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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Differentialvorrichtungen und genauer
auf Kraftübertragungssysteme
für Fahrzeuge,
die eine variable Drehmomentübertragung
bereitstellen. Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine
Drehmomentübertragung unter
Verwendung einer kugelrampenbetätigten
Reibungskupplung. In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung
auf eine Steuerung des Kugelrampenaktuators mittels einer Teilchenkupplung.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Bei
vielen heutzutage hergestellten Fahrzeugen wird bei der grundlegenden
Fahrzeugplattform ein Vorderradantrieb verwendet. Allerdings ist
bei vielen derartigen Fahrzeugen und insbesondere bei Vans und Sportfahrzeugen
mindestens unter bestimmten Betriebsbedingungen die Bereitstellung
eines Vierradantriebs erwünscht.
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Typischerweise
sind die verschiedenen Anordnungen zur Bewerkstelligung eines zeitweisen Vierradantriebs
komplex sowie teuer und erfordern mitunter eine gewisse Art von
Steuerschema, damit ein Vierradantrieb (oder Hinterradantrieb) in
Ansprechen auf gewisse vorbestimmte Betriebsbedingungen bewerkstelligt
werden kann.
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In
bestimmten Fahrzeuganwendungen ist es akzeptabel, bei den meisten
Betriebsbedingungen nur einen Vorderradantrieb bereitzustellen.
Daher ist der Hinterradantrieb lediglich dann erforderlich, wenn die
Frontantriebsräder
durchdrehen (z.B. bei schlechten Traktionsbedingungen). Allerdings
ist beim Stand der Technik bisher keine geeignete Vorrichtung bereitgestellt
worden, bei der so lange ausschließlich ein Vorderradantrieb
bereitgestellt und kein wesentliches Drehmoment zu den hinteren
Rädern übertragen
wird, bis die vorderen Räder
durchzudrehen beginnen. Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift
Nr. 4 562 897 eine Viskosekupplung in dem Kraftübertragungssystem zwischen
der Vorderachse und den hinteren Rädern. Allerdings benötigt das
System eine Auswahlvorrichtung, um zwischen einer Übertragung
von Drehmoment durch die Viskosekupplung, einer Entkoppelung der
Viskosekupplung oder einem Umgehen derselben auswählen zu
können.
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Die
Implementierung einer derartigen Auswahlvorrichtung trägt zu einer
wesentlichen Erhöhung
der gesamten Komplexität
und Kosten des Kraftübertragungssystems
bei, und wie für
den Fachmann wohlbekannt, bilden die Kosten der Komponenten den
Hauptfaktor, durch den bestimmt wird, ob ein jeweiliges System oder
eine bestimmte Komponente in einem Fahrzeug verwendet wird oder
nicht.
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Aus
dem Patent US-A-5 070 975 sowie aus der europäischen Anmeldung EP-0 314 420
ist die Verwendung einer viskosebetätigten Reibungskupplung vom
Kugelrampentyp zur Verwendung als ein zentrales Differential in
einer Vierrad-Kraftübertragung
bekannt, um dann Drehmoment zu den hinteren Achsen zu übertragen,
wenn ein Drehzahlunterschied zwischen den Vorder- und Hinterrädern besteht.
Es wird davon ausgegangen, dass das Drehmomentübertragungsvermögen der
Vorrichtung des oben genannten Patents bzw. der Anmeldung durch den
Umstand, dass eine der Kugelrampenplatten den Eingang in die Viskosekupplung
bildet, in gewissem Umfang begrenzt wäre. Unabhängig von dem begrenzten Drehmomentvermögen würde die
Vorrichtung des angeführten
Patents jedoch für
typische Fahrzeuganwendungen wahrscheinlich viel zu teuer ausfallen.
Einer der Gründe
für die übermäßigen Kosten
der Vorrichtung des angeführten
Patents besteht in der Verwendung eines ziemlich konventionellen
Gussgehäusetyps
mit mehreren unterschiedlich bearbeiteten Innendurchmessern, internen
Spren- und O-Ring-Nuten sowie einem Satz von Innenkeilzähnen.
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Eine
Verbesserung bezüglich
der oben erwähnten
Differentiale ist in dem Patent US-A-5 967 276 offenbart, das den
gleichen Inhaber wie die vorliegende Anmeldung hat und wobei eine
kugelrampenbetätigte
Kupplung in einem gestanzten Gehäuse enthalten
ist, wodurch die Herstellungskosten verringert werden, und wobei
der Kugelrampenaktuator selbst durch eine abgedichtete Viskosekupplung
betätigt
wird, was die Komplexität
der Steuerung und den Bedarf nach zusätzlichen Steuersystemen verringert.
Das hier offenbarte Differential stellt somit eine abgedichtete
Einheit mit einer Antwortcharakteristik bereit, die unverändert bleibt,
solange die Einheit abgedichtet und in einem einwandfreien Betriebszustand
bleibt. Ein Anwender kann die Drehmomentübertragungseigenschaften innerhalb
des Differentials nicht einstellen.
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Somit
wäre die
Bereitstellung einer Differentialvorrichtung vorteilhaft, die effektiv
und haltbar, sowie einfach und kosteneffizient herzustellen ist,
wie dies bei der in US-A-5 967 276 offenbarten Vorrichtung der Fall
ist, und die darüber
hinaus insofern flexibel ist, als dass sie auf eine Steuerung durch
den Anwender ansprechen kann. Weiterhin wäre die Bereitstellung einer
Differentialvorrichtung vorteilhaft, die variable Drehmomentübertragungseigenschaften aufweisen
kann, die innerhalb einer einzelnen Anwendung für unterschiedliche Bedingungen
erforderlich werden können,
oder die bei der Verwendung eines einzigen Differentialentwufs in
mehreren Anwendungen notwendig sein können, ohne dass ein Bedarf
nach einer wesentlichen Modifikation entsteht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Diferentialvorrichtung gemäß Anspruch
1, wobei dessen Oberbegriff auf EP-A-0 899 475 beruht.
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Teilchenkupplung mit einer Antriebs-
und einer Abtriebskupplung. Die Antriebs- und Abtriebskupplungen
umfassen jeweils Oberflächen,
die parallel zueinander ausgerichtet sind. Diese Oberflächen werden
durch einen engen Spalt voneinander getrennt, der mit einem magnetisch
reaktiven Medium befüllt
ist, dessen Eigenschaften sich bei einem Aussetzen an ein Magnetfeld
verändern.
Das Medium kann in der Form feiner, magnetisch reaktiver Teilchen
vorliegen oder es kann ein magnetorheologisches Fluid sein. Die
Fähigkeit
des Mediums zu einer Kraftübertragung
zwischen den Oberflächen
der Antriebs- und Abtriebskupplungen ist steuerbar und als eine
Funktion der Stärke
des Magnetfeldes vorhersagbar. Das Magnetfeld kann von einem Elektromagnet,
einem Permanentmagnet oder von jeder Kombination bekannter Magneten
stammen.
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Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf eine Differentialvorrichtung unter
Verwendung einer Teilchenkupplung zur Steuerung einer Reibungskupplung.
Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine durch eine Kugelrampenbaugruppe betätigte Reibungskupplung.
Die Kugelrampenbaugruppe weist zwei Platten mit Nockenelementen wie
z.B. Kugeln auf, die an den gegenüberliegenden Oberflächen der
Platten anliegen. Die Abtriebskupplung der Teilchenkupplung ist
mit einer der Platten verbunden. Wenn durch die Antriebskupplung
mittels der viskosen Scherung des Fluids auf die Abtriebskupplung
eingewirkt wird, dient dies dazu, dass der Kugelrampenaktuator die
Platten voneinander trennt und dadurch die Reibungskupplung in Eingriff
bringt.
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Die
Differentialvorrichtung umfasst weiterhin ein Gehäuse mit
mindestens einer seiner Länge
entlang verlaufenden Innennut und mindestens einer ersten Reibungsscheibe
mit einem der Nut entsprechenden Vorsprung. Ebenfalls beinhaltet
das Antriebskupplungsbauteil der Teilchenkupplung einen Vorsprung,
welcher der Nut entspricht. Das Gehäuse umfasst weiterhin eine
nach innen gewendete Schulter an einem Ende, um die Teilchenkupplung
axial gegen den Kugelrampenaktuator festzuhalten, und eine sich
nach außen
erstreckende Schulter, die benachbart zu der Reibungskupplung angeordnet
ist. Das Gehäuse
nimmt eine Endkappe innerhalb der sich nach außen erstreckenden Schulter
auf, die mit zusätzlichen
Reibungsscheiben in Eingriff steht. Die Endkappe und die zusätzlichen
Reibungsscheiben werden axial in dem Gehäuse durch eine zweite nach innen
gewendete Schulter gehalten, aber sie können sich innerhalb des Gehäuses frei
drehen. Wenn die Reibungskupplung eingerückt wird, werden die erste Reibungsscheibe
und die zusätzlichen
Reibungsscheiben zusammen gepresst. Dies führt dazu, dass die zusätzlichen
Reibungsscheiben sowie die Endkappe anschließend ebenfalls mit dem Gehäuse drehverbunden
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gehäuse
ein einteiliges gestanztes Bauteil mit einer generell konstanten
Wandstärke
sowie einer Mehrzahl von sich axial erstreckenden Nuten. Die erste
Reibungsscheibe und das Antriebskupplungsbauteil können jeweils
mehrere Vorsprünge
aufweisen, deren Anzahl bis zu der Anzahl an Nuten in dem Gehäuse reichen
kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen ist:
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1 ein
Schema eines Kraftübertragungssystems
von demjenigen Typ, mit dem die vorliegende Erfindung verwendet
werden kann;
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2 eine
Querschnittsansicht einer durch eine Teilchenkupplung gesteuerten
kugelrampenbetätigten
Reibungskupplung gemäß der Erfindung;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Magnetteilchenspalts gemäß der Erfindung
von 2, wobei über
den Spalt kein Magnetfeld angelegt ist;
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4 eine
vergrößerte Ansicht
des Magnetteilchenspalts von 3 während der
Anlegung eines Magnetfeldes über
den Spalt ist;
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5 eine
vergrößerte Ansicht
der Grenzfläche
der elektromagnetischen Wicklung und Teilchenkupplung aus 2 ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht des Gehäuses
der Differentialvorrichtung ist, wobei das Gehäuse einen wichtigen Aspekt
der vorliegenden Erfindung bildet;
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7 eine
Querschnittsansicht durch die Linie 7-7 von 2 ist; und
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8 eine
Querschnittsansicht durch die Linie 8-8 von 2 ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Nun
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, welche die Erfindung nicht einzugrenzen
beabsichtigen, ist 1 ein Schema eines Kraftübertragungssystems 10 für ein Fahrzeug
mit Vierradantrieb, bei welchem die vorliegende Erfindung verwendet
werden kann. Das Kraftübertragungssystem 10 von 1 weist
ein Paar vordere Antriebsräder 11 auf, die
durch eine Front-Transaxle-Vorrichtung 13 angetrieben werden.
Sich nach hinten aus der Transaxle-Vorrichtung 13 heraus
erstreckend liegt eine Antriebswelle 15 vor, die mittels
eines (in 1 nicht dargestellten) in der
Transaxle-Vorrichtung 13 rechtwinklig angeordneten Zahnradsatzes
typischerweise Antriebsdrehmoment aufnimmt, sodass die Drehzahl der
Antriebswelle 15 der Drehzahl der Frontantriebsräder 11 entspricht.
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Die
Antriebswelle 15 ist mit einer zentralen Differentialvorrichtung
verbunden, die generell mit 17 bezeichnet ist und eine
Abtriebswelle 19 aufweist, mittels derer Drehmoment zu
einem hinteren Differential 21 und anschließend zu
einem Paar hinterer Antriebsräder 23 übertragen
werden kann. Typischerweise könnte
die Vorrichtung 17 auch umgekehrt werden, d.h. die Welle 19 könnte die
Antriebswelle und die Welle 15 könnte die Abtriebswelle sein, weshalb
sich die hiesige Verwendung der Begriffe "Antrieb" und "Abtrieb" lediglich als erklärend, nicht aber als begrenzend
versteht. Wie zuvor erwähnt versteht
sich für
den Fachmann, dass der Begriff "zentrale
Differentialvorrichtung" nicht
bedeutet oder impliziert, dass die Vorrichtung einen konventionellen Differentialzahnradsatz
beinhaltet, sondern der Begriff muss in seinem weiteren Sinn verstanden
werden, als dass die Vorrichtung 17 eine differenzierende
Funktion zwischen der Antriebswelle 15 und der Abtriebswelle 19 ausübt. In der
vorliegenden Ausführungsform
sind die Frontantriebsräder 11 die
primären
Antriebsräder
und die Heckantriebsräder 23 sind lediglich
sekundäre
Antriebsräder.
Allerdings liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass dies auch
umgekehrt werden könnte,
d.h. dass die hinteren Räder
die hauptsächlichen
Antriebsräder
und die vorderen Räder
die sekundären
Antriebsräder
sind.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung so beschrieben werden wird, dass sich
die vorderen Räder 11 und
die hinteren Rädern 23 normalerweise
mit der gleichen Drehzahl drehen, wenn das Fahrzeug geradeaus vorwärts bewegt
wird, versteht sich für
den Fachmann, dass dies typischerweise nicht die Regel ist. Verschiedener
Gründe
halber wie z.B. aufgrund des Umstands, dass die vorderen Räder normalerweise
ein kleineren Rollradius aufweisen, drehen sich die Frontantriebsräder 11 typischerweise
etwas schneller als die hinteren Räder 23. Somit liegt
in einem Antriebssystem des in 1 dargestellten
Typs nahezu immer ein gewisses Drehmoment vor, das von der zentralen
Differentialvorrichtung 17 übertragen wird.
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Nun
hauptsächlich
auf 2 Bezug nehmend wird die zentrale Differentialvorrichtung 17 ausführlicher
beschrieben werden. Die Vorrichtung 17 umfasst ein Gehäuse 25.
