DE102022101050A1

DE102022101050A1 - Radentkopplungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug in bistabiler Ausführung

Info

Publication number: DE102022101050A1
Application number: DE102022101050.3A
Authority: DE
Inventors: Elmar Lorenz; Stefan Reichert; Christoph Raber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023138717A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radentkopplungsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebselement (4), einem Abtriebselement (5), einer verschiebbar angeordneten, mit dem Antriebselement (4) und dem Abtriebselement (5) drehfest verbindbaren Schaltmuffe (6), und einer verstellend auf die Schaltmuffe (6) einwirkenden Betätigungseinrichtung (7), wobei die Betätigungseinrichtung (7) ferner ein Rampensystem (8) aufweist und das Rampensystem (8) derart ausgebildet ist, dass bei einem Verdrehen eines Verstellzahnrades (9) ein axialfest an der Schaltmuffe (6) abgestützter Schiebering (10) axial zwischen einer ersten Stellung, in der das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) rotatorisch voneinander entkoppelt sind, und einer zweiten Stellung, in der die Schaltmuffe (6) das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) formschlüssig rotatorisch miteinander verbindet, verschoben wird, und wobei eine Lagesicherungseinrichtung (30) vorhanden ist, die den Schiebering (10) sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung axial sichert. Zudem betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit (20) mit dieser Radentkopplungsvorrichtung (1).

Description

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.
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 zudem möglichst kompakt aufgebaut und zugleich schnell sowie präzise ansteuerbar sein. Auch eine Funktionssicherheit soll gegeben sein.
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. Die Betätigungseinrichtung weist ferner ein Rampensystem auf. Das Rampensystem ist derart ausgebildet, dass bei einem Verdrehen eines Verstellzahnrades ein axialfest an der Schaltmuffe abgestützter Schiebering axial zwischen einer ersten Stellung, in der das Antriebselement und das Abtriebselement rotatorisch voneinander entkoppelt sind, und einer zweiten Stellung, in der die Schaltmuffe das Antriebselement und das Abtriebselement formschlüssig rotatorisch miteinander verbindet, verschoben wird. Des Weiteren ist eine Lagesicherungseinrichtung vorhanden, die den Schiebering sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung axial sichert / abstützt.
Dadurch wird eine formschlüssig wirkende Radentkopplungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen geringen Bauraumbedarf aufweist und 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. Zudem ist die Kupplung bistabil wirkend ausgeführt, d.h., dass sie sowohl in ihrer geöffneten Stellung als auch in ihrer geschlossenen Stellung bei einem Ausfall einer Betätigung verlässlich funktioniert.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn die Lagesicherungseinrichtung eine Vorspannfedereinheit aufweist. Somit ist die Lagesicherungseinrichtung möglichst robust und verlässlich in ihrer Funktionsweise ausgebildet.
Ist die Vorspannfedereinheit derart eingesetzt, dass der Schiebering in die erste Stellung vorgespannt ist, wird die Lagesicherung des Schieberings seitens der ersten Stellung durch einfache Mittel realisiert.
In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn die Vorspannfedereinheit mindestens ein Federelement aufweist, das zwischen einem Gehäuse und der Schaltmuffe wirkend eingesetzt / eingespannt ist. Bevorzugt weist die Vorspannfedereinheit mehrere in Reihe aneinander anliegende Federelemente, weitere bevorzugt mehrere Wellfedern, auf. Das ermöglicht ebenfalls eine kompakte Bauweise.
Zudem ist es von Vorteil, wenn das Rampensystem selbstlösend umgesetzt ist. Weiter bevorzugt ist das Rampensystem derart selbstlösend ausgebildet, dass bei Wegfall eines das Verstellzahnrad im Betrieb antreibenden Drehmomentes (/ bei Unterschreiten eines bestimmten das Verstellzahnrad im Betrieb antreibenden Drehmomentes) der Schiebering außerhalb / beabstandet zu der zweiten Stellung selbsttätig (durch die Vorspannfedereinheit) in die erste Stellung zurückgeschoben wird. Dadurch wird die Funktionssicherheit weiter erhöht.
