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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf eine Führungsanordnung mit einem elastischen Element und in einem zweiten Aspekt auf ein Sperrdifferential mit dieser Führungsanordnung.
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Wenn ein elastisches Element mit geringer Steifigkeit, wie z. B. eine Schraubenfeder oder eine Wellenfeder mit geringer Steifigkeit, in axialer Richtung zusammengedrückt wird, können sich einzelne Windungen in einer radialen Richtung senkrecht zur axialen Richtung verschieben, was dazu führen kann, dass benachbarte Windungen verklemmt werden und sich überlappen. Solche Überschneidungen können das elastische Element nachhaltig schädigen und seine Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. In einigen Anwendungen kann dieses Problem durch die Verwendung eines elastischen Elements mit höherer Steifigkeit umgangen werden. Bei vielen Anwendungen ist diese Lösung jedoch nicht praktikabel.
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DE202020106976U1 offenbart beispielsweise ein Sperrdifferential, das ein Seitenzahnrad, einen Differentialträger zum Antrieb des Seitenzahnrads, ein Sperrelement zur selektiven Drehverriegelung des Seitenzahnrads am Differentialträger, eine Kolbenanordnung zur Betätigung des Sperrelements und ein elastisches Element umfasst. Zur Drehverriegelung des Seitenzahnrads am Differentialträger ist die Kolbenbaugruppe außerdem eingerichtet, das Sperrelement über das elastische Element zu betätigen.
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Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Baugruppe vorzustellen, die das Risiko der Überlappung einzelner Wicklungen eines elastischen Elements in einem mechanischen System verringert.
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Dieses Ziel wird durch eine Führungsanordnung nach Anspruch 1 und durch ein Sperrdifferential erreicht, das diese Führungsanordnung enthält. Besondere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die hier vorgeschlagene Führungsanordnung umfasst ein äußeres Führungselement und ein inneres Führungselement, das zumindest teilweise von dem äußeren Führungselement umschlossen ist, wobei das äußere Führungselement und das innere Führungselement einen Raum dazwischen bilden und/oder abgrenzen. Die Führungsanordnung umfasst ein elastisches Element, das in dem Raum angeordnet ist, wobei das elastische Element das innere Führungselement umschließt und entlang einer axialen Richtung komprimierbar ist. Darüber hinaus umfasst die Führungsanordnung ein Stützelement und ein Betätigungselement, das eingerichtet ist, das elastische Element axial gegen das Stützelement zu drücken. Das innere Führungselement umfasst eine sich axial erstreckende Führungsfläche, die dem elastischen Element zugewandt ist, um die Bewegung des elastischen Elements in einer radialen Richtung senkrecht zur axialen Richtung zu begrenzen, wobei eine Länge einer axialen Überlappung zwischen der Führungsfläche des inneren Führungselements und dem elastischen Element mindestens zwei Drittel einer axialen Länge des elastischen Elements beträgt.
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Beispielsweise kann das elastische Element durch eine Relativbewegung des Stützelements und des Betätigungselements in axialer Richtung zusammengedrückt und freigegeben werden. Darüber hinaus begrenzen das innere Führungselement und das äußere Führungselement eine radiale Verschiebung des elastischen Elements, zum Beispiel wenn das elastische Element zusammengedrückt wird. Insbesondere kann die Führungsfläche des inneren Führungselements als starrer Zwang wirken und eine radiale Verschiebung des elastischen Elements in Richtung des inneren Führungselements begrenzen. Ebenso kann das äußere Führungselement als starre Beschränkung dienen, die die radiale Verschiebung des elastischen Elements in Richtung des äußeren Führungselements begrenzt. Die oben beschriebene Länge einer axialen Überlappung zwischen der Führungsfläche des inneren Führungselements und dem elastischen Element kann insbesondere in Fällen nützlich sein, in denen eine Überlappung der Spulen in axialer Richtung hauptsächlich in der Mitte des elastischen Elements zu erwarten ist. Die Führungsanordnung stellt somit eine kompakte, kostengünstige und leicht zu montierende Lösung dar, die das Risiko einer Überlappung der Spulen verringern kann.
