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Die Erfindung betrifft eine Getriebebaugruppe mit einer ersten Getriebekomponente und mit einer zweiten Getriebekomponente, wobei die erste und die zweite Getriebekomponente in Umlaufrichtung um eine Hauptdrehachse derart mitnahmegeführt miteinander gekoppelt sind, dass eine beschränkte Relativverdrehung zwischen der ersten und der zweiten Getriebekomponente ermöglicht ist, mit einer Axialhubeinrichtung, wobei die Axialhubeinrichtung ausgebildet ist, auf Basis der Relativverdrehung zwischen der ersten und der zweiten Getriebekomponente einen Axialhub zu erzeugen, wobei die Axialhubeinrichtung mindestens eine Rampenscheibe aufweist, wobei die Rampenscheibe drehfest zu der ersten Getriebekomponente angeordnet sind, wobei die Axialhubeinrichtung eine Rampenstruktur aufweist, wobei die Rampenstruktur drehfest zu der zweiten Getriebekomponente angeordnet ist, und wobei bei der Relativverdrehung zwischen der ersten und der zweiten Getriebekomponente durch die Relativverdrehung der Rampenscheibe zu der Rampenstruktur der Axialhub erzeugt wird, wobei die Rampenstruktur auf mindestens einer radial verlaufenden Speiche der zweiten Getriebekomponente angeordnet ist, wobei auf der mindestens einen Speiche Rampen der Rampenstruktur angeordnet sind, wobei die Rampen in Umlaufrichtung zu der Hauptdrehachse zu- oder abnehmen.
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Baugruppen in Getrieben können in Abhängigkeit des Anwendungsfalls eine Vielzahl von Aufgaben übernehmen. Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, in Getrieben eine Einrichtung vorzusehen, die eine Dreh- oder Schwenkbewegung in eine Linearbewegung umwandelt.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 411 29 06 C2 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, ein selbstsperrendes Fahrzeugdifferential bekannt. Das Fahrzeugdifferenzial weist einen Differentialkorb auf, in dem auf einer Ausgleichsachse ein Ausgleichszahnrad drehbar angeordnet ist. Ferner weist das Fahrzeugdifferenzial zwei Ausgleichskörper auf, die ebenfalls in dem Differenzialkorb angeordnet sind und über die ein Antriebsmoment in den Differenzialkorb eingeleitet wird, wobei das Antriebsmoment über die Ausgleichskörper an die Ausgleichsachse übertragen wird. Die Ausgleichskörper sind in axialer Richtung verschiebbar in dem Differenzialkorb angeordnet, wobei die Ausgleichsachse zwischen den Ausgleichskörpern positioniert ist. Zwischen der Ausgleichsachse und den Ausgleichskörpern ist eine Rampe angeordnet, die dazu führt, dass bei einer Einleitung des Antriebsmoments die Ausgleichskörper in axialer Richtung in Abhängigkeit zu der Höhe des Antriebsmoments verschoben werden und auf diese Weise eine Drehbewegung in eine Linearbewegung wandeln.
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Gebiet der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative für bekannte Getriebebaugruppen zu finden, um über eine Dreh- oder Schwenkbewegung eine Linearbewegung zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Getriebebaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Differenzialvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Getriebebaugruppe vorgeschlagen, welche insbesondere für die Integration in ein Fahrzeug, im speziellen in einem Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bus oder dergleichen ausgebildet ist. Insbesondere ist die Getriebebaugruppe in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs integriert und dient zur Führung oder Weiterleitung eines Antriebsmoments von einem oder mehreren Motoren des Fahrzeugs zu angetriebenen Rädern des Fahrzeugs.
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Die Getriebebaugruppe weist eine erste und eine zweite Getriebekomponente auf, wobei beide Getriebekomponenten ausgebildet und/oder angeordnet sind, um eine gemeinsame Hauptdrehachse der Getriebebaugruppe zu rotieren oder zu schwenken. Hervorzuheben ist, dass die beiden Getriebekomponenten nicht starr oder steif miteinander gekoppelt sind, sondern mitnahmegeführt miteinander verbunden sind. Die Kopplung ist insbesondere so ausgestaltet, dass die erste und die zweite Getriebekomponente um eine beziehungsweise die Hauptdrehachse derart mitnahmegeführt sind, dass sich die erste und die zweite Getriebekomponente in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse gegenseitig mitnehmen und zugleich eine beschränkte Relativverdrehung zwischen den Getriebekomponenten möglich ist. Insbesondere ist die erste Getriebekomponente relativ zu der zweiten Getriebekomponente in Umlaufrichtung, insbesondere ausschließlich in Umlaufrichtung, schwimmend gelagert oder gleitschwenkgelagert. Insbesondere ist die beschränkte Relativverdrehung kleiner als 10 Grad, insbesondere kleiner als 5 Grad in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse.
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Ferner umfasst die Getriebebaugruppe eine Axialhubeinrichtung, welche auf Basis der Relativverdrehung zwischen den Getriebekomponenten einen Axialhub erzeugt. Somit bildet die Axialhubeinrichtung einen Wandler zwischen einer Rotationsbewegung zu einer Linearbewegung. Funktionell betrachtet wird in Abhängigkeit der Relativverdrehung zwischen den Getriebekomponenten der Axialhub erzeugt.
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Die Axialhubeinrichtung weist mindestens eine, vorzugsweise zwei Rampenscheiben auf, welche in axialer Richtung vorzugsweise neben bzw. beidseitig zu der ersten Getriebekomponente angeordnet sind. Die mindestens eine Rampenscheibe ist drehfest zu der ersten Getriebekomponente, jedoch axial verschiebbar zu dieser angeordnet. Insbesondere wird durch die Verschiebung der mindestens einen Rampenscheibe in axialer Richtung der Axialhub erzeugt.
