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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Amphibienfahrzeug mit
einem Entkoppler zum Koppeln/Entkoppeln einer Antriebswelle des
Fahrzeugs und insbesondere auf ein Amphibienfahrzeug mit einem Antriebswellenentkoppler
zum Einrücken und
Ausrücken
einer Antriebswelle, die den Ausgang von einem Antriebsstrang des
Fahrzeugs antreibend mit den Rädern
oder dem Schiffsantriebssystem des Fahrzeugs verbindet. Ein solches
Amphibienfahrzeug ist beispielsweise in DE-A-1 530 577 beschrieben.
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Es
hat sich als praktisch erwiesen, die Schiffsantriebssysteme eines
Amphibienfahrzeugs über
die Übertragungseinrichtung
anzutreiben, durch die auch die Räder angetrieben werden. Bei
dieser Anordnung muss der Antrieb an die Räder ausgerückt werden, wenn sich das Amphibienfahrzeug
im Wasserbetrieb befindet und der Antrieb an den Schiffsantrieb
eingerückt
ist. Außerdem
ist es wünschenswert,
den Antrieb an die Räder
und an das Schiffsantriebssystem unabhängig voneinander entkoppeln
und koppeln zu können,
wenn das Fahrzeug den Wechsel zwischen Land- und Wasserfahrbetrieb vollzieht.
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Im
Fall einer Übertragungseinrichtung,
die einen Achsantrieb und ein Differential als integrierten Teil
der gesamten Übertragungseinrichtung
einschließt,
wäre die
Integration eines Entkopplers in die Übertragungseinrichtung nur
möglich,
indem eine neue interne Anordnung konstruiert würde. Für Amphibienfahrzeuge, die in
Spezialanwendungen eingesetzt und in relativ kleinen Mengen hergestellt
werden, wäre
eine spezielle Übertragungseinrichtung unbezahlbar.
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Daher
hat es sich bei einem Amphibienfahrzeug, bei dem der Motor die Straßenräder und
das Schiffsantriebssystem über
eine integrierte Übertragungseinrichtung/Differential
antreibt, als notwendig erwiesen, externe Antriebswellenentkoppler
bereitzustellen, um den Antrieb zwischen dem Differential und den
angetriebenen Rädern
und zwischen der Übertragungseinrichtung
und dem Schiffsantriebssystem abzutrennen. Typischerweise wird im
Antriebsstrang zwischen der Übertragungseinrichtung und
jedem angetriebenen Rad ein Entkoppler bereitgestellt. Es ist jedoch
möglich,
einen Entkoppler im Antriebsstrang zwischen der Übertragungseinrichtung und
nur einem der angetriebenen Räder
zu verwenden, da durch die Auswirkungen des Differentials das Abtrennen
des Antriebs an eines der angetriebenen Räder effektiv den Antrieb an
beider Räder
ausrückt.
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Ein
Problem mit bekannten externen Antriebswellenentkopplern ist die
Menge an zusätzlichem
Platz, die sie benötigen.
Dies ist insbesondere bei Amphibienfahrzeugen ein Problem, bei denen
die Räder
so ausgelegt sind, dass sie für
den Einsatz des Fahrzeugs im Wasser nach oben in das Fahrzeug eingefahren
werden. Bei solchen Fahrzeugen reduziert die Bereitstellung von
Radeinfahrsystemen und speziellen Aufhängungssystemen den verfügbaren Platz
für externe
Antriebswellenentkoppler.
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Ein
weiteres auftretendes Problem ist die Notwendigkeit, die Drehzahlen
des Eingangs- und des Ausgangsmittels des Entkopplers zu synchronisieren,
wenn der Antrieb gekoppelt wird. Dieses Problem tritt beispielsweise
dann auf, wenn das Fahrzeug mit ausgefahrenen Rädern kurz davor ist, das Wasser
zu verlassen. Unter diesen Umständen
muss der Antrieb an das Schiffsantriebssystem erhalten bleiben,
um das Fahrzeug ans Ufer zu bewegen, während der Antrieb an die Straßenräder gekoppelt wird.
