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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuatoranordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Patentanspruch 1.
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Stand der Technik
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Aktuatoranordnungen in unterschiedlichsten konstruktiven Ausführungen dienen im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik in einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang der wahlweisen Aktuierung einer antriebswirksamen Kopplung eines ersten Wellenelements mit einem zweiten Wellenelement. Aktuatoranordnungen der gattungsgemäßen Art finden insbesondere in allradgetriebenen Kraftfahrzeugen und in Kraftfahrzeugen mit hybriden Triebstrangarchitekturen Anwendung. Im Anwendungsbereich der allradgetriebenen Kraftfahrzeuge werden eine zuverlässige Trennung der Teilbereiche des Antriebsstranges sowie eine bedarfsgerechte und hochdynamische Zuschaltung der jeweiligen Teilbereiche des Antriebsstranges ohne hohen Bedarf an elektrischer Hilfsenergie gewünscht, wobei insbesondere das Halten eines jeweiligen Betriebszustands vorzugsweise ohne jegliche Energiezufuhr realisiert werden soll. Weiterhin ist es wünschenswert, dass in keinem Betriebszustand viele Bauteile einer Aktuatoranordnung aufeinander abwälzen oder gleiten um derart Reibungsverluste zu vermeiden.
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Das Dokument
DE 10 2011 077 748 A1 beschreibt beispielsweise eine Verbindungsvorrichtung für außerhalb eines Zahnräderwechselgetriebes. Die Verbindungsvorrichtung weist eine Schiebemuffe auf, die drehfest und axial verschiebbar zwischen zumindest einer ersten und einer zweiten Position auf einer Fahrzeugwelle angeordnet ist, wobei die Schiebemuffe in der ersten Position eine Drehentkopplung der Fahrzeugwelle von einem Fahrzeugantriebsstrangelement bewirkt und in der zweiten Position deren Drehkopplung bewirkt. Die Verbindungsvorrichtung weist zudem Stellmittel zur Verschiebung der Schiebemuffe zwischen der ersten Position und der zweiten Position auf, aufweisend eine Schaltnut entlang des Umfangs der Schiebemuffe und Eingriffsmittel zum Eingriff in die Schaltnut. In einer bevorzugten Weiterbildung der Verbindungsvorrichtung sind die Eingriffsmittel schaltbar mit derjeweils zugeordneten Schaltnut in Eingriff und außer Eingriff bringbar. Das Eingriffsmittel ist dabei beispielsweise vermittels eines Elektromotors oder elektromagnetisch bezüglich der Schaltnut ein- und/oder ausfahrbar. Hierbei können zum Einfahren und zum Ausfahren auch unterschiedliche Betätigungsprinzipien angewandt werden, beispielsweise kann das Ausfahren mechanisch per Federmittel/-speicher erfolgen und das Einfahren elektromagnetisch, oder andersherum. Sofern das Ein- oder Ausfahren per Federmittel erfolgt, d. h. durch eine Entspannung der Federmittel, ist bevorzugt eine Haltevorrichtung vorhanden, welche die Eingriffsmittel in derjenigen Position ohne Energieaufwand hält, in der die Federmittel gespannt sind. Beispielsweise ist die Haltevorrichtung als Kugelfallenvorrichtung ausgeführt.
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Das Dokument
DE 10 2011 085 839 A1 beschreibt beispielsweise eine Kupplungsvorrichtung mit zwei mittels einer Schiebemuffe koppelbaren Kupplungsteilen, nämlich ein erstes Kupplungsteil und ein zweites Kupplungsteil, die im eingekuppelten Zustand über die Schiebemuffe formschlüssig miteinander gekoppelt sind. Die Schiebemuffe ist drehfest und axial verschiebbar am ersten Kupplungsteil angebracht. Die Schiebemuffe weist an ihrer Umfangsfläche mindestens eine erste Stufe auf, die eine erste Stufenflanke hat und sich mit einem ersten Stufenverlauf an der Umfangsfläche der Schiebemuffe erstreckt. Der erste Stufenverlauf weist auch eine axiale Richtungskomponente in Richtung der Drehachse des ersten Kupplungsteils auf. Ein Stellmittel, das zwischen einer Stellmittel-Kopplungsposition und einer Stellmittel-Entkopplungsposition hin und her verschiebbar ist, liegt während des Entkopplungsvorgangs der beiden Kupplungsteile in seiner Stellmittel-Entkopplungsposition in der ersten Stufenflanke der Schiebemuffe an, so dass sich die Schiebemuffe bei einer Rotation des ersten Kupplungsteils axial vom zweiten Kupplungsteil weg in eine Muffen-Entkopplungsposition bewegt. Weiterhin ist die Schiebemuffe mittels einer axial wirkenden Feder abgestützt, so dass eine Federkraft die Schiebemuffe in einer das erste und das zweite Kupplungsteil mechanisch miteinander koppelnden Muffen-Kopplungsposition hält oder in diese Muffen-Kopplungsposition schiebt, wenn sich das Stellmittel in seiner Stellmittel-Kopplungsposition befindet. Die Schiebemuffe wird bei der beschriebenen Ausführung der Kopplungsvorrichtung über das Stellmittel in seiner Stellmittel-Entkopplungsposition in der Entkopplungsposition gehalten, wodurch sich ein erhöhter Energieaufwand ergibt.
