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Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit einer Antriebskomponente, einer Abtriebskomponente, einem Kopplungsmittel und einer feststehenden Bauteilgruppe, wobei die Antriebskomponente und die Abtriebskomponente bezüglich der feststehenden Bauteilgruppe um eine jeweilige Rotationsachse drehbar gelagert sind, wobei zumindest in einem ersten Betriebsmodus des Getriebes das Kopplungsmittel einerseits mit einer Kopplungsfläche der Antriebskomponente und andererseits mit einer Kopplungsfläche der Abtriebskomponente reibschlüssig gekoppelt ist, um ein über die Antriebskomponente eingetragenes Drehmoment nach einer Übersetzung auf die Abtriebskomponente zu übertragen, wobei die Übersetzung von einem jeweiligen Kontaktradius, an dem das Kopplungsmittel die jeweilige Kopplungsfläche kontaktiert und der durch eine Aktorik des Getriebes veränderbar ist, abhängt. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Eine kraftschlüssige Drehmomentübertragung in Getrieben dienen in üblichen Getrieben zur Synchronisation von Getriebekomponenten. Bei stufenlosen Getrieben wird hingegen in der Regel dauerhaft eine Drehmomentübertragung durch Reibungskräfte genutzt. Hierbei ist in der Regel antriebs- und abtriebsseitig jeweils ein Paar von Kegelscheiben vorgesehen, die einen Riemen, eine Kette oder ein Rad als Kopplungsmittel zwischen der Antriebs- und der Abtriebsseite kontaktieren. Durch eine Aktorik, typischerweise eine Hydraulik, des Getriebes kann der Abstand zwischen den antriebs- und abtriebsseitigen Kegelscheiben verändert werden, so dass das Band je nach Einstellung auf unterschiedlichen Radien der Kegelscheiben geführt wird, womit stufenlos die Übersetzung eingestellt werden kann.
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Durch geeignete Einstellung der antriebs- und abtriebsseitigen Kegelscheiben kann auch die Vorspannung eines Riemens oder einer Kette, die als Kopplungsmittel dient, und somit die Stärke des Reibschlusses zwischen der An- beziehungsweise Abtriebskomponente und dem Kopplungsmittel eingestellt werden. Eine starke Vorspannung des Kopplungsmittels führt somit vorteilhaft zu weniger Schlupf und zu höheren übertragbaren Drehmomenten. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass bei hohen Vorspannungen des Kopplungsmittels Zusatzverluste, beispielsweise durch eine elastische Verformung des Kopplungsmittels, resultieren, womit der erreichbaren Vorspannung und somit der Begrenzung des Schlupfs beziehungsweise den maximalen übertragbaren Drehmomenten typischerweise enge Grenzen gesetzt sind.
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Die Druckschrift
JP 2018 146 035 A schlägt diesbezüglich vor, für Hochlastfälle zusätzlich zu der hydraulischen Vorspannung mechanische Klemmkräfte dadurch aufzubringen, dass Elektromagneten innerhalb der An- und Abtriebskomponente genutzt werden, um durch ihre Anziehung zusätzliche Klemmkräfte aufzubringen. Hierbei erfolgt eine induktive Energieübertragung zu der An- bzw. Abtriebskomponente indem feststehende Elektromagneten mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden, um ein Wechselfeld bereitzustellen, das im rotierenden Bezugssystem der An- beziehungsweise Abtriebskomponente wiederum eine Wechselspannung induziert, die gleichgerichtet wird, um den mitrotierenden Elektromagnet mit Strom zu beaufschlagen.
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Aufgrund der erforderlichen mehrfachen Umrichtung von Strömen ist das erläuterte Vorgehen recht aufwändig und benötigt relativ viel Bauraum und zusätzliches Komponentengewicht in rotierenden Komponenten. Zudem resultierenden notwendig relativ hohe Verluste, da einerseits zur Energieübertragung Wechselfelder im Bereich von üblicherweise ferromagnetischen Bauteilen genutzt werden, woraus Wirbelstromverluste resultieren, und andererseits durch die zusätzliche Klemmkraft, wie erläutert, Zusatzverluste aufgrund der elastischen Verformung des Kopplungsmittels resultieren.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe anzugeben, bei dem ein Reibschluss zwischen Kopplungsmittel und An- beziehungsweise Abtriebskomponente mit geringerem Aufwand und/oder geringeren Verlusten erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Getriebe der eingangs genannten Art gelöst, wobei die feststehende Bauteilgruppe wenigstens einen Magneten zur Feldbeaufschlagung der Antriebskomponente und/oder der Abtriebskomponente umfasst, der entweder als Permanentmagnet ausgebildet ist oder durch eine Stromquelle bestrombar ist, die dazu eingerichtet ist, den Magneten zumindest im ersten Betriebsmodus mit einem Gleichstrom zu bestromen.
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Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente typischerweise ohnehin gut zur Feldführung geeignet sind, also beispielsweise aus einem ferromagnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Material bestehen. Es kann somit ein feststehender Magnet genutzt werden, der im ersten Betriebsmodus ein Feld mit konstanter Feldrichtung, auch homopolares oder unipolares Magnetfeld genannt, bereitstellt, wobei insbesondere eine im Wesentlichen konstante Feldstärke genutzt wird. Wie später noch genauer erläutert werden wird, kann dann auf diverse Weisen ein Magnetkreis ausgebildet werden, der die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente umfasst. Hierbei entsteht eine anziehende Reluktanzkraft zwischen der Antriebskomponente und der Abtriebskomponente beziehungsweise zwischen einem jeweiligen mit der Antriebskomponente beziehungsweise der Abtriebskomponente zusammenwirkenden Führungsmittel und der Antriebskomponente beziehungsweise Abtriebskomponente. Hierdurch kann im einfachsten Fall, wie eingangs bezüglich des Standes der Technik erläutert, die Klemmkraft auf das Kopplungsmittel erhöht werden, ohne, wie es dort der Fall ist, mitrotierende Magneten oder Wechselfelder im Bereich von typischerweise ferromagnetischen Teilen zu benötigen. Somit resultiert ein einfacherer und effizienterer Aufbau.