So kann sich das Fahrzeug aus dem Wasser bewegen, indem es eine
Kombination von Antrieb vom Schiffsantriebssystem und den Straßenrädern nutzt.
Der Entkoppler muss daher ein Kupplungsmittel haben, um den Antrieb
zwischen dem Differentialausgang der Übertragungseinrichtung (der
möglicherweise
mit 1000 U/min rotiert) und einer aus Antriebswelle, Bremsscheibe,
Nabe und Rad (das zunächst
im Wasser stationär
ist) bestehenden rotierenden Baugruppe, die die zu überwindende
Trägheit repräsentiert,
fortschreitend einzurücken.
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Ein ähnliches
Problem tritt auf, wenn das Fahrzeug ins Wasser eintritt, wenn es
wünschenswert
ist, den Antrieb an das Schiffsantriebssystem zu koppeln, während der
Antrieb an die Straßenräder erhalten
bleibt. Dadurch wird ein gleichmäßiger Übergang
vom Land- zum Wassereinsatz des Fahrzeugs ermöglicht, es muss jedoch ein
stationäres
Schiffsantriebssystem an eine rotierende Nebenantriebswelle gekoppelt
werden.
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Darüber hinaus
muss der Entkoppler, wenn er im Antriebsstrang zwischen der Übertragungseinrichtung
und einer Antriebswelle für
ein Rad eines Amphibienfahrzeugs eingesetzt werden soll, in der Lage
sein, die hohen Drehmomentbelastungen aufzunehmen, die auf die Antriebswelle
ausgeübt
werden. Beispielsweise treten sehr hohe Drehmomentbelastungen in
solchen Antriebswellen auf, wenn der Antrieb an die Räder eingerückt ist,
wobei das Motordrehmoment (z. B. 250 Nm) mit einem ersten Übersetzungsverhältnis (z.
B. 4:1) multipliziert mit einem Achsantriebsverhältnis (z. B. 3,5:1) multipliziert
wird: 250 × 4 × 3,5 =
3500 Nm
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Wenn
Stoßbelastungen
aus Drehmomentreaktionen infolge Rad-/Bodenkontakt mit einbezogen werden,
ist es üblich,
10–12.000
Nm Spitzendrehmomentbelastungen für die Antriebswellen eines
Straßenfahrzeugs durchschnittlicher Größe zu berücksichtigen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Amphibienfahrzeug mit einem
Entkoppler bereitzustellen, der in der Lage ist, die obigen Anforderungen
zu erfüllen
und der weniger Platz beansprucht als bekannte Entkoppler.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Amphibienfahrzeug bereitgestellt, das einen Entkoppler
zum Koppeln/Entkoppeln von Antrieb zwischen einem Ausgang vom Fahrzeugantriebsstrang
und einer anzutreibenden Komponente umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass der Entkoppler eine Synchronisiereinrichtung umfasst, die so
angepasst ist, dass sie die Drehzahl eines Eingangsmittels und eines Ausgangsmittels
des Entkopplers synchronisiert, wenn Antrieb gekoppelt wird und
dass der Entkoppler Teil einer integrierten Einheit bildet, die
außerdem
ein Doppelgelenk umfasst.
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Indem
ein Entkoppler mit Synchronisiereinrichtung und ein Doppelgelenk
in eine einzige Einheit integriert werden, kann die integrierte
Einheit in dem Platz untergebracht werden, der normalerweise von einem
herkömmlichen
Doppelgelenk eingenommen wird. So wird durch die integrierte Einheit
weniger Platz beansprucht, als wenn Entkoppler und Doppelgelenk
getrennt wären.
Darüber
hinaus wird eine geringere Anzahl Komponenten benötigt und
die Einbauanordnungen sind vereinfacht. Dadurch werden das Gewicht
sowie die Fertigungs- und Montagekosten des Fahrzeugs reduziert
und die Zuverlässigkeit verbessert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei der Synchronisiereinrichtung um eine Gleichlaufvorrichtung,
die einen Synchronring und einen Kegel umfasst, wobei der Synchronring
und der Kegel der Synchronisiereinrichtung ein Mittel zum stufenweise
Einrücken
des Antriebs bereitstellen.
