WO2020002412A1 - Schaltmodul, differentialsperre, verteilergetriebe und achszuschaltung - Google Patents

Schaltmodul, differentialsperre, verteilergetriebe und achszuschaltung Download PDF

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    • F16H48/32—Arrangements for suppressing or influencing the differential action, e.g. locking devices using externally-actuatable means using fluid pressure actuators

Definitions

  • Switching module Differential lock. Transfer case and axis connection
  • the invention relates to a switching module for a differential lock or for a
  • Differential locks enable a distribution of the drive torque to the driven axles or the driven vehicle wheels by blocking a distributor function of the corresponding differential gears, which can facilitate locomotion especially in rough terrain.
  • Axle connections are also known, which make it possible to either drive a vehicle axle or to drag it along.
  • the vehicle axle is driven, the off-road capability and the traction ability of the vehicle increase, whereas when the vehicle axle is carried along, the fuel consumption is reduced.
  • the engagement or disengagement of the differential locks or the engagement or disengagement of the axle engagement takes place via a shift module suitable for this purpose, which usually has a shift fork, a shift sleeve, a
  • Shift rod and a shift piston and a shift cylinder comprises.
  • EP 0 510 457 B1 describes a positive coupling for a transfer case of a motor vehicle and a method for its actuation.
  • the teeth of the coupling parts have sufficiently large tooth gaps to be inserted even under a relative speed
  • An undercut in the toothing prevents the clutch from opening under load.
  • Axial direction are inclined that the clutch can be opened under load.
  • axial forces that have to be absorbed by a locking device, which takes up space and one
  • the known dog clutch arrangements are disadvantageous in that, depending on the design, either the clutch cannot be inserted under load or the clutch cannot be released under load. In addition, they usually consist of a large number of individual parts, which is comparatively complex to manufacture and assemble.
  • the invention relates to a switching module for a differential lock or for a
  • Axis connection comprising a dog clutch with teeth and a switching piston with a maximum force that can be applied, tooth gaps of the teeth being designed to such an extent that the dog clutch can be closed under load.
  • the switching module according to the invention is characterized in that tooth flanks of the toothing have an inclination angle against an axial axis of the
  • the switching module according to the invention thus allows greater flexibility than known switching modules.
  • the dog clutch preferably consists of a first coupling part and a second coupling part, the first coupling part having a first toothing and the second coupling part having a second toothing.
  • first toothing engages in the second toothing, so that a torque can be transmitted.
  • the dog clutch is open, the teeth do not mesh and it can
  • both the first toothing and the second toothing must be designed to be correspondingly solid and stable, so that even if the first and second toothing, in particular the tooth tips of the first and second toothing, collide with one another, this does not lead to damage.
  • the tooth gaps of the toothing must also be at least slightly wider than the circumference of the individual teeth of the claw coupling in order to enable mutual engagement even under load.
  • Tooth flanks are inclined towards the axial axis in such a way that they run at least slightly pointed from the tooth base to the tooth tip, so that the circumference of a tooth tip is less than the circumference of the associated tooth base.
  • the axial axis denotes any straight line which runs parallel to the axial axis of the dog clutch, that is to say extends exclusively in the axial direction, but not in the radial direction.
  • the maximum actuating force that can be applied is greater than the disengaging force, an unintentional opening or at least an unintentional slipping of the claw clutch can be reliably prevented during operation of the switching module according to the invention even under high load.
  • the maximum actuating force that can be applied is in particular greater than the disengaging force that is at the maximum permissible
  • the maximum actuating force that can be applied is therefore greater than the maximum permissible disengagement force.
  • the release force depends on the one hand on the torque acting on the claw clutch, but also on the inclination angle of the tooth flanks. Also a surface condition of the tooth flanks and one influenced by it
  • the coefficient of friction affects the release force.
  • the toothing has no undercut, since an undercut usually prevents the claw clutch from opening under load, since part of the first toothing of the first coupling part engages in the undercut of the second toothing of the second coupling part and vice versa.
  • the torque acting on the dog clutch under load makes opening the dog clutch significantly more difficult or completely prevents it.
  • the first coupling part is designed as a claw sleeve. This gives the advantage of being an additional and separate
  • Shift sleeve for speed synchronization can be dispensed with.
  • the switching module according to the invention therefore advantageously dispenses with additional components, which keeps the manufacturing costs and the module weight low.
  • the switching piston is designed as an annular piston.
  • Shift sleeve itself is arranged.
  • the shift piston is particularly preferably arranged coaxially on the transmission shaft.
  • a shift rod which is usually arranged parallel to the transmission shaft with the shift sleeve and on which the shift piston is usually arranged together with the shift fork, can advantageously be dispensed with. This again saves installation space, manufacturing costs and module weight.
  • the arrangement of the piston on the transmission shaft which is made possible in this way, in particular the coaxial arrangement on the transmission shaft, also has the further advantage that a shift fork can also be dispensed with entirely. This not only means that both the module weight and the
  • Manufacturing costs of the switching module are further reduced, but also the switching times are optimized and the number of parts of the switching module is reduced.
  • a conventional shift piston can preferably also be used, in which case a shift rod and a shift fork are also required to operate the shift module.
  • the switching piston or ring piston When the switching module is actuated, the switching piston or ring piston is axially displaced on the gear shaft.