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Wie später noch genauer erläutert werden wird, kann das bereitgestellte Magnetfeld zudem zur Bereitstellung von zusätzlichen magnetischen Kräften zwischen Kopplungsmittel und Antriebskomponente beziehungsweise Abtriebskomponente genutzt werden, wodurch eine weitere Schlupfreduktion und/oder eine Übertragbarkeit höherer Momente erreicht werden kann.
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Die jeweilige Kopplungsfläche ist vorzugsweise in Umfangsrichtung bezüglich der jeweiligen Drehachse eben beziehungsweise weist eine Drehsymmetrie bezüglich Drehungen um beliebige Winkel auf. Speziell kann die Kupplungsfläche eine Kegelfläche beziehungsweise eine Kegelstumpffläche sein.
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Die Stromquelle kann insbesondere Teil des Getriebes sein beziehungsweise sie kann ein Teil einer das Getriebe umfassenden Einrichtung, beispielsweis eines Kraftfahrzeugs, sein. Die Stromquelle kann beispielsweise eine Batterie beziehungsweise ein Gleichspannungsbordnetz sein, die oder das insbesondere durch eine Schalteinrichtung von dem Magneten trennbar ist, oder auch ein Gleichrichter. Insbesondere betrifft die Erfindung auch eine Anordnung aus einem Getriebe und einer Stromquelle.
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Zumindest die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente, vorzugsweise auch eine die Antriebskomponente beziehungsweise Abtriebskomponente tragende Welle, kann ferromagnetisch, insbesondere weichmagnetisch, sein. Das Kopplungsmittel kann ein Rad, eine Kette oder ein Band sein.
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Vorzugsweise besteht das Kopplungsmittel zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen, insbesondere aus einem weichmagnetischen, Material. In diesem Fall kann das Kopplungsmittel insbesondere Teil eines Magnetkreises sein, der auch die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente umfasst. Hierdurch resultiert eine zusätzliche magnetische Anziehungskraft zwischen dem Kopplungsmittel und der Antriebskomponente beziehungsweise der Abtriebskomponente, die einen Schlupf zwischen diesen Komponenten bei der Momentübertragung weiter reduzieren kann. Insbesondere würde ein Schlupf zwischen dem Kopplungsmittel und der Antriebskomponente beziehungsweise der Abtriebskomponente in diesem Fall zu einer Verzerrung der magnetischen Feldlinien führen, womit eine dem Schlupf entgegenwirkende Reluktanzkraft resultiert.
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Die feststehende Bauteilgruppe kann wenigstens ein Joch umfassen, das Teil eines magnetischen Kreises ist, der zusätzlich zumindest die Antriebskomponente und/oder der Abtriebskomponente umfasst. Als Joch kann in diesem Kontext jeglicher zum Schließen des magnetischen Kreises genutzter magnetischer Leiter betrachtet werden. Vorzugsweise ist die relative Permeabilität des Materials des Jochs größer als 100, bevorzugt größer als 1000 oder größer als 10000.
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Eine mögliche Ausgestaltung ist es hierbei, dass der Magnetkreis die Antriebskomponente, das Kopplungsmittel und die Abtriebskomponente umfasst. Im einfachsten Fall kann das Joch hierbei den magnetischen Kreis zwischen Antriebskomponente und Abtriebskomponente schließen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der magnetische Kreis zusätzlich eine jeweilige, starr mit der Antriebskomponente beziehungsweise der Abtriebskomponente gekoppelte Welle aufweist, wobei in diesem Fall der magnetische Kreis ein- oder beidseitig zusätzlich die Welle umfassen kann und das Joch den magnetischen Kreis beispielsweise zwischen den beiden Wellen beziehungsweise zwischen einer der Welle und der Antriebskomponente beziehungsweise der Abtriebskomponente schließt.
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In anderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Getriebes ist es möglich, dass der Antriebskomponente und der Abtriebskomponente jeweils ein Führungsmittel zugeordnet ist, das das Kopplungsmittel an- beziehungsweise abtriebsseitig jeweils gemeinsam mit der An- beziehungsweise der Abtriebskomponente führt. Beispielsweise können die Antriebskomponente beziehungsweise die Abtriebskomponente und das jeweils zugeordnete Führungsmittel jeweils als gegenüberliegende Kegelräder ausgebildet sein, die gemeinsam das Kopplungsmittel an- beziehungsweise abtriebsseitig führen.
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In diesem Fall kann ein magnetischer Kreis beispielsweise die Antriebskomponente, das Kopplungsmittel und die zugeordnete Führungskomponente umfassen und das Joch kann den magnetischen Kreis beispielsweise über die Antriebskomponente und das zugeordnete Führungsmittel beziehungsweise über eine jeweilige mit der Antriebskomponente beziehungsweise dem Führungsmittel gekoppelte Welle schließen. Für die Abtriebskomponente und das zugeordnete Führungsmittel kann ein separater, über ein separates Joch geschlossener Magnetkreis bereitgestellt werden. Alternativ ist es jedoch auch bei der Nutzung von zusätzlichen Führungsmitteln möglich, einen gemeinsamen Magnetkreis zu nutzen, der die Antriebskomponente und die Abtriebskomponente umfasst.