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Ferner weist die Axialhubeinrichtung eine Rampenstruktur auf, wobei die Rampenstruktur an der zweiten Getriebekomponente, insbesondere drehfest oder mitnahmefest, angeordnet ist. Bei der Relativverdrehung zwischen der ersten und der zweiten Getriebekomponente erfolgt somit eine Relativverdrehung der mindestens einen Rampenscheibe zu der Rampenstruktur, wobei durch die letztgenannte Relativverdrehung der Axialhub zwischen der mindestens einen Rampenscheibe und der Rampenstruktur erzeugt wird.
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Die zweite Getriebekomponente weist mindestens eine radial verlaufende Speiche, insbesondere Strebe, auf, wobei auf der mindestens einen Speiche Rampen der Rampenstruktur angeordnet sind. Eine Speiche bezeichnet insbesondere einen Verbindungsabschnitt, der maximal den halben Durchmesser der zweiten Getriebekomponente einnehmen kann. Insbesondere bildet spätestens die Hauptdrehachse oder eine Nabe der zweiten Getriebekomponente eine Trennung zwischen zwei Speichen. Beispielsweise können sich die Speichen im Bereich der Hauptdrehachse treffen und/oder sind in Umlaufrichtung gleichmäßig um die Hauptdrehachse verteilt. Die Rampen sind so ausgestaltet, dass diese in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse zu- beziehungsweise abnehmen.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweite Getriebekomponente mindestens drei oder mehr derartige Speichen, also Speichen, die jeweils einen Teil der Rampenstruktur tragen, aufweist. Insbesondere sind die drei Speichen insbesondere hinsichtlich der Rampenstruktur baugleich ausgebildet.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass bislang die Nutzung von Speichen für Axialaktuatoren maßgeblich auf den technischen Zusammenhang mit der Doppelnutzung als Ausgleichsachse für ein Ausgleichsrad in einem Differenzial beschränkt war. Durch die Erweiterung der Anzahl der Speichen von zwei in Flucht verlaufenden Speichen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf mindestens drei Speichen wird sich von dieser üblichen Denkweise gelöst und eine Getriebebaugruppe vorgeschlagen, die vorbehaltlos alle Vorteile einer "Speichenaktuatorik" nutzen kann. So ist der Vorteil darin zu sehen, dass die Speichen sehr massiv aufgebaut werden können und auf diese Weise verschleißarm sind. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass aufgrund der sich in radialer Richtung erstreckender Wechselwirkungsbereich zwischen den Rampen der Rampenstruktur und den Rampenscheiben der Außenradius der Axialhubeinrichtung sehr gering gehalten werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden maximal sechs derartige Speichen verwendet. In dieser Ausgestaltung wird die erfinderische Idee unterstrichen, den Axialhub durch die Wechselwirkung von Einzelelementen mit der mindestens einen Rampenscheibe zu erreichen.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung erstrecken sich die Rampen in radialer Richtung über mehr als 30%, vorzugsweise mehr als 40% der Länge zwischen einem Außendurchmesser der Rampen und der Hauptdrehachse. Diese Ausgestaltung unterstreicht, dass die Axialhubeinrichtung durch die Nutzung von Bereichen mit langer radialer Erstreckung und nicht durch die Nutzung von langen Bereichen in Umlaufrichtung gesteuert wird.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass zwischen den Speichen freie Zwischenräume der zweiten Getriebekomponente angeordnet sind. Im Speziellen können bei manchen Ausführungsformen die in Umlaufrichtung orientierten Flanken der Speichen die Rampen tragen. In dieser Ausgestaltung kann das Gewicht der zweiten Getriebekomponente deutlich reduziert werden.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Getriebekomponente mit integrierten Speichen ausgebildet, wobei die Rampen auf oder in den Speichen eingeformt sind. Diese Ausgestaltung ist besonders kostengünstig zu fertigen.
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Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Speichen als ein Einsatzbauteil in der zweiten Getriebekomponente ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Rampen in dieser Ausgestaltung einstückig an dem Einsatzbauteil angeformt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass unterschiedliche Materialien für den Bereich zur Einleitung eines Eingangsmoments in die zweite Getriebekomponente und für den Bereich der Rampen verwendet werden kann. Durch den Materialmix können jeweils bedarfsgerechte Metalle oder Härtungen verwendet werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Getriebekomponente mit vorzugsweise integrierten Speichen ausgebildet, wobei die Rampen als Zwischenbauteile, insbesondere als Inlays, auf den Speichen realisiert sind. In dieser Ausgestaltung kann die zweite Getriebekomponente über die Speichen abgestützt werden und auf diese Weise konstruktiv sehr steif ausgeführt werden. Um trotzdem einen Materialmix zwischen den Rampen und den Speichen beziehungsweise der zweiten Getriebekomponente realisieren zu können, ist es bevorzugt, dass die Rampen als Zwischenbauteile realisiert sind und auf den Speichen aufgesetzt und befestigt sind.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen den Speichen und den Rampenscheiben eine Wälzlageranordnung angeordnet ist, wobei die Wälzlageranordnung Wälzkörper, insbesondere Rollen, im speziellen Zylinderrollen, aufweist, welche parallel zu den Speichen orientiert sind und in den Speichen zum Beispiel über die Rampen in Bezug auf die Umlaufrichtung formschlüssig aufgenommen sind, sodass diese in Umlaufrichtung nicht herausrutschen können, sondern mit den Speichen mitgeführt werden. Somit bilden die Wälzkörper, insbesondere die Rollen, gemeinsam mit den Speichen die Rampenstruktur. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sich die Wälzkörper relativ zu den Speichen und relativ zu den Rampenscheiben drehen können, sodass die Reibung und somit der Verschleiß in der Axialhubeinrichtung minimiert ist. Die Wälzlageranordnung weist vorzugsweise einen Käfig auf. Insbesondere weist die Wälzlageranordnung eine der Anzahl der Speichen entsprechende Anzahl von Wälzkörpern in Umlaufrichtung auf.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Differenzialvorrichtung für ein Fahrzeug mit der Getriebebaugruppe, wie diese zuvor beschrieben wurde. Die Differenzialvorrichtung ist insbesondere als ein Querdifferenzialgetriebe ausgebildet, welches ein Eingangsmoment von einem oder mehreren Motoren bei einer normalen Geradeausfahrt des Fahrzeugs 50:50 auf die Räder einer gemeinsamen angetriebenen Achse verteilt.
