DE102021208327A1

DE102021208327A1 - Kopplungseinrichtung für ein Differential eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021208327A1
Application number: DE102021208327.7A
Authority: DE
Inventors: Kim Führer; Boris Serebrennikov; Johannes Winkler; Matthias Winkel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2023-02-02
Also published as: WO2023011972A1

Abstract

Kopplungseinrichtung (1) für ein Differential (2) eines Kraftfahrzeugs, welches Differential (2) ein Antriebsrad (3) und einen inneren Differentialkorb (4) aufweist, der zumindest abschnittsweise wenigstens zwei Ausgleichskegelräder (5) und zwei Kegelräder (6) umgibt, wobei eine Stelleinrichtung (7) dazu ausgebildet ist, in einem gekoppelten Zustand ein Kopplungselement (8), insbesondere eine Schiebemuffe, mittels der Stelleinrichtung (7), insbesondere mittels eines Stellelements (9), in einen Kopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb (4) mit dem Antriebsrad (3) zu koppeln und in einem entkoppelten Zustand das Kopplungselement (8) mittels eines Stellelements (9) in einen Entkopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb (4) von dem Antriebsrad (3) zu entkoppeln, wobei die Kopplungseinrichtung (1) eine Sicherungseinrichtung (17) aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Kopplungselement (8) in dem Kopplungszustand und/oder dem Entkopplungszustand gegen eine von einem Federelement (14) auf das Kopplungselement (8) bewirkte Federkraft zu sichern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kopplungseinrichtung für ein Differential eines Kraftfahrzeugs, welches Differential ein Antriebsrad und einen inneren Differentialkorb aufweist, der zumindest abschnittsweise wenigstens zwei Ausgleichskegelräder und zwei Achskegelräder umgibt, wobei eine Stelleinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem gekoppelten Zustand ein Kopplungselement, insbesondere eine Schiebemuffe, mittels der Stelleinrichtung, insbesondere mittels eines Stellelements, in einen Kopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb mit dem Antriebsrad zu koppeln und in einem entkoppelten Zustand das Kopplungselement mittels des Stellelements in einen Entkopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb von dem Antriebsrad zu entkoppeln.
Derartige Kopplungseinrichtungen für Differentiale von Kraftfahrzeugen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise werden die Kopplungseinrichtungen dafür verwendet, einen Teil des Differentials und somit einen Teil des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs abzukoppeln, beispielsweise um die Effizienz des Kraftfahrzeugs in einem entkoppelten Zustand bzw. einem Entkopplungszustand zu erhöhen. Zum Beispiel kann hierzu das Antriebsrad des Differentials von dem inneren Differentialkorb entkoppelt werden, sodass nur die abtriebsseitigen Komponenten des Differentials über die Räder angetrieben bleiben bzw. über die Räder mit angetrieben werden müssen. Dadurch lässt sich die Trägheit des Antriebsstrangs reduzieren und somit der Kraftstoffverbrauch verbessern.
Um das Kopplungselement zur Kopplung bzw. Entkopplung in die entsprechenden Zustände zu verbringen, ist eine Stelleinrichtung erforderlich, die dazu ausgebildet ist, den Kopplungszustand und den Entkopplungszustand definiert herzustellen. Hierbei ist insbesondere erforderlich, dass sowohl der Kopplungszustand als auch der Entkopplungszustand definiert eingehalten werden, da andernfalls ein unbeabsichtigter Übergang zwischen den beiden Zuständen auftreten könnte. Hierzu ist bekannt, dass ein Federelement verwendet wird, dass das Kopplungselement entweder in den Kopplungszustand oder in den Entkopplungszustand verbringt, d.h., dass aufgrund der Federkraft, die von dem Federelement auf das Kopplungselement bewirkt wird, das Kopplungselement in den entsprechenden Zustand bewegt und dort gehalten werden kann.
Ferner weist die Stelleinrichtung üblicherweise einen Aktor auf, der entgegen der Federkraft eine Bewegung des Kopplungselements bewirken kann. Somit ist es erforderlich, dass sowohl der federbeaufschlagte Zustand als auch der durch den Aktor gegen die Federkraft bewirkte Zustand definiert eingehalten werden. Hierbei ist insbesondere derjenige Zustand, der gegen die Federkraft gehalten werden muss, aufwendig zu sichern. Der Aktor muss hierfür beispielsweise ausreichend dimensioniert sein, um die Federkraft zusätzlich überwinden zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Kopplungseinrichtung für ein Differential eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
Die Aufgabe wird durch eine Kopplungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wie beschrieben, betrifft die Erfindung eine Kopplungseinrichtung für ein Differential eines Kraftfahrzeugs, die eine Stelleinrichtung aufweist, um ein Kopplungselement in einen Kopplungszustand bzw. einen Entkopplungszustand zu bewegen und die Zustände jeweils zu halten. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Kopplungseinrichtung eine Sicherungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Kopplungselement in dem Kopplungszustand und/oder dem Entkopplungszustand gegen eine von einem Federelement auf das Kopplungselement bewirkte Federkraft zu sichern. Die Sicherungseinrichtung kann insbesondere auch als Rastierungseinrichtung bzw. Arretierungseinrichtung verstanden werden. Insbesondere werden sowohl der Kopplungszustand als auch der Entkopplungszustand durch die Sicherungseinrichtung gesichert, sodass die eingelegten Zustände nicht unbeabsichtigt verlassen werden können. Im Speziellen werden der Kopplungszustand und der Entkopplungszustand somit gegen auftretende Vibrationen und andere Beschleunigungen im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs gesichert.