  • the dog clutch and the switching piston are preferably made of metal, in particular steel. This ensures a comparatively high level of robustness and thus longevity of the components, even under regular and high ones
  • a coupling sleeve of the dog clutch is rotatably mounted axially in the annular piston.
  • the advantage of this arrangement of the coupling sleeve in the ring piston is that that the ring piston can take the coupling sleeve with it and also move it when pressure is applied, which leads to an axial displacement of the switching piston. Since the coupling sleeve is still rotatably mounted in the ring piston, the coupling sleeve can be rotated against the
  • the claw sleeve is mounted coaxially in the ring piston.
  • the claw sleeve or the shift sleeve is rotatably mounted in the annular piston by means of a roller bearing.
  • the roller bearing is more complex than a plain bearing, but it enables comparatively lower friction values to be achieved and thus better efficiency.
  • Another advantage is that the exact position of the ring piston relative to the claw sleeve or shift sleeve is specified via the roller bearing, so that time-consuming work for setting the tooth tip-tooth tip distance and the tooth tip-tooth base distance can be omitted.
  • a prestress necessary for the rolling bearing is preferably generated by an elastic restoring element which urges the ring piston into the idle state in the depressurized state.
  • the roller bearing is preferably designed as an angular contact ball bearing, as a deep groove ball bearing or as an axial bearing. Alternatively, it is preferably provided that a rolling bearing is provided between the shift fork and the claw sleeve or between the shift fork and the shift sleeve when using a shift fork.
  • the switching module further comprises a switching cylinder, which is designed to pressurize the switching piston.
  • Shift cylinders for pressurizing and thus for actuating shift pistons are widespread and technically mature. For example, across from
  • Servomotors are also a cost-effective solution. be designed to actuate the switching piston using oil or air.
  • the switching cylinder can also be single or double acting.
  • the pressure generated in this way causes a corresponding force.
  • the switching module further comprises an elastic reset element which is designed to connect the switching piston with one of the
  • the restoring element is designed as a helical spring or as a plate spring. Coil springs and disc springs can be obtained inexpensively in almost any form of training.
  • the switching piston is pressurized on one side
  • the switching module is actuated in such a way that a differential lock is disengaged or an axle engagement is disengaged. In the depressurized state, however, is
  • Differential lock or the axle engagement preferably engaged.
  • the actuating force which prevents the claw clutch from opening under load due to the then disengaging force, is generated by the restoring element.
  • the differential lock or the axle engagement are disengaged in the depressurized state. The engagement occurs in this case by pressurizing the switching piston with the
  • Pressurization generated It must be large enough not only to counteract the restoring force that occurs under load, but also to counteract the force generated by the restoring element.
  • the shift piston shares a shift cylinder
  • Release space absorbs the release pressure and the engagement space absorbs the engagement pressure. In this case it is a double-acting one
  • the coil spring or plate spring is particularly preferably prestressed under pressure.
  • the restoring element is preferably supported on the claw sleeve. Since the
  • Claw sleeve is arranged radially within the switching piston, can
  • Restoring element in particular if it is designed as a coil spring or
  • Belleville washer saves weight and material with comparatively little
  • the switching module further comprises a rear piston stop.
  • a front piston stop can advantageously be omitted if the
  • Coupling sleeve is mounted by means of roller bearings. If there is no rolling bearing, a front piston stop is preferably additionally provided.
  • the front piston stop or the rolling bearing limits the displaceability of the switching piston in a first axial direction and the rear piston stop limits the displaceability of the switching piston in a second axial direction.
  • the invention also relates to a differential lock for locking a
  • the invention relates to a transfer case with a differential lock.
  • the transfer case according to the invention is characterized in that the
  • Differential lock is a differential lock according to the invention.
  • the invention also relates to an axis connection
  • Axis activation can be activated and deactivated by means of a switching module.
  • the axis connection according to the invention is characterized in that the
  • Switch module is a switch module according to the invention.
  • Fig. 3 exemplarily and schematically a further toothing
  • FIG. 4 exemplary and schematic of a possible form of training
  • Fig. 5 exemplarily and schematically a toothing of an inventive
  • Fig. 6 shows an example of the course of the disengagement force for different
  • the switching module 1 shows, by way of example and schematically, a known switching module 1 which is used, for example, for a differential lock 2.
  • the switching module 1 takes up a comparatively large amount of installation space due to its known design with a shift rod 3 and a shift fork 4. This is essentially due to the parallel arrangement of the shift rod 3 to a gear shaft 8, on which the dog clutch 5 is arranged.
  • it is also necessary to adjust the distance between the tooth heads of a first toothing of a first coupling part 5 ′′ of the claw coupling 5 and the tooth heads of a second toothing of a second coupling part 5 ′′
  • the closed state can be locked via a ball lock 15.
  • Fig. 2 shows an example and schematically a toothing 6 of a dog clutch 5 or a second coupling part 5 ".
  • the tooth flanks 7, 7 ' are inclined at an angle of inclination a against an axial axis 8 of the dog clutch.
  • the angle of inclination a of the tooth flanks 7, 7 'against the axial axis 8 is in
  • FIG. 4 shows an example and schematically a possible embodiment of a switching module 1 according to the invention, for example for a differential lock 2.
