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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch schaltbare Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Welle und eine Nabe, wobei die Nabe konzentrisch um die Welle angeordnet ist, sowie eine im Kraftfluss zwischen Welle und Nabe angeordnete elektrisch schaltbare Freilaufeinrichtung, mittels derer der Kraftfluss zwischen der Welle und Nabe unterbrochen oder hergestellt werden kann.
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Schaltbare Welle-Nabe-Verbindungen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und ihre Einsatzgebiete sind vielfältig. In Hybrid-Fahrzeugen besteht recht häufig der Bedarf nach mechanisch trennbaren elektrischen Maschinen. Dies dient u.a. dem Überdrehschutz bzw. der Verminderung von Eisenverlusten bei hohen Drehzahlen. Auch hier kommen schaltbare Welle-Naben-Verbindungen zum Einsatz.
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Die bekannten Lösungen von schaltbaren Welle-Naben-Verbindungen schalten axial und benötigen dafür entsprechenden axialen Bauraum.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine elektrisch schaltbare Welle-Nabe-Verbindung bereitzustellen, die ein sehr kompaktes Bauvolumen, insbesondere in axialer Richtung aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrisch schaltbare Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Welle und eine Nabe, wobei die Nabe konzentrisch um die Welle angeordnet ist, sowie eine im Kraftfluss zwischen Welle und Nabe angeordnete elektrisch schaltbare Freilaufeinrichtung, mittels derer der Kraftfluss zwischen der Welle und Nabe unterbrochen oder hergestellt werden kann, wobei die elektrisch schaltbare Welle-Nabe-Verbindung einen Schaltring aufweist, welcher gegenüber der Nabe elektrisch, elektromagnetisch und/oder magnetisch verdrehbar ist, wobei eine drehfest mit der Nabe verbundene erste Gruppe von Klemmkörpern und/oder eine zweite Gruppe von Klemmkörpern in einem Käfig jeweils koaxial zwischen der Nabe und der Welle gelagert ist, wobei der Schaltring derart auf die erste Gruppe von Klemmkörpern und/ oder die zweite Gruppe von Klemmkörpern einwirkt, dass eine Drehung des Schaltrings relativ zur Nabe einen Freilauf der Nabe gegenüber der Welle oder eine Kupplung der Nabe mit der Welle bewirkt, indem durch die erste Gruppe von Klemmkörpern und/oder die zweite Gruppe von Klemmkörpern eine kraftschlüssige, reibschlüssige oder formschlüssige Verbindung oder Kombinationen hiervon zwischen der Welle und der Nabe herstellbar ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine schaltbare Welle-Nabe-Verbindung mit einem - insbesondere in axialer Richtung - sehr kompakten Bauvolumen bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Gruppe von Klemmkörpern bei Drehung des Schaltrings in eine erste Richtung einen Freilauf der Welle-Nabe-Verbindung in einer ersten Drehrichtung der Welle bewirken und die zweite Gruppe von Klemmkörpern bei Drehung des Schaltrings in eine zweite Richtung einen Freilauf der Welle-Nabe-Verbindung in einer zweiten Drehrichtung der Welle bewirken. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass es einen Freilauf für jede Schaltrichtung der Welle-Nabe-Verbindung gibt.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Schaltring Permanentmagnete aufweist, welche in Nuten des Schaltrings eingepasst sind. Es kann hierdurch erreicht werden, dass der Schaltring zum einen kompakt ausgebildet und zum anderen mit einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung sicher und mit hohem Drehmoment drehbar ausgebildet ist, indem ein elektromagnetisches Feld auf die Permanentmagnete des Schaltrings einwirken.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass in oder an der Nabe eine kreisringförmige Spule koaxial zur Welle angeordnet ist und ein kreisringförmiger Stator der Spule gegenüberliegend in oder an der Nabe positioniert ist.
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Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass hierdurch eine besonders kompakte axiale Ausgestaltung der schaltbaren Welle-Nabe-Verbindung ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Schaltring in radialer Richtung zwischen der Welle und der Spule angeordnet ist, wodurch eine in axialer Ausdehnung weiter optimierte Ausbildung der schaltbaren Welle-Nabe-Verbindung ermöglicht werden kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass zwischen Schaltring und Spule ein Vorjoch angeordnet ist, welches einem Rückjoch in axialer Richtung gegenüberliegt, wobei das Rückjoch in radialer Richtung unterhalb des Stators positioniert ist. Auch diese konstruktive Weiterentwicklung führt zu einer bauraumoptimierten Welle-Nabe-Verbindung.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Welle innerhalb der Nabe durch ein erstes Rollenlager und durch ein zweites Rollenlager gelagert ist, wobei das zweite Rollenlager bevorzugt in radialer Richtung unterhalb des Stators und/oder der Spule angeordnet ist, wodurch sich der kompakte Aufbau der schaltbaren Welle-Nabe-Verbindung weiter optimieren lässt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Außenring des zweiten Rollenlagers mit den Vorjochen verbunden ist. Auch hierdurch wird die Ausbildung eines kompakten Bauraums gefördert.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die erste Gruppe von Klemmkörpern und die zweite Gruppe von Klemmkörpern gleichzeitig über Federelemente durch Kippung in eine Bereitschaftsstellung beider Freiläufe überführbar ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass beide Freiläufe zeitgleich über eine Drehung des Schaltrings in eine Bereitschaftsstellung überführbar sind.