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Das Dokument
DE 10 2014 209 809 A1 offenbart eine Kupplung für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise zur Zu- und Abschaltung eines Antriebsstrang für Allradfahrzeuge, umfassend eine erste Welle, eine zweite Welle koaxial zur ersten Welle angeordnet, eine Kupplungsmuffe, welche relativ zur ersten Welle und zur zweiten Welle in Achsrichtung verschiebbar ist und ein formschlüssiges Kuppeln oder Entkuppeln der ersten Welle und der zweiten Welle bewirkt, sowie eine strombeaufschlagbare Spule, wobei durch Strombeaufschlagung der Spule die Kupplungsmuffe in Achsrichtung verschiebbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kupplungsmuffe zumindest abschnittsweise an ihrem Außenumfang eine Kulissenbahn auf, wobei ein Mutter-Winkelsegment in die Kulissenbahn eingreifbar ist, das durch die strombeaufschlagte Spule betätigbar ist. Das Mutter-Winkelsegment ist bevorzugt mit einem Hebel dauerhaft verbunden und ist über den Hebel mit der Kulisse der Schaltungsmuffe in Eingriff bringbar.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine alternative Aktuatoranordnung zur wahlweisen Aktuierung einer Kopplung eines ersten Wellenelements mit einem zweiten Wellenelement anzugeben, die bei einfachem Aufbau unter minimalem Einsatz an elektrischer Hilfsenergie und bei minimalen Reibungsverlusten arbeitet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Aktuatoranordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend ein axial bewegbares Schaltelement, wobei das Schaltelement wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung bewegbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung des Schaltelements ein erstes Wellenelement und ein zweites Wellenelement antriebswirksam verbunden sind und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements das erste Wellenelement und das zweite Wellenelement nicht antriebswirksam verbunden sind, einen Schaltmechanismus, wobei über den Schaltmechanismus ein erster Schaltvorgang des Schaltelements, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, und ein zweiter Schaltvorgang des Schaltelements, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar ist, und einen Haltemechanismus, wobei das Schaltelement über den Haltemechanismus sowohl in der ersten Schaltstellung als auch in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten ist, wobei der Schaltmechanismus ein axial verschiebbares Schiebeelement aufweist und der Haltemechanismus zumindest ein fest auf dem Schaltelement angeordnetes Rastierelement und eine auf dem ersten Wellenelement fest angeordnete Rastierkontur aufweist, wobei das Rastierelement in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements in die Rastierkontur einrastet und das Rastierelement bei Aktuierung des zweiten Schaltvorgangs vermittels des Schiebeelements aus der Rastierkontur lösbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Aktuatoranordnung ein Schaltelement, einen Schaltmechanismus und einen Haltemechanismus.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Schaltelement axial bewegbar und wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung bewegbar.
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Vermittels des Schaltelements sind ein erstes Wellenelement und ein zweites Wellenelement antriebswirksam verbindbar.
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Erfindungsgemäß sind in der ersten Schaltstellung des Schaltelements das erste Wellenelement und das zweite Wellenelement antriebswirksam verbunden und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements sind das erste Wellenelement und das zweite Wellenelement nicht antriebswirksam verbunden.
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Die Begrifflichkeit „axial” beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zur Längsachse des ersten Wellenelements.
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Die Begrifflichkeit „radial” beschreibt eine Richtung normal auf die Längsachse des ersten Wellenelements.
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Der Schaltmechanismus der Aktuatoranordnung ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass über den Schaltmechanismus ein erster Schaltvorgang des Schaltelements, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, und ein zweiter Schaltvorgang des Schaltelements, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar ist. Gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung weist der Schaltmechanismus ein axial verschiebbares Schiebeelement auf.
