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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem kupplungsgesteuerten Allradantrieb umfassend eine erste Welle sowie eine zweite Welle, die entlang einer gemeinsamen Wellenachse angeordnet sind, und umfassend eine steuerbare Wellenkupplung.
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Ein Teil der aktuell erhältlichen Kraftfahrzeuge ist mit einem sogenannten kupplungsgesteuerten Allradantrieb ausgestattet, der es einem Bediener oder Kraftfahrzeugführer ermöglicht, die Zahl der angetriebenen Achsen des entsprechenden Kraftfahrzeuges zu variieren. Die Vorgabe der Anzahl der angetriebenen Achsen und somit die Steuerung des Allradantriebes erfolgt dabei typischerweise mit Hilfe zumindest einer steuerbaren Wellenkupplung, durch die es möglich ist, eine Achse oder vielmehr die Welle einer Achse von der Antriebseinheit des entsprechendes Kraftfahrzeuges zu entkoppeln oder an dieser anzukoppeln. Entsprechende steuerbare Wellenkupplungen sind beispielsweise aus der
WO 2012/171709 A1 oder aus der
DE 102 17 576 A1 zu entnehmen.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaften Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten.
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Ein entsprechender Antriebsstrang ist dabei für ein Kraftfahrzeug mit einem kupplungsgesteuertem Allradantrieb ausgestaltet und umfasst eine erste Welle sowie eine zweite Welle, die entlang einer gemeinsamen Wellenachse angeordnet sind sowie eine steuerbare Wellenkupplung, mittels derer die beiden Wellen koppelbar oder entkoppelbar sind. Hierbei weist die steuerbare Wellenkupplung eine Schiebemuffe oder Schaltmuffe auf, die mittels eines quer zur Wellenachse verschiebbaren Stellkörpers zwischen einer Entkoppel-Position und einer Koppel-Position entlang der Wellenachse verschiebbar ist, wobei die beiden Wellen entkoppelt sind, wenn sich die Schiebemuffe in der Entkoppel-Position befindet und wobei die beiden Wellen gekoppelt sind, wenn sich die Schiebemuffe in der Koppel-Position befindet.
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Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass die Bewegung des Stellkörpers quer zur Wellenachse eine Bewegung der Schiebemuffe entlang der Wellenachse bedingt, da sich hierdurch neue konstruktive Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Wellenkupplung ergeben. In Folge dessen lässt sich dann beispielsweise ein kompakterer Aufbau für die steuerbare Wellenkupplung realisieren und/oder eine Konstruktion mit einfacherem Aufbau, der beispielsweise aus einer geringeren Anzahl von Bauteilen besteht.
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Für einen einfacheren und in Folge dessen typischerweise weniger defektanfälligen Aufbau ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn die steuerbare Wellenkupplung derart ausgestaltet ist, dass der verschiebbare Stellkörper lediglich entlang einer Achse oder Richtung verschiebbar ist und dementsprechend eine reine lineare Bewegung ausführt. Die Bewegung des Stellkörpers wird hierbei zweckdienlicherweise mittels eines Aktuators vorgegeben und gesteuert, der bevorzugt als magnetischer Aktuator ausgestaltet ist und elektrisch angesteuert wird. Die Steuerung oder Aktivierung des Aktuators erfolgt dabei beispielsweise manuell durch einen Bediener oder Fahrzeugführer und/oder automatisch durch eine Steuereinheit.
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Mit Hilfe des verschiebbaren Stellkörpers wiederum wird die Position der Schiebemuffe vorgegeben und gesteuert, wobei die Position des verschiebbaren Stellkörpers mit der Position der Schiebemuffe korreliert, so dass durch die Vorgabe der Position des Stellkörpers auch die Position der Schiebemuffe vorgegeben wird. Hierzu berühren sich der Stellkörper und die Schiebemuffe bevorzugt an einer Kontaktfläche, zumindest wenn sich die Schiebemuffe in einer Position zwischen der Entkoppel-Position und der Koppel-Position befindet. Dabei bewirkt die Ausgestaltung und die Ausrichtung der Kontaktfläche eine Kraftumlenkung derart, dass eine Verschiebung des Stellkörpers quer zur Wellenachse eine Verschiebung der Schiebemuffe entlang der Wellenachse zur Folge hat, so dass eine vom Stellkörper ausgeübte Querkraft in eine in Richtung der Wellenachse wirkende Schiebekraft umgewandelt wird. Die vorgesehene Kraftumlenkung wird somit auf sehr einfache Weise umgesetzt, was wiederum der Zuverlässigkeit der steuerbaren Wellenkupplung im Antriebsstrang zu Gute kommt.
