WO2023138717A1 - Radentkopplungsvorrichtung für ein kraftfahrzeug in bistabiler ausführung - Google Patents

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WO2023138717A1
WO2023138717A1 PCT/DE2022/100914 DE2022100914W WO2023138717A1 WO 2023138717 A1 WO2023138717 A1 WO 2023138717A1 DE 2022100914 W DE2022100914 W DE 2022100914W WO 2023138717 A1 WO2023138717 A1 WO 2023138717A1
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WO
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wheel
decoupling device
sliding ring
ramp
wheel decoupling
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PCT/DE2022/100914
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Elmar Lorenz
Stefan Reichert
Christoph Raber
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • F16D11/02—Clutches in which the members have interengaging parts disengaged by a contact of a part mounted on the clutch with a stationarily-mounted member
    • F16D11/04—Clutches in which the members have interengaging parts disengaged by a contact of a part mounted on the clutch with a stationarily-mounted member with clutching members movable only axially
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    • F16D23/00—Details of mechanically-actuated clutches not specific for one distinct type
    • F16D23/12—Mechanical clutch-actuating mechanisms arranged outside the clutch as such
    • F16D2023/123—Clutch actuation by cams, ramps or ball-screw mechanisms

Definitions

  • the invention relates to a wheel decoupling device for a motor vehicle, ie a device for selectively decoupling/coupling a wheel/wheel hub of a motor vehicle from/with a drive shaft.
  • the invention relates to a drive unit with this wheel decoupling device.
  • the object of the invention is to provide a decoupling device that is as close as possible to the tire in order to enable efficient operation of a motor vehicle, in particular optimum coasting operation.
  • the decoupling device should also be as compact as possible and at the same time be able to be controlled quickly and precisely. A functional safety should also be given.
  • a wheel decoupling device for a motor vehicle which has a drive element, a driven element, a displaceably arranged shift sleeve that can be connected in a rotationally fixed manner to the drive element and the driven element, and an actuating device that acts on the shift sleeve to adjust it.
  • the actuating device also has a ramp system.
  • the ramp system is designed in such a way that when an adjusting gear wheel rotates, a sliding ring that is supported in an axially fixed manner on the shift sleeve is shifted axially between a first position, in which the drive element and the driven element are rotationally decoupled from one another, and a second position, in which the shift sleeve rotationally connects the drive element and the driven element with one another in a form-fitting manner. Furthermore, there is a position securing device that axially secures/supports the sliding ring both in the first position and in the second position.
  • a wheel decoupling device that acts in a form-fitting manner is made available, which requires little installation space and can be integrated directly into a wheel hub and/or in the vicinity of a wheel hub of a motor vehicle in a space-saving manner.
  • a wheel of the motor vehicle can be decoupled during operation, which contributes to a great increase in efficiency, particularly when the motor vehicle coasts.
  • the clutch is designed to be bistable, ie it works reliably both in its open position and in its closed position if an actuation fails.
  • the position securing device has a prestressing spring unit.
  • the position securing device is thus designed to be as robust and reliable as possible in terms of its functioning.
  • the prestressing spring unit is inserted in such a way that the sliding ring is prestressed in the first position, the position of the sliding ring is secured in the first position by simple means.
  • the prestressing spring unit has at least one spring element which is inserted/clamped between a housing and the shift sleeve.
  • the pretensioning spring unit preferably has a plurality of spring elements which abut one another in series, more preferably a plurality of corrugated springs. This also enables a compact design.
  • the ramp system is implemented as self-releasing. More preferably, the ramp system is designed to be self-releasing in such a way that if a torque driving the adjusting gear wheel during operation is lost (/if a specific torque driving the adjusting gear wheel during operation is not reached), the sliding ring outside/at a distance from the second position automatically (by the Biasing spring unit) is pushed back into the first position. This further increases the functional reliability.
  • the adjusting gear wheel and the sliding ring are supported on one another in the axial direction via one rolling element (more preferably distributed over several arranged in the circumferential direction), for example shaped as balls. More preferably, the rolling element rests directly against a ramp contour (preferably continuously increasing in the circumferential direction) of the adjusting gear wheel and/or a ramp contour (preferably continuously increasing in the circumferential direction) of the sliding ring and in the circumferential direction following the at least one ramp contour, a holding section is provided, by means of which the rolling element is secured/blocked from further rolling in the second position of the sliding ring in a form-fitting manner and/or by friction.
  • the holding section is integrated directly into a raceway (of the sliding ring or of the adjusting gear wheel) that accommodates the rolling element, the structure is further simplified.
  • the holding section prefferably has a slope that is reduced compared to the at least one ramp contour or no slope in the circumferential direction (preferably designed as an 0° flank).
  • the holding section has a depression/trough in the raceway accommodating the rolling body, in which depression the rolling body can be locked in a form-fitting manner. As a result, the rolling element is locked with as little wear as possible.
  • the ramp system is in turn subjected to a specific axial preload force, which further reduces wear.
  • the adjusting gear wheel is supported axially fixed on a housing, preferably by means of an axial bearing, the actuating device is held in a stable manner in the housing.
  • the shift sleeve has a sleeve region with teeth of constant diameter, preferably designed as internal teeth, which teeth in the second position are positively connected in the direction of rotation both to a counter-tooth system of the drive element and to a counter-tooth system of the driven element.
  • the structure of the shift sleeve is kept as simple as possible.
  • the wheel decoupling device is actuated as efficiently as possible when the motor vehicle is in operation.
  • the invention relates to a drive unit for a motor vehicle, with a drive shaft (preferably designed as an output of a tripod), a wheel hub and a wheel decoupling device according to the invention, accommodated in a steering knuckle, according to at least one of the embodiments described above, wherein the drive element of the wheel decoupling device is connected to the drive shaft or is formed directly by the drive shaft and the output element of the wheel decoupling device is connected to the wheel hub or is formed directly by the wheel hub.
  • a wheel separating unit (wheel decoupling device) is formed, by means of which the wheel is decoupled from or coupled to the rest of the drive train depending on the corresponding ferry operation of the motor vehicle.
  • a bistability is realized by a ramp system and a return spring (preloading spring unit). If the clutch (wheel decoupling device) is open, ie the shift sleeve is (only) engaged with the tripod (connection drive shaft), the selector sleeve is held in this stable state by the force of the corrugated spring assembly (preload spring unit).
  • the ramp mechanism (ramp system) is actuated by the spur gear (adjusting gear), the selector sleeve is shifted and engaged with the output-side hub toothing (second counter-toothing). If there is a failure while the clutch is being engaged, the wave spring assembly repositions the selector sleeve in the open state (first position).
  • the spur gear is not designed to be self-locking, which means that the return process is not blocked.
  • Two different variants are available to keep the clutch closed in the closed state in the event of a failure. In a first variant, the gradient of the ramp changes to 0° (end position without gradient) at the end of the ball tracks (ramp contours). This corresponds to a level plateau on which the ball (rolling element) remains in the closed state.
  • a second variant provides an end position with a hollow (recess) for the ball.
  • the clutch remains closed (second position) even if it fails.
