DE102022114373B3

DE102022114373B3 - Kopplungseinheit zum Koppeln und Entkoppeln zweier Antriebselemente eines Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE102022114373B3
Application number: DE102022114373.2A
Authority: DE
Inventors: Dominik Müßle; Elmar Lorenz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2042-06-09

Abstract

Kopplungseinheit zum Koppeln und Entkoppeln zweier zur Übertragung eines Drehmoments vorgesehener Antriebselemente (7) eines Antriebsstrangs (2) für ein Kraftfahrzeug (1), umfassend eine Schaltmuffe (12), die mit einem Kolben (16) derart bewegungsgekoppelt ist, dass eine Längsverschiebung des Kolbens (16) von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung das Überführen der Schaltmuffe (12) von einer Entkopplungsstellung, in der die Antriebselemente (7) entkoppelt sind, in eine Kopplungsstellung, in der sie die Antriebselemente (7) koppelt, bewirkt und umgekehrt, wobei ein Mitnehmerabschnitt (38) der Schaltmuffe (12) zwischen wenigstens einem ersten Mitnehmerelement (20) und wenigstens einem zweiten Mitnehmerelement (21), die als separate Bauteile an dem Kolben (16) befestigt sind, angeordnet ist, so dass das erste Mitnehmerelement (20) die Schaltmuffe (12) beim Überführen des Kolbens (16) von der ersten in die zweite Stellung in die Kopplungsstellung mitnimmt und das zweite Mitnehmerelement (21) die Schaltmuffe (12) beim Überführen des Kolbens (16) von der zweiten in die erste Stellung in die Entkopplungsstellung mitnimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungseinheit zum Koppeln und Entkoppeln zweier zur Übertragung eines Drehmoments vorgesehener Antriebselemente eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug.
Eine solche Kopplungseinheit wird oft auch als „Disconnect Unit“ oder „Disconnect Einheit“ bezeichnet und kommt beispielsweise bei Antriebsaggregaten eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz, insbesondere in einer Antriebsachse, bei der es sich auch um eine elektrische Achse, oft e-Achse genannt, handeln kann. Die Kopplungseinheit dient dazu, Antriebselemente reversibel zu koppeln, so dass eine Übertragung eines Drehmoments von dem einen auf das andere Antriebselement erfolgen kann. Die Antriebselemente können eine motorseitige Antriebswelle, an der das Drehmoment anliegt, und eine radseitige Abtriebswelle, über die das Drehmoment auf Räder des Kraftfahrzeugs weitergeleitet wird, sein. Konkret kann die Kopplungseinheit zwischen einer Antriebseinheit, insbesondere einem Elektromotor, und einer Zwischenwelle angeordnet sein, um einen Ausgang der Antriebseinheit mit der Zwischenwelle zu koppeln. Alternativ ist eine Anordnung der Kopplungseinheit zwischen der Zwischenwelle und einem Differentialgetriebe denkbar. Weiterhin ist denkbar, dass die Kopplungseinheit zwischen einer mit einer Radnabe eines der Räder des Kraftfahrzeugs verbundenen Nabenwelle und einer zum Differentialgetriebe führenden Differentialwelle angeordnet ist. Die Kopplungseinheit kann mithin an unterschiedlichen Positionen in einem Antriebsstrang integriert sein. Dabei ist die Kopplungseinheit schaltbar, um über ein ansteuerbares Schaltmittel, also einen Aktor, eine drehmomentfeste Kopplung der Antriebselemente zu erwirken und auch wieder aufzuheben.
Als Stand der Technik wird auf die DE 10 2015 214 567 A1 , die DE 10 2008 002 252 A1 und die US 6 079 539 A verwiesen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine verbesserte Kopplungseinheit anzugeben, insbesondere hinsichtlich einer möglichst einfachen Montierbarkeit.
Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe bei einer Kopplungseinheit der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass diese eine Schaltmuffe umfasst, die mit einem Kolben derart bewegungsgekoppelt ist, dass eine Längsverschiebung des Kolbens von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung das Überführen der Schaltmuffe von einer Entkopplungsstellung, in der die Antriebselemente entkoppelt sind, in eine Kopplungsstellung, in der sie die Antriebselemente koppelt, bewirkt und umgekehrt, wobei ein Mitnehmerabschnitt der Schaltmuffe zwischen wenigstens einem ersten Mitnehmerelement und wenigstens einem zweiten Mitnehmerelement, die als separate Bauteile an dem Kolben befestigt sind, angeordnet ist, so dass das erste Mitnehmerelement die Schaltmuffe beim Überführen des Kolbens von der ersten in die zweite Stellung in die Kopplungsstellung mitnimmt und das zweite Mitnehmerelement die Schaltmuffe beim Überführen des Kolbens von der zweiten in die erste Stellung in die Entkopplungsstellung mitnimmt.
Bei der erfindungsgemäßen Kopplungseinheit koppelt und entkoppelt die Schaltmuffe die Antriebselemente. Die Schaltmuffe weist typischerweise eine Verzahnung auf, die zur Kopplung der Antriebselemente mit jeweils einer entsprechenden Verzahnung der Antriebselemente in Eingriff gebracht wird. Konkret kann die ringartige Schaltmuffe eine Innenverzahnung aufweisen, die über Außenverzahnungen der Antriebselemente schiebbar ist. Entsprechend können die Antriebselemente stirnseitig aneinander angeordnete Wellen mit identischen Rotationsachsen sein, wobei an der der jeweils anderen Welle gegenüberliegenden Stirnseite die Außenverzahnung angeordnet ist. Zum Koppeln der Wellen ist die Schaltmuffe in Längsrichtung, also entlang der gemeinsamen Rotationsachse der Wellen, die zudem auch eine Axialrichtung bzw. Rotationsachse der Schaltmuffe definiert, verschiebbar, so dass die Schaltmuffe in der Kopplungsstellung mit beiden Antriebselementen einen Formschluss ausbildet und sich die Wellen synchronisiert drehen. Zum Entkoppeln wird die Schaltmuffe zurück in die Entkopplungsstellung geschoben. In dieser Stellung bildet die Schaltmuffe nur noch mit höchstens einem der Antriebselemente einen Formschluss aus.
