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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein bidirektionale Freilaufkupplungsbaugruppen
und insbesondere eine aktiv gesteuerte, bidirektionale Mehrfachmodus-Freilaufkupplungsbaugruppe
für den
Einsatz in einem Verteilergetriebe eines Vierradantriebs.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Fahrzeuge
mit Vierradantrieb sind sehr gefragt, da sie sowohl im Straßenverkehr
als auch im Gelände
eine überlegene
Traktionskontrolle bieten. Der Antrieb vieler vierradgetriebener
Fahrzeuge ist mit einem Verteilergetriebe ausgestattet, das üblicherweise
dazu eingesetzt werden kann, ein Antriebsdrehmoment auf den Primärantrieb
zu übertragen,
um einen Zweirad-Antriebsmodus herzustellen. Zudem ist das Verteilergetriebe
mit einer Kupplungsbaugruppe ausgestattet, die wahlweise oder automatisch
betätigt
werden kann, um ein Antriebsdrehmoment auf den Sekundärantrieb
zu übertragen
und so einen Vierradantriebsmodus herzustellen. Diese "Modus"-Kupplungsbaugruppen
können
von einer einfachen Klauenkupplung zum mechanischen Umschalten zwischen
dem Zweiradantriebsmodus und einem "gesperrten" (d.h. zeitweisen) Vierradantriebsmodus
bis zu komplexeren automatisch betätigten Mehrscheibenkupplungen
reichen, welche einen "bedarfsweisen" Vierradantriebsmodus
bieten.
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Bedarfsweise
Vierradantriebssysteme sind in der Lage, eine verbesserte Traktions-
und Stabilitätssteuerung
sowie eine erhöhte
Bequemlichkeit für den
Fahrer zu bieten, da das Antriebsdrehmoment automatisch auf den
sekundären
Antriebsstrang übertragen
wird, wenn die Traktion am primären
Antriebsstrang verloren geht. Ein Beispiel für ein passiv gesteuertes bedarfsweises
Verteilergetriebe lässt sich
dem US-Patent Nr.5,704,863 entnehmen, wobei hier der Umfang des
durch eine pumpenaktivierte Kupplungspackung übertragenen Drehmoments als eine
Funktion der Differenz im Drehmoment der Achsen reguliert wird.
Im Gegensatz hierzu umfassen aktiv gesteuerte bedarfsweise Verteilergetriebe
einen Kupplungsbetätiger,
der durch eine elektronische Steuereinheit in anpassungsfähiger Weise
in Abhängigkeit
von momentanen Fahrzeugoperationscharakteristiken gesteuert wird,
die durch eine Vielzahl von Fahrzeugsensoren ermittelt werden. Die
US-Patente 4,874,056, 5,363,938 und 5,407,024 offenbaren verschiedene
Beispiele für
anpassungsfähige
bedarfsweise Vierradantriebssysteme.
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Aufgrund
der mit derartigen aktiv gesteuerten bedarfsweisen Kupplungssteuersystem
verbundenen Kosten und Komplexität
wurden in letzter Zeit Bemühungen
unternommen, Freilaufkupplungen einzusetzen, die derart gesteuert
werden können,
dass unterschiedliche Betriebsmodi zur Verfügung stehen. So zeigt beispielsweise
das US-Patent Nr. 5,993,592 eine steuerbare Freilaufkupplungsbaugruppe
vom Klinkentyp, die in einem Verteilergetriebe angeordnet ist und
zwischen verschiedenen Antriebsmodi hin- und hergeschaltet werden
kann. Das US-Patent Nr. 6,092,635 beschreibt eine hydraulisch betätigte steuerbare
Mehrfunktions-Freilaufkupplungsanordnung, von
der angegeben wird, dass sie in Fahrzeugkraftübertragungsmechanismen eingesetzt
werden kann. Darüber
hinaus offenbaren auch die US-Patente Nr. 5,924,510, 5,951,428,
6,123,183, 6,132,332 und 4,787,491 jeweils eine steuerbare Mehrmodus-Freilaufkupplung,
die in einem Verteilergetriebe eingebaut ist und mit Hilfe einer
elektromagnetischen Kupplung betätigt
wird.
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In
der oben genannten
US 6,132,332 ist
eine Moduskupplungsbaugruppe offenbart, die einen an seinem Innenumfang
eine zylindrische Stirnseite aufweisenden äußeren Ring sowie ein Eingangswelle umfasst,
die innerhalb des äußeren Rings
angeordnet ist. Die Eingangswelle weist mehrere an ihrem Umfang
vorgesehener flache Nockenstirnseiten auf, die der zylindrischen
Innenstirnseite des äußeren Rings
zugewandt sind. Zwischen der Außenumfangsfläche der
Eingangswelle und der zylindrischen Innenstirnseite des äußeren Rings
ist eine Arretierung vorgesehen. Die Arretierung weist dieselbe
Anzahl an in Umfangsrichtung angeordneten Vertiefungen auf als Nockenstirnflächen auf
der Eingangswelle vorhanden sind. Jede der Vertiefungen nimmt eine Rolle
auf. Werden die Rollen aufgrund einer Betätigung einer elektromagnetischen
Kupplung durch die Arretierung über
einen bestimmten Abstand hinweg bewegt, so kommen sie mit den Nockenstirnflächen einerseits
und den zylindrischen Stirnflächen
andererseits in Eingriff und arretieren so den äußeren Ring an der Eingangswelle.
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Die
US 4 787 491 A offenbart
ein Verteilergetriebe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Das Verteilergetriebe umfasst eine Freilaufkupplungsanordnung
mit einem angetriebenen äußeren Ring,
der durch zwischen den Wellen befindlichen Rollen direkt an einer
zweiten Welle kraftschlüssig
arretiert werden kann.