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Der Magnet oder ein jeweiliger der Magnete kann benachbart zu einer jeweiligen Welle angeordnet sein, die drehfest mit der Antriebskomponente und/oder der Abtriebskomponente und/oder einer ersten und/oder zweiten Führungskomponente, die das Kopplungsmittel gemeinsam mit der Antriebskomponente und der Abtriebskomponente führen, verbunden ist, oder die jeweilige Welle umgreifen. Ergänzend oder alternativ kann der Magnet oder ein jeweiliger Magnet an dem Joch oder wenigstens einem der Joche angeordnet sein oder das Joch oder wenigstens eines der Joche umgreifen.
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Bei einer Anordnung benachbart zu einer Welle beziehungsweise bei einem Umgreifen der Welle verbleibt insbesondere ein Spalt zwischen Welle und Magnet. Der Abstand des Magnets zur Welle beziehungsweise die Breite des Spaltes ist vorzugsweise kleiner als der Wellendurchmesser, insbesondere wenigstens um den Faktor 3 oder 10. Ein relativ schmaler Spalt ist vorteilhaft, da der Spalt einen möglichst geringen Widerstand im Magnetkreis bilden soll und dazu dient, eine Reibung zwischen dem feststehenden Magnet und der drehenden Welle zu vermeiden.
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Eine Führung des Magneten um die Welle beziehungsweise das Joch kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn der Magnet als Elektromagnet ausgebildet ist. In diesem Fall kann ein Spulendraht des Elektromagneten wenigstens einmal, insbesondere mehrfach, um das Joch beziehungsweise mit einem gewissen Abstand um die Welle geführt sein, um somit bei einer Bestromung ein magnetisches Feld, das im Wesentlichen parallel zum Joch beziehungsweise zur Welle verläuft, zu induzieren.
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Das Kopplungsmittel kann ein Kopplungsrad sein, das zwei einander gegenüberliegende Kontaktflächen aufweist, von denen zumindest im ersten Betriebsmodus eine erste Kontaktfläche die Kopplungsfläche der Antriebskomponente und eine zweite Kontaktfläche die Kopplungsfläche der Abtriebskomponente kontaktiert, wobei das Kopplungsrad senkrecht zur Rotationsachse der Antriebskomponente und/oder der Abtriebskomponente verschiebbar gelagert ist.
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Insbesondere sind die Rotationsachsen der Antriebskomponente und der Abtriebskomponente ortsfest bezüglich der feststehenden Bauteilgruppe angeordnet, wobei die Antriebskomponente und die Abtriebskomponente vorzugsweise parallel zur jeweiligen Rotationsachse verschiebbar sind.
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Die Position des Kopplungsmittel parallel zu den Rotationsachsen der Antriebs- beziehungsweise Abtriebskomponente bezüglich der Bauteilgruppe kann fest vorgegeben sein. Wird nun beispielsweise durch die Aktorik die Position von Antriebskomponente und Abtriebskomponente gemeinsam in die gleiche Richtung parallel zu den Rotationsachsen geändert, so führt dies bei geeignet geformten Kopplungsflächen, beispielsweise bei kegelförmigen Kopplungsflächen, bei Zwangsführung des Kopplungsmittels in einer Ebene senkrecht zu den Rotationsachsen zu einer Verschiebung des Kopplungsmittels in dieser Ebene und somit zur Änderung des jeweiligen Kontaktradius, an dem die jeweilige Kontaktfläche die jeweilige Kopplungsfläche kontaktiert.
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Durch ein gemeinsames axiales Verschieben von Antriebskomponente und Abtriebskomponente in die gleiche Richtung kann somit die Übersetzung im ersten Betriebsmodus stufenlos angepasst werden. Die Ausbildung des Kopplungsmittels als Kopplungsrad ermöglicht es zudem, auf zusätzliche mitdrehende Führungsmittel, wie sie bei Nutzung einer Kette oder eines Bandes, wie obig erläutert, typischerweise erforderlich sind, zu verzichten. Somit wird ein besonders kompakter Aufbau des Getriebes ermöglicht.
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Obwohl, wie obig erläutert, die Nutzung des Magneten im erfindungsgemä-ßen Getriebe dem Auftreten eines Schlupfes zwischen der Antriebskomponente beziehungsweise der Abtriebskomponente und dem Kopplungsmittel entgegenwirkt, sind die maximal übertragbaren Drehmomente bei einer rein reibschlüssigen beziehungsweise einer um eine Reluktanzkraft ergänzten reibschlüssigen Momentübertragung weiterhin begrenzt und ein gewisses Maß an Schlupf ist nicht vermeidbar, wodurch potentiell zusätzlicher Verschleiß im Getriebe entsteht. Es kann daher vorteilhaft sein, dass die reibschlüssige beziehungsweise durch Reluktanzkraft unterstützte Momentübertragung ausschließlich in einem oder mehreren bestimmten Betriebsmodi des Getriebes genutzt wird, während in wenigstens einem weiteren Betriebsmodus ein Formschluss zur Momentübertragung genutzt wird. Ein besonders vorteilhafter Ansatz hierfür wird im Folgenden genauer erläutert:
- Die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente können jeweils wenigstens ein Formschlussmittel aufweisen, wobei in dem ersten Betriebsmodus des Getriebes eine dem Kopplungsmittel zugewandte Stirnfläche des Formschlussmittels in einer Grundposition einen Abschnitt der jeweiligen Kopplungsfläche bildet, wobei das Formschlussmittel gegenüber einem weiteren Abschnitt der jeweiligen Kopplungsfläche in eine Formschlussposition bewegbar gelagert ist, wobei in der Formschlussposition des jeweiligen Formschlussmittels das jeweilige Formschlussmittel über den weiteren Abschnitt der jeweiligen Kopplungsfläche hinausragt, um in wenigstens einem weiteren Betriebsmodus des Getriebes einen Formschluss mit dem Kopplungsmittel herzustellen.