  • the balls are held in position with a form fit and not by friction.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional representation of a wheel decoupling device according to the invention according to a preferred exemplary embodiment, the wheel decoupling device already being used in a drive unit of a motor vehicle having a steering knuckle and being arranged in a decoupled/opened state
  • FIG. 2 shows a perspective representation of a drive unit having a wheel decoupling device according to FIG. 1, an actuator actuating the wheel decoupling device also being shown,
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of the wheel decoupling device according to FIG. 1 in the area of a tooth contact between an adjusting gear wheel and another gear wheel that is operatively connected to the actuator, the wheel decoupling device again being in the decoupling state,
  • FIG. 4 shows another longitudinal sectional view of the wheel decoupling device according to FIG. 1 , the wheel decoupling device now being in a coupled state/closed state
  • FIGS. 1 to 4 shows a perspective view of the adjusting gear wheel used in FIGS. 1 to 4, wherein a depression in a raceway of the adjusting gear wheel that secures a rolling body in a closed state of the wheel decoupling device can be seen, and
  • FIG. 6 shows a perspective representation of an alternative embodiment of the adjusting gear compared to the variant shown in FIG. 5, the track of the adjusting gear now having only one section which has no pitch (in the circumferential direction).
  • the wheel decoupling device 1 is a decoupling device in the sense of a clutch/separating clutch for separating a wheel/a wheel hub 2 that is non-rotatably connected to the tire wheel of the motor vehicle from the adjacent ro- animal components of the drive train, here a drive shaft 3.
  • the wheel decoupling device 1 is consequently used directly between the drive shaft 3 and the wheel hub 2 of a motor vehicle.
  • the drive shaft 3 is also designed as a component (output/a component facing the wheel) of a cardan shaft, namely a tripod.
  • a housing 14 of the wheel decoupling device 1 is accommodated/integrated directly in a steering knuckle 19 of a wheel suspension.
  • the directional information axial/radial and circumferential direction used in the present case designates different directions, which are to be understood in relation to a central axis of rotation 23 .
  • the axis of rotation 23 forms an axis of rotation of the wheel hub 2 and the drive shaft 3.
  • the term axial/axial direction means a direction along/parallel to the axis of rotation 23
  • the term radial/radial direction means a direction perpendicular to the axis of rotation 23
  • the circumferential direction means a direction along a circular line concentric with the axis of rotation 23.
  • the wheel decoupling device 1 is shown in FIGS. 1 and 2 in a decoupled state/open state and in FIG. 3 in a coupled state/closed state.
  • the wheel decoupling device 1 is designed as a positively acting clutch/form-locking clutch.
  • the wheel decoupling device 1 has a shift sleeve 6 which is displaceable relative to an end region of the drive shaft 3 designated as the drive element 4 and an end region of the wheel hub 2 designated as the driven element 5 .
  • the shift sleeve 6 has a toothing 16 designed as internal toothing, which interacts accordingly with counter-toothing 17a, 17b of the drive element 4 and the driven element 5 and can be positively connected to them in a rotationally fixed manner. According to Fig.
  • the shift sleeve 6 is shifted into a first position corresponding to the decoupling state, in which its toothing 16 is only in toothed engagement with the first counter-toothed system 17a of the drive element 4, but is arranged out of toothed engagement with the second counter-toothed system 17b of the output element 5.
  • This first position is assisted/supported by a prestressing spring unit 13 described in more detail below.
  • the shift sleeve 6 In a second position corresponding to the coupling state, the shift sleeve 6 is axially displaced relative to the first position so far that the toothing 16 is in non-rotatable form-fitting contact with both the first counter-toothing 17a and the second counter-toothing 17b. In the coupling state/in the second position, the shift sleeve 6 thus connects the drive element 4 and the driven element 5 in a torque-proof manner.
  • the toothing 16 of the shift sleeve 6 has a constant (internal) diameter. Therefore, the counter-toothings 17a, 17b preferably also have the same (outer) diameter.
  • An actuating device 7 is provided for actuating/moving the shift sleeve 6 between its first position and second position.
  • the actuating device 7 has a ramp system 8 .
  • the ramp system 8 also has an adjusting gear wheel 9 and a sliding ring 10 .
  • the ramp system 8 has a plurality of rolling bodies 12 which are distributed in the circumferential direction and are shaped here as balls.
  • the adjusting gear wheel 9 is applied/supported axially on the sliding ring 10 via the rolling bodies 12 .
  • both the adjusting gear wheel 9 and the sliding ring 10 form ramp contours 11a, 11b, which also form the raceway 34 for the rolling bodies 12 directly.
  • Each ramp contour 11a, 11b rises axially continuously along its extension in the circumferential direction.
  • the ramp contours 11a, 11b rise in a circumferential direction, in particular axially in opposite directions to one another.
  • the ramp contours 11a, 11b are consequently designed as spindle-shaped/helical tracks.
  • the ramp contours 11a, 11b are matched to one another in such a way that when the adjusting gear wheel 9 rotates in a first direction of rotation relative to the sliding ring 10, the rolling elements 12 roll along the ramp contours 11a, 11b and the sliding ring 10 is pushed away from the adjusting gear wheel 9 as a result. If the adjusting gear wheel 9 is rotated in the opposite direction in a second direction of rotation, the sliding ring 10 is in turn pushed back in the direction of the adjusting gear wheel 9 . This results in the corresponding decoupling state or coupling state of the wheel coupling device 1 by turning the adjusting gear wheel 9. The sliding ring 10 is also held/guided on the housing 14 in a twisted manner.
  • the sliding ring 10 is supported on the shift sleeve 6 on its side facing away axially from the adjusting gear wheel 9 / the rolling body 12 .
  • the sliding ring 10 is supported on the face side via a (first) axial bearing 24a and a spring unit 25 (here having at least one corrugated spring) on the selector sleeve 6 radially outside of a sleeve region 15 having the teeth 16 .
  • the sliding ring 10 like the shift sleeve 6, is accordingly shifted between the first position and the second position.
  • the shift sleeve 6 is also spring-loaded relative to the housing 14 .
  • the pretensioning spring unit 13 is present, which serves to press the shift sleeve 6 with an axial pretension in the direction of the adjusting gear wheel 9 .
  • This prestressing spring unit 13 also forms a position securing device 30 according to the invention, which prestresses the sliding ring 10 and consequently also the selector sleeve 6 in the first position, ie axially secures/supports it in the first position.
  • the ramp system 8 is designed to be self-releasing so that when a torque driving the adjusting gear 9 during operation is lost, the sliding ring 10 is automatically pushed back into the first position outside of the second position, ie in any intermediate position axially between the first position and the second position.
  • the prestressing spring unit 13 has at least one spring element 31 , in this case even a plurality of spring elements 31 arranged axially in series with one another in the form of corrugated springs, which are inserted acting axially between the housing 14 and the selector sleeve 6 .
  • both the prestressing spring unit 13 and the spring unit 25 can also have other mechanical springs, such as coil springs, plate springs or spring assemblies.
  • the pretensioning spring unit 13 is supported on the selector sleeve 6 by means of a (second) axial bearing 24b.
  • the preload spring unit 13 is thus accommodated essentially fixed to the housing and the shift sleeve 6 is mounted/supported so that it can rotate relative to the preload spring unit 13 .
  • the pretensioning spring unit 13 is shown in FIG. 4 with a reduced number of corrugated springs compared to FIGS. 1 and 2 shown.
  • the position securing device 30 is even designed to be bistable and secures the sliding ring 10 and consequently also the shift sleeve 6 not only in their first position, but also in the second position.
  • the sliding ring 10 reaches the second position, it is automatically locked in this second position, so that the sliding ring 10 remains in the second position when the torque driving the adjusting gear wheel 9 during operation is lost.
  • a (first) holding section 32 is present for this purpose, which can be seen in more detail in FIG.
  • the (first) holding section 32 is integrated directly into the raceway 34 accommodating the rolling element 12 .
  • the (first) holding section 32 is formed in the adjusting gear wheel 9 , but in other embodiments it can also alternatively be formed in the sliding ring 10 .
  • the (first) holding section 32 has a depression 35 which is introduced into the raceway 34 .
