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Die Erfindung betrifft ein Differential mit Umlaufträger mit Antriebszahnrad, mindestens zwei Planetenträgern drehbar im Umlaufträger gelagert, mit Seitenrädern zu Seitenwellen der Antriebsachse eines Fahrzeugs, die mit den Planetenträgern kämmen, wobei ein Seitenrad entweder mit der zugehörigen Seitenwelle oder mit dem Umlaufträger mit einer Kupplungsanordnung verbindbar ist.
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Stand der Technik
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Die maximale Geschwindigkeit, die mit einer elektrischen Achse erreicht werden kann, hängt primär von der Getriebeübersetzung und der maximalen Drehzahl des Elektromotors ab. Das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Achse muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Drehmoment und Geschwindigkeit aufweisen. Hohe Drehmomente sind notwendig für eine gute Beschleunigung und Fahrdynamik, während eine akzeptable elektrische Höchstgeschwindigkeit für Autobahnfahrten von Vorteil ist. Ein zu kleines Übersetzungsverhältnis führt einerseits zu einer zu großen Übersetzung einen großen und schweren Motor, um ein angemessenes Drehmoment zu liefern. Mögliche Lösungen sind elektrische Mehrganggetriebe, elektrische Achsantriebe, aber die erhöhte Komplexität, der technische Aufwand und die Kosten verhindern in vielen Fällen eine Umsetzung. Ein-Gang-Elektroachsen haben in der Regel Übersetzungsverhältnisse von 8 bis 12 und die heute verwendeten Elektromotoren haben maximale Drehzahlen zwischen 12000 und 20000 Umdrehungen pro Minute. Dieses bedeutet, dass Hybridfahrzeuge, die in der Regel schneller fahren, ein System benötigen, das den Elektromotor vom Antriebsstrang abkoppelt, um ein Überdrehen zu verhindern. Ein Batterie-Elektrofahrzeug mit nur einer Primärantriebsquelle braucht kein Abkopplungssystem, da die elektrische Höchstgeschwindigkeit der Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht. Wo hingegen bei Batterie-Elektrofahrzeugen mit 2 Antriebsquellen (primäre e-Achse für den Hauptantrieb und sekundäre e-Achse für einen Zusatzantrieb) ebenso ein Abkoppelungssystem für die die nicht benötigte e-Maschine ersetzt wird, um durch Abkoppelung der sekundären e-Achse die Effizienz des gesamten Antriebes zu steigern, wenn der Antrieb über die primäre Antriebsachse ausreicht. Bei Verwendung eines Doppelkupplungsdifferentials ist die Implementierung einer Trennfunktion sehr einfach. Um dies zu ermöglichen, können beide Kupplungen vollständig geöffnet werden, damit sich die Antriebswellen frei drehen können.
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Aber ein Trennsystem kann aber auch in Achsen mit herkömmlichen Kegelraddifferentialen realisiert werden. Eine einfache Möglichkeit ist die Verwendung einer Klauenkupplung an der Schnittstelle zwischen Antriebswelle und einem Seitenrad. Da eine Klauenkupplung synchronisiert werden muss, müssen die Drehzahlen von Motor und Antriebswelle genau übereinstimmen, um eine Wiedereinschaltung während der Fahrt zu ermöglichen. Mit Hilfe der Motorleistungselektronik, die die Drehzahl der elektrischen Maschine kennt, und dem ABS kann ein Regelalgorithmus implementiert werden.
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Aus der
DE 20 2020 100 984 U1 ist eine elektrische Antriebsachse mit elektrischen Motor, eine Getriebeanordnung, ein elektrischer Motor, eine Getriebeanordnung, ein Differential und eine Trennvorrichtung, wobei die Getriebeanordnung dafür ausgelegt ist, ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis zwischen dem elektrischen Motor und dem Differential zu erzeugen und wobei eine Ritzelhülse im Inneren eines Gehäuses des Differentials vorsteuert und eine Trennvorrichtung ein Kolbenelement umfasst, das innerhalb einer ringförmigen Nabe und der Ritzelhülse konzentrisch angeordnet ist. Mit dieser Trennvorrichtung wird eine ringförmige Struktur vom Gehäuse entkoppelt. Über diese gekoppelte Struktur wird das gesamte Moment des Antriebs auf das Differenzial übertragen. Dadurch, dass es sich um einen Außenring handelt, wird die Baugröße des Differentials größer.
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Gerade aber der Durchmesser des Differenzials geht maßgeblich in das Bauvolumen und damit auch in das Gewicht der Anordnung ein.