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Im einfachsten Fall ist die Kontaktfläche dabei eben ausgestaltet, weist also keinerlei Krümmung auf, und verkippt oder schräg zur Bewegungsrichtung des Stellkörpers sowie verkippt oder schräg zur Wellenachse ausgerichtet. Hierbei ist es weiter zweckdienlich, wenn die Kontaktfläche durch den verschiebbaren Stellkörper ausgebildet wird und dieser hierzu keilförmig ausgestaltet ist. Ein entsprechend keilförmig ausgestalteter Stellkörper lässt sich relativ einfach fertigen und problemlos mit einem Aktuator, insbesondere einem magnetischen Aktuator, kombinieren, so dass hierdurch eine Stelleinheit ausgebildet ist, die durch ein elektrisches Steuersignal steuerbar ist.
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Da die Schiebemuffe zumindest im gekoppelten Zustand, wenn sich diese also in der Koppel-Position befindet, mit zumindest einer der beiden Wellen mit rotiert, ist es weiter von Vorteil, wenn die Schiebemuffe ein Wälzlager aufweist, an dem der Stellkörper angreift. Hierdurch ist zwischen dem Stellköper und der Schiebemuffe, sofern sich diese berühren, kein einfacher durch Gleitreibung bestimmter Schleifkontakt ausgebildet, stattdessen wird die Dauerbelastung durch den Kontakt zwischen dem Stellkörper und der Schiebemuffe durch die Rollreibung im Wälzlager bestimmt, was zu einer deutlich geringeren Belastung der einzelnen Bauteile führt.
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Da sich der Stellkörper und die Schiebemuffe im Bedarfsfall lediglich berühren, jedoch nicht fest miteinander verbunden sind, ist es weiter zweckdienlich, wenn die Schiebemuffe mittels eines Federelements federgelagert ist. In diesem Fall bedingt dann die Verschiebung der Schiebemuffe durch den Stellkörper eine Bewegung der Schiebemuffe gegen das Federelement und bei einer Zurückführung des Stellkörpers bedingt dann das Federelement aufgrund der wirkenden Rückstellkraft eine Rückführung der Schiebemuffe in einer Ausgangsposition. Das heißt also, dass die Rückstellkraft des Federelements zum Beispiel in Richtung der Koppel-Position auf die Schiebemuffe wirkt, wenn sich die Schiebemuffe in der Entkoppel-Position befindet. Hierbei ist es zweckdienlich, das Federelement als einfache Schraubenfeder auszuführen.
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Zu Gunsten eines einfachen und kompakten Aufbaus der Wellenkupplung ist es außerdem günstig, wenn die erste Welle ein hohlzylinderförmiges Kopfstück aufweist, in das die Schiebemuffe zumindest teilweise hineinragt. Auf der Innenseite dieses Kopfstückes ist dann weiter bevorzugt ein Zahnradkranz positioniert oder ausgebildet, der, sofern sich die Schiebemuffe in der Koppel-Position befindet, mit einem Zahnradkranz auf der Außenseite der Schiebemuffe zusammenwirkt, so dass durch das Ineinandergreifen der beiden Zahnradkränze eine zeitweise Koppelung zwischen der Schiebemuffe und der ersten Welle gegeben ist. Durch ein Verschieben der Schiebemuffe aus der Koppel-Position in die Entkoppel-Position erfolgt dann die Entkoppelung der Schiebemuffe von der ersten Welle, wobei die beiden Zahnradkränze vom Kopfstück einerseits und der Schiebemuffe andererseits in der Entkoppel-Position in Richtung der Wellenachse versetzt zueinander positioniert sind.
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In vorteilhafter Weiterbildung weist das Kopfstück einerseits und die Schiebemuffe andererseits mehrere voneinander beabstandete, ringförmige Zahnradkränze auf, wobei jeder Zahnradkranz am Kopfstück der ersten Welle in einen Zahnradkranz der Schiebemuffe eingreift, wenn sich die Schiebemuffe in der Koppel-Position befindet, und wobei alle Zahnradkränze, also sowohl die Zahnradkränze der Schiebemuffe als auch die Zahnradkränze des Kopfstückes, entlang der Wellenachse nebeneinander angeordnet sind, solange sich die Schiebemuffe in der Entkoppel-Position befindet. Auf diese Weise ist es möglich, einerseits den Verschiebeweg der Schiebemuffe, also die Wegstrecke zwischen Koppel-Position und Entkoppel-Position, gering zu halten und andererseits die Belastung der Zahnradkränze gering zu halten. Die durch die zu übertragenden Drehmomente auftretenden Belastungen werden einfach auf mehrere Zahnradkränze verteilt.