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Der erfindungsgemäße Haltemechanismus ist derart ausgebildet, dass das Schaltelement mechanisch ohne Bedarf an elektrischer Hilfsenergie in der ersten Schaltstellung wie auch in der zweiten Schaltstellung gehalten ist. Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist der Haltemechanismus zumindest ein fest auf dem Schaltelement angeordnetes Rastierelement und eine auf dem ersten Wellenelement fest angeordnete Rastierkontur auf, wobei das Rastierelement in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements in die Rastierkontur einrastet.
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Weiterhin sind erfindungsgemäß das Schiebeelement des Schaltmechanismus und das Rastierelement des Haltemechanismus derart ausgebildet, dass das Rastierelement bei Aktuierung des zweiten Schaltvorgangs vermittels des Schiebeelements aus der Rastierkontur lösbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Aktuatoranordnung wird ein effizienter, energiereduzierter sowie zuverlässiger Betrieb gewährleistet.
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Es kommt nur während des ersten Schaltvorgangs und während des zweiten Schaltvorgangs zu Reibungsverlusten und einem Bedarf an elektrischer Hilfsenergie. Ist die antriebswirksame Verbindung zwischen dem ersten Wellenelement und dem zweiten Wellenelement über die Aktuatoranordnung hergestellt, kommt es zu keiner weiteren Energieaufnahme.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Bevorzugt weist der Schaltmechanismus ein Gehäuse und einen elektromagnetischen Aktuator auf, wobei der elektromagnetische Aktuator fest an dem Gehäuse angeordnet ist und vermittels des elektromagnetischen Aktuators das Schiebeelement relativ zu dem Gehäuse axial bewegbar ist.
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Der elektromagnetische Aktuator dient der axialen Verschiebung des Schiebeelements des Schaltmechanismus. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Aktuatoranordnung ist eine dauerhafte Bestromung des elektromagnetischen Aktuators in der ersten Schaltstellung des Schaltelements und/oder der zweiten Schaltstellung des Schaltelements nicht von Nöten, wodurch sich ein besonders energieeffizienter Betrieb der Aktuatoranordnung ergibt.
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Es sind verschiedene Ausführungsvarianten von elektromagnetischen Aktuatoren denkbar, wie beispielsweise ein einzelner Hubmagnet oder mehrere um den Umfang des Schiebeelements verteilte Hubmagnete oder ein Ringspulenmagnet der gleichmäßig auf den gesamten Umfang des Schiebeelements wirkt.
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Der elektromagnetische Aktuator dient der Betätigung des Schaltmechanismus sowie des Haltemechanismus.
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Weiterhin bevorzugt weist der Schaltmechanismus einen Schalthebel auf, wobei der Schalthebel vermittels eines dritten elastischen Elements derart um eine Drehachse bewegbar ist, dass er mit einer an der äußeren Mantelfläche des Schaltelements ausgebildeten Schaltkulisse in Eingriff steht und vermittels des Schiebeelements entgegen der Kraft des dritten elastischen Elements außer Eingriff mit der Schaltkulisse an dem Außenmantel des Schaltelements bringbar ist.
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Die Schaltkulisse ist zumindest abschnittsweise an der äußeren Mantelfläche des Schaltelements ausgebildet. Unter der Begrifflichkeit „Schaltkulisse” kann jede geometrische Ausbildung verstanden werden, die bei Eingriff des Schalthebels eine axiale Bewegung des Schaltelements erlaubt.
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Die Schaltkulisse ist beispielsweise gewindeartig an der äußeren Mantelfläche des Schaltelements ausgebildet und weist vorzugsweise über ihren Verlauf unterschiedliche Steigungen auf.
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Über die Ausbildung der Schaltkulisse an der äußeren Mantelfläche des Schaltelements kann der Bewegungsablauf und/oder das Geschwindigkeitsprofil des Schaltelements beeinflusst werden.
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Vorzugsweise weist das Schiebeelement eine Arretiermechanik auf, wobei die Arretiermechanik in einer zylindrischen Aufnahmeöffnung des Schiebeelements ausgebildet ist und einen Druckstift, ein Zwischenteil, eine Einsteckhülse, einen Pin mit einem Zahnsegment und eine Druckfeder auf. Das Zwischenteil kann dem Druckstift zugeordnet werden.
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Bevorzugt ist die Arretiermechanik durch die axiale Bewegung des Schiebelements relativ zu dem Gehäuse des Schaltmechanismus betätigbar.
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Die erfindungsgemäße Aktuatoranordnung kann beispielsweise an einer Seitenwelle zwischen einem Achsgetriebe und einem Rad eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Aktuatoranordnung in einer ersten Schaltstellung eines Schaltelements.
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2 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Aktuatoranordnung während eines ersten Schaltvorgangs.
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3 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Aktuatoranordnung in einer zweiten Schaltstellung eines Schaltelements.