Insbesondere bewirkt die Sicherungseinrichtung zudem, dass derjenige Zustand, also der Kopplungszustand oder der Entkopplungszustand, in dem die Federkraft des Federelements auf das Kopplungselement derart wirkt, dass durch die Federkraft ein Wechsel des Zustands veranlasst oder unterstützt wird, der Zustand gegen die Federkraft aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten kann die Kopplungseinrichtung in dem Kopplungszustand stehen, wobei das Federelement dazu ausgeführt sein kann, die Federkraft auf das Kopplungselement zu bewirken, um das Kopplungselement in den Entkopplungszustand zu bewegen. Umgekehrt ist es ebenso möglich, dass die Kopplungseinrichtung in dem Entkopplungszustand steht, wobei das Federelement dafür vorgesehen sein kann, das Kopplungselement in den Kopplungszustand zu überführen. Je nach Auslegung des Systems ist es somit möglich, ein Federelement vorzusehen, das eine Federkraft auf das Kopplungselement bewirkt, um den Kopplungszustand oder den Entkopplungszustand herzustellen bzw. eine Bewegung in einen der beiden Zustände zu unterstützen.
Die Sicherungseinrichtung kann in beiden Ausführungsformen dazu ausgebildet sein, sowohl den Kopplungszustand als auch den Entkopplungszustand zu sichern. Derjenige Zustand, der von dem Federelement eingelegt oder die Einlegung durch das Federelement unterstützt werden kann, kann insbesondere durch die Sicherungseinrichtung gesichert werden. Die Sicherungseinrichtung kann eine Sicherungskraft auf das Stellelement bewirken, um eine unbeabsichtigte Bewegung zu verhindern. Das Stellelement kann in den Zuständen durch die Sicherungseinrichtung gehalten werden, sodass eine Sicherungskraft aufgebracht werden muss, insbesondere durch einen Aktor der Stelleinrichtung, um die Zustände zu verlassen.
Mit anderen Worten kann somit durch die Sicherungseinrichtung verhindert werden, dass aufgrund wirkender Beschleunigungen oder der wirkenden Federkraft das Kopplungselement aus der eingelegten oder ausgelegten Stellung bzw. aus dem Kopplungszustand oder aus dem Entkopplungszustand herausbewegt wird. Stattdessen stellt die Sicherungseinrichtung sicher, dass auch derjenige Zustand, in dem das Federelement ein Verlassen des Zustands bewirken soll, der Zustand sicher eingehalten wird, bis ein Wechsel in den jeweils anderen Zustand vorgesehen und durch die Stelleinrichtung veranlasst ist. Die Sicherungseinrichtung kann insbesondere derart ausgelegt sein, dass ein Zustandswechsel, also ein Wechsel aus dem Kopplungszustand in den Entkopplungszustand oder aus dem Entkopplungszustand in den Kopplungszustand nur zusammen mit einer Aktorbewegung möglich ist, d.h., nicht allein durch die Federkraft bewirkt werden kann.
Das Differential weist üblicherweise ein Gehäuse oder ein äußeren Differentialkorb auf, der mit dem Antriebsrad verbunden ist. Relativ zu dem äußeren Differentialkorb bzw. dem Gehäuse kann das Differential ein inneren Differentialkorb aufweisen, der durch die Kopplungseinrichtung mit dem äußeren Differentialkorb und somit mit dem Antriebsrad verbunden werden kann. Ist die Kopplungseinrichtung in den Entkopplungszustand gestellt, sind der innere Differentialkorb und der äußeren Differentialkorb relativ zueinander bewegbar. Steht die Kopplungseinrichtung im Kopplungszustand, sind der äußere Differentialkorb und der innere Differentialkorb aneinandergekoppelt, sodass ein Drehmoment über das Antriebsrad in das Differential eingeleitet und an die Räder geführt werden kann. In dem inneren Differentialkorb sind die üblicherweise vorhandenen Komponenten des Differentials aufgenommen, insbesondere die Achskegelräder, Ausgleichskegelräder und dergleichen. Die Kopplungseinrichtung kann letztlich dazu ausgebildet sein, einen mit dem Antriebsrad gekoppelten äußeren Differentialkorb in dem gekoppelten Zustand bzw. dem Kopplungszustand mit dem inneren Differentialkorb, insbesondere einem sogenannten Ausgleichkegelradkorb, zu koppeln.