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Diese
Anordnung hat den zusätzlichen
Vorteil, dass eine bekannte Gleichlaufvorrichtung aus einem herkömmlichen
Getriebe für
den Einsatz im Entkoppler angepasst werden kann. Dadurch kann die Synchronisiereinrichtung
des Entkopplers mit im Handel erhältlichen Komponenten zu wesentlich
geringeren Kosten hergestellt werden, als wenn die Komponenten eigens
für diesen
Zweck konstruiert und gefertigt werden müssten.
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Obwohl
bekannte Gleichlaufvorrichtungen, wie sie in herkömmlichen
Schaltgetrieben verwendet werden, die Aufgaben des Kuppelns und
Koppelns/Entkoppelns in einem kombinierten Vorgang als integrierter
Mechanismus ausführen,
wurden solche Vorrichtungen bisher nicht für andere als ihre bestimmungsgemäße Verwendung
der manuellen Gangwahl im herkömmlichen
Getriebe eingesetzt. Diesbezüglich
ist zu beachten, dass die in den Wellen und Lagern im Getriebe verbleibenden
Trägheitskräfte sehr
viel kleiner sind als die einer sich unter Wasser befindlichen Antriebswelle
und eines sich unter Wasser befindlichen Rads. Außerdem unterliegt das
Antriebsdrehmoment in einem Getriebe keiner Achsantriebsmultiplikation
und keinen extremen Rad-Boden-Stoßbelastungen.
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Umfangreiche
Analysen und Tests weisen jedoch darauf hin, dass die Kupplungsanforderung
eines Antriebswellenentkopplers für ein Amphibienfahrzeug durch
eine einen Synchronring und einen Synchronkegel umfassende Gleichlaufvorrichtung erfüllt werden
könnte,
sofern sie einer Anzahl von Anwendungszyklen ausgesetzt wird, die
gegenüber
der normalerweise in der Lebensdauer eines Getriebes erfahrenen
Anzahl stark reduziert ist.
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Anschließende umfangreiche
Tests basierend auf den genauen Anforderungen eines Antriebswellenentkopplers
für ein
Amphibienfahrzeug bezüglich
Trägheitsbelastungen,
Straßenlasteingängen, Torsionsschwingungsfrequenzen
und Amphibien-Lastzyklen haben gezeigt, dass eine Lastkraftwagen-Gleichlaufvorrichtung
in der Lage ist, diese ungewohnten Aufgaben des Kuppelns bei hoher
Trägheit
und des Koppelns bei hohem Drehmoment auszuführen und gleichzeitig die Kosten-
und Platzanforderungen zu erfüllen,
wenn sie, wie hierin gezeigt, in einem speziellen Entkopplergehäuse untergebracht wird.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft unter Verweis auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 ein
Schnitt durch einen Entkoppler eines Amphibienfahrzeugs gemäß der Erfindung
ist, wobei der Entkoppler in der Stellung gezeigt ist, in der der
Antrieb ausgerückt
oder entkoppelt ist;
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2 eine
Ansicht, ähnlich
der von 1 ist, aber den Entkoppler in
der Stellung zeigt, in der Antrieb eingerückt oder gekoppelt ist; und
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3 eine
schematische Draufsicht im Schnitt eines Amphibienfahrzeugs gemäß der Erfindung
ist, die einen Antriebsstrang mit einem Motor, Getriebe und drei
Entkopplern des in 1 und 2 gezeigten
Typs zeigt.
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In 1 ist
ein Entkoppler, der ein Doppelgelenk einschließt, allgemein unter 10 abgebildet.