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4 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Aktuatoranordnung während eines zweiten Schaltvorgangs.
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5 zeigt eine Darstellung einer beispielhaften Aktuatoranordnung gemäß 1.
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6 zeigt eine schematische Detail-Darstellung einer Arretiermechanik.
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7 zeigt schematisch eine abgewickelte Darstellung der wesentlichen Komponenten einer Arretiermechanik in einer ersten Arretierposition.
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8 zeigt schematisch eine abgewickelte Darstellung der wesentlichen Komponenten einer Arretiermechanik bei einem Übergang von der ersten Arretierposition in die zweite Arretierposition.
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9 zeigt schematisch eine abgewickelte Darstellung der wesentlichen Komponenten einer Arretiermechanik in einer zweiten Arretierposition.
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10 zeigt eine schematische Detail-Darstellung eines Haltemechanismus.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 bis 4 zeigen eine beispielhafte erfindungsgemäße Aktuatoranordnung 1 in unterschiedlichen Schaltstellungen eines Schaltelements 2, nämlich in einer ersten Schaltstellung des Schaltelements 2 und einer zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2, (1 und 3) sowie während der unterschiedlichen Schaltvorgänge, nämlich einem ersten Schaltvorgang und einem zweiten Schaltvorgang (2 und 4).
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Die Aktuatoranordnung 1 weist das Schaltelement 2, einen Schaltmechanismus 5 und einen Haltemechanismus 6 auf.
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Das Schaltelement 2 ist als Schaltmuffe 2' ausgebildet und drehfest und axial bewegbar auf einem ersten Wellenelement 3 angeordnet. Koaxial zu dem ersten Wellenelement 3 ist ein zweites Wellenelement 4 angeordnet.
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Die Begrifflichkeit „axial” beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer Längsachse 25 des ersten Wellenelements 3.
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Die wahlweise Kopplung des ersten Wellenelements 3 mit dem zweiten Wellenelement 4 ist über die Aktuatoranordnung 1 aktuierbar. Das erste Wellenelement 3 und das zweite Wellenelement 4 sind koaxial zueinander angeordnet und, wie in 1 bis 4 gezeigt, über einen formschlüssigen Kopplungsmechanismus 30, hier ein „Flyball”-Mechanismus 30', verbindbar. In der ersten Schaltstellung des Schaltelements 2, 2' drückt das Schaltelement 2, 2' kugelförmige Verbindungselemente 31 des „Flyball”-Mechanismus 30' in entsprechende Verbindungselementaufnahmen 32, um derart die Momentübertragung von dem ersten Wellenelement 3 auf das zweite Wellenelement 4, oder umgekehrt, zu gewährleisten.
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1 zeigt die Schaltmuffe 2' in einer ersten Schaltstellung, nämlich einer Schaltstellung in der das erste Wellenelement 3 mit dem zweiten Wellenelement antriebswirksam verbunden ist.
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3 zeigt die Schaltmuffe 2' in einer zweiten Schaltstellung, nämlich einer Schaltstellung in der das erste Wellenelement 3 nicht antriebswirksam mit dem zweiten Wellenelement 4 verbunden ist.
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Der Schaltmechanismus 5 weist ein Gehäuse 10, einen fest an dem Gehäuse 10 angeordneten elektromagnetischen Aktuator 11, ein Schiebelement 7 mit einer Arretiermechanik 17, und einen Schalthebel 12 auf.
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Der elektromagnetische Aktuator 11 weist eine Spule 48, nämlich eine Elektromagnetspule, und einen in axiale Richtung beweglichen Anker (nicht dargestellt) auf, wobei der Anker fest mit dem Schiebeelement 7 verbunden ist.
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Das Schiebeelement 7 weist einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf, wobei die offene Seite der U-Form in Richtung des Schalthebels 12 weist und die geschlossene Seite der U-Form in Richtung des elektromagnetischen Aktuators 11 weist. Das Schiebeelement 7 ist weiterhin als zylinderförmige Hülse oder als Winkelsegment einer zylinderförmigen Hülse ausgebildet.
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Das Schiebeelement 7 ist vermittels des elektromagnetischen Aktuators 11 axial bewegbar und im Gehäuse 10 gelagert.