  • the switching piston 11 is designed as an annular piston 11. This results in a space-saving design of the whole
  • the dog clutch 5 comprises a first clutch part 5 ′′ and a second clutch part 5 ′′. Both the first and the second coupling part 5 ′′, 5 ′′ have identical toothing 6 (see FIG. 5), tooth gaps 1 1 of the toothing 6 being designed to such an extent that the claw coupling 5 can be closed under load.
  • the tooth flanks 7, 7 ′ of the toothing 6 furthermore have an inclination angle ⁇ against a toothing 8 of the dog clutch 5 in such a way that the dog clutch 5 engages under load
  • the disengagement force arises from the fact that the tooth flanks 7, 7 'run at least slightly pointed from the tooth base to the tooth tip, that is to say that the circumference of a tooth tip is less than the circumference of the associated tooth base.
  • the greater the angle of inclination a the greater the disengagement force, depending on an effective torque.
  • the annular piston 11 is designed such that its maximum actuating force that can be applied is greater than a maximum possible disengagement force, the maximum possible disengagement force resulting from the maximum load capacity of the switching module 1.
  • the first coupling part 5 ′′ simultaneously represents the coupling sleeve 5 ′′ of the claw coupling 5, so that an additional coupling sleeve can be dispensed with.
  • the coupling sleeve 5 ' is, for example, rotatably mounted in the switching piston 11 by means of a roller bearing 12.
  • the straight line 14 shows the increase in the disengagement force 14 with increasing
  • the straight line 14 ' shows the increase in the disengagement force 14' with increasing torque for a toothing with the inclination angle ⁇ and the straight line 14 '' shows the increase in the disengagement force 14 "with increasing torque for a toothing with the tilt angle g.
  • the release force increases linearly with increasing torque.
  • the disengagement force is also dependent on the angle of inclination a, ß or Y, where the following applies, for example: a ⁇ ß ⁇ g.
  • the release force is proportional to the sine of the tilt angle a, ß, g.
  • the switching piston 11 is designed in such a way that its maximum actuating force 11 ′ that can be applied is greater than a maximum possible disengagement force.
  • the maximum actuating force 1 1 'that can be applied is shown in FIG. 5 as a straight line which is independent of the acting torque.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltmodul (1) für eine Differentialsperre (2) oder für eine Achszuschaltung, umfassend eine Klauenkupplung (5) mit einer Verzahnung (6) und einen Schaltkolben (11) mit einer maximal aufbringbaren Stellkraft (11'), wobei Zahnlücken der Verzahnung (6) derart weit ausgebildet sind, dass die Klauenkupplung (5) unter Last schließbar ist. Das erfindungsgemäße Schaltmodul (1) zeichnet sich dadurch aus, dass Zahnflanken (7, 7') der Verzahnung (6) einen Neigewinkel (α, β, γ) gegen eine Axialachse (8) der Klauenkupplung (5) derart aufweisen, dass die Klauenkupplung (5) unter Last eine Ausrückkraft (14, 14', 14'') erfährt und dass die maximal aufbringbare Stellkraft (11') größer ist als die Ausrückkraft (14, 14', 14''). Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Differentialsperre, ein entsprechendes Verteilergetriebe und eine entsprechende Achszuschaltung.

Description

Schaltmodul. Differentialsperre. Verteileraetriebe und Achszuschaltung
Die Erfindung betrifft ein Schaltmodul für eine Differentialsperre oder für eine
Achszuschaltung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine entsprechende Differentialsperre, ein entsprechendes Verteilergetriebe und eine entsprechende Achszuschaltung.
Im Stand der Technik sind Differentialsperren bekannt, welche insbesondere auch in den Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Diese
Differentialsperren ermöglichen durch ein Blockieren einer Verteilerfunktion der entsprechenden Differentialgetriebe eine Verteilung des Antriebsmoments auf die angetriebenen Achsen bzw. die angetriebenen Fahrzeugräder, was insbesondere in unwegsamem Gelände eine Fortbewegung erleichtern kann. Ebenso sind auch Achszuschaltungen bekannt, welche es ermöglichen, eine Fahrzeugachse wahlweise anzutreiben oder mitzuschleppen. Im angetriebenen Zustand der Fahrzeugachse erhöhen sich die Geländegängigkeit sowie die Traktionsfähigkeit des Fahrzeugs, wohingegen im mitgeschleppten Zustand der Fahrzeugachse der Treibstoffverbrauch reduziert wird. Das Einrücken bzw. Ausrücken der Differentialsperren bzw. das Ein oder Ausrücken der Achszuschaltung erfolgt dabei über ein hierfür geeignetes Schaltmodul, welches in der Regel eine Schaltgabel, eine Schaltmuffe, eine
Schaltstange sowie einen Schaltkolben und einen Schaltzylinder umfasst.
In diesem Zusammenhang beschreibt die EP 0 510 457 B1 eine formschlüssige Kupplung für ein Verteilergetriebe eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zu deren Betätigung. Die Verzahnungen der Kupplungsteile weisen dabei ausreichend große Zahnlücken auf, um ein Einlegen auch unter einer Relativdrehzahl der
Kupplungsteile zu ermöglichen. Ein Hinterschnitt der Verzahnungen verhindert ein Öffnen der Kupplung unter Last.
