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Die Erfindung betrifft eine Radentkopplungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, das heißt eine Vorrichtung zum wahlweisen Entkoppeln / Koppeln eines Rades / einer Radnabe eines Kraftfahrzeuges von einer / mit einer Antriebswelle. Zudem betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit mit dieser Radentkopplungsvorrichtung.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine möglichst reifennahe Entkopplungsvorrichtung vorzusehen, um einen effizienten Betrieb eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einen optimalen Segelbetrieb, zu ermöglichen. Die Entkopplungsvorrichtung soll daher möglichst kompakt aufgebaut und zugleich schnell sowie präzise ansteuerbar sein.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist eine Radentkopplungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug beansprucht, die ein Antriebselement, ein Abtriebselement, eine verschiebbar angeordnete, mit dem Antriebselement und dem Abtriebselement drehfest verbindbare Schaltmuffe und eine verstellend auf die Schaltmuffe einwirkende Betätigungseinrichtung aufweist. In einem Koppelzustand der Betätigungseinrichtung sind das Antriebselement und das Abtriebselement dabei rotatorisch voneinander entkoppelt und in einem Entkoppelzustand der Betätigungseinrichtung verbindet die Schaltmuffe das Antriebselement und das Abtriebselement formschlüssig rotatorisch / in Drehrichtung / drehfest miteinander. Die Betätigungseinrichtung weist ferner ein Rampensystem auf, wobei das Rampensystem derart ausgebildet ist, dass bei einem Verdrehen eines Verstellzahnrades (der Betätigungseinrichtung) ein axialfest an der Schaltmuffe abgestützter Schiebering (der Betätigungseinrichtung) axial zwischen einer dem Entkoppelzustand entsprechenden ersten Stellung und einer dem Koppelzustand entsprechenden zweiten Stellung verschoben wird.
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Dadurch wird eine formschlüssig wirkende Radentkopplungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen geringen Bauraumbedarf aufweist und folglich platzsparend unmittelbar in eine Radnabe und/oder in der Nähe einer Radnabe eines Kraftfahrzeuges integrierbar ist. Dadurch kann ein Rad des Kraftfahrzeuges im Betrieb abgekoppelt werden, was insbesondere bei einem Segelvorgang des Kraftfahrzeuges zu einer großen Effizienzsteigerung beiträgt.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es auch von Vorteil, wenn das Verstellzahnrad und / oder der Schiebering eine in Umfangsrichtung / Drehrichtung ansteigende Rampenkontur aufweisen / aufweist. Dadurch ist der Aufbau des Rampensystems möglichst kompakt gehalten.
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Für einen möglichst verschleißarmen Betrieb des Rampensystems ist es zudem zuträglich, wenn das Verstellzahnrad und der Schiebering über zumindest einen, bevorzugt über mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, etwa als Kugeln ausgeformten, Wälzkörper indirekt in axialer Richtung aneinander abgestützt sind.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der zumindest eine Wälzkörper unmittelbar an einer Rampenkontur des Verstellzahnrades und / oder einer Rampenkontur des Schieberings anliegt. Dadurch ist der Aufbau der Betätigungseinrichtung möglichst einfach gehalten.
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Ist die Schaltmuffe in die erste Stellung, vorzugsweise mittels einer (ersten, mechanischen) Federeinheit, vorgespannt, wird eine „normally-stay“ Trennfunktion zum Entkoppeln des Antriebsstranges direkt an den Rädern mit einfach herstellbaren Mitteln umgesetzt.
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Ist der Schiebering mittels einer (zweiten, mechanischen) Federeinheit an der Schaltmuffe abgestützt, ist das Rampensystem wiederum mit einer bestimmten axialen Vorspannkraft beaufschlagt, was den Verschleiß weiter reduziert.
