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Die Erfindung betrifft eine Axialverstelleinrichtung, beispielsweise für eine Kupplung eines Getriebes oder eine Differenzialsperre eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Axialverstelleinrichtungen werden beispielsweise bei Getrieben oder Differenzialsperren von Kraftfahrzeugen genutzt, um die Betätigung einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Sie weisen üblicherweise zwei gegenüberliegende Rampenscheiben auf, von denen eine drehfest sowie axialverschiebbar und die andere axialfest und drehbar angeordnet ist. Beide Rampenscheiben weisen gegeneinander gerichtete Stirnseiten auf, in denen axial ausgerichtete Konturen ausgebildet sind, die in etwa einer schiefen Ebene entsprechen und sich jeweils über einen Kreisabschnitt erstrecken. Zwischen den Rampenscheiben befinden sich Wälzkörper in Form von Kugeln oder Zylinderrollen, die an den Konturen der Rampenscheiben bei einer Drehung derselben abrollen. Da die Konturen der Rampenscheiben in axialer Richtung bei einer Drehbewegung in einer ersten Drehrichtung ansteigen, wird der Abstand der beiden Rampenscheiben zueinander bei einer solchen Drehbewegung größer. Entsprechend der Steigung der Kontur entsteht aus der Drehbewegung eine Axialkraft, welche die beiden Rampenscheiben auseinander drückt. Mit dieser Axialkraft wird beispielsweise ein Lamellenpaket verspannt und so die Kupplung bzw. die Differenzialsperre geschlossen.
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Die Rampenkonturen sind wie erwähnt üblicherweise als schiefe Ebene ausgeführt und an beiden Rampenscheiben ausgebildet. Um eine möglichst gleichmäßige Axialkraft zu erzeugen, sind an jeder der beiden Rampenscheiben mehrere identische Konturen über einen Kreisumfang hintereinander angeordnet. Durch die Anordnung und Ausbildung der Konturen wird sichergestellt, dass die Wälzkörper zwischen den Rampenscheiben abwälzen und nicht gleiten.
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Aus der
DE 10 2005 053 555 B3 ist eine solche Axialverstelleinrichtung bekannt, welche zwei koaxial zueinander angeordnete Scheiben umfasst, von denen eine Scheibe axial abgestützt und die andere axial verschiebbar ist, und von denen zumindest eine Scheibe drehend antreibbar ist. Die beiden Scheiben weisen jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen auf. Die beiden Scheiben sind demnach axial gegeneinander über Kugeln als Wälzkörper gelagert, welche auch die axiale Stellkraft übertragen. Ähnliche Axialverstelleinrichtungen, bei denen ebenfalls Kugeln als Wälzkörper verwendet werden, sind aus der
EP 0 793 033 A1 und der
DE 10 2006 025 061 A1 bekannt.
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Insbesondere aus der
DE 10 2005 053 555 B3 und der
DE 10 2006 025 061 A1 ist es bekannt, die Kugelrillen derartig auszubilden, dass zumindest die Kugelrillen einer der beiden Scheiben, ausgehend von den Bereichen größter Rillentiefe, einen ersten Rillenabschnitt größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt kleinerer Steigung aufweisen, wobei die beiden Steigungen von Null verschieden sind, und wobei der erste Rillenabschnitt sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt erstreckt als der zweite Rillenabschnitt. Gemäß diesen beiden Druckschriften weisen die beiden Rillenabschnitte lineare Steigungen auf.
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Der Vorteil der aus der
DE 10 2005 053 555 B3 und der
DE 10 2006 025 061 A1 bekannten Stellvorrichtungen besteht darin, dass ausgehend von einer unbetätigten Stellung, in der beide Scheiben den axial kürzesten Abstand zueinander aufweisen, zu Beginn des Stellvorgangs wegen der größeren Steigung der Kugelrillen zunächst ein großer axialer Stellweg über dem Verdrehwinkel zurückgelegt wird, um das Lüftspiel der Lamellenkupplung zu überwinden. Hieraus ergibt sich eine besonders kurze Ansprechzeit der Stellvorrichtung. Der sich an den ersten Rillenabschnitt anschließende zweite Rillenabschnitt hat eine flachere Steigung, so dass sich hier ein kleinerer axialer Stellweg über dem Stellwinkel ergibt. Dieser zweite Rillenabschnitt dient zum Steuern der Reibungskupplung in ihrem Arbeitsbereich. Dadurch, dass sich der erste Rillenabschnitt mit der größeren Steigung über einen kleineren Kreisbogenabschnitt erstreckt als der zweite Rillenabschnitt mit der geringeren Steigung ist eine schnelle Ansprechzeit der Lamellenkupplung sowie eine sehr feinfühlige Steuerung im Arbeitsbereich der Kupplung möglich.