Aus der DE 40 21 653 A1 ist eine Klauenkupplung mir großem Abweiswinkel bekannt, deren Kontaktflächen der beiden Kupplungsteile derart gegen die
Achsrichtung geneigt sind, dass ein Öffnen der Kupplung unter Last möglich ist. Dabei treten jedoch Axialkräfte auf, die durch eine Verriegelungsvorrichtung aufgefangen werden müssen, was Bauraum in Anspruch nimmt und eine
vergleichsweise größere Anzahl von Bauteilen erfordert. Ein Einlegen der Kupplung unter Last ist nicht möglich.
Die bekannten Klauenkupplungsanordnungen sind dahingehend nachteilbehaftet, dass je nach Ausbildungsform entweder ein Einlegen der Kupplung unter Last nicht möglich ist oder aber ein Lösen der Kupplung unter Last nicht möglich ist. Zudem bestehen sie üblicherweise aus einer Vielzahl von Einzelteilen, was vergleichsweise aufwändig in der Herstellung wie auch in der Montage ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbessertes Schaltmodul für eine Differentialsperre oder für eine Achszuschaltung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Schaltmodul für eine
Differentialsperre oder für eine Achszuschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Schaltmodul für eine Differentialsperre oder für eine
Achszuschaltung, umfassend eine Klauenkupplung mit einer Verzahnung und einen Schaltkolben mit einer maximal aufbringbaren Stellkraft, wobei Zahnlücken der Verzahnung derart weit ausgebildet sind, dass die Klauenkupplung unter Last schließbar ist. Das erfindungsgemäße Schaltmodul zeichnet sich dadurch aus, dass Zahnflanken der Verzahnung einen Neigewinkel gegen eine Axialachse der
Klauenkupplung derart aufweisen, dass die Klauenkupplung unter Last eine
Ausrückkraft erfährt und dass die maximal aufbringbare Stellkraft größer ist als die Ausrückkraft.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das erfindungsgemäße Schaltmodul also sowohl ein Öffnen der Klauenkupplung als auch ein Schließen der Klauenkupplung unter Last bzw. unter Relativdrehzahl ermöglicht. Dies wiederum ermöglicht ein
situationsangepassteres Aktivieren bzw. Deaktivieren einer Differentialsperre oder einer Achszuschaltung, da die Differentialsperre oder die Achszuschaltung unmittelbar bei Bedarf und während der Fahrt des Fahrzeugs aktiviert werden können und ebenso unmittelbar bei Wegfall des Bedarfs während der Fahrt des Fahrzeugs wieder deaktiviert werden können. Das erfindungsgemäße Schaltmodul ermöglicht somit eine größere Flexibilität als bekannte Schaltmodule.
Die Klauenkupplung besteht bevorzugt aus einem ersten Kupplungsteil und einem zweiten Kupplungsteil, wobei der erste Kupplungsteil eine erste Verzahnung aufweist und der zweite Kupplungsteil eine zweite Verzahnung aufweist. Im geschlossenen Zustand der Klauenkupplung greift die erste Verzahnung in die zweite Verzahnung ein, so dass ein Drehmoment übertragen werden kann. Im geöffneten Zustand der Klauenkupplung greifen die Verzahnungen nicht ineinander und es kann
entsprechend kein Drehmoment übertragen werden. Stattdessen tritt im geöffneten Zustand der Klauenkupplung beim Betrieb eines entsprechenden Fahrzeugs eine Relativdrehzahl zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil auf.
Um ein Schließen der Klauenkupplung unter Last zu ermöglichen, was
erfindungsgemäß gewährleistet ist, muss die Verzahnung, d.h. also sowohl die erste Verzahnung als auch die zweite Verzahnung, entsprechend massiv und stabil ausgebildet sein, so dass auch ein Gegeneinanderschlagen der ersten und der zweiten Verzahnung, insbesondere der Zahnköpfe der ersten und der zweiten Verzahnung, nicht zu Beschädigungen führt. Die Zahnlücken der Verzahnung müssen weiterhin zumindest geringfügig weiter sein als der Umfang der einzelnen Zähne der Klauenkupplung, um ein gegenseitiges Eingreifen auch unter Last zu ermöglichen.
Durch den Neigewinkel der Zahnflanken gegen die Axialachse wird im
geschlossenen Zustand der Klauenkupplung unter Last erfindungsgemäß eine Ausrückkraft erzeugt. Die Ausrückkraft kommt dadurch zustande, dass die
Zahnflanken derart gegen die Axialachse geneigt sind, dass sie zumindest leicht spitz vom Zahnfuß zum Zahnkopf zulaufen, dass also der Umfang eines Zahnkopfs geringer ist als der Umfang des zugehörigen Zahnfußes. Die Axialachse bezeichnet im Sinne der Erfindung eine beliebige Gerade, welche parallel zur Axialachse der Klauenkupplung verläuft, sich also ausschließlich in Axialrichtung, nicht aber in Radialrichtung erstreckt.
Indem die maximal aufbringbare Stellkraft größer ist als die Ausrückkraft, kann im Betrieb des erfindungsgemäßen Schaltmoduls ein unbeabsichtigtes Öffnen oder zumindest ein unbeabsichtigtes Rutschen der Klauenkupplung auch bei hoher Last zuverlässig verhindert werden. Dabei ist die maximal aufbringbare Stellkraft insbesondere größer als diejenige Ausrückkraft, die bei maximal zulässiger
Belastung der Klauenkupplung auftreten kann. Die maximal aufbringbare Stellkraft ist also größer als die maximal zulässige Ausrückkraft.