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Durch das beschriebene Vorgehen kann die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente jeweils auf zumindest einem bestimmten Kontaktradius, vorzugsweise auf mehreren möglichen Kontaktradien, formschlüssig, insbesondere durch kämmende Verzahnungen, mit dem Kopplungsmittel gekoppelt werden, wodurch ein Schlupf des Getriebes und ein hieraus resultierender zusätzlicher Verschleiß in dem weiteren Betriebsmodus vermieden werden können. Wie später noch erläutert werden wird, können insbesondere mehrere Gänge des Getriebes bereitgestellt werden, bei deren Nutzung das Getriebe in einem jeweiligen weiteren Betriebsmodus betrieben wird und somit eine schlupffreie Momentübertragung ermöglicht. Bei Gangwechseln beziehungsweise in Sonderfällen, wenn von den Gängen abweichende Übersetzungsverhältnisse gewünscht sind, kann ein Betrieb des Getriebes im ersten Betriebsmodus erfolgen.
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Insbesondere können die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente jeweils mehrere der Formschlussmittel umfassen, deren dem Kopplungsmittel zugewandte Stirnflächen im ersten Betriebsmodus für sich genommen oder gemeinsam mit einem Tragmittel die jeweilige Kopplungsfläche, insbesondere ein Kegel- beziehungsweise Kegelstrumpffläche, bereitstellen. Gegenüber dieser Kopplungsfläche kann ein jeweiliges zum Formschluss zu nutzendes Formschlussmittel in Richtung zum Kopplungsmittel hin verschoben werden, um beispielsweise axial in das Kopplungsmittel einzugreifen und den Formschluss zu realisieren.
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Der weitere Abschnitt der jeweiligen Kopplungsfläche kann durch ein oder mehrere weitere Formschlussmittel der Antriebskomponente beziehungsweise Abtriebskomponente gebildet werden. Ergänzend oder alternativ kann ein weiterer Abschnitt der Kopplungsfläche durch ein Tragmittel gebildet werden, bezüglich dem das oder die Formschlussmittel der Antriebskomponente beziehungsweise Abtriebskomponente beweglich gelagert sind.
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Das jeweilige Formschlussmittel kann als Zahnrad mit einer Außenverzahnung ausgebildet sein, die in dem weiteren Betriebsmodus oder wenigstens einem der weiteren Betriebsmodi des Getriebes mit einer Innenverzahnung des Kopplungsmittels kämmt. Hierdurch ist auch bei einer Übersetzung zwischen dem Kopplungsmittel und der Antriebskomponente beziehungsweise der Abtriebskomponente eine schlupffreie Kopplung möglich.
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Die Bewegung des jeweiligen Formschlussmittels zur Herstellung des Formschlusses kann im einfachsten Fall eine lineare Verschiebung in Richtung des Kopplungsmittels sein. Insbesondere, wenn mehrere Formschlussmittel genutzt werden, kann es jedoch vorteilhaft sein, eine Kombination zwischen Verschiebung und Rotation, insbesondere ein schraubenförmiges Herausdrehen aus der jeweiligen Kopplungsfläche, zur Bewegung in die Formschlussposition zu nutzen. Beispielsweise kann wenigstens eines der Formschlussmittel einerseits eine Außenverzahnung aufweisen, um in eine Innenverzahnung des Kopplungsmittels einzugreifen, und andererseits eine Innenverzahnung beziehungsweise ein inneres Schraubenprofil aufweisen, die gegengleich zur Außenverzahnung eines weiteren, konzentrisch angeordneten Formschlussmittels ausgebildet ist. Dies ermöglicht die Nutzung einer Schrägverzahnung ohne Bauraumverlust.
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Die Innenverzahnung und die Außenverzahnung können als Schrägverzahnung ausgebildet sein. Anders ausgedrückt wird bei der Herstellung des Formschlusses das jeweils genutzte Formschlussmittel der Antriebskomponente beziehungsweise Abtriebskomponente schraubenartig in die Innenverzahnung des Kopplungsmittels eingedreht. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Getriebe zumindest im weiteren Betriebsmodus ausschließlich oder primär in eine bestimmte Drehrichtung Drehmomente übertragen soll. Dies kann beispielsweise bei einem Getriebe eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs der Fall sein, wenn ein Formschluss nur für einen Vorwärtsgang genutzt werden soll beziehungsweise wenn ein Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsgang über ein separates Getriebe erfolgt. Die Schrägung der Verzahnung kann so gewählt werden, dass das durch das Getriebe übertragene Drehmoment beziehungsweise der Schlupf zwischen Antriebskomponente und Kopplungsmittel beziehungsweise Kopplungsmittel und Abtriebskomponente die Außenverzahnung des jeweiligen Formschlussmittels in die Innenverzahnung des Kopplungsmittels einschiebt.
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Die Antriebskomponente und/oder die Abtriebskomponente können jeweils mehrere der Formschlussmittel aufweisen, die zumindest in dem ersten Betriebsmodus als konzentrische Ringe angeordnet sind. Dies ermöglicht die Bereitstellung von mehreren Gängen des Getriebes, in denen ein Formschluss beziehungsweise eine Kraftübertragung durch Zahnräder realisiert wird. Der erste Betriebsmodus kann insbesondere nur während Gangwechseln genutzt werden, wodurch zum einen eine sehr gute Getriebesynchronisation erreicht wird und zum anderen selbst während des Gangwechsels noch eine Momentübertragung möglich ist. Da der erste Betriebsmodus somit nur für relativ kurze Betriebszeiten genutzt wird, führt der hierbei auftretende Schlupf allenfalls zu vernachlässigbarem Verschleiß des Getriebes.