Zur Längsverschiebung der Schaltmuffe ist diese mit einem Kolben der Kopplungseinheit bewegungsgekoppelt bzw. an diesem angebunden. Eine Längsverschiebung des Kolbens von der ersten in die zweite Stellung bewirkt das Überführen der Schaltmuffe von der Entkopplungs- in die Kopplungsstellung und umgekehrt. Zur Längsverschiebung des Kolbens kann ein Aktor der Kopplungseinheit vorgesehen sein, mittels dem eine Schiebekraft axial bzw. entlang der Längs- bzw. Rotationsachse auf den Kolben übertragbar ist. Der Aktor ist bevorzugt ein hydraulischer Aktor umfassend den Kolben, der linear verschiebbar in einem Zylindergehäuse angeordnet sein kann. Der Kolben bzw. Abschnitte des Kolbens begrenzen mit einem Druckmedium, etwa einem Öl, gefüllte und mit Druck beaufschlagbare Druckkammern, wobei eine Druckbeaufschlagung und -minderung in den Druckkammern die Längsverschiebung des Kolbens und mithin der Schaltmuffe bewirkt. Konkrete Ausgestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich des Aktors, insbesondere der Druckkammern, sind dem Fachmann geläufig, so dass hierzu keine weiteren Details erläutert werden.
Ein Kern der vorliegenden Erfindung betrifft die Bewegungskopplung zwischen der Schaltmuffe und dem Kolben. So sind zu diesem Zweck wenigstens zwei Mitnehmerelemente vorgesehen, die jeweils eine Bewegungsübertragungsschnittstelle zwischen der Schaltmuffe und dem Kolben realisieren. Je nachdem, in welche Richtung der Kolben verschoben wird, läuft eines der beiden Mitnehmerelemente gegen den Mitnehmerabschnitt der Schaltmuffe und schiebt diese entlang der Längsrichtung in die Kopplungs- bzw. Entkopplungsstellung.
Die Mitnehmerelemente stellen bezüglich der Schaltmuffe und dem Kolben separate Komponenten dar, wodurch eine vereinfachte Montierbarkeit der erfindungsgemäßen Kopplungseinheit bewirkt wird. So kann zur Fertigung der Kopplungseinheit zunächst eines der Mitnehmerelemente an den Kolben befestigt werden. Anschließend kann die Schaltmuffe in den bevorzugt hohlen, insbesondere hohlzylinderischen, Kolben eingesetzt werden, bis diese an das bereits montierte Mitnehmerelement anstößt. Schließlich kann das andere Mitnehmerelement an den Kolben befestigt werden, so dass die Schaltmuffe in ihrer Montageposition am Kolben fixiert wird. Diese ist in der Montageposition drehbeweglich innerhalb des Kolbens angeordnet, wobei der Mitnehmerabschnitt zwischen den Mitnehmerelementen angeordnet ist.
Bevorzugt ist der Mitnehmerabschnitt ein radial nach außen vorspringender Schaltsteg bzw. Überstand der Schaltmuffe. Der Mitnehmerabschnitt kann ringartig sein, insbesondere komplett umlaufend. Die Schaltmuffe und insbesondere der Mitnehmerabschnitt kann aus einem Metall wie Stahl bestehen.
Die Mitnehmerelemente, die bevorzugt aus Kunststoff bestehen, können Gleitschuhe sein, wobei zwischen jeweils einer Kontaktfläche der beiden Gleitschuhe der Mitnehmerabschnitt der Schaltmuffe abgleitet. Der Mitnehmerabschnitt bzw. der Schaltsteg und jeder der Gleitschuhe weisen eine, sich insbesondere in Radialrichtung erstreckende, Kontaktfläche auf, die bei der Längsverschiebung des Kolbens aneinander auflaufen. Sofern die Kontaktflächen der Schaltmuffe aus Metall und die der Gleitschuhe aus Kunststoff gebildet sind, ergeben sich hinsichtlich der zwischen diesen Flächen entstehenden Reibung vorteilhafte Eigenschaften, etwa hinsichtlich einer niedrigen Verschleißwirkung.
Bevorzugt ist zwischen dem Mitnehmerabschnitt und den Mitnehmerelementen ein Bewegungsspiel vorhanden. So ist zwischen dem Mitnehmerabschnitt und dem jeweiligen Mitnehmerelement, sofern dieses die Schaltmuffe nicht aktuell in den Kopplungs- bzw. Entkopplungszustand überführt, ein Spalt vorhanden. So würde andernfalls eine Reibungswirkung zwischen der drehbeweglich innerhalb des Kolbens angeordneten Schaltmuffe und den Mitnehmerelementen, die an den drehfest im Zylindergehäuse angeordneten Kolben befestigt sind, zu einem erhöhtem Reibungsverschleiß führen. Im Innern des Zylindergehäuses, etwa zwischen dem Mitnehmerabschnitt und den Mitnehmerelementen, kann ein Kühl- bzw. Schmiermedium wie Öl vorhanden sein.