Die Ausrückkraft hängt dabei einerseits vom auf die Klauenkupplung wirkenden Drehmoment ab, ebenso aber auch vom Neigewinkel der Zahnflanken. Auch eine Oberflächenbeschaffenheit der Zahnflanken und ein dadurch beeinflusster
Reibkoeffizient wirken sich auf die Ausrückkraft aus.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Verzahnung keinen Hinterschnitt aufweist, da ein Hinterschnitt üblicherweise ein Öffnen der Klauenkupplung unter Last verhindert, indem ein Teil der ersten Verzahnung des ersten Kupplungsteils in den Hinterschnitt der zweiten Verzahnung des zweiten Kupplungsteils eingreift und umgekehrt. Durch das unter Last auf die Klauenkupplung wirkende Drehmoment wird somit ein Öffnen der Klauenkupplung deutlich erschwert bzw. vollständig verhindert.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der erste Kupplungsteil als Klauenmuffe ausgebildet ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auf eine zusätzliche und separate
Schaltmuffe zur Drehzahlsynchronisierung verzichtet werden kann. Das
erfindungsgemäße Schaltmodul verzichtet also vorteilhaft auf zusätzliche Bauteile, was die Herstellungskosten und das Modulgewicht gering hält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schaltkolben als Ringkolben ausgebildet ist. Durch die Ausbildung des Schaltkolbens als Ringkolben kann dieser vorteilhaft unmittelbar auf einer Getriebewelle angeordnet werden, auf welcher auch die Klauenmuffe bzw.
Schaltmuffe selbst angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Schaltkolben dabei koaxial auf der Getriebewelle angeordnet. Indem der Schaltkolben und die
Klauenmuffe bzw. die Schaltmuffe gemeinsam auf der Welle angeordnet sind, kann auf eine Schaltstange, welche üblicherweise parallel zur Getriebewelle mit der Schaltmuffe angeordnet ist und auf welcher üblicherweise der Schaltkolben zusammen mit der Schaltgabel angeordnet ist, vorteilhaft verzichtet werden. Dies spart nochmals Bauraum, Herstellungskosten und Modulgewicht.
Durch die solcherart ermöglichte Anordnung des Kolbens auf der Getriebewelle, insbesondere die koaxiale Anordnung auf der Getriebewelle, ergibt sich zudem der weitere Vorteil, dass auch auf eine Schaltgabel vollständig verzichtet werden kann. Dies führt nicht nur dazu, dass sowohl das Modulgewicht als auch die
Herstellungskosten des Schaltmoduls nochmals weiter reduziert werden, sondern darüber hinaus werden auch die Schaltzeiten optimiert sowie die Teilevielfalt des Schaltmoduls reduziert.
Alternativ bevorzugt kann auch ein herkömmlicher Schaltkolben verwendet werden, wobei in diesem Fall zum Betrieb des Schaltmoduls weiterhin auch eine Schaltstange und eine Schaltgabel benötigt werden.
Bei einer Betätigung des Schaltmoduls wird der Schaltkolben bzw. Ringkolben auf der Getriebewelle axial verschoben.
Die Klauenkupplung und der Schaltkolben bestehen vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl. Dies gewährleistet eine vergleichsweise große Robustheit und damit Langlebigkeit der Bauteile auch unter regelmäßigen und hohen
Belastungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Kupplungsmuffe der Klauenkupplung axial im Ringkolben drehbar gelagert ist. Aus dieser Anordnung der Kupplungsmuffe im Ringkolben ergibt sich der Vorteil, dass der Ringkolben bei einer Druckbeaufschlagung, die zu einer axialen Verschiebung des Schaltkolbens führt, die Kupplungsmuffe mitnehmen und ebenfalls verschieben kann. Indem die Kupplungsmuffe weiterhin drehbar im Ringkolben gelagert ist, wird also eine Verdrehbarkeit der Kupplungsmuffe gegen den
Ringkolben gewährleistet. Da die Kupplungsmuffe im eingerückten Zustand einer Rotationsbewegung eines mit der Kupplungsmuffe in Eingriff stehenden Zahnrads bzw. einer zugeordneten Welle folgt, kann der Ringkolben aufgrund der
Verdrehbarkeit jedoch in Ruhe bleiben. Dies vereinfacht u.a. das Herstellen einer zuverlässigen Druckdichtigkeit des Ringkolbens gegenüber dem Schaltzylinder, da der Ringkolben nicht gegen den Schaltzylinder verdreht.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Klauenmuffe koaxial im Ringkolben gelagert ist. Somit werden bei einer Druckbeaufschlagung des Ringkolbens bzw. bei einer Betätigung der Klauenmuffe keine Kippmomente zwischen Ringkolben und
Klauenmuffe erzeugt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Klauenmuffe bzw. die Schaltmuffe mittels einer Wälzlagerung im Ringkolben drehbar gelagert ist. Die Wälzlagerung ist im Vergleich zu einer Gleitlagerung zwar aufwändiger, ermöglicht jedoch das Erzielen vergleichsweise geringerer Reibwerte und damit einer besseren Effizienz. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die genaue Position des Ringkolbens zur Klauenmuffe bzw. Schaltmuffe über die Wälzlagerung vorgegeben wird, so dass zeitaufwändige Arbeiten zur Einstellung des Zahnkopf-Zahnkopf-Abstands sowie des Zahnkopf-Zahngrund- Abstands entfallen können. Eine für die Wälzlagerung notwendige Vorspannung wird bevorzugt durch ein elastisches Rückstellelement erzeugt, welche den Ringkolben im drucklosen Zustand in den Ruhezustand drängt.