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In dem weiteren Betriebsmodus oder in wenigstens einem der weiteren Betriebsmodi kann die Rotationsachse der Antriebskomponente mit der Rotationsachse des als Kopplungsrad ausgebildeten Kopplungsmittels zusammenfallen. Ergänzend oder alternativ kann in dem weiteren Betriebsmodus oder in wenigstens einem der weiteren Betriebsmodi die Rotationsachse der Abtriebskomponente mit der Rotationsachse des als Kopplungsrad ausgebildeten Kopplungsmittels zusammenfallen. Durch den Zusammenfall der Rotationsachse des Kopplungsmittels mit der Rotationsachse der An- beziehungsweise Abtriebskomponente kann insbesondere erreicht werden, dass die Komponenten mit jeweils zusammenfallender Rotationsachse synchron und mit gleicher Drehzahl drehen. Hierdurch kann der Verschleiß des Getriebes in einem solchen Gang weiter reduziert werden und übertragbare Momente können maximiert werden. Beispielsweise kann bei einem Zusammenfall der Rotationsachsen die Innenverzahnung des Kopplungsmittels über den gesamten Umfang des Kopplungsmittels in die Außenverzahnung des Formschlussmittels der An- beziehungsweise Abtriebskomponente eingreifen, dessen Rotationsachse mit der Rotationsachse des Kopplungsmittels zusammenfällt.
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Der Magnet kann ein Elektromagnet sein, wobei die Stromquelle und/oder eine die Bestromung des Elektromagneten durch die Stromquelle steuernde Steuereinrichtung dazu eingerichtet sind, den Elektromagneten in dem weiteren Betriebsmodus oder wenigstens einem der weiteren Betriebsmodi stromlos zu schalten. Wie eingangs erläutert, dient das Magnetfeld beziehungsweise der Betrieb des Elektromagneten primär dazu, den Schlupf zwischen der An- beziehungsweise Abtriebskomponente und dem Kopplungsmittel zu reduzieren beziehungsweise höhere Momentübertragungen zwischen diesen Komponenten zu ermöglichen. Bei einem Formschluss ist das zusätzliche Magnetfeld somit nicht erforderlich und der Energiebedarf des Getriebes kann durch die Unterbrechung der Bestromung des Elektromagneten somit reduziert werden. Die Steuereinrichtung kann Teil des Getriebes sein oder separat von diesem als Teil einer das Getriebe umfassenden Anordnung ausgebildet sein.
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Das Kopplungsmittel kann ein Band oder eine Kette sein, das oder die einerseits zwischen zwei ersten Kopplungsflächen, von denen eine durch die Antriebskomponente gebildet ist, und andererseits durch zwei zweiten Kopplungsflächen, von denen eine durch die Abtriebskomponente gebildet ist, gelagert sein. Wie bereits obig erläutert, können in diesem Fall insbesondere der An- und Abtriebskomponente jeweils ein Führungsmittel zugeordnet sein, so dass das Band beziehungsweise die Kette einerseits durch die Antriebskomponente und ein zugeordnetes Führungsmittel und andererseits durch die Abtriebskomponente ein zugeordnetes Führungsmittel geführt wird. Auch in dieser Konfiguration ist die obig erläuterte Nutzung eines feststehenden Permanentmagneten beziehungsweise eines mit Gleichstrom bestromten Elektromagneten vorteilhaft und ermöglicht eine Reduzierung von Schlupf beziehungsweise eine Übertragung von höheren Drehmomenten, beispielsweise in stufenlosen Getrieben.
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Neben dem erfindungsgemäßen Getriebe betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Getriebe aufweist. Das Getriebe kann insbesondere dazu dienen, einen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs mit wenigstens einem Rad beziehungsweise wenigstens einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs zu koppeln. Wie bereits obig erläutert, können die Stromquelle beziehungsweise die zugeordnete Steuereinrichtung, die die Stromquelle und vorzugsweise zusätzlich die Aktorik des Getriebes steuert, Teil des Getriebes sein. Alternativ wäre es möglich, die Stromquelle beziehungsweise die zugeordnete Steuereinrichtung als separate Komponenten im Kraftfahrzeug anzuordnen und zu nutzen, um das Getriebe, wie obig erläutert, zu steuern.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 und 2 Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Getriebes,
- 3 bis 5 verschiedene Betriebszustände des in 2 dargestellten Getriebes,
- 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Getriebes, und
- 7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt ein Getriebe zur Übertragung von Drehmomenten von einer Antriebskomponente 4 beziehungsweise einer starr mit dieser gekoppelten Welle 27 zu einer Abtriebskomponente 5 beziehungsweise einer starr mit dieser gekoppelten Welle 28. Das Getriebe 1 ist ein Getriebe mit einer kontinuierlich variablen Übersetzung. Hierbei sind, in an sich bekannter Weise, die Antriebskomponente 4 und die Abtriebskomponente 5 jeweils bezüglich einer feststehenden Bauteilgruppe 8 des Getriebes 1 drehbar um eine jeweilige Rotationsachse 9, 10 gelagert und über ein Kopplungsmittel 6 reibschlüssig rotationsgekoppelt.
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Das Kopplungsmittel 6 ist im Beispiel eine Kette, die antriebsseitig gemeinsam durch die Antriebskomponente 4 und ein zugeordnetes Führungsmittel 29 und abtriebsseitig gemeinsam durch die Abtriebskomponente 5 und ein zugeordnetes Führungsmittel 30 geführt ist. Die Antriebs- und Abtriebskomponente 4, 5 sowie die Führungsmittel 29, 30 sind im Beispiel jeweils als Kegelräder ausgebildet, so dass sie rotationssymmetrische Kopplungsflächen 12, 13, 31, 32 ausbilden. Die Antriebskomponente 4 und das Führungsmittel 30 oder die Abtriebskomponente 5 und das Führungsmittel 29 oder auch alle vier dieser Komponenten sind durch eine Aktorik 16, 17 des Getriebes 1 jeweils in Richtung der Rotationsachsen 9, 10, also in Querrichtung in 1, verschiebbar, so dass einerseits der Abstand zwischen der Antriebskomponente 4 und dem Führungsmittel 29 und andererseits der Abstand zwischen der Abtriebskomponente 5 und dem Führungsmittel 30 variiert werden kann. Hierdurch variiert auch ein Kontaktradius 14, 15, an dem das Kopplungsmittel die jeweilige Kopplungsfläche 12, 13, 31, 32 kontaktiert und somit die Übersetzung des Getriebes 1.