Für einen möglichst verschleißarmen Betrieb des Rampensystems ist es zudem zuträglich, wenn das Verstellzahnrad und der Schiebering über einen (weiter bevorzugt über mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete), etwa als Kugeln ausgeformten, Wälzkörper in axialer Richtung aneinander abgestützt sind. Weiter bevorzugt liegt der Wälzkörper unmittelbar an einer (vorzugsweise in Umfangsrichtung kontinuierlich ansteigenden) Rampenkontur des Verstellzahnrades und/oder einer (vorzugsweise in Umfangsrichtung kontinuierlich ansteigenden) Rampenkontur des Schieberings an und in Umfangsrichtung im Anschluss an die zumindest eine Rampenkontur ist ein Halteabschnitt vorgesehen, durch den der Wälzkörper in der zweiten Stellung des Schieberings formschlüssig und/oder reibkraftschlüssig vor einem Weiterrollen gesichert / blockiert ist.
Ist der Halteabschnitt direkt in eine den Wälzkörper aufnehmende Laufbahn (des Schieberings oder des Verstellzahnrades) integriert, wird der Aufbau weiter vereinfacht.
Als zweckmäßig hat es sich in diesem Zusammenhang auch herausgestellt, dass der Halteabschnitt eine gegenüber der zumindest einen Rampenkontur reduzierte Steigung oder keine Steigung in Umfangsrichtung aufweist (vorzugsweise als 0°-Flanke ausgebildet).
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Halteabschnitt eine Vertiefung / Mulde in der den Wälzkörper aufnehmenden Laufbahn aufweist, in welche Vertiefung der Wälzkörper formschlüssig einrastbar ist. Dadurch ist eine möglichst verschleißarme Arretierung des Wälzkörpers ausgeführt.
Ist der Schiebering mittels einer Federeinheit an der Schaltmuffe abgestützt, ist das Rampensystem wiederum mit einer bestimmten axialen Vorspannkraft beaufschlagt, was den Verschleiß weiter reduziert.
Ist das Verstellzahnrad, vorzugsweise mittels eines Axiallagers, axialfest an einem Gehäuse abgestützt, ist die Betätigungseinrichtung stabil in dem Gehäuse aufgenommen.
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.
Ist das Verstellzahnrad durch einen elektrischen Aktor angetrieben, findet eine möglichst effiziente Betätigung der Radentkopplungsvorrichtung im Betrieb des Kraftfahrzeuges statt.
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.
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. Eine Bistabilität wird durch ein Rampensystem und eine Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit) realisiert. Ist die Kupplung (Radentkopplungsvorrichtung) geöffnet, d.h. die Schaltmuffe ist (nur) im Eingriff mit der Tripode (Antriebswelle), wird die Schaltmuffe durch die Kraft des Wellfederpakets (Vorspannfedereinheit) in diesem stabilen Zustand gehalten. Wird der Rampenmechanismus (Rampensystem) durch das Stirnradgetriebe (Verstellzahnrad) aktuiert, wird die Schaltmuffe verschoben und in Eingriff mit der abtriebsseitigen Nabenverzahnung (zweite Gegenverzahnung) gebracht. Kommt es zum Ausfall während des Schließens der Kupplung, wird die Schaltmuffe durch das Wellfederpaket wieder in den geöffneten Zustand (erste Stellung) positioniert. Das Stirnradgetriebe ist nicht selbsthemmend ausgelegt, wodurch der Rückstellvorgang nicht blockiert wird. Um die Kupplung im geschlossenen Zustand bei Ausfall geschlossen zu halten, stehen zwei verschiedene Varianten zur Verfügung. In einer ersten Variante ändert sich am Ende der Kugellaufbahnen (Rampenkonturen) die Steigung der Rampe zu 0° (Endlage ohne Steigung). Das entspricht einem ebenen Plateau, auf dem die Kugel (Wälzkörper) im geschlossenen Zustand verharrt. Aufgrund der Anordnung der Radentkopplungsvorrichtung direkt am Rad und die damit verbundenen, ungedämpften, mechanischen Belastungen sieht eine zweite