Bei der erfindungsgemäßen Kopplungseinheit ist vorgesehen, dass der Kolben wenigstens ein Langloch aufweist, in das wenigstens eines der Mitnehmerelemente zur Befestigung desselben an dem Kolben eingesetzt ist. Das Langloch weist wenigstens einen breiten Bereich und wenigstens einen engen Bereich derart aufweisen, dass zur Montage der Kopplungseinheit dieses Mitnehmerelement in den breiten Bereich einsetzbar und zur Ausbildung seiner, insbesondere formschlüssigen, Befestigung am Kolben entlang der Längsrichtung des Langlochs in den engen Bereich verschiebbar ist. Das Langloch ist eine schlitzartige Ausnehmung, die die Wand des z.B. hohlzylinderischen Kolbens durchsetzt. Das Langloch kann sich entlang der Umfangsrichtung des Kolbens erstrecken. Der breite Bereich ist ein, bezüglich des übrigen Bereichs, verbreiterte Abschnitt des Langlochs, durch den zumindest ein Abschnitt des entsprechenden Mitnehmerelements zu dessen Befestigung in Radialrichtung hindurchgeführt werden kann. So wird das entsprechende Mitnehmerelement bei der Montage der Kopplungseinheit in den breiten Bereich des Langlochs eingesetzt und anschließend entlang der Längsrichtung des Langlochs in den engen Bereich verschoben. Durch die Verschiebung bildet sich bevorzugt ein formschlüssiger Eingriff aus, bei dem z.B. der Seitenrand des sich verengenden Langlochs in eine Hinterschneidung des Mitnehmerelements eingreift. Ein in Radialrichtung erfolgendes Herausziehen des jeweiligen Mitnehmerelements aus dem Langloch ist sodann, insbesondere aufgrund des Formschlusses, nicht mehr möglich.
Der breite Bereich kann zwischen einem ersten engen Bereich und einem zweiten engen Bereich des Langlochs derart angeordnet sein, dass das erste Mitnehmerelement in den breiten Bereich einsetzbar und zur Ausbildung der Befestigung am Kolben entlang der Längsrichtung des Langlochs in den ersten engen Bereich verschiebbar ist, und dass das zweite Mitnehmerelement in den breiten Bereich einsetzbar und zur Ausbildung der Befestigung am Kolben entlang der Längsrichtung des Langlochs in den zweiten engen Bereich verschiebbar ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung dient das Langloch zur Befestigung beider Mitnehmerelemente.
Wenigstens eines der Mitnehmerelemente kann einen das Langloch durchgreifenden, im Querschnitt betrachtet insbesondere T-förmigen, Abschnitt und einen die oder eine Kontaktfläche zur Schaltmuffe aufweisenden, im Querschnitt betrachtet insbesondere L-förmigen, Abschnitt aufweisen. Insbesondere schließt sich der vertikale Balken des L-förmigen Querschnitts senkrecht an den vertikalen Balken des T-förmigen Querschnitts an. Bezüglich der L-Form sind die Querschnitte des ersten Mitnehmerelements und des zweiten Mitnehmerelements bevorzugt spiegelsymmetrisch aufgebaut, wobei die Kontaktfläche zum Mitnehmerabschnitt der Schaltmuffe an dem horizontalen Balken des L-förmigen Querschnitts ausgebildet ist.
Sofern der Kolben das Langloch gemäß obiger Beschreibung aufweist, dann kann zur Befestigung des entsprechenden Mitnehmerelements an den Kolben dessen Abschnitt mit dem L-förmigen Querschnitt durch den breiten Bereich des Langlochs von außen in Radialrichtung nach innen eingesteckt werden, so dass der Vertikalbalken der T-Form des Querschnitts das Langloch durchgreift. Anschließend wird das Mitnehmerelement in Längsrichtung des Langlochs verschoben, wobei die Seitenwände des beim Verschieben des Mitnehmerelements enger werdenden Langlochs in den eine Hinterschneidung bildenden Abschnitt zwischen der T- und der L-Form des Querschnitts des Mitnehmerelements eingreifen, wodurch das Mitnehmerelement am Kolben befestigt wird.
Bevorzugt weist wenigstens eines der Mitnehmerelemente einen sich entlang der Umfangsrichtung des Kolbens erstreckenden Rastarm mit einem Rastvorsprung auf, der bei der zur Montage der Kopplungseinheit erfolgenden Verschiebung dieses Mitnehmerelements entlang der Längsrichtung des Langlochs bei Erreichen der Montagestellung in eine neben dem Langloch angeordnete Rastvertiefung einrastet. Durch die entsprechend realisierte Rastverbindung wird dieses Mitnehmerelement bezüglich der Längsverschiebung im Langloch fixiert. Dieses Mitnehmerelement bzw. der Rastarm besteht aus einem zur Ermöglichung der Rastwirkung elastischen Material, etwa einem Kunststoff.
Bezüglich des Kolbens kann vorgesehen sein, dass dieser einen sich entlang der Umfangsrichtung des Kolbens erstreckenden Federarm aufweist, an dem wenigstens eines der Mitnehmerelemente befestigt ist. Durch eine mittels des Federarms realisierte Federwirkung wird eine entsprechende Elastizität des Kolbens bezüglich der Axialrichtung bzw. Mitnahme der Schaltmuffe realisiert. Diese Elastizität ist besonders dann vorteilhaft, wenn beim Verschieben der Schaltmuffe in die Kopplungsstellung bzw. beim Schließen der Kopplungseinheit ein Zahn-auf-Zahn-Kontakt zwischen der Verzahnung der Schaltmuffe und der Verzahnung des Antriebselements auftritt. Hierbei läuft die Stirnfläche der Innenverzahnung der Schaltmuffe, wenn die Verzahnungen nicht im Eingriffsmoment auf Lücke zueinanderstehen, auf die Stirnfläche der Außenverzahnung des Antriebselements auf, was zu einer hohen mechanischen Beanspruchung des Schaltsystems führt. Die entstehende Feder- und mithin Dämpfungswirkung des Federarms führt in diesem Fall dazu, dass sich der Eingriffsvorgang verzögert, bis die Verzahnungen auf Lücke zueinanderstehen und die Innenverzahnung der Schaltmuffe in die Außenverzahnung des entsprechenden Antriebselements einläuft.
Zur Ausbildung des Federarms kann der hohlzylinderische Kolben eine L-förmige Ausnehmung aufweisen. Einer der Balken dieser L-Form kann sich in Längsrichtung bis zur Kolbenstirnseite und der jeweils andere Balken entlang der Radialrichtung des Kolbens erstrecken.