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Es
besteht ein Bedarf danach, steuerbare bidirektionale Freilaufkupplungsbaugruppen
zum Einsatz in bedarfsweise einsetzbaren Verteilergetrieben so weiterzuentwickeln,
dass sie eine verbesserte Struktur, einen zuverlässigen Betrieb und eine reduzierte
Aufmachung bieten.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine steuerbare, bidirektionale Mehrmodus-Freilaufkupplungsanordnung
und ein Schaltsystem gerichtet, die so ausgelegt sind, dass sie
in einem Verteilergetriebe zur Übertragung
eines Antriebsdrehmoments von einer primären Ausgangswelle auf eine
sekundäre
Ausgangswelle vorgesehen werden können, um so einen Vierradantriebsmodus
herzustellen. Die Kupplungsbaugruppe umfasst einen zweiten Ring,
der über
ein Wellenlager an einem ersten Drehelement angeordnet ist, einen
fest mit einem zweiten Drehelement verbundenen ersten Ring, und
eine Vielzahl von Rollen, die in zwischen dem ersten und dem zweiten Ring
ausgebildeten, einander gegenüberliegenden Nockenlaufbahnen
angeordnet sind. Bei dem zweiten Ring handelt es sich um einen Splitring,
der einen Betätigungskanal
mit einem Paar zueinander beabstandeter Endabschnitte begrenzt.
Ein Betätigerring lässt sich
zwischen Positionen hin- und herbewegen, in denen er mit den Endabschnitten
des zweiten Rings in Eingriff steht bzw. nicht in Eingriff steht.
Das Schaltsystem umfasst einen beweglichen Kupplungsbetätiger, der
die Bewegung des Betätigerrings so
steuert, dass ein bedarfsweiser Vierradantriebsmodus und ein gesperrter
bzw. zeitweiser Vierradantriebsmodus hergestellt werden.
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Das
Verteilergetriebe gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst zudem einen Zweigeschwindigkeits-Getriebesatz
und eine Bereichshülse,
die sich so bewegen lässt,
dass eine Hochbereichs- und eine Niedrigbereichs-Antriebsverbindung
entstehen. In derartigen Zweigeschwindigkeits-Verteilergetrieben
dient das Schaltsystem auch dazu, die Bewegung des Kupplungsbetätigers und
der Bereichshülse
zu koordinieren, um verschiedene Kombinationen von Geschwindigkeitsbereichen
und Antriebsmodi herzustellen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der zweite Ring über Wellenlager an der sekundären Ausgangswelle
befestigt, während
der erste Ring fest an einem drehbeweglichen Bestandteil einer Getriebebaugruppe
ange bracht ist, das durch die primäre Ausgangswelle angetrieben
wird. Die Erfindung ermöglicht
hierdurch die Installation der steuerbaren, bidirektionalen Mehrmodus-Freilaufkupplung
in Verbindung mit der vorderen Ausgangswelle, wodurch sich eine
erhebliche axiale Längenreduzierung
des Verteilergetriebes erzielen lässt.
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Es
ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bedarfsweises
Verteilergetriebe vorzusehen, das mit einer steuerbaren, bidirektionalen Mehrmodus-Freilaufkupplung
ausgestattet ist, welche einen Fortschritt im Stand der Vierradantriebstechnologie
darstellt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
elektrisch betriebenen Betätiger
zur Steuerung des Umschaltens der Kupplungsbaugruppe zwischen ihren
einzelnen Modi in Abhängigkeit
von Modussignalen vorzusehen, die von einer Steuereinheit empfangen
werden.
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich für
den Fachmann deutlich aus dem Studium der folgenden Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung, welche den derzeit bevorzugten Modus für die Durchführung der
vorliegenden Erfindung wiedergeben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines mit einem Vierradantriebsmotor
ausgestatteten Fahrzeugs, welches ein Verteilergetriebe mit dem
erfindungsgemäßen Aufbau
umfasst;
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen, mit einer steuerbaren,
bidirektionalen Mehrmodus-Freilaufkupplungsbaugruppe und einem erfindungsgemäßen Schaltsteuersystem
versehenen Verteilergetriebes;
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung der in 2 wiedergegebenen
bidirektionalen Freilaufkupplungsanordnung;
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4 zeigt
eine Rückansicht
der in 3 gezeigten bidirektionalen Freilaufkupplungsanordnung;
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5 zeigt
eine Ansicht entsprechend 4, wobei
allerdings der Betätigerring
von der Kupplungsbaugruppe entfernt wurde;
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6 zeigt
eine vordere Endansicht der Kupplungsbaugruppe;
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7 zeigt
eine Teilschnittansicht des Verteilergetriebes, wobei Bestandteile
dargestellt sind, die zu dem Kupplungsbetätiger und dem Schaltsystem
gehören
und während
des Einsatzes so angeordnet sind, dass sie einen bedarfsweisen Hochbetriebs-Vierradantriebsmodus
herstellen können;
und
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8 zeigt
eine Darstellung entsprechend 7, wobei
allerdings die Bestandteile während des
Einsatzes so angeordnet sind, dass ein zeitweiser Vierradantriebsmodus
im hohen Drehzahlbereich entsteht.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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1 zeigt
ein Antriebssystem 10 für
ein vierradgetriebenes Kraftfahrzeug, wobei das Antriebssystem eine
Kraftquelle, etwa einen Verbrennungsmotor 12, enthält, der
ein herkömmliches
Getriebe 14 mit entweder manueller oder automatischer Schaltung
antreibt. Die Ausgangswelle des Getriebes 14 treibt ein
Eingangselement eines Verteilergetriebes 16 an, das wiederum
ein Drehmoment an eine primäre
Ausgangswelle 18 liefert, die betriebsfähig mit einem primären Antriebsstrang 20 verbunden
ist. Der primäre
Antriebsstrang 20 umfasst eine Achsbaugruppe 22 mit
einem Differential 24, das ein erstes Paar von Radbaugruppen 26 über Achswellen 28 antreibt,
und eine Antriebswelle 30, die zwischen der primären Ausgangswelle 18 und
dem Differential 24 angeordnet ist und diese miteinander
verbindet. Das Verteilergetriebe 16 umfasst zudem eine
sekundäre Ausgangswelle 32,
die betriebsfähig
mit einem sekundären
Antriebsstrang 34 verbunden ist. Der sekundäre Antriebsstrang 34 umfasst
eine Achsbaugruppe 36 mit einem Differential 38,
das ein zweites Paar von Räderbaugruppen 40 über Achs wellen 42 antreibt,
und eine Antriebswelle 44, die die zweite Ausgangswelle 32 mit
dem Differential 38 verbindet.