  • the recess 35 is dimensioned in such a way that the rolling body 12 engages in it in a form-fitting manner (form-fitting action in the circumferential direction/direction of rotation) in the second position.
  • the rolling element 12 is permanently and directly in contact with both the first ramp contour 11a of the adjusting gear wheel 9 and the second ramp contour 11b of the sliding ring 10.
  • the (first) holding section 32 with the recess 35 connects directly to the first ramp contour 11a, so that the rolling element 12 engages in the second position in the recess 35 and is therefore blocked relative to the adjusting gear wheel 9 (with a certain holding force).
  • the (first) holding section 32 can alternatively be replaced by a (second) holding section 33 which, in the second position of the sliding ring 10, blocks the rolling element 12 from rolling further essentially by means of frictional support.
  • the second holding section 33 has a reduced slope compared to the first ramp contour 11a, or no slope at all in the circumferential direction/with the formation of a 0° flank. educated. As a result, the second position of the sliding ring 10 / shift sleeve 6 is secured.
  • the adjusting gear wheel 9 is preferably adjustable via a gear wheel 21 that can be driven/driven by an electric actuator 18.
  • the actuator 18 is designed as a purely electric actuator 18 (rotary motor).
  • the gear wheel 21 preferably engages directly in a toothing, designed here as an external toothing 36, of the adjusting gear wheel 9.
  • the gear 21 is designed here as an intermediate gear and is in meshing engagement with a pinion 37 located on a rotor shaft of the actuator 18 .
  • the actuator 18 consequently drives the adjustment gear 9 via a gear 38 (here in the form of a spur gear) to which the gear 21 , the pinion 37 and the external toothing 36 belong.
  • a gear 38 here in the form of a spur gear
  • this preferably consists of two parts 29a, 29b, which are connected to one another in a connecting area 22.
  • a seal 26 for example in the form of an O-ring, in the connection area 22 / contact area of both parts of the housing 14 .
  • a corresponding static seal 27 can also in turn be provided between the steering knuckle 19 and the housing 14 .
  • a radial shaft sealing ring 28 is preferably provided radially between the housing 14 and the drive element 4 .
  • a further (third) axial bearing 24c is provided on a side of the adjusting gear wheel 9 that is axially remote from the shift sleeve 6 .
  • the adjusting gear wheel 9 is supported on the housing 14 by means of this (third) axial bearing 24c.
  • a shift sleeve 6 is displaced by a ramp geometry (ramp contours 11a, 11b).
  • a restoring spring pretensioning spring unit 13
  • Another return spring spring unit 25
  • the return spring (preloading spring unit 13) for the decoupling/separating function can also be a plate spring, a spring assembly or a spiral spring.
  • the subject of the application is therefore a wheel decoupling device 1 (“Disconnect Unit (DCU)”), which is integrated into the drive train directly on the wheel between the drive shaft 3 and the hub (wheel hub 2).
  • DCU Disconnect Unit
  • the wheel is decoupled or coupled from the rest of the drive train by the wheel decoupling device 1 .
  • the shift sleeve 6 By moving the shift sleeve 6, the drive-side toothing (first counter-toothing 17a) of the tripod is positively connected to the output-side toothing (second counter-toothing 17b) of the hub.
  • the shifting sleeve 6 is shifted axially by a ramp system tern 8, which converts a rotational movement into an axial movement.
  • the ramp system 8 consists of an adjusting gear wheel 9, balls (rolling elements 12) and an axially displaceable ramp (sliding ring 10).
  • the raceways 34 (having ramp contours 11a, 11b) of the balls can be designed according to the required travel.
  • the ramp system 8 is actuated by an electric motor (actuator 18) with a spur gear (gear 38), which engages in the adjusting gear 9.
  • the axially displaceable ramp (sliding ring 10) is fixed torsionally in the housing 14 of the wheel decoupling device 1 by means of teeth. If the adjusting gear wheel 9 is actuated, the balls are axially displaced due to the helical raceways 34 .
  • the non-rotatable mounting of the ramp (slide ring 10) leads to its axial displacement. Due to the pressure angle, the adjusting gear wheel 9 is centered, which is why no separate radial bearing is necessary.
  • the relative movement of the adjusting gear wheel 9 to the housing 14 is compensated for by an axial needle bearing (third axial bearing 24c).
  • the shift sleeve 6 engages only in the drive-side toothing (first counter-toothing 17a) of the tripod. If the wheel decoupling device 1 is closed, the shift sleeve 6 is displaced along with it, equivalent to the axial movement of the ramp. The relative movement between the ramp and the shift sleeve 6 is compensated for by another axial bearing/axial needle bearing (first axial bearing 24a).
  • a corrugated spring (spring unit 25) is integrated between the axial bearing (first axial bearing 24a) and the selector sleeve 6 in order to ensure a defined flexibility in the event of tooth-to-tooth contact.
  • the ramp system 8 requires an axial preload, which is realized via a corrugated spring assembly (preload spring unit 13).
  • the corrugated spring preloading spring unit 13
  • the corrugated spring is positioned in the housing 14 and is connected to the selector sleeve 6 via a further axial bearing/axial needle bearing (second axial bearing 24b). If the shift sleeve 6 opened by the actuator 18, the corrugated spring assembly (preloading spring unit 13) relaxes and pushes the shift sleeve 6 back into the initial state (decoupling state).
  • a bistability according to the invention is realized by the ramp system 8 and the return spring (preloading spring unit 13). If the clutch is disengaged, i.e. the shift sleeve 6 is engaged with the tripod (drive shaft 3), the shift sleeve 6 is held in this stable state by the force of the corrugated spring assembly (preloading spring unit 13). If the ramp mechanism is actuated by the spur gear, the shift sleeve 6 is displaced, as described above, and brought into engagement with the output-side hub toothing (second counter-toothing 17b). If a failure occurs while the clutch is being engaged, the shift sleeve 6 is repositioned into the open state (decoupling state) by the corrugated spring assembly. The spur gear is not designed to be self-locking, which means that the return process is not blocked.
  • the slope of the ramp (here the first ramp contour 11a) changes to 0° (end position without slope). This corresponds to a level plateau on which the sphere remains in the closed state.
  • the further variant provides an end position with a hollow (recess 35) for the ball. As soon as the balls have snapped into the hollows at the end of the raceways 34, the clutch remains closed even in the event of a failure.
  • the balls are held in position with a form fit and not with a friction fit.
  • the ramp adjusting gear wheel 9
  • the wheel decoupling device 1 can be disengaged.
  • the wheel decoupling device 1 is completely encased and is thus protected against entering environmental media and escaping lubricants.
  • the housing 14 is mounted on the wheel axle at a plurality of receiving screw connections, not shown for the sake of clarity.
  • the housing 14 is sealed against the tripod with a dynamic seal (radial shaft sealing ring 28).
  • a static O-ring seal (static seal 27) is installed on steering knuckle 19. Because of the assembly, the housing 14 is divided in the area of the screwing points. The flange connection (connection area 22) of the housing 14 is also sealed with an O-ring (seal 26).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radentkopplungsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebselement (4), einem Abtriebselement (5), einer verschiebbar angeordneten, mit dem Antriebselement (4) und dem Abtriebselement (5) drehfest verbindbaren Schaltmuffe (6), und einer verstellend auf die Schaltmuffe (6) einwirkenden Betätigungseinrichtung (7), wobei die Betätigungseinrichtung (7) ferner ein Rampensystem (8) aufweist und das Rampensystem (8) derart ausgebildet ist, dass bei einem Verdrehen eines Verstellzahnrades (9) ein axialfest an der Schaltmuffe (6) abgestützter Schiebering (10) axial zwischen einer ersten Stellung, in der das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) rotatorisch voneinander entkoppelt sind, und einer zweiten Stellung, in der die Schaltmuffe (6) das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) formschlüssig rotatorisch miteinander verbindet, verschoben wird, und wobei eine Lagesicherungseinrichtung (30) vorhanden ist, die den Schiebering (10) sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung axial sichert. Zudem betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit (20) mit dieser Radentkopplungsvorrichtung (1).