Wie beschrieben, kann die Stelleinrichtung wenigstens einen Aktor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, das Kopplungselement, insbesondere eine Schiebemuffe, mittels des Stellelements, insbesondere einer Schaltwippe, gegen eine von dem wenigstens einen Federelement bewirkte Auslegekraft in den Kopplungszustand oder gegen eine von dem wenigstens einen Federelement bewirkte Einlegekraft in den Entkopplungszustand zu bewegen. Das Federelement kann je nach Anordnung und Auslegung der Kopplungseinrichtung somit zum Einlegen der Kopplungseinrichtung, also zum Verbringen der Kopplungseinrichtung in den Kopplungszustand, oder zum Auslegen der Kopplungseinrichtung, also zum Verbringen der Kopplungseinrichtung in den Entkopplungszustand, vorgesehen sein. Entsprechend der Auslegung bewirkt das Federelement eine Einlegekraft oder eine Auslegekraft, um das Kopplungselement in den Kopplungszustand oder den Entkopplungszustand zu bewegen. Der beschriebene Aktor muss beim Verbringen des Kopplungselements die Federkraft überwinden, d.h., gegen die Rückstellkraft des Federelements das Federelement komprimieren oder die Bewegung des Aktors wird durch das Federelement unterstützt, wenn der Aktor das Kopplungselement in denjenigen Zustand bewegt, der von dem Federelement durch das Bewirken der Federkraft unterstützt werden soll.
Die Sicherungseinrichtung kann wenigstens ein kraftbeaufschlagtes Sicherungselement, insbesondere einen Pin oder einen Bolzen, aufweisen, das an einem mit dem Kopplungselement koppelbaren oder gekoppelten Sicherungsabschnitt, insbesondere des Stellelements, anliegt. Mit anderen Worten ist ein Sicherungsabschnitt vorgesehen, der mit dem Sicherungselement der Sicherungseinrichtung zusammenwirken kann. Die Sicherungseinrichtung kann somit derart verstanden werden, dass das Sicherungselement und der Sicherungsabschnitt Bestandteile der Sicherungseinrichtung sind. Sicherungselement und Sicherungsabschnitt wirken dabei zusammen, insbesondere kann das Sicherungselement durch eine kraftbeaufschlagt an dem Sicherungsabschnitt anliegen bzw. bei einer Bewegung des Sicherungselements entlang des Sicherungsabschnitts bewegt werden. Je nach Anlage des Sicherungselements an dem Sicherungsabschnitt wird der Sicherungsabschnitt an dem Sicherungselement gesichert bzw. gelagert. Somit kann eine Kraft, die auf das Kopplungselement übertragen wird, insbesondere die Federkraft des Federelements, beispielsweise über das Stellelement, an den Sicherungsabschnitt übertragen und somit an dem Sicherungselement der Sicherungseinrichtung gesichert werden.
Somit kann erreicht werden, dass die Federkraft in dem gesicherten Kopplungszustand oder Entkopplungszustand mittels der Sicherungseinrichtung gesichert wird, sodass das Federelement den Zustandswechsel nicht bewirken kann, ohne dass die Sicherungseinrichtung, insbesondere durch den Aktor, eine derartige Bewegung zulässt. Das Sicherungselement kann kraftbeaufschlagt sein, insbesondere mittels einer Federkraft oder pneumatisch oder hydraulisch.
Die Sicherungseinrichtung ist ferner dazu ausgebildet, die Sicherung des Sicherungsabschnitts durch eine durch den Aktor erzeugte Bewegung des Sicherungsabschnitts zu lösen. Der Sicherungsabschnitt kann somit durch den Aktor bewegt werden, sodass das zuvor beschriebene Sicherungselement relativ zu dem Sicherungsabschnitt bewegt wird, insbesondere an einer Kontur des Sicherungsabschnitts entlang gleiten kann. Je nachdem in welche Position der Aktor den Sicherungsabschnitt stellt, kann das Sicherungselement an dem Sicherungsabschnitt anliegen und den Sicherungsabschnitt sichern bzw. abstützen. Die Bewegung des Aktors bewirkt ein passives Lösen der Sicherung zwischen Sicherungselement und Sicherungsabschnitt. Der Aktor kann zur Bewegung des Sicherungsabschnitts beispielsweise ein Schneckenrad aufweisen, das in einem entsprechenden Zahnrad oder Zahnradsegment in Eingriff steht, das mit dem Sicherungsabschnitt gekoppelt ist.