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Dies bedeutet, dass in der Bereitschaftsstellung der Freiläufe in Abhängigkeit der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit ein oder beide der Freiläufe schaltet.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Schaltring und der Käfig in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, so dass sich hierdurch der kompakte Aufbau der schaltbaren Welle-Nabe-Verbindung weiter optimieren lässt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine Isometrische Querschnittsansicht durch die schaltbare Welle-Nabe-Verbindung
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- 2 eine Querschnittsansicht durch die schaltbare Welle-Nabe-Verbindung
- 3 eine radiale Querschnittsansicht durch die Welle-Nabe-Verbindung
- 4 eine isometrische Teilschnitt-Detailansicht der Nabe
- 5 eine isometrische Perspektivansicht auf den Schaltring und den Käfig
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Die 1-3 zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrisch schaltbaren Welle-Nabe-Verbindung, welche insbesondere zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist in drei verschiedenen Ansichten. Die Welle-Nabe-Verbindung besitzt eine Welle 1 und eine Nabe 2, wobei die Nabe 2 konzentrisch um die Welle 1 angeordnet ist. Die Welle 1 ist über die Wellenlager 11 drehbar gelagert.
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Im Kraftfluss zwischen Welle 1 und Nabe 2 ist eine elektrisch schaltbare Freilaufeinrichtung angeordnet, mittels derer der Kraftfluss zwischen der Welle 1 und Nabe 2 unterbrochen oder hergestellt werden kann. Die Freilaufeinrichtung umfasst eine erste Gruppe von Klemmkörpern 5 und eine zweite Gruppe von Klemmkörpern 6, welche in einem ringförmigen Käfig 7 in zwei voneinander beabstandeten Reihen an der Welle 1 anliegen, was insbesondere in 1 und 2 gut zu erkennen ist.
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Zur Überführung der Freilaufeinrichtung in eine Bereitschaftsstellung, in der der Freilauf in Abhängigkeit von Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung freigegeben bzw. gesperrt wird, ist bei der elektrisch schaltbaren Welle-Nabe-Verbindung ein Schaltring 8 vorgesehen, welcher gegenüber der Nabe 2 elektrisch, elektromagnetisch und/oder magnetisch verdrehbar ist. Drehfest mit der Nabe 2 verbunden ist die erste Gruppe von Klemmkörpern 5 und die zweite Gruppe von Klemmkörpern 6, welche in dem Käfig 7 jeweils koaxial zwischen der Nabe 2 und der Welle 1 gelagert sind. Der Schaltring 8 wirkt derart auf die erste Gruppe von Klemmkörpern 5 und die zweite Gruppe von Klemmkörpern 6 ein, dass eine Drehung des Schaltrings 8 relativ zur Nabe 2 einen Freilauf der Nabe 2 gegenüber der Welle 1 oder eine Kupplung der Nabe 2 mit der Welle 1 bewirkt, indem durch die erste Gruppe von Klemmkörpern 5 und die zweite Gruppe von Klemmkörpern 6 eine kraftschlüssige, reibschlüssige oder formschlüssige Verbindung oder Kombinationen hiervon zwischen der Welle 1 und der Nabe 2 herstellbar ist. Die erste Gruppe von schaltbaren Klemmkörper 5 und die zweite Gruppe von schaltbaren Klemmkörpern 6, welche auch als Klemmrollenfreiläufe bezeichnet werden können, können in jeder Umlaufposition um die Welle 1 klemmen.
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Dies wird nachfolgend noch näher erläutert werden. Die Schaltung der ersten Gruppe von Klemmkörpern 5 und der zweiten Gruppe von Klemmkörpern 6 erfolgt rotativ über den Schaltring 8. Wie in der 1 und 2 dargestellt, ist in der Nabe 2 eine kreisringförmige Spule 3 koaxial zur Welle 1 angeordnet und ein kreisringförmiger Stator 4 ist der Spule 3 gegenüberliegend in der Nabe 2 positioniert. Der Schaltring 8 ist in radialer Richtung zwischen der Welle 1 und der Spule 3 angeordnet.