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Aus der
DE 10 2017 116 947 A1 ist ein Differential mit einer Trennkupplung zwischen Seitenrad des Differentials und der zugeordneten Seitenwelle bekannt. Dabei ist ein Teil der komplexen Aktuatorik im Differentialgehäuse angeordnet.
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DE 10 2021 213 011 B3 zeigt ein Differential mit Umlaufträger mit Antriebszahnrad, mindestens zwei Planetenträgern drehbar im Umlaufträger gelagert, mit Seitenabtriebssrädern zu Seitenwellen der Antriebsachse eines Fahrzeugs, die mit den Planetenträgern kämmen, wobei ein Abtriebsseitenrad in axialer Richtung zweigeteilt aufgebaut ist und das innere Abtriebsseitenrad und das äußere Abtriebsseitenrad miteinander über eine Schaltung formschlüssig verbindbar sind und innerhalb des als zweiteiliges Bauteil ausgestalteten Umlaufträgers angeordnet und der Umlaufträger eine Teilung entlang einer Öffnung des Umlaufträgers für die Schaltung aufweist. Das Differential koppelt ein geteiltes Abtriebsseitenrad, sodass nur das halbe Moment über Kupplung fließen muss.
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DE 653 814 A zeigt ein Ausgleichsgetriebe und ein Achswendegetriebe, wobei das Ausgleichsgetriebe gesperrt werden kann. Für die Schaltung des Achswendegetriebes für Vor- und Rückwärtsfahrt sind zwei in ihrer axialen Verschiebung voneinander abhängige, auf dem Ausgleichsgetriebegehäuse unverdrehbar angeordnete Kupplungsklauen vorgesehen, welche die mit dem Antriebskegelrad ständig in Eingriff befindlichen, zu dessen beiden Seiten angeordneten Tellerräder mit dem Ausgleichsgetriebe verbinden können.
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WO 2018 / 044 493 A1 zeigt ein Achstrenn- und Differentialverriegelungssystem für ein Fahrzeug unter Verwendung einer Hülse, die selektiv mit einem Differentialseitengetriebe und/oder einem Differentialgehäuse in Eingriff gebracht werden kann. Die Hülse weist eine Vielzahl von Keilnuten auf, die sich von einer Innenfläche des Schiebekragens erstrecken und ferner einen eine Vielzahl von Kupplungszähnen, die sich axial ausserhalb von einem Ende der Hülse erstrecken. Die Hülse steht gleitend mit einer Achshalbwelle in Eingriff, die eine Vielzahl von Keilnuten aufweist, die sich von der Aussenfläche der Achshalbwelle erstrecken, die komplementär zu der Vielzahl von Keilnuten an der Innenfläche der Hülse sind und mit diesen kämmend in Eingriff stehen. Ein Ende eines differentialseitigen Zahnrads ist dann drehbar mit einem Ende der Achshalbwelle verbunden. Von der Aussenfläche des Endes des differentialseitigen Zahnrads, das mit der Achshalbwelle verbunden ist, erstreckt sich eine Vielzahl von Keilnuten. Das differentialseitige Zahnrad umgibt ein Differentialgehäuse mit einer Vielzahl von Kupplungszähnen, die sich axial ausserhalb von einem Ende des Differentialgehäuses erstrecken.
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DE 37 33 153 A1 zeigt ein Differential, wobei die Steckachsenverbindung zwei Steckachsen umfasst, deren jede an einem Ende mit den Differentialkegelrädern drehfest verbunden und am anderen Ende in einem Differentialgehäuse radial geführt ist, dass zu den Antriebsrädern führende Doppelgelenkwellen vorgesehen sind, die mit ihren dem Differential zugewandten Enden in Innenbohrungen der Steckachsenenden drehbar gelagert sind und dass die Steckachsenenden und die Endbereiche der Doppelgelenkwellen über bereichsweise im Achskörper angeordnete Schaltkupplungen miteinander in Eingriff bringbar sind.