Der Sicherungsabschnitt kann an dem Stellelement angeordnet sein, welches Stellelement beispielsweise als Schaltwippe ausgeführt sein kann. Die Schaltwippe kann durch den Aktor bewegt werden und um eine Schwenkachse bzw. Drehachse verschwenkt werden. An einem Ende kann das Stellelement einen Verzahnungsabschnitt aufweisen, der, insbesondere über ein Schneckenrad, mit dem Aktor gekoppelt ist. Ferner kann das Stellelement den Sicherungsabschnitt aufweisen oder mit diesem gekoppelt sein, der mit dem Sicherungselement zusammenwirkt. Weiter kann das Sicherungsabschnitt wenigstens zwei Flächen mit unterschiedlichen Ausrichtungen aufweisen, insbesondere zwei Rampen mit einem dazwischen angeordneten Podest.
Die beiden Flächen können in Bezug auf eine Achse, insbesondere eine Längsachse, des Sicherungselements unterschiedlich ausgerichtet sein. Das bedeutet, dass die Steigung der Flächen unterschiedlich ausgeprägt ist. Wie beschrieben, kann durch eine Bewegung des Stellelements, die durch den Aktor erzeugt wird, auch der an dem Stellelement angeordnete oder mit dem Stellelement gekoppelte Sicherungsabschnitt bewegt werden. Dabei wird das Sicherungselement relativ zu den Flächen bewegt, beispielsweise an einer ersten ansteigenden Fläche entlang bewegt und über das Podest auf die zweite Fläche bewegt, wenn von dem Kopplungszustand in den Entkopplungszustand oder umgekehrt übergegangen werden soll.
Die Ausrichtung der Flächen kann grundsätzlich beliebig definiert werden. Beispielsweise weist jede der beiden Flächen eine Flächennormale auf, die unter einem unterschiedlichen Winkel relativ zu einer beliebigen Bezugsebene oder Bezugsachse ausgerichtet sein kann. Beispielsweise kann die Achse des Sicherungselements, die ihre Ausrichtung während des Betriebs der Kopplungseinrichtung nahezu nicht verändert, als Bezugsachse herangezogen werden. Das zwischen den beiden Rampen angeordnete Podest kann beispielsweise senkrecht auf der Längsachse des Sicherungselements stehen oder einen beliebigen Winkel dazu aufweisen.
Die beschriebenen beiden Flächen können weiter unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf eine Sicherungsachse des Sicherungselements angeordnet sein. Als Sicherungsachse des Sicherungselements kann beispielsweise eine Längsachse des Sicherungselements verstanden werden. Das Sicherungselement kann, wie bereits beschrieben, als Pin oder als Bolzen ausgeführt sein. Ebenso kann die Sicherungsachse jedwede weitere beliebige Achse darstellen bzw. eine beliebige Achse kann als Sicherungsachse definiert werden. Durch die Ausrichtung der Flächen unter verschiedenen Winkeln kann berücksichtigt werden, dass die einzelnen Zustände der Kopplungseinrichtung verschieden stark abgesichert werden müssen. Zum Beispiel kann der Wechsel von dem Kopplungszustand in den Entkopplungszustand eine andere Sicherungskraft erfordern als der Wechsel aus dem Entkopplungszustand in den Kopplungszustand. Durch die Auswahl der Ausrichtung der Flächen bzw. der Winkel unter dem die Flächen in Bezug auf die Sicherungsachse stehen, wird letztlich die Kraft definiert, die überwunden werden muss, um die jeweilige Position bzw. den jeweiligen Zustand aufzulösen und in den anderen Zustand zu wechseln. Der durch die Federkraft beaufschlagte Zustand kann daher durch entsprechende Auswahl des Winkels der Fläche stärker gesichert werden, sodass der Aktor dementsprechend geringer dimensioniert sein kann.
Die dem gesicherten Zustand zugeordnete Fläche kann unter einem ersten Winkel, insbesondere 40°-75°, gegenüber der Sicherungsachse des Sicherungselements und die andere Fläche unter einem zweiten Winkel, insbesondere 20°-40°, angeordnet sein, wobei der erste Winkel größer als der zweite Winkel ist. Der gesicherte Zustand ist, wie eingangs beschrieben, derjenige Zustand, der gegen ein unbeabsichtigtes Auslösen durch das Federelement, zusätzlich gesichert werden muss. Bewirkt das Federelement beispielsweise eine Bewegung des Kopplungselements in den Kopplungszustand, ist der Entkopplungszustand der durch die Sicherungseinrichtung gesicherte Zustand. Bewirkt das Federelement umgekehrt eine Bewegung des Kopplungselements in den Entkopplungszustand, ist der Kopplungszustand der durch die Sicherungseinrichtung gesicherte Zustand. Wie beschrieben, wird durch die Wahl des Winkels unter dem die Fläche ausgerichtet ist, in der die Kopplungseinrichtung gesichert ist, bestimmt, welche Kraft durch den Aktor aufgebracht werden muss, um das Sicherungselement relativ zu dem Sicherungsabschnitt zu bewegen und somit einen Zustandswechsel zu erlauben.