Variante eine Endlage mit Kuhle (Vertiefung) für die Kugel vor. Sobald die Kugeln in die Kuhlen am Ende der Laufbahnen (/ Rampenkonturen) eingerastet sind, bleibt die Kupplung auch bei Ausfall geschlossen (zweite Stellung). Hierbei werden im Vergleich zur ersten Variante die Kugeln form- und nicht reibschlüssig in Position gehalten. Durch Drehzahlumkehr und Motormoment des E-Motors (Aktor), kann die Rampe / das Verstellzahnrad zurückgedreht und die Radentkopplungsvorrichtung ausgekuppelt werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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 perspektivische Darstellung einer eine Radentkopplungsvorrichtung nach 1 aufweisenden Antriebseinheit, wobei ein die Radentkopplungsvorrichtung betätigender Aktor mit dargestellt ist,
3 eine Längsschnittdarstellung der Radentkopplungsvorrichtung nach 1 im Bereich eines Zahnkontaktes zwischen einem Verstellzahnrad und eines mit dem Aktor in Wirkzusammenhang stehenden, weiteren Zahnrad, wobei sich die Radentkopplungsvorrichtung wiederum in dem Entkoppelzustand befindet,
4 eine weitere Längsschnittdarstellung der Radentkopplungsvorrichtung nach 1, wobei sich die Radentkopplungsvorrichtung nun in einem Koppelzustand / geschlossenen Zustand befindet,
5 eine perspektivische Darstellung des in den 1 bis 4 eingesetzten Verstellzahnrades, wobei eine einen Wälzkörper in einem geschlossenen Zustand der Radentkopplungsvorrichtung sichernde Vertiefung in einer Laufbahn des Verstellzahnrades zu erkennen ist, sowie
6 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführung des Verstellzahnrades im Vergleich zu der in 5 gezeigten Variante, wobei die Laufbahn des Verstellzahnrades nun lediglich einen Abschnitt aufweist, der keine Steigung (in Umfangsrichtung) aufweist.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombiniert werden.
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.
Zudem ist zu erkennen, dass ein Gehäuse 14 der Radentkopplungsvorrichtung 1 unmittelbar in einem Achsschenkel 19 einer Radaufhängung aufgenommen / integriert ist.
Mit den gegenständlich 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.
Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist in den 1 und 2 in einem Entkoppelzustand / geöffneten Zustand und in 3 in einem Koppelzustand / geschlossenen Zustand dargestellt. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist als eine formschlüssig wirkende Kupplung / Formschlusskupplung ausgeführt.
Die Radentkopplungsvorrichtung 1 weist eine Schaltmuffe 6 auf, die relativ zu einem als Antriebselement 4 bezeichneten Endbereich der Antriebswelle 3 und einem als Abtriebselement 5 bezeichneten Endbereich 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.
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 Vorspannfedereinheit 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.
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.
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.
Bei Betrachtung der 1 bis 3 sei erwähnt, dass sowohl das Verstellzahnrad 9 als auch der Schiebering 10 Rampenkonturen 11 a, 11b ausbilden, die unmittelbar die Laufbahn 34 für die Wälzkörper 12 mit ausbilden. Jede Rampenkontur 11 a, 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.
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 / geführt.
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 Federeinheit 25 (hier aufweisend zumindest eine Wellfeder) an der Schaltmuffe 6 radial außerhalb eines die Verzahnung 16 aufweisenden Hülsenbereiches 15 abgestützt. Der Schiebering 10 wird demnach wie auch die Schaltmuffe 6 zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung verschoben.