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DE 10 2019 208 345 B4 zeigt eine Differentialsperre mit einer von einem Aktuator aus einer Entsperrstellung in eine Sperrstellung bewegbar antreibbaren Schaltgabel. Mit einer zu einem Differentialgetriebe führenden Abtriebswelle, auf der eine Schaltmuffe drehfest angeordnet ist, die von der Schaltgabel koaxial auf der Abtriebswelle mit einem Muffenprofil aus einer Entkoppelstellung in eine Koppelstellung mit einem Radprofil eines Rades des Differentialgetriebes bewegbar ist. Von der Schaltgabel ist der Außenring eines mit seinem Innenring fest auf der in ihre Entkoppelstellung federbeaufschlagten Schaltmuffe angeordneten Wälzlagers in Koppelstellungsrichtung bewegbar, wobei die Schaltgabel einen von dem Rad des Differentialgetriebes weg gerichteten axialen Anschlag aufweist, der in der Entsperrstellung der Schaltgabel an einem feststehenden Gegenanschlag in Anlage ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kompakte kostengünstige Integration der Trenn-Funktionalität und/oder der Sperr-Funktion in das Differential zu schaffen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Axial bedeutet in diesem Zusammenhang entlang der Achse A, während radial eine Richtung senkrecht zu der Achse A bestimmt. Der Begriff Differential wird als Anordnung mit Differential und weiteren verbundenen Komponenten wie Seitenwellen verstanden.
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Die Lösung erfordert keine teuren Durchbrüche im Umlaufträger und benötigt keine Schalthebel. Die Lösung ist kostengünstig und platzsparend, was sich auch in einem Gewichtsvorteil zeigt.
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Die Aktuator-Hülse ist axial durch eine Aktuatoranordnung entlang der radial wirksamen Steckverbindung verschieblich und ist an einem Ende über eine Klauenverzahnung am Seitenrad und am vom Differential wegweisenden Ende über ein Rillenkugellager verschieblich geführt.
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Der Umlaufträger ist geteilt und das Teilgehäuse mit der Sperr-Funktion mit dem Antriebszahnrad ausschließlich über eine Verschweißung verbunden.
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Die Aktuierung der Schaltung erfolgt vorteilhafterweise durch einen Magneten mit Ankerplatte, wobei der Magnet axial neben dem Umlaufträger angeordnet ist.
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Für die Sperr-Funktion weist das Seitenrad vorteilhafterweise eine axial wirksame Klauenkupplung zur Aktuator-Hülse hin und eine radial wirksame Schiebeverzahnung zum Umlaufträger auf.
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Vorteilhafterweise sind eine Trenn-Funktion und eine Sperr-Funktion jeweils auf einer der beiden Seitenwellen verbaut.
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Es ist von Vorteil, wenn der Umlaufträger geteilt ist und das Teilgehäuse mit der Trenn-Funktion mit dem Antriebszahnrad über Verpressung oder Verschweißung verbunden.
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Durch Integration der Trenn- und Sperr-Funktion in das Differential und die Aktuierung durch eine Aktuator-Hülse vereinfachen sich die beiden Funktionen hinsichtlich des Bauraums und Kosten.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Trennkupplung im Umlaufgehäuse mit Schweißverbindung zum Antriebszahnrad,
- 2 zeigt eine Trenn-Kupplung im Umlaufträger ohne Schweißverbindung,
- 3 zeigt eine Sperrfunktion im Umlaufträger mit Schweißverbindung zum Antriebszahnrad,
- 4 zeigt eine Sperrfunktion und Trenn-Funktion jeweils in einem eigenen Umlaufträger integriert und beide mit Schweißverbindung zum Antriebszahnrad,
- 5 zeigt einen Umlaufträger für eine Sperr-Funktion mit Schweißverbindung und Umlaufträger für eine Trenn-Funktion ohne Schweißverbindung zum Antriebszahnrad,
- 6 zeigt einen Ausschnitt mit einem Rillenkugellager.
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1 zeigt ein Differential 1 mit einem Umlaufträger 2, der über Lager 11 beidseitig gegen ein Fahrzeug 20 gelagert ist. Der Umlaufträger 2 weist eine Verzahnung auf, die ein Antriebsrad 3 ausbildet. Damit ist der Umlaufträger 2 mit der
antreibenden Maschine des Fahrzeugs verbunden.
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Der Umlaufträger 2 ist als zweiteiliges Bauteil ausgebildet, wobei die Trennung des als Gehäuse zu sehenden Umlaufträgers 2 an einem Bolzen 15 erfolgt.
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Am Bolzen 15 drehbar gelagert sind Planetenräder 4 verbaut, wobei in der Ausführungsform zwei Planetenräder um den Bolzen 15 drehen.
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Die Planetenräder 4 kämmen über eine Kegelverzahnung mit den beiden Abtriebsseitenrädern 5. Das in der Figur links dargestellte Seitenrad 5 sitzt über ein Gleitlager im Gehäuse, während das Seitenrad 5 auf der rechten Seite auf einem Nadellager 14 gelagert ist, das auf der Seitenwelle 6 angeordnet ist. Das Seitenrad 5 auf der zu schaltenden Seite ist mit einer Klauenverzahnung 18a ausgebildet.