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Das elastische Element kann eine Druckfeder wie eine Schraubenfeder oder eine Wellenfeder umfassen. Alternativ kann das elastische Element auch eine Druckfeder wie eine Schraubenfeder oder eine Wellenfeder sein. Das elastische Element darf das innere Führungselement nur teilweise umschließen.
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Das innere Führungselement kann aus Metall oder Kunststoff hergestellt sein oder diese umfassen.
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Die Länge der axialen Überlappung zwischen der Führungsfläche des inneren Führungselements und des elastischen Elements kann mindestens 90 Prozent oder 100 Prozent der axialen Länge des elastischen Elements betragen. Diese Konstruktion kann besonders nützlich sein, wenn zu erwarten ist, dass eine Überlappung der Spulen auch außerhalb eines axial zentralen Bereichs des elastischen Elements auftritt.
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Das Betätigungselement kann eingerichtet sein, zwischen einer ersten axialen Position, in der das elastische Element eine maximale axiale Länge hat, und einer zweiten axialen Position, in der das elastische Element eine minimale axiale Länge hat, bewegt zu werden, wobei die Länge der axialen Überlappung zwischen der Führungsfläche des inneren Führungselements und dem elastischen Element mindestens zwei Drittel, mindestens 90 Prozent oder 100 Prozent der maximalen axialen Länge des elastischen Elements beträgt. Dabei beziehen sich die maximale axiale Länge und die minimale axiale Länge des elastischen Elements typischerweise nicht auf eine minimale Ausdehnung und auf eine maximale Ausdehnung des elastischen Elements selbst. Vielmehr können sie sich auf eine minimale Ausdehnung und eine maximale Ausdehnung oder Länge beziehen, die das elastische Element innerhalb der Führungsanordnung annehmen oder einnehmen kann. Zum Beispiel kann die minimale Ausdehnung des elastischen Elements einem minimalen axialen Abstand zwischen dem Betätigungselement und dem Stützelement entsprechen, und die maximale Ausdehnung des elastischen Elements kann einem maximalen axialen Abstand zwischen dem Betätigungselement und dem Stützelement entsprechen.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Führungsanordnung beschrieben, die unterschiedlich geformte Führungsflächen aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist die Führungsfläche des inneren Führungselements rotationssymmetrisch in Bezug auf eine in axialer Richtung verlaufende Symmetrieachse.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Führungsfläche des inneren Führungselements zusätzlich oder alternativ zylindersymmetrisch in Bezug auf die Symmetrieachse.
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In einigen dieser Ausführungsformen ist das innere Führungselement zusätzlich oder alternativ ein Vollkörper. In alternativen Ausführungsformen kann das innere Führungselement z. B. eine Durchgangsbohrung in axialer Richtung aufweisen.
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In weiteren Ausführungsformen kann das äußere Führungselement auch andere Formen annehmen, die im Folgenden beschrieben werden.
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In einigen Ausführungsformen ist beispielsweise eine radial innere Fläche des äußeren Führungselements, die dem elastischen Element zugewandt ist, zusätzlich oder alternativ rotationssymmetrisch in Bezug auf eine in axialer Richtung verlaufende Symmetrieachse.
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In einigen dieser Ausführungsformen ist die radial innere Oberfläche des äu-ßeren Führungselements zusätzlich oder alternativ rotationssymmetrisch in Bezug auf eine in axialer Richtung verlaufende Symmetrieachse.
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In einer weiteren dieser Ausführungsformen weist die radial innere Fläche des äußeren Führungselements zusätzlich oder alternativ eine axiale Überlappung mit dem elastischen Element auf, die mindestens zwei Drittel, mindestens 90 Prozent oder 100 Prozent der axialen Ausdehnung des elastischen Elements beträgt.