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Die Differenzialvorrichtung umfasst als die erste Getriebekomponente einen Planetenträger und als zweite Getriebekomponenten ein Eingangsorgan, welches zur Einleitung eines oder des Eingangsmoments in die Differenzialvorrichtung ausgebildet ist. Das Eingangsmoment ist – wie bereits erläutert – das Moment, insbesondere Drehmoment, von dem oder den Motoren des Fahrzeugs. Das Eingangsorgan umfasst besonders bevorzugt eine eine Hauptdrehachse der Differenzialvorrichtung umlaufende mechanische Schnittstelle, wobei die mechanische Schnittstelle besonders bevorzugt als eine umlaufende Stirnradverzahnung oder als ein umlaufendes Tellerrad ausgebildet ist.
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Die Differenzialvorrichtung umfasst einen ersten Planetensatz sowie einen zweiten Planetensatz auf, wobei deren Planetenräder auf dem Planetenträger drehbar angeordnet sind. Beispielsweise sind die Planetenräder über Bolzen an dem Planetenträger gelagert. Besonders bevorzugt ist der Planetenträger aus zwei Gehäusehälften aufgebaut, wobei die Bolzen die Gehäusehälften miteinander verbinden. Die Planetenräder sind insbesondere als Stirnzahnräder, also umlaufend verzahnte Zahnräder ausgebildet. Die Differenzialvorrichtung umfasst ein erstes und ein zweites Sonnenrad, wobei jeder der Sonnenräder mit Abtriebswellen der Differenzialvorrichtung koppelbar beziehungsweise gekoppelt ist. Die Abtriebswellen sind wahlweise drehfest oder über eine weitere Getriebestufe mit den Rädern der gemeinsamen Achse trieblich verbunden. Insbesondere definieren die Abtriebswellen die Hauptdrehachse der Differenzialvorrichtung und der Getriebebaugruppe. Besonders bevorzugt rotiert im Betrieb das Eingangsorgan gemeinsam mit dem Planetenträger um die Hauptdrehachse der Differenzialvorrichtung.
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Die Differenzialvorrichtung umfasst zwei Kupplungseinrichtungen, wobei die Kupplungseinrichtungen jeweils ausgebildet sind, eines der Sonnenräder reibschlüssig mit dem Planetenträger zu koppeln. Die Kupplungseinrichtungen sind somit jeweils ausgebildet, bei einer Betätigung der Kupplungseinrichtungen einen Reibwert zwischen dem jeweiligen Sonnenrad und dem Planetenträger zu erhöhen. Durch die Erhöhung des Reibwerts wird zugleich der Sperrwert der Differenzialvorrichtung heraufgesetzt. Die Betätigung der Kupplungseinrichtungen erfolgt durch die Axialhubeinrichtung.
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In einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Planetenräder des ersten Planetensatzes mit dem ersten Sonnenrad und die Planetenräder des zweiten Planetensatzes mit dem zweiten Sonnenrad kämmen und dass die Planetenräder der zwei Planetensätze paarweise miteinander kämmen. Anders ausgedrückt kämmt ein Planetenrad des ersten Planetensatzes zum einen mit dem ersten Sonnenrad und zum andern mit einem benachbarten Planetenrad des zweiten Planetensatzes, wobei das Planetenrad des zweiten Planetensatzes wiederum mit dem zweiten Sonnenrad kämmt. Auf diese Weise ist ein sehr einfacher Ausgleichsmechanismus und zugleich eine einfache Sperrwertanpassung umgesetzt. Insbesondere ist es auf diese Weise konstruktiv sehr einfach möglich, die Differenzialvorrichtung so auszulegen, dass bei einem Normalbetrieb das Antriebsmoment 50:50 – also gleichmäßig – auf beide Sonnenräder und somit Abtriebswellen verteilt wird. Ein derart ausgestaltetes Stirnradplanetengetriebe ist konstruktiv einfach und weist zugleich ausreichend nutzbaren Bauraum für die Integration der Axialhubeinrichtung auf. Dadurch, dass der Tragabschnitt drehfest mit dem Planetenträger verbunden ist oder einen integralen Teil davon bildet, wird erreicht, dass die Kupplungseinrichtungen jeweils eines der Sonnenräder reibschlüssig mit dem Planetenträger oder damit drehfest verbundenen Komponenten koppelt. Um den Sperrwert zu erhöhen werden somit die Sonnenräder mit dem Planetenträger verbunden.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die Axialhubeinrichtung zwischen den Sonnenrädern angeordnet ist und dass der Axialhub über eine axiale Verschiebung der Sonnenräder auf die Kupplungseinrichtung übertragen wird. Der Bauraum zwischen den Sonnenrädern kann insbesondere deshalb genutzt werden, da die Axialhubeinrichtung die Länge der Rampen in radialer Richtung ausnutzt und da die zwei Sonnenräder aufgrund der Kopplung mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Planetensatz axialsymmetrisch oder zumindest im Mittelbereich ähnlich ausgebildet sein können. Insbesondere muss keines der Sonnenräder in den axialen Bereich des anderen Sonnenrads hineingreifen. Die Axialhubeinrichtung ist in Bezug auf dessen radiale Ausdehnung mindestens abschnittsweise vorzugsweise vollständig zwischen den Sonnenrädern angeordnet. Besonders bevorzugt ist diese koaxial zu der Hauptdrehachse positioniert. Die axiale Verschiebung der Sonnenräder wird vorzugsweise über einen Verschiebeweg von einem der Sonnenräder von mindestens 0,2 Millimeter, vorzugsweise von mindestens 0,4 Millimeter realisiert. Die Kopplung zwischen den Sonnenrädern und den Abtriebswellen ist insbesondere so ausgebildet, dass dieser Axialhub der Sonnenräder wahlweise toleriert oder durch eine Relativverschiebung in axialer Richtung zwischen Sonnenrad und Abtriebswelle kompensiert werden kann.