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Der Umlaufträger 2 bildet im Bereich des schaltbaren Seitenrads 5 einen gestuften Bereich 2a aus, der sich der Seitenwelle 6 eben in Stufen annähert.
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Innerhalb des gestuften Bereichs ist eine Aktuator-Hülse 8 zwischen Umlaufträger 2 und Seitenwelle 6 nach außen geführt. Die Abstufungen folgen dabei der Bauteilfolge im Differential 1 vom Planetenrad 4 zum Seitenrad 5 zur Aktuator-Hülse 8.
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Die Aktuator-Hülse 8 besteht aus einer stirnseitigen Verzahnung in axialer Richtung, wobei z. B. eine Klauenverzahnung 18b zur Verbindung mit dem Seitenrad 5 und der Klauenverzahnung 18a dient. Weiterhin weist die Aktuator-Hülse 8 eine radiale Schiebeverzahnung 7a auf. Die radiale Schiebeverzahnung 7a der Aktuator-Hülse ist dabei eine Innen-Schiebeverzahnung zur Seitenwelle 6 hin, um eine Trenn-Funktion darzustellen Die Seitenwelle 6 wird über ihre Schiebeverzahnung 7b mit Seitenrad 5 gekoppelt und entkoppelt.
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Die Aktuierung der Aktuator-Hülse 8 über einen Hubmagneten 10 und einen Ankerring 12 resultiert in einem axialen Verschieben der Aktuator-Hülse 8 also der Klauenkupplung mit der Klauenverzahnung 18b und erfolgt über ein Rillenkugellager, das als Festlager 16 ausgeführt ist. Das Festlager 16 kann somit Aktuierungskräfte im Zug und Schub übertragen.
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Um die Aktuierung in axialer Richtung möglichst spielfrei auszuführen kann der Außenring 16a des Festlagers 16 mit Kunststoff umspritzt sein.
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Der Ankerring 12 des Hubmagneten 10 kann gleichzeitig mit dem Außenring 16a ebenfalls umspritzt sein. Außerdem kann durch den Einsatz eines Rillenkugellagers mit reduzierter Lagerluft (Klasse C1) das axiale Spiel zusätzlich eingeschränkt werden, was sich positiv auf das Wegekonzept des Hubmagneten auswirkt.
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Die Rückstellfeder 17 ist stationär am Fahrzeug 20 oder an der fahrzeugfesten Ringspule13 angeordnet und wirkt auf den axial verschieblichen Ankerring 12, ist somit komplett frei von jeglicher Differenzdrehzahl. Die Rückstellfeder 17 kann im einfachsten Fall als platzsparende Tellerfeder oder als Sonderform einer Tellerfeder, aber auch als Spiralfeder ausgeführt werden.
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Die radiale Lagerung des schaltbaren Seitenrades 5 erfolgt in der Trenn-Funktion 40 über einen Gleitlagersitz oder das radiale Nadellager 14 auf der Seitenwelle 6. Das Seitenrad 5 und die Aktuator-Hülse 8 sind somit immer zueinander zentrisch auf der Seitenwelle 6 gelagert und somit ist auch die stirnseitige Klauenkupplung mit den Klauenverzahnungen 18a, 18b immer zentrisch ausgerichtet.
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Im gekoppelten Zustand zentriert sich die Seitenwelle 6 am ihrem zum Rad des Fahrzeugs hin orientierten Ende über ein äußeres Rillenkugellager 16 und am anderen Ende im Differential 1 über die Zentrierfunktion der Verzahnungskräfte auf das Seitenrad 5.
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Im entkoppelten Zustand zentriert sich das differentialnahe Ende der Seitenwelle 6 über das Festlager 16, das Rillenkugellager, der Aktuatorik im Fahrzeug. Damit wird die Seitenwelle 6 auch ohne die Zentrierfunktion der Verzahnungskräfte im lastlosen Zustand in zentrischer Position gehalten.
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Alternativ kann die differentialnahe radiale Führung der Seitenwelle 6 auch über eine Gleitlagerstelle oder ein weiteres Nadellager zwischen Aktuator-Hülse 8 und Umlaufträger 2 oder über den Außendurchmesser des Seitenrads 5 im Umlaufträger zentriert werden.
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In der Ausführungsform der 1 ist der Umlaufträger 2 auf der schaltbaren Seite des Differentials 1 mit dem Antriebszahnrad 3 an der Schweißung 21 verschweißt.
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Die Anbindung des Umlaufträgers 2 in der Trenn-Funktion 40 kann auch über einen Presssitz zum Antriebsrad 3 erfolgen, da kein lastbedingtes Drehmoment zwischen Aktuator-Hülse und Differentialgehäuse übertragen wird.