Description

Radentkopplunqsvorrichtunq für ein Kraftfahrzeug in bistabiler Ausführung
Die Erfindung betrifft eine Radentkopplungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, das heißt eine Vorrichtung zum wahlweisen Entkoppeln / Koppeln eines Rades / einer Radnabe eines Kraftfahrzeuges von einer / mit einer Antriebswelle. Zudem betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit mit dieser Radentkopplungsvorrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es eine möglichst reifennahe Entkopplungsvorrichtung vorzusehen, um einen effizienten Betrieb eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einen optimalen Segelbetrieb, zu ermöglichen. Die Entkopplungsvorrichtung soll zudem möglichst kompakt aufgebaut und zugleich schnell sowie präzise ansteuerbar sein. Auch eine Funktionssicherheit soll gegeben sein.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist eine Radentkopplungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug beansprucht, die ein Antriebselement, ein Abtriebselement, eine verschiebbar angeordnete, mit dem Antriebselement und dem Abtriebselement drehfest verbindbare Schaltmuffe und eine verstellend auf die Schaltmuffe einwirkende Betätigungseinrichtung aufweist. Die Betätigungseinrichtung weist ferner ein Rampensystem auf. Das Rampensystem ist derart ausgebildet, dass bei einem Verdrehen eines Verstellzahnrades ein axialfest an der Schaltmuffe abgestützter Schiebering axial zwischen einer ersten Stellung, in der das Antriebselement und das Abtriebselement rotatorisch voneinander entkoppelt sind, und einer zweiten Stellung, in der die Schaltmuffe das Antriebselement und das Abtriebselement formschlüssig rotatorisch miteinander verbindet, verschoben wird. Des Weiteren ist eine Lagesicherungseinrichtung vorhanden, die den Schiebering sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung axial sichert / abstützt. Dadurch wird eine formschlüssig wirkende Radentkopplungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen geringen Bauraumbedarf aufweist und platzsparend unmittelbar in eine Radnabe und/oder in der Nähe einer Radnabe eines Kraftfahrzeuges integrierbar ist. Dadurch kann ein Rad des Kraftfahrzeuges im Betrieb abgekoppelt werden, was insbesondere bei einem Segelvorgang des Kraftfahrzeuges zu einer großen Effizienzsteigerung beiträgt. Zudem ist die Kupplung bistabil wirkend ausgeführt, d.h. , dass sie sowohl in ihrer geöffneten Stellung als auch in ihrer geschlossenen Stellung bei einem Ausfall einer Betätigung verlässlich funktioniert.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn die Lagesicherungseinrichtung eine Vorspannfedereinheit aufweist. Somit ist die Lagesicherungseinrichtung möglichst robust und verlässlich in ihrer Funktionsweise ausgebildet.
Ist die Vorspannfedereinheit derart eingesetzt, dass der Schiebering in die erste Stellung vorgespannt ist, wird die Lagesicherung des Schieberings seitens der ersten Stellung durch einfache Mittel realisiert.
In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn die Vorspannfedereinheit mindestens ein Federelement aufweist, das zwischen einem Gehäuse und der Schaltmuffe wirkend eingesetzt / eingespannt ist. Bevorzugt weist die Vorspannfedereinheit mehrere in Reihe aneinander anliegende Federelemente, weitere bevorzugt mehrere Wellfedern, auf. Das ermöglicht ebenfalls eine kompakte Bauweise.
Zudem ist es von Vorteil, wenn das Rampensystem selbstlösend umgesetzt ist. Weiter bevorzugt ist das Rampensystem derart selbstlösend ausgebildet, dass bei Wegfall eines das Verstellzahnrad im Betrieb antreibenden Drehmomentes (/ bei Unterschreiten eines bestimmten das Verstellzahnrad im Betrieb antreibenden Drehmomentes) der Schiebering außerhalb / beabstandet zu der zweiten Stellung selbsttätig (durch die Vorspannfedereinheit) in die erste Stellung zurückgeschoben wird. Dadurch wird die Funktionssicherheit weiter erhöht.
Für einen möglichst verschleißarmen Betrieb des Rampensystems ist es zudem zuträglich, wenn das Verstellzahnrad und der Schiebering über einen (weiter bevorzugt über mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete), etwa als Kugeln ausgeformten, Wälzkörper in axialer Richtung aneinander abgestützt sind. Weiter bevorzugt liegt der Wälzkörper unmittelbar an einer (vorzugsweise in Umfangsrichtung kontinuierlich ansteigenden) Rampenkontur des Verstellzahnrades und/oder einer (vorzugsweise in Umfangsrichtung kontinuierlich ansteigenden) Rampenkontur des Schieberings an und in Umfangsrichtung im Anschluss an die zumindest eine Rampenkontur ist ein Halteabschnitt vorgesehen, durch den der Wälzkörper in der zweiten Stellung des Schieberings formschlüssig und/oder reibkraftschlüssig vor einem Weiterrollen gesichert / blockiert ist.
Ist der Halteabschnitt direkt in eine den Wälzkörper aufnehmende Laufbahn (des Schieberings oder des Verstellzahnrades) integriert, wird der Aufbau weiter vereinfacht.
Als zweckmäßig hat es sich in diesem Zusammenhang auch herausgestellt, dass der Halteabschnitt eine gegenüber der zumindest einen Rampenkontur reduzierte Steigung oder keine Steigung in Umfangsrichtung aufweist (vorzugsweise als O°-Flanke ausgebildet).
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Halteabschnitt eine Vertiefung / Mulde in der den Wälzkörper aufnehmenden Laufbahn aufweist, in welche Vertiefung der Wälzkörper formschlüssig einrastbar ist. Dadurch ist eine möglichst verschleißarme Arretierung des Wälzkörpers ausgeführt.
Ist der Schiebering mittels einer Federeinheit an der Schaltmuffe abgestützt, ist das Rampensystem wiederum mit einer bestimmten axialen Vorspannkraft beaufschlagt, was den Verschleiß weiter reduziert. Ist das Verstellzahnrad, vorzugsweise mittels eines Axiallagers, axialfest an einem Gehäuse abgestützt, ist die Betätigungseinrichtung stabil in dem Gehäuse aufgenommen.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Schaltmuffe einen Hülsenbereich mit einer, vorzugsweise als Innenverzahnung ausgebildeten, Verzahnung konstanten Durchmessers aufweist, welche Verzahnung in der zweiten Stellung sowohl mit einer Gegenverzahnung des Antriebselementes als auch mit einer Gegenverzahnung des Abtriebselementes formschlüssig in Drehrichtung verbunden ist Dadurch ist die Schaltmuffe in ihrem Aufbau möglichst einfach gehalten.