Die beschriebenen Winkel sind grundsätzlich beliebig wählbar und hängen von der Dimensionierung des Federelements, des Aktors und weiteren Komponenten der Kopplungseinrichtung ab, beispielsweise eine Übersetzung zwischen Aktor und Stellelement. Zum Beispiel kann das Federelement eine Federkraft von 40N bewirken. Der Aktor kann beispielsweise ein Drehmoment von 150mNm bewirken, wobei eine Übersetzung zwischen 20 und 30 gewählt werden kann, um eine Kraft von 250Nm auf den Sicherungsabschnitt bzw. die Verzahnung des Stellelements zu übertragen. Hierbei kann insbesondere ein Kraftüberschuss definiert werden, der erforderlich ist, um die einzelnen durch die Sicherungseinrichtung gesicherten Zustände zu überwinden. Wie beschrieben, können die Winkel derart gewählt werden, dass ein solcher Kraftüberschuss, beispielsweise 25 %, erreicht werden kann.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein steilerer Winkel eine höhere Kraft seitens des Aktors erfordert. Je schwächer der Aktor ausgeführt ist, desto flacher sollte die Rampe bzw. Fläche ausgeführt sein. Je flacher die Rampe bzw. Fläche ausgeführt wird, desto begrenzter ist die Auswahl der Federkraft, die durch das Federelement bewirkt werden kann. Die Auswahl des Federelements ist ferner darauf beschränkt, eine ausreichend starke Federkraft zu bewirken, um das Kopplungselement schnell genug einlegen zu können. Ersichtlich ist somit eine Abwägung der einzelnen Komponenten zu treffen, um ein zuverlässiges Halten der einzelnen Zustände und einen zügigen Übergang in die einzelnen Zustände zu ermöglichen.
Die Kopplungseinrichtung kann ferner dahingehend weitergebildet werden, dass die Stelleinrichtung, insbesondere das Kopplungselement und das Federelement, zumindest abschnittsweise innerhalb des Antriebsrads angeordnet sind. Das bedeutet insbesondere, dass die Stelleinrichtung, insbesondere das Kopplungselement und das Federelement, in Axialrichtung und/oder in Radialrichtung innerhalb der Kontur des Antriebsrads aufgenommen sind. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise, da die Komponenten der Stelleinrichtung nicht über die ursprünglichen Abmessungen des Differentials hinausreichen, sodass ein ursprünglich zur Verfügung stehender Bauraum ausreicht, um die Kopplungseinrichtung aufzunehmen.
Daneben betrifft die Erfindung eine Getriebeeinrichtung, insbesondere ein Differential, die eine zuvor beschriebene Kopplungseinrichtung umfasst. Weitergehend kann die Getriebeeinrichtung ein Untersetzungsgetriebe umfassen.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Achse für ein Kraftfahrzeug umfassend eine elektrischen Maschine und die zuvor beschriebenen Getriebereinrichtung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine solche elektrische Achse.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. erläutert. Die Fig. sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Getriebeeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Kopplungseinrichtung in einem Entkopplungszustand;
2 einen Ausschnitt der Getriebeeinrichtung von 1;
3 die Getriebeeinrichtung von 1 in einem Zwischenzustand;
4 einen Ausschnitt der Getriebeeinrichtung von 3;
5 die Getriebeeinrichtung von 1 in einem Entkopplungszustand; und
6 einen Ausschnitt der Getriebeeinrichtung von 5

1 zeigt eine Kopplungseinrichtung 1 für ein Differential 2 eines nicht näher gargestellten Kraftfahrzeugs, welches Differential 2 ein Antriebsrad 3 und einen inneren Differentialkorb 4 aufweist, der zumindest abschnittsweise wenigstens zwei Ausgleichskegelräder 5 und zwei Achskegelräder 6 umgibt, wobei eine Stelleinrichtung 7 dazu ausgebildet ist, in einem gekoppelten Zustand ein Kopplungselement 8, insbesondere eine Schiebemuffe, mittels der Stelleinrichtung 7, insbesondere mittels eines Stellelements 9, in einen Kopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb 4 mit dem Antriebsrad 3 zu koppeln und aus dem Kopplungszustand das Kopplungselement 8 mittels der Stelleinrichtung 7 in einen Entkopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb 4 von dem Antriebsrad 3 zu entkoppeln.