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In einer weiteren dieser Ausführungsformen ist die radial innere Oberfläche des äußeren Führungselements zusätzlich oder alternativ zylindersymmetrisch in Bezug auf die Symmetrieachse.
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In einer weiteren Ausführungsform hat das innere Führungselement zusätzlich oder alternativ eine ring- oder hülsenförmige oder röhrenförmige Form. Ein Teil der Außenfläche des Rohrs bildet dann in der Regel die Führungsfläche.
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In anderen Ausführungsformen sind das innere Führungselement und das äu-ßere Führungselement zusätzlich oder alternativ in einem bestimmten Abstand zu dem elastischen Element angeordnet.
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In einer dieser Ausführungsformen erstreckt sich das elastische Element über mindestens die Hälfte oder über mindestens zwei Drittel einer radialen Ausdehnung des Raums, der zwischen dem äußeren Führungselement und dem inneren Führungselement gebildet und/oder von diesen begrenzt wird.
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In einer anderen dieser Ausführungsformen ist der maximale radiale Abstand zwischen der Führungsfläche und dem elastischen Element zusätzlich oder alternativ gleich oder kleiner als die Differenz zwischen einem maximalen Außenradius und einem minimalen Innenradius des elastischen Elements.
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In anderen Ausführungsformen der Führungsanordnung umfasst das innere Führungselement zusätzlich oder alternativ einen Abschnitt, der sich von der Führungsfläche des inneren Führungselements radial nach außen erstreckt und in axialer Richtung zwischen dem elastischen Element und dem Stützelement angeordnet ist. In einigen dieser Ausführungsformen kann dieser Teil eine rand- oder flanschartige Form haben.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst das Stützelement zusätzlich oder alternativ einen Schulterteil. Ein Teil des inneren Führungselements kann dann auf dem Schulterteil des Stützelements aufgenommen sein. Diese Konstruktion kann die Montage der Führungsanordnung erleichtern.
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In einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich die Führungsfläche des inneren Führungselements zusätzlich oder alternativ zumindest abschnittsweise entlang der axialen Richtung in einer vom Stützelement zum Betätigungselement weisenden Richtung. Die Verjüngung kann z. B. eine mechanische Wechselwirkung zwischen dem inneren Führungselement und dem Betätigungselement verhindern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Führungsanordnung weist das Betätigungselement zusätzlich oder alternativ einen kleinsten Innenradius auf, der größer ist als ein größter Außenradius der Führungsfläche des inneren Führungselements.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen mit unterschiedlichen Konfigurationen des Betätigungselements beschrieben.
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In einer dieser Ausführungsformen weist das Betätigungselement eine ringförmige Form auf.
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In einer anderen dieser Ausführungsformen sind das äußere Führungselement und das Betätigungselement zusätzlich oder alternativ mechanisch verbunden.
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In einer weiteren dieser Ausführungsformen umfasst das Betätigungselement zusätzlich oder alternativ einen Sprengring, der in einer ringförmigen Vertiefung aufgenommen ist, die an einer radial inneren Seite des äußeren Führungselements ausgebildet ist.
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Ein zweiter Aspekt der Offenbarung bezieht sich auf ein Sperrdifferential, wobei das Sperrdifferential Folgendes umfasst:
- - ein Seitenzahnrad,
- - einen Differentialträger zum Antreiben des Seitenzahnrads, und
- - ein Sperrelement zur selektiven Drehverriegelung des Seitenzahnrads mit dem Differentialträger.
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Darüber hinaus umfasst das Sperrdifferential die oben beschriebene Führungsanordnung, wobei zur Drehverriegelung des Seitenzahnrads am Differentialträger das Betätigungselement so gestaltet ist, dass es das Sperrelement über das elastische Element und das Stützelement betätigt.
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Ausführungsformen der hier vorgeschlagenen Führungsanordnung und des Sperrdifferentials werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung beschrieben und sind in den Figuren dargestellt.