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Die Arretiermechanik 17 ist in 6 bis 9 dargestellt. Die Arretiermechanik 17 ist in einer Aufnahmeöffnung 18 des Schiebeelements 7 ausgebildet. Die Aufnahmeöffnung 18 ist auf der dem Gehäuse 10 zugewandten Seite des Schiebeelements 7 ausgebildet und weist eine erste Ausgangsöffnung 26 und eine zweite Ausgangsöffnung 27 auf, wobei die erste Ausgangsöffnung 26 radial außen ausgebildet ist und die zweite Ausgangsöffnung 27 radial innen ausgebildet ist. Über die im elektromagnetischen Aktuator 11 in Abhängigkeit von der Position des Ankers des elektromagnetischen Aktuators 11 rückwirkende elektromagnetische Kraftwirkung kann auf den jeweiligen Schaltzustand des Systems rückgeschlossen werden.
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Die Begrifflichkeit „radial” beschreibt eine Richtung normal auf die Längsachse 25 des ersten Wellenelements 3.
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Die Begrifflichkeit „radial innen” beschreibt eine in Bezug zur Längsachse 25 des ersten Wellenelements 3 näher an der Längsachse 25 liegende radiale Position als eine „radial außen” liegende radiale Position.
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Die Arretiermechanik 17 ist nach Art eines „Druckkugelschreibermechanismus” ausgebildet. Dazu weist die Arretiermechanik 17 einen Druckstift 19, ein Zwischenteil 20, eine Einsteckhülse 34, einen Pin 21 mit einem Zahnsegment 35 und eine Druckfeder 22 auf.
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Die Aufnahmeöffnung 18 des Schiebeelements 7 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. In der Aufnahmeöffnung 18 des Schiebeelements 7 ist die Einsteckhülse 34 angeordnet. Die Einsteckhülse 34 weist an ihrem Umfang gleichmäßig verteilt mehrere sich radial erstreckende erste Erhebungen 36 auf, wobei die ersten Erhebungen 36 an ihren radial inneren Enden erste Schrägen 37 aufweisen (7). Zwischen den ersten Erhebungen 36 sind jeweils Zwischenräume 38 ausgebildet, wobei jeder zweite Zwischenraum 38 vermittels jeweils einer zweiten Erhebung 39 teilweise geschlossen ausgebildet ist. Die zweiten Erhebungen 39 sind an ihren radial inneren Enden ebenso schräg ausgeformt wie die ersten Erhebungen 36. In der Aufnahmeöffnung 18 ist im radial innersten Bereich die Druckfeder 22 der Arretiermechanik 17 angeordnet (6).
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Der Pin 21 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der Pin 21 weist einen ersten Abschnitt 42 und einen zweiten Abschnitt 43 auf. Der erste Abschnitt 42 des Pins 21 und der zweite Abschnitt 43 des Pins 21 ergeben sich im Wesentlichen durch die Anordnung eines zweiten Anschlags 41 an dem Pin 21.
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Die Druckfeder 22 der Arretiermechanik 17 ist im Bereich des ersten Abschnitts 42 des Pins 21 angeordnet und stützt sich an einem ersten Anschlag 40 in der Aufnahmeöffnung 18 und dem zweiten Anschlag 41 an dem Pin 21 ab. Die Druckfeder 22 der Arretiermechanik 17 spannt den Pin 21 in eine erste Arretierposition vor.
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An dem radial äußeren Ende des Pins 21 ist ein Zahnsegment 35 im Bereich der Aufnahmeöffnung 18 angeordnet.
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Das Zahnsegment 35 ist im Bereich des zweiten Abschnitts 43 des Pins 21 an der äußeren Mantelfläche des Pins 21 fest mit dem Pin 21 verbunden und ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Das Zahnsegment 35 weist an seinem Außenumfang gleichmäßig verteilt mehrere dritte Erhebungen 44 auf. Die Einsteckhülse 34 weist gegenüber den dritten Erhebungen 44 des Zahnsegments 35 doppelt so viele erste Erhebungen 36 und gleich viele zweite Erhebungen 39 auf. Die dritten Erhebungen 44 des Zahnsegments 35 sind derart ausgebildet, dass sie in die Zwischenräume 38 zwischen den ersten Erhebungen 36 der Einsteckhülse 34 passen – die dritten Erhebungen 44 sind derart ausgebildet, dass sie zumindest teilweise in die Zwischenräume 38 mit den zweiten Erhebungen 39 der Einsteckhülse 34 und vollständig in die anderen Zwischenräume 38 passen. An den radial äußeren Enden der dritten Erhebungen 44 sind zweite Schrägen 47 ausgebildet.