Die Stelleinrichtung 7 weist einen Aktor 10 auf, der das Stellelement 9 bewegen kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Stellelement 9 als Schaltwippe ausgeführt, die um eine Drehachse bzw. Schwenkachse 11 bewegt werden kann. Das Kopplungselement 8 ist an einem Druckring 12 angeordnet bzw. mit diesem gekoppelt, der über das Stellelement 9 in Axialrichtung bezogen auf eine Drehachse 13 bewegt werden kann. Mit anderen Worten kann der Aktor 10 eine Stellbewegung einleiten, die das Stellelement 9 um die Schwenkachse 11 verschwenkt, sodass das Stellelement 9 mit seinem von dem Aktor 10 abgewandten Ende auf den Druckring 12 drücken und diesen in Axialrichtung bewegen kann. Je nach Ausgestaltung der Kopplungseinrichtung 1 kann somit die Bewegung des Stellelements 9 das Kopplungselement 8 in den Kopplungszustand oder in den Entkopplungszustand bewegen. Lediglich beispielhaft ist in 1-6 dargestellt, dass das Stellelement 9 durch Druck auf den Druckring 12 das Kopplungselement 8 in den Entkopplungszustand bewegen kann, d.h., in der Zeichnung von links aus dem Kopplungszustand nach rechts in den Entkopplungszustand bewegen kann.
Die in den 1-6 gezeigte Variante der Kopplungseinrichtung 1 kann somit auch als „normally-closed“-Ausführung bezeichnet werden, wobei eine „normally-open“-Ausführung ebenso möglich ist, bei der entsprechend durch Druck auf den Druckring 12 eine Bewegung aus dem Entkopplungszustand in den Kopplungszustand möglich wäre. Hierzu ist eine entsprechende Anordnung der Verzahnungsabschnitte bzw. des Druckrings 12 und des Kopplungselements 8 notwendig. Ebenso ist es möglich, dass das Kopplungselement 8 bzw. der Druckring 12 an das Stellelement 9 gekoppelt werden können, sodass der Aktor 10 den Druckring 12 in beide Richtungen in Axialrichtung bewegen kann. Vorteilhafterweise ist, wie in 1 gezeigt, ein Luftspalt zwischen dem Stellelement 9 und dem Druckring 12 einstellbar, sodass das Stellelement 9 im Kopplungszustand nicht an dem Druckring 12 schleifen muss, sondern von diesem beabstandet gestellt werden kann, um Reibung an dem Stellelement 9 und dem Druckring 12 zu verhindern.
Der Stelleinrichtung 7 ist ferner ein Federelement 14 zugeordnet, das eine entsprechende Bewegung des Kopplungselements 8 in die jeweils andere Richtung unterstützt bzw. ermöglicht. Das Federelement 14 bewirkt somit eine Federkraft auf das Kopplungselement 8, die das Kopplungselement 8, insbesondere entgegen der von dem Aktor 10 ausführbaren Bewegung des Kopplungselements 8, bewegen kann. In der gezeigten Ausführung wird das Kopplungselement 8 somit von dem Federelement 14 derart mit Federkraft beaufschlagt, dass das Kopplungselement 8 in der Zeichnung nach links bewegt werden soll. In der in 1 dargestellten Situation kann das Federelement 14 das Kopplungselement 8 somit im Kopplungszustand halten. Wie bereits beschrieben, ist eine Umkehrung der Stelleinrichtung 7 ebenso möglich, in der das Federelement 14 das Kopplungselement 8 im Entkopplungszustand halten könnte, wobei der Aktor 10 über das Stellelement 9 eine entsprechende Bewegung aus dem Entkopplungszustand in den Kopplungszustand realisieren kann. Die Beschreibung ist vollumfänglich auf eine solche umgekehrte Ausführung übertragbar.
1 zeigt ferner ein Detail II der Stelleinrichtung 7, das vergrößert in 2 dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktor 10 an ein Schneckenrad 15 gekoppelt, das mit einem Verzahnungsabschnitt 16 des Stellelements 9 gekoppelt ist. Die gezeigte Ausführung mittels Verzahnungsabschnitt 16 und Schneckenrad 15 ist beliebig änderbar, beispielsweise in Form von mehreren Zahnrädern.
Der Stelleinrichtung 7 ist, wie gezeigt, eine Sicherungseinrichtung 17 zugeordnet, die ein Sicherungselement 18 und einen Sicherungsabschnitt 19 umfasst. Das Sicherungselement 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel kraftbeaufschlagt, nämlich über eine Feder, die eine Kraft auf einen Pin bzw. Bolzen des Sicherungselements 18 bewirkt. Die Ausübung der Federkraft ist lediglich beispielhaft, die Kraftbeaufschlagung des Pins bzw. Bolzens ist beliebig änderbar. Das Sicherungselement 18 wird somit durch die aufgebrachte Kraft gegen den Sicherungsabschnitt 19, der an dem Stellelement 9 angeordnet ist, bewegt. Der Sicherungsabschnitt 19 weist zwei Flächen 20, 21 auf, zwischen denen ein Podest 22 angeordnet ist.