- 1 zeigt einen Querschnitt eines ersten Sperrdifferentials mit einer Führungsanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die Führungsanordnung eine Wellenfeder umfasst;
- 2 zeigt eine Detailansicht des Querschnitts des Sperrdifferentials von 1, in dem sich die Wellenfeder in einem Zustand minimaler Kompression befindet;
- 3 zeigt eine weitere Detailansicht des Querschnitts des Sperrdifferentials von 1, in dem sich die Wellenfeder in einem komprimierten Zustand befindet;
- 4 zeigt einen Querschnitt eines zweiten Sperrdifferentials mit einer Führungsanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die Führungsanordnung eine Schraubenfeder umfasst;
- 5 zeigt eine Detailansicht des Querschnitts des Sperrdifferentials von 4, in dem sich die Schraubenfeder in einem Zustand minimaler Kompression befindet; und
- 6 zeigt eine Detailansicht des Querschnitts des Sperrdifferentials von 4, in dem sich die Schraubenfeder in einem komprimierten Zustand befindet.
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Sperrdifferential 10 mit einer Führungsanordnung 40 gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die Führungsanordnung eine Wellenfeder 50 umfasst.
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Die Führungsanordnung 40 ist im Sperrdifferential 10 enthalten. Das Sperrdifferential 10 enthält einen Differentialträger 14 mit einem Zahnkranz 18 und einem Seitenzahnrad 12, das eingerichtet ist, über eine Keilverbindung 12a mit einer Achshalbwelle verbunden zu werden. Außerdem umfasst das Sperrdifferential 10 ein Sperrelement 16, das eingerichtet ist, sich entlang einer Achse A zu bewegen, die eine axiale Richtung definiert. Wenn das Sperrelement 16 in axialer Richtung in Richtung des Zahnkranzes 18 bewegt wird, drückt das Sperrelement 16 ein Eingriffselement 20 durch eine Ausnehmung 22 in eine Struktur (in den Figuren nicht sichtbar), die Teil des Seitenzahnrads 12 ist, und verriegelt dadurch das Seitenzahnrad 12 mit dem Differentialträger 14. Bei der in 1 dargestellten Ausführung des Sperrdifferentials ist das Sperrelement 16 durch eine Rückstellfeder 26 vorgespannt. Die Führungsanordnung 40 ist Teil einer Baugruppe, die dazu dient, das Eingriffselement 16 in die Ausnehmung 24 zu bewegen.
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Die Führungsanordnung 40 umfasst als elastisches Element die Wellenfeder 50. Die Führungsanordnung 40 umfasst ferner ein äußeres Führungselement 46 und ein inneres Führungselement 48. Das äußere Führungselement 46 umschließt das innere Führungselement 48, wobei die Führungselemente 46, 48 einen Raum S dazwischen begrenzen. Das elastische Element 50 ist in dem Raum S angeordnet oder befindet sich in diesem Raum. Außerdem umfasst die Führungsanordnung 40 ein Stützelement 42 und ein Betätigungselement 44. Das Betätigungselement 44 ist so gestaltet, dass es das elastische Element 50 axial gegen das Stützelement 42 drückt. Insbesondere ist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Führungsanordnung die Wellenfeder 50 in axialer Richtung zwischen dem Stützelement 42 und dem Betätigungselement 44 angeordnet oder gelegen.
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Zusätzlich umfasst das innere Führungselement 48 eine sich axial erstreckende Führungsfläche 48.2, die dem elastischen Element 50 zugewandt ist, um die Bewegung des elastischen Elements 50 in einer radialen Richtung senkrecht zur axialen Richtung zu begrenzen. Außerdem beträgt die Länge AO einer axialen Überlappung zwischen der Führungsfläche 48.2 des inneren Führungselements 48 und dem elastischen Element 50 mindestens zwei Drittel der axialen Länge AL des elastischen Elements. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Führungsanordnung 40 beträgt die axiale Überlappung AO etwa 95 % der axialen Länge AL der Wellenfeder 50.