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Somit ist es von Vorteil, wenn die Schaltmuffe in die zweite Stellung / axial in Richtung der zweiten Stellung mittels der (zweiten, mechanischen) Federeinheit elastisch / federnd / nachgiebig vorgespannt ist / der Schiebering elastisch / federnd / nachgiebig an der Schaltmuffe abgestützt ist. Die (zweite, mechanische) Federeinheit weist vorzugsweise zumindest eine Wellfeder auf. Weiter bevorzugt ist axial zwischen dem Schiebering und der Schaltmuffe ein Axiallager vorgesehen. Damit wird eine definierte Nachgiebigkeit im Fall eines Zahn-auf-Zahn-Kontaktes (zwischen der Verzahnung der Schaltmuffe und einer Gegenverzahnung des Abtriebselementes) gewährleistet.
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Eine elastische / federnde / nachgiebige Vorspannung der Schaltmuffe in die erste Stellung / axial in Richtung der ersten Stellung erfolgt dabei vorteilhafterweise unmittelbar mittels der (ersten, mechanischen) Federeinheit.
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Ist das Verstellzahnrad, vorzugsweise mittels eines Axiallagers, axialfest an einem Gehäuse abgestützt, ist die Betätigungseinrichtung stabil in dem Gehäuse aufgenommen.
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Von Vorteil ist es auch, wenn die Schaltmuffe einen Hülsenbereich mit einer, vorzugsweise als Innenverzahnung ausgebildeten, Verzahnung konstanten Durchmessers aufweist, welche Verzahnung in der zweiten Stellung sowohl mit einer Gegenverzahnung des Antriebselementes als auch mit einer Gegenverzahnung des Abtriebselementes formschlüssig in Drehrichtung verbunden ist. Dadurch ist die Schaltmuffe in ihrem Aufbau möglichst einfach gehalten.
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Ist das Verstellzahnrad durch einen elektrischen Aktor angetrieben, findet eine möglichst effiziente Betätigung der Radentkopplungsvorrichtung im Betrieb des Kraftfahrzeuges statt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einer Antriebswelle (vorzugsweise als ein Ausgang einer Tripode ausgebildet), einer Radnabe und einer, in einem Achsschenkel aufgenommenen, erfindungsgemäßen Radentkopplungsvorrichtung nach zumindest eine der zuvor beschriebenen Ausführungen, wobei das Antriebselement der Radentkopplungsvorrichtung mit der Antriebswelle verbunden ist oder unmittelbar durch die Antriebswelle ausgebildet ist und das Abtriebselement der Radentkopplungsvorrichtung mit der Radnabe verbunden ist oder unmittelbar durch die Radnabe ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß eine Radtrenneinheit (Radentkopplungsvorrichtung) ausgebildet, mittels derer in Abhängigkeit des entsprechenden Fahrbetriebes des Kraftfahrzeuges das Rad vom restlichen Antriebsstrang ab- oder angekoppelt wird. Durch das Verschieben einer Schaltmuffe wird die antriebsseitige Verzahnung (erste Gegenverzahnung) der Tripode mit der abtriebsseitigen Verzahnung (zweite Gegenverzahnung) der Nabe formschlüssig verbunden. Die axiale Verschiebung der Schaltmuffe erfolgt durch ein Rampensystem, welches eine rotatorische Bewegung in eine axiale Bewegung umsetzt. Das Rampensystem besteht aus einem Verstellzahnrad, Kugeln (Wälzkörper) und einer axial verschiebbaren Rampe (Schiebering). Die Laufbahnen der Kugeln können dabei entsprechend dem benötigten Verfahrweg ausgelegt sein.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Radentkopplungsvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei die Radentkopplungsvorrichtung bereits in einer einen Achsschenkel aufweisenden Antriebseinheit eines Kraftfahrzeuges eingesetzt sowie in einem Entkoppelzustand / geöffneten Zustand angeordnet ist,
- 2 eine Längsschnittdarstellung der Radentkopplungsvorrichtung nach 1, wobei die Radentkopplungsvorrichtung in einem Koppelzustand / geschlossenen Zustand angeordnet ist, sowie
- 3 eine perspektivische Darstellung einer eine Radentkopplungsvorrichtung nach 1 aufweisenden Antriebseinheit, wobei ein die Radentkopplungsvorrichtung betätigender Aktor mit dargestellt ist.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Mit 1 ist eine erfindungsgemäße Radentkopplungsvorrichtung 1 detailliert zu erkennen. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist eine Entkopplungsvorrichtung im Sinne einer Kupplung / Trennkupplung zum Abtrennen eines Rades / einer mit dem bereiften Rad des Kraftfahrzeuges drehfest verbundenen Radnabe 2 von den angrenzenden rotierenden Bestandteilen des Antriebsstranges, hier einer Antriebswelle 3. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist folglich unmittelbar zwischen der Antriebswelle 3 und der Radnabe 2 eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Die Antriebswelle 3 ist weiterhin als ein Bestandteil (Ausgang / einem dem Rad zugewandten Bestandteil) einer Gelenkwelle, nämlich einer Tripode, ausgeführt.