Innerhalb des Gehäuses 25 angeordnet
kann die zentrale Differentialvorrichtung 17 so angesehen
werden, dass sie die folgenden drei getrennten Abschnitte aufweist:
eine Teilchenkupplung 29, einen Kugelrampenaktuator 31 und
einen Kupplungsscheibensatz 33 vom Reibungstyp. Ein wichtiges
Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass diese Abschnitte
voneinander getrennte und bis zu einem gewissen Grad funktional voneinander
unabhängige
Vorrichtungen sind, was durch die nachfolgende Beschreibung deutlich
werden wird.
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Die
Teilchenkupplung 29 beinhaltet ein Antriebskupplungsbauteil 35 mit
einer generell zylindrischen schalenförmigen Konfiguration, die einen durch
eine Umfangswand 36 und ein geschlossenes Ende 38 begrenzten
Innenraum sowie weiterhin ein offenes Ende 34 ausbildet,
und das auf eine weiter unten erläuterte Weise an dem Gehäuse 25 befestigt ist.
Weiterhin bildet das Antriebskupplungsbauteil 35 an seiner
Außenseite
an dem geschlossenen Ende eine Antriebswellenvertiefung und eine
Mehrzahl von Gewindebohrungen 37 aus, damit die Antriebswelle 15 an
das Antriebskupplungsbauteil 35 der Differentialvorrichtung 17 geschraubt
werden kann. Ebenfalls umfasst die Teilchenkupplung 29 eine
Kappe 39, sodass das Antriebskupplungsbauteil 35 und
die Kappe 39 zusammenwirken, um eine vollständig funktional in
sich abgeschlossene Teilchenkupplung zu umschließen, wodurch eine Teilchenkupplungskammer 41 ausgebildet
wird. Vorzugsweise werden das Antriebskupplungsbauteil 35 und
die Kappe 39 mittels einer Börtelung eines Bereichs des
Antriebskupplungsbauteils 35 um den Außenumfang der Kappe 39 herum
und in einer Weise aufgebaut, die dem Fachmann wohlbekannt ist.
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Innerhalb
der Kammer 41 ist eine Abtriebskupplungstrommel 43 mit
einer generell zylindrischen Außenfläche angeordnet,
die parallel zu der Umfangswand 36 verläuft, und die Trommel beinhaltet eine
Mehrzahl von Nuten 45, die in der Figur mit einem im Allgemeinen
dreieckigen Querschnitt dargestellt sind, obgleich es beabsichtigt
ist, dass sich die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Wahlweise
können
die Nuten 45 auch an der Innenfläche der Umfangswand 36 angeordnet
werden.
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Auf
die 3 und 4 Bezug nehmend stehen das Antriebskupplungsbauteil 35 und
die Abtriebskupplungstrommel 43 nicht in einem direkten Kontakt
miteinander, sondern bilden dazwischen einen gleichförmigen Spalt 40 aus,
der eine generell toroidale Konfiguration aufweist und in der dargestellten
Ausführungsform
die Form der Wand eines hohlen geraden Zylinders annimmt. Der Spalt 40 verfügt über eine
Breite, die es erlaubt, dass eine dünne Lage aus einem magnetisch
reaktiven Medium wie z.B. einem magnetisch reaktiven Pulver oder
einem magnetorheologischen Fluid 42 (das der Kürze halber
im folgenden als MR-Fluid bezeichnet wird) darin zwischen der inneren
Wand des Antriebskupplungsbauteils 35 und der äußeren Wand
der Abtriebskupplungstrommel 43 vorhanden ist. Die Nuten 45 dienen dem
Zweck der Bereitstellung eines zusätzlichen physikalischen Volumens
für die
Verteilung des MR-Fluids 42 in
dem Spalt 40, wenn kein Magnetfeld angelegt wird, und wie
in 4 dargestellt tragen sie dazu bei, die Magnetflusslinien über dem
Spalt 40 zu konzentrieren.
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3 stellt
dar, dass MR-Fluid 42 zwischen dem Antriebskupplungsbauteil 35 und
der Abtriebskupplungstrommel 43 angeordnet ist, ohne dass
ein Magnetfeld an das MR-Fluid 42 angelegt ist. Das MR-Fluid 42 wird
aufgrund der Zentrifugalkräfte
der rotierenden Vorrichtung 17 in einer nicht ausgerichteten
Konfiguration nach außen
gegen das Antriebskupplungsbauteil 35 gepresst, wodurch
kein merkliches Drehmoment über
den Spalt 40 übertragen wird.
Das Antriebskupplungsbauteil 35 und die Abtriebskupplungstrommel 43 können sich
daher relativ zueinander frei drehen. Eine derartige relative Drehung
zwischen dem Bauteil 35 und der Trommel 43 ergibt
sich aus dem Unterschied zwischen der Drehzahl des Bauteils 35 und
der Drehzahl der Trommel 43, der mit den Unterschieden
in den Drehzahlen der Antriebs- und Abtriebswellen 15 bzw. 19 in
Beziehung steht. Der Unterschied in der Drehzahl wird typischerweise
als die "Schlupfdrehzahl" bezeichnet.
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4 stellt
den Spalt 40 während
der Anlegung eines Magnetfeldes dar. Bei der Anlegung eines Magnetfeldes
verändert
sich das MR-Fluid 42 in Relation zu der Intensität des Magnetfeldes,
indem es sich wie in 4 dargestellt an den Magnetflusslinien ausrichtet.
Ein magnetisch reaktives Pulver verfestigt sich unter dem Einfluss
des Magnetfeldes und erzeugt eine mechanische Reibung an den zu
dem Spalt 40 weisenden Oberflächen sowie eine entsprechende
Drehmomentübertragung
zwischen den Oberflächen.
Ein magnetorheologisches Fluid, das typischerweise eher aus magnetisch
reaktiven Komponenten auf einer Ölbasis
zusammengesetzt ist, wird zunehmend viskoser und somit erhöht sich
die viskose Scherung in dem Fluid, was ebenfalls zu einer Übertragung
von Drehmoment zwischen den Oberflächen führt, die zu dem Spalt 40 hin
weisen. Das eine Ölbasis
aufweisende magnetorheologische Fluid weist diejenigen Vorteile
auf, dass es während der
Zeiträume,
in denen die Kupplung nicht eingerückt ist, die Vorrichtung schmiert,
und dass es als ein Fluid gepumpt werden kann. In einer Vorrichtung
mit einem erheblichen Schlupf und der sich daraus ergebenden Wärmeerzeugung
hat das magnetisch reaktive Pulver jedoch denjenigen Vorteil, dass
es gegenüber
Temperaturpegeln resistent ist, die das auf Öl basierende magnetorheologische
Fluid zersetzen und somit die Arbeitsweise des Pulvers in seiner
vorgesehenen Weise verhindern würden.