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An dem radial äußeren Ende des Zwischenteils 20 ist der Druckstift 19 zumindest teilweise in der Aufnahmeöffnung 18 angeordnet – das radial äußere Ende des Druckstifts 19 ist aus der ersten Ausgangsöffnung 26 der Aufnahmeöffnung 18 geführt (6). Das Zwischenteil 20 weist an seiner in Bezug zur Längsachse 25 radial innen liegenden Stirnfläche umfänglich eine radial orientierte Verzahnung 45 auf. Der Druckstift 19 ist so ausgebildet, dass er bei Ausübung einer radial nach innen gerichteten Kraft an seinem radial äußeren Ende das Zwischenteil 20 und über das Zahnsegment 35 den Pin 21 entgegen der Kraft der Druckfeder 22 nach radial innen drückt – der Druckstift 19, das Zwischenteil 20, das Zahnsegment 35 und der Pin 21 erfahren eine Bewegung nach radial innen entgegen der Kraft der Druckfeder 22. Dabei kommt es aufgrund des Zusammenwirkens der Verzahnung 45 des Zwischenteils 20 mit den zweiten Schrägen 47 des Zahnsegments 35 zu einer Drehbewegung des Zahnsegments 35 mitsamt des Pins 21. Bei der Drehbewegung handelt es sich um eine Bewegung der dritten Erhebungen 44 aus einem jeweiligen Zwischenraum 38 in den jeweils umfänglich nächsten Zwischenraum 38. Der Pin 21 bewegt sind dabei durch die zweite Ausgangsöffnung 27 der Aufnahmeöffnung 18 hindurch in die erste Arretierposition oder eine zweite Arretierposition.
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Die erste Arretierposition (7) entspricht einer Position in der sich die dritten Erhebungen 44 des Zahnsegments 35 jeweils in Zwischenräume 38 ohne zweite Erhebungen 39 verschieben und dort vollständig aufgenommen werden – der Pin 21 ist vollständig in der Aufnahmeöffnung 18 aufgenommen.
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Die zweite Arretierposition (9) entspricht einer Position in der sich die dritten Erhebungen 44 des Zahnsegments 35 jeweils in Zwischenräume 38 mit zweiten Erhebungen 39 verschieben und dort nur teilweise aufgenommen werden – der Pin 21 ist im Bereich des zweiten Abschnitts 21 zumindest teilweise durch die zweite Ausgangsöffnung 27 der Aufnahmeöffnung hindurch geführt.
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Der Haltemechanismus 6 umfasst in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Ring 28 mit vier entlang seines Umfangs gleichmäßig beabstandeten axial in Richtung zum elektromagnetischen Aktuator 11 ausgebildeten Rastierelementen 8, wobei der Ring 28 fest an der Schaltmuffe 2' angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Haltemechanismus 6 eine umlaufende Rastierkontur 9 in Form eines Ringbunds. Die Rastierkontur 9 ist entlang des Umfangs eines Zwischenelements 29 angeordnet, wobei das Zwischenelement 29 fest auf dem ersten Wellenelement 3 angeordnet ist. (5; 10)
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Der in 1 dargestellte Zustand entspricht der ersten Schaltstellung der Schaltmuffe 2' in welcher das erste Wellenelement 3 und die das zweite Wellenelement 4 verdrehfest über den „Flyball”-Mechanismus 30' gekoppelt sind. Die Schaltmuffe 2' ist dabei über ein erstes elastisches Element 23 in die erste Schaltstellung gedrückt und drückt dabei die kugelförmigen Verbindungselemente 31 des „Flyball”-Mechanismus 30' in entsprechende Verbindungselementaufnahmen 32, um derart die Momentübertragung von dem ersten Wellenelement 3 auf das zweite Wellenelement 4, oder umgekehrt, zu gewährleisten. Der elektromagnetische Aktuator 11 ist dabei stromlos und das Schiebeelement 7 wird von einem zweiten elastischen Element 24 bis zum Anschlag am Schalthebel 12 gezogen. Der Pin 21 der Arretiermechanik 17 befindet sich in der ersten Arretierposition, d. h. im sich vollständig in der Aufnahmeöffnung 18 befindlichen Zustand. (7)
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Der Schalthebel 12 wird durch das dritte elastische Element 13 in der Drehachse 14 des Schalthebels 12 vorgespannt, sodass dieser ständig in die Schaltkulisse 15 an der äußeren Mantelfläche 16 der Schaltmuffe 2' eingreifen würde. In der in 1 und 2 gezeigten ersten Schaltstellung der Schaltmuffe 2' wird der Schalthebel 12 durch das Schiebeelement 7 daran gehindert in die Schaltkulisse 15 an der äußeren Mantelfläche 16 der Schaltmuffe 2' einzugreifen.
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Statt des dritten elastischen Elements 13 an der Drehachse 14 des Schalthebels 12 ist auch ein drittes elastisches Element zwischen dem Schalthebel 12 und dem Gehäuse 10 des Schaltmechanismus 5 denkbar, welches den Schalthebel 12 genauso in die Schaltkulisse 15 drücken würde.