Bezogen auf eine Sicherungsachse, beispielsweise eine Längsachse des Sicherungselements 18 oder eine Längsachse des Stellelements 9, weisen die beiden Flächen 20, 21 eine unterschiedliche Ausrichtung auf bzw. einen unterschiedlichen Winkel. Die Flächennormalen der beiden Flächen 20, 21 können somit unterschiedlich steil ausgerichtet sein, sodass eine entsprechende Anlage des Sicherungselements 18 an den Flächen 20, 21 eine dementsprechend unterschiedliche Sicherungskraft bewirkt. Lediglich beispielhaft ist in 2 dargestellt, dass die Flächennormale der Fläche 20 gegenüber der Längsachse des Sicherungselements 18 einen Winkel von 35,51° aufweist. Dieser Winkel ist beliebig änderbar bzw. auf das jeweilige Differential 2 anpassbar.
Aus der 2 ist ferner ersichtlich, dass die Fläche 21 unter einem deutlich größeren Winkel gegenüber der Sicherungsachse ausgerichtet ist als die Fläche 20. Dadurch bewirkt eine Anlage des Sicherungselements 18 an der Fläche 21 eine deutlich größere Sicherungskraft als die Anlage des Sicherungselements 18 an der Fläche 20. Dies erlaubt insbesondere, dass der in 5, 6 dargestellte Entkopplungszustand unter einer erhöhten Sicherungskraft aufrechterhalten werden kann. In dem Entkopplungszustand muss die Sicherungseinrichtung 17 zusätzlich die Federkraft sichern, die von dem Federelement 14 auf das Kopplungselement 8 bewirkt wird. Diese Federkraft entfällt bzw. unterstützt das Halten des Kopplungselements 8 in dem Kopplungszustand, da bereits das Federelement 14 die Federkraft in die Richtung bewirkt, die für das Halten des Kopplungszustands erforderlich ist.
Um somit die Kopplungseinrichtung 1 aus dem Kopplungszustand, der in 1, 2 gezeigt ist, in den Entkopplungszustand, der in 5, 6 gezeigt ist, zu überführen, wird eine Bewegung durch den Aktor 10 der Stelleinrichtung 7 erzeugt, sodass das Schneckenrad 15 den Verzahnungsabschnitt 16 und somit das Stellelement 9 bewegt. In 3, 4 ist hierbei ein Zwischenzustand dargestellt, bei dem das Stellelement 9 den Druckring 12 berührt. Dazu wird das Sicherungselement 18 entlang der Fläche 20 bewegt, bis das Sicherungselement 18 auf dem Podest 22 anliegt. Der Aktor 10 muss folglich die Sicherungskraft überwinden, sodass das Sicherungselement 18 passiv gelöst wird. Anschließend kann das Sicherungselement 18 an dem Podest 22 entlang gleiten und das Stellelement 9 den Druckring 12 mit einer Einlegekraft beaufschlagen. Dadurch wird das Federelement 14 komprimiert und das Kopplungselement 8 in den in 5 dargestellten Zustand überführt, sodass das Antriebsrad 3 von dem inneren Differentialkorb 4 entkoppelt wird.
Wie in 6 gezeigt, liegt das Sicherungselement 18 der Sicherungseinrichtung 17 an der Fläche 21 an. Die Fläche 21 ist beispielhaft mit ihrer Flächennormalen unter einem Winkel von 55,1° gegenüber der Längsachse des Sicherungselements 18 ausgerichtet. Durch die deutlich steilere Ausrichtung verglichen mit der Fläche 20 wirkt in der in 6 dargestellten Betriebssituation der Sicherungseinrichtung 17 eine deutlich höhere Sicherungskraft. Die in dem Entkopplungszustand durch das Federelement 14 bewirkte Federkraft kann somit durch die erhöhte Sicherungskraft gehalten werden.
Bei einer Bewegung aus dem in 5, 6 gezeigten Entkopplungszustand in den in 1, 2 gezeigten Kopplungszustand wird die Bewegung umgekehrt ausgeführt. Die Sicherungskraft, die von der Sicherungseinrichtung 17 bewirkt wird, reicht aus, um sicherzustellen, dass das Kopplungselement 8 nicht durch die Federkraft des Federelements 14 zu einem Zustandswechsel führen kann. Ein Zustandswechsel wird somit stets nur durch die Stelleinrichtung 7, nämlich durch eine Bewegung des Aktors 10 bewirkt. Der Aktor 10 bewirkt somit eine Bewegung des Schneckenrads 15 und somit des Verzahnungsabschnitts 16. Das Stellelement 9 wird in die entgegengesetzte Richtung um die Schwenkachse 11 verschwenkt, sodass das Kopplungselement 8, unterstützt durch die Federkraft des Federelements 14, in Kopplungsrichtung bewegt werden kann. Dabei gleitet das Sicherungselement 18 entlang der Fläche 21, bis das Podest 22 erreicht ist und der Zwischenzustand, der in 3, 4 dargestellt ist, überstrichen wird. Anschließend kommt das Sicherungselement 18 wieder in Anlage mit der Fläche 20 und sichert so den Kopplungszustand.