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Das
Antriebssystem 10 umfasst zudem eine elektronische Steuerung 48,
die Modussignale von einem Moduswähler 46 empfängt. Wenn
die Steuerung 48 die Modussignale empfängt, erzeugt sie Steuersignale,
die zur Betätigung
eines mit dem Verteilergetriebe 16 verbundenen steuerbaren
Schaltsystems dienen. Bei der dargestellten Anordnung handelt es
sich bei dem primären
Antriebsstrang 20 um den hinteren Antriebsstrang eines
hinterradgetriebenen Fahrzeugs, während der sekundäre Antriebsstrang 34 der
vordere Antriebsstrang ist. Allerdings lassen sich die Lehren der
vorliegenden Erfindung natürlich
problemlos auf ein vorderradgetriebenes Fahrzeug anwenden, bei dem
der vordere Antriebsstrang den primären Antriebsstrang darstellt.
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Wie
sich vor allem 2 entnehmen lässt, umfasst
das Verteilergetriebe 16 im wesentlichen eine Eingangswelle 50,
eine hintere Ausgangswelle 18, einen Untersetzungs-Planetengetriebesatz 52, eine
Bereichskupplung 54, eine vordere Ausgangswelle 32,
eine Verteilergetriebebaugruppe 56, eine bidirektionale
Moduskupplungsbaugruppe 58 und ein elektrisch betriebenes
Schaltsystem 60, wobei all diese Bestandteile an einer
Gehäusebaugruppe 62 gehaltert
sind. Die Eingangswelle 50 ist so ausgelegt, das sie in
direkter Verbindung mit der Ausgangswelle des Getriebes 14 steht.
Der Planetengetriebesatz 52 umfasst ein Sonnenrad 64,
das so angebracht ist, dass es sich zusammen mit der Eingangswelle 50 dreht,
ein Hohlrad 66, das drehfest an der Gehäusebaugruppe 62 angebracht
ist, und eine Vielzahl von Planetenrädern 68, die drehbar
vom Planetenträger 70 gehaltert
werden. Die Bereichskupplung 54 umfasst einen Bereichskragen 72,
der über
eine Keilnutverbindung 74 drehfest an die hintere Ausgangswelle gekoppelt
ist und eine axiale bidirektionale Bewegung an dieser hinteren Ausgangswelle
durchführen kann.
Der Bereichskragen 72 lässt
sich durch die axiale Bewegung einer Bereichsgabel 76 zwischen
einer Hochbereichs-Position (H-Position), einer neutralen Position
(N-Position) und einer Niedrigbereichs-Position (L-Position) verschieben.
In der H-Position kommen die Kupplungszähne 78 am Bereichskragen 72 in
Eingriff mit internen Kupplungszähnen 80 an
der Eingangswelle 50, wodurch eine Eins-zu-Eins-Übersetzungsantriebsverbindung
zwischen der Eingangswelle 50 und der hinteren Ausgangswelle 18 entsteht.
In der L-Position stehen Kupplungszähne 78 am Bereichskragen 72 mit
innen angebrachten Kupplungszähnen 82 am
Planetenträger 70 derart
in Eingriff, dass eine Untersetzungsantriebsverbindung entsteht,
wodurch die hintere Ausgangswelle 18 mit einer gegenüber der
Eingangswelle 50 herabgesetzten Drehzahl angetrieben wird.
In der N-Position kommt der Bereichskragen 72 aus dem Kupplungseingriff
sowohl mit der Eingangswelle 78 als auch mit dem Planetenträger 70,
so dass kein Drehmoment von der Eingangswelle 50 auf die
hintere Ausgangswelle 18 übertragen wird.
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Die
jeweilige Position des Bereichskragens 72 und der Bereichsgabel 76 wird
durch eine Stellplatte 86 und einen elektrisch betriebenen
Betätiger, etwa
eine elektrische Getriebemotor/Kodierer-Baugruppe 88 gesteuert,
welche dem Schaltsystem 60 zugeordnet sind. Die Stellplatte 86 wird
durch eine Ausgangswelle 90 der Motorbaugruppe 88 um
eine Achse "A" gedreht. Die Stellplatte 86 umfasst
einen Profil-Bereichsschlitz 92, in dem ein Taststift 94 gehaltert
ist. Der Taststift 94 ist an einem Schaltbügel 96 befestigt,
der gleitbeweglich an einer an der Gehäusebaugruppe 62 befestigten
Schaltschiene 98 gehaltert ist. Die Bereichgabel 76 weist
einen C-förmigen Endabschnitt
auf, der in einer im Bereichskragen 72 ausgebildeten ringförmigen Nut
gehaltert ist. Eine Vorspannfeder 100 umgibt die Schaltschiene 98,
wobei ihre entgegengesetzten Enden in ein seitlich zueinander beabstandes
Paar von Ösen 102 bzw. 104 eingreifen,
die an dem Bügel 96 bzw.
der Bereichsgabel 76 ausgebildet sind. Wie später noch
genauer erläutert
wird, ist der Umriss des Bereichsschlitzes 92 so gewählt, das
der Bügel 96 bei
einer Drehung der Stellplatte 86 axial verschoben wird.