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Wie
in 2 dargestellt ist eine kontaktlose Dichtung 44 zwischen
der Trommel 43 und der Kappe 39 ausgebildet. Dieser
Typ von "Labyrinth"-Dichtung kann zwar
ein magnetisch reaktives Pulver auf effektive Weise innerhalb der
Kammer 41 zurückhalten,
erweist sich jedoch im Allgemeinen beim Zurückhalten eines viskosen Fluids
als ineffektiv. Ein radial an dem inneren Umfang der Kappe 39 angeordneter abgedichteter
Lagersatz 47 verhindert das Austreten von magnetorheologischem
Fluid aus der Kammer 41 und vermeidet es, dass jegliche Öle in der
restlichen Vorrichtung 17 in die Kammer 41 eindringen.
Da die Teilchenkupplungskammer 41 permanent abgedichtet
ist, um das MR-Fluid aufzubewahren und Verunreinigungen abzuhalten,
spricht die Teilchenkupplung 29 auf die Anlegung eines
Magnetfeldes auf wiederholbare Weise über ihre Nutzungsdauer hinweg an.
Das von der Teilchenkupplung 29 übertragene Drehmoment wird
somit ausschließlich
durch die Stärke
des angelegten Magnetfeldes variiert.
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An
dem radial inneren Umfang der Kappe 39 ist der Lagersatz 47 vorgesehen,
dessen innerer Laufring an einem in 2 dargestellten
Wellenabschnitt 49 angeordnet ist, wenn die Abtriebskupplungstrommel 43 auf
den Wellenabschnitt 49 gepresst worden ist. Der Wellenabschnitt 49 erstreckt sich
axial aus der Teilchenkupplung 29 heraus und in den Kugelrampenaktuator 31 hinein.
Die restlichen Funktionen des Wellenabschnitts 49 werden
nachfolgend beschrieben werden.
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Weiterhin
erfordert die Teilchenkupplung 29 eine Magnetflussquelle.
Wie in 2 dargestellt und nun auch unter Bezugnahme auf 5 wird
ein stationärer
ringförmiger
Elektromagnet 90 an der Außenseite des Antriebskupplungsbauteils 35 montiert. Alternativ
dazu kann die Magnetquelle ein durch einen entgegenwirkenden Elektromagneten
ergänzter Permanentmagnet
sein, sodass die Teilchenkupplung 29 per Voreinstellung
bei einem Versagen des Elektromagnets 90 eingerückt wird.
Der Elektromagnet 90 weist einen starre Ummantelung 92 mit
einem als C-förmig
dargestellten Querschnitt und einer Öffnung zu der Innenseite des
Toroids hin auf, der über bekannte
magnetische Eigenschaften verfügt
und eine typische Wicklung aus Leitungsdraht 94 hat, wobei
die Anlegung eines elektrischen Stroms an die Wicklung in der Nachbarschaft
des Elektromagneten 90 ein bekanntes elektromagnetisches
Feld erzeugt.
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Weiterhin
umfasst das Antriebskupplungsbauteil 35 an seiner Umfangswand
einen kontinuierlichen Ring 96 aus nicht-magnetischem Material,
das mit der offenen Innenseite der Ummantelung 92 des Elektromagneten 90 kombiniert
wird, um zu verhindern, dass der von dem Elektromagneten 90 erzeugte
Magnetfluss durch das Antriebskupplungsbauteil 35 kurzgeschlossen
wird, anstatt den Spalt zwischen dem Antriebskupplungsbauteil 35 und
der Abtriebskupplungstrommel 43 zu überbrücken. Wie oben erwähnt ist
die Teilchenkupplung 29 eine abgedichtete Einheit mit bekannten
Eigenschaften und insbesondere den Eigenschaften des MR-Fluids,
der Größe des Spalts
zwischen dem Bauteil 35 und der Trommel 43 und
mit der Beschaffenheit des Antriebskupplungsbauteils 35 als
ein Element in einem Magnetkreis. Die einzigen Variablen, die die
Drehmomentübertragung
innerhalb der Teilchenkupplung 29 beeinflussen, sind daher
die Schlupfdrehzahl sowie die Stärke
jedes angelegten Magnetfeldes. Der Elektromagnet 90 wird
durch ein elektronisches Steuergerät auf der Basis von Algorithmen
gesteuert, die so ausgewählt
sind, dass das Differentiale auf eine Weise gesteuert werden, die
den beabsichtigten und erwünschten
Verwendungszwecken des Fahrzeugs entsprechen. Lediglich beispielshalber
stellt das Steuergerät
dem Fahrzeugführer
die Auswahloption des Grades an Kraftübertragung, die unter normalen Bedingungen
an die hinteren Räder übertragen
werden sollen, einschließlich
eines Allzeit-Vierradantriebs zur Verfügung. Wahlweise kann der Fahrzeugführer die
Option auswählen,
dass das Steuergerät automatisch
Kraft zu den hinteren Rädern
auf der Grundlage des jeweiligen Bedarfs wie z.B. bei einem Durchdrehen
der vorderen Räder überträgt, wobei die
relative Schlupfdrehzahl der Antriebs- und Abtriebsachsen dem Steuergerät durch
beim Stand der Technik wohlbekannte Sensoren zugeführt wird.
Das Steuergerät
verarbeitet sämtliche
Eingänge,
die entweder Sensorablesungen oder Auswahlen des Fahrzeugführers sind,
um den geeigneten Strompegel zu bestimmen, den der Elektromagnet 90 zur
Erzeugung desjenigen Magnetflusses benötigt, der die Eigenschaften
des MR-Fluids 42 in der Teilchenkupplung 29 verändert, um
die sich ergebende Drehmomentübertragung
in der Vorrichtung 17 zu bewerkstelligen.
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Nun
erneut auf 2 Bezug nehmend umfasst der
Kugelrampenaktuator 31 eine erste Rampenplatte 51,
eine zweite Rampenplatte 52 sowie eine Mehrzahl von Kugeln 53,
obgleich es sich verstehen sollte, dass jede Nockenbauteilform verwendet
werden kann. Axial zwischen der ersten Rampenplatte 51 und
dem Gehäuse 39 ist
ein Drucklagersatz 55 angeordnet. Obgleich eine Vorrichtung
wie z.B. eine Bronzelaufbuchse benutzt werden könnte, wenn an einem Umgang
mit der Axiallast das einzige Interesse bestünde, ist es signifikant, dass
das Lager 55 ein wirkliches "Wälzlager" wie z.B. ein Nadellager aufweist.
Die Gründe
hierfür
sowie die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachfolgend ausführlicher beschrieben
werden.
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Der
Wellenabschnitt 49 steht mittels eines Satzes von Keilzähnen 57 vorzugsweise
mit der ersten Rampenplatte 51 in Keileingriff. Daher dreht
sich die Abtriebskupplungstrommel 43 der Teilchenkupplung 29 mittels
des Wellenabschnitts 49 mit der gleichen Drehzahl wie die
erste Rampenplatte 51. Die zweite Rampenplatte 52 steht
mittels eines Satzes von Keilzähnen 59 mit
der Abtriebswelle 19 in Keileingriff sodass die zweite
Rampenplatte 52 und die Abtriebswelle 19 mit der
gleichen Drehzahl rotieren. Alternativ dazu könnte die Welle 49 und
möglicherweise
auch das vordere Ende der Abtriebswelle 19 eine Form wie
z.B. ein Sechseck ausbilden, wobei die benachbarten Innenflächen der
Kupplungstrommel 43 und die Rampenplatten 51 und 52 die
dazu passenden Formen ausbilden würden.