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Nachteilig bei diesen Konstruktionen ist, dass die Herstellung derartiger Rampenscheiben aufwendig und daher kostspielig ist, da die jeweils am Umfang verteilten Kugelrillen bzw. Rampenkonturen in das jeweilige Bauteil gefräst werden müssen. Außerdem müssen dabei enge Toleranzen und Oberflächenrauhigkeiten eingehalten werden.
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Vor diesem Hintergrund ist liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axialverstelleinrichtung der eingangs geschilderten Art vorzustellen, welche aufgrund ihrer Konstruktion kostengünstiger als bisher herstellbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die gestellte Aufgabe dadurch lösen lässt, dass in nur eine der beiden Rampenscheiben Rampenkonturen mit zumindest einer Steigung für die Wälzkörper eingefräst oder auf sonst wie geeignete Weise eingebracht sind, während die gegenüber angeordnete zweite Rampenscheibe Rampenkonturen ohne Steigung aufweist, oder plan und völlig konturlos ausgebildet ist.
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Demnach geht die Erfindung aus von einer Axialverstelleinrichtung, mit einer ersten und einer zweiten Rampenscheibe, von denen eine Rampenscheibe drehfest sowie axial verschiebbar und die andere Rampenscheibe drehbar sowie ortsfest angeordnet ist, bei der die Rampenscheiben zueinander zeigende Stirnseiten aufweisen, an denen Wälzkörper bei einer Drehung der drehbaren Rampenscheibe abrollen. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung zudem vor, dass die Wälzkörper an wenigstens einer der Rampenscheiben in Rampenkonturen abrollen, wobei die wenigstens eine Rampenkontur der ersten Rampenscheibe umfangsbezogen wenigstens eine Steigung aufweist, und die wenigstens eine Rampenkontur an der zweiten Rampenscheibe umfangsbezogen steigungslos ausgebildet ist. Eine von Null abweichende Konturtiefe kann diese Rampenkontur an der zweiten Rampenscheibe dennoch aufweisen, so dass auch diese Rampenkontur die Wälzkörper radial führen kann.
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Mit der vorgeschlagenen Konstruktion ist es möglich, die Herstellungskosten zu reduzieren, da nur noch in eine der beiden Rampenscheiben Rampenkonturen mit zumindest einer Steigung eingebracht werden müssen, während bei der zweiten Rampenscheibe lediglich eine konstante Konturtiefe auszubilden ist.
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Zur weiteren Reduzierung der Herstellkosten ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass nur eine Rampenscheibe wenigstens eine Rampenkontur mit einer umfangsbezogenen Steigung aufweist, und dass die andere Rampenscheibe plan und völlig ohne Rampenkontur ausgebildet ist. Diese Bauweise ist die kostengünstigste Variante, bei der die als Zylinderrollen oder Kugeln ausgebildeten Wälzkörper lediglich in der die Rampenkonturen aufweisenden ersten Rampenscheibe radial geführt aufgenommen sind. Die derart geführten Wälzkörper rollen dann auf der planen Oberfläche der rampenkonturlosen zweiten Rampenscheibe ungeführt ab.
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Damit die Wälzkörper bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Axialverstelleinrichtung weder gleiten noch ein Verklemmen derselben stattfindet, sind bevorzugt besondere Anforderungen an den Winkel α zwischen der jeweils umfangsbezogen Steigung der axial gegenüberliegenden Laufbahnen für die Wälzkörper und die Kräfteverhältnisse zu beachten. So sollte vorgesehen sein, dass zwischen den Steigungen der axial gegenüber angeordneten Rampenkonturen bzw. der steigungslosen Stirnfläche der Rampenscheiben folgende Beziehungen gelten: tan(α) = F_s_tan/F_a_min, und F_s_tan ≤ F_a_reib, wobei F_s_tan für die an die Wälzkörper angreifende Tangentialkraft steht, F_a_min die Abkürzung für die auf die Wälzkörper wirkende Normalkraft ist, und F_a_reib für die auf die Wälzköper wirkende Reibkraft steht. Die letzte Ungleichung bestimmt dabei, dass die an die Wälzkörper angreifende Tangentialkraft F_s_tan immer kleiner als oder gleich wie die an den Wälzkörpern angreifende Reibkraft sein soll, um ein ungünstiges Gleiten der Wälzkörper zu vermeiden.