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Differenzialvorrichtung eine Zentriereinrichtung zur relativen Zentrierung von Eingangsorgan und Planetenträger auf, wobei die Zentriereinrichtung radial außerhalb zu der Axialhubeinrichtung angeordnet ist. Nachdem bevorzugt die Axialhubeinrichtung im radialinneren Bereich in Bezug auf die Hauptdrehachse angeordnet ist, Eingangsorgan und Planetenträger zueinander eine Relativverdrehung ermöglichen, kann die radial außerhalb zu der Axialhubeinrichtung angeordnete Zentriereinrichtung sicherstellen, dass eine Drehachse des Eingangsorgans stets identisch zu einer Drehachse des Planetenträgers und beide Drehachsen koaxial zu der Hauptdrehachse bleiben.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weist die Zentriereinrichtung eine Mehrzahl von in Umlaufrichtung verteilte Zentrierkörper, insbesondere Bolzen, auf, welche auf einem der Zentrierpartner festgelegt sind und in Umlaufrichtung verlaufende Langlöcher in dem anderen Zentrierpartner, wobei die Zentrierkörper in radialer Richtung durch die Langlöcher formschlüssig geführt, insbesondere zwangsgeführt sind. Bevorzugt weist die Zentriereinrichtung mindestens drei Zentrierkörper auf, sodass durch die radiale Führung der Langlöcher die Koaxialität der Drehachsen sichergestellt ist. Dagegen sind die Zentrierkörper in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse in den Langlöchern verschiebbar angeordnet, sodass die zuvor beschriebene Relativverdrehung ermöglicht ist.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Axialhubeinrichtung als Endbegrenzung der Relativverdrehung in Umlaufrichtung ausgebildet, sodass die Zentriereinrichtung, insbesondere die Langlöcher so dimensioniert sind, dass die Zentriereinrichtung im Normalbetrieb der Differenzialvorrichtung endanschlagfrei realisiert ist. Insbesondere befinden sich die Zentrierkörper stets beabstandet, also insbesondere nicht anliegend, zu den Endbereichen der Langlöcher in Umfangsrichtung.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung weist die Axialhubeinrichtung eine Scheibenhalterung auf, welche die Rampenscheiben in Umlaufrichtung, zum Beispiel mittels einer umlaufenden Verzahnung in der Scheibenhalterung und eine Gegenverzahnung in den Rampenscheiben, formschlüssig und in axialer Richtung verschiebbar aufnimmt. In der Ausgestaltung mit der umlaufenden Verzahnung erstrecken sich die Zähne in axialer Richtung, sodass die axiale Verschiebung ermöglicht ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Axialhubeinrichtung, insbesondere die Rampenscheiben und die Rampenstruktur so ausgebildet, dass sich eine unterschiedliche Axialhubsteigung in einer Richtung und in der Gegenrichtung der Relativverdrehung ergibt. Unter der Axialhubsteigung wird der Quotient aus Hub in Millimeter geteilt durch Relativverdrehung in Grad betrachtet. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass zum Beispiel bei einem Vorwärtsfahren des Fahrzeugs, also der Einleitung des Antriebsmoments in eine Umlaufrichtung, ein anderer Sperrwert in Abhängigkeit des Antriebsmoments eingestellt werden soll als bei einem Rückwärtsfahren des Fahrzeugs, also beim Einleiten des Antriebsmoments in die Gegenrichtung. Alternativ können unterschiedliche Steigungen der Axialhubeinrichtung für Zug- und Schubbetrieb, also z.B. für ein Beschleunigen und ein Bremsen gewählt werden. Im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten und im Prinzip auch möglichen Ausgestaltung, dass die Rampenstruktur in Umlaufrichtung durchgehend angeordnet ist, können durch die Rampenstruktur auf den Speichen in Radialrichtung sehr lange Rampen erzeugt werden, die es erlauben, eine hohe Axialkraft zu erzeugen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
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1a, b eine Draufsicht in axialer Richtung beziehungsweise in radialer Richtung auf eine Differenzialvorrichtung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Schnitts A-A in der 1;
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3 eine schematische zweidimensionale Darstellung in der Schnittebene B-B der 1a, b;
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4 eine schematische zweidimensionale Darstellung in der Schnittebene E-E in den 1a, b;
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5 eine erste alternative Ausführungsform für ein Eingangsrad in der Differenzialvorrichtung in den vorhergehenden Figuren;
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6 eine zweite Alternative für das Eingangsrad in der Differenzialvorrichtung der 1 bis 4;
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7 eine dreidimensionale Darstellung des Eingangsrads in der 6;
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8 einen Schnitt durch das Eingangsrad in der 6;
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9 eine weitere alternative Ausführungsform für der Axialhubeinrichtung in der Differenzialvorrichtung in den vorhergehenden Figuren in Explosionsdarstellung;
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10 eine zweidimensionale Darstellung in der Schnittebene B-B in den 1a, b mit der Ausführungsform gemäß der 9;
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11 eine zweidimensionale Darstellung in Vergrößerung der Schnittebene E-E in den 1a, b mit der Ausführungsform gemäß der 9 und 10.