Axial entgegengesetzt zu dem Schiebering 10 ist die Schaltmuffe 6 weiterhin relativ zu dem Gehäuse 14 federvorgespannt. Hierzu ist die Vorspannfedereinheit 13 vorhanden, die dazu dient, die Schaltmuffe 6 mit einer axialen Vorspannung in Richtung des Verstellzahnrades 9 zu drücken.
Diese Vorspannfedereinheit 13 bildet eine erfindungsgemäß Lagesicherungseinrichtung 30 mit aus, die den Schiebering 10 und folglich auch die Schaltmuffe 6 in die erste Stellung vorgespannt, d.h. in der ersten Stellung axial sichert / abstützt. Das Rampensystem 8 ist dabei selbstlösend ausgebildet, sodass bei Wegfall eines das Verstellzahnrad 9 im Betrieb antreibenden Drehmomentes der Schiebering 10 außerhalb der zweiten Stellung, d.h. in jeglicher Zwischenstellung axial zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung, selbsttätig in die erste Stellung zurückgeschoben wird.
Die Vorspannfedereinheit 13 weist mindestens ein Federelement 31, hier gar mehrere axial in Reihe zueinander angeordnete Federelemente 31 in Form von Wellfedern auf, die axial zwischen dem Gehäuse 14 und der Schaltmuffe 6 wirkend eingesetzt sind.
Es sei in diesem Zusammenhang auch darauf hingewiesen, dass sowohl die Vorspannfedereinheit 13 als auch die Federeinheit 25 jedoch auch andere mechanische Federn, wie Spiralfedern, Tellerfedern oder Federpakete aufweisen können.
Die Vorspannfedereinheit 13 ist mittels eines (zweiten) Axiallagers 24b an der Schaltmuffe 6 abgestützt. Die Vorspannfedereinheit 13 ist somit im Wesentlichen gehäusefest aufgenommen und die Schaltmuffe 6 relativverdrehbar zu der Vorspannfedereinheit 13 gelagert / abgestützt. Die Vorspannfedereinheit 13 ist der Übersichtlichkeit halber in 4 mit einer reduzierten Anzahl an Wellfedern gegenüber 1 und 2 dargestellt.
Die Lagesicherungseinrichtung 30 ist in dieser Ausführung gar bistabil ausgeführt und sichert den Schiebering 10 und folglich auch die Schaltmuffe 6 nicht nur in deren ersten Stellung, sondern auch in der zweiten Stellung. Erreicht der Schiebering 10 die zweite Stellung wird dieser wiederum selbsttätig in dieser zweiten Stellung arretiert, sodass der Schiebering 10 bei Wegfall des das Verstellzahnrad 9 im Betrieb antreibenden Drehmomentes in der zweiten Stellung verweilt.
Allgemein ist hierzu ein in 5 näher zu erkennender (erster) Halteabschnitt 32 vorhanden, durch den einer der Wälzkörper 12 in der zweiten Stellung des Schieberings 10 formschlüssig vor einem Weiterrollen entlang der Laufbahn 34 gesichert / gehindert wird. Der (erste) Halteabschnitt 32 ist direkt in die den Wälzkörper 12 aufnehmende Laufbahn 34 integriert. Der (erste) Halteabschnitt 32 ist in dieser Ausführung in dem Verstellzahnrad 9 ausgeformt, kann in weiteren Ausführungen jedoch auch alternativ in dem Schiebering 10 ausgeformt sein. Der (erste) Halteabschnitt 32 weist nach 5 eine Vertiefung 35 auf, die in die Laufbahn 34 eingebracht ist. Die Vertiefung 35 ist derart dimensioniert, dass der Wälzkörper 12 in der zweiten Stellung formschlüssig (Formschluss in Umfanasrichtuna / Drehrichtuna wirkende in diese einrastet.