Die Feder 100 fungiert als eine elastische Energiespeicherkupplung zwischen
dem Bügel 96 und
der Bereichsgabel 76, die ein schnelles und gleichmäßiges Eingreifen
der Kupplungszähne 78 am
Bereichskragen 72 in die Kupplungszähne 80 an der Eingangswelle 50 und
in die Kupplungszähne 82 am
Planetenträger 70 ermöglicht,
nachdem ein "Blockier"-Zustand beendet wurde, wodurch der gewählte Bereichswechsels
abgeschlossen wird.
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Selbstverständlich kann
auf das Planetenuntersetzungsgetriebe 52, den Bereichskragen 72,
die Bereichsgabel 76 und deren entsprechende Verbindung
mit der Stellplatte 86, die zusammen zwei Drehzahlbereiche
für das
Verteilergetriebe 16 (d.h. einen Bereich hoher Drehzahl
und einen Bereich niedriger Drehzahl) bieten, auch verzichtet werden,
so dass das Verteilergetriebe 16 als eine Direktantriebseinheit
mit nur einem Drehzahlbereich allein mit der Moduskupplungsbaugruppe 58 ausgestattet
sein könnte.
Daneben könnte
das beschriebene nicht-synchronisierte Bereichsschaltsystem alternativ
durch ein synchronisiertes Bereichsschaltsystem ersetzt werden,
um ein "fliegendes" Umschalten zwischen
dem hohen und dem niedrigen Drehzahlbereich zu ermöglichen,
ohne dass das Fahrzeug hierfür
angehalten werden müsste.
Die US-Patente Nr. 5,911,644, 5,951,429 und 6,056,666 desselben
Inhabers beschreiben synchronisierte Bereichsschaltsysteme, die
sich auf einfache Weise so anpassen lassen, dass sie zum Einsatz
mit dem Verteilergetriebe 16 geeignet sind.
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Die
Verteilerbaugruppe 56 wird durch eine hintere Ausgangswelle 18 angetrieben
und umfasst, wie sich der Zeichnung entnehmen lässt, ein erstes Kettenrad 110,
das über
eine Keilnutverbindung 112 mit der hinteren Ausgangswelle 18 verbunden
ist, ein zweites Kettenrad 114, das drehbeweglich auf einer vorderen
Ausgangswelle 32 gehaltert ist, sowie eine Kraftübertragungskette 116,
die mit beiden Kettenrädern 110 und 114 in
Eingriff steht. Eine Moduskupplungsbaugruppe 58 ist dazu
vorgesehen, falls gewünscht
das zweite Kettenrad 114 an die vordere Ausgangswelle 32 zu
koppeln, um ein Antriebsdrehmoment von der hinteren Ausgangswelle 18 über die Verteilerbaugruppe 56 auf
die vordere Ausgangswelle 32 zu übertragen. Bei der Kupplungsbaugruppe 58 handelt
es sich um eine steuerbare, bidirektionale Mehrfachmodus-Freilaufkupplung,
die zwischen dem zweiten Kettenrad 114 und der vorderen
Ausgangswelle 32 montiert ist. Die Kupplungsbaugruppe 58 umfasst
einen inneren Ring 118 mit einer inneren Oberfläche 120,
die konzentrisch auf einer äußeren Oberfläche 122 der
vorderen Ausgangswelle 32 gehaltert ist, und einem äußeren Ring 124,
der einstückig
als eine axiale Nabenverlängerung
des zweiten Kettenrades 114 ausgebildet ist. Bei dem inneren Ring,
der im folgenden als Schleifring 118 bezeichnet wird, handelt
es sich um einen geschlitzten Ring mit einem Betätigungsschlitz 125,
der ein aus einer ersten Endfläche
und einer zweiten Endfläche
bestehendes Endflächenpaar 126 bzw. 128 umfasst.
In einer äußeren Oberfläche des
Schleifrings 118 ist eine Reihe sich in Achsrichtung erstreckender
bogenförmiger
Nockenlaufbahnen 130 ausgebildet, während in einer Innenfläche des äußeren Rings 124 eine
entsprechende Anzahl sich in Achsrichtung erstreckender bogenförmiger Nockenlaufbahnen 132 ausgebildet
ist. In den zueinander ausgerichteten Nockenlaufbahnen 130 und 132 ist
eine entsprechende Anzahl länglicher
zylinderförmiger
Rollen 132 gehaltert.
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Die
Kupplungsbaugruppe 58 weist zudem eine vordere Endkappe 136 und
eine hintere Endkappe 138 auf, die so angeordnet sind,
dass sie die Rollen 134 zwischen sich einschließen und
haltern. Die vordere Endkappe 136 umfasst ein Plattensegment, das
am Kettenrad 114 fixiert ist, sowie ein ringförmiges Nabensegment,
das über
ein Wellenlager auf einem Abschnitt der vorderen Aus gangswelle 32 angebracht
ist. Die hintere Endkappe, die im folgenden als Betätigerring 138 bezeichnet
wird, umfasst einen ersten zylindrischen Bund 140 und einen
zweiten zylindrischen Bund 142, die durch eine Vielzahl
radialer Rippensegmente 144 derart miteinander verbunden sind,
dass zwischen ihnen längliche
bogenförmige Aussparungen 146 verbleiben.
