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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für zum Beispiel eine Fahrzeugachse eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In einer Antriebsvorrichtung ist eine Abtriebswelle im Antriebsstrang eingebunden, die in einen ersten Wellenabschnitt und in einen zweiten Wellenabschnitt aufgeteilt ist, die mittels einer Formschlusskupplung momentenübertragend miteinander koppelbar oder voneinander entkoppelbar sind. Die Formschlusskupplung weist eine Schiebemuffe auf, die auf einer Steckverzahnung des ersten Wellenabschnittes drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordnet ist. Die Schiebemuffe kann mittels eines elektrisch ansteuerbaren Aktors in einer axialen Hubbewegung zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verschiebbar sein. In der Schiebemuffen-Offenstellung ist die Formschlusskupplung geöffnet. In der Schiebemuffen-Geschlossen-Stellung ist die Formschlusskupplung geschlossen. Die Formschlusskupplung kann bei stromlosem Aktor geschlossen sein (das heißt stromlos geschlossene Kupplung) und bei bestromtem Aktor offen sein. In diesem Fall muss die Formschlusskupplung aufwendig so ausgelegt sein, dass sich im Fahrbetrieb bei einer Aktor-Funktionsstörung die Formschlusskupplung nicht unbeabsichtigt von ihrer Offenstellung in ihre Schließstellung verstellt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen, bei der die für die Formschlusskupplung erforderlichen Sicherheitsanforderungen in einfacher Weise erfüllt werden können.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem Anspruch 1 ist die Schiebemuffe mit einer bistabilen Funktion versehen, mittels der bei unbestromtem Stellaktor die Schiebemuffe entweder eine stabile Offenstellung einnimmt oder eine stabile Geschlossenstellung einnimmt. Erst bei bestromtem Stellglied kann die Schiebemuffe zwischen der Offenstellung und der Geschlossenstellung umgeschaltet werden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass zum Beispiel bei einer Aktor-Funktionsstörung die Schiebemuffe stabil in ihrer Offenstellung oder stabil in ihrer Geschlossenstellung verbleiben soll, ohne dass eine dauerhafte Bestromung des Stellglieds erforderlich ist. Beispielsweise kann der mit einem ersten Stromimpuls bestromte Aktor die Schiebemuffe von ihrer Offenstellung in ihre Geschlossenstellung schalten. Der mit einem folgenden zweiten Stromimpuls bestromte Aktor kann die Schiebemuffe von ihrer Geschlossenstellung wieder in ihre Offenstellung schalten. Die erfindungsgemäße Formschlusskupplung ist daher sowohl stromlos offen als auch stromlos geschlossen.
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In einer technischen Umsetzung kann das Stellglied einen Elektromagneten mit zugeordneter Rückstellfeder aufweisen. Bei unbestromtem Stellglied kann die Schiebemuffe in Richtung einer ersten Schiebemuffen-Stellung (insbesondere Geschlossenstellung) vorgespannt sein. Bei bestromtem Stellglied kann der Elektromagnet die Schiebemuffe mittels Magnetkraft entgegen der Vorspannkraft der Rückstellfeder in die zweite Schiebemuffen-Stellung axial hubverstellen.
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Die Schiebemuffe weist zur Bereitstellung ihrer bistabilen Wirkung ein mechanisches Schrittschaltwerk auf. Das Schrittschaltwerk wirkt so auf die Schiebemuffe ein, dass nach impulsartigen Bestromungen bzw. Betätigungen des Aktors das Schrittschaltwerk die Schiebemuffe alternierend stabil in der ersten Schiebemuffen-Stellung oder stabil in der zweiten Schiebemuffen-Stellung hält.
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Erfindungsgemäß ist das mechanische Schrittschaltwerk aus zumindest einem Kulissenstift und einem damit zusammenwirkenden Schaltkulissenring zusammengesetzt. Der Kulissenstift kann an der unverdrehbaren, axial verschiebbaren Schiebemuffe ausgebildet sein. Der Schaltkulissenring ist auf dem ersten Wellenabschnitt drehbar, jedoch axial ortsfest angeordnet.
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Im Hinblick auf eine bauraumreduzierte Anordnung kann die Schiebemuffe mit einem Schiebemuffen-Überstand axial verlängert sein. Dieser ist Bestandteil des mechanischen Schrittschaltwerkes und kann (in einer verschachtelten Anordnung) radial außerhalb des Schaltkulissenrings positioniert sein. Der Kulissenstift kann vom Innenumfang des Schiebemuffen-Überstands radial nach innen abragen und in Eingriff mit dem Schaltkulissenring sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der mit dem Kulissenstift zusammenwirkende Schaltkulissenring eine erste Kulissenmimik und eine zweite Kulissenmimik aufweisen. Die erste Kulissenmimik kann am Schaltkulissenring-Außenumfang ausgebildet sein und (in Axialrichtung) der Formschlusskupplung zugewandt sein sowie längere und verkürzte Axialnuten aufweisen. Diese können in Umfangsrichtung alternierend auf dem Schaltkulissenring angeordnet sein.