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Die 1a und 1b zeigen jeweils eine Differenzialvorrichtung 1 in einer axialen Draufsicht beziehungsweise in einer radialen Draufsicht in Bezug auf eine Hauptdrehachse 2 der Differenzialvorrichtung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Differenzialvorrichtung 1 dient zur Verteilung eines Eingangsmoments an einem Eingang E auf zwei Ausgänge A. Den Ausgängen A ist jeweils eine nicht dargestellte Abtriebswelle zugeordnet, welche mit Rädern eines Fahrzeugs trieblich gekoppelt sind. Die Differenzialvorrichtung 1 ist als ein Querdifferenzial ausgebildet, welches zum Beispiel bei einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs das Eingangsmoment am Eingang E hälftig auf die Ausgänge A verteilt.
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Die Differenzialvorrichtung 1 ist als ein Stirnradplanetengetriebe ausgebildet, wobei der Eingang E als Eingangsorgan eine die Hauptdrehachse 2 umlaufende Stirnverzahnung 3 aufweist. Bei einer Beaufschlagung der Differenzialvorrichtung 1 mit dem Eingangsmoment wird die dargestellte Differenzialvorrichtung 1 vollständig um die Hauptdrehachse 2 rotiert.
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In den 1a, b sind verschiedene Schnittlinien eingezeichnet, die Schnittebenen bezeichnen, welche in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind.
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So zeigt die 2 die Schnittebene A-A in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung. Wie sich aus der Darstellung ergibt, ist der Eingang E als ein Eingangsrad 4 ausgebildet, welches umlaufend die Stirnverzahnung 3 trägt.
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Die Differenzialvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 5 auf, welches aus Gehäusehälften 6a, b aufgebaut ist, wobei zwischen den Gehäusehälften 6a, b das Eingangsrad 4 angeordnet ist. Das Gehäuse 5 ist über Lagereinrichtungen 7a, b gegenüber einer Umgebungskonstruktion in dem Fahrzeug drehbar gelagert. Die Lagereinrichtungen 7a, b sind als Kugellager in Radialbauform ausgebildet. Die Gehäusehälften 6a, b sind als Umformteile realisiert.
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Die Gehäusehälften 6a, b sind über Bolzen 8a, b miteinander starr gekoppelt und bilden einen Planetenträger 9 für das Stirnradplanetengetriebe. Der Planetenträger 9 bildet eine erste Getriebekomponente und das Eingangsrad 4 eine zweite Getriebekomponente des Stirnradplanetengetriebes.
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Wie sich nun besser aus der 3 erkennen lässt, die eine zweidimensionale Schnittdarstellung der Differenzialvorrichtung 1 in der Schnittebene B-B zeigt, sind auf den Bolzen 8a, b Planetenräder 10a eines ersten Planetensatzes und Planetenräder 10b eines zweiten Planetensatzes aufgesetzt. Die Planetenräder 10a, b sind in drei Gruppen angeordnet, wobei in jeder Gruppe eines der Planetenräder 10a mit einem Planetenrad 10b kämmt.
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In Zusammenschau mit der 2 und der 4 ist zu entnehmen, dass die Ausgänge A der Differenzialvorrichtung 1 als Sonnenräder 11a, b realisiert sind, wobei das erste Sonnenrad 11a mit einem Planetenrad 10a und das zweite Sonnenrad 11b mit dem anderen Planetenrad 10b kämmt. Auf diese Weise ist ein Ausgleichsgetriebe realisiert, welches ein auf den Planetenträger 9 geleitete Moment auf die Sonnenräder 11a, b verteilt. Planetenräder 10a, b und Sonnenräder 11a, b sind jeweils als Stirnzahnräder ausgebildet. Die Sonnenräder 11a, b weisen Steckaufnahmen 12a, b mit in axialer Richtung zu der Hauptdrehachse 2 verlaufenden Zähnen auf, sodass die Abtriebswellen in die Sonnenräder 11a, b in axialer Richtung eingesteckt werden können.
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Die Differenzialvorrichtung 1 weist zwei Kupplungseinrichtungen 13a, b auf, welche jeweils einen ersten Lamellensatz 14aa und einen zweiten Lamellensatz 14ab beziehungsweise 14ba und 14bb umfassen. Der Lamellensatz 14aa und 14ba ist mit dem Gehäuse 5 und somit mit dem Planetenträger 9 drehfest gekoppelt, jedoch in axialer Richtung verschiebbar. Demgegenüber ist der Lamellensatz 14ab beziehungsweise 14bb mit dem Sonnenrad 11a beziehungsweise 11b in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse 2 drehfest gekoppelt und ebenfalls axial verschiebbar. Somit weist jede Kupplungseinrichtung 13a, b einen Lamellensatz 14aa, ba auf, der mit dem Gehäuse 5 und einen Lamellensatz 14ab, bb auf, der mit dem Sonnenrad 11a drehfest gekoppelt ist.
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Auf der axial äußeren Seite ist der Verschieberaum der Lamellenpakete 14aa, ab, ba, bb durch eine Schulter 15a beziehungsweise 15b begrenzt. An der axial innenliegenden Seite ist der Verschieberaum der Lamellenpakete 14aa, ab, ba, bb durch mittelbare oder unmittelbare Anlage an das erste Sonnenrad 11a beziehungsweise an das zweite Sonnenrad 11b begrenzt. Das erste Sonnenrad 11a und das zweite Sonnenrad 11b sind jeweils axial verschiebbar ausgebildet, wobei durch eine Verschiebung der Sonnenräder 11a, b um einen Axialhub nach axial außen die Lamellenpakete 14aa, ab, ba, bb zusammengepresst werden, sodass die Sonnenräder 11a, b in reibschlüssige Kopplung mit dem Gehäuse 5 beziehungsweise den Gehäusehälften 6a, b beziehungswese dem Planetenträger 9 kommen.