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Die in 1 dargestellte Führungsanordnung 40 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 und 3 näher beschrieben.
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2 zeigt eine Detailansicht des Querschnitts des Sperrdifferentials 10 von 1, in dem sich die Wellenfeder 50 in einem Zustand minimaler Kompression befindet.
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Hier und nachfolgend sind wiederkehrende Merkmale in unterschiedlichen Figuren generell mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Außerdem wird sich die Beschreibung der Figuren hauptsächlich auf die Teile konzentrieren, die bisher noch nicht vorgestellt wurden. Für eine detailliertere Beschreibung eines zuvor vorgestellten Teils wird der Leser auf die Beschreibung der Figur verwiesen, in der das Teil zum ersten Mal gezeigt und beschriftet wurde.
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Bei der in den 1-3 gezeigten Ausführungsform der Führungsanordnung hat das innere Führungselement 48 eine ringförmige Form. Darüber hinaus umfasst das innere Führungselement 48 einen Abschnitt 48.4, der sich von der Führungsfläche 48.2 radial nach außen erstreckt. Bei der in den 1-3 gezeigten Ausführungsform der Führungsanordnung ist der sich radial nach außen erstreckende Teil 48.4 ein Flansch. Der Querschnitt des inneren Führungselements 48 ist daher L-förmig. Außerdem weist das Stützelement 42 eine Schulter 42.2 auf, die zur Aufnahme des Flansches 48.4 dient.
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In verschiedenen Ausführungsformen der Führungsanordnung gemäß dieser Offenbarung sind das äußere Führungselement 46 und das Betätigungselement 44 mechanisch miteinander verbunden. Bei der in den 1-3 dargestellten Ausführungsform der Führungsanordnung ist das Betätigungselement 44 ein Sprengring, der in einer ringförmigen Vertiefung 46.2 aufgenommen ist, die an einer radial inneren Seite 46.4 des äußeren Führungselements 46 ausgebildet ist. Insbesondere bilden das Betätigungselement 44 und das äu-ßere Führungselement 46 einen Kolben.
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Unter normalen Betriebsbedingungen wird der Kolben hydraulisch in axialer Richtung gegen das Sperrelement 4 bewegt. Auf diese Weise das Sperrelement 4 über das Betätigungselement 44, die Wellenfeder 50 und das Stützelement 42, sodass das Sperrelement 4 das Eingriffselement 20 in eine im Differentialträger 14 ausgebildete Ausnehmung 22 zwingt. Solange sich das Eingriffselement 20 in die Ausnehmung 22 bewegen kann, bleibt die Wellenfeder 50 in einem Zustand minimaler Kompression. In bestimmten Situationen kann das Eingriffselement 20 jedoch an der Aufnahme in der Struktur des Seitenzahnrads 12 gehindert werden. Das Eingriffselement 20 blockiert dann die weitere axiale Bewegung des Sperrelements 4, wodurch der Kolben einschließlich des äußeren Führungselements 46 und des Betätigungselements 44 die Wellenfeder 50 zusammendrückt. Diese Situation wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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3 zeigt eine weitere Detailansicht des Querschnitts des Sperrdifferentials 10 aus 1, in der sich die Wellenfeder 50 in einem komprimierten Zustand befindet.
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Wie oben beschrieben, trägt die Wellenfeder 50 zur Schadensbegrenzung in Situationen bei, in denen das Eingriffselement 20 daran gehindert wird, sich in die Struktur des Seitenzahnrads 12 zu bewegen. Ohne die Wellenfeder 50 kann ein Aufbau des hydraulischen Drucks z. B. Dichtungselemente oder mechanische Teile beschädigen. Im Sperrdifferential 10 kann der Aufbau des hydraulischen Drucks durch Kompression der Wellenfeder 50 reduziert werden, wie in 3 dargestellt.