Der zweite Bund 142 fluchtet mit einem Ende der Rollen 134,
während
verdickte Abschnitte 140A des ersten Bundes 140,
die mit Rippensegmenten 144 fluchten, über Wellenlager an einer äußeren Oberfläche 148 des
Außenringes 124 befestigt
sind. Ein einstückig
mit einem der Rippensegmente 144 ausgebildeter radialer
Ansatz 150 ist im Betätigungsschlitz 125 des
Schleifrings 118 gehaltert. Der Betätigerring 138 umfasst
zudem einen dritten zylindrischen Bund 152, der sich nach
hinten vom radialen Flansch 154 wegerstreckt. Der Betätigerring 138 besteht
vorzugsweise aus Messing und wird durch eine Druckscheibe 156 und
einen Sprengring 158 in seiner Montageposition relativ
zur ersten Ausgangswelle 32 gehaltert. Wie sich der Zeichnung entnehmen
lässt,
haltern Lagerbaugruppen 160 und 162 die Ausgangswelle 32 drehbar
im Gehäuse 62.
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Die
Kupplungsbaugruppe 58 umfasst zudem ein in der Zeichnung
dargestelltes Schleppband 164, das den dritten Bund 152 des
Betätigerrings 138 kreisförmig umgibt
und ein Paar Enden 166 und 168 aufweist (siehe 7 und 8).
Ein Rollenstift 169 und eine (nicht dargestellte) Feder
verbinden die Enden 166 und 168 miteinander, um
sicherzustellen, dass das Schleppband 164 normalerweise
beständig eine
bestimmte Schleppkraft auf den dritten Bund 152 des Betätigerrings 138 ausübt. Das
Schleppband 164 besteht vorzugsweise aus Messing oder einem
geeigneten Federmaterial.
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Die
Moduskupplungsbaugruppe 58 wird durch ein elektrisches
Schaltsystem 60 in Abhängigkeit
des vom Moduswähler 46 zur
Steuerung 48 gesandten Modussignals gesteuert. Wie noch
im einzelnen erläutert
wird, wird die Stellplatte 86 durch die elektrische Motorbaugruppe 88 gedreht,
um eine Modusgabel 172 so zu bewegen, dass die Moduskupplungsbaugruppe 58 zwischen
einem bedarfsweisen Vierrandantriebsmodus und einem gesperrten bzw. zeitweisen
Vierradantriebsmodus umgeschaltet wird. Wie sich am besten den 7 und 8 entnehmen lässt, ist
zwischen den Enden 166 und 168 des Schleppbandes 164 ein
Nockenstabsegment 170 der Modusgabel 172 angeordnet,
und ein Sicherungsring 174 ist dazu vorgesehen, die Bandenden 166 und 168 so
vorzuspannen, dass sie mit gegenüberliegenden
Kantenoberflächen
des Nockenstabsegments 170 in Kontakt stehen. Die Modusgabel 172 umfasst, wie
sich 2 entnehmen lässt,
ein zylindrisches Nabensegment 176, das auf einer Schaltschiene 98 zur
axialen bidirektionalen Bewegung auf dieser Schiene gelagert ist.
Eine Rückholfeder 178 umgibt die
Schaltschiene 98 und wirkt zwischen der Modusgabel 172 und
dem Gehäuse 62 derart
ein, dass ein Stiftsegment 180 der Modusgabel 172 so
vorgespannt wird, dass es ständig
mit einer eine bestimmte Kontur aufweisenden Nockenkante 182 der
Stellplatte 86 in Eingriff steht. Die Kontur der Nockenkante 182 dient
dazu, die Modusgabel 172 dazu zu bringen, sich in Abhängigkeit
von der Drehung der Stellplatte 86 in eine erste bzw. zweite
Modusposition zu bewegen. Somit steuert die Drehung der Stellplatte 86 eine koordinierte
Axialbewegung der Bereichsgabel 76 und der Modusgabel 172,
wodurch eine Vielzahl einzelner Kombinationen von Antriebsmodi und
Drehzahlbereichen eingestellt werden kann.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die Stellplatte 86 in eine
von fünf
getrennten Stellpositionen gedreht werden, um eine entsprechende
Anzahl an Antriebsmodi herzustellen. Diese Antriebsmodi umfassen
einen zeitweisen Vierradantriebsmodus im hohen Drehzahlbereich,
einen bedarfsweisen Vierradantriebsmodus im hohen Drehzahlbereich,
einen Leerlaufmodus, einen teilweisen Vierradantriebsmodus im niedrigen
Drehzahlbereich und einen bedarfsweisen Vierradantriebsmodus im
niedrigen Drehzahlbereich. Der jeweils ausgewählte Vierradantriebsmodus ergibt
sich durch die jeweilige Position der Modusgabel 172 und
der Bereichsgabel 76. In der Praxis wählt der Fahrzeugführer einen
gewünschten
Antriebsmodus durch Betätigung
des Modusauswahlmechanismus 46, der wiederum ein für den speziellen
gewählten
Antriebsmodus typisches Modussignal an eine Steuerung 48 sendet.
Daraufhin erzeugt die Steuerung 48 ein elektrisches Steuersignal,
das der Getriebemotorbaugruppe 88 zur Steuerung der Drehposition
der Stellplatte 86 zugeführt wird.
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Beim
Modusauswahlmechanismus 46 kann es sich um eine beliebigen
Modusauswahleinrichtung handeln, die vom Fahrzeugführer so
gesteuert wird, dass ein für
den speziellen gewählten
Modus typisches Modussignal erzeugt wird. Bei einer Ausgestaltung
kann die Modusauswahleinrichtung aus einer Anordnung von am Armaturenbrett
angebrachten Druckschaltern bestehen. Stattdessen kann der Moduswähler auch
durch einen manuell betätigbaren Schalthebel
gebildet sein, der nacheinander in mehrere Positionen bewegt werden
kann, welche den zur Verfügung
stehenden Operationsmodi entsprechen, was zusammen mit einer geeigneten
elektrischen Schaltanordnung ein Modussignal erzeugt, das den gewähl ten Modus
angibt. Bei jeder Ausführungsform des
Modusauswahlmechanismus 46 bietet sich dem Fahrzeugfahrer
die Möglichkeit,
frei zwischen den verschiedenen Antriebsoperationsmodi zu wählen.