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Durch die Kupplungseinrichtungen 13a, b ist es möglich, einen Sperrwert der Differenzialvorrichtung 1 einzustellen. Dabei gilt, dass bei einem Sperrwert von 0 % die Kupplungseinrichtungen 13a, b offen sind und bei einem Sperrwert von 100 % die Kupplungseinrichtungen 13a, b geschlossen sind, sodass die über die Kupplungseinrichtungen 13a, b verbundenen Paare Sonnenrad 11a und Gehäusehälften 6a beziehungsweise 11b und 6b jeweils die gleiche Winkelgeschwindigkeit um die Hauptdrehachse 2 aufweisen. In Abhängigkeit des Axialhubs der Sonnenräder 11a, b kann der Sperrwert zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden. Es ist auch möglich, dass der Sperrwert nur in einem eingeschränkten Bereich zum Beispiel zwischen 10% und 90% etc. einstellbar ist. Durch die Integration der Kupplungseinrichtungen 13a, b wird die Differenzialvorrichtung 1 zu einem sogenannten Sperrdifferenzial.
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Der Axialhub der Sonnenräder 11a, b wird durch eine Axialhubeinrichtung 16 umgesetzt, welche in einem Bauraum zwischen den Sonnenrädern 11a, b angeordnet ist. Die Axialhubeinrichtung 16 ist ausgebildet, ihre axiale Breite zu verändern und auf diese Weise den Axialhub zu erzeugen. Funktionell betrachtet wird der Axialhub durch eine Relativverdrehung zwischen Eingangsrad 4 und Planetenträger 9 eingeleitet, wobei die Axialhubeinrichtung 16 diese Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umsetzt.
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Bemerkenswert ist somit, dass der Planetenträger 9 und das Eingangsrad 4 in Umlaufrichtung nicht starr miteinander gekoppelt sind, sondern sich um wenige Grad, zum Beispiel weniger als 20 Grad, insbesondere weniger als 10 Grad, im Speziellen weniger als 3 Grad, relativ zueinander verdrehen können. Diese Relativverdrehung wird dadurch erreicht, dass der Planetenträger 9 und das Eingangsrad 4 nicht starr miteinander verschraubt, sondern über eine Zentriereinrichtung 17 miteinander gekoppelt sind, wobei die Zentriereinrichtung 17 ermöglicht, dass Planetenträger 9 und Eingangsrad 4 in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse 2 zueinander verdreht werden können, jedoch zugleich in Bezug auf die Hauptdrehachse 2 zentriert verbleiben.
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Wie sich am besten aus der 3 in Zusammenschau mit der 2 entnehmen lässt, umfasst die Zentriereinrichtung 17 drei in Umlaufrichtung verteilte Zentrierkörper in Form von Schraubbolzen 18, welche die beiden Gehäusehälften 6a, b miteinander verbinden. In dem Eingangsrad 4 sind Langlöcher 19 eingebracht, welche in radialer Richtung die Schraubbolzen 18 formschlüssig halten, jedoch eine Verschiebung oder Verschwenkung der Schraubbolzen 18 in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse 2 ermöglichen. Auf diese Weise ist ein Freiheitsgrad für die Relativverdrehung zwischen Planetenträger 9 und Eingangsrad 4 geschaffen. Um das Innere der Differenzialvorrichtung 1 abzudichten, ist zwischen dem Eingangsrad 4 und dem Gehäuse 5 auf jeder Seite ein O-Ring 20 eingelegt.
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Die Axialhubeinrichtung 16 weist zwei Rampenscheiben 21a, b auf, welche koaxial und konzentrisch zu der Hauptdrehachse 2 angeordnet sind. Die Rampenscheiben 21a, b weisen in axialer Draufsicht gemäß der 3 eine kreisrunde Grobform mit einer Außenverzahnung auf und sind von einer Scheibenhalterung 22 aufgenommen. Die Scheibenhalterung 22 umfasst an ihrem Innenumfang ebenfalls eine Verzahnung, welche komplementär zu der Verzahnung der Rampenscheiben 21a, b ausgebildet ist, sodass diese in der Scheibenhalterung 22 axial verschiebbar geführt, jedoch in Umlaufrichtung formschlüssig gegen ein Drehen gesichert sind. Die Scheibenhalterung 22 weist – wie es sich aus der 6 ergibt – drei Anschlussarme 23a, b, c auf, über die diese an dem Gehäuse 5 festgelegt ist. Beispielsweise können die Anschlussarme 23a, b, c durch die Bolzen 8a oder 8b durchdrungen sein, sodass die Scheibenhalterung 22 an dem Gehäuse 5 festgelegt ist.
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Das Eingangsrad 4 ist mit einem Speichenabschnitt 24 drehfest verbunden, wobei der Speichenabschnitt 24 drei Speichen 25a, b, c aufweist, welche starr mit dem Eingangsrad 4 verbunden sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der bisherigen Figuren ist der Speichenabschnitt 24 als ein separates Bauteil ausgebildet.
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Die 4 zeigt eine Schnittansicht der Differentialvorrichtung 1 in der Ebene E-E, wobei zu erkennen ist, dass die Rampenscheiben 21a und 21b für jede der Speichen 25a, b, c gemeinsam eine Speichenaufnahme 28 bilden, in denen die Speichen 25a, b, c jeweils eingelegt sind. Hierfür weist jede der Rampenscheiben 21a, b eine Aufnahmestruktur auf, welche dem Speichenabschnitt 24 zugewandt ist und welche bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als drei Nuten 27a, b, c auf jeder der Rampenscheiben 21a, b ausgebildet sind, in denen die Speichen 25a, b, c geführt sind.