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Des Weiteren ist die Schiebemuffe zweckdienlicherweise hohlzylinderartig ausgestaltet und bevorzugt ragt eine Schiebewelle zumindest teilweise in die Schiebemuffe hinein. In diesem Fall ist dann jene Schiebewelle an die Schiebemuffe angebunden oder angekoppelt und somit zwischen Schiebemuffe und zweiter Welle zwischengeschaltet. Die Schiebewelle dient dabei bevorzugt lediglich zur Distanzüberbrückung, wodurch ein Großteil der übrigen Bauteile und Baugruppen des Antriebsstrangs quasi unverändert belassen werden können und für einen hier vorgestellten abgewandelten Antriebsstrang nicht angepasst werden müssen. Die hier vorgestellte und abgewandelte steuerbare Wellenkupplung lässt sich somit ohne Weiteres nach dem Baukastenprinzip mit Komponenten, Bauteilen oder Baugruppen, wie zum Beispiel einem Vorderachsgetriebe, eines Antriebsstranges nach dem Stand der Technik kombinieren.
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Weiter ist die Schiebewelle zweckdienlicherweise relativ zum Kraftfahrzeug gegen eine Bewegung in Richtung der Wellenachse gesichert und dementsprechend wird bevorzugt lediglich die Schiebemuffe für einen Koppel- oder Entkoppelvorgang entlang der Wellenachse verschoben.
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Die Koppelung zwischen der Schiebemuffe und der Schiebewelle ist bevorzugt als dauerhafte oder permanente Koppelung ausgebildet und weiter bevorzugt als Zahnradverbindung ausgestaltet. Hierzu weisen die Schiebemuffe auf der Innenseite und die Schiebewelle auf der Außenseite jeweils zumindest einen Zahnradkranz auf, die in Richtung der gemeinsamen Wellenachse so weit ausgedehnt sind, dass diese unabhängig von der Position der Schiebemuffe ineinandergreifen.
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Zweckdiendlicherweise ist dann auch die zweite Welle über eine Zahnradverbindung, insbesondere eine permanente Zahnradverbindung, mit der Schiebewelle verbunden.
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Je nach Anwendungszweck sind die Schiebemuffe und die Schiebewelle und/oder die Schiebewelle und die zweite Welle durch andere drehfeste Verbindungen permanent gekoppelt, also zum Beispiel durch eine Verbindung nach Art einer Spundung.
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Wie bereits zuvor erwähnt, sollen zur Realisierung eines hier vorgestellten abgewandelten Antriebsstranges möglichst wenige Bauteile und Baugruppen ausgehend von einem bisher eingesetzten Antriebsstrang verändert oder angepasst werden. Daher handelt es sich bevorzugt sowohl bei der ersten Welle als auch bei der zweiten Welle um unverändert belassene Bauteile, wobei die erste Welle vorzugsweise als Zwischenwelle zwischen einem Achsgetriebe und einem Lagerbock angeordnet ist und wobei die zweite Welle bevorzugt als Radantriebswelle einer Radaufhängung zwischen dem Lagerbock und einem Rad angeordnet ist.