Der Entkoppler 10 hat die Form einer integrierten Einheit, die
in einem Gehäuse 12 untergebracht
ist. Eine Antriebswelle 14, die von der Ausgangsstufe eines
Getriebes oder von einem Differential (nicht abgebildet) kommen
kann, tritt durch eine kreisförmige Öffnung 16 auf
der linken Seite des Gehäuses 12 (wie
betrachtet) in das Gehäuse 12 ein
und kann frei im Gehäuse
rotieren. Eine Öldichtung 18 dichtet
zwischen der Antriebswelle 14 und der Öffnung 16. Die Antriebswelle 14 umfasst
einen Eingang des Entkopplers 10.
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Die
Antriebswelle 14 endet im Gehäuse 12 in einem Flansch 20,
dessen Umfang verzahnt 22 ist. Ein Antriebsring 24,
der innen entsprechend verzahnt ist, greift permanent antreibend
in die Verzahnung 22 ein und rotiert mit der Antriebswelle 14.
Im Umfang des Antriebsrings 24 befindet sich ein Umfangsschlitz 26,
in dem ein Wählhebel 28 sitzt.
Ein Stab 30, der hin- und herbewegbar, was durch den Pfeil
A dargestellt ist, in einer Bohrung 32 des Gehäuses 12 angebracht
ist, trägt
an einem Ende den Wählhebel 28. Es
wird ein Gestänge
(nicht abgebildet) bereitgestellt, mit dem eine Bedienperson eines
zugehörigen Fahrzeugs
(80, 3) selektiv den Stab 30 und
den Wählhebel 28 in
eine gewünschte
Stellung verschieben kann. Alternativ kann die Bewegung des Stabs 30 mittels
eines Druckluft- oder Hydraulikzylinders (nicht abgebildet) ferngesteuert
werden.
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Ein
allgemein unter 34 abgebildetes Doppelgelenk ist drehbar
in Kugellagern 36 in der rechten Seite des Gehäuses 12 (wie
betrachtet) gelagert. Eine Öldichtung 38 dichtet
zwischen dem Gehäuse 12 und
dem Doppelgelenk 34, wobei die Kugellager 36 in
einer geschützten Lage
im Gehäuse 12 eingeschlossen
sind. Die Öldichtung 38 und
die Kugellager 36 werden durch ein Paar Sicherungsringe 40 ausgerichtet
und im Gehäuse 12 gehalten.
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Das
dem Flansch 20 der Antriebswelle 14 gegenüber liegende
Ende des Doppelgelenks 34 ist bei 42 gestuft.
Eine gestufte Kappe 44 ist starr am gestuften Ende 42 angebracht.
Der Umfang der äußeren Stufe
der Kappe 44 ist bei 46 verzahnt und der Umfang
der inneren Stufe ist mit einem Synchronkegel 48 versehen.
Die Verzahnung 46 hat die gleiche Form wie die Verzahnung 22.
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Ein
als sich in einen Flansch erstreckender Kegelstumpf geformter Synchronring 50 befindet
sich zwischen der gestuften Kappe 44 des Doppelgelenks 34 und
dem Flansch 20 der Antriebswelle 14. Der Umfang
des Flanschs des Synchronrings 50 ist bei 52 verzahnt
und die Verzahnung 52 hat die gleiche Form wie die Verzahnungen 22 und 46.
Der Flansch 20, der Synchronring 50 und die äußere Stufe
der Kappe 44 haben den gleichen Durchmesser und sind konzentrisch.
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Beim
Doppelgelenk 34 handelt es sich um ein "RZEPPA"-Doppelgelenk, das die Verzahnung 54,
eine Mehrzahl von Rollkugeln 56 und eine angetriebene Welle 58 umfasst,
die einen Ausgang des Entkopplers umfasst. Typischerweise sind drei
oder vier Rollkugeln 56 so angebracht, dass sie in gleichmäßigen Abständen um
den Umfang des Endes der Antriebswelle 58 angeordnet sind.
Das Doppelgelenk 34 kann um bis zu 45° von der Achse der Antriebswelle 14 weg
ausgelenkt werden und umfasst eine herkömmliche Staubmanschette (nicht
abgebildet), die sich zwischen der Antriebswelle 58 und
einer im Gehäuse
des Doppelgelenks 54 bereitgestellten Nut 59 erstreckt.