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Wird beispielsweise ausgehend von dem in 1 gezeigten Zustand der Abstand zwischen der Antriebskomponente 4 und dem Führungsmittel 29 vergrößert und zugleich der Abstand zwischen der Abtriebskomponente 5 und dem Führungsmittel 30 verringert, verschiebt sich das Kopplungsmittel 6 in 1 nach unten, wodurch der Kontaktradius 14 reduziert und der Kontaktradius 15 vergrößert wird. Bei gleicher Drehzahl der Welle 27 resultiert hierdurch eine geringere Drehzahl der Welle 28 und somit ein anderes Übersetzungsverhältnis.
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Durch die bislang erläuterten Komponenten wird in an sich bekannter Weise ein Getriebe mit stufenloser Übersetzung bereitgestellt. Wie bereits im allgemeinen Teil erläutert wurde, ist es an sich hierbei wünschenswert, übertragbare Drehmomente zu maximieren und einen Schlupf zwischen Antriebskomponente 4 und Kopplungsmittel 6 beziehungsweise Kopplungsmittel 6 und Abtriebskomponente 5 zu minimieren. Dies wäre mit den bislang erläuterten Komponenten dadurch möglich, dass die Antriebskomponente 4 und das Führungsmittel 29 und die Abtriebskomponente 5 und das Führungsmittel 32 mit einer gewissen Kraft aufeinander zu beaufschlagt werden, wodurch das Kopplungsmittel 6 elastisch verformt und somit die Reibkraft zwischen dem Kopplungsmittel 6 und der Antriebskomponente 4 beziehungsweise der Abtriebskomponente 5 erhöht wird. Wie jedoch ebenfalls im allgemeinen Teil bereits erläutert wurde, entstehen bei einer hohen Kraftbeaufschlagung hierbei potentiell unnötige Verluste.
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In dem Getriebe 1 wird daher ein anderer Ansatz genutzt, um den Schlupf des Kopplungsmittels 6 bezüglich der Antriebskomponente 4 beziehungsweise der Abtriebskomponente 5 zu reduzieren. Hierbei werden mehrere Magneten 19 bis 22 genutzt, um in einem jeweiligen Magnetkreis die Antriebskomponente 4 und die Abtriebskomponente 5 in zumindest einen Betriebsmodus des Getriebes 1 mit einem im Wesentlichen konstanten Magnetfeld zu beaufschlagen. Hierbei werden im Beispiel zwei separate Magnetkreise genutzt. Im ersten Magnetkreis beaufschlagen die Magneten 19, 21 zunächst jeweils die Wellen 27, 33 mit einem Magnetfeld in die gleiche Richtung, das im Wesentlichen parallel zu den Rotationsachsen 9, 10 verläuft. Die Wellen 27, 33, die Antriebskomponente 4 und das Führungsmittel 29 sind hierbei aus einem ferromagnetischen, insbesondere aus einem weichmagnetischen, Material gebildet. Im Beispiel wird zudem ein Joch 25 genutzt, das den magnetischen Kreis zwischen den Wellen 27, 33 schließt. Somit kann bereits mit relativ kleindimensionierten Magneten 19, 21 eine hinreichende Feldstärke zwischen der Antriebskomponente 4 und dem Führungsmittel 29 erreicht werden, um den Schlupf des Kopplungsmittels 6 bezüglich dieser Komponenten deutlich zu reduzieren.
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Prinzipiell wäre es hierbei möglich, dass die Reduktion des Schlupfes nur dadurch resultiert, dass aufgrund der Reluktanzkraft zwischen der Antriebskomponente 4 und dem Führungsmittel 29 eine zusätzliche anziehende Kraft zwischen diesen Komponenten wirkt, wodurch die Klemmkraft erhöht wird. Im Ausführungsbeispiel ist jedoch zusätzlich das Kopplungsmittel 6 aus einem weichmagnetischen Material gebildet, beispielsweise aus einer metallischen Kette, wodurch einerseits durch die magnetische Anziehungskraft die Reibung des Kopplungsmittels 6 mit den Kopplungsflächen 12, 31 erhöht wird und andererseits ein Schlupf zu einer Verzerrung der Magnetfeldlinien und somit zu einer dem Schlupf entgegenwirkenden Reluktanzkraft führt. Insgesamt kann hierdurch ein erheblich geringerer Schlupf und ein deutlich erhöhtes übertragbares Moment erreicht werden.
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Auf gleiche Weise wird durch die Abtriebskomponente 5, das Kopplungsmittel 6, das Führungsmittel 32, die Wellen 28, 34 und das Joch 26 ein weiterer Magnetkreis gebildet, der durch die Magneten 20, 22 bei Bestromung dieser Magneten 20, 22 mit Feld beaufschlagt wird, so dass auch abtriebsseitig der Schlupf deutlich reduziert werden kann.
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Die Magneten 19 bis 22 sind bezüglich der feststehenden Bauteilgruppe 8, also beispielsweise bezüglich der Joche 25, 26 und der nicht gezeigten Lager der Wellen 27, 28, 33, 34 feststehend angeordnet und durch Wicklungen gebildet, die die jeweilige Welle 27, 28, 33, 34 mehrfach umlaufen. Sie sind durch einen relativ kleinen Spalt von den Wellen 27, 28, 33, 34 beabstandet, so dass das durch die Magneten 19 bis 22 bereitgestellte Magnetfeld großenteils in den jeweiligen Magnetkreis eingekoppelt wird.