Denkbar ist, dass mehrere sich entlang der Umfangsrichtung des Kolbens erstreckende Federarme vorgesehen sind. An jedem der Federarme kann ein erstes und ein zweites Mitnehmerelement als jeweils separates Bauteil angeordnet sein. Beispielsweise sind entlang des Umfangs des Kolbens drei Federarme vorgesehen, so dass jeder der Federarme, inklusive einem entsprechenden Abstand zum nächsten Federarm, einen Winkelbereich von 120° abdeckt und insgesamt sechs Mitnehmerelemente vorgesehen sind. In dieser Ausführungsform wird die Schaltmuffe zur gleichmäßigen Bewegungsführung über mehrere Stellen entlang ihres Umfangs von mehreren Mitnehmerelementen in die Kopplungs- bzw. Entkopplungsstellung mitgenommen.
Grundsätzlich ist denkbar, dass der Federarm ein freies Ende und ein festes Ende, an dem der Federarm an einem Hauptabschnitt des Kolbens angebunden ist, aufweist, wobei das erste Mitnehmerelement am freien Ende und das zweite Mitnehmerelement am festen Ende befestigt ist. Die oben beschriebene Federwirkung des Federarms tritt somit nur dann ein, wenn das an dem freien Ende des Federarms befindende erste Mitnehmerelement die Schaltmuffe in die Kopplungsstellung mitnimmt, also beim Schließen der Kopplungseinheit. So tritt die oben beschriebene Problematik des Zahn-auf-Zahn-Kontakts nur beim Schließen der Kopplungseinheit auf. Entsprechend ist die vorteilhafte Federwirkung des Federarms nur in dieser Situation erforderlich. Beim Öffnen der Kopplungseinheit, also wenn das zweite Mitnehmerelement die Schaltmuffe von der Kopplungsstellung in die Entkopplungsstellung mitnimmt, tritt diese Problematik nicht auf.
Zur Befestigung des Mitnehmerelements bzw. der Mitnehmerelemente am Federarm kann das oben beschriebene Langloch an dem Kolben vorgesehen sein, das sich insbesondere entlang der Längsrichtung des Federarms erstreckt.
Bei der erfindungsgemäßen Kopplungseinheit kann die oder eine Kontaktfläche des an dem oder einem freien Ende des Federarms befestigten Mitnehmerelements, die bei der Verschiebung des Kolbens mit der Schaltmuffe in Kontakt kommt, bezogen auf die Umfangsrichtung des Kolbens schräg und/oder gerundet verlaufen. So würde ein gerader Verlauf dieser Kontaktfläche bewirken, dass während der Mitnahme der Schaltmuffe durch das Mitnehmerelement ein Einfedern des Federarms und mithin eine Schief- bzw. Schrägstellung dieser Kontaktfläche zum Mitnehmerabschnitt entsteht. Der Mitnehmerabschnitt und das jeweilige Mitnehmerelement würden folglich nur noch an einer seitlichen Kante der Kontaktfläche aneinander liegen, so dass kein Flächen-, sondern ein Linienkontakt entsteht und zudem eine Verkürzung der effektiven Hebellänge des Federarms eintritt, was die oben beschriebene vorteilhafte Federwirkung des Federarms abschwächt. Durch die schräg bzw. bevorzugt gerundete und mithin „ballige“ Ausführung der Kontaktfläche des Mitnehmerelements wird dieser nachteilige Effekt verhindert bzw. zumindest abgeschwächt.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem einen Antriebsstrang mit einer Kopplungseinheit gemäß der vorangehenden Beschreibung. Sämtliche im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kopplungseinheit erläuterten Merkmale und Vorteile sind auf den erfindungsgemäßen Antriebsstrang übertragbar und umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Antriebsstrang gemäß dem vorangehenden Absatz. Sämtliche Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs und der erfindungsgemäßen Kopplungseinheit sind auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang umfassend zwei erfindungsgemäße Kopplungseinheiten,
2 eine der Kopplungseinheiten des Kraftfahrzeugs der 1, bei der sich eine Schaltmuffe in einer Entkopplungsstellung befindet,
3 die Kopplungseinheit aus 2, wobei sich die Schaltmuffe in einer Kopplungsstellung befindet,
4 ein erstes und ein zweites Mitnehmerelement der Kopplungseinheit der 2 und 3
5 - 7 ein Kolben der Kopplungseinheit der 2 und 3, an dem das erste Mitnehmerelement der 4 befestigt wird,
8 eine längsgeschnittene Ansicht durch den Kolben der 5 - 7 samt der hieran montierten Schaltmuffe, wobei die Schnittebene durch das erste und das zweite Mitnehmerelement verläuft,
9 eine quergeschnittene Ansicht durch den Kolben der 5 - 8 sowie die hieran montierte Schaltmuffe,
10 eine detaillierte Ansicht auf den Kolben der 5 - 9 betreffend das erste Mitnehmerelement, und
11 eine längsgeschnittene Ansicht durch den Kolben der 5 - 10, wobei die Schnittfläche entlang der in 9 gezeigten Linie XI-XI verläuft.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Antriebsstrang 2, mittels dem ein Drehmoment von einer als eine elektrische Maschine ausgebildeten Antriebseinheit 3 zu Vorderrädern 4 des Kraftfahrzeugs 1 übertragbar ist und umgekehrt. Das Kraftfahrzeug 1 ist mithin ein Elektrofahrzeug. Denkbar ist auch, dass zusätzlich oder alternativ zur elektrischen Maschine ein Verbrennungsmotor als Antriebseinheit 3 vorgesehen ist und/oder dass mittels des Antriebsstrangs 2 ein Drehmoment zusätzlich oder alternativ zu oder von Hinterrädern des Kraftfahrzeugs 1 übertragbar ist.