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Insbesondere der 3 ist gut entnehmbar, dass der Schaltring 8 Permanentmagnete 17 aufweist, welche in Nuten des Schaltrings 8 eingepasst sind. Das Drehmoment zum Schalten der Welle-Nabe-Verbindung wird über die Permanentmagnete 17 in den Schaltring 8 eingeleitet.
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Der Schaltring 8 dreht sich mit der Nabe 2, kann jedoch zur Nabe 2 und zum Käfig 7 einige Grad verstellt werden (Schaltwinkel). Der Magnetfluß zum Schalten wird über eine konzentrische, stehende Spule 3 erzeugt und über Vorjoche 9 und Rückjoche 10 abwechselnd als Nord- und Südpol in den konzentrischen Luftspalt um die Permanentmagnete 17 geleitet.
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Das Vorjoch 9 ist Teil der Nabe 2, insbesondere ist es monolithisch mit der Nabe 2 ausgebildet. Zwischen Schaltring 8 und Spule 3 ist ein Vorjoch 9 angeordnet, welches einem Rückjoch 10 in axialer Richtung gegenüberliegt, wobei das Rückjoch 10 in radialer Richtung unterhalb des Stators 4 positioniert ist.
Das Rückjoch 10 ist fest mit der Nabe 2 verbunden. Der Magnetfluß wird über den Stator 4 geschlossen. Der Stator 4 ist fest mit der Spule 3 und dem Gehäuse 12 verbunden.
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Mit der Relativdrehung (Schaltwinkel) des Schaltrings 8 werden die Klemmkörper für beide Drehrichtungen gleichzeitig über die Federelemente 16 durch Kippung in Bereitschaftsstellung gebracht. Bei Rücknahme des Schaltstromes dreht der Schaltring 8 zurück und die Bereitschaftsstellung beider Freiläufe wird aufgehoben. Welcher Freilauf, also der mit der ersten Gruppe von Klemmkörpern 5 oder der mit der zweiten Gruppe von Klemmkörpern 6, bei Bereitschaftsstellung klemmt, hängt von der Richtung der Relativdrehzahl zwischen der Nabe 2 und Welle 1 ab.
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Damit die Freiläufe in der Welle-Nabe-Verbindung platziert werden können, wird die sonst in der Regel übliche Nadellagerung durch ein erstes Rollenlager 13 und ein zweites Rollenlager 14 ersetzt. Dies kann insbesondere der 2 entnommen werden, aus der ersichtlich ist, dass die Welle 1 innerhalb der Nabe 2 durch ein erstes Rollenlager 13 und durch ein zweites Rollenlager 14 gelagert ist, wobei das zweite Rollenlager 14 bevorzugt in radialer Richtung unterhalb des Stators 4 und/oder der Spule 3 angeordnet ist. Aus der 4 ist gut ersichtlich, dass der Außenring 15 des zweiten Rollenlagers 14 mit den Vorjochen 9 verbunden ist. Der unter der Spule 3 befindliche Außenring 15 des Rollenlagers 14 ist mit der Nabe 2 über die Vorjoche 9 verbunden. Die Vorjoche 9 besitzen somit in der schaltbaren Wellen-Naben-Verbindung eine Doppelfunktion.
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Schließlich zeigt die 5, dass der Schaltring 8 und der Käfig 7 in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Der Innen- und Außendurchmesser des ringförmigen Käfigs 7 entspricht im Wesentlichen dem Innen- und Außendurchmesser des ringförmigen Käfigs 7. Der Käfig 7 weist Taschen auf, in denen die erste Gruppe von Klemmkörpern 5 und die zweite Gruppe von Klemmkörpern 6 in zwei parallelen Reihen angeordnet sind. In dem Käfig 7 sind Federelemente 16 angeordnet, die federelastisch auf die Federelemente 16 einwirken.
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Anstatt durch Permanentmagnete 17 kann das Drehmoment im Schaltring 8 auch über das Reluktanzprinzip erzeugt werden, was in den Figuren jedoch nicht gezeigt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Nabe
- 3
- Spule
- 4
- Stator
- 5
- Klemmkörper
- 6
- Klemmkörper
- 7
- Käfig
- 8
- Schaltring
- 9
- Vorjoch
- 10
- Rückjoch
- 11
- Wellenlager
- 12
- Gehäuse
- 13
- Rollenlager
- 14
- Rollenlager
- 15
- Außenring
- 16
- Federelemente
- 17
- Permanentmagnete