Ist das Verstellzahnrad durch einen elektrischen Aktor angetrieben, findet eine möglichst effiziente Betätigung der Radentkopplungsvorrichtung im Betrieb des Kraftfahrzeuges statt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einer Antriebswelle (vorzugsweise als ein Ausgang einer Tripode ausgebildet), einer Radnabe und einer, in einem Achsschenkel aufgenommenen, erfindungsgemäßen Radentkopplungsvorrichtung nach zumindest eine der zuvor beschriebenen Ausführungen, wobei das Antriebselement der Radentkopplungsvorrichtung mit der Antriebswelle verbunden ist oder unmittelbar durch die Antriebswelle ausgebildet ist und das Abtriebselement der Radentkopplungsvorrichtung mit der Radnabe verbunden ist oder unmittelbar durch die Radnabe ausgebildet ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß eine Radtrenneinheit (Radentkopplungsvorrichtung) ausgebildet, mittels derer in Abhängigkeit des entsprechenden Fährbetriebes des Kraftfahrzeuges das Rad vom restlichen Antriebsstrang ab- oder angekoppelt wird. Eine Bistabilität wird durch ein Rampensystem und eine Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit) realisiert. Ist die Kupplung (Radentkopplungsvorrichtung) geöffnet, d.h. die Schaltmuffe ist (nur) im Eingriff mit der Tripode (An- triebswelle), wird die Schaltmuffe durch die Kraft des Wellfederpakets (Vorspannfedereinheit) in diesem stabilen Zustand gehalten. Wird der Rampenmechanismus (Rampensystem) durch das Stirnradgetriebe (Verstellzahnrad) aktuiert, wird die Schaltmuffe verschoben und in Eingriff mit der abtriebsseitigen Nabenverzahnung (zweite Gegenverzahnung) gebracht. Kommt es zum Ausfall während des Schließens der Kupplung, wird die Schaltmuffe durch das Wellfederpaket wieder in den geöffneten Zustand (erste Stellung) positioniert. Das Stirnradgetriebe ist nicht selbsthemmend ausgelegt, wodurch der Rückstellvorgang nicht blockiert wird. Um die Kupplung im geschlossenen Zustand bei Ausfall geschlossen zu halten, stehen zwei verschiedene Varianten zur Verfügung. In einer ersten Variante ändert sich am Ende der Kugellaufbahnen (Rampenkonturen) die Steigung der Rampe zu 0° (Endlage ohne Steigung). Das entspricht einem ebenen Plateau, auf dem die Kugel (Wälzkörper) im geschlossenen Zustand verharrt. Aufgrund der Anordnung der Radentkopplungsvorrichtung direkt am Rad und die damit verbundenen, ungedämpften, mechanischen Belastungen sieht eine zweite Variante eine Endlage mit Kuhle (Vertiefung) für die Kugel vor. Sobald die Kugeln in die Kuhlen am Ende der Laufbahnen (/ Rampenkonturen) eingerastet sind, bleibt die Kupplung auch bei Ausfall geschlossen (zweite Stellung). Hierbei werden im Vergleich zur ersten Variante die Kugeln form- und nicht reibschlüssig in Position gehalten. Durch Drehzahlumkehr und Motormoment des E-Motors (Aktor), kann die Rampe / das Verstellzahnrad zurückgedreht und die Radentkopplungsvorrichtung ausgekuppelt werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Radentkopplungsvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei die Radentkopplungsvorrichtung bereits in einer einen Achsschenkel aufweisenden Antriebseinheit eines Kraftfahrzeuges eingesetzt sowie in einem Entkoppelzustand / geöffneten Zustand angeordnet ist, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer eine Radentkopplungsvorrichtung nach Fig. 1 aufweisenden Antriebseinheit, wobei ein die Radentkopplungsvorrichtung betätigender Aktor mit dargestellt ist,
Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung der Radentkopplungsvorrichtung nach Fig. 1 im Bereich eines Zahnkontaktes zwischen einem Verstellzahnrad und eines mit dem Aktor in Wirkzusammenhang stehenden, weiteren Zahnrad, wobei sich die Radentkopplungsvorrichtung wiederum in dem Entkoppelzustand befindet,
Fig. 4 eine weitere Längsschnittdarstellung der Radentkopplungsvorrichtung nach Fig. 1 , wobei sich die Radentkopplungsvorrichtung nun in einem Koppelzustand / geschlossenen Zustand befindet,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des in den Figuren 1 bis 4 eingesetzten Verstellzahnrades, wobei eine einen Wälzkörper in einem geschlossenen Zustand der Radentkopplungsvorrichtung sichernde Vertiefung in einer Laufbahn des Verstellzahnrades zu erkennen ist, sowie
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführung des Verstellzahnrades im Vergleich zu der in Fig. 5 gezeigten Variante, wobei die Laufbahn des Verstellzahnrades nun lediglich einen Abschnitt aufweist, der keine Steigung (in Umfangsrichtung) aufweist.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombiniert werden.
Mit Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Radentkopplungsvorrichtung 1 detailliert zu erkennen. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist eine Entkopplungsvorrichtung im Sinne einer Kupplung / Trennkupplung zum Abtrennen eines Rades / einer mit dem bereiften Rad des Kraftfahrzeuges drehfest verbundenen Radnabe 2 von den angrenzenden ro- tierenden Bestandteilen des Antriebsstranges, hier einer Antriebswelle 3. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist folglich unmittelbar zwischen der Antriebswelle 3 und der Radnabe 2 eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Die Antriebswelle 3 ist weiterhin als ein Bestandteil (Ausgang / einem dem Rad zugewandten Bestandteil) einer Gelenkwelle, nämlich einer Tripode, ausgeführt.
Zudem ist zu erkennen, dass ein Gehäuse 14 der Radentkopplungsvorrichtung 1 unmittelbar in einem Achsschenkel 19 einer Radaufhängung aufgenommen / integriert ist.
Mit den gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial / radial und Umfangsrichtung sind verschiedene Richtungen bezeichnet, die in Bezug auf eine zentrale Drehachse 23 zu verstehen sind. Die Drehachse 23 bildet eine Drehachse der Radnabe 2 und der Antriebswelle 3. Unter axial / axialer Richtung ist eine Richtung entlang / parallel zu der Drehachse 23, unter radial / radialer Richtung eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 23 und unter Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch zu der Drehachse 23 umlaufenden Kreislinie zu verstehen.
Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist in den Figuren 1 und 2 in einem Entkoppelzustand / geöffneten Zustand und in Fig. 3 in einem Koppelzustand / geschlossenen Zustand dargestellt. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist als eine formschlüssig wirkende Kupplung / Formschlusskupplung ausgeführt.
Die Radentkopplungsvorrichtung 1 weist eine Schaltmuffe 6 auf, die relativ zu einem als Antriebselement 4 bezeichneten Endbereich der Antriebswelle 3 und einem als Abtriebselement 5 bezeichneten Endbereich der Radnabe 2 relativ verschiebbar ist. Die Schaltmuffe 6 weist eine als Innenverzahnung ausgeführte Verzahnung 16 auf, die entsprechend mit Gegenverzahnungen 17a, 17b des Antriebselementes 4 und des Abtriebselementes 5 zusammenwirkt und mit diesen drehfest formschlüssig verbindbar ist. Gemäß Fig. 1 ist die Schaltmuffe 6 in eine, dem Entkoppelzustand entsprechende, erste Stellung verschoben, in der sich ihre Verzahnung 16 lediglich in Zahneingriff mit der ersten Gegenverzahnung 17a des Antriebselementes 4 befindet, jedoch außer Zahneingriff zu der zweiten Gegenverzahnung 17b des Abtriebselementes 5 angeordnet ist. Diese erste Stellung ist durch eine nachfolgend näher beschriebene Vorspannfedereinheit 13 unterstützt / abgestützt. In einer dem Koppelzustand entsprechenden, zweiten Stellung ist die Schaltmuffe 6 relativ zu der ersten Stellung derart weit axial verschoben, dass die Verzahnung 16 sowohl mit der ersten Gegenverzahnung 17a als auch mit der zweiten Gegenverzahnung 17b drehfest formschlüssig in Kontakt steht. In dem Koppelzustand / in der zweiten Stellung verbindet die Schaltmuffe 6 somit das Antriebselement 4 und das Abtriebselement 5 drehfest.