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Zudem ist zu erkennen, dass ein Gehäuse 14 der Radentkopplungsvorrichtung 1 unmittelbar in einem Achsschenkel 19 einer Radaufhängung aufgenommen / integriert ist.
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Mit den nachfolgend verwendeten Richtungsangaben axial / radial und Umfangsrichtung sind verschiedene Richtungen bezeichnet, die in Bezug auf eine zentrale Drehachse 23 zu verstehen sind. Die Drehachse 23 bildet eine Drehachse der Radnabe 2 und der Antriebswelle 3. Unter axial / axialer Richtung ist eine Richtung entlang / parallel zu der Drehachse 23, unter radial / radialer Richtung eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 23 und unter Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch zu der Drehachse 23 umlaufenden Kreislinie zu verstehen.
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Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist in 1 in einem Entkoppelzustand / geöffneten Zustand und in 2 in einem Koppelzustand / geschlossenen Zustand dargestellt. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist als eine formschlüssig wirkende Kupplung / Formschlusskupplung ausgeführt.
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Die Radentkopplungsvorrichtung 1 weist eine Schaltmuffe 6 auf, die relativ zu einem als Antriebselement 4 bezeichneten Ende der Antriebswelle 3 und einem als Abtriebselement 5 bezeichneten Ende der Radnabe 2 relativ verschiebbar ist. Die Schaltmuffe 6 weist eine als Innenverzahnung ausgeführte Verzahnung 16 auf, die entsprechend mit Gegenverzahnungen 17a, 17b des Antriebselementes 4 und des Abtriebselementes 5 zusammenwirkt und mit diesen drehfest formschlüssig verbindbar ist.
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Gemäß 1 ist die Schaltmuffe 6 in eine, dem Entkoppelzustand entsprechende, erste Stellung verschoben, in der sich ihre Verzahnung 16 lediglich in Zahneingriff mit der ersten Gegenverzahnung 17a des Antriebselementes 4 befindet, jedoch außer Zahneingriff zu der zweiten Gegenverzahnung 17b des Abtriebselementes 5 angeordnet ist. Diese erste Stellung ist durch eine nachfolgend näher beschriebene erste Federeinheit 13 unterstützt / abgestützt. In einer dem Koppelzustand entsprechenden, zweiten Stellung ist die Schaltmuffe 6 relativ zu der ersten Stellung derart weit axial verschoben, dass die Verzahnung 16 sowohl mit der ersten Gegenverzahnung 17a als auch mit der zweiten Gegenverzahnung 17b drehfest formschlüssig in Kontakt steht. In dem Koppelzustand / in der zweiten Stellung verbindet die Schaltmuffe 6 somit das Antriebselement 4 und das Abtriebselement 5 drehfest.
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Es sei zudem darauf hingewiesen, dass die Verzahnung 16 der Schaltmuffe 6 einen konstanten (Innen-) Durchmesser aufweist. Daher weisen bevorzugt auch die Gegenverzahnungen 17a, 17b denselben (Außen-) Durchmesser auf.
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Zum Betätigen / Verschieben der Schaltmuffe 6 zwischen ihrer ersten Stellung und zweiten Stellung ist eine Betätigungseinrichtung 7 vorhanden. Die Betätigungseinrichtung 7 weist ein Rampensystem 8 auf. Das Rampensystem 8 weist des Weiteren ein Verstellzahnrad 9 und einen Schiebering 10 auf. Zudem weist das Rampensystem 8 mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Wälzkörper 12 auf, die hier als Kugeln ausgeformt sind. Das Verstellzahnrad 9 ist axial über die Wälzkörper 12 an den Schiebering 10 angelegt / abgestützt.
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Unter Zusammenschau der 1 und 2 ist zu erkennen, dass sowohl das Verstellzahnrad 9 als auch der Schiebering 10 Rampenkonturen 11 a, 11b ausbilden, die unmittelbar die Laufbahn für die Wälzkörper 12 bilden. Jede Rampenkontur 11a, 11b steigt entlang ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung gesehen axial kontinuierlich an. Die Rampenkonturen 11 a, 11b steigen in einer Umfangsrichtung insbesondere axial gegensinnig zueinander an. Die Rampenkonturen 11 a, 11b sind folglich als spindelförmig / schraubenförmig verlaufende Bahnen ausgeführt.
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Die Rampenkonturen 11 a, 11b sind derart aufeinander abgestimmt, dass es bei einem Verdrehen des Verstellzahnrades 9 in einer ersten Drehrichtung relativ zu dem Schiebering 10 zu einem Entlangrollen der Wälzkörper 12 an den Rampenkonturen 11a, 11b kommt und dadurch der Schiebering 10 von dem Verstellzahnrad 9 weggeschoben wird. Bei einem entgegengesetzten Verdrehen des Verstellzahnrades 9 in einer zweiten Drehrichtung wird wiederum der Schiebering 10 in Richtung des Verstellzahnrades 9 zurückverschoben. Dadurch ergibt sich der entsprechende Entkoppelzustand bzw. Koppelzustand der Radkopplungsvorrichtung 1 durch Verdrehen des Verstellzahnrades 9. Der Schiebering 10 ist des Weiteren verdrehfest an dem Gehäuse 14 aufgenommen.
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Es ist ferner zu erkennen, dass der Schiebering 10 zu seiner axial dem Verstellzahnrad 9 / dem Wälzkörper 12 abgewandten Seite an der Schaltmuffe 6 abgestützt ist. Hierzu ist der Schiebering 10 stirnseitig über ein (erstes) Axiallager 24a sowie eine (zweite) Federeinheit 25 an der Schaltmuffe 6 radial außerhalb des die Verzahnung 16 aufweisenden Hülsenbereiches 15 abgestützt.
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Axial entgegengesetzt zu dem Schiebering 10 ist die Schaltmuffe 6 weiterhin relativ zu dem Gehäuse 14 federvorgespannt. Hierzu ist eine weitere (erste) Federeinheit 13 vorhanden, die dazu dient, die Schaltmuffe 6 mit einer axialen Vorspannung in Richtung des Verstellzahnrades 9 zu drücken.
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Hinsichtlich der beiden Federeinheiten 13, 25 sei darauf hingewiesen, dass diese prinzipiell unterschiedlich ausgebildet sein können. Die erste Federeinheit 13 weist in dieser Ausführung mehrere Wellfedern auf. Die zweite Federeinheit 25 weist eine Wellfeder auf. In weiteren Ausführungen sind jedoch auch andere mechanische Federn, wie Spiralfedern, Tellerfedern oder Federpakete für die erste Federeinheit 13 und/oder die zweite Federeinheit 25 einsetzbar.
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Die erste Federeinheit 13 ist mittels eines (zweiten) Axiallagers 24b an der Schaltmuffe 6 abgestützt. Die erste Federeinheit 13 ist der Übersichtlichkeit halber in 2 mit einer reduzierten Anzahl an Wellfedern gegenüber 1 dargestellt.
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Ferner ist auf einer der Schaltmuffe 6 axial abgewandten Seite des Verstellzahnrades 9 ein weiteres (drittes) Axiallager 24c vorgesehen. Das Verstellzahnrad 9 ist mittels dieses (dritten) Axiallagers 24c an dem Gehäuse 14 abgestützt.
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In Verbindung mit 3, die eine gesamte Antriebseinheit 20 darstellt, sei darauf hingewiesen, dass das Verstellzahnrad 9 bevorzugt über ein durch einen elektrischen Aktor 18 antreibbares / angetriebenes Schneckenrad 21 verstellbar ist. Der Aktor 18 ist als ein rein elektrischer Aktor 18 (Drehmotor) ausgebildet. Das Schneckenrad 21 greift bevorzugt unmittelbar in eine der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellte Verzahnung des Verstellzahnrades 9 ein.
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Hinsichtlich des Gehäuses 14 sei unter Betrachtung der 1 auch darauf hingewiesen, dass dieses vorzugsweise aus zwei Teilen 29a, 29b besteht, die in einem Verbindungsbereich 22 miteinander verbunden sind. Hierbei ist es wiederum von Vorteil, wenn in dem Verbindungsbereich 22 / Kontaktbereich beider Teile des Gehäuses 14 eine Dichtung 26, etwa in Form eines O-Ringes, vorhanden ist. Auch kann wiederum zwischen dem Achsschenkel 19 und dem Gehäuse 14 eine entsprechende statische Dichtung 27 vorgesehen sein. Ferner ist bevorzugt radial zwischen dem Gehäuse 14 und dem Antriebselement 4 ein Radialwellendichtring 28 vorhanden.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, erfolgt in der erfindungsgemäßen Radentkopplungsvorrichtung zum Schalten / Verstellen dieser ein Verschieben einer Schaltmuffe 6 durch eine Rampengeometrie (Rampenkonturen 11 a, 11 b). Insbesondere ist eine Rückstellfeder (erste Federeinheit 13) zum schnellen Überbrücken des Kraftschlusses der reifennahen Radentkopplungsvorrichtung 1 vorhanden. Auch dient eine Rückstellfeder (zweite Federeinheit 25) zur Zentrierung der Rampeneinheit (Rampensystem 8). Die Rückstellfeder (erste Federeinheit 13) für die Entkopplungs- / Trennfunktion auch ist auch durch eine Tellerfeder, ein Federpaket oder durch eine Spiralfeder möglich.
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Gegenstand der Anmeldung ist somit eine Radentkopplungsvorrichtung 1 (auf Englisch „Disconnect-Unit (DCU)“, die direkt am Rad zwischen Antriebswelle 3 und Nabe (Radnabe 2) in den Antriebsstrang integriert ist. In Abhängigkeit des entsprechenden Fahrbetriebs wird durch die Radentkopplungsvorrichtung 1 das Rad vom restlichen Antriebsstrang ab- oder angekoppelt. Durch Verschieben der Schaltmuffe 6 wird die antriebsseitige Verzahnung (erste Gegenverzahnung 17a) der Tripode mit der abtriebsseitigen Verzahnung (zweite Gegenverzahnung 17b) der Nabe formschlüssig verbunden. Die axiale Verschiebung der Schaltmuffe 6 erfolgt durch ein Rampensystem 8, welches eine rotatorische in eine axiale Bewegung umsetzt. Das Rampensystem 8 besteht aus einem Verstellzahnrad 9, Kugeln (Wälzkörper 12) und einer axial verschiebbaren Rampe (Schiebering 10). Die Laufbahnen (Rampenkonturen 11a, 11 b) der Kugeln können dabei entsprechend dem benötigten Verfahrweg ausgelegt werden.