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Wie
sich den 7 und 8 entnehmen lässt, weist
die Stellplatte 86 fünf
unterschiedliche Einraststellungen auf, die mit 4H-LOCK, 4N-AUTO, N,
4L-LOCK und 4L-AUTO bezeichnet sind. Jede Einraststellung entspricht
einem zur Verfügung
stehenden Antriebsmodus, der mit Hilfe des Moduswählers 46 ausgewählt werden
kann. Insbesondere zeigt 7 eine Spannschraubenanordnung 188,
die in der 4H-LOCK-Einrastvertiefung der Stellplatte 86 eingerastet
ist, was die Herstellung eines zeitweisen Vierradantriebsmodus im
hohen Drehzahlbereich repräsentiert,
wobei die Bereichshülse 72 in
ihrer H-Position und die Modusgabel 172 in ihrer ersten
Modusposition angeordnet ist. Befindet sich die Modusgabel 172 in
ihrer ersten Modusposition, so wurde das Nockenstiftsegment 170 durch
das Profil eines für den
hohen Drehzahlbereich ausgelegten Segments 182A der Nockenkante 182 entgegen
der Vorspannung durch die Feder 178 in eine erste Position
bewegt. In dieser ersten Position wurden die Enden 166 und 168 des
Schleppbandes 164 durch Krafteinwirkung derart voneinander
getrennt, dass sie mit den Seitenoberflächen eines breiteren Zwischenabschnitts 170A des
Nockenstiftsegments 170 in Eingriff kommen. Eine derartige
Trennung der Enden 166 und 168 des Schleppbandes 164 führt zur
Aufhebung der Umfangsschleppkraft, die normalerweise auf den Betätigerring 136 einwirkt.
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Wenn
das Schleppband 164 aufgrund der Bewegung des Nockenstiftsegments 170 in
dessen erste Position aus dem Reibeingriff mit dem dritten Bund 152 des
Betätigerrings 136 kommt,
wird der radiale Ansatz 150 zunächst mittig im Betätigungsschlitz 125 des
Schleifrings 118 positioniert, wie sich dies 4 entnehmen
lässt.
Ist der Ansatz 150 mittig positioniert, so stehen seine
einander gegenüberliegenden
Kanten nicht mit den Endoberflächen 126 und 128 des
Betätigungsschlitzes 125 in
Kontakt. Eine Relativdrehung zwischen der vorderen Ausgangswelle 32 und
der hinteren Ausgangswelle 18 in eine beliebige Richtung
(wobei sich die vordere Welle schneller dreht als die hintere Welle
bzw. wobei sich die hintere Welle schneller dreht als die vordere
Welle) verursacht dabei eine begrenzte Relativdrehung zwischen dem
Schleifring 118 und dem äußeren Ring 124. Eine
derartige begrenzte Relativbewegung führt dazu, das die Rollen 134 sich
an den in Umfangsrichtung zueinander versetzten Nockenlaufbahnen 130 und 132 nach
oben bewegen, was wiederum dazu führt, dass die Rollen 134 eine radial
nach innen gerichtete Sperr-Reibkraft auf den Schleifring 118 ausüben, wodurch
die Innenoberfläche 120 des
Schleifringes 118 an die Außenoberfläche 122 der vorderen Ausgangswelle 32 geklemmt
wird. Dementsprechend kommt es zu einer Sperrung der Moduskupplungsbaugruppe 58 und
das zweite Kettenrad 114 wird derart an die vordere Ausgangswelle 32 gekoppelt,
dass ein Antriebsdrehmoment von der hinteren Ausgangswelle 18 durch
die Verteilerbaugruppe 56 auf die vordere Ausgangswelle 32 übertragen
wird. Tatsächlich
wird die vordere Ausgangswelle 32 an die hintere Ausgangswelle 18 gekoppelt,
um den zeitweisen Vierradantriebsmodus herzustellen.
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In 8 ist
die in die 4H-AUTO-Einrastvertiefung eingerastete Spannschraubenanordnung 188 dargestellt,
was der Herstellung des bedarfsweisen Vierradantriebsmodus im hohen
Drehzahlbereich entspricht, wobei die Bereichshülse 72 weiter in ihrer N-Position
angeordnet ist und die Modusgabel 172 aufgrund einer Drehung
der Stellplatte 86 aus ihrer ersten Modusposition (7)
in ihre zweite Modusposition bewegt wurde. Ein Hochbereichs-Beibehaltungsabschnitt 92A des
Bereichsschlitzes 92 behält den Nockenstift 94 während der
Drehung der Stellplatte 86 im Uhrzeigersinn aus der 4H-Lock-
in die 4H-AUTO-Position in derselben Achsposition an der Schaltschiene 98,
wodurch der Bereichkragen 72 in seiner H-Position verbleibt.
Befindet sich die Modusgabel 172 in ihrer zweiten Modusposition,
so bewegt das sich verjüngende
Profil des Hochbereichssegments 182 der Nockenkante 182 das
Nockenstiftsegment 170 derart in eine zweite Position,
dass die Enden 166 und 168 des Schleppbandes 164 nunmehr mit
einem dünneren
Endabschnitt 170B des Nockenstiftsegments 170 in
Eingriff kommen. Eine Verringerung des Abstands zwischen den Enden 166 und 168 des
Schleppbandes 174 führt
dazu, dass das Schleppband 174 erneut eine Umfangs-Schleppkraft auf
den dritten Bund 152 des Betätigerrings 136 ausübt. Somit
führt eine
anfängliche
Drehung der hinteren Ausgangswelle 18 und der vorderen
Ausgangswelle 32 aufgrund einer Antriebsoperation des Kraftfahrzeugs
zu einem in Umfangsrichtung erfolgenden schrittweisen Weiterschieben
des Betätigerrings 136 relativ
zum zweiten Kettenrad 114, bis der Ansatz 150 mit
einer der Endoberflächen 126 bzw. 128 des Betätigungsschlitzes 125 des
Schleifringes 118 in Eingriff kommt.