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Um zu verhindern, dass sich einzelne Windungen der Wellenfeder 50 beim Zusammendrücken der Wellenfeder 50 verklemmen oder überlappen, ist die Wellenfeder 50 in radialer Richtung zwischen dem äußeren Führungselement 46 und dem inneren Führungselement 48 angeordnet.
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Bei der in den 1-3 dargestellten Ausführungsform der Führungsanordnung ist die Führungsfläche 48.2 des inneren Führungselements 48 rotationssymmetrisch zur Achse A. Ebenso ist eine radial innere Fläche 46.4 des äußeren Führungselements 46 rotationssymmetrisch zur Achse A. Sowohl das innere Führungselement 48 als auch das äußere Führungselement 46 sind ringförmig ausgebildet und umschließen eine axial verlaufende Hohl- oder Durchgangsbohrung, durch die eine Achshalbwelle in das Seitenzahnrad 12 eingeführt sein kann. Darüber hinaus ist die Führungsfläche 48.2 des inneren Führungselements 48 in axialer Richtung verjüngt, so dass die Führungsfläche 48.2 am oder in der Nähe des Stützelements 42 in radialer Richtung näher an der Wellenfeder 50 liegt als am oder in der Nähe des Betätigungselements 44. Die Verjüngung der Führungsfläche 48.2 verhindert, dass das Betätigungselement 44 das innere Führungselement 48 beschädigt, wenn oder während das Betätigungselement 44 die Wellenfeder 50 zusammendrückt.
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In anderen Ausführungsformen der Führungsanordnung darf das elastische Element keine Wellenfeder sein. Eine alternative Ausführung des elastischen Elements wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 4-6 beschrieben.
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4 zeigt einen Querschnitt eines zweiten Sperrdifferentials 10' mit einer Führungsanordnung 40' gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die Führungsanordnung eine Schraubenfeder 50' anstelle der in den 1-3 gezeigten Wellenfeder 50 umfasst. Ansonsten ist das Sperrdifferential 10' identisch mit dem Sperrdifferential 10 der 1-3.
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5 zeigt eine Detailansicht des Sperrdifferentials von 4, bei dem sich die Schraubenfeder in einem Zustand minimaler Kompression befindet.
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6 zeigt eine weitere Detailansicht des Sperrdifferentials aus 4, in der sich die Schraubenfeder in einem komprimierten Zustand befindet.
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Wie in 6 dargestellt, ist das Betätigungselement 44 eingerichtet, sich axial zwischen einer ersten axialen Position FAP, in der das elastische Element 50' eine maximale axiale Länge MAXL aufweist, und einer zweiten axialen Position SAP, in der das elastische Element 50' eine minimale axiale Länge MINL aufweist, zu bewegen. Bei der in den 4-6 gezeigten Ausführung beträgt die axiale Überlappung zwischen der Führungsfläche 48.2 und dem elastischen Element 50' etwa 95 % der maximalen axialen Länge MAXL.
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In 6 ist auch ein Vergleich zwischen einer radialen Erstreckung RE des elastischen Elements 50' und einer radialen Erstreckung RS des durch das innere Führungselement 48 und das äußere Führungselement 46 begrenzten Raums S dargestellt, wobei sich das elastische Element 50' über mindestens zwei Drittel, insbesondere über etwa 4/5, der radialen Erstreckung RS des Raums S erstreckt. Ferner ist ein maximaler radialer Abstand RM zwischen der Führungsfläche 48.2 und dem elastischen Element gleich oder kleiner als eine Differenz RE zwischen einem maximalen Außenradius und einem minimalen Innenradius des elastischen Elements 50'.
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Die 1-6 zeigen die Führungsanordnung in einem Sperrdifferential, die Führungsanordnung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. Im Allgemeinen kann die Führungsanordnung in jedem mechanischen System verwendet werden, das ein elastisches Element enthält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202020106976 U1 [0003]