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Zudem kann die Schaltkulisse eine von der Formschlusskupplung abgewandte Kulissenmimik aufweisen. Diese kann sich in Umfangsrichtung mit einem Sägezahnmuster erstrecken. In dem Sägezahnmuster kann jeder Sägezahn eine flache Anschlagflanke und eine steile Flanke aufweisen. Diese können jeweils an Sägezahn-Scheitel und an Sägezahn-Fußabschnitten zusammenlaufen.
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Bei unbestromtem Aktor kann der Kulissenstift unter Wirkung der Rückstellfeder in einer der längeren oder verkürzten Axialnuten angeordnet sein. Bei impulsartig bestromtem Aktor kann der Kulissenstift in der Axialrichtung (entgegen der Rückstellfeder-Wirkung) gegen eine zugeordnete flache Anschlagflanke des Schaltkulissenrings fahren. Auf diese Weise verdreht sich der Schaltkulissenring um ein vordefiniertes Drehwinkel-Maß. Das Drehwinkel-Maß ist so bemessen, dass in der, nach der Stellglied-Bestromung erfolgenden Schaltmuffen-Reversierbewegung der Kulissenstift in die benachbarte Axialnut einfährt.
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Im Hinblick auf eine gesteigerte Betriebssicherheit ist es bevorzugt, wenn für den Kulissenstift ein Überlastschutz gegen Abscheren bereitgestellt ist. Der Überlastschutz kann als ein mechanischer Axialanschlag realisiert sein, gegen den die Schiebemuffe bei bestromtem Stellglied (das heißt bei axialer Hubbewegung) anschlägt. Beim Schiebemuffen-Anschlag kann der Kulissenstift nach wie vor um einen freien Axialabstand von dem zugeordneten Fußabschnitt des Sägezahnmusters des Schaltkulissenrings beabstandet sein, so dass keine Scherkraft auf den Kulissenstift wirkt. Beispielhaft kann der mechanische Axialanschlag als ein vom Schaltkulissenring separater Anschlagring ausgeführt sein. Der Anschlagring kann bevorzugt unmittelbar an der, der Formschlusskupplung zugewandten Stirnseite des Schaltkulissenrings angeordnet sein.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Antriebsvorrichtung für eine Fahrzeugachse;
- 2 in einer Teilschnittansicht eine in der Antriebsvorrichtung verbaute Formschlusskupplung, die im geöffneten Kupplungszustand dargestellt ist; und
- 3 bis 5 jeweils Ansichten, anhand derer der Aufbau und die Funktionsweise eines in der Formschlusskupplung verbauten Schrittschaltwerkes veranschaulicht ist.
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In der 1 ist eine elektrisch antreibbare Fahrzeugachse gezeigt. Die Fahrzeugachse weist eine Elektromaschine EM auf, die über ein Achsdifferenzial 3 auf die zum rechten und linken Vorderrad 5 führenden linken und rechten Antriebswellen 7, 9 abtreibt. Die in der 1 gezeigte, vordere rechte Abtriebswelle 9 ist aufgeteilt in einen radseitigen, ersten Wellenabschnitt 17 und in einen achsseitigen, zweiten Wellenabschnitt 19. Diese sind mittels einer Klauenkupplung 21 koppelbar, um im Fahrbetrieb die Elektromaschine EM in Antriebsverbindung mit den Fahrzeugrädern 5 zu bringen. Alternativ dazu sind die Wellenabschnitte 17, 19 voneinander abkoppelbar, um im Fahrbetrieb sowie bei deaktivierter Elektromaschine EM Schleppverluste zu vermeiden.
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Bei geöffneter Klauenkupplung 21 bleibt daher im Fahrbetrieb lediglich eine lastlose Ausgleichsbewegung der Ausgleichskegelräder 29 im Achsdifferenzial 3. Der Rest der Antriebseinheit (das heißt Getriebe und Elektromaschine) kommt dagegen zum Stillstand, so dass Schleppverluste stark reduziert sind.
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In der 1 ist die Elektromaschine EM der Fahrzeugachse über ein Vorgelege 23 mit einem eingangsseitigen Außenzahnrad 25 des Achsdifferenzials 3 trieblich verbunden. An der Ausgangsseite des Achsdifferenzials 3 sind Achskegelräder 27 an den beiden Antriebswellen 7, 9 angebunden. Die Achskegelräder 27 und die damit verzahnten Ausgleichskegelräder 29 sind innerhalb eines Ausgleichsgehäuses 31 des Achsdifferenzials 3 positioniert.
