DE10056004A1 - Vorrichtung zum Betätigen einer Kupplung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum Betätigen einer Kupplung, insbesondere für Kraftfahrzeugantriebe, mit einem elektronisch ansteuerbaren Kupplungssteller (10, 42) aus, der einen Elektromotor (12, 44) und ein untersetzendes Stellgetriebe (14; 48, 52; 50, 54) umfasst und über eine Übertragungsstrecke (30) auf eine Kupplung (36) wirkt. Es wird vorgeschlagen, dass mehrere Elektromotoren (12, 44) gemeinsam parallel und/oder in Reihe auf eine Kupplung (36) wirken.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum Betätigen einer Kupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.

Für Kraftfahrzeugantriebe mit einer Brennkraftmaschine und einem voll oder teilweise automatisch schaltbaren, mechani­ schen Schaltgetriebe werden Vorrichtungen zum Betätigen einer Kupplung verwendet, die einen elektronisch ansteuerbaren Kupplungssteller mit einem Elektromotor und einem Stellge­ triebe besitzen. Die Kupplung bzw. die Kupplungen können zum Anfahren des Fahrzeugs oder zum Schalten des Getriebes einge­ setzt sein. Aus der US 5 441 462 ist ein solcher Kraftfahr­ zeugantrieb bekannt, bei dem eine elektronische Steuereinheit einen Kupplungssteller in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Fahrparametern ansteuert.

Ferner ist aus der DE 197 01 739 A1 ein Kupplungssteller mit einem Elektromotor zum Ein- und Ausrücken einer Fahrzeugkupp­ lung bekannt. Der Elektromotor betätigt über ein Unterset­ zungsgetriebe in Form eines Schneckengetriebes mit einer An­ triebsschnecke und einem Schneckenrad einen axial verschieb­ bar geführten Stößel, der auf eine Gebereinheit einer hydrau­ lischen Übertragungsstrecke zur Kupplung wirkt. Entsprechend den unterschiedlichen Anwendungsfällen, die verschieden große Stellkräfte und Stellwege erfordern, sind Kupplungssteller mit unterschiedlichen Elektromotoren und Untersetzungsgetrie­ ben zu entwickeln, zu fertigen und bereitzuhalten.

Vorteile der Erfindung

Nach der Erfindung wirken mehrere Elektromotoren parallel und/oder in Reihe auf die Kupplung. Dadurch können nach dem Baukastenprinzip die Stellkraft und der Stellweg an der Kupp­ lung mit wenigen Standardeinheiten an den jeweiligen Einsatz­ fall angepasst werden. Um die Stellarbeit der Vorrichtung durch mehrere Kupplungssteller zu erhöhen, ist nur ein ge­ ringfügig erhöhter Bauraum erforderlich. Dabei ist es einer­ seits möglich, das System an variable Bauräume in unter­ schiedlichen Fahrzeugen anzupassen, indem die Einzelkomponen­ ten auf geeignete, zur Verfügung stehende Bauräume verteilt werden. Andererseits können auch in Ausgestaltung der Erfin­ dung mindestens zwei Kupplungssteller in einem Gehäuse unter­ gebracht werden, um die Anzahl der elektrischen Anschlüsse, Steuerleitungen und Versorgungsleitungen zu verringern sowie die Fertigung und die Montage zu vereinfachen. Ferner können neue Anwendungen im Baukastenprinzip aus vorhandenen, bewähr­ ten Einzelkomponenten bedient werden, was zu Kostenersparnis­ sen bezüglich der Entwicklung, Herstellung und Lagerung führt.

Werden mehrere Kupplungssteller in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, kann die Stellarbeit der einzelnen Elektromo­ toren bereits im Gehäuse durch eine Summierungsstufe oder im Verlauf einer sich an die Stellgetriebe anschließenden Über­ tragungsstrecke aufsummiert werden. Eine einfache Lösung sieht vor, dass zumindest die im Gehäuse untergebrachten Stellgetriebe jeweils ein axial verstellbares Element aufwei­ sen und die Elemente zur gemeinsamen Bewegung miteinander verbunden sind.