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Die steuerbare Wellenkupplung, die die erste Welle und die zweite Welle miteinander koppelbar verbindet und zwischen die erste Welle und die zweite Welle zwischengeschaltet ist, ist dabei darüber hinaus bevorzugt in den Lagerbock integriert und wird vorzugsweise als Montageeinheit für die Endmontage des Antriebsstrangs vorgefertigt. Die steuerbare Wellenkupplung ist dabei gemäß einer Ausführung Teil der Vorderachse und dient hier zur Ausbildung eines kupplungsgesteuerten Allradantriebes, wobei der Antriebsstrang hierfür bevorzugt genau zwei steuerbare Kupplungen aufweist, nämlich ein steuerbares Achsverteilergetriebe sowie die steuerbare Wellenkupplung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer Blockschaltbilddarstellung ein Antriebsstrang mit einem Vorderachsgetriebe einer Zwischenwelle und einer Wellenkupplung in einem Lagerbock,
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2 in einer perspektivischen Ansicht das Vorderachsgetriebe zusammen mit der Zwischenwelle und der Wellenkupplung im Lagerbock,
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3 in einer Seitenansicht die Zwischenwelle und die Wellenkupplung,
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4 in einer Schnittdarstellung die Zwischenwelle und die Wellenkupplung,
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5 in einer perspektivischen Ansicht die Zwischenwelle,
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6 in einer Seitenansicht eine Schiebemuffe und eine Schiebewelle der Wellenkupplung,
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7 in einer perspektivischen Ansicht die Schiebemuffe,
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8 in einer Seitenansicht die Schiebewelle sowie
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9 in einer perspektivischen Ansicht die Schiebewelle.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebener und in 1 skizzierter Antriebsstrang 2 ist Teil eines nicht vollständig abgebildeten Personenkraftwagens mit einem kupplungsgesteuerten Allradantrieb. Dabei umfasst der Antriebsstrang 2 einen Verbrennungsmotor 4, ein Übersetzungsgetriebe 6, welches beispielsweise als sogenanntes Automatikgetriebe ausgeführt ist, sowie ein Achsverteilergetriebe 8.
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Das Achsverteilergetriebe 8 ist dabei derart ausgelegt, dass eine Hinterachsantriebswelle 10 permanent über das Achsverteilergetriebe 8 an das Übersetzungsgetriebe 6 angekoppelt ist. Die Hinterachsantriebswelle 10 ist wiederum über ein Hinterachsgetriebe 12 permanent mit den Rädern 14 der Hinterachse 16 verbunden, so dass hierüber letzten Endes ein permanenter Heckantrieb realisiert ist.
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Darüber hinaus erlaubt das Achsverteilergetriebe 8 jederzeit die Ankoppelung einer Vorderachsantriebswelle 18 an das Übersetzungsgetriebe 6, so dass hierüber zusätzlich Drehmoment an ein Vorderachsgetriebe 20 und somit eine Vorderachse 22 übertragen werden kann. Der Personenkraftwagen verfügt somit über einen permanenten Heckantrieb mit zuschaltbaren Frontantrieb.
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Zusätzlich zur Ankoppelung und Entkoppelung der Vorderachsantriebswelle 18 durch das Achsverteilergetriebe 8 erfolgt eine weitere stets zeitgleich ausgeführte Koppelung bzw. Entkoppelung an der Vorderachse 22 im Bereich des rechten Lagerbockes 24, wodurch die Vorderachsantriebswelle 18 sowie weitere Bauteile und Baugruppen von den Rädern 14 der Vorderachse 22 entkoppelt werden, sobald der Frontantrieb deaktiviert wird, so dass diese dann nicht mehr mitrotieren, sondern quasi stillgelegt sind.
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Die hierfür vorgesehene Kopplungseinheit oder Wellenkupplung 26 ist dabei in den Lagerbock 24 integriert und in 2 bis 4 dargestellt. Sie verbindet eine Zwischenwelle 28, die an das Vorderachsgetriebe 20 angebunden ist mit einer Radantriebswelle 30, die drehfest mit einem Rad 14 der Vorderachse 22 verbunden ist, und koppelt diese bei Bedarf zur Drehmomentübertragung miteinander.
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Zur Ausbildung der Wellenkupplung 26 weist die Zwischenwelle 28 an dem dem Langerbock 24 zugewandten Ende ein hohlzylinderförmiges Kopfstück 32 auf, an dessen innerer Mantelfläche mehrere ringförmige Zahnradkränze 34 angeordnet sind. Die Zahnradkränze 34 sind dabei in einem Abschnitt entlang einer Wellenachse 36 gleichmäßig verteilt angeordnet, wobei zwischen zwei Zahnkränzen 34 jeweils ein Abstand belassen ist, der etwas größer ist, als die einheitliche Breite der Zahnradkränze 34.