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So kann gemäß einer Ausführungsform der Axialverstelleinrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steigung der wenigstens einen Rampenkontur der einen Rampenscheibe in Bezug auf die steigungslose Rampenkontur oder steigungslose Stirnseite der anderen Rampenscheibe einen Winkel α aufweist, welcher zwischen 15° und 30° beträgt, wobei die Reibkraft F_a_reib kleiner bleibt als die Tangentialkraft F_s_tan.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
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1 ein Differentialgetriebe mit einer Axialverstelleinrichtung einer Differenzialsperre,
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2 eine Ausrissvergrößerung A der Axialverstelleinrichtung der 1,
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3 die abgewickelten Laufflächen für die Wälzkörper der Axialverstelleinrichtung gemäß den 1 und 2, und
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4 schematisch die Winkel- und Kräfteverhältnisse in der Axialverstelleinrichtung gemäß den 1 bis 3.
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Demnach zeigt 1 ein Differentialgetriebe 3 mit einem an sich bekannten Aufbau, dessen Differentialgehäuse 14 mit einem Tellerrad 1 drehfest verbunden ist, welches von einem Kegelrad 16 einer nur ansatzweise erkennbaren Kardanwelle antreibbar ist. Auf einen Aufnahmeabschnitt 17 des Differentialgehäuses 14 ist eine Differentialsperre radial innerhalb eines Differentialsperrengehäuses 4 angeordnet, die über eine Reibkupplung 2 als Sperrglied verfügt. Die Kupplung 2 weist mit dem Differentialgehäuse 14 verbundene Außenlamellen und mit dem zugeordneten Kegelrad des Differentialgetriebes 3 drehfest verbundene Innenlamellen auf.
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Die Reibkupplung 2 wird von einer erfindungsgemäß ausgebildeten Axialverstelleinrichtung 1 betätigt, die zwei Rampenscheiben 5, 6 aufweist, von denen die eine Rampenscheibe 5 drehfest sowie axial verschiebbar und die andere Rampenscheibe 6 drehbar sowie ortsfest angeordnet ist. Zwischen den beiden Rampenscheiben 5, 6 sind als Zylinderrollen 9 oder Kugeln 10 ausgebildet Wälzkörper 7 angeordnet und von einem Käfig 8 gehalten, die auf Rampenkonturen 11, 11' an den beiden Rampenscheiben 5, 6 abrollen. Die Rampenkonturen 11, 11' sind an jeder der Rampenscheiben 5, 6 mehrfach vorhanden und erstrecken sich dort über einzelne Kreisabschnitte.
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Die drehbare Rampenscheibe 6 weist rillenförmige Rampenkonturen 11 auf, die umfangsbezogen zumindest eine Steigung α haben. Die andere, axial gegenüber angeordnete Rampenscheibe 5 verfügt in diesem Ausführungsbeispiel zwar auch über rillenförmige Rampenkonturen 11' bzw. Laufbahnen für die Wälzkörper 7, diese sind aber steigungslos bzw. weisen einen Steigungswinkel von α = 0° auf.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die zweite Rampenscheibe 5 auch vollständig plan, also rampenkonturlos bzw. ohne nutförmige Laufbahn für die Wälzkörper 7 ausgebildet sein. Dadurch, dass eine Rampenscheibe 5 völlig ohne Rampenkonturen oder mit lediglich steigungslosen Rampenkonturen hergestellt werden kann, ist diese in der Herstellung besonders kostengünstig.
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Die drehbare Rampenscheibe 6 wird im Falle der Betätigung der Axialverstelleinrichtung 1 von einer nicht dargestellten Hilfskraftquelle, beispielsweise ein Elektromotor oder ein Hydraulikelement, in eine erste Drehrichtung gedreht, so dass die Wälzkörper 7 an den beiden Rampenscheiben 5, 6 abrollen. Aufgrund der Steigung in der einen Rampenscheibe 6 steigen die Wälzkörper 7 in den Rampenkonturen 11 axial hoch, so dass im Ergebnis die beiden Rampenscheiben 5, 6 axial auseinander gedrückt werden. Dadurch betätigt die axial verschiebbare Rampenscheibe 5 einen Druckring, der auf das Lamellenpaket der Kupplung 2 wirkt, wodurch diese geschlossen und damit die Differentialsperre eingeschaltet wird. Bei einem Drehen der Rampenscheibe 6 in die entgegengesetzte Drehrichtung wird die Kupplung 2 geöffnet.