Die im Gehäuse untergebrachten Kupplungssteller können über einen Ausgang gemeinsam über einen Pfad der Übertragungs­ strecke auf eine Kupplung wirken. Es können aber auch zwei Ausgänge vorgesehen werden, die über weit gehend getrennte Pfade der Übertragungsstrecke auf eine gemeinsame Kupplung oder über völlig getrennte Pfade auf verschiedene Kupplungen wirken können. Die Ausgänge und Übertragungsstrecken sind für die bezweckte Aufgabe und das gewünschte Übertragungsverhal­ ten ausgelegt.

Wirken mehrere Kupplungssteller auf eine Kupplung kann durch die redundante Anordnung der Kupplungssteller und der nach­ folgenden Bauelemente die Ausfallsicherheit der Vorrichtung erhöht werden. Außerdem können die Kupplungssteller und die sich anschließenden Pfade der Übertragungsstrecke weit gehend diversitär ausgebildet werden, wodurch sich die Ausfallsi­ cherheit weiter erhöht und das Übertragungsverhalten in viel­ fältiger Weise modifiziert werden kann.

Die sich an den Kupplungssteller anschließende Übertragungs­ strecke ist frei wählbar. Sie kann mehrere Pfade aufweisen und aus mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Bau­ elementen oder einer Kombination aus diesen zusammengesetzt sein. Sie kann zweckmäßigerweise Summierungselemente enthal­ ten, die die Stellkraft und/oder den Stellweg, also die Stellarbeit, der einzelnen Kupplungssteller aufsummieren. Ferner können Umformer in der Übertragungsstrecke vorgesehen werden, um die aufsummierte Stellarbeit in Stellkräfte und Stellwege umzuformen, wie sie für den jeweiligen Anwendungs­ fall erforderlich sind.

In der Regel arbeiten die Kupplungssteller beim Öffnen der Kupplung gegen die Kraft einer oder mehrerer Kupplungsfedern, während sie beim Schließen der Kupplung durch die Kraft der Kupplungsfeder unterstützt werden. Es ist daher zweckmäßig, Energiespeicher vorzusehen, die beim Öffnen der Kupplung die Kupplungssteller unterstützen und beim Schließen der Kupplung aufgeladen werden. Solche Energiespeicher können als Feder­ speicher ausgebildet sein, deren Federelemente während des Schließens der Kupplung vorgespannt werden und sich während des Öffnens der Kupplung entspannen. Die Federelemente können als Zug- oder Druckfedern in Form von Schraubenfedern, Tel­ lerfedern, Gasfedern, Gummifedern usw. ausgebildet sein. Die Federspeicher können auch Unterschiede der gemeinsam wirken­ den Kupplungssteller kompensieren.

Die einzelnen Kupplungssteller können zweckmäßigerweise durch eine elektronische Steuereinheit, z. B. eine extern angeordne­ te Gesamtelektronik oder durch bereits vorhandene integrierte elektronische Steuereinheiten, angesteuert werden, wobei je­ dem Elektromotor eine Steuereinheit zugeordnet ist. Die sepa­ raten Steuereinheiten arbeiten entweder autark oder sie sind nach dem Master-Slave-Prinzip gekoppelt. Bei allen Varianten ist es zweckmäßig, die Elektromotoren der Kupplungssteller phasenverschoben so anzusteuern, dass sich ihre Anlaufströme nicht addieren. Ferner kann durch die elektronische Ansteue­ rung der Anlaufstrom in seiner Höhe begrenzt werden. Dadurch werden die Stromschwankungen im Bordnetz geringer gehalten, als dies mit einem einzigen Elektromotor mit hoher Stromauf­ nahme möglich wäre. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrich­ tung grundsätzlich in allen Fahrzeugen in ein übliches Bord­ stromnetz integrierbar.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammen­ fassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Kupplungsstel­ ler,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung,

Fig. 3 eine Variante zu Fig. 2,

Fig. 4 einen schematischen Grundriss einer Anordnung von zwei Kupplungstellern in einem gemeinsamen Gehäuse,

Fig. 5 einen Aufriss von Fig. 4 und

Fig. 6-8 Varianten zu Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betