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Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung zum schaltbar drehmomentübertragenden Koppeln zweier Bauteile in einem, vorzugsweise elektromotorischen, Kraftfahrzeugantriebsstrang. Die Kupplungseinrichtung weist eine Kupplung, insbesondere eine formschlüssige Kupplung, wie eine Klauenkupplung, zum Verbinden und Trennen der beiden Bauteile auf. Zudem weist die Kupplungseinrichtung eine Betätigungseinrichtung auf, die eine Schiebemuffe, welche zum Verstellen der Kupplung zwischen einer ersten Axialposition, in der (die Schaltmuffe nur mit einem der beiden Bauteile der Kupplung drehfest verbunden ist und somit) die Kupplung geöffnet ist, und einer zweiten Axialposition, in der (die Schaltmuffe mit beiden Bauteile der Kupplung drehfest verbunden ist und somit) die Kupplung geschlossen ist, verschieblich ist, ein Schaltelement, insbesondere eine Schaltgabel oder eine Schaltschwinge, zum axialen Verschieben der Schiebemuffe und einen Linearantrieb zum Betätigen des Schaltelements aufweist. Das heißt, dass der Linearantrieb das Schaltelement verlagert, wodurch die Schaltmuffe axial verschoben und dadurch die Kupplung verstellt, d.h. geöffnet oder geschlossen, wird.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Kupplungseinrichtungen bekannt, die eingesetzt werden, um insbesondere eine Antriebsmaschine einer E-Achse elektromechanisch zu entkoppeln.
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Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass sowohl für das Öffnen der Kupplung, d.h. für eine Verstellung in die erste Axialposition der Schaltmuffe, als auch für das Schließen der Kupplung, d.h. für eine Verstellung in die zweite Axialposition der Schaltmuffe ein Betrieb des Linearantriebs erforderlich ist. Das heißt, dass die Kupplung beispielsweise bei einem Stromausfall in genau derjenigen Stellung verbleibt, in der sie sich vor dem Stromausfall befunden hat, was jedoch in manchen Anwendungsfällen nicht wünschenswert ist.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll eine elektromechanische Kupplungseinrichtung bereitgestellt werden, bei der die Funktionalität der Kupplung und der Kupplungsbetätigung gewährleistet ist, die einfach und kompakt aufgebaut ist und bei der gleichzeitig ein sicherer Zustand, insbesondere ein „normally-open-Zustand“, in dem die unbetätigte Kupplung geöffnet ist, in jedem Betriebszustand sichergestellt ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Kupplungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Insbesondere wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Betätigungseinrichtung eine Feder zur Rückstellung der Schiebemuffe in ihre erste Axialposition aufweist. Das heißt, dass eine Rückstellkraft der Feder einer Verstellung der Schiebemuffe in ihre zweite Axialposition entgegenwirkt und die Schiebemuffe in ihre erste Axialposition drückt. Dies hat den Vorteil, dass eine passive mechanische Verstellung der Kupplung in ihre geöffnete Stellung zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, ohne dass der Linearantrieb aktiv betrieben werden muss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Linearantrieb nicht selbsthemmend ausgebildet sein. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der Linearantrieb translatorisch bewegen, insbesondere zurückstellen, lässt, wenn die Rückstellkraft der Feder auf ihn wirkt. Vorzugsweise kann der Linearantrieb einen Motor sowie einen Spindelantrieb aufweisen. Besonders bevorzugt kann der Motor als ein Direktantrieb mit bürstenlosem Gleichstrommotor ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Spindelantrieb als ein Kugelgewindetrieb ausgebildet sein, da ein Kugelgewindetrieb eine besonders hohe Effizienz und keinerlei selbsthemmende Eigenschaften hat. Alternativ kann auch statt eines Kugelgewindetriebs ein Trapezgewindetrieb mit großer Steigung oder ein Planetenwälzgetriebe verwendet werden. Alternativ kann der Linearantrieb durch ein translatorisches Betätigungselement mit ausreichender Kraft gebildet sein, wie etwa durch eine Magnetspule.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Feder direkt auf das Schaltelement, d.h. insbesondere auf die Schaltgabel, wirken. Beispielsweise kann die Feder direkt an einer Schaltgabellagerung angreifen. Somit wirkt die Rückstellkraft der Feder über die Schaltgabel auf die Schaltmuffe. Vorzugsweise kann die Feder gehäusefest abgestützt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform kann die Feder als eine Spiralfeder ausgebildet sein. Eine Spiralfeder stellt eine besonders einfache, kostengünstige und leicht zu integrierende Lösung für die Feder zur Rückstellung dar. Beispielsweise kann die Spiralfeder auf einer Außenumfangsfläche der Schaltgabel angeordnet werden, so dass sie an einem radial nach außen ragenden Abschnitt der Schaltgabel angreift.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Feder direkt auf die Schaltmuffe wirken. Das heißt, dass die Feder direkt an der Schaltmuffe angreift. Somit wirkt die Rückstellkraft der Feder unmittelbar auf die Schaltmuffe. Vorzugsweise kann die Feder gehäusefest abgestützt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform kann die Feder als eine Wellfeder/ein Wellfederpaket ausgebildet sein, die/das über einen gesamten Umfang der Schaltmuffe angreift. Durch das Angreifen über den gesamten Umfang kann ein Verkippen/Verklemmen der Schaltmuffe beim Zurückstellen verhindert werden, was ansonsten insbesondere bei der axialen Verschiebung einer stillstehende Schaltmuffe auftreten kann. Somit kann die gleichmäßige Krafteinleitung der gegen die Aktuierung wirkenden Federkraft am Umfang durch das Wellfederpaket eine Verkippen/Verklemmen der Schiebemuffe und eine deutlich erhöhte erforderliche Kraft zum Verschieben verhindern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Betätigungseinrichtung einen ersten Axialanschlag zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe an der ersten Axialposition sowie einen zweiten Axialanschlag zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe an der zweiten Axialposition aufweisen, wobei der erste Axialanschlag und der zweite Axialanschlag direkt auf die Schaltmuffe wirken. Das heißt, dass die Schaltmuffe in der ersten Axialposition direkt an dem ersten Axialanschlag bzw. in der zweiten Axialposition direkt an dem zweiten Axialanschlag anliegt. Das direkte Anliegen der Schaltmuffe an den beiden Anschlägen hat den Vorteil, dass kleine Toleranzketten für die tatsächliche Position der Schaltmuffe vorliegen. Somit kann die Position der Schaltmuffe relativ zu einer Verzahnung der Kupplung besonders exakt festgelegt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform kann die Kupplung so ausgebildet sein, dass die beiden Bauteile in dem geschlossenen Zustand der Kupplung gehäusefest sind, d.h. nicht relativ zu dem (stehenden) Schaltelement rotieren. Dadurch, dass die beiden durch die Kupplung zu verbindenden Bauteile in dem geschlossenen Zustand der Kupplung gehäusefest sind, ist auch die drehfest mit den beiden Bauteilen verbundene Schaltmuffe feststehend, insbesondere sowohl im geöffneten Zustand als auch im geschlossenen Zustand der Kupplung. Dies hat den Vorteil, dass es nicht zu einem erhöhten Verschleiß durch eine Relativverdrehung zwischen der Schaltmuffe und den beiden Anschlägen kommt.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann die Betätigungseinrichtung einen ersten Axialanschlag zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe an der ersten Axialposition sowie einen zweiten Axialanschlag zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe an der zweiten Axialposition aufweisen, wobei der erste Axialanschlag und der zweite Axialanschlag direkt auf das Schaltelement wirken. Dies hat den Vorteil, dass es nicht zu einem erhöhten Verschleiß durch eine Relativverdrehung zwischen der Schaltmuffe und den beiden Anschlägen kommen kann, da nicht die Schaltmuffe direkt, sondern das Schaltelement an den Anschlägen anliegt.
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Gemäß einer Weiterbildung der alternativen bevorzugten Ausführungsform kann die Kupplung so ausgebildet sein, dass die beiden Bauteile in dem geschlossenen Zustand der Kupplung relativ zu dem (stehenden) Schaltelement drehbar sind. Dadurch, dass die beiden durch die Kupplung zu verbindenden Bauteile in dem geschlossenen Zustand der Kupplung rotieren, rotiert auch die drehfest mit den beiden Bauteilen verbundene Schaltmuffe.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Kupplungseinrichtung/Disconnect Unit in einer E-Achse, wobei die Kupplungseinrichtung eine Klauenkupplung und eine Funktion zum passiv mechanischen Öffnen (ohne aktiven Motor) bei anliegendem Restmoment an der Klauenverzahnung hat. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kupplungseinrichtung zum Kuppeln/Entkuppeln eines rotierenden Elements am Getriebegehäuse zum Kuppeln/Entkuppeln des Antriebsmotors der E-Achse. Vorzugsweise ist der zum Verlagern der Schaltgabel eingesetzte Gewindetrieb nicht selbsthemmend, da die Translationskraft der Feder auf die Gewindemutter wirkt. Vorzugsweise kann ein Kugelgewindetrieb wegen seines hohen Wirkungsgrades und der fehlenden Selbsthemmung eingesetzt werden. Alternativ kann ein Trapezgewindetrieb mit hoher Steigung oder ein Planetenwälzgetriebe eingesetzt werden. In den Ausführungsformen sind die Kupplungszähne direkt auf dem zu kuppelnden Zahnrad integriert. Alternativ könnten die Kupplungszähne auch ein separates Teil sein, das auf das zu kuppelnde Element montiert wird. Alternativ können der Motor und der Gewindetrieb auch durch ein translatorisches Betätigungselement mit ausreichender Kraft (z.B. durch einen Magnet) geschaltet werden. Zudem kann die Schaltgabel durch eine Schaltschwinge ersetzt werden. Eine Variante ist dabei, dass eine einfache Spiralfeder an der Schaltgabellagerung eingesetzt wird. Eine andere Variante ist dabei, dass die Rückstellung über ein Wellfederpaket erfolgt, welches über den gesamten Umfang der Schiebemuffe angreift, was den Vorteil hat, insbesondere bei einer Anwendung zur Kopplung eines Hohlrads an das Getriebegehäuse, dass die gleichmäßige Krafteinleitung über das Wellfederpaket einem potentiellen Verkippen der stehenden Schiebemuffe vorbeugt. Somit wird erfindungsgemäß eine elektromechanische Disconnect Unit mit Klauenkupplung und einem sicheren Zustand „normally open“ vorgeschlagen, bei der ein Direktantrieb mit BLDC (Brushless DC Motor, bürstenlosem Gleichstrommotor) und Kugelgewindetrieb und eine Rückstellung über eine Feder an der Schaltgabeleinheit und eine variierende Anordnung der Axialanschläge in Abhängigkeit des Anwendungsfalls vorgesehen sind. Somit ist der Anschlag insbesondere bei Systemen mit im gekoppelten Zustand rotierender Klauenkupplung an der Schaltgabeleinheit und bei Systemen mit im gekoppelten Zustand stehender Klauenkupplung an der Schiebemuffe.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 bis 3 schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform in unterschiedlichen Stellungen,
- 4 bis 6 schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform in unterschiedlichen Stellungen,
- 7 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform,
- 8 eine Längsschnittdarstellung der ersten Ausführungsform,
- 9 und 10 einen Ausschnitt einer Längsschnittdarstellung der ersten Ausführungsform in unterschiedlichen Stellungen,
- 11 eine Längsschnittdarstellung der dritten Ausführungsform, und
- 12 eine perspektivische Darstellung der dritten Ausführungsform.
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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. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
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1 bis 7 zeigen eine erfindungsgemäße Kupplungseinrichtung 1 in drei unterschiedlichen Ausführungsformen. Die Kupplungseinrichtung 1 dient zum schaltbar drehmomentübertragenden Koppeln zweier Bauteile in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere in einer E-Achse. Die Kupplungseinrichtung 1 weist eine Kupplung 2 zum Verbinden und Trennen der beiden Bauteile auf. Die Kupplung 2 ist als eine formschlüssige Kupplung, vorzugsweise als eine Klauenkupplung ausgebildet. Die Kupplungseinrichtung 1 weist eine Betätigungseinrichtung 3 zum Betätigen/Verstellen der Kupplung 2 zwischen einer geöffneten Stellung der Kupplung und einer geschlossenen Stellung der Kupplung 2 auf.
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Die Betätigungseinrichtung 3 weist eine Schiebemuffe 4 auf. Die Schiebemuffe 4 ist zum Verstellen der Kupplung 2 zwischen einer ersten Axialposition, in der die Kupplung 2 geöffnet ist, und einer zweiten Axialposition, in der die Kupplung 3 geschlossen ist, axial verschieblich. Die Betätigungseinrichtung 3 weist ein Schaltelement, insbesondere ein Form einer Schaltgabel 5, alternativ in Form einer Schaltschwinge, auf. Die Schaltgabel 5 dient zum axialen Verschieben der Schiebemuffe 4. Zur Verschiebung der Schiebemuffe 4 in die erste Axialposition drückt die Schaltgabel 5 axial auf eine erste Betätigungsfläche an der Schiebemuffe 4 und zur Verschiebung der Schiebemuffe 4 in die zweite Axialposition drückt die Schaltgabel 5 axial auf eine zweite Betätigungsfläche an der Schiebemuffe 4, die axial gegenüberliegend zu der ersten Betätigungsfläche ausgerichtet ist. Die Betätigungseinrichtung 3 weist einen Linearantrieb 6 zum Betätigen des Schaltelements 5 auf. Der Linearantrieb 6 ist so ausgebildet, dass er bei Betrieb eine translatorische Verschiebung der Schaltgabel 5 hervorruft.
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Zudem weist die Betätigungseinrichtung 3 eine Feder/Betätigungsfeder 7 zur Rückstellung der Schiebemuffe 4 in ihre erste Axialposition auf. Das heißt, dass die Schiebemuffe 4 entgegen der Rückstellkraft der Feder 7 axial verschiebbar ist, um die Kupplung 2 zu schließen. Somit wird die Schiebemuffe 7 aufgrund der Rückstellkraft in die erste Axialposition gedrückt, in der die Kupplung 2 geöffnet ist. Folglich ist die Kupplungseinrichtung 1 so ausgebildet, dass die Kupplung 2 in einem unbetätigten Zustand geöffnet ist („normally open“).
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Vorzugsweise ist der Linearantrieb 6 nicht selbsthemmend ausgebildet. In den dargestellten Ausführungsformen weist der Linearantrieb 6 einen Motor 8 sowie einen Spindelantrieb 9 aufweisen. Vorzugsweise kann der Motor 8 als ein Direktantrieb mit bürstenlosem Gleichstrommotor ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Spindelantrieb 9 als ein Kugelgewindetrieb ausgebildet sein.
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1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform in unterschiedlichen Stellungen. In der ersten Ausführungsform wirkt/greift die Feder 7 direkt auf die Schaltgabel 5/an der Schaltgabel 5 an. Beispielsweise kann die Feder 7 als eine Spiralfeder 10 ausgebildet sein (vgl. 7). Die Betätigungseinrichtung 3 weist einen ersten Axialanschlag 11 zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 an der ersten Axialposition auf. Der erste Axialanschlag 11 wirkt direkt auf die Schaltmuffe 4. Das heißt, dass die Schaltmuffe 4 in der ersten Axialposition, in der die Kupplung 2 geöffnet ist, direkt an dem ersten Axialanschlag 11 anliegt (vgl. 1). Die Betätigungseinrichtung 3 weist einen ersten Axialanschlag 12 zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 an der zweiten Axialposition auf. Der zweite Axialanschlag 12 wirkt direkt auf die Schaltmuffe 4. Das heißt, dass die Schaltmuffe 4 in der zweiten Axialposition, in der die Kupplung 2 geschlossen ist, direkt an dem zweiten Axialanschlag 12 anliegt (vgl. 3). In der in 2 gezeigten Stellung liegen Verzahnungen 13, 14 der Kupplung 2 aneinander an, so dass die Kupplung 2 nicht geschlossen werden kann. In 1 bis 3 ist die Kupplung 2 so ausgebildet, dass die beiden Bauteile in dem geschlossenen Zustand der Kupplung 2 gehäusefest sind. Das heißt, dass eine Verzahnung 14 der Kupplung 2 feststehend ausgebildet ist.
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4 bis 6 zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform in unterschiedlichen Stellungen. In der zweiten Ausführungsform wirkt/greift die Feder 7 direkt auf die Schaltgabel 5/an der Schaltgabel 5 an. Beispielsweise kann die Feder 7 als Spiralfeder ausgebildet sein. Die Betätigungseinrichtung 3 weist den ersten Axialanschlag 11 zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 an der ersten Axialposition auf. Der erste Axialanschlag 11 wirkt direkt auf die Schaltgabel 5. Das heißt, dass die Schaltgabel 5 in der ersten Axialposition, in der die Kupplung 2 geöffnet ist, direkt an dem ersten Axialanschlag 11 anliegt (vgl. 4). Die Betätigungseinrichtung 3 weist den ersten Axialanschlag 12 zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 an der zweiten Axialposition auf. Der zweite Axialanschlag 12 wirkt direkt auf die Schaltgabel 5. Das heißt, dass die Schaltgabel 5 in der zweiten Axialposition, in der die Kupplung 2 geschlossen ist, direkt an dem zweiten Axialanschlag 12 anliegt (vgl. 6). In der in 2 gezeigten Stellung liegen Verzahnungen 13, 14 der Kupplung 2 aneinander an, so dass die Kupplung 2 nicht geschlossen werden kann. In 4 bis 6 ist die Kupplung 2 so ausgebildet, dass die beiden Bauteile in dem geschlossenen Zustand der Kupplung 2 rotieren/drehbar relativ zu der Schaltgabel 5 sind.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform wirkt/greift die Feder 7 direkt auf die Schaltmuffe 4/an der Schaltmuffe 4 an. Beispielsweise kann die Feder 7 als Wellfeder (vgl. 10 und 11) ausgebildet sein. Vorzugsweise kann die Wellfeder über einen gesamten Umfang der Schaltmuffe 4 angreifen. Die Betätigungseinrichtung 3 weist den ersten Axialanschlag 11 zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 an der ersten Axialposition auf. Der erste Axialanschlag 11 wirkt direkt auf die Schaltmuffe 4. Das heißt, dass die Schaltmuffe 4 in der ersten Axialposition, in der die Kupplung 2 geöffnet ist, direkt an dem ersten Axialanschlag 11 anliegt (nicht dargestellt). Die Betätigungseinrichtung 3 weist den ersten Axialanschlag 12 zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 an der zweiten Axialposition auf. Der zweite Axialanschlag 12 wirkt direkt auf die Schaltmuffe 4. Das heißt, dass die Schaltmuffe 4 in der zweiten Axialposition, in der die Kupplung 2 geschlossen ist, direkt an dem zweiten Axialanschlag 12 anliegt (7). In 7 ist die Kupplung 2 so ausgebildet, dass die beiden Bauteile in dem geschlossenen Zustand der Kupplung 2 gehäusefest sind. Das heißt, dass die Verzahnung 14 der Kupplung 2 feststehend ausgebildet ist.
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8 bis 10 zeigen eine Längsschnittdarstellung der Kupplungseinrichtung 1 in der ersten Ausführungsform. Insbesondere ist dabei zu erkennen, dass die Spiralfeder 10 auf dem Außenumfang der Schaltgabel 5 angeordnet ist und sich zwischen der Schaltgabel 5 und einem Getriebegehäuse 15 abstützt. Zudem ist zu erkennen, dass die Verzahnung 13 und die Verzahnung 14 der Kupplung 2 direkt auf den zu koppelnden Bestandteilen aufgebracht sind. Alternativ könnten die Verzahnungen 13, 14 auch separat ausgebildet sein.
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In der ersten und dritten Ausführungsform ist das eine zu koppelnden Bauteil ein Hohlrad 16 eines Planetengetriebes und das andere zu koppelnde Bauteil das Getriebegehäuse 15. In der geöffneten Stellung der Kupplung 2 kann das Hohlrad 16 frei rotieren, so dass kein Drehmoment von einen Sonnenrad des Planetengetriebes an einen Planetenträger des Planetengetriebes übertragen wird. Somit ist eine Antriebsmaschine von Antriebsrädern abgekoppelt. In der geschlossenen Stellung der Kupplung 2 kann das Hohlrad 16 nicht rotieren/ist gehäusefest, so dass ein Drehmoment von dem Sonnenrad über umlaufende Planetenräder des Planetengetriebes an den Planetenträger übertragen wird. Die Antriebsmaschine ist somit mit den Antriebsrädern verbunden.
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10 und 11 zeigen eine Längsschnittdarstellung der Kupplungseinrichtung 1 in der dritten Ausführungsform. Insbesondere ist dabei zu erkennen, dass die Wellfeder über den gesamten Umfang der Schaltmuffe 4 angreift, so dass ein Verkippen der Schaltmuffe 4 verhindert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungseinrichtung
- 2
- Kupplung
- 3
- Betätigungseinrichtung
- 4
- Schaltmuffe
- 5
- Schaltgabel
- 6
- Linearantrieb
- 7
- Feder
- 8
- Motor
- 9
- Spindelantrieb
- 10
- Spiralfeder
- 11
- erster Axialanschlag
- 12
- zweiter Axialanschlag
- 13
- Verzahnung
- 14
- Verzahnung
- 15
- Wellfeder
- 16
- Getriebegehäuse
- 17
- Hohlrad
