsperrposition oder an der zweiten Selbstsperrposition umfasst, wenn die Spule deaktiviert ist, unabhängig davon, ob ein Drehmoment und eine Drehung der Welle durch die Anordnung übertragen werden oder nicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verbinden und das Trennen der Welle durch eine Drehbewegung der Welle unterstützt werden und wobei eine mechanische Vorspannkraft der elektromagnetischen Spule entgegenwirkt.
Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen, umfassend: eine elektromagnetische Spule, die wahlweise durch einen pulsierenden elektrischen Strom mit Strom versorgt wird, eine Schaltanordnung, die einen Anker aus Metall, der an einem Nocken mit einer Reihe von bidirektionalen Rampen fixiert ist, ein Schaltelement mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden Führungen, die mit dem Nocken zwischen jeder aus der Reihe von bidirektionalen Rampen zusammenwirken, und einen mit dem Schaltelement gekoppelten Kupplungsring umfasst, und eine Sperrringanordnung mit einem Sperrbahnprofil, das erste und zweite Selbstsperrpositionen enthält.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei sich das Schaltelement und der Kupplungsring als eine Einheit in einer Axialrichtung in Bezug auf eine Mittenachse der Trennvorrichtung mit elektromagnetischen Impulsen verschieben und um die Mittenachse drehen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Sperrringanordnung weiterhin einen Sperrring mit einer Vielzahl von Stiften, die um einen Außenumfang des Sperrrings herum angeordnet sind, und ein Sperrringgehäuse mit einer gestuften Vertiefung zum Halten des Sperrrings umfasst, wobei das Sperrringgehäuse und der Sperrring in der Axialrichtung zusammen mit dem Schaltelement verschoben werden können.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Sperrringgehäuse in Bezug auf eine Drehung fixiert ist und wobei das Sperrringgehäuse eingebettete Magneten enthält, die ein erfassbares Magnetfeld separat zu einem durch die elektromagnetische Spule erzeugten lokalisierten Magnetfeld erzeugen, wobei die Anordnung weiterhin einen stationären magnetischen Positionssensor umfasst, der konfiguriert ist, um das Magnetfeld der Magneten für das Bestimmen der Schaltposition der Trennanordnung mit elektromagnetischen Impulsen zu erfassen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Sperrringanordnung weiterhin einen Sperrnockenring mit einer ersten Reihe von Zähnen, die eine erste Bahnfläche bilden, und einen Sperrführungsring mit einer zweiten Reihe von Zähnen, die von dem ersten Satz versetzt sind und eine zweite Bahnfläche bilden, umfasst, wobei die erste Bahnfläche und die zweite Bahnfläche das Sperrbahnprofil bilden.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Stiften in dem Sperrbahnprofil zwischen der ersten Bahnfläche und der zweiten Bahnfläche angeordnet sind, wobei der Sperrnockenring und der Sperrführungsring stationär sind und wobei der Sperrring um die Mittenachse gedreht und entlang von dieser verschoben werden kann.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Sperrnockenring den Umfang der Schaltanordnung umgibt und wobei die erste Bahnfläche weiterhin mehrere Nuten umfasst, die geformt sind, um die Vielzahl von Stiften des Sperrrings an der ersten Selbstsperrposition und an der zweiten Selbstsperrposition zu kontaktieren und zu halten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei der Anker magnetisch zu der elektromagnetischen Spule gezogen wird, wenn die elektromagnetische Spule mit Strom versorgt wird, und wobei die elektromagnetische Spule eine oder mehrere Federn zum Aufrechterhalten eines Luftspalts zwischen der elektromagnetischen Spule und dem Anker, wenn die Spule nicht mit Strom versorgt wird, umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, die weiterhin ein äußeres Gehäuse umfasst, das entlang eines mittleren Teils einer Achse eines Fahrzeugs angeordnet ist, wobei das äußere Gehäuse die elektromagnetische Spule, die Schaltanordnung und die Sperrringanordnung vollständig umhaust und wobei der Kupplungsring wahlweise eine Kopplerwelle und eine mittlere Welle der Achse verbindet.
Verfahren zum wahlweisen Verbinden von zwei sich drehenden Komponenten mittels einer Trennanordnung, umfassend: während eines ersten Modus, Halten eines Kupplungsrings an einer ersten Position mittels Stiften eines Sperrrings, die erste Nuten in einem Sperrnockenring kontaktieren, wobei der Sperrring zusammen mit dem Kupplungsring entlang einer Mittenachse der Trennanordnung verschoben werden kann, bei Empfang eines Befehls zum Schalten zu einem zweiten Modus, Stromversorgen einer elektromagnetischen Spule, um einen an einem Nocken fixierten Anker magnetisch anzuziehen und um ein an dem Kupplungsring fixiertes Schaltelement zu einer Schaltendeposition zu verschieben, woraufhin die Spule nicht mehr mit Strom versorgt wird und eine Feder den Kupplungsring zu einer zweiten Position drückt, wo die Stifte zweite Nuten in dem Sperrnockenring kontaktieren, um den Kupplungsring an der zweiten Position zu halten, und bei Empfang eines Befehls zum Schalten zu dem ersten Modus, Stromversorgen der elektromagnetischen Spule, um den Kupplungsring zu der Schaltendeposition zu verschieben, woraufhin die Spule nicht mehr mit Strom versorgt wird und die Feder den Kupplungsring zu der ersten Position drückt, wo die Stifte die ersten Nuten kontaktieren, um den Kupplungsring an der ersten Position zu halten.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Schaltelement und der Kupplungsring zu der Schaltendeposition verschoben werden und die Stifte entlang eines Sperrbahnprofils und gegen eine erste Bahnfläche eines Sperrführungsrings gleiten, um den Sperrring zu drehen und die Stifte in einen Kontakt mit Schaltendenuten in dem Sperrführungsring zu bringen, wobei eine zweite Bahnfläche des Sperrnockenrings und die erste Bahnfläche des Sperrführungsrings das Sperrbahnprofil bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, das weiterhin, nach dem nicht-Stromversorgen der elektromagnetischen Spule das Gleiten der Stifte entlang des Sperrbahnprofils und gegen die zweite Bahnfläche des Sperrnockenrings umfasst, um den Sperrring zu drehen und die Stifte in einen Kontakt mit den ersten Nuten oder den zweiten Nuten zu bringen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der erste Modus ein Zweirad-Antriebsmodus ist, in dem der Kupplungsring nur mit einer der zwei sich drehenden Komponenten gekoppelt ist, und der zweite Modus ein Vierrad-Antriebsmodus ist, in dem der Kupplungsring mit den beiden sich drehenden Komponenten gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, das weiterhin das Empfangen der Befehle zum Schalten zu den ersten und zweiten Modi an einer Trennsteuereinrichtung der Trennanordnung von einer Fahrzeugsteuereinrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin das Erfassen der ersten, zweiten und Schaltendepositionen des Kupplungsrings und einer beliebigen Position des Kupplungsrings zwischen den ersten, zweiten und Schaltendepositionen oder über diese hinaus mittels eines Positionssensor, der elektronisch mit der Trennsteuereinrichtung kommuniziert, umfasst.