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Nachfolgend werden anhand der 2 der Aufbau und die Funktionsweise der Klauenkupplung 21 beschrieben. In der 2 ist das Achskegelrad 27 mit dem achsseitigen Wellenabschnitt 19 verlängert. Radial innerhalb des achsseitigen Wellenabschnitts 19 ist eine zum Vorderrad 5 geführte Steckwelle drehgelagert, die den radseitigen Wellenabschnitt 17 bildet. Die Klauenkupplung 21 weist in der 2 achsseitige Schaltklauen 33 und radseitige Schaltklauen 35 auf. Diese sind bei geschlossener Klauenkupplung 21 miteinander in Formschlussverbindung. Die radseitigen Schaltklauen 35 sind in der 2 Bestandteile einer Schiebemuffe 37. Die Schiebemuffe 37 ist auf einer Steckverzahnung 39 des radseitigen Wellenabschnitts 17 drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordnet. Die achsseitigen Schaltklauen 33 sind auf einem Trägerring 41 ausgebildet, der materialeinheitlich und einstückig an dem achsseitigen Wellenabschnitt 19 angeformt ist.
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Die auf dem radseitigen Wellenabschnitt 17 axial verschiebbar angeordnete Schiebemuffe 37 ist in der 2 über einen Aktor 49 mit einem Elektromagneten sowie mit zugeordneter Rückstellfeder 51 betätigbar. Bei unbestromtem Aktor 49 ist die Schiebemuffe 37 in Richtung ihrer Geschlossenstellung G ferdervorgespannt, in der die Klauenkupplung 21 geschlossen ist. Bei bestromtem Aktor 49 generiert dessen Elektromagnet eine Magnetkraft FM , mittels der die Schiebemuffe 37 in einer Hubbewegung H (2 oder 5) entgegen der Rückstellfeder-Kraft in Richtung auf ihre Offenstellung O axial hubverstellt wird.
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Der Schiebemuffe 37 ist ein Schrittschaltwerk 53 zugeordnet. Das Schrittschaltwerk 53 bewirkt eine bistabile Wirkung, bei der bei unbestromtem Aktor 51 die Schiebemuffe 37 entweder stabil in ihrer Offenstellung O verbleibt (d.h. die Klauenkupplung 21 ist stromlos offen) oder stabil in ihrer Geschlossenstellung G verbleibt (d.h. die Klauenkupplung 21 ist stromlos geschlossen). Lediglich bei bestromtem Aktor 49 kann die Schiebemuffe 37 zwischen ihrer Offenstellung O und ihrer Geschlossenstellung G umgeschaltet werden. Wird somit der Aktor 49 mit Stromimpulsen beaufschlagt, kann nach jeden Stromimpuls das Schrittschaltwerk 53 die Schiebemuffe 37 alternierend entweder stabil in der Offenstellung O oder stabil in der Geschlossenstellung G halten.
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Nachfolgend ist der Aufbau sowie die Funktionsweise des mechanischen Schrittschaltwerkes 53 anhand der 3 bis 5 beschrieben. Demnach ist die Schiebemuffe 37 an ihrer, von der Klauenkupplung 21 abgewandten Seite mit einem Schiebemuffen-Überstand 54 verlängert, der Bestandteil des Schrittschaltwerkes 53 ist. Am Innenumfang des Schiebemuffen-Überstands 54 sind insgesamt fünfzehn Kulissenstifte 57 gleichmäßig umfangsverteilt angeordnet, die radial nach innen abragen und in Eingriff mit einem Schaltkulissenring 59 ist. In der 3 ist der Schaltkulissenring 59 radial innerhalb des Schiebemuffen-Überstands 54 positioniert Der Schaltkulissenring 59 ist auf dem ersten Wellenabschnitt 17 drehbar, jedoch axial ortsfest zwischen einem später beschriebenen Anschlagring 61 und einer Ringschulter 63 des ersten Wellenabschnitts 17 angeordnet.
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In der 3 ist der Schaltkulissenring 59 in Alleinstellung gezeigt. Dieser weist am Außenumfang eine, der Klauenkupplung 21 zugewandte Kulissenmimik 65 mit längeren Axialnuten 67 und verkürzten Axialnuten 69 auf, die um einen Axialabstand a gegenüber den längeren Axialnuten 67 verkürzt sind. Zudem weist der Schaltkulissenring 59 eine von der Klauenkupplung 21 abgewandte Kulissenmimik 71 mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Sägezahnmuster auf. Im Sägezahnmuster ist jeder Sägezahn mit einer flachen Anschlagflanke 73 und einer steilen Anschlagflanke 75 ausgebildet, die jeweils an Sägezahn-Scheitel 77 und an Sägezahn-Fußabschnitten 79 zusammenlaufen.