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Auf
eine dem Fachmann wohlbekannte Weise legt die erste Rampenplatte 51 eine
Mehrzahl von ersten Rampenflächen 61 fest,
während
die zweite Rampenplatte 52 eine Mehrzahl von zweiten Rampenflächen 62 festlegt.
In 2 ist der Kugelrampenaktuator 31 in seiner "neutralen" Position stehend dargestellt,
d.h. jede der Kugeln 53 ist in dem "Tal" jeder
der Rampenflächen 61 und 62 angeordnet,
sodass die Rampenplatten 51 und 52 unter ihrem
minimalen axialen Abstand zueinander vorgesehen werden, oder anders
gesagt, dass die gesamte axiale Abmessung der Platten 51 und 52 bei
einem Minimum liegt. Wie für
den Fachmann ebenfalls wohlbekannt würde die Neutralstellung des
Kugelrampenaktuators 31 typischerweise einem ausgerückten Betriebszustand
des Kupplungsscheibensatzes 33 entsprechen. Vorzugsweise
weisen die ersten und zweiten Rampenflächen 61 und 62 (hier
nicht dargestellte) erste und zweite Rückhaltevorrichtungen auf, sodass
ein sehr deutlicher vorbestimmter Drehzahlunterschied (Schlupfdrehzahl)
in der Teilchenkupplung 29 zur Auslösung des Auframpens des Aktuators 31 notwendig
ist, wobei sich ein derartiges Auframpen nicht lediglich aufgrund
sehr kleiner Unterschiede vollzieht, die in Ansprechen auf Variationen
von Faktoren wie z.B. der Reifengröße usw. auftreten können.
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Unmittelbar
zu der zweiten Rampenplatte 52 benachbart ist der Kupplungsscheibensatz 33 angeordnet,
der eine Mehrzahl von äußeren Reibungsscheiben 65 und
eine Mehrzahl von inneren Reibungsscheiben 67 aufweist.
Die äußeren Scheiben 65 stehen
mit dem Gehäuse 25 in
Eingriff, was nachfolgend beschrieben werden wird. Die inneren Reibungsscheiben 67 stehen
mit einem Satz (hier nicht dargestellter) Keilzähne, die an der zylindrischen
Außenfläche der
Abtriebswelle 19 ausgebildet sind, in Keileingriff. Obgleich
hier flache Reibungsscheiben illustriert und beschrieben sind, sollte
sich verstehen, dass sich die Erfindung hierauf nicht begrenzt und dass
auch verschiedene andere Reibungsvorrichtungen wie z.B. konusförmige Bauteile
benutzt werden könnten.
Daher versteht sich der Begriff "Scheibe", wie er im Folgenden
verwendet wird, darauf, dass er sämtliche derartigen geeigneten
Reibungsvorrichtungen beinhaltet.
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Obgleich
kein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jede der
Reibungsscheiben 65 und 67 mit einem geeigneten
Reibungsmaterial und vorzugsweise einem Reibungsmaterial aus pyrolytischem
Kohlenstoff versehen, das gemäß dem auf den
Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen Patent US-A-4 700
823, welches hier als Referenz dient, angefertigt ist oder das für die jeweilige Anwendung
und Umgebung möglicherweise
auch aus anderen geeigneten Materialien hergestellt werden kann.
Für den
Fachmann versteht sich, dass wenn sich der Kugelrampenaktuator 31 in
seiner Neutralstellung befindet und der Kupplungsscheibensatz 33 "ausgerückt" ist, sich die Reibungsscheiben 65 und 67 tatsächlich nicht
gegenseitig berühren
können,
aber dass es wahrscheinlicher ist, dass sie aneinander anstoßen und
ein gewisses Maß an
Drehmoment übertragen
können,
jedoch wesentlich weniger als das maximale Drehmoment, das durch
den Kupplungsscheibensatz 33 übertragen werden kann.
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In
den Öffnungen
oder Vertiefungen in der Vorderseite der Abtriebswelle 19 (an
ihrem rechten Ende von 2 aus gesehen) ist eine Mehrzahl
von Federbaugruppen 69 angeordnet, die in der vorliegenden
Ausführungsform
ein Bündel
Wellen- oder Blattfedern aufweisen. Die vorderen Enden der Federbaugruppen 69 treten
mit der zweiten Rampenplatte 52 in Eingriff, und die Funktion
der Federbaugruppen 69 besteht in einem Vorspannen der
zweiten Rampenplatte 52 nach vorne, wodurch der Kugelrampenaktuator 31 zu
seiner Neutralstellung zurückzukehren
tendiert.
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Nun
auf die 6, 7 und 8 in
Zusammenhang mit 2 Bezug nehmend ist ein Endkappenbauteil 71 axial
zu den Reibungsscheiben 65, 67 benachbart angeordnet,
und wie in 2 dargestellt weist es einen
Außendurchmesser
auf, der über den
meisten Teil seiner axialen Länge
hinweg größer als
der Außendurchmesser
des Gehäuses 25 ist.
Allerdings ist das Gehäuse 25 so
geformt, das es einen vergrößerten Bereich 73 aufweist
und eine innere Schulterfläche 75 ausbildet,
gegen welche die benachbarte Oberfläche des Endkappenbauteils 71 hin ansitzt,
sodass die Schulterfläche 75 als
eine Stoppfläche
fungiert. Alternativ dazu kann das Gehäuse 25 eine Mehrzahl
von (z.B. drei) Vorsprüngen
aufweisen, die gemeinsam als eine Stoppfläche dienen. Der vergrößerte Bereich 73 des
Gehäuses 25 umfasst
einen Börtelbereich 76,
der nachfolgend weiter erläutert
werden wird.
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Wie
am einfachsten in den 6–8 ersichtlich
bildet das Gehäuse 25 eine
Mehrzahl von sich axial erstreckenden Nuten oder Schlitzen 77 aus,
und gemäß eines
wichtigen Aspekts der vorliegenden Erfindung erstreckt sich jede
der Nuten 77 axial über
einen Hauptteil der axialen Länge
des Gehäuses 25 hinweg.
Das Antriebskupplungsbauteil 35 bildet eine Mehrzahl von
sich axial erstreckenden Graten (oder hervorstehenden Bereichen) 79 aus, die
so geformt und mit Abstand voneinander angeordnet sind, dass die
zusammengefügte
Teilchenkupplung 29 in das Gehäuse 25 eingesetzt
werden kann, wobei die Grate 79 innerhalb der Nuten 77 aufgenommen
werden. Nach dem Aufbau ist die Teilchenkupplung 29 derart
in dem Gehäuse 25 aufgenommen,
dass nur ein relativ geringes Spiel in der Verbindung zwischen den
Graten 79 und den Nuten 77 besteht.