Eine Vorderachse 5 des Kraftfahrzeugs 1 weist ein Differentialgetriebe 6 zur selektiven Übertragung des Drehmoments von der Antriebseinheit 3 auf die Vorderräder 4 auf. Der Antriebsstrang 2 umfasst ferner zwei zum Koppeln und Entkoppeln zweier Antriebselemente 7 vorgesehene Kopplungseinheiten 8. Eines der Antriebselemente 7 ist beispielhaft eine zwischen dem Differentialgetriebe 6 und der Kopplungseinheit 8 angeordnete Differentialwelle 9. Das andere Antriebselement 7 ist eine zwischen der Kopplungseinheit 8 und einer Radnabe des jeweiligen Vorderrads 4 angeordnete Nabenwelle 10. Die konkrete Anordnung der Kopplungseinheiten 8 im Antriebsstrang 2 ist lediglich exemplarisch, wobei diese auch zwischen der Antriebseinheit 3 und einer zum Differentialgetriebe 6 führenden Zwischenwelle 11 angeordnet sein kann.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 2 und 3 Details bezüglich der Kopplungseinheit 8 erläutert, wobei diese beiden Figuren einen äußerst schematischen Längsschnitt durch die Kopplungseinheit 8 samt den Antriebselementen 7 zeigt. Eine Schaltmuffe 12 der Kopplungseinheit 8 befindet sich in dem in 2 gezeigten Zustand in einer Entkopplungs- und in dem in 3 gezeigten Zustand in einer Kopplungsstellung. Die Antriebselemente 7, also die Differentialwelle 9 und die Nabenwelle 10, sind stirnseitig zueinander angeordnet und um eine gemeinsame Rotationsachse 13 rotierbar gelagert. Auch die Schaltmuffe 12 ist um die gemeinsame Rotationsachse 13 rotierbar gelagert. Die Kopplungseinheit 8 ist um die Rotationsachse 13 radialsymmetrisch aufgebaut. Nach außen hin abgeschlossen ist die Kopplungseinheit 8 über ein Zylindergehäuse 18, durch das die Antriebselemente 7 über entsprechende Lager 19 geführt werden.
Die Wellen 9, 10 weisen an ihren aneinander zugewandten End- bzw. Stirnseiten jeweils eine Außenverzahnung 14 auf. Die ringförmige Schaltmuffe 12 weist eine entsprechende Innenverzahnung 15 auf. Die Schaltmuffe 12 ist entlang der Rotationsachse 13 längsverschiebbar. Sofern sich die Schaltmuffe 12 in der in 2 gezeigten Entkopplungsstellung befindet, dann ist die Innenverzahnung 15 der Schaltmuffe 12 lediglich im Eingriff mit der Außenverzahnung 14 der Differentialwelle 9. Zur Überführung der Schaltmuffe 12 in die in 3 gezeigte Kopplungsstellung erfolgt eine Längsverschiebung der Schaltmuffe 12 entlang der Rotationsachse 13, bezogen auf die 2 und 3 nach links, so dass die Innenverzahnung 15 der Schaltmuffe 12 zusätzlich in Eingriff mit der Außenverzahnung 14 der Nabenwelle 10 gebracht wird. Der hierbei zwischen den Außenverzahnungen 14 und der Innenverzahnung 15 der Schaltmuffe 12 entstehende Formschluss führt zu einer gebundenen Rotation der Antriebselemente 7 und mithin zu einer entsprechenden Drehmomentenübertragung.
Zur Überführung der Schaltmuffe 12 von der Entkopplungsstellung in die Kopplungsstellung und umgekehrt ist diese mit einem Kolben 16 bewegungsgekoppelt. Der drehfest in dem Zylindergehäuse 18 gelagerte Kolben 16 ist von einer in 2 gezeigten ersten Stellung in eine in 3 gezeigten zweiten Stellung längsverschiebbar, wobei die Verschiebung des Kolbens 16 die Überführung der Schaltmuffe 12 in die Kopplungs- respektive Entkopplungsstellung bewirkt. Der Kolben 16 ist mit einem in den 2 und 3 äußerst schematisch dargestellten Aktor 17 gekoppelt respektive als ein Teil des Aktors 17 vorgesehen, wobei die Längsverschiebung des Kolbens 16 von der ersten Stellung in die zweite Stellung und umgekehrt mittels des Aktors 17 erfolgt. Der Aktor 17 umfasst mit einem Druckmedium wie Öl gefüllte Druckkammern, die mitunter von Abschnitten des Kolbens 16 derart begrenzt sind, dass eine gezielte Beaufschlagung des Druckmediums mit Druck bzw. eine entsprechende Druckentlastung zu der Längsverschiebung des Kolbens 16 führt. Details hinsichtlich der Druckkammern bzw. des Aktors 17 sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und werden an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Zur Befestigung der Schaltmuffe 12 an dem hohlzylindrischen Kolben 16 ist ein erstes Mitnehmerelement 20 und ein zweites Mitnehmerelement 21 vorgesehen, wobei Details der Mitnehmerelemente 20, 21 in der 4 gezeigt sind. Anhand der 5 bis 7 wird der Montagevorgang der Mitnehmerelemente 20, 21 und der Schaltmuffe 12 an dem Kolben 16 erläutert. Zunächst werden anhand der 5 einige Details bezüglich des Kolbens 16 erläutert. So umfasst der Kolben 16 einen sich entlang seiner Umfangsrichtung erstreckenden Federarm 22, der an einem festen Ende 23 an einem Hauptabschnitt 24 des Kolbens angebunden ist. Dem festen Ende 23 gegenüberliegend umfasst der Federarm 22 ein freies Ende 25. Der Federarm 22 wird vorliegend von einer L-förmigen Ausnehmung 26 des Kolbens 16 gebildet, die sich von der Stirnseite des Kolbens 16 in Axial- und anschließend in Umfangsrichtung erstreckt. Entlang des Umfangs des Kolbens 16 sind insgesamt 3 solche Federarme 22 ausgebildet, wobei die 5 bis 7 lediglich einen dieser Federarme 22 zeigen.
Wie ferner aus 5 ersichtlich wird, erstreckt sich ein als ein länglicher Schlitz ausgebildetes und sich entlang des Umfangs des Kolbens 16 erstreckendes Langloch 27 entlang der Längsrichtung des Federarms 22. Das Langloch 27 weist einen ersten engen Bereich 28, einen zweiten engen Bereich 29 und einen zwischen den engen Bereichen 28, 29 angeordneten breiten Bereich 30 auf.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 und 6 die Befestigung des ersten Mitnehmerelementes 20 an dem Kolben 16 erläutert. So weisen die Mitnehmerelemente 20, 21 einen im Querschnitt betrachtet T-förmigen Abschnitt 31 und einen im Querschnitt betrachtet L-förmigen Abschnitt 32 auf. Der L-förmige Abschnitt 32 weist eine Kontaktfläche 33 auf, über die das jeweilige Mitnehmerelement 20, 21 mit der Schaltmuffe 12 in Kontakt kommt.