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Bei einer Relativverdrehung zwischen Planetenträger 9 und Eingangsrad 4 werden in gleicher Weise der Speichenabschnitt 24 relativ zu den Rampenscheiben 21a, b verdreht. Wie sich nun aus der 4 ergibt, ist die Speichenaufnahme 28 in den Endbereichen in Umlaufrichtung verjüngend ausgebildet, sodass sich auf jeder Rampenscheibe 21a, b eine Rampe 29a, b in eine erste Umlaufrichtung mit einem Rampenwinkel α und eine Rampe 30a, b in der Gegenrichtung mit einem Rampenwinkel β ergibt, wobei α gleich oder ungleich β sein kann, wie nachfolgend noch erläutert wird. Die Speiche 25a, b, c weist in gleicher Weise beidseitig Rampen 31a, b beziehungsweise 32a, b auf. Bei einer Relativverdrehung zwischen dem Speichenabschnitt 24 und den Rampenscheiben 21a, b werden die Speichen 25a, b, c gegen die Endbereiche der Speichenaufnahme 28 gedrückt und drücken aufgrund der Rampenstruktur der Speichen 25a, b, c die Rampenscheiben 21a, b in axialer Richtung auseinander. Auf diese Weise wird eine Relativverdrehung in Form einer Rotationsbewegung von der Axialhubeinrichtung 14 in einen linearen Axialhub in axialer Richtung gewandelt.
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Die in axialer Draufsicht überlappende Länge der Rampen 29a, b, 30a, b, 31a, b, 32a, b auf den Rampenscheiben 21a, b, bzw. auf den Speichen 25a, b, c, die bei der Relativverdrehung in Wechselwirkung treten, betragen mehr als 40%, insbesondere mehr als 50% des Außendurchmessers R der Rampen 29a, b, 30a, b, 31a, b, 32a, b, so dass eine ausreichende Stabilität der Axialhubeinrichtung 16 gegen Verschleiß gegeben ist.
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Mit ihren freien Oberseiten 33a, b drücken die Rampenscheiben 21a, b gegen die Sonnenräder 11a, b, sodass diese ebenfalls um den Axialhub in axialer Richtung verschoben werden und die Kupplungseinrichtungen 13a, b betätigen. In Abhängigkeit des eingeleiteten Eingangsmoments über das Eingangsgrad 4 werden somit die Kupplungseinrichtungen 13a, b betätigt, sodass sich eine momentenabhängige Sperrwirkung in der Differenzialvorrichtung 1 ergibt.
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Die unterschiedliche Ausgestaltung der Rampenwinkel α und β können vorteilhaft genutzt werden, um einen unterschiedlichen Sperrwertverlauf in Abhängigkeit des eingeleiteten Eingangsmoments, insbesondere im Schub- oder Zugebetrieb oder zum Beispiel in Bezug auf eine Vorwärtsfahrt und eine Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs zu erreichen.
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Zurückkehrend zu der 2 ist zu erkennen, dass die Differenzialvorrichtung 1 eine Einstelleinrichtung 45 aufweist, welche als eine Schraubhülse 46 ausgebildet ist, die koaxial zu der Hauptdrehachse 2 angeordnet ist und in das Gehäuse 5 eingeschraubt ist. Das freie Ende der Schraubhülse 46 bildet die Schulter 15a, so dass diese an der Kupplungseinrichtung 13a zw. dem Lamellensatz 14aa oder 14ab anliegt. Durch die Einstelleinrichtung 45 kann eine Vorspannkraft auf die Kupplungseinrichtungen 13a, b beaufschlagt werden, sodass ein Grundwert oder Offset-Wert für den Sperrwert durch ein Einschrauben oder Ausschrauben der Schraubhülse 46 eingestellt werden kann. Für die Differenzialvorrichtung 1 ist nur eine einzige Schraubhülse 46 vorgesehen, da die Vorspannkraft über die verschiebbaren Sonnenräder 11a, b an die auf der abgewandten Seite liegende Kupplungseinrichtungen 13b weitergeleiltet wird, so dass durch eine einseitige Beaufschlagung mit der Vorspannkraft beide Kupplungseinrichtungen 13a, b vorgespannt werden.
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Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Eingangsrads 4 der vorhergehenden Figuren, wobei der Speichenabschnitt 24 nun einen integralen Teil des Eingangsrads 4 bildet. Diese Variante zeichnet sich durch eine günstige Herstellung aus. Der Darstellung in der 5 ist zu entnehmen, dass die Rampen 31a sowie 32a sich in radialer Richtung in Bezug auf die Hauptdrehachse 2 über einen breiten Bereich, insbesondere über eine Länge größer als 1 cm oder 2 cm erstrecken. Die Rampen 31b, 32b sind in gleicher Weise ausgebildet.
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In der 6 ist das Eingangsrad 4 mit dem Speichenabschnitt 24 einteilig ausgebildet, die Rampen 31a, b, 32a, b sitzen jedoch auf Zwischenbauteilen in Form von gehärteten Inlays 34, die über Gewindestifte 35 an dem Eingangsrad 4 befestigt sind. In dieser Ausgestaltung kann das Eingangsrad 4 aus einem Leichtbauwerkstoff, wie z.B. EN AL 7075 F52 gefertigt sein. Die Inlays 34 können dagegen aus einem gehärteten Werkstoff, wie z.B. 100Cr6 gefertigt sein. Durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien für das Eingangsrad 4 kann eine Gewichtseinsparung von größer als 20 %, insbesondere von ca. 50% gegenüber der Ausgestaltung in der vorhergehenden Figur erreicht werden.
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In der 7 ist das Antriebsrad 4 der 6 ohne Inlays 34 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Eingangsrad 4 Grobrampen 36a, b sowie 37a, b aufweist, welche parallel zu den Rampen 31a, b bzw. 32a, b ausgebildet sind. Ferner sind Bohrungen 38 zur Aufnahme der Stifte 35 zur Befestigung der Inlays vorgesehen.