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Aus Übersichtlichkeitsgründen sind im Beispiel separate Stromquellen 23, 24 für die Magnete 19 bis 22 der unterschiedlichen Magnetkreise dargestellt, wobei auch eine gemeinsame Stromquelle genutzt werden könnte. Durch eine Bestromung mit im Wesentlichen konstantem Gleichstrom resultiert ein homopolares, im Wesentlichen zeitlich unveränderliches Magnetfeld, wodurch Wirbelströme in leitenden Komponenten des Getriebes und hieraus resultierende Verlustleistungen im Wesentlichen vollständig vermieden werden können.
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Ergänzend oder alternativ zur Nutzung von durch Gleichstrom bestromten Elektromagneten wäre es auch möglich, Permanentmagnete zu nutzen, die beispielsweise in geringem Abstand zu der jeweiligen Welle 27, 28, 33, 34, am jeweiligen Joch 25, 26 und/oder benachbart zur Antriebskomponente 4, der Abtriebskomponente 5 beziehungsweise zu den Führungsmitteln 29, 30 angeordnet sein könnten.
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2 zeigt ein Getriebe 2, das ähnlich wie das in 1 gezeigte Getriebe prinzipiell eine stufenlose Anpassung der Übersetzung ermöglicht. Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Beispiel wird in dem Getriebe 2 als Kopplungsmittel 7 ein, insbesondere starres, Kopplungsrad als Kopplungsmittel 7 genutzt. Hierdurch kann auf die im Getriebe 1 genutzten mitdrehenden Führungsmittel 29, 30 verzichtet werden und es kann beispielsweise ausreichend sein, zur Führung des Kopplungsmittels 7 Führungsrollen 61 und/oder feststehende Führungsflächen 62 zu nutzen, wie sie beispielhaft in 3 dargestellt sind, die einen Schnitt senkrecht zur Bildebene in 2 zeigt.
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Durch die gezeigte Ausgestaltung kann mit geringem Aufwand ein einziger Magnetkreis genutzt werden, um den Schlupf des Kopplungsmittels 7 sowohl bezüglich der Antriebskomponente 4 als auch bezüglich der Abtriebskomponente 5 zu reduzieren. Im Beispiel umfasst der Magnetkreis hierbei neben der Antriebskomponente 4, dem Kupplungsmittel 7 und der Abtriebskomponente 5 die Wellen 27, 28 und das feststehende Joch 25, das in geringem Abstand zu den Wellen 27, 28 angeordnet ist. Die Feldbeaufschlagung erfolgt durch die Magnete 19, 20, die ähnlich wie in 1 als Elektromagnete dadurch gebildet sind, dass eine Wicklung um die jeweilige Welle 27, 28 geführt ist. Die Steuerung der Bestromung der Magneten 19, 20 sowie der Aktorik 16, 17 zur Verschiebung der Antriebskomponente 4 und der Abtriebskomponente 5 in Querrichtung in 2 erfolgt durch die Steuereinrichtung 57.
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Das Kopplungsmittel 7 ist derart gelagert, dass es in Hochrichtung in 2 beziehungsweise in Querrichtung in 3 frei verschiebbar ist. Werden nun beispielsweise ausgehend von der in 2 gezeigten Betriebssituation die Antriebskomponente 4 und die Abtriebskomponente 5 durch die Aktorik 16, 17 im Bild gemeinsam nach links verschoben, so wird hierdurch das Kopplungsmittel 7 in 2 nach oben verschoben, womit sich die Kontaktradien 14, 15 und somit die Übersetzung ändern.
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Wie bereits in 2 schematisch dargestellt ist, sind die Antriebskomponente 4 und die Abtriebskomponente 5 aus mehreren Teilkomponenten aufgebaut. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf die 3 bis 5, die verschiedene Betriebsmodi des Getriebes 2 zeigen, näher erläutert. Die Antriebskomponente 4 und die Abtriebskomponente 5 weisen jeweils mehrere Formschlussmittel 37 bis 46 auf, deren dem Kopplungsmittel zugewandte Stirnflächen 47, 48 in dem in 3 gezeigten ersten Betriebsmodus gemeinsam mit der Stirnfläche eines jeweiligen die Formschlussmittel 37 bis 46 umgreifenden Tragmittels 63, 64 eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Kopplungsfläche 12, 13 bilden. Solange sich die Formschlussmittel 37 bis 46 somit in der in 3 gezeigten Anordnung befinden, erfolgt eine Momentübertragung im Getriebe ausschließlich über einen reibschlüssigen beziehungsweise wie obig erläutert reluktanzkraftbasierten Kontakt der Kopplungsflächen 12, 13 der Antriebskomponente 4 beziehungsweise Abtriebskomponente 5 mit den Kontraktflächen 35, 36 des Kopplungsmittels 7.
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Durch eine Aktorik 18 des Getriebes 2, die insbesondere Teil der feststehenden Bauteilgruppe 8 sein kann beziehungsweise die durch die Steuereinrichtung 57 gesteuert werden kann, kann jeweils ein Formschlussmittel 37 bis 46 der Antriebskomponente 4 und der Abtriebskomponente 5 von der in 3 gezeigten Grundposition in die in 4 beispielhaft für die Formschlussmittel 37 und 46 gezeigte Formschlussposition 51, 52 überführt werden, in der das jeweilige Formschlussmittel 37, 46 über die jeweilige Kopplungsfläche 12, 13 hinausragt und in das Kopplungsmittel 7 eingreift, um einen Formschluss herzustellen. Somit resultiert ein weiterer Betriebsmodus, in dem die Momentübertragung von der Antriebskomponente 4 zur Abtriebskomponente 5 formschlüssig und somit ohne Schlupf erfolgt. Nach der Herstellung des in 4 gezeigten Betriebszustandes kann insbesondere die Bestromung der Magneten 19, 20 beendet werden, da ein Schlupf bereits durch den Formschluss verhindert wird.
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Die Formschlussmittel 37 bis 46 sind im Beispiel jeweils als Zahnrad mit einer Außenverzahnung 53, 54 ausgebildet. In dem in 4 gezeigten Betriebsmodus kämmt die Außenverzahnung 53 des Formschlussmittels 37 mit einer Innenverzahnung 55 des Kopplungsmittels 7. Die Außenverzahnung 54 des Formschlussmittels 46 kontaktiert die in 4 verdeckte Innenverzahnung des Kopplungsmittels 7 auf der Abtriebsseite hingegen vollflächig über den gesamten Umfang, womit ein synchrones Drehen mit gleicher Drehzahl der Abtriebskomponente 5 und der Kopplungseinrichtung 7 erreicht wird und somit für den gezeigten Betriebszustand beziehungsweise den dort eingelegten Gang abtriebsseitig der Verschleiß des Getriebes weiter reduziert werden kann. Hierbei fallen die Rotationsachsen 10, 11 der Abtriebskomponente 5 und des Kopplungsmittels 7 zusammen.
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Soll nun in einen anderen Gang gewechselt werden, können die Formschlussmittel 37, 46 zunächst wieder in ihre Grundposition verbracht werden, so dass der in 3 gezeigte Betriebszustand mit rein reibschlüssiger Kopplung vorliegt. Soll beispielsweise der in 5 dargestellte weitere Betriebszustand hergestellt werden, können die Antriebskomponente 4 und die Abtriebskomponente 5 von der in 4 gezeigten Stellung im Bild nach unten geschoben werden, wodurch das Kopplungsmittel 7 aufgrund der beweglichen Lagerung im Bild nach links verschoben wird, bis die in 5 gezeigte Stellung erreicht wird.
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Während der reibschlüssigen Kopplung können hierbei die Magneten 19, 20 bestromt werden, um Schlupf und Reibungsverluste zu minimieren.
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Nach dem Erreichen der in 5 gezeigten Relativposition von Antriebskomponente 4, Kopplungsmittel 7 und Abtriebskomponente 5 können durch die Aktorik 18 die Formschlussmittel 39, 44, wie in 5 gezeigt ist, in die jeweilige Formschlussposition 51, 52 verbracht werden, so dass die beiden als Zahnräder ausgebildeten Formschlussmittel 39, 44 mit ihrer jeweiligen Au-ßenverzahnung 53, 54 die jeweilige Innenverzahnung 55, 56 des Kopplungsmittels 7 kämmen.
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Durch Nutzung einer Schrägverzahnung für die Innenverzahnungen 55, 56 und Außenverzahnungen 53, 54 kann erreicht werden, dass ein zunächst noch vorliegender Schlupf zwischen der Antriebskomponente 4 beziehungsweise der Abtriebskomponente 5 und dem Kopplungsmittel 7 die Außenverzahnung 53, 54 in die Innenverzahnung 55, 56 einschiebt.
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Die Formschlussmittel 37 bis 41 beziehungsweise 42 bis 46 sind als konzentrische Ringe ausgebildet, wobei aus Gründen der Bauraumeffizienz die Formschlussmittel 38 bis 41 beziehungsweise 43 bis 46 neben der Außenverzahnung 54 auch eine Innenverzahnung aufweisen, um Gegengleich zur Außenverzahnung 54 des jeweils innenliegenden Formschlussmittels ausgebildet zu sein, so dass die Bewegung von der in 3 gezeigten Grundposition in die jeweilige Formschlussposition 51, 52 durch eine schraubenartige Bewegung erfolgt.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 bis 5 werden insgesamt fünf Gänge des Getriebes mit formschlüssiger Kopplung und festen Übersetzungsverhältnissen bereitgestellt. Zur Bereitstellung des ersten Ganges werden die Formschlussmittel 37 und 46 genutzt, zur Bereitstellung des zweiten Ganges die Formschlussmittel 38 und 45, zur Bereitstellung des dritten Ganges die Formschlussmittel 39 und 44, zur Bereitstellung des vierten Ganges die Formschlussmittel 40 und 43 und zur Bereitstellung des fünften Ganges die Formschlussmittel 41 und 42. Solange ein jeweiliger Gang eingelegt ist, können die Magneten 19, 20 unbestromt bleiben. Um bei Gangwechseln wenig Schlupf und eine hinreichende Drehmomentübertragung zu erreichen, werden die Magneten 19, 20 hingegen während Gangwechseln bestromt.
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6 zeigt ein Getriebe 3, das gegenüber dem in 2 gezeigten Getriebe 2 etwas abgewandelt ist, wobei nur auf die Unterscheidungsmerkmale eingegangen werden soll. Statt eines Angreifens des Jochs 25 an den Wellen 27, 28 greift dieses direkt an den Stirnflächen der Antriebskomponente 4 und der Abtriebskomponente 5 an. Zudem ist der Magnet 19 am Joch 25 angeordnet. Durch die in 6 gezeigte Ausgestaltung ist das Getriebe 3 noch etwas kürzer bauend als das Getriebe 2.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 58, das das Getriebe 3 nutzt, um ein durch einen Antriebsmotor 59 bereitgestelltes Moment zu den Rädern 60 beziehungsweise einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeugs 58 zu führen. Alternativ wären beispielsweise auch die Getriebe 1 oder 2 nutzbar.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ein sehr kleines, leicht bauendes Getriebe bereitgestellt, was insbesondere in Fahrzeuganwendungen hochrelevant ist. Zudem wird durch das erfindungsgemäße Getriebe eine Momentübertragung auch während Schaltvorgängen ermöglicht, so dass, ähnlich wie bei Doppelkupplungsgetrieben eine durchgehende Momentbereitstellung erreicht wird, wobei der Implementierungsaufwand jedoch erheblich geringer ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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