Zur Befestigung des ersten Mitnehmerelements 20 an dem Kolben 16 wird dieses von radial außenseitig kommend derart in den breiten Bereich 30 des Langlochs 27 eingesetzt, dass der T-förmige Abschnitt 31 das Langloch 27 durchgreift und der L-förmige Abschnitt 32 innerhalb des Kolbens 16 angeordnet ist. Anschließend wird das erste Mitnehmerelement 20 von dem breiten Bereich 30 entlang der Längsrichtung des Langlochs 27 in den ersten engen Bereich 28 verschoben, was in 6 durch den Pfeil 34 angedeutet ist. Diese Verschiebung erfolgt so lange, bis ein sich entlang des Umfangs des Kolbens 16 erstreckender Rastarm 35 mit einem Rastvorsprung 36 bei Erreichen der Montagestellung des ersten Mitnehmerelements 20 in eine neben dem Langloch 27 angeordnete Rastvertiefung 37 einrastet. Die Rastvertiefung 37 ist als die äußere Stirnkante des am freien Ende 25 des Federarms 22 angeordnete Stirnseite bzw. als der entsprechende Abschnitt der L-förmigen Ausnehmung 26 des Kolbens 16 vorgesehen. In der in 7 gezeigten Endmontagestellung ist das erste Mitnehmerelement 20 formschlüssig in dem ersten engen Bereich 28 angeordnet bzw. befestigt. Der Befestigungsvorgang des ersten Mitnehmerelements 20 an dem Federarm 22 erfolgt an jedem der vorliegend drei Federarme 22, so dass entlang der Umfangsrichtung des Kolbens 16 insgesamt drei erste Mitnehmerelemente 20 angeordnet sind.
Im nächsten Schritt der Montage der Kopplungseinheit 8 erfolgt, obgleich dies in den 5 bis 7 nicht gezeigt ist, ein Einlegen der Schaltmuffe 12 von oben in den hohlzylindrischen Kolben 16, so dass ein Mitnehmerabschnitt 38 der Schaltmuffe 12, der als ein radial außenseitig umlaufender Schaltsteg bzw. Überstand ausgebildet ist, auf Kontaktflächen 33 der ersten Mitnehmerelemente 20 zum Liegen kommt.
Nach dem Einlegen der Schaltmuffe 12 in den Kolben 16 wird das zweite Mitnehmerelement 21 ebenfalls an dem Kolben 16 befestigt. Dies erfolgt analog zur Befestigung des ersten Mitnehmerelements 20 an dem Kolben 16. So wird auch das zweite Mitnehmerelement 21 bzw. dessen T-förmiger Abschnitt 31 durch den breiten Bereich 30 des Langlochs 27 von radial außen kommend eingesetzt und anschließend entlang der Längsrichtung des Langlochs 27 in den zweiten engen Bereich 29 verschoben. Die entsprechende Verschiebung erfolgt entlang der Gegenrichtung des Pfeils 34. Das zweite Mitnehmerelement 21 ist im Querschnitt betrachtet bezüglich des ersten Mitnehmerelements 20 spiegelsymmetrisch aufgebaut, sodass der L-förmige Abschnitt 32 respektive die hieran ausgebildete Kontaktfläche 33 den Mitnehmerabschnitt 38 von, bezogen auf die 7, oben übergreift. Dieser Vorgang wird an jedem der Federarme 22 wiederholt, sodass auch insgesamt drei zweite Mitnehmerelemente 21 am Kolben 16 zur Lagerung der Schaltmuffe 12 angeordnet sind.
Der endgültige Montagezustand, bei dem die Schaltmuffe 12 in dem Kolben 16 drehbeweglich gelagert ist, ist anhand der 8, die einen Längsschnitt durch den Kolben 16 samt Schaltmuffe 12 zeigt, und der 9, die einen entsprechenden Querschnitt zeigt, dargestellt. So ist der Mitnehmerabschnitt 38 der Schaltmuffe 12 zwischen den Mitnehmerelementen 20, 21 bzw. zwischen den jeweiligen Kontaktflächen 33 derart angeordnet, dass das erste Mitnehmerelement 20 die Schaltmuffe 12 beim Überführen des Kolbens 16 von der ersten Stellung in die zweite Stellung in die Kopplungsstellung mitnimmt und dass das zweite Mitnehmerelement 21 die Schaltmuffe 12 beim Überführen des Kolbens 16 von der zweiten in die erste Stellung in die Entkopplungsstellung mitnimmt. So bilden die Mitnehmerelemente 20, 21 eine Schnittstelle zwischen der Schaltmuffe 12 und dem Kolben 16 aus. Zwischen den Kontaktflächen 33 und dem Mitnehmerabschnitt 38 ist jeweils ein Bewegungsspiel vorhanden, so dass sich in einem Zustand der Kopplungseinheit 8, bei dem keine Überführung der Schaltmuffe in die Kopplungs- bzw. Entkopplungsstellung erfolgt, zur Vermeidung eines unnötigen Reibungsverschleißes ein Spalt ausbildet.
Der beschriebene Montagevorgang der Kopplungseinheit 8 bewirkt, dass die Schaltmuffe 12 quasi fest in dem Zylindergehäuse 18 bzw. der Kopplungseinheit verbaut ist, so dass vorteilhaft, wenn das Zylindergehäuse 18 im Anschluss an ein Gehäuse eines Getriebes angeschlossen werden soll und eine Welle dieses Getriebes eines der Antriebselemente 7 ist, eine entsprechende Blindmontage erfolgen kann, da hierbei seitens eines Monteurs nur ein „Einfädeln“ der Außenverzahnung 14 dieses Antriebselements 7 in die Innenverzahnung 15 der Schaltmuffe 12 vorgenommen werden muss. Auch dahingehend wird die Montage im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kopplungseinheit 8 erleichtert.