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Obwohl
es sich in der bevorzugten Ausführungsform
bei dem Doppelgelenk um ein Rzeppa-Doppelgelenk handelt, ist zu beachten,
dass jede geeignete An von Doppelgelenk verwendet werden kann. Beispielsweise
könnte
das Doppelgelenk eines der folgenden sein: Tracta, Weiss, Tripode,
AC, VL, UF, UFC, GI, GE, GIC, ARR oder Triplan.
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Die
Funktion des Entkopplers 10 wird nun unter Verweis auch
auf 2 beschrieben. In 1 ist der
Entkoppler 10 entkoppelt gezeigt und das Koppeln wird durch
das Verschieben des Stabs 30 nach rechts, wie betrachtet,
bewirkt. Wenn der Stab 30 verschoben wird, beispielsweise
durch einen Hydraulikzylinder (nicht abgebildet), schiebt der Wählhebel 28, der
in den Umfangsschlitz 26 des Antriebsrings 24 eingreift,
den Antriebsring 24 in der Verzahnung 22 in Richtung
des Doppelgelenks 34. Die interne Verzahnung des Antriebsrings 24 greift
in die Verzahnung 52 des Synchronrings 50 ein
und drückt
den Synchronring 50 auf den Synchronkegel 48.
Der Synchronring 50 rotiert mit der Drehzahl der Antriebswelle 14 und
die Reibung zwischen dem konischen Teil des Synchronrings 50 und
dem Synchronkegel 48 synchronisiert die Drehzahl der gestuften
Kappe 44 und des Doppelgelenks 34 mit der Drehzahl
der Antriebswelle 14. Die Anordnung von Synchronring 50, Synchronkegel 48 und
Antriebsring 24 ist allgemein als Gleichlaufvorrichtung
bekannt.
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Das
weitere Verschieben des Antriebsrings 24 durch den Wählhebel 28 bewirkt,
dass der Antriebsring 24 in eine Lage gleitet, in der er
in die Verzahnung 46 der Kappe 44 und in die Verzahnung 22 des
Antriebswellenflanschs 20 eingreift, wie in 2 gezeigt.
Das volle Drehmoment der Antriebswelle 14 kann dann über den
Antriebsring 24 auf die angetriebene Welle 58 des
Doppelgelenks 34 übertragen werden.
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In 3 hat
ein allgemein unter 80 abgebildetes Amphibienfahrzeug einen
quer liegenden Antriebsstrang 60. Der Antriebsstrang 60 umfasst
einen Motor 62, ein in Reihe angeordnetes Getriebe 64,
ein vom Getriebe angetriebenes Differential 66 und ein vom
Differential angetriebenes Transfergetriebe 67. Vom Differential
wird Antrieb an ein Paar Antriebswellen 68 geliefert, die
die Hinterräder 69 des
Fahrzeugs antreiben und vom Transfergetriebe 67 wird Antrieb
an eine dritte Welle 70 geliefert, die ein Schiffsantriebssystem
in Form eines Wasserstrahlantriebs 71 antreibt. Zwischen
jeder der Hinterradantriebswellen 68 und dem Differential 66 und
zwischen der Antriebswelle 70 und dem Transfergetriebe 67 ist ein
Entkoppler 10, der Art, wie er vorangehend unter Verweis
auf 1 und 2 beschrieben wurde, bereitgestellt.
Die Entkoppler 10 sorgen dafür, dass Antrieb selektiv und
unabhängig
zwischen dem Differential 66 und jeder der Hinterradantriebswellen 68 und
zwischen dem Transfergetriebe und der Wasserstrahlantriebswelle 70 angeschlossen
werden kann. In der gezeigten Anordnung umfassen die Antriebswellen 68, 70 das
selbe Teil wie die in 1 und 2 mit 58 gekennzeichnete
Antriebswelle.
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In
der in 3 gezeigten Ausführungsform wird für jede der
Hinterradantriebswellen 68 ein Entkoppler 10 bereitgestellt.