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Die Aktuierung des Rampensystems 8 erfolgt über einen Elektromotor (Aktor 18) mit Schneckenrad 21, welches in das Verstellzahnrad 9 eingreift. Die axial verschiebbare Rampe ist verdrehfest im Gehäuse 14 der Radentkopplungsvorrichtung 1 durch eine Verzahnung fixiert. Wird das Verstellzahnrad 9 aktuiert, werden die Kugel aufgrund der schraubenförmigen Laufbahnen axial verschoben. Die drehfeste Lagerung der Rampe führt zu deren axialen Verschiebung. Aufgrund des Druckwinkels wird das Verstellzahnrad 9 zentriert, weshalb keine separate radiale Lagerung notwendig ist. Die Relativbewegung des Verstellzahnrades 9 zum Gehäuse 14 wird durch ein Axialnadellager (drittes Axiallager 24c) kompensiert.
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Im geöffneten Zustand greift die Schaltmuffe 6 nur in die antriebsseitige Verzahnung (erste Gegenverzahnung 17a) der Tripode ein. Wird die Radentkopplungsvorrichtung 1 geschlossen, wird die Schaltmuffe 6 äquivalent zur axialen Bewegung der Rampe mit verschoben. Die Relativbewegung zwischen der Rampe und der Schaltmuffe 6 wird durch ein weiteres Axiallager / Axialnadellager (erstes Axiallager 24a) kompensiert. Zwischen dem Axiallager (erstes Axiallager 24a) und der Schaltmuffe 6 ist eine Wellfeder (zweite Federeinheit 25) integriert, um eine definierte Nachgiebigkeit im Fall eines Zahn-auf-Zahn-Kontaktes zu gewährleisten.
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Das Rampensystem 8 benötigt eine axiale Vorspannung, welche über ein Wellfederpaket (erste Federeinheit 13) realisiert ist. Die Wellfeder (erste Federeinheit 13) ist im Gehäuse 14 positioniert und über ein weiteres Axiallager / Axialnadellager (zweites Axiallager 24b) mit der Schaltmuffe 6 verbunden. Wir die Schaltmuffe 6 durch den Aktor 18 geöffnet, entspannt sich das Wellfederpaket (erste Federeinheit 13) und schiebt die Schaltmuffe 6 in den Ausgangszustand (Entkopplungszustand) zurück.
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Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist komplett eingehaust, und ist somit gegen eintretende Umgebungsmedien und austretende Schmierstoffe geschützt. Das Gehäuse 14 wird an mehreren, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Aufnahmeverschraubungen auf der Radachse montiert. Gegen die Tripode ist das Gehäuse 14 mit einer dynamischen Dichtung (Radialwellendichtring 28) gedichtet. Gegenüber des Achsschenkels 19 ist eine statische O-Ring-Dichtung (statische Dichtung 27) verbaut. Aufgrund der Montage ist das Gehäuse 14 im Bereich der Anschraubpunkte geteilt. Die Flanschverbindung (Verbindungsbereich 22) des Gehäuse 14 ist ebenfalls mit einem O-Ring (Dichtung 26) abgedichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radentkopplungsvorrichtung
- 2
- Radnabe
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Antriebselement
- 5
- Abtriebselement
- 6
- Schaltmuffe
- 7
- Betätigungseinrichtung
- 8
- Rampendichtring
- 9
- Verstellzahnrad
- 10
- Schiebering
- 11a
- Rampenkontur des Verstellzahnrades
- 11b
- Rampenkontur des Schieberings
- 12
- Wälzkörper
- 13
- erste Federeinheit
- 14
- Gehäuse
- 15
- Hülsenbereich
- 16
- Verzahnung
- 17a
- erste Gegenverzahnung
- 17b
- zweite Gegenverzahnung
- 18
- Aktor
- 19
- Achsschenkel
- 20
- Antriebseinheit
- 21
- Schneckenrad
- 22
- Verbindungsbereich
- 23
- Drehachse
- 24
- Axiallager
- 25
- zweite Federeinheit
- 26
- Dichtung
- 27
- statische Dichtung
- 28
- Radialwellendichtring
- 29a
- erstes Teil des Gehäuses
- 29b
- zweites Teil des Gehäuses