Es sei zudem darauf hingewiesen, dass die Verzahnung 16 der Schaltmuffe 6 einen konstanten (Innen-) Durchmesser aufweist. Daher weisen bevorzugt auch die Gegenverzahnungen 17a, 17b denselben (Außen-) Durchmesser auf.
Zum Betätigen / Verschieben der Schaltmuffe 6 zwischen ihrer ersten Stellung und zweiten Stellung ist eine Betätigungseinrichtung 7 vorhanden. Die Betätigungseinrichtung 7 weist ein Rampensystem 8 auf. Das Rampensystem 8 weist des Weiteren ein Verstellzahnrad 9 und einen Schiebering 10 auf. Zudem weist das Rampensystem 8 mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Wälzkörper 12 auf, die hier als Kugeln ausgeformt sind. Das Verstellzahnrad 9 ist axial über die Wälzkörper 12 an den Schiebering 10 angelegt / abgestützt.
Bei Betrachtung der Fign. 1 bis 3 sei erwähnt, dass sowohl das Verstellzahnrad 9 als auch der Schiebering 10 Rampenkonturen 11a, 11 b ausbilden, die unmittelbar die Laufbahn 34 für die Wälzkörper 12 mit ausbilden. Jede Rampenkontur 11a, 11 b steigt entlang ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung gesehen axial kontinuierlich an. Die Rampenkonturen 11a, 11b steigen in einer Umfangsrichtung insbesondere axial gegensinnig zueinander an. Die Rampenkonturen 11a, 11 b sind folglich als spindelförmig / schraubenförmig verlaufende Bahnen ausgeführt. Die Rampenkonturen 11a, 11b sind derart aufeinander abgestimmt, dass es bei einem Verdrehen des Verstellzahnrades 9 in einer ersten Drehrichtung relativ zu dem Schiebering 10 zu einem Entlangrollen der Wälzkörper 12 an den Rampenkonturen 11a, 11b kommt und dadurch der Schiebering 10 von dem Verstellzahnrad 9 weggeschoben wird. Bei einem entgegengesetzten Verdrehen des Verstellzahnrades 9 in einer zweiten Drehrichtung wird wiederum der Schiebering 10 in Richtung des Verstellzahnrades 9 zurückverschoben. Dadurch ergibt sich der entsprechende Entkoppelzustand bzw. Koppelzustand der Radkopplungsvorrichtung 1 durch Verdrehen des Verstellzahnrades 9. Der Schiebering 10 ist des Weiteren verdrehtest an dem Gehäuse 14 aufgenommen / geführt.
Es ist ferner zu erkennen, dass der Schiebering 10 zu seiner axial dem Verstellzahnrad 9 / dem Wälzkörper 12 abgewandten Seite an der Schaltmuffe 6 abgestützt ist. Hierzu ist der Schiebering 10 stirnseitig über ein (erstes) Axiallager 24a sowie eine Federeinheit 25 (hier aufweisend zumindest eine Wellfeder) an der Schaltmuffe 6 radial außerhalb eines die Verzahnung 16 aufweisenden Hülsenbereiches 15 abgestützt. Der Schiebering 10 wird demnach wie auch die Schaltmuffe 6 zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung verschoben.
Axial entgegengesetzt zu dem Schiebering 10 ist die Schaltmuffe 6 weiterhin relativ zu dem Gehäuse 14 federvorgespannt. Hierzu ist die Vorspannfedereinheit 13 vorhanden, die dazu dient, die Schaltmuffe 6 mit einer axialen Vorspannung in Richtung des Verstellzahnrades 9 zu drücken.
Diese Vorspannfedereinheit 13 bildet eine erfindungsgemäß Lagesicherungseinrichtung 30 mit aus, die den Schiebering 10 und folglich auch die Schaltmuffe 6 in die erste Stellung vorgespannt, d.h. in der ersten Stellung axial sichert / abstützt. Das Rampensystem 8 ist dabei selbstlösend ausgebildet, sodass bei Wegfall eines das Verstellzahnrad 9 im Betrieb antreibenden Drehmomentes der Schiebering 10 außerhalb der zweiten Stellung, d.h. in jeglicher Zwischenstellung axial zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung, selbsttätig in die erste Stellung zurückgeschoben wird. Die Vorspannfedereinheit 13 weist mindestens ein Federelement 31 , hier gar mehrere axial in Reihe zueinander angeordnete Federelemente 31 in Form von Wellfedern auf, die axial zwischen dem Gehäuse 14 und der Schaltmuffe 6 wirkend eingesetzt sind.
Es sei in diesem Zusammenhang auch darauf hingewiesen, dass sowohl die Vorspannfedereinheit 13 als auch die Federeinheit 25 jedoch auch andere mechanische Federn, wie Spiralfedern, Tellerfedern oder Federpakete aufweisen können.
Die Vorspannfedereinheit 13 ist mittels eines (zweiten) Axiallagers 24b an der Schaltmuffe 6 abgestützt. Die Vorspannfedereinheit 13 ist somit im Wesentlichen gehäusefest aufgenommen und die Schaltmuffe 6 relatiwerdrehbar zu der Vorspannfedereinheit 13 gelagert / abgestützt. Die Vorspannfedereinheit 13 ist der Übersichtlichkeit halber in Fig. 4 mit einer reduzierten Anzahl an Wellfedern gegenüber Fign. 1 und 2 dargestellt.
Die Lagesicherungseinrichtung 30 ist in dieser Ausführung gar bistabil ausgeführt und sichert den Schiebering 10 und folglich auch die Schaltmuffe 6 nicht nur in deren ersten Stellung, sondern auch in der zweiten Stellung. Erreicht der Schiebering 10 die zweite Stellung wird dieser wiederum selbsttätig in dieser zweiten Stellung arretiert, sodass der Schiebering 10 bei Wegfall des das Verstellzahnrad 9 im Betrieb antreibenden Drehmomentes in der zweiten Stellung verweilt.
Allgemein ist hierzu ein in Fig. 5 näher zu erkennender (erster) Halteabschnitt 32 vorhanden, durch den einer der Wälzkörper 12 in der zweiten Stellung des Schieberings 10 formschlüssig vor einem Weiterrollen entlang der Laufbahn 34 gesichert / gehindert wird. Der (erste) Halteabschnitt 32 ist direkt in die den Wälzkörper 12 aufnehmende Laufbahn 34 integriert. Der (erste) Halteabschnitt 32 ist in dieser Ausführung in dem Verstellzahnrad 9 ausgeformt, kann in weiteren Ausführungen jedoch auch alternativ in dem Schiebering 10 ausgeformt sein. Der (erste) Halteabschnitt 32 weist nach Fig. 5 eine Vertiefung 35 auf, die in die Laufbahn 34 eingebracht ist. Die Vertiefung 35 ist derart dimensioniert, dass der Wälzkörper 12 in der zweiten Stellung formschlüssig (Formschluss in Umfangsrichtung / Drehrichtung wirkend) in diese einrastet. Dadurch, dass der Schiebering 10 über den Wälzkörper 12 in axialer Richtung an dem Verstellzahnrad 9 abgestützt ist, befindet sich der Wälzkörper 12 permanent und unmittelbar sowohl an der ersten Rampenkontur 11a des Verstellzahnrades 9 als auch an der zweiten Rampenkontur 11b des Schieberings 10 in Anlage. Der (erste) Halteabschnitt 32 mit der Vertiefung 35 schließt direkt an die erste Rampenkontur 11a an, sodass der Wälzkörper 12 in der zweiten Stellung in die Vertiefung 35 einrastest und demnach relativ zu dem Verstellzahnrad 9 (mit einer bestimmten Haltekraft) blockiert ist.