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Das zweite elastische Element 24 ist hier als Zugfeder zwischen dem Schiebeelement 7 und dem Gehäuse 10 ausgebildet. Denkbar wäre jedoch auch die Ausbildung einer Druckfeder als zweites elastisches Element 24 zwischen der Schaltmuffe 2' und dem elektromagnetischen Aktuator 11.
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2 zeigt schematisch den ersten Schaltvorgang, nämlich einen Übergang der Schaltmuffe 2' von einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung. Bei Bestromung des elektromagnetischen Aktuators 11, genauer der Spule 48 des elektromagnetischen Aktuators 11, wird das Schiebeelement 7 in eine axiale Richtung hin zum elektromagnetischen Aktuator 11 bewegt (in Bezug auf 2 nach rechts). Der Schalthebel 12 wird durch diese axiale Bewegung des Schiebeelements 7 freigegeben und kann somit in die Schaltkulisse 15 an der äußeren Mantelfläche 16 der Schalmuffe 2' eingreifen. Durch eine Rotation des ersten Wellenelements 3 wird die Schaltmuffe 2' entgegen der Kraft des ersten elastischen Elements 23 in Richtung der zweiten Schaltstellung, in Bezug auf 2 nach rechts, bewegt. Als Resultat wird die antriebswirksame Verbindung zwischen dem ersten Wellenelement 3 und dem zweiten Wellenelement 4 gelöst. Die kugelförmigen Verbindungselemente 31 des „Flyball”-Mechanismus 30' werden durch Haltemagnete 33 aus permanentmagnetischem Material zusätzlich zur Fliehkraft radial außen gehalten. Die Rastierelemente 8 des Haltemechanismus 6 greifen jeweils in die umlaufende Rastierkontur 9 ein und verhindern so ein unerwünschtes Rückstellen der Schaltmuffe 2' in die erste Schaltstellung.
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Während des ersten Schaltvorgangs kommt es weiterhin zu einer Betätigung der Arretiermechanik 17, denn bei der axialen Verschiebung des Schiebeelements 7 in Richtung zum elektromagnetischen Aktuator 11 wird der Druckstift 19 der Arretiermechanik 17 aufgrund der Ausbildung des Gehäuses 10 nach radial innen gedrückt, wodurch der Pin 21 sich durch die zweite Ausgangsöffnung 27 der Aufnahmeöffnung 18 hindurch erstreckt. (8)
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Ist der in 2 schematisch dargestellte erste Schaltvorgang beendet, wird der Schalthebel 12 aus der Schaltkulisse 15 gehoben, indem der elektromagnetische Aktuator 11 stromlos geschalten wird – das Schiebeelement 7 wird dadurch von dem zweiten elastischen Element 24 axial in Bezug auf 3 nach links bewegt. Die Arretiermechanik 17 wurde durch den ersten Schaltvorgang in 2 durch die Ausbildung des Gehäuses 10 betätigt und während der axialen Rückbewegung des Schiebeelements 7 dreht sich das Zahnsegment 35 der Arretiermechanik 17 von einem Zwischenraum 38 ohne zweite Erhebung 39 in einen Zwischenraum 38 mit zweiter Erhebung 39. Dadurch befindet sich der Pin 21 in der zweiten Arretierposition und hindert das Schiebeelement 7 daran durch die Kraft des zweiten elastischen Elements 24 bis zum Anschlag an den Schalthebel 12 verschoben zu werden. Der Schalthebel 12 schlägt an dem Pin 21 der Arretiermechanik 17 an, um den Schalthebel 12 nicht an der Schaltmuffe 2' gleiten zu lassen. Das Rastierelement 8 des Haltemechanismus 6 ist in der Rastierkontur 9 des Haltemechanismus 6 eingerastet, um die Schaltmuffe 2' entgegen der Kraft des ersten elastischen Elements 23 zu halten. (3, 9)