Dadurch, dass der Schiebering 10 über den Wälzkörper 12 in axialer Richtung an dem Verstellzahnrad 9 abgestützt ist, befindet sich der Wälzkörper 12 permanent und unmittelbar sowohl an der ersten Rampenkontur 11a des Verstellzahnrades 9 als auch an der zweiten Rampenkontur 11b des Schieberings 10 in Anlage. Der (erste) Halteabschnitt 32 mit der Vertiefung 35 schließt direkt an die erste Rampenkontur 11a an, sodass der Wälzkörper 12 in der zweiten Stellung in die Vertiefung 35 einrastest und demnach relativ zu dem Verstellzahnrad 9 (mit einer bestimmten Haltekraft) blockiert ist.
Gemäß 6 kann der (erste) Halteabschnitt 32 alternativ durch einen (zweiten) Halteabschnitt 33 ersetzt werden, der in der zweiten Stellung des Schieberings 10 den Wälzkörper 12 im Wesentlichen durch reibkraftschlüssige Abstützung vor einem Weiterrollen blockiert. In dieser Ausführung ist der zweite Halteabschnitt 33 mit einer gegenüber der ersten Rampenkontur 11a reduzierten Steigung, bzw. gar keiner Steigung in Umfangsrichtung / unter Ausbildung einer 0°-Flanke. ausgebildet. Auch dadurch wird somit die zweite Stellung des Schieberings 10 / der Schaltmuffe 6 gesichert.
In Verbindung mit 2, in der eine gesamte Antriebseinheit 20 angedeutet ist, sei darauf hingewiesen, dass das Verstellzahnrad 9 bevorzugt über ein durch einen elektrischen Aktor 18 antreibbares / angetriebenes Zahnrad 21 verstellbar ist. Der Aktor 18 ist als ein rein elektrischer Aktor 18 (Drehmotor) ausgebildet. Das Zahnrad 21 greift bevorzugt unmittelbar in eine Verzahnung, hier als Außenverzahnung 36 ausgebildet, des Verstellzahnrades 9 ein. Das Zahnrad 21 ist hier als Zwischenzahnrad ausgeführt und befindet sich mit einem auf einer Rotorwelle des Aktors 18 befindlichen Ritzel 37 in Zahneingriff. Der Aktor 18 treibt folglich über ein Getriebe 38 (hier in Form eines Stirnradgetriebes), zu dem das Zahnrad 21, das Ritzel 37 und die Außenverzahnung 36 gehören, das Verstellzahnrad 9 an.
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.
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.
Mit anderen Worten ausgedrückt, erfolgt in der erfindungsgemäßen Radentkopplungsvorrichtung zum Schalten / Verstellen dieser ein Verschieben einer Schaltmuffe 6 durch eine Rampengeometrie (Rampenkonturen 11a, 11 b). Insbesondere ist eine Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit 13) zum schnellen Überbrücken des Kraftschlusses der reifennahen Radentkopplungsvorrichtung 1 vorhanden. Auch dient eine weitere Rückstellfeder (Federeinheit 25) zur Zentrierung der Rampeneinheit (Rampensystem 8). Die Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit 13) für die Entkopplungs- / Trennfunktion ist auch durch eine Tellerfeder, ein Federpaket oder durch eine Spiralfeder möglich.
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 34 (aufweisend Rampenkonturen 11 a, 11b) der Kugeln können dabei entsprechend dem benötigten Verfahrweg ausgelegt werden.
Die Aktuierung des Rampensystems 8 erfolgt über einen Elektromotor (Aktor 18) mit Stirnradgetriebe (Getriebe 38), welches in das Verstellzahnrad 9 eingreift. Die axial verschiebbare Rampe (Schiebering 10) ist verdrehfest im Gehäuse 14 der Radentkopplungsvorrichtung 1 durch eine Verzahnung fixiert. Wird das Verstellzahnrad 9 aktuiert, werden die Kugeln aufgrund der schraubenförmigen Laufbahnen 34 axial verschoben. Die drehfeste Lagerung der Rampe (Schiebering 10) 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.