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In 3 sind Laufbahnen bzw. Rampenkonturen für die Wälzkörper 7 der Axialverstelleinrichtung 1 abgewickelt dargestellt. Wie dort zu erkennen ist, ist eine Rampenkontur 11 mit einer Steigung α in der axial inneren Stirnseite 12 der Rampenscheibe 6 ausgebildet, an der ein als Kugel 10 ausgebildeter Wälzkörper 7 abrollt. Die gegenüberliegende axial innere Stirnfläche 13 der anderen Rampenscheibe 5 weist dagegen eine Rampenkontur 11' ohne eine Steigung auf.
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3 kann aber auch so interpretiert werden, dass die innere Stirnfläche 13 dieser Rampenscheibe 5 keine Rampenkontur aufweist, sondern einfach eine plane Oberfläche 13 hat. Die beschriebene Ausbildung der axial inneren Stirnseite 13 der Rampenscheibe 5 vereinfacht die Herstellung derselben deutlich, da das Einfräsen von Rampenkonturen in diese Rampenscheibe 5 vollständig entfällt oder diese geometrisch vereinfacht, da steigungslos und rampenkonturlos, hergestellt werden. Es ist auch möglich, die eine umfangsbezogene Steigung α aufweisende Rampenkontur 11 in die Rampenscheibe 5 einzubringen und die andere Rampenscheibe 6 plan auszuführen.
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Die Rampenkontur 11 weist gegenüber herkömmlichen technischen Lösungen mit zwei zueinander kongruenten Steigungen eine doppelte Steigung auf. Dies bedeutet, dass bei einem vorgegebenen Drehwinkel der drehbaren Rampenscheibe 6 die Axialbewegung der axial bewegbaren Rampenscheibe 5 doppelt so groß ist wie dann, wenn in beiden Rampenscheiben Rampenkonturen mit umfangsbezogenen Steigungen vorhanden wären.
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Da die Wälzkörper 7 nicht gleiten dürfen, sondern immer abwälzen müssen, darf der Winkel α zwischen der steigungsbehafteten Rampenkontur 11 und der planen Stirnfläche 13 der Rampenscheibe 5 einen bestimmten Wert nicht übersteigen.
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Die Winkel- und Kräfteverhältnisse zwischen der Rampenkontur 11 mit der umfangsbezogenen Steigung α und der planen bzw. steigungslosen Stirnfläche 13 der anderen Rampenscheibe 5 sind in 4 dargestellt. Je größer der Winkel α zwischen der Rampenkontur 11 und der planen Stirnfläche 13 bzw. der steigungslosen Rampenkontur 11' der Rampenscheibe 5 ist, desto größer ist die Tangentialkraft F_s_tan. Wird diese Tangentialkraft F_s_tan größer als die Reibkraft F_a_reib, so beginnen der Walzkörper 7 unerwünscht zu gleiten; dies gilt es zu verhindern. Der in einer erfindungsgemäßen Axialverstelleinrichtung nutzbare Steigungswinkel α hängt daher ab von der auf die Wälzkörper 7 wirkenden Normalkraft F_a_min und der auf die Wälzkörper 7 wirkenden Reibkraft F_a_reib. Für die Beziehung des Winkels α zu den auftretenden Kräften gelten folgende Zusammenhänge: tan(α) = F_s_tan/F_a_min und F_s_tan ≤ F_a_reib
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In Untersuchungen haben sich Steigungswinkel α von 15° bis 30° als geeignet erwiesen, mit denen bei üblichen auf die Wälzkörper wirkenden Normalkräften ein sicheres Abrollen derselben sowie ein sicheres Funktionieren der Axialverstelleinrichtung 1 gewährleistet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axialverstelleinrichtung
- 2
- Kupplung
- 3
- Differenzialgetriebe
- 4
- Gehäuse der Axialverstelleinrichtung
- 5
- Rampenscheibe
- 6
- Rampenscheibe
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Käfig
- 9
- Zyliriderrolle
- 10
- Kugel
- 11
- Rampenkontur
- 11'
- Rampenkontur
- 12
- Stirnfläche der Rampenscheibe 6
- 13
- Stirnfläche der Rampenscheibe 5
- 14
- Differentialgehäuse
- 15
- Tellerrad
- 16
- Zahnrad
- 17
- Aufnahmeabschnitt des Differentialgehäuses
- A
- Kreis, Vergrößerungsbereich
- α
- Steigung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053555 B3 [0004, 0005, 0006]
- EP 0793033 A1 [0004]
- DE 102006025061 A1 [0004, 0005, 0006]