Gemäß Fig. 6 kann der (erste) Halteabschnitt 32 alternativ durch einen (zweiten) Halteabschnitt 33 ersetzt werden, der in der zweiten Stellung des Schieberings 10 den Wälzkörper 12 im Wesentlichen durch reibkraftschlüssige Abstützung vor einem Weiterrollen blockiert. In dieser Ausführung ist der zweite Halteabschnitt 33 mit einer gegenüber der ersten Rampenkontur 11a reduzierten Steigung, bzw. gar keiner Steigung in Umfangsrichtung / unter Ausbildung einer 0°-Flanke. ausgebildet. Auch dadurch wird somit die zweite Stellung des Schieberings 10 / der Schaltmuffe 6 gesichert.
In Verbindung mit Fig. 2, in der eine gesamte Antriebseinheit 20 angedeutet ist, sei darauf hingewiesen, dass das Verstellzahnrad 9 bevorzugt über ein durch einen elektrischen Aktor 18 antreibbares / angetriebenes Zahnrad 21 verstellbar ist. Der Aktor 18 ist als ein rein elektrischer Aktor 18 (Drehmotor) ausgebildet. Das Zahnrad 21 greift bevorzugt unmittelbar in eine Verzahnung, hier als Außenverzahnung 36 ausgebildet, des Verstellzahnrades 9 ein. Das Zahnrad 21 ist hier als Zwischenzahnrad ausgeführt und befindet sich mit einem auf einer Rotorwelle des Aktors 18 befindlichen Ritzel 37 in Zahneingriff. Der Aktor 18 treibt folglich über ein Getriebe 38 (hier in Form eines Stirnradgetriebes), zu dem das Zahnrad 21 , das Ritzel 37 und die Außenverzahnung 36 gehören, das Verstellzahnrad 9 an. Hinsichtlich des Gehäuses 14 sei unter Betrachtung der Fig. 1 auch darauf hingewiesen, dass dieses vorzugsweise aus zwei Teilen 29a, 29b besteht, die in einem Verbindungsbereich 22 miteinander verbunden sind. Hierbei ist es wiederum von Vorteil, wenn in dem Verbindungsbereich 22 / Kontaktbereich beider Teile des Gehäuses 14 eine Dichtung 26, etwa in Form eines O-Ringes, vorhanden ist. Auch kann wiederum zwischen dem Achsschenkel 19 und dem Gehäuse 14 eine entsprechende statische Dichtung 27 vorgesehen sein. Ferner ist bevorzugt radial zwischen dem Gehäuse 14 und dem Antriebselement 4 ein Radialwellendichtring 28 vorhanden.
Ferner ist auf einer der Schaltmuffe 6 axial abgewandten Seite des Verstellzahnrades 9 ein weiteres (drittes) Axiallager 24c vorgesehen. Das Verstellzahnrad 9 ist mittels dieses (dritten) Axiallagers 24c an dem Gehäuse 14 abgestützt.
Mit anderen Worten ausgedrückt, erfolgt in der erfindungsgemäßen Radentkopplungsvorrichtung zum Schalten / Verstellen dieser ein Verschieben einer Schaltmuffe 6 durch eine Rampengeometrie (Rampenkonturen 11a, 11b). Insbesondere ist eine Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit 13) zum schnellen Überbrücken des Kraftschlusses der reifennahen Radentkopplungsvorrichtung 1 vorhanden. Auch dient eine weitere Rückstellfeder (Federeinheit 25) zur Zentrierung der Rampeneinheit (Rampensystem 8). Die Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit 13) für die Entkopplungs- / Trennfunktion ist auch durch eine Tellerfeder, ein Federpaket oder durch eine Spiralfeder möglich.
Gegenstand der Anmeldung ist somit eine Radentkopplungsvorrichtung 1 (auf Englisch „Disconnect-Unit (DCU)“), die direkt am Rad zwischen Antriebswelle 3 und Nabe (Radnabe 2) in den Antriebsstrang integriert ist. In Abhängigkeit des entsprechenden Fährbetriebs wird durch die Radentkopplungsvorrichtung 1 das Rad vom restlichen Antriebsstrang ab- oder angekoppelt. Durch Verschieben der Schaltmuffe 6 wird die antriebsseitige Verzahnung (erste Gegenverzahnung 17a) der Tripode mit der abtriebsseitigen Verzahnung (zweite Gegenverzahnung 17b) der Nabe formschlüssig verbunden. Die axiale Verschiebung der Schaltmuffe 6 erfolgt durch ein Rampensys- tern 8, welches eine rotatorische in eine axiale Bewegung umsetzt. Das Rampensystem 8 besteht aus einem Verstellzahnrad 9, Kugeln (Wälzkörper 12) und einer axial verschiebbaren Rampe (Schiebering 10). Die Laufbahnen 34 (aufweisend Rampenkonturen 11a, 11b) der Kugeln können dabei entsprechend dem benötigten Verfahrweg ausgelegt werden.
Die Aktuierung des Rampensystems 8 erfolgt über einen Elektromotor (Aktor 18) mit Stirnradgetriebe (Getriebe 38), welches in das Verstellzahnrad 9 eingreift. Die axial verschiebbare Rampe (Schiebering 10) ist verdrehtest im Gehäuse 14 der Radentkopplungsvorrichtung 1 durch eine Verzahnung fixiert. Wird das Verstellzahnrad 9 ak- tuiert, werden die Kugeln aufgrund der schraubenförmigen Laufbahnen 34 axial verschoben. Die drehfeste Lagerung der Rampe (Schiebering 10) führt zu deren axialen Verschiebung. Aufgrund des Druckwinkels wird das Verstellzahnrad 9 zentriert, weshalb keine separate radiale Lagerung notwendig ist. Die Relativbewegung des Verstellzahnrades 9 zum Gehäuse 14 wird durch ein Axialnadellager (drittes Axiallager 24c) kompensiert.
Im geöffneten Zustand greift die Schaltmuffe 6 nur in die antriebsseitige Verzahnung (erste Gegenverzahnung 17a) der Tripode ein. Wird die Radentkopplungsvorrichtung 1 geschlossen, wird die Schaltmuffe 6 äquivalent zur axialen Bewegung der Rampe mit verschoben. Die Relativbewegung zwischen der Rampe und der Schaltmuffe 6 wird durch ein weiteres Axiallager / Axialnadellager (erstes Axiallager 24a) kompensiert. Zwischen dem Axiallager (erstes Axiallager 24a) und der Schaltmuffe 6 ist eine Wellfeder (Federeinheit 25) integriert, um eine definierte Nachgiebigkeit im Fall eines Zahn-auf-Zahn-Kontaktes zu gewährleisten.
Das Rampensystem 8 benötigt eine axiale Vorspannung, welche über ein Wellfederpaket (Vorspannfedereinheit 13) realisiert ist. Die Wellfeder (Vorspannfedereinheit 13) ist im Gehäuse 14 positioniert und über ein weiteres Axiallager / Axialnadellager (zweites Axiallager 24b) mit der Schaltmuffe 6 verbunden. Wird die Schaltmuffe 6 durch den Aktor 18 geöffnet, entspannt sich das Wellfederpaket (Vorspannfedereinheit 13) und schiebt die Schaltmuffe 6 in den Ausgangszustand (Entkopplungszustand) zurück.