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Teil der Wellenkupplung 26 ist weiter eine hohlzylinderartige Schaltmuffe oder Schiebemuffe 38, auf deren äußerer Mantelfläche ebenfalls Zahnradkränze 34 angeordnet sind. In der Wellenkupplung 26 wird die Schiebemuffe 38 bei Bedarf, also zur Koppelung oder zur Entkoppelung von Zwischenwelle 28 und Radantriebswelle 30 zwischen einer Koppel-Position 40 und einer Entkoppel-Position 42 verschoben, wobei die Zahnradkränze 34 der Schiebemuffe 38 und die Zahnradkränze 34 des Kopfstückes 32 ineinandergreifen, wenn sich die Schiebemuffe 38 in der Koppel-Position 40 befindet, und wobei die Zahnradkränze 34 der Schiebemuffe 38 in Richtung der Wellenachse 36 versetzt zu den Zahnradkränzen 34 des Kopfstückes 32 positioniert sind, wenn sich die Schiebemuffe 38 in der Endkoppel-Position 42 befindet. Die mittleren beiden Zahnradkränze 34 der Schiebemuffe 38 liegen dann in Richtung der Wellenachse 36 gesehen genau zwischen zwei Zahnradkränzen 34 des Kopfstückes 32 und die Zahnradverbindung zwischen der Schiebemuffe 38 und dem Kopfstück 32 ist nicht mehr gegeben.
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Die Verschiebung der Schiebemuffe 38 zwischen der Koppel-Position 40 und der Entkoppel-Position 42 erfolgt mit Hilfe eines Stellkörpers 44 und einer Schraubenfeder 46, die im Kopfstück 32 einliegt und auf der die Schiebemuffe 38 quasi aufsitzt.
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Mittels eines magnetischen Aktuators 48 lässt sich der Stellkörper 44 entlang einer Querrichtung 50 quer zur Wellenachse 36 verschieben, wobei in Folge der keilförmigen Ausgestaltung des Stellkörpers 44 die durch den Stellkörper 44 ausgeübte Kraft in Querrichtung 50 umgelenkt wird und die Schiebemuffe 38, quasi entlang der schräggestellten Kontaktfläche 52 am Stellkörper 44 gleitend, in Richtung der Wellenachse 36 gegen die Schraubenfeder 46 verschoben wird. Wird der Stellkörper über den Aktuator 48 wieder zurück in seine Ausgangsstellung bewegt, so bewirkt die Rückstellkraft der Schraubenfelder 46 eine Rückführung der Schiebemuffe 38 und somit wird die Schiebemuffe 38 durch das Zusammenspiel von Stellkörper 44 und Schraubenfeder 46 zwischen der Koppel-Position 40 und der Entkoppel-Position 42 hin und her geführt.
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Um die Belastungen für den Stellkörper 44 und die Schiebemuffe 38 durch den Kontakt im Bereich der Kontaktfläche 52 gering zu halten weist die Schiebemuffe 38 ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager 54 auf, welches fest mit dem Hohlzylinderkörper der Schiebemuffe 38 verbunden und Teil der Schiebemuffe 38 ist. An dem Wälzlager 54 liegt dann die Kontaktfläche 52 unmittelbar an. Dabei ist die Kontaktfläche 52 die einzige Fläche die am äußeren Umfang des Wälzlagers 54 anliegt.
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Die Schiebemuffe 38 weist auf der Innenseite eine in Richtung der Wellenachse 36 durchgehende Verzahnung auf, über die die Schiebemuffe 38 drehfest mit einer Schiebewelle 56 verbunden ist, die hierfür ihrerseits auf der Außenseite eine entsprechende Verzahnung oder einen entsprechenden Zahnradkranz 34 aufweist. Die Schiebewelle 56 dient hierbei lediglich zur Distanzüberbrückung und ist ihrerseits mit der Radantriebswelle 30 drehfest verbunden, wobei auch hier wieder eine Zahnradverbindung zum Einsatz kommt.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Antriebsstrang
- 4
- Verbrennungsmotor
- 6
- Übersetzungsgetriebe
- 8
- Achsverteilergetriebe
- 10
- Hinterachsantriebswelle
- 12
- Hinterachsgetriebe
- 14
- Rad
- 16
- Hinterachse
- 18
- Vorderachsantriebswelle
- 20
- Vorderachsgetriebe
- 22
- Vorderachse
- 24
- Lagerbock
- 26
- Wellenkupplung
- 28
- Zwischenwelle
- 30
- Radantriebswelle
- 32
- Kopfstück
- 34
- Zahnradkranz
- 36
- Wellenachse
- 38
- Schiebemuffe
- 40
- Koppel-Position
- 42
- Entkoppel-Position
- 44
- Stellkörper
- 46
- Schraubenfeder
- 48
- Aktuator
- 50
- Querrichtung
- 52
- Kontaktfläche
- 54
- Wälzlager
- 56
- Schiebewelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/171709 A1 [0002]
- DE 10217576 A1 [0002]