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Nun
hauptsächlich
auf die 2 und 8 Bezug
nehmend bildet jede der äußeren Reibungsscheiben 65 eine
Mehrzahl von "Ohren" oder Zungen 81 aus,
die jeweils annähernd
die gleiche Konfiguration wie die Grate 79 aufweisen, und
zwar hinsichtlich des Umstands, dass jedes der Ohren 81 in
den gleichen Nuten 77 wie jede der Grate 79 aufgenommen sind,
wenn auch an einer unterschiedlichen axialen Stelle. Für den Fachmann
versteht sich, dass es im Rahmen der Erfindung liegt, dass die Nuten 77 "diskontinuier lich" vorliegen könnten, d.h.
dass vordere Nuten, die die Teilchenkupplung 29 umgeben,
und rückwärtige Nuten
vorliegen könnten,
die den Kupplungsscheibensatz 33 umgeben, wobei zwischen
diesen Stellen keine Nuten existieren. In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erstreckt sich jedoch jede Nut 77 in axialer
Richtung weit genug, so dass sowohl das Antriebskupplungsbauteil 35 wie
die äußeren Reibungsscheiben 65 aufgenommen
werden können,
wodurch die Herstellung des Gehäuses 25 vereinfacht
wird und weniger teuer ausfällt.
In der vorliegenden Ausführungsform,
jedoch lediglich beispielshalber, liegen zwölf Nuten 77, zwölf Grate 79 und
zwölf Ohren 81 an
jeder äußeren Reibungsscheibe 65 vor.
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Nun
hauptsächlich
auf die 2 und 6 Bezug
nehmend umfasst das Gehäuse 25 einen
Börtelbereich 83,
der zum Zurückhalten
der Teilchenkupplung 29 innerhalb des Gehäuses 25 vorgesehen ist.
Wie hier verwendet versteht sich der Begriff "Börtelbereich" derart, dass er
die in 2 dargestellte Form für den Bereich 83 aufweist,
und zwar unabhängig
davon ob er vor dem Aufbau als Verfahrensteil zur Ausbildung des
Gehäuses
oder ob er als ein wirklicher Börtelbereich
während
des Montageverfahrens ausgebildet wird. Obgleich das Gehäuse 25 innerhalb
des Rahmens der vorliegenden Erfindung auf jede beliebige Möglichkeit
hergestellt werden kann weist es in der vorliegenden Ausführungsform ein
tiefgezogenes becherförmiges
Bauteil auf, wobei sich der Börtelbereich 83 an
dem "Boden" des Bechers Schale
und das Material, das abschließend den
Börtelbereich 76 bildet,
an der oberen "Lippe" des Bechers befindet.
Als Teil des Tiefziehverfahrens oder in einem separaten Schritt
wird der Boden des Bechers radial einwärts von dem Börtelbereich 83 aus
z.B. mittels Stanzen entfernt, was beim Stand der Technik wohlbekannt
ist.
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Wenn
das becherförmige
Gehäuse 25 anfänglich ausgebildet
wird, ist die Wand zylindrisch und hat denjenigen Radius, der in
der oberen Hälfte der 2 dargestellt
ist, d.h. die Wand hat den Radius zwischen den Nuten 77.
Nachfolgend wird ein geeigneter Formsatz (z.B. in einer Anordnung
mit progressiver Ausführung)
zur Ausbildung der Nuten 77 verwendet, wobei an jeder der
Nuten Material nach außer
verlagert wird. Nach der Ausbildung der Nuten 77 findet
ein nachfolgender Arbeitsvorgang statt, in dem der vergrößerte Bereich 73 z.B.
durch einen Prägevorgang
ausgebildet wird. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, weist der
vergrößerte Bereich 73 eine
zylindrische Wand auf, wobei das den Börtelbereich 76 ausbildende
Material ein Teil der zylindrischen Wand ist. Für den Fachmann auf dem Gebiet
der Metallbearbeitung versteht sich, dass die Wandstärke des
vergrößerten Bereichs 73 wegen der
Prägung
des Bereichs 73 etwas geringer als diejenige des restlichen
Gehäuses 25 ist,
jedoch wird hier unterstellt, dass das sich ergebende Gehäuse immer
noch eine "generell
konstante Wandstärke" aufweist, wobei
dieser Begriff im folgenden verwendet wird.
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Der
nächste
Schritt besteht in dem Zusammenbau der Vorrichtung 17,
wobei es zuerst notwendig ist, die gesamte Axiallänge der
Baugruppe aus der Teilchenkupplung 29, dem Kugelrampenaktuator 31 und
dem Kupplungsscheibensatz 33 abzumessen. Diese abgemessene
Gesamtlänge
wird mit einer abgemessenen axialen Dimension innerhalb des Gehäuses 25 verglichen,
die von der quer verlaufenden Innenfläche des Börtelbereichs 83 zu
der Innenschulterfläche 75 reicht.
Diese abgemessene Dimension innerhalb des Gehäuses 25 sollte stets
größer als
die Gesamtlänge
der Baugruppe sein, wobei die Differenz dazwischen die axiale Abmessung
von Abstandshaltern darstellt, die zwischen dem Kupplungsscheibensatz 33 und
der Endkappe 71 erforderlich sind, um einen gewissen Bereich
mit einem beliebigen Abstand innerhalb der Einheit auszubilden.
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Bei
dem tatsächlichen
Aufbau der Vorrichtung 17 wird zuerst die Teilchenkupplung 29 in
dem Gehäuse 25 von
dem "Abtriebs"-Ende her installiert, d.h.
durch den vergrößerten Bereich 73,
wobei die Grate 79 solange entlang der Länge der
Nuten 77 gleiten, bis sich die Teilchenkupplung 29 in
der in 2 dargestellten Position befindet. Obgleich bestimmte
Oberflächen
des Bauteils 35 ein Nachbearbeiten erfordern können, verbleibt
die Außenfläche einschließlich der
Grate 79 in dem ursprünglich
ausgebildeten Zustand. Nachfolgend wird der Kugelrampenaktuator 31 in
seine in 2 dargestellte Position eingesetzt
und danach wird die aus dem Kupplungsscheibensatz 33 und
der Abtriebswelle 19 bestehende Unterbaugruppe wie dargestellt
an Ort und Stelle angeordnet. Danach werden die erforderlichen (und hier
nicht dargestellten) Abstandshalter eingesetzt und anschließend wird
die Endkappe 71 gegen die Schulterfläche 75 an ihrer Stelle
angeordnet.
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Ist
die Vorrichtung grundlegend "montiert" wird eine leichte
Vorspannkraft, die möglicherweise in
dem Bereich von etwa 20 lbs liegt, axial an die Endkappe 71 angelegt,
wodurch sie in 2 nach rechts vorgespannt wird.
Schließlich
wird der Börtelbereich 76 ausgebildet,
wodurch die Endkappe 71 gegen die Schulterfläche 75 festgehalten
wird und durch die geeignete Auswahl der Abstandshalter wird auch
die Teilchenkupplung 29 gegen die Innenfläche des
Börtelbereichs 83 festgehalten.