Dadurch, dass der Mitnehmerabschnitt 38 im Gegensatz zu den Mitnehmerelementen 20, 21 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 13 ausführt, können die Mitnehmerelemente 20, 21 auch als Gleitschuhe bezeichnet werden. Der Mitnehmerabschnitt 18 gleitet zwischen den Kontaktflächen 33 der beiden Mitnehmerelemente 20, 21 ab. Um einen entsprechenden Reibungsverschleiß möglichst gering zu halten, bestehen die Mitnehmerelemente 20, 21 bzw. Gleitschuhe aus Kunststoff und die Schaltmuffe 12 bzw. der Mitnehmerabschnitt 38 aus Metall, vorliegend aus Stahl.
Gemäß der obigen Beschreibung ist das erste Mitnehmerelement 20 am freien Ende 25 und das zweite Mitnehmerelement 21 am festen Ende 23 des Federarms 22 befestigt. Hierdurch wird vorteilhaft bewirkt, dass bei der Mitnahme der Schaltmuffe 12 mittels des ersten Mitnehmerelements 20 in die Kopplungsstellung eine Federwirkung des Federarms 22 eintritt. Dies ist dann vorteilhaft, wenn in dem Moment, in dem die Innenverzahnung 15 der Schaltmuffe 12 in die Außenverzahnung 14 der Nabenwelle 10 eingreifen sollten, stattdessen die entsprechenden Zähne stirnseitig gegeneinander laufen und ein Eingriff zunächst blockiert ist. Die mittels des Federarms 22 bewirkte Elastizitätswirkung entlastet den Schaltvorgang in diesem Moment, bis sich die Au-ßenverzahnung 14 der Nabenwelle 10 soweit weitergedreht hat, bis die Innenverzahnung 15 hierin eingreifen kann.
Eine entsprechende Federwirkung ist bei der Überführung der Schaltmuffe 12 in die Entkopplungsstellung, die mittels der Mitnahme des zweiten Mitnehmerelements 21 erfolgt, nicht erforderlich, da ein stirnseitiges Gegeneinanderlaufen der Zähne hierbei nicht erfolgen kann. Das zweite Mitnehmerelement 21 ist entsprechend an dem festen Ende 23 des Federarms 22 angeordnet.
Anhand der 10 und 11 wird ein weiteres Merkmal hinsichtlich des ersten Mitnehmerelements 20 dargelegt. So zeigt 10 einen vergrößerten Abschnitt des Kolbens 16 bzw. des Federarms 22, und zwar betreffend dessen freies Ende 25 mit dem ersten Mitnehmerelement 20. Durch die gestrichelte Linie 39 wird angedeutet, dass die Kontaktfläche 33 des ersten Mitnehmerelements 20 nicht eben, sondern stattdessen „ballig“, also bezogen auf die Umfangsrichtung des Kolbens 16 gerundet ausgebildet ist. So ist, bezogen auf die 10, der Horizontalbalken des L-förmigen Abschnitts 32 auf der linken Seite dicker bzw. stärker ausgebildet als auf der rechten Seite. Derselbe vorteilhafte Effekt dieser Form der Kontaktfläche 33 würde auch bei einem schrägen Verlauf dieser Fläche eintreten.
Zur Erläuterung des Vorteils der balligen Form der Kontaktfläche 33 des ersten Mitnehmerelements 20 wird auf 11 verwiesen. Diese Figur zeigt einen Längsschnitt durch den Kolben 16, wobei die Schnittebene, wie anhand der Linie XI - XI in 9 angedeutet ist, im radialen Außenbereich des Kolbens 16 durch eines der ersten Mitnehmerelemente 20 verläuft. Die Schnittebene verläuft also durch den Federarm 22 bzw. dessen freien Ende 25, den L-förmigen Abschnitt 32 des ersten Mitnehmerelements 20 und den Mitnehmerabschnitt 38 bzw. den Schaltsteg der Schaltmuffe 12. Im Vergleich zu den 5 bis 8 ist der Kolben 16 in 11 auf den Kopf stehend gezeigt, so dass bei der Verschiebung des Kolbens 16 von der ersten Stellung in die zweite Stellung und mithin bei dem Überführen der Schaltmuffe 12 von der Entkopplungsstellung in die Kopplungsstellung eine Linearbewegung von, bezogen auf 11, oben nach unten erfolgt.