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Wenn
das Fahrzeug beispielsweise vorwärtsrollt,
so würde
sich das zweite Kettenrad 114 entgegen den Uhrzeigersinn
drehen (siehe 4) und die durch das Schleppband 174 ausgeübte Schleppkraft
würde den
Betätigerring 136 dazu
bringen, sich im Uhrzeigersinn schrittweise weiterzubewegen, bis
der Ansatz 150 mit der Endfläche 128 in Eingriff
kommt. In dieser Position verhindert der Ansatz 150 eine
Drehung des Schleifrings 118 in eine erste Richtung (d.h.
entgegen dem Uhrzeigersinn) relativ zum äußere Ring 124, während er
eine begrenzte Bewegung des Schleifrings 118 in eine zweite
Richtung (d.h. im Uhrzeigersinn) relativ zum äußeren Ring 124 erlaubt.
Da der äußere Ring 124 durch die
hintere Ausgangswelle 18 über die Verteilerbaugruppe 56 angetrieben
wird und der Schleifring 118 auf der vorderen Ausgangswelle 32 gehaltert
ist, wird die Moduskupplungsbaugruppe 58 während der
Relativdrehung in die erste Richtung in einem nichtgesperrten Zustand
gehalten, während
sie bei einer Relativdrehung in die zweite Richtung automatisch
gesperrt wird. Im einzelnen führt
ein Eingriff zwischen dem Ansatz 150 und der Endfläche 128 des
Schleifrings 118 dazu, dass die Moduskupplungsbaugruppe die
Ausrichtung des Schleifrings 118 und des äußeren Rings 129 relativ
zueinander beibehält,
während die
Rollen 134 mittig in den Nockenlaufbahnen 130 und 132 angeordnet
bleiben. Der Schleifring 118 selbst wird nicht kraftschlüssig an
die vordere Ausgangswelle 32 angeklemmt und die vordere
Ausgangswelle 32 kann sich schneller drehen als die hintere
Ausgangswelle 18.
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Kommt
es allerdings zu einem Traktionsverlust an den Hinterrädern 26 und
die hintere Ausgangswelle 18 versucht, sich schneller zu
drehen als die vordere Ausgangswelle 32, so bewegt sich
der Schleifring 118 in die zweite Richtung relativ zum äußeren Ring 124.
Durch diese begrenzte Relativdrehung bewegen sich die Rollen 134 an
den Nockenoberflächen 130 und 132 nach
oben, was dazu führt, dass
der Schleifring 118 kraftschlüssig an die vordere Ausgangswelle 32 geklemmt
und so die Moduskupplungsbaugruppe 58 gesperrt wird, um
ein Drehmoment von der hinteren Ausgangswelle 18 durch
die Verteilerbaugruppe 56 und die Moduskupplungsbaugruppe 58 auf
die vordere Ausgangswelle 32 zu übertragen. Diese Einweg-Sperrfunktion
stellt automatisch den bedarfsweisen Vierradantriebsmodus im hohen
Drehzahlbereich während
einer Vorwärtsbewegung
des Fahrzeugs her, da hier die vordere Ausgangswelle 32 drehfest
mit der hinteren Ausgangswelle 18 gekoppelt wird. Sobald
allerdings die Traktionsverlustbedingung beendet ist, bewegt sich
der Betätigerring 136 wieder
schrittweise im Uhrzeigersinn weiter, bis der Ansatz 150 erneut
mit der Endfläche 128 des
Schleifrings 118 in Eingriff kommt. Hierdurch wird die
Moduskupplungsbaugruppe 58 ausgerückt, wobei sie nun automatisch
wieder zum Betrieb im nicht gesperrten Modus übergeht.
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Im
einzelnen bewegt sich der Schleifring 118 bei Beendigung
des hinteren Radschlupfs relativ zum äußeren Ring 124, wodurch
die Rollen 134 wiederum mittig in den Nockenlaufbahnen 130 und 132 ausgerichtet
werden, so dass die Moduskupplungsbaugruppe 58 ausgerückt wird,
bis erneut eine Situation auftritt, in der es zu einem Traktionsverlust
kommt.
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Während einer
Rückwärtsanfahroperation des
Fahrzeugs im bedarfsweisen Vierradantriebsmodus würde sich
das Kettenrad 114 im Uhrzeigersinn drehen (4)
und die Schleppkraft würde
den Betätigerring 136 dazu
bringen, sich in Umfangsrichtung schrittweise weiterzubewegen, bis
der Ansatz 150 an der Endoberfläche 126 des Schleifringes 118 zu
liegen kommt. Diese Anordnung ist derjenigen entgegengesetzt, die
für eine
Vorwärtsoperation
beschrieben wurde, so dass hier eine begrenzte Relativdrehung zwischen
dem Schleifring 118 und dem äußeren Ring 124 in
die erste Richtung möglich
ist, in die zweite Richtung jedoch verhindert wird. Somit erlaubt
eine Operation im bedarfsweisen Vierradantriebsmodus während einer
Rückwärtsbewegung
des Fahrzeugs ebenfalls, dass sich die vordere Ausgangswelle 32 bei
einem Fahren um enge Kurven schneller dreht als die hintere Ausgangswelle 18, während die
Moduskupplungsbaugruppe 58 eine Verriegelung herstellt,
um ein Antriebsdrehmoment auf die vordere Ausgangswelle 32 zu übertragen, wenn
die Traktion an den Hinterrädern
verloren geht. Sobald der bedarfsweise Vierradantriebsmodus im hohen
Drehzahlbereich hergestellt ist, lässt er sich an sich sowohl
im Vorwärts-
als auch in Rückwärtsbetrieb
des Fahrzeugs einsetzen. Wenn also das Verteilergetriebe 16 im
bedarfsweisen Modus arbeitet, so kann die vordere Antriebswelle 44 schneller
umlaufen als die hintere Antriebswelle 30, wobei das gesamte
Antriebsdrehmoment an den hinteren Antriebsstrang 20 gelangt.