In einer alternativen Ausführungsform
kann jedoch ein Entkoppler 10 für nur eine der Hinterradantriebswellen 68 bereitgestellt werden,
wobei die andere Antriebswelle 68 mit einem herkömmlichen
Doppelgelenk oder Ähnlichem bereitgestellt
wird. Der Fachmann wird leicht einsehen, dass das Entkoppeln des
Antriebs an eines der Hinterräder
durch die Wirkung des Differentials 66 effektiv den Antrieb
an beide Hinterräder
entkoppelt.
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Auf ähnliche
Weise wird es möglicherweise nicht
für notwendig
erachtet, einen Entkoppler im Antrieb des Schiffsantriebssystems
bereitzustellen, da es möglich
ist, das Schiffsantriebssystem im Freilauf laufen zu lassen, wenn
das Amphibienfahrzeug im Straßenbetrieb
gefahren wird. Dies bringt einen kleinen Leistungsverlust mit sich,
der unerwünscht
ist, lässt
aber die Vereinfachung des Schiffsantriebsstrangs zu.
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Manche
Amphibienfahrzeugsantriebsstränge
benötigen
keine Straßenradentkoppler.
Dabei handelt es sich u.a. um Antriebsstränge, bei denen der Schiffsnebenantrieb
der Übertragungseinrichtung
für die
Straßenräder vorgeschaltet
ist. Es kann beispielsweise ein Sandwich-Nebenantrieb zwischen Motor
und Übertragungseinrichtung
verwendet werden, wie in 1 unserer ebenfalls hängigen Patentanmeldung
Nr. GB0020887.6. In diesem Fall werden keine Straßenradentkoppler
benötigt,
da der Antrieb an die Straßenräder einfach
entkoppelt werden kann, indem das Getriebe in den Leerlauf geschaltet
wird.
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Straßenradentkoppler
werden außerdem dann
nicht benötigt,
wenn der Schiffsnebenantrieb vom Steuerende der Kurbelwelle erfolgt,
beispielsweise gemäß 2 unserer
ebenfalls hängigen
Patentanmeldung Nr. GB0021007.0.
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Aus
den vorangehenden Ausführungen
ist ersichtlich, dass, obwohl 3 ein Amphibienfahrzeug
mit einem Antriebsstrang mit Quermotor zeigt, der Entkoppler 10 gleichermaßen für den Einsatz
mit einem Antriebsstrang mit Längsmotor
bzw. mit einer beliebigen Antriebsstranganordnung für den Einsatz in
einem Amphibienfahrzeug geeignet ist.
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Der
Entkoppler 10 eignet sich aufgrund des eingeschränkten Platzes
um den Motor und die Antriebswellen und aufgrund der Notwendigkeit,
das Fahrzeuggewicht möglichst
gering zu halten, insbesondere für
den Einsatz in einem Amphibienfahrzeug.
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Es
ist nicht vorgesehen, dass der Entkoppler 10 zum Koppeln
von Antrieb zwischen der Übertragungseinrichtung
und den Rädern
verwendet wird, wenn sich das Fahrzeug an Land befindet und die
zu koppelnden Drehmomente hoch sind. Es ist vielmehr vorgesehen,
dass der Entkoppler 10 zum Koppeln von Antrieb an die Räder verwendet
wird, wenn das Fahrzeug im Wasser schwimmt und die Räder (nicht abgebildet)
nahezu ungehindert durchdrehen können.
Wenn die Räder
an Land aufsetzen, greift der Antriebsring 24 des Entkopplers 10 voll
in die Verzahnung 46 des Doppelgelenks ein. Außerdem findet das
Koppeln der Antriebswelle 70 und der Radantriebswellen 68 statt,
wenn sich das Getriebe in einem niedrigen Gang befindet und der
Motor mit geringer Drehzahl läuft.
Dadurch wird die beim Synchronisieren der Drehzahlen der Antriebswellen 68, 70 und
der Antriebswelle 14 zu überwindende Trägheit reduziert.