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 (Federeinheit 25) integriert, um eine definierte Nachgiebigkeit im Fall eines Zahn-auf-Zahn-Kontaktes zu gewährleisten.
Das Rampensystem 8 benötigt eine axiale Vorspannung, welche über ein Wellfederpaket (Vorspannfedereinheit 13) realisiert ist. Die Wellfeder (Vorspannfedereinheit 13) ist im Gehäuse 14 positioniert und über ein weiteres Axiallager / Axialnadellager (zweites Axiallager 24b) mit der Schaltmuffe 6 verbunden. Wird die Schaltmuffe 6 durch den Aktor 18 geöffnet, entspannt sich das Wellfederpaket (Vorspannfedereinheit 13) und schiebt die Schaltmuffe 6 in den Ausgangszustand (Entkopplungszustand) zurück.
Eine erfindungsgemäße Bistabilität wird durch das Rampensystem 8 und die Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit 13) realisiert. Ist die Kupplung geöffnet, d.h. die Schaltmuffe 6 ist im Eingriff mit der Tripode (Antriebswelle 3), wird die Schaltmuffe 6 durch die Kraft des Wellfederpakets (Vorspannfedereinheit 13) in diesem stabilen Zustand gehalten. Wird der Rampenmechanismus durch das Stirnradgetriebe aktuiert, wird die Schaltmuffe 6, wie obenstehend beschrieben, verschoben und in Eingriff mit der abtriebsseitigen Nabenverzahnung (zweite Gegenverzahnung 17b) gebracht. Kommt es zum Ausfall während des Schließens der Kupplung, wird die Schaltmuffe 6 durch das Wellfederpaket wieder in den geöffneten Zustand (Entkoppelzustand) positioniert. Das Stirnradgetriebe ist nicht selbsthemmend ausgelegt, wodurch der Rückstellvorgang nicht blockiert wird.
Um die Kupplung im geschlossenen Zustand (Koppelzustand) bei Ausfall geschlossen zu halten, stehen zwei verschieden Varianten zur Verfügung. Am Ende der Kugellaufbahnen (d.h. an einem Endbereich der Laufbahnen 34 in Umfangsrichtung) ändert sich die Steigung der Rampe (hier der ersten Rampenkontur 11a) zu 0° (Endlage ohne Steigung). Das entspricht einem ebenen Plateau, auf dem die Kugel im geschlossenen Zustand verharrt. Aufgrund der Anordnung der Radentkopplungsvorrichtung 1 direkt am Rad und der damit verbundenen, ungedämpften, mechanischen Belastungen sieht die weitere Variante eine Endlage mit Kuhle (Vertiefung 35) für die Kugel vor. Sobald die Kugeln in die Kuhlen am Ende der Laufbahnen 34 eingerastet sind, bleibt die Kupplung auch bei Ausfall geschlossen. Hierbei werden im Vergleich zur ersten Variante die Kugeln formschlüssig und nicht reibschlüssig in Position gehalten. Durch Drehzahlumkehr und Motormoment des E-Motors, kann die Rampe (Verstellzahnrad 9) zurückgedreht und die Radentkopplungsvorrichtung 1 ausgekuppelt werden.
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.