Wenn sich der Kolben 16 in die zweite Stellung bewegt, dann läuft die Kontaktfläche 33 des ersten Mitnehmerelements 20 von oben gegen den Mitnehmerabschnitt 38 bzw. den Schaltsteg der Schaltmuffe 12. Die hierbei auftretende und auf den Federarm 22 wirkende Gegenkraft bewirkt, dass sich der Federarm 22 in der in 11 gezeigten Darstellung um sein festes Ende 23 im Uhrzeigersinn verdreht bzw. verformt. Sofern die Kontaktfläche 33 nicht, wie in 10 angedeutet ist, ballig, sondern stattdessen, wie in 11 angedeutet ist, eben verläuft, dann führt diese Verdrehung des Federarms 22 dazu, dass nur noch die rechte Kante der Kontaktfläche 33 mit dem Mitnehmerabschnitt 38 in Kontakt ist. Dies hätte den Nachteil zur Folge, dass der tatsächlich vorliegende Kontaktbereich zwischen der Kontaktfläche 33 und dem Mitnehmerabschnitt 38 zu einer Kontaktlinie zusammenschrumpft und dass sich die durch den Federarm 22 gebildete Hebellänge verkürzt, was die vorteilhafte Federwirkung des Federarms 22 abschwächen würde. Um dies zu vermeiden, ist entsprechend die ballige bzw. gerundete Form der Kontaktfläche 33 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Antriebsstrang
3: Antriebseinheit
4: Vorderrad
5: Vorderachse
6: Differentialgetriebe
7: Antriebselement
8: Kopplungseinheit
9: Differentialwelle
10: Nabenwelle
11: Zwischenwelle
12: Schaltmuffe
13: Rotationsachse
14: Außenverzahnung
15: Innenverzahnung
16: Kolben
17: Aktor
18: Zylindergehäuse
19: Lager
20: Mitnehmerelement
21: Mitnehmerelement
22: Federarm
23: festes Ende
24: Hauptabschnitt
25: freies Ende
26: Ausnehmung
27: Langloch
28: erster enger Bereich
29: zweiter enger Bereich
30: breiter Bereich
31: T-förmiger Abschnitt
32: L-förmiger Abschnitt
33: Kontaktfläche
34: Pfeil
35: Rastarm
36: Rastvorsprung
37: Rastvertiefung
38: Mitnehmerabschnitt
39: Linie

Claims

Kopplungseinheit zum Koppeln und Entkoppeln zweier zur Übertragung eines Drehmoments vorgesehener Antriebselemente (7) eines Antriebsstrangs (2) für ein Kraftfahrzeug (1), umfassend eine Schaltmuffe (12), die mit einem Kolben (16) derart bewegungsgekoppelt ist, dass eine Längsverschiebung des Kolbens (16) von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung das Überführen der Schaltmuffe (12) von einer Entkopplungsstellung, in der die Antriebselemente (7) entkoppelt sind, in eine Kopplungsstellung, in der sie die Antriebselemente (7) koppelt, bewirkt und umgekehrt, wobei ein Mitnehmerabschnitt (38) der Schaltmuffe (12) zwischen wenigstens einem ersten Mitnehmerelement (20) und wenigstens einem zweiten Mitnehmerelement (21), die als separate Bauteile an dem Kolben (16) befestigt sind, angeordnet ist, so dass das erste Mitnehmerelement (20) die Schaltmuffe (12) beim Überführen des Kolbens (16) von der ersten in die zweite Stellung in die Kopplungsstellung mitnimmt und das zweite Mitnehmerelement (21) die Schaltmuffe (12) beim Überführen des Kolbens (16) von der zweiten in die erste Stellung in die Entkopplungsstellung mitnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) wenigstens ein Langloch (27) aufweist, in das wenigstens eines der Mitnehmerelemente (20, 21) zur Befestigung desselben an dem Kolben (16) eingesetzt ist, wobei das Langloch (27) wenigstens einen breiten Bereich (30) und wenigstens einen engen Bereich (28, 29) derart aufweist, dass zur Montage der Kopplungseinheit dieses Mitnehmerelement (20, 21) in den breiten Bereich (30) einsetzbar und zur Ausbildung seiner, insbesondere formschlüssigen, Befestigung am Kolben (16) entlang der Längsrichtung des Langlochs (27) in den engen Bereich (28, 29) verschiebbar ist.
Kopplungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmerabschnitt (38) ein radial nach außen vorspringender Schaltsteg der Schaltmuffe (12) ist, wobei die Mitnehmerelemente (20, 21), insbesondere aus Kunststoff bestehende, Gleitschuhe sind, wobei zwischen jeweils einer Kontaktfläche (33) der beiden Gleitschuhe der Mitnehmerabschnitt (38) der Schaltmuffe (12) abgleitet.
Kopplungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mitnehmerabschnitt (38) und den Mitnehmerelementen (20, 21) ein Bewegungsspiel vorhanden ist.
Kopplungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Langloch (27) entlang der Umfangrichtung des Kolbens (16) erstreckt, wobei der breite Bereich (30) zwischen einem ersten engen Bereich (28) und einem zweiten engen Bereich (29) des Langlochs (27) derart angeordnet ist, dass das erste Mitnehmerelement (20) in den breiten Bereich (30) einsetzbar und zur Ausbildung der Befestigung am Kolben (16) entlang der Längsrichtung des Langlochs (27) in den ersten engen Bereich (28) verschiebbar ist, und dass das zweite Mitnehmerelement (21) in den breiten Bereich (30) einsetzbar und zur Ausbildung der Befestigung am Kolben (16) entlang der Längsrichtung des Langlochs (27) in den zweiten engen Bereich (29) verschiebbar ist.
Kopplungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Mitnehmerelemente (20, 21) einen das Langloch (27) durchgreifenden, im Querschnitt betrachtet insbesondere T-förmigen, Abschnitt (31) und einen die oder eine Kontaktfläche (33) zur Schaltmuffe (12) aufweisenden, im Querschnitt betrachtet insbesondere L-förmigen, Abschnitt (32) aufweist.
Kopplungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Mitnehmerelemente (20, 21) einen sich entlang der Umfangsrichtung des Kolbens (16) erstreckenden Rastarm (35) mit einem Rastvorsprung (36) aufweist, der bei der zur Montage der Kopplungseinheit (8) erfolgenden Verschiebung dieses Mitnehmerelements (20, 21) entlang der Längsrichtung des Langlochs (27) bei Erreichen der Montagestellung in eine neben dem Langloch (27) angeordnete Rastvertiefung (37) einrastet.
Kopplungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) einen sich entlang der Umfangsrichtung des Kolbens (16) erstreckenden Federarm (22) aufweist, an dem wenigstens eines der Mitnehmerelemente (20, 21) befestigt ist.
Kopplungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Federarm (22) ein freies Ende (25) und ein festes Ende (23), an dem der Federarm (22) an einem Hauptabschnitt (24) des Kolbens (16) angebunden ist, aufweist, wobei das erste Mitnehmerelement (20) am freien Ende (25) und das zweite Mitnehmerelement (21) am festen Ende (23) befestigt ist.
Kopplungseinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oder eine Kontaktfläche (33) des an dem oder einem freien Ende (25) des Federarms (22) befestigten Mitnehmerelements (20, 21), die bei der Verschiebung des Kolbens (16) mit der Schaltmuffe (12) in Kontakt kommt, bezogen auf die Umfangsrichtung des Kolbens (16) schräg und/oder gerundet verläuft.