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Um den zweiten Schaltvorgang, nämlich das Überführen der Schaltmuffe 2' von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, einzuleiten wird das Schiebeelement 7 entsprechend der 2 abermals durch Bestromung des elektromagnetischen Aktuators 11 axial in Richtung zum elektromagnetischen Aktuator 11 bewegt (in Bezug auf 2 nach rechts). Die Arretiermechanik 17 wird derart abermals durch die Ausbildung des Gehäuses 10 betätigt. Anschließend wird der elektromagnetische Aktuator 11 erneut stromlos geschalten und das Schiebeelement 7 wird durch das zweite elastische Element 24 axial in Bezug auf 2 nach links gezogen. Während der axialen Rückbewegung des Schiebeelements 7 dreht sich das Zahnsegment 35 mit dem Pin 21 der Arretiermechanik 17 von einem Zwischenraum 38 mit zweiter Erhebung 39 in einen Zwischenraum 38 ohne zweite Erhebung 39. Dadurch befindet sich der Pin 21 in der ersten Arretierposition und das Schiebeelement 7 kann bis zum Anschlag an dem Schalthebel 12 axial verschoben werden. Der Schalthebel 12 schlägt an dem Schiebeelement 7 an. Dabei werden durch das Schiebeelement 7 gleichzeitig die Rastierelemente 8 des Haltemechanismus 6 durch Anheben wieder aus der Rastierkontur 9 gelöst und die Schaltmuffe 2' wird durch die Kraft des ersten elastischen Elements 23 wieder in die erste Schaltstellung gedrückt, wodurch die kugelförmigen Verbindungselemente 31 des „Flyball”-Mechanismus 30' wieder in die entsprechenden Verbindungselementaufnahmen 32 gedrückt werden und eine Kopplung des ersten Wellenelements 3 und des zweiten Wellenelements 4 hergestellt wird. (4)
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Die Rastierelemente 8 des Haltemechanismus 6 sind im einfachsten Fall als Blechbauteile ausgeführt und können durch das Schiebeelement 7 soweit elastisch verformt werden, dass sie von der Rastierkontur 9 abgehoben werden und derart die Verrastung zwischen den Rastierelementen 8 und der Rastierkontur 9 aufgelöst wird. Die Rastierelemente 8 rotieren mit dem ersten Wellenelement 3 und vermittels der rotationssymmetrischen Ausbildung des Schiebeelements 7 werden sämtliche Rastierelemente 8 gleichzeitig angehoben. Um das Abheben der Rastierelemente 8 von der Rastierkontur 9 zu erleichtern kann an der Rastierkontur auch ein Hinterschnitt 46 vorgesehen werden. (4, 10)
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Der zweite Schaltvorgang ist auch bei stillstehendem erstem Wellenelement 3 möglich.
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Die Schaltmuffe 2' ist aufgrund der Ausbildung der Aktuatoranordnung 1 unter minimalem Einsatz an elektrischer Hilfsenergie hochdynamisch zwischen zwei Schaltstellungen bewegbar – elektrische Hilfsenergie wird lediglich zur Steuerung der Schaltvorgänge benötigt. Die für die Bewegung der Schaltmuffe 2' während des ersten Schaltvorgangs benötigte Energie wird aus dem rotierenden ersten Wellenelement entnommen. Die für die Bewegung der Schaltmuffe 2' während des zweiten Schaltvorgangs benötigte Energie wird durch Entspannen des ersten elastischen Elements 23 bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuatoranordnung
- 2
- Schaltelement
- 2'
- Schaltmuffe
- 3
- Erstes Wellenelement
- 4
- Zweites Wellenelement
- 5
- Schaltmechanismus
- 6
- Haltemechanismus
- 7
- Schiebeelement
- 8
- Rastierelement
- 9
- Rastierkontur
- 10
- Gehäuse
- 11
- Elektromagnetischer Aktuator
- 12
- Schalthebel
- 13
- Drittes elastisches Element
- 14
- Drehachse
- 15
- Schaltkulisse
- 16
- Äußere Mantelfläche
- 17
- Arretiermechanik
- 18
- Aufnahmeöffnung
- 19
- Druckstift
- 20
- Zwischenteil
- 21
- Pin
- 22
- Druckfeder
- 23
- Erstes elastisches Element
- 24
- Zweites elastisches Element
- 25
- Längsachse
- 26
- Erste Ausgangsöffnung
- 27
- Zweite Ausgangsöffnung
- 28
- Ring
- 29
- Zwischenelement
- 30
- Formschlüssiger Kopplungsmechanismus
- 30'
- „Flyball”-Mechanismus
- 31
- Verbindungselement
- 32
- Verbindungselementaufnahme
- 33
- Haltemagnet
- 34
- Einsteckhülse
- 35
- Zahnsegment
- 36
- Erste Erhebung
- 37
- Erste Schräge
- 38
- Zwischenraum
- 39
- Zweite Erhebung
- 40
- Erster Anschlag
- 41
- Zweiter Anschlag
- 42
- Erster Abschnitt
- 43
- Zweiter Abschnitt
- 44
- Dritte Erhebung
- 45
- Verzahnung
- 46
- Hinterschnitt
- 47
- Zweite Schräge
- 48
- Spule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077748 A1 [0003]
- DE 102011085839 A1 [0004]
- DE 102014209809 A1 [0005]