Bevorzugt ist die Wälzlagerung als Schrägkugellagerung, als Rillenkugellagerung oder als Axiallagerung ausgeführt. Alternativ bevorzugt ist es vorgesehen, dass bei Verwendung einer Schaltgabel eine Wälzlagerung zwischen der Schaltgabel und der Klauenmuffe bzw. zwischen der Schaltgabel und der Schaltmuffe vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es
vorgesehen, dass das Schaltmodul weiterhin einen Schaltzylinder umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, den Schaltkolben mit einem Druck zu beaufschlagen.
Schaltzylinder zur Druckbeaufschlagung und damit zur Betätigung von Schaltkolben sind weit verbreitet und technisch ausgereift. Sie stellen z.B. gegenüber
Servomotoren zudem eine kostengünstige Lösung dar. Der Schaltzylinder kann z.B. zur Betätigung des Schaltkolbens mittels Öl oder mittels Luft ausgebildet sein. Der Schaltzylinder kann außerdem einfach- oder doppelwirkend ausgebildet sein.
Abhängig von der druckbeaufschlagten Fläche des Schaltkolbens bewirkt der solcherart erzeugte Druck eine entsprechende Kraft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es
vorgesehen, dass das Schaltmodul weiterhin ein elastisches Rückstellelement umfasst, welches dazu ausgebildet ist, den Schaltkolben mit einer der
druckverursachten Kraft entgegenwirkenden Kraft zu beaufschlagen. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Rückstellelement als Schraubenfeder oder als Tellerfeder ausgebildet ist. Schraubenfedern und Tellerfedern sind kostengünstig in nahezu beliebigen Ausbildungsformen beschaffbar.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Schaltkolben einseitig mit Druck
beaufschlagbar ist. Bei Erreichen eines Ausrückdrucks erfolgt eine Betätigung des Schaltmoduls dahingehend, dass eine Differentialsperre ausgerückt wird oder eine Achszuschaltung ausgerückt wird. Im drucklosen Zustand hingegen ist die
Differentialsperre bzw. die Achszuschaltung bevorzugt eingerückt. In diesem Fall wird also die Stellkraft, welche ein Öffnen der Klauenkupplung unter Last aufgrund der dann wirkenden Ausrückkraft verhindert, vom Rückstellelement erzeugt. Alternativ bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Differentialsperre bzw. die Achszuschaltung im drucklosen Zustand ausgerückt sind. Das Einrücken erfolgt in diesem Fall durch eine Druckbeaufschlagung des Schaltkolbens mit dem
Einrückdruck. Entsprechend wird die Stellkraft in diesem Fall durch die
Druckbeaufschlagung erzeugt. Sie muss ausreichend groß sein, um nicht nur der unter Last auftretenden Rückstellkraft entgegenzuwirken sondern zusätzlich auch der vom Rückstellelement erzeugten Kraft entgegenzuwirken.
Weiterhin alternativ bevorzugt teilt der Schaltkolben einen Schaltzylinder der
Schaltaktuatorik in einen Ausrückraum und einen Einrückraum, wobei der
Ausrückraum den Ausrückdruck aufnimmt und der Einrückraum den Einrückdruck aufnimmt. In diesem Fall handelt es sich also um einen doppelwirkenden
Schaltzylinder.
Besonders bevorzugt ist die Schraubenfeder bzw. Tellerfeder auf Druck vorgespannt.
Bevorzugt stützt sich das Rückstellelement an der Klauenmuffe ab. Da die
Klauenmuffe radial innerhalb des Schaltkolbens angeordnet ist, kann das
Rückstellelement, insbesondere bei einer Ausbildung als Schraubenfeder bzw.
Tellerfeder, gewichts- und materialsparend mit vergleichsweise geringem
Radialumfang ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es
vorgesehen, dass das Schaltmodul weiterhin einen hinteren Kolbenanschlag umfasst. Ein vorderer Kolbenanschlag kann vorteilhaft entfallen, sofern die
Kupplungsmuffe mittels einer Wälzlagerung gelagert ist. Falls keine Wälzlagerung vorhanden ist, ist bevorzugt zusätzlich ein vorderer Kolbenanschlag vorgesehen. Der vordere Kolbenanschlag bzw. die Wälzlagerung begrenzt dabei die Verschiebbarkeit des Schaltkolbens in eine erste Axialrichtung und der hintere Kolbenanschlag begrenzt die Verschiebbarkeit des Schaltkolbens in eine zweite Axialrichtung. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die genaue Position des Schaltkolbens zur Klauenmuffe über den vorderen und den hinteren Kolbenanschlag vorgegeben wird, so dass auch in diesem Fall zeitaufwändige Arbeiten zur Einstellung des Zahnkopf-Zahnkopf- Abstands sowie des Zahnkopf-Zahngrund-Abstands entfallen können.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Differentialsperre zum Sperren einer
Verteilerfunktion eines Verteilergetriebes, wobei die Differentialsperre mittels eines Schaltmoduls einrückbar und ausrückbar ist. Die erfindungsgemäße
Differentialsperre zeichnet sich dadurch aus, dass das Schaltmodul ein
erfindungsgemäßes Schaltmodul ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verteilergetriebe mit einer Differentialsperre. Das erfindungsgemäße Verteilergetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass die
Differentialsperre eine erfindungsgemäße Differentialsperre ist.