Eine erfindungsgemäße Bistabilität wird durch das Rampensystem 8 und die Rückstellfeder (Vorspannfedereinheit 13) realisiert. Ist die Kupplung geöffnet, d.h. die Schaltmuffe 6 ist im Eingriff mit der Tripode (Antriebswelle 3), wird die Schaltmuffe 6 durch die Kraft des Wellfederpakets (Vorspannfedereinheit 13) in diesem stabilen Zustand gehalten. Wird der Rampenmechanismus durch das Stirnradgetriebe aktuiert, wird die Schaltmuffe 6, wie obenstehend beschrieben, verschoben und in Eingriff mit der abtriebsseitigen Nabenverzahnung (zweite Gegenverzahnung 17b) gebracht. Kommt es zum Ausfall während des Schließens der Kupplung, wird die Schaltmuffe 6 durch das Wellfederpaket wieder in den geöffneten Zustand (Entkoppelzustand) positioniert. Das Stirnradgetriebe ist nicht selbsthemmend ausgelegt, wodurch der Rückstellvorgang nicht blockiert wird.
Um die Kupplung im geschlossenen Zustand (Koppelzustand) bei Ausfall geschlossen zu halten, stehen zwei verschieden Varianten zur Verfügung. Am Ende der Kugellaufbahnen (d.h. an einem Endbereich der Laufbahnen 34 in Umfangsrichtung) ändert sich die Steigung der Rampe (hier der ersten Rampenkontur 11a) zu 0° (Endlage ohne Steigung). Das entspricht einem ebenen Plateau, auf dem die Kugel im geschlossenen Zustand verharrt. Aufgrund der Anordnung der Radentkopplungsvorrichtung 1 direkt em Rad und der damit verbundenen, ungedämpften, mechanischen Belastungen sieht die weitere Variante eine Endlage mit Kuhle (Vertiefung 35) für die Kugel vor. Sobald die Kugeln in die Kuhlen am Ende der Laufbahnen 34 eingerastet sind, bleibt die Kupplung auch bei Ausfall geschlossen. Hierbei werden im Vergleich zur ersten Variante die Kugeln formschlüssig und nicht reibschlüssig in Position gehalten. Durch Drehzahlumkehr und Motormoment des E-Motors, kann die Rampe (Verstellzahnrad 9) zurückgedreht und die Radentkopplungsvorrichtung 1 ausgekuppelt werden. Die Radentkopplungsvorrichtung 1 ist komplett eingehaust, und ist somit gegen eintretende Umgebungsmedien und austretende Schmierstoffe geschützt. Das Gehäuse 14 wird an mehreren, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Aufnahmeverschraubungen auf der Radachse montiert. Gegen die Tripode ist das Gehäuse 14 mit einer dynamischen Dichtung (Radialwellendichtring 28) gedichtet. Gegenüber des
Achsschenkels 19 ist eine statische O-Ring-Dichtung (statische Dichtung 27) verbaut. Aufgrund der Montage ist das Gehäuse 14 im Bereich der Anschraubpunkte geteilt. Die Flanschverbindung (Verbindungsbereich 22) des Gehäuse 14 ist ebenfalls mit einem O-Ring (Dichtung 26) abgedichtet.
Bezuqszeichenliste
Radentkopplungsvorrichtung Radnabe
Antriebswelle
Antriebselement
Abtriebselement Schaltmuffe
Betätigungseinrichtung Rampensystem Verstellzahnrad
Schiebering a Rampenkontur des Verstellzahnrades b Rampenkontur des Schieberings Wälzkörper
Vorspannfedereinheit Gehäuse
Hülsenbereich Verzahnung a erste Gegenverzahnung b zweite Gegenverzahnung
Aktor
Achsschenkel Antriebseinheit
Zahnrad
Verbindungsbereich Drehachse a erstes Axiallager b zweites Axiallager c drittes Axiallager
Federeinheit
Dichtung statische Dichtung Radialwellendichtring a erstes Teil des Gehäuses b zweites Teil des Gehäuses Lagesicherungseinrichtung Federelement erster Halteabschnitt zweiter Halteabschnitt Laufbahn Vertiefung Außenverzahnung Ritzel Getriebe

Claims

Patentansprüche Radentkopplungsvorrichtung (1 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Antriebselement (4), einem Abtriebselement (5), einer verschiebbar angeordneten, mit dem Antriebselement (4) und dem Abtriebselement (5) drehfest verbindbaren Schaltmuffe (6), und einer verstellend auf die Schaltmuffe (6) einwirkenden Betätigungseinrichtung (7), wobei die Betätigungseinrichtung (7) ferner ein Rampensystem (8) aufweist und das Rampensystem (8) derart ausgebildet ist, dass bei einem Verdrehen eines Verstellzahnrades (9) ein axialfest an der Schaltmuffe (6) abgestützter Schiebering (10) axial zwischen einer ersten Stellung, in der das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) rotatorisch voneinander entkoppelt sind, und einer zweiten Stellung, in der die Schaltmuffe (6) das Antriebselement (4) und das Abtriebselement (5) formschlüssig rotatorisch miteinander verbindet, verschoben wird, und wobei eine Lagesicherungseinrichtung (30) vorhanden ist, die den Schiebering (10) sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung axial sichert. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lagesicherungseinrichtung (30) eine Vorspannfedereinheit (13) aufweist. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfedereinheit (13) derart eingesetzt ist, dass der Schiebering (10) in die erste Stellung vorgespannt ist. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfedereinheit (13) mindestens ein Federelement (31) aufweist, das zwischen einem Gehäuse (14) und der Schaltmuffe (6) wirkend eingesetzt ist. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rampensystem (8) derart selbstlösend ausgebildet ist, dass bei Wegfall eines das Verstellzahnrad (9) im Betrieb antreibenden Drehmomentes der Schiebering (10) außerhalb der zweiten Stellung selbsttätig in die erste Stellung zurückgeschoben wird. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellzahnrad (9) und der Schiebering (10) über einen Wälzkörper (12) in axialer Richtung aneinander abgestützt sind, wobei der Wälzkörper (12) unmittelbar an einer Rampenkontur (11 a) des Verstellzahnrades (9) und/oder einer Rampenkontur (11 b) des Schieberings (10) anliegt und in Umfangsrichtung im Anschluss an die zumindest eine Rampenkontur (11a, 11b) ein Halteabschnitt (32, 33) vorgesehen ist, durch den der Wälzkörper (12) in der zweiten Stellung des Schieberings (10) formschlüssig und/oder reibkraftschlüssig vor einem Weiterrollen gesichert ist. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (32, 33) direkt in eine den Wälzkörper (12) aufnehmende Laufbahn (34) integriert ist. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (33) eine gegenüber der zumindest einen Rampenkontur (11 b, 11a) reduzierte Steigung oder keine Steigung in Umfangsrichtung aufweist. Radentkopplungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (32) eine Vertiefung (35) in der den Wälzkörper (12) aufnehmenden Laufbahn (34) aufweist, in welche Vertiefung (35) der Wälzkörper (12) formschlüssig einrastbar ist. Antriebseinheit (20) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Antriebswelle (3), einer Radnabe (2) und einer in einem Achsschenkel (19) aufgenommenen Radentkopplungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Antriebselement (4) der Radentkopplungsvorrichtung (1 ) mit der Antriebswelle (3) verbunden ist oder unmittelbar durch die Antriebswelle (3) ausgebildet ist und das Abtriebselement (5) der Radentkopplungsvorrichtung (1) mit der Radnabe (2) verbunden ist oder unmittelbar durch die Radnabe (2) ausgebildet ist.
PCT/DE2022/100914 2022-01-18 2022-12-06 Radentkopplungsvorrichtung für ein kraftfahrzeug in bistabiler ausführung WO2023138717A1 (de)

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