Das Antriebsdrehmoment wird nur dann dem vorderen Antriebsstrang 34 durch die
Moduskupplungsbaugruppe 58 zugeführt, wenn die hintere Ausgangswelle 18 versucht,
sich schneller zu drehen als die vordere Ausgangswelle 32.
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Soll
das Verteilergetriebe 16 aus seinem bedarfsweisen Vierradantriebsmodus
im hohen Drehzahlbereich in den Leerlaufmodus geschaltet werden,
so wird das Modussignal vom Moduswähler 46 zur Steuerung 48 gesandt,
die sodann ein Steuersignal an den Elektromotor 88 aussendet,
wodurch die Stellplatte 86 im Uhrzeigersinn gedreht wird,
bis die Spannschraubenbaugruppe 188 in ihrer N-Einrastvertiefung
zu liegen kommt. Aufgrund dieser Drehung der Stellplatte 86 verlässt der
Bereichsstift 94 den Hochbereichs-Beibehaltungsabschnitt 92A des Bereichsschlitzes 92 und
bewegt sich innerhalb eines Schaltbereichs 92B des Bereichsschlitzes. Durch
die Kontur des Schaltbereichs 92B wird die Bereichsgabel 76 dazu
gebracht, sich axial zu bewegen, was eine entsprechende Bewegung
des Bereichskragens 72 aus seiner H-Position in seine N-Position
verursacht. Gleichzeitig bewegt sich das Stiftsegment 180 der
Modusgabel 172 aus dem Hochbereichsabschnitt 182A der
Nockenkante 182 heraus und wandert an einem Beibehaltungsbereich 182B der
Nockenkante entlang, dessen Umriss so gestaltet ist, dass die Modusgabel 172 in
ihrer zweiten Modusposition gehalten wird.
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Wenn
der Moduswähler 46 die
Auswahl des zeitweisen Vierradantriebsmodus im niedrigen Drehzahlbereich
anzeigt, so wird die Stellplatte 86 so lange gedreht, bis
die Spannschraubenbaugruppe 188 sich in der 4L-LOCK-Einrastvertiefung
befindet. Wenn die Schaltabfolge eine fortgesetzte Drehung der Stellplatte 86 im
Uhrzeigersinn erfordert, so wandert der Bereichsstift 94 weiter
innerhalb des Schaltabschnitts 92B des Bereichsschlitzes 92,
was eine axiale Bewegung des Bereichskragens 72 aus seiner N-Position
in seine L-Position bewirkt. Gleichzeitig bewegt sich der Modusstiftabschnitt 180 aus
dem Beibehaltungsabschnitt 182B der Nockenkante 182 heraus
und an einem Niedrigbereichsabschnitt 182C entlang, was
dazu führt,
dass sich die Modusgabel 172 aus ihrer zweiten Modusposition
in ihre erste Modusposition bewegt. Wie bereits beschrieben, verursacht
ein Anordnen der Modusgabel 172 in ihrer ersten Modusposition
eine bidirektionale Verriegelung der Kupplungsbaugruppe 58 zur
Herstellung des zeitweisen Vierradantriebsmodus im niedrigen Drehzahlbereich.
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Bei
einer Auswahl des bedarfsweisen Vierrandtriebmodus im niedrigen
Drehzahlbereich wird die Stellplatte 86 durch die Elektromotorbaugruppe 88 gedreht,
bis die Spannschraubenbaugruppe 188 sich in ihrer 4L-AUTO-Einrastvertiefung
befindet. Eine derartige Drehung der Stellplatte 86 bewirkt, dass
sich der Bereichsstift 94 in des Niedrigbereichs-Beibehaltungsabschnitts 92C des
Bereichsschlitzes 92 bewegt, so dass der Bereichskragen 72 in
seiner L-Position gehalten wird. Eine entsprechende Drehung der
Stellplatte 86 bringt außerdem den Taststift 180 der
Modusgabel 172 dazu, sich gegen ein Nockensegment 182D der
Nockenkante 182 nach oben zu bewegen, wodurch die Modusgabel 172 aus
ihrer ersten Position in ihre zweite Modusposition gedrängt wird.
Somit wird der bedarfsweise Vierradantriebsmodus im niedrigen Drehzahlbereich hergestellt,
wenn sich die Bereichsgabel in ihrer L-Position und die Modusgabel 172 in
ihrer zweiten Modusposition befindet. Der oben unter Bezugnahme
auf den bedarfsweisen Antriebs modus im hohen Drehzahlbereich beschriebene
automatische Betrieb der Moduskupplungsbaugruppe 58 entspricht
demjenigen bei einem bedarfsweisen Vierradantriebsmodus im niedrigen
Drehzahlbereich.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine effiziente Anordnung zum Schalten
einer bidirektionalen Mehrmodus-Kupplungsbaugruppe für eine Kraftübertragungseinheit,
beispielsweise für
ein Vierradantriebsgetriebe.
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Die
Beschreibung eines bevorzugtes Ausführungsbeispiel dient dem Fachmann
zum Verständnis
des derzeit als bevorzugt angesehenen Operations- und Konstruktionsmodus
der vorliegenden Erfindung. Selbstverständlich sind jedoch auch verschiedene Änderungen
der beschriebenen Erfindung möglich,
ohne die durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmte Reichweite der
Erfindung zu überschreiten.