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Achszuschaltung, wobei die
Achszuschaltung mittels eines Schaltmoduls zuschaltbar und abschaltbar ist. Die erfindungsgemäße Achszuschaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das
Schaltmodul ein erfindungsgemäßes Schaltmodul ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 beispielhaft und schematisch ein bekanntes Schaltmodul,
Fig. 2 beispielhaft und schematisch eine Verzahnung einer Klauenkupplung bzw. eines zweiten Kupplungsteils,
Fig. 3 beispielhaft und schematisch eine weitere Verzahnung einer
Klauenkupplung bzw. eines zweiten Kupplungsteils,
Fig. 4 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines
erfindungsgemäßen Schaltmoduls,
Fig. 5 beispielhaft und schematisch eine Verzahnung eines erfindungsgemäßen
Schaltmoduls und
Fig. 6 beispielhaft den Verlauf der Ausrückkraftkraft für unterschiedliche
Neigewinkel in Abhängigkeit des wirkenden Drehmoments. Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese
Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein bekanntes Schaltmodul 1 , welches beispielsgemäß für eine Differentialsperre 2 verwendet wird. Wie zu sehen ist, beansprucht das Schaltmodul 1 aufgrund seiner bekannten Ausbildung mit einer Schaltstange 3 und einer Schaltgabel 4 vergleichsweise viel Bauraum. Dies liegt im Wesentlichen an der Parallelanordnung der Schaltstange 3 zu einer Getriebewelle 8, auf welcher die Klauenkupplung 5 angeordnet ist. Bei dem in Fig. 1 gezeigten, bekannten Schaltmodul 1 ist es zudem notwendig, den Abstand der Zahnköpfe einer ersten Verzahnung eines ersten Kupplungsteils 5‘ der Klauenkupplung 5 mit den Zahnköpfen einer zweiten Verzahnung eines zweiten Kupplungsteils 5“ der
Klauenkupplung 5 sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand zu kalibrieren. Derartige Kalibriervorgänge sind zeitaufwändig und damit kostenintensiv. Über eine Kugelsperre 15 kann der geschlossene Zustand verriegelt werden.
Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Verzahnung 6 einer Klauenkupplung 5 bzw. eines zweiten Kupplungsteils 5“. Wie zu sehen ist, sind die Zahnflanken 7, 7‘ um einen Neigewinkel a gegen eine Axialachse 8 der Klauenkupplung geneigt. Durch den Neigewinkel a der Zahnflanken 7, 7‘ gegen die Axialachse 8 wird im
geschlossenen Zustand der Klauenkupplung 5 unter Last eine Ausrückkraft erzeugt.
Fig. 3 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Verzahnung 6 einer
Klauenkupplung 5 bzw. eines zweiten Kupplungsteils 5“. Im Gegensatz zur
Verzahnung 6 der Fig. 2 ist die Verzahnung 6 der Fig. 3 derart gegen die Axialachse 8 geneigt, dass ein Hinterschnitt 9 entsteht. Wie zu sehen ist, weist die Verzahnung 6 zudem vergleichsweise massive Zähne und vergleichsweise große Zahnlücken 13 auf. Dadurch wird es ermöglicht, die Klauenkupplung 5 auch unter Last zu schließen. Die Hinterschnitte 9 verhindern jedoch ein Öffnen der Klauenkupplung 5 unter Last. Fig. 4 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Schaltmoduls 1 , beispielsgemäß für eine Differentialsperre 2. Wie zunächst zu sehen ist, ist der Schaltkolben 1 1 als Ringkolben 1 1 ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine raumsparende Ausbildungsweise des gesamten
Schaltmoduls 1 auf der Getriebewelle 10. Die Klauenkupplung 5 umfasst einen ersten Kupplungsteil 5‘ und einen zweiten Kupplungsteil 5“. Sowohl der erste als auch der zweite Kupplungsteil 5‘, 5“ weisen eine identische Verzahnung 6 (siehe Fig. 5) auf, wobei Zahnlücken 1 1 der Verzahnung 6 derart weit ausgebildet sind, dass die Klauenkupplung 5 unter Last schließbar ist. Die Zahnflanken 7, 7‘ der Verzahnung 6 weisen weiterhin einen Neigewinkel a gegen eine Verzahnung 8 der Klauenkupplung 5 derart auf, dass die Klauenkupplung 5 unter Last eine
Ausrückkraft erfährt. Die Ausrückkraft entsteht dadurch, dass die Zahnflanken 7, 7‘ zumindest leicht spitz vom Zahnfuß zum Zahnkopf zulaufen, dass also der Umfang eines Zahnkopfs geringer ist als der Umfang des zugehörigen Zahnfußes. Je größer der Neigewinkel a ist, desto größer wird auch die Ausrückkraft, in Abhängigkeit eines wirkenden Drehmoments. Um ein unbeabsichtigtes Öffnen der geschlossenen Klauenkupplung 5 unter Last zu vermeiden, ist der Ringkolben 11 derart ausgebildet, dass seine maximal aufbringbare Stellkraft größer ist als eine maximal mögliche Ausrückkraft, wobei die maximal mögliche Ausrückkraft sich aus der maximalen Belastbarkeit des Schaltmoduls 1 ergibt. Das erste Kupplungsteil 5‘ stellt gleichzeitig die Kupplungsmuffe 5‘ der Klauenkupplung 5 dar, so dass auf eine zusätzliche Kupplungsmuffe verzichtet werden kann. Die Kupplungsmuffe 5‘ ist beispielsgemäß mittels einer Wälzlagerung 12 im Schaltkolben 1 1 drehbar gelagert.