Bezugszeichenliste

1: Radentkopplungsvorrichtung
2: Radnabe
3: Antriebswelle
4: Antriebselement
5: Abtriebselement
6: Schaltmuffe
7: Betätigungseinrichtung
8: Ram pensystem
9: Verstellzahnrad
10: Schiebering
11a: Rampenkontur des Verstellzahnrades
11b: Rampenkontur des Schieberings
12: Wälzkörper
13: Vorspannfedereinheit
14: Gehäuse
15: Hülsenbereich
16: Verzahnung
17a: erste Gegenverzahnung
17b: zweite Gegenverzahnung
18: Aktor
19: Achsschenkel
20: Antriebseinheit
21: Zahnrad
22: Verbindungsbereich
23: Drehachse
24a: erstes Axiallager
24b: zweites Axiallager
24c: drittes Axiallager
25: Federeinheit
26: Dichtung
27: statische Dichtung
28: Radialwellendichtring
29a: erstes Teil des Gehäuses
29b: zweites Teil des Gehäuses
30: Lagesicherungseinrichtung
31: Federelement
32: erster Halteabschnitt
33: zweiter Halteabschnitt
34: Laufbahn
35: Vertiefung
36: Außenverzahnung
37: Ritzel
38: Getriebe

Claims

Radentkopplungsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebselement (4), einem Abtriebselement (5), einer verschiebbar angeordneten, mit dem Antriebselement (4) und dem Abtriebselement (5) drehfest verbindbaren Schaltmuffe (6), und einer verstellend auf die Schaltmuffe (6) einwirkenden Betätigungseinrichtung (7), wobei die Betätigungseinrichtung (7) ferner ein Rampensystem (8) aufweist und das Rampensystem (8) derart ausgebildet ist, dass bei einem Verdrehen eines Verstellzahnrades (9) ein axialfest an der Schaltmuffe (6) abgestützter Schiebering (10) axial zwischen einer ersten Stellung, in der das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) rotatorisch voneinander entkoppelt sind, und einer zweiten Stellung, in der die Schaltmuffe (6) das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) formschlüssig rotatorisch miteinander verbindet, verschoben wird, und wobei eine Lagesicherungseinrichtung (30) vorhanden ist, die den Schiebering (10) sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung axial sichert.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagesicherungseinrichtung (30) eine Vorspannfedereinheit (13) aufweist.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfedereinheit (13) derart eingesetzt ist, dass der Schiebering (10) in die erste Stellung vorgespannt ist.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfedereinheit (13) mindestens ein Federelement (31) aufweist, das zwischen einem Gehäuse (14) und der Schaltmuffe (6) wirkend eingesetzt ist.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rampensystem (8) derart selbstlösend ausgebildet ist, dass bei Wegfall eines das Verstellzahnrad (9) im Betrieb antreibenden Drehmomentes der Schiebering (10) außerhalb der zweiten Stellung selbsttätig in die erste Stellung zurückgeschoben wird.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellzahnrad (9) und der Schiebering (10) über einen Wälzkörper (12) in axialer Richtung aneinander abgestützt sind, wobei der Wälzkörper (12) unmittelbar an einer Rampenkontur (11a) des Verstellzahnrades (9) und/oder einer Rampenkontur (11b) des Schieberings (10) anliegt und in Umfangsrichtung im Anschluss an die zumindest eine Rampenkontur (11a, 11b) ein Halteabschnitt (32, 33) vorgesehen ist, durch den der Wälzkörper (12) in der zweiten Stellung des Schieberings (10) formschlüssig und/oder reibkraftschlüssig vor einem Weiterrollen gesichert ist.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (32, 33) direkt in eine den Wälzkörper (12) aufnehmende Laufbahn (34) integriert ist.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (33) eine gegenüber der zumindest einen Rampenkontur (11b, 11a) reduzierte Steigung oder keine Steigung in Umfangsrichtung aufweist.
Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (32) eine Vertiefung (35) in der den Wälzkörper (12) aufnehmenden Laufbahn (34) aufweist, in welche Vertiefung (35) der Wälzkörper (12) formschlüssig einrastbar ist.
Antriebseinheit (20) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Antriebswelle (3), einer Radnabe (2) und einer in einem Achsschenkel (19) aufgenommenen Radentkopplungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Antriebselement (4) der Radentkopplungsvorrichtung (1) mit der Antriebswelle (3) verbunden ist oder unmittelbar durch die Antriebswelle (3) ausgebildet ist und das Abtriebselement (5) der Radentkopplungsvorrichtung (1) mit der Radnabe (2) verbunden ist oder unmittelbar durch die Radnabe (2) ausgebildet ist.