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In der 8 ist eine Detailansicht des Eingangsrads 4 der vorhergehenden Figuren in der Schnittebene A-A in der 6 dargestellt, wobei nochmals zu erkennen ist, dass die Rampen 31a, b und 32a, b parallel zu den Grobrampen 36a, b und 37a, b ausgerichtet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Rampen 31a, b, 32 a, b auf den Speichen 25a, b, c eine in radialer Richtung verlaufende Nut. Die Rampen 29a, b, 30a, b auf den Rampenscheiben 21a, b sind dagegen als Stege ausgebildet. Die Inlays 34 können sehr dünn ausgeführt werden, sodass diese im Wesentlichen nur eine Schutzschicht für die Grobrampen 36a, und 37a, bilden.
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In der 9 ist in einer schematischen drei-dimensionalen Explosionsdarstellung die Axialhubeinrichtung 16 in einer weiteren Variante dargestellt. Allerdings kann die prinzipielle Funktionsweise der Axialhubeinrichtung 16 auch für die alternativen Ausführungsbeispiele anhand dieser Darstellung erläutert werden. In der Darstellung ist die Scheibenhalterung 22 zu sehen, wie diese auch bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen Einsatz finden kann. Auch die Rampenscheiben 21a, b sind in Einzeldarstellung gezeigt, wobei zum einen die umlaufende Verzahnung, welche in eine entsprechende Gegenverzahnung der Scheibenhalterung 22 eingreift, zu erkennen ist. Ferner ist deutlich zu erkennen, dass die Rampenscheiben 21a, b beidseitig zu dem Eingangsrad 4 angeordnet sind. Bei der hinteren Rampenscheibe 21b sind die Nuten 27a, b, c deutlich zu erkennen, die sich in radialer Richtung erstrecken. Der Speichenabschnitt 24 des Eingangsrads 4 ist wie in den vorhergehenden Figuren ausgebildet.
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Die in der 9 dargestellte Ausführungsalternative unterscheidet sich dadurch, dass zwischen dem Eingangsrad 4 und den Rampenscheiben 21a, b jeweils eine Wälzkörperanordnung 39a, b angeordnet ist, welche jeweils drei als Rollen ausgebildete Wälzkörper 40 trägt, wobei die Wälzkörper 40 parallel erstreckend und in axialer Projektion deckungsgleich zu den Speichen 25a, b bzw. Nuten 27a, b, c angeordnet sind. Die Wälzkörper 40 sind in einem Wälzkörperkäfig 41 aufgenommen, sodass sich die Wälzkörper 40 frei drehen können.
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In der 10 ist in ähnlicher Weise wie in der 3 die Ausführungsalternative in der 9 gezeigt, wobei zum einen zu erkennen ist, dass die Scheibenhalterung 22 über die Bolzen 8b befestigt ist. Zum anderen ist zu erkennen, dass die Wälzkörper 40 in in radialer Richtung verlaufende Nuten 42 a, b, c des Speichenabschnitts 24 bzw. der Speichen 25 a, b, c eingelegt sind, die die Rampen 31a, b, bzw. 32a, b (vgl. 11) bilden.
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In der 11 ist die Axialhubeinrichtung 16 in einem Schnitt dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass die Wälzkörper 40 bzw. die Wälzkörperanordnung 39a, b gemeinsam mit den Nuten 42a, b, c die Rampenstruktur bilden und wobei auf den Rampenscheiben 21a, b wieder Rampen 29a, b bzw. 30a, b angeordnet sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei einer Relativverdrehung zwischen Planetenträger 9 und Eingangsrad 4 die Relativverschiebung zwischen Rampenscheiben 21a, b und Speichenabschnitt 24 über die Wälzkörper 40 gelagert ist, sodass die Reibung deutlich verringert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Wälzkörper 40 gemeinsam mit den Nuten 42a, b, c die Rampenstruktur des Eingangsrads 4. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Rampensteigung in eine Umlaufrichtung anders ausgebildet sein als in die andere Umlaufrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Differenzialvorrichtung
- 2
- Hauptdrehachse
- 3
- Stirnverzahnung
- 4
- Eingangsrad
- 5
- Gehäuse
- 6a, b
- Gehäusehälften
- 7a, b
- Lagereinrichtungen (Kugellager)
- 8a, b
- Bolzen
- 9
- Planetenträger
- 10a, b
- Planetenräder
- 11a, b
- Sonnenräder
- 12a, b
- Steckaufnahmen
- 13a, b
- Kupplungseinrichtungen
- 14aa, ba
- Lamellensätze
- 14ab, bb
- Lamellensätze
- 15a, b
- Schulter
- 16
- Axialhubeinrichtung
- 17
- Zentriereinrichtung
- 18
- Schraubbolzen
- 19
- Langlöcher
- 20
- O-Ring
- 21a, b
- Rampenscheiben
- 22
- Scheibenhalterung
- 23a, b, c
- Anschlussarme
- 24
- Speichenabschnitt
- 25a, b, c
- Speichen
- 27a, b, c
- Nuten
- 28
- Speichenaufnahme
- 29a, b
- Rampen der Rampenscheiben
- 30a, b
- Rampen der Rampenscheiben
- 31a, b
- Rampen der Speichen
- 32a, b
- Rampen der Speichen
- 33a, b
- Rampenscheiben-Oberseiten
- 34
- Inlays
- 35
- Gewindestifte
- 36a, b
- Grobrampen
- 37a, b
- Grobrampen
- 39a, b
- Wälzkörperanordnung
- 40
- Wälzkörper
- 41
- Wälzkörperkäfig
- 42a, b, c
- Nuten
- 45
- Einstelleinrichtung
- 46
- Schraubhülse
- A
- Ausgänge
- E
- Eingang
- R
- Außendurchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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