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Wird die Schiebemuffe 37 entgegen der Rückstellfeder-Kraft durch die Magnetkraft FM des Elektromagneten des Aktors 49 mit einer Hubbewegung H ( 2 oder 5) in ihre Offenstellung O verstellt, so fahren gemäß der 5 die unverdrehbar an der Schiebemuffe 37 ausgebildeten Kulissenstifte 57 aus der längeren Axialnut 67 des Schaltkulissenrings 59 heraus. Im weiteren Verlauf der Hubbewegung H schlägt jeder der Kulissenstifte 57 gegen jeweils eine zugeordnete flache Anschlagflanke 73 der Sägezahnkulisse und verdreht im Zusammenwirken mit der flachen Anschlagflanke 73 den Schaltkulissenring 59 in einer Drehbewegung D (5) um ein definiertes, durch die flache Anschlagflanke 73 vorgegebenes Drehwinkel-Maß. Bei der Hubbewegung H des Kulissenstifts 57 geraten die Kulissenstifte 57 außer Eingriff mit den längeren Axialnuten 67 des Schaltkulissenrings 59.
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Nach Wegfall der vom Elektromagneten ausgeübten Magnetkraft FM erfolgt mittels der Rückstellfeder 51 eine Rückstellbewegung R (2 oder 5) der Schiebemuffe 73. Das Drehwinkel-Maß ist dabei derart bemessen, dass bei der Rückstellbewegung R der Schiebemuffe 37 jeder Kulissenstift 57 in die jeweils benachbarte Axialnut 67, 69 des Schaltkulissenrings 59 einfährt. Auf diese Weise wirken die Schiebemuffen-Kulissenstifte 57 nach jeder Elektromagnet-Hubbewegung H alternierend entweder mit den verkürzten Axialnuten 69 derart zusammen, dass die Schiebemuffe 37 in ihre Offenstellung O verbracht ist, oder mit den längeren Axialnuten 67 derart zusammen, dass die Schiebemuffe 37 in ihre Geschlossenstellung G verbracht ist.
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Nach Wegfall der Magnetkraft FM stellt also die Rückstellfeder 51 die Schiebemuffe 37 selbsttätig zurück in ihre Geschlossenstellung G oder Offenstellung O. Die Offen- und Geschlossenstellungen O, G der Schiebemuffe 37 wechseln alternierend mit jeder impulsartigen Elektromagnet-Aktivierung ab.
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Im Hinblick auf einen Überlastschutz der Kulissenstifte 57 gegen ein Abscheren ist es von Vorteil, wenn bei der Elektromagnet-Hubbewegung H der Schiebemuffe 37 die Kulissenstifte 57 nicht bis unmittelbar in Anschlag gegen die Fußabschnitte 79 der Sägezahn-Kulisse des Schaltkulissenrings 59 kommen. Aus diesem Grund bildet der Anschlagring 61 einen mechanischen Axialanschlag, gegen den die Schiebemuffe 37 bei bestromtem Aktor 49 anschlägt. Beim Schiebemuffen-Anschlag gegen den Anschlagring 61 bleiben die Kulissenstifte 57 nach wie vor um einen freien Axialabstand vom jeweils zugeordneten Fußabschnitt 79 der Sägezahnkulisse des Schaltkulissenrings 59 beabstandet. Auf diese Weise kann ein Abscheren der Kulissenstifte 57 verhindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 3
- Achsdifferenzial
- 5
- Vorderräder
- 7, 9
- Abtriebswellen der Fahrzeugachse
- 17
- radseitiger Wellenabschnitt
- 19
- achsseitiger Wellenabschnitt
- 21
- Klauenkupplung
- 23
- Vorgelege
- 25
- Außenzahnrad
- 27
- Achskegelräder
- 29
- Ausgleichskegelräder
- 31
- Ausgleichsgehäuse
- 33
- achsseitige Schaltklauen
- 35
- radseitige Schaltklauen
- 37
- Schiebemuffe
- 39
- Steckverzahnung
- 41
- Trägerring
- 49
- Aktor
- 51
- Rückstellfeder
- 53
- Schrittschaltwerk
- 54
- Schiebemuffen-Überstand
- 57
- Kulissenstifte
- 59
- Schaltkulissenring
- 61
- Anschlagring
- 63
- Ringschulter
- 65
- erste Kulissenmimik
- 67
- längere Axialnuten
- 69
- kürzere Axialnuten
- 71
- zweite Kulissenmimik
- 73
- flache Anschlagflanke
- 75
- steile Flanke
- 77
- Sägezahn-Scheitel
- 79
- Sägezahn-Fußabschnitt
- EM
- Elektromaschine
- O
- Offenstellung
- G
- Geschlossenstellung
- a
- Axialabstand
- H
- Hubbewegung
- R
- Rückstellbewegung
- D
- Drehbewegung
- FM
- Magnetkraft