Allerdings sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Ausführungsform der
Erfindung die Abstandshalter nicht deshalb ausgewählt worden,
um für
eine enge Passung der verschiedenen Komponenten innerhalb des Gehäuses zu
sorgen, sondern dass stattdessen vorzugsweise ein kleiner Spalt
zwischen den Reibungsscheiben und der Endkappe 71 angesichts
der Verwendung von Rückhaltevorrichtungen
an den Rampenflächen 61 und 62 vorliegt.
Angesichts der obigen Beschreibung wird dabei vom Vermögen des
Fachmanns ausgegangen, die verschiedenen Abmessungen und Toleranzen
des Gehäuses 25,
der Nuten 77 sowie der Grate 79 und Ohren 81 auszuwählen, um
die Aufgaben der Erfindung zu bewerkstelligen. Ebenfalls wird vom
Vermögen
des Fachmanns ausgegangen, die geeignete Börtelungskraft für den Börtelbereich 76 auf
der Grundlage der Kenntnis von Faktoren wie z.B. dem jeweiligen
Gehäusematerial,
der Wandstärke
des Bereichs 76 und der Trennkräfte in der Vorrichtung auswählen zu
können.
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Obgleich
die Erfindung so dargestellt ist, dass sie ein Gehäuse 25 und
ein getrenntes Endkappenbauteil 71 aufweist, versteht sich
für den
Fachmann, dass das Gehäuse
und die Endkappe auch als ein integrales Bauteil ausgebildet werden
könnten, wobei
im letzteren Falle zuerst der Kupplungsscheibensatz 33,
anschließend
der Kugelrampenaktuator 31 und schließlich die Teilchenkupplung 24 zusammengebaut
werden würde.
Danach würden
die Komponenten durch ein Ausbilden des Börtelbereichs 83 über dem
Außenumfang
des Antriebskupplungsbauteils 35 zurückgehalten werden.
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Betrieb
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Im
Betrieb und unter normalen theoretischen Antriebsbedingungen drehen
sich die Frontantriebsräder 11 und
die Heckantriebsräder 23 im
wesentlichen alle mit der gleichen Drehzahl, wodurch sich die Antriebswelle 15 und
die Abtriebswelle 19 mit der gleichen Drehzahl drehen.
In dieser theoretischen Normalbetriebsbedingung bleibt der Kugelrampenaktuator 31 wie
in 2 dargestellt in seiner Neutralstellung, wobei
sich das Antriebskupplungsbauteil 35 und die Abtriebskupplungstrommel 43 mit
der gleichen Drehzahl drehen und der Kupplungsscheibensatz 33 in
seinem "ausgerückten" Betriebszustand ist,
wobei dieser Begriff weiter oben erläutert wurde. In diesem Betriebszustand
dreht sich die Differentialvorrichtung 17 im wesentlichen
als eine Einheit.
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Wenn
die Frontantriebsräder 11 ihre
Traktion verlieren und durchzudrehen beginnen, oder wenn die hinteren
Räder 23 anderweitig überdreht
werden, beginnen sich die Antriebswelle 15 und das Gehäuse 25 schneller
als die Abtriebswelle 19 zu drehen. Wenn dies auftritt
verarbeitet das oben erwähnte Steuergerät die Eingangssignale
durch die Steuerungsalgorithmen, um zu bestimmen, welcher Strompegel
(wenn überhaupt)
dem Elektromagnet 90 zugeführt werden muss. Die Teilchenkupplung 29 arbeitet
in im wesentlichen der gleichen Weise wie eine typische Viskosekupplung,
d.h. wenn sich der Eingang schneller als der Ausgang dreht, wird
eine bestimmte Drehmomentmenge von dem Antriebskupplungsbauteil 35 zu
der Abtriebskupplungstrommel 43 übertragen, was durch die Viskosität des Fluids
in der Kupplung, das in diesem Fall das MR-Fluid 42 ist,
sowie durch die relativen Drehzahlen der Antriebs- und Abtriebswellen 15 bzw. 19 bestimmt
wird. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin,
dass die Verwendung der Teilchenkupplung 29 die Drehzahlempfindlichkeit
der Differentialvorrichtung 17 variabel und ansprechbar
auf eine außerhalb befindliche
Steuerung werden lässt,
ohne die Dichtung zu brechen. Die Anlegung eines Magnetfeldes erhöht die Viskosität des MR-Fluids 42,
wodurch die Drehzahlempfindlichkeit der Teilchenkupplung 29 und
die Größe des Drehmoments,
das zu der Abtriebskupplungstrommel 43 und zu der ersten
Rampenplatte 51 übertragen
wird, erhöht
wird.
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Die
Verwendung der Teilchenkupplung 29 zur Auslösung eines
Auframpens des Kugelrampenaktuators 31 weist einen zusätzlichen
Vorteil auf. Wie für
die Fachleute auf dem Gebiet von Viskosekupplungen wohlbekannt ist,
sorgt eine Drehmomentübertragung
mittels Viskositätsscherkraft
inhärent
für einen "Dämpfungs"- oder "Puffer"-Effekt, sodass kein schroffer oder
plötzlicher
Eingriff stattfinden kann. Da die Viskosität des MR-Fluids darüber hinaus
als eine Funktion des angelegten Magnetfeldes variabel und vorhersagbar
ist, kann die gleiche Vorrichtung 17 ein unterschiedliches
Ansprechverhalten bereitstellen, das von dem Anwender gesteuert
werden kann. Es muss lediglich die Magnetfeldstärke gesteuert werden, um die
Viskosität
des MR-Fluids, die das erwünschte
Ansprechverhalten erzeugt, festzulegen. Die Vorrichtung überträgt so das
erwünschte
Drehmoment (oder eine Erhöhung
der Drehmomentübertragung)
auf eine sanfte Weise zu den hinteren Rädern 23. Mit anderen
Worten stellt die Vorrichtung 17 der Erfindung einen viel
sanfteren Eingriff als das typische System vom Stand der Technik
bereit.
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Gemäß eines
weiteren wichtigen Aspekts der Erfindung unterscheidet sich der
Kugelrampenaktuator 31 in einem gewissen Ausmaß von vielen beim
Stand der Technik bekannten Kugelrampenaktuatoren. Typischerweise
sprechen die beim Stand der Technik verwendeten Aktuatoren auf jede
relative Drehung zwischen den Rampenplatten an und sind dadurch
letztendlich "positionsempfindlich". Jedoch braucht
es in der vorliegenden Erfindung aufgrund der Vorspannkraft der
Federn 69 ein bestimmtes Drehmoment, das der ersten Rampenplatte 51 zugeführt werden
muss, um ein bestimmtes Ausmaß an relativer
Drehverlagerung der Platten 51 und 52 und somit
ein entsprechendes Ausmaß an
Axialbewegung der zweiten Rampenplatte 52 sowie ein entsprechendes
Belastungsausmaß des
Kupplungsscheibensatzes 33 zu bewerkstelligen. Mit anderen Worten
wird, je größer das
Ausmaß an
Schlupf der Frontantriebsräder 11 ist,
die Schlupfdrehzahl in der Teilchenkupplung 29 sowie das
zu der ersten Rampenplatte 51 übertragene Drehmoment um so
größer, und
umso größer wird
das Belastungsausmaß des
Kupplungsscheibensatzes 33, was wiederum dazu führt, dass
ein größeres Drehmoment
durch die Abtriebswelle 19 zu den Heckantriebsrädern 23 übertragen
wird.