Fig. 6 zeigt beispielhaft den Verlauf der Ausrückkraftkraft 14, 14‘, 14“ für
unterschiedliche Neigewinkel a, ß, g in Abhängigkeit des wirkenden Drehmoments. Die Gerade 14 zeigt den Anstieg der Ausrückkraft 14 mit zunehmendem
Drehmoment für eine Verzahnung 6 mit dem Neigewinkel a, die Gerade 14‘ zeigt den Anstieg der Ausrückkraft 14‘ mit zunehmendem Drehmoment für eine Verzahnung mit dem Neigewinkel ß und die Gerade 14‘‘zeigt den Anstieg der Ausrückkraft 14“ mit zunehmendem Drehmoment für eine Verzahnung mit dem Neigewinkel g. Wie zu sehen ist, nimmt die Ausrückkraft mit steigendem Drehmoment linear zu. Wie ebenfalls zu sehen ist, ist die Ausrückkraft auch abhängig vom Neigewinkel a, ß bzw Y, wobei beispielsgemäß gilt: a < ß < g. Je größer der Neigewinkel a, ß, g ist, desto größer ist die resultierende Ausrückkraft. Die Ausrückkraft ist dabei proportional zum Sinus des Neigewinkels a, ß, g. Um ein unbeabsichtigtes Öffnen der geschlossenen Klauenkupplung 5 unter Last zu vermeiden, ist der Schaltkolben 1 1 derart ausgebildet, dass seine maximal aufbringbare Stellkraft 11‘ größer ist als eine maximal mögliche Ausrückkraft. Die maximal aufbringbare Stellkraft 1 1‘ ist in Fig. 5 als Gerade dargestellt, die unabhängig vom wirkenden Drehmoment ist.
Bezuaszeichen
1 Schaltmodul
2 Differentialsperre
3 Schaltstange
Schaltgabel
5 Klauenkupplung
5‘ erster Kupplungsteil, Klauenmuffe
5“ zweiter Kupplungsteil
6 Verzahnung
7, 7‘ Zahnflanken
8 Axialachse
9 Hinterschnitt
10 Getriebewelle
11 Schaltkolben, Ringkolben
1 1‘ Stellkraft
12 Wälzlagerung
13 Zahnlücke
14, 14‘, 14“ Ausrückkraft
15 Kugelsperre
a, ß, g Neigewinkel

Claims

Patentansprüche
1. Schaltmodul (1 ) für eine Differentialsperre (2) oder für eine Achszuschaltung, umfassend eine Klauenkupplung (5) mit einer Verzahnung (6) und einen
Schaltkolben (1 1 ) mit einer maximal aufbringbaren Stellkraft (11‘), wobei Zahnlücken der Verzahnung (6) derart weit ausgebildet sind, dass die Klauenkupplung (5) unter Last schließbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass Zahnflanken (7, 7‘) der Verzahnung (6) einen
Neigewinkel (a, ß, g) gegen eine Axialachse (8) der Klauenkupplung (5) derart aufweisen, dass die Klauenkupplung (5) unter Last eine Ausrückkraft (14, 14‘, 14“) erfährt und dass die maximal aufbringbare Stellkraft (1 1‘) größer ist als die
Ausrückkraft (14, 14‘, 14“).
2. Schaltmodul (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkolben (1 1 ) als Ringkolben (1 1 ) ausgebildet ist.
3. Schaltmodul (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplungsmuffe (5‘) der Klauenkupplung (5) axial im Ringkolben (1 1 ) drehbar gelagert ist.
4. Schaltmodul (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmuffe (5‘) mittels einer Wälzlagerung (12) im Ringkolben (1 1 ) drehbar gelagert ist.
5. Schaltmodul (1 ) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (1 ) weiterhin einen Schaltzylinder umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, den Schaltkolben (1 1 ) mit einem Druck zu beaufschlagen.
6. Schaltmodul (1 ) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (1 ) weiterhin ein elastisches Rückstellelement umfasst, welches dazu ausgebildet ist, den Schaltkolben (1 ) mit einer dem Druck entgegenwirkenden Kraft zu beaufschlagen.
7. Schaltmodul (1 ) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (1 ) weiterhin einen hinteren Kolbenanschlag umfasst.
8. Differentialsperre (2) zum Sperren einer Verteilerfunktion des Verteilergetriebes, wobei die Differentialsperre (2) mittels eines Schaltmoduls (1 ) einrückbar und ausrückbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (1 ) ein Schaltmodul (1 ) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
9. Verteilergetriebe mit einer Differentialsperre (2),
dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialsperre (2) eine Differentialsperre (2) nach Anspruch 8 ist.
10. Achszuschaltung, wobei die Achszuschaltung mittels eines Schaltmoduls (1 ) zuschaltbar und abschaltbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (1 ) ein Schaltmodul (1 ) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
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