Im Kopplungszustand und im Entkopplungszustand sichert die Sicherungseinrichtung 17 somit das Stellelement 9. Dadurch ist sichergestellt, dass durch Vibrationen oder andere im Antriebsstrang wirkende Beschleunigungen kein unbeabsichtigtes Bewegen des Stellelements 9 auftreten kann. Bei der Auslegung der Ausrichtung der Flächen 20, 21 können die einzelnen Gegebenheiten der Kopplungseinrichtung 1 berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Auslegung des Aktors 10, des Getriebes zwischen dem Aktor 10 und dem Stellelement 9, der Federkraft des Federelements 14 und weitere Parameter berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die Stelleinrichtung 7 derart ausgelegt sein, dass die Sicherungseinrichtung 17 einen Kraftüberschuss von 25 % gewährleistet, d.h., dass die Sicherungskraft, die von der Sicherungseinrichtung 17 auf das Stellelement 9 bewirkt wird, sicherstellt, dass der Aktor 10 stets für einen Zustandswechsel eine Bewegung erzeugen muss.
Bezugszeichenliste

1: Kopplungseinrichtung
2: Differential
3: Antriebsrad
4: innerer Differentialkorb
5: Ausgleichskegelrad
6: Achskegelrad
7: Stelleinrichtung
8: Kopplungselement
9: Stellelement
10: Aktor
11: Schwenkachse
12: Druckring
13: Drehachse
14: Federelement
15: Schneckenrad
16: Verzahnungsabschnitt
17: Sicherungseinrichtung
18: Sicherungselement
19: Sicherungsabschnitt
20,21: Fläche
22: Podest

Claims

Kopplungseinrichtung (1) für ein Differential (2) eines Kraftfahrzeugs, welches Differential (2) ein Antriebsrad (3) und einen inneren Differentialkorb (4) aufweist, der zumindest abschnittsweise wenigstens zwei Ausgleichskegelräder (5) und zwei Achskegelräder (6) umgibt, wobei eine Stelleinrichtung (7) dazu ausgebildet ist, in einem gekoppelten Zustand ein Kopplungselement (8), insbesondere eine Schiebemuffe, mittels der Stelleinrichtung (7), insbesondere mittels eines Stellelements (9), in einen Kopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb (4) mit dem Antriebsrad (3) zu koppeln und in einem entkoppelten Zustand das Kopplungselement (8) mittels eines Stellelements (9) in einen Entkopplungszustand zu bewegen, um den inneren Differentialkorb (4) von dem Antriebsrad (3) zu entkoppeln, gekennzeichnet durch eine Sicherungseinrichtung (17), die dazu ausgebildet ist, das Kopplungselement (8) in dem Kopplungszustand und/oder dem Entkopplungszustand gegen eine von einem Federelement (14) auf das Kopplungselement (8) bewirkte Federkraft zu sichern.
Kopplungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (7) wenigstens einen Aktor (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, das Kopplungselement (8), insbesondere eine Schiebemuffe, mittels des Stellelements (9), insbesondere einer Schaltwippe, gegen eine von dem wenigstens einen Federelement (14) bewirkte Auslegekraft in den Kopplungszustand oder gegen eine von dem wenigstens einen Federelement (14) bewirkte Einlegekraft in den Entkopplungszustand zu bewegen.
Kopplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung (17) wenigstens ein kraftbeaufschlagtes Sicherungselement (18), insbesondere einen Pin oder einen Bolzen, aufweist, das an einem mit dem Kopplungselement (8) koppelbaren oder gekoppelten Sicherungsabschnitt (19), insbesondere des Stellelements (9), anliegt.
Kopplungseinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, die Sicherung des Sicherungsabschnitt (19) durch eine durch den Aktor (10) erzeugte Bewegung des Sicherungsabschnitts (19) zu lösen.
Kopplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsabschnitt (19) an dem Stellelement (9) angeordnet ist und wenigstens zwei Flächen (20, 21) mit unterschiedlichen Ausrichtungen aufweist, insbesondere zwei Rampen mit einem dazwischen angeordneten Podest (22).
Kopplungseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Flächen (20, 21) unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf eine Sicherungsachse des Sicherungselements (18) angeordnet sind.
Kopplungseinrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem gesicherten Zustand zugeordnete Fläche (20, 21) unter einem ersten Winkel, insbesondere 40° - 75°, gegenüber der Sicherungsachse des Sicherungselements (18) und die andere Fläche (20, 21) unter einem zweiten Winkel, insbesondere 20° - 40°, angeordnet ist, wobei der erste Winkel größer als der zweite Winkel ist.
Kopplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (7), insbesondere das Kopplungselement (8) und das Federelement (14), innerhalb des Antriebsrads (3) angeordnet sind.
Getriebeeinrichtung, insbesondere ein Differential (2), umfassend eine Kopplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Elektrische Achse für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrischen Maschine und eine Getriebereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung nach dem vorangehenden Anspruch ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Achse nach Anspruch 10.