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Ein
wichtiger Vorteil der Teilchenkupplung 29, die eine in
sich abgeschlossene Einheit ist, besteht darin, dass die Kappe 39 als
ein axial feststehendes Reaktionsbauteil fungiert, gegen das die
Kugelrampenvorrichtung 31 eine Druckkraft ausübt, wenn
sich die Rampenplatten 51 und 52 relativ zueinander
zu drehen beginnen. Darüber
hinaus ermöglicht
es die axial feststehende Kappe 39, das das Drucklagers 55 zwischen
der Kappe 39 und der Rampenplatte 51 als Wälzlager
ausgebildet wird. Das Ergebnis dieser Anordnung besteht in einem
Aktuator mit einem sehr niedrigen Reibungspegel und somit einer
sehr geringen Hysterese, sodass eine erwünschte Vorhersagbarkeit der
Vorrichtungsbetätigung
besteht, die für
eine bessere Handhabung und Steuerung des Fahrzeugs sorgt.
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Somit
stellt die Differentialvorrichtung 17 der vorliegenden
Erfindung eine Kraftübertragungsanordnung
bereit, bei der unter normalen Betriebsbedingungen im wesentlichen
das gesamte Antriebsdrehmoment zu den Frontantriebsrädern 11 und
nur sehr wenig oder gar kein Drehmoment je nach Wunsch zu den Heckantriebsrädern 23 übertragen wird.
Wenn die Frontantriebsräder 11 jedoch
durchzudrehen beginnen, wird automatisch Antriebsdrehmoment zu den
Heckantriebsrädern 23 ohne
den Bedarf nach einem Eingreifen des Fahrers übertragen. Das übertragene
Drehmoment ist proportional zu dem Schlupf der Frontantriebsräder 11,
das darüber hinaus
von dem Steuergerät
begrenzt wird. Für
den Fachmann sollte sich verstehen, dass die Vorrichtung 17 innerhalb
des Rahmens der vorliegenden Erfindung so entworfen werden könnte, sodass
selbst dann, wenn kein wesentlicher Schlupf der Frontantriebsräder 11 auftritt, eine
Zwischenmenge an Drehmoment zu den Heckantriebsrädern 23 übertragen wird.
Eine Möglichkeit
dies zu bewerkstelligen bestünde
einfach darin, eine vorbestimmte Vorlast oder Vorspannung an den
Kupplungsscheibensatz 33 anzulegen, sodass eine vorbestimmte
Menge an Drehmomentübertragung
sogar beim Ausbleiben irgendeiner Schlupfdrehzahl innerhalb der
Teilchenkupplung 29 von der Antriebswelle 15 zu
der Abtriebswelle 19 übertragen
werden würde.
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Die
Anordnung der Vorrichtung 17 der Erfindung ermöglicht eine
vollständige
axiale Bewegung der Kugelrampenvorrichtung 31, wodurch
die Verwendung kleinerer Rampenwinkel ermöglicht wird, was wiederum für eine erhöhte Drehmomentmultiplikation
sorgt. Infolgedessen ist sogar bei relativ geringen Schlupfdrehzahlen
die Erzeugung eines relativ hohen Drehmoments, falls erwünscht möglich, das
in dem Falle eines Versagens des Frontantriebsmechanismus die Fähigkeit
zu einer allmählichen
Rückkehr in
die Neutralstellung bereitstellt. Eine weitere wichtige Folge des
relativ hohen Drehmomentvermögens besteht
in der Erzeugung einer relativ niedrigen Schlupfkraft, und somit
in einer relativ kleinen Wärmemenge,
die zwecks Haltbarkeit der Vorrichtung abgeführt werden muss, ohne dass
eine signifikante Verringerung der Wirtschaftlichkeit auftritt.
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Aus
der obigen Beschreibung sollte sich für den Fachmann verstehen, dass
nicht nur die Beziehung zwischen dem Ausmaß an Durchdrehen der Frontantriebsräder 11 (oder
der Schlupfdrehzahl innerhalb der Teilchenkupplung 29)
mit dem zu der Abtriebswelle 19 übertragenem Drehmoment in Beziehung
steht, sondern dass eine derartige Beziehung von einer Anzahl an
Faktoren abhängt.
Diese Faktoren beinhalten die Eigenschaften des magnetisch reaktiven
Mediums in der Teilchenkupplung 29 (die gemäß des Magnetfelds,
das entsprechend den Steuerungsalgorithmen angelegt wird, variabel
ist), die Abstände
zwischen dem Antriebskupplungsbauteil 35 und der Abtriebskupplungstrommel 43,
die Rampenwinkel der ersten und zweiten Rampenflächen 61 und 62,
die Abstände
zwischen den benachbarten äußeren Reibungsscheiben 65 und
den inneren Reibungsscheiben 67, sowie die Vorspannkraft
der Federn 69. Dabei wird vom Vermögen des Fachmanns ausgegangen,
um geeignete Werte für
jeden der oben erwähnten
Faktoren auszuwählen,
um die erwünschte
Beziehung zwischen dem Drehmoment an der Abtriebswelle 19 zu
dem Schlupf der Frontantriebsräder 11 zu
bewerkstelligen.
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Darüber hinaus
wird ebenfalls vom Vermögen
des Fachmanns ausgegangen, die Reibungsscheiben 65 und 67 geeignet
zu entwerfen und jegliches geeignete Reibungsmaterial für die Scheiben angesichts
der Funktionsweise der Vorrichtung 17 auszuwählen. Wenn
z.B. der Kupplungsscheibensatz 33 während normalen Antriebsbedingungen wirklich
ausgerückt
ist (d.h. kein wesentliches Drehmoment überträgt), kann die Verwendung von
Scheiben aus blankem Stahl ausreichend sein. Wenn die Vorrichtung 17 andererseits
jedoch so ausgelegt ist, dass das Wort "ausgerückt" bedeutet, dass während normaler Antriebsbedingungen
beispielsweise 30% des gesamten Drehmoments zu der Abtriebswelle 19 übertragen
werden, wird die Bereitstellung eines geeigneten Reibungsmaterials
wichtiger werden, das den relativ hohen Temperaturen in kontinuierlichen Schlupfzuständen widerstehen
kann wie z.B. das oben erwähnte
Reibungsmaterial aus pyrolytischem Kohlenstoff.
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Obwohl
die Erfindung im Einzelnen in Zusammenhang mit bestimmten spezifischen
Ausführungsformen
beschrieben worden ist, versteht sich, dass dies lediglich der Illustration
halber und in keiner Weise eingrenzend erfolgte, weshalb der Rahmen der
beiliegenden Ansprüche
als so breit wie beim Stand der Technik zulässig verstanden werden sollte.