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In der 2 ist dieselbe Anordnung zum Trennen des Seitenrads von der Seitenwelle wie in 1 zu sehen. Als einziger Unterschied ist dargestellt, dass die Trenn-Funktion 40 am Gehäuseteil des Umlaufträgers 2 angebracht ist, der nicht mit dem Antriebszahnrad 3 verschweißt ist.
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In 3 ist eine Trennkupplung dargestellt, die zwischen dem Seitenrad 5 und dem Umlaufträger 2 verbinden und trennen kann. Dafür ist die Schiebeverzahnung 7b der Aktuator-Hülse 8 mit einer Außen-Schiebeverzahnung 7a zum Umlaufträger 2 hinausgeführt, um eine Sperr-Funktion darzustellen.
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Die Anbindung des Umlaufträgers 2 in der Sperr-Funktion 30 kann nur über eine Schweißung 21 zum Antriebszahnrad 3 erfolgen, da in der Sperr-Funktion 30 immer ein lastbedingtes Drehmoment zwischen der Aktuator-Hülse 8, die mit dem Seitenrad 5 des Differentialss1 gekoppelt ist, und dem Umlaufträger 2 übertragen wird.
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Wird in einem Differential sowohl die Trenn- als auch eine Sperr-Funktion benötigt, wie es besonders bei elektrischen Achsen vorkommt, wird die eine Seite des Umlaufträgers 2 als Sperr-Funktion 30 ausgeführt und die andere Seite als Trenn-Funktion 40, wie es der 4 dargestellt ist.
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Dabei muss für die Sperr-Funktion 30 der Umlaufträger 2 immer an das Antriebszahnrad 3 geschweißt angebunden werden. Der Teil des Umlaufträgers 2, der die Trenn-Funktion 40 beinhaltet kann aber auch über einen Presssitz mit Antriebszahnrad 3 verbunden werden, wie es in der 5 gezeugt ist.
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Um die Anordnung möglichst spielfrei auszugestalten, wird eine Ausführungsform nach 6 gewählt.
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Der Hubmagnet 10 aktiviert und verschiebt die Hülse 8 über den Rillenkugellager-Wälzkörper in den Connect Mode, in dem die Klauenkupplung geschlossen ist.
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Ein Federpaket 17b mit Seitenscheiben 17a an jedem axialen Ende liegt an dem Rillenkugellager-Wälzkörper an, um die Hülse 8 wieder in den Disconnect Mode zu schieben, in dem die Kupplung geöffnet ist. Die Seitenscheibe 17a liegt dabei im Wandbereich 17c am Rillenkugellager 16 an. Auf der dem Hubmagnet 10 zugewandten Seite wird über eine Arretierung 16b der Aussenring 16a des Rillenkugellagers festgelegt. Am Rillenkugellager-Außenring 16a wirken rein axiale Kräfte in Richtung des Pfeils a aus der Federkraft der Rückstellfeder 17 und der Spule des Aktuators. Radial - in Richtung des Pfeils r - ist der Rillenkugellager-Außenring 16a frei beweglich, damit keine radiale Verspannung entstehen kann.
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Das Rillenkugellager 16 überträgt Verschiebekräfte bei minimalen Lager-Schleppmoment von der Verstellkraft des Hubmagnets 10 auf die Hülse 8.
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Das Rillenkugellager 16 ist in dieser Anordnung bis auf die Lagerluft der Kugel völlig spielfrei. Die Lagerluft kann zusätzlich noch reduziert werden, um ein axiales Spiel der Schiebemuffe zu minimieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Differential
- 2
- Umlaufradträger
- 2a
- gestufter Bereich
- 3
- Antriebszahnrad
- 4
- Planetenräder (Ausgleichsrad)
- 5
- Seitenrad
- 6
- Seitenwelle
- 7a, 7b,
- Schiebeverzahnungen
- 8
- Aktuator-Hülse
- 10
- Hubmagnet
- 11
- Lager
- 12
- Ankerring
- 13
- Ringspule
- 14
- Nadellager
- 15
- Bolzen
- 16
- Rillenkugellager
- 16a
- Außenring
- 16b
- Arretierung
- 17
- Rückstellfeder
- 17a
- Seitenscheibe
- 17b
- Federpaket
- 17c
- Wandabschnitt
- 18
- Klauenkupplung
- 18a, 18b
- Klauenverzahnung
- 20
- Fahrzeug
- 21
- Schweißung
- 30
- Sperr-Funktion
- 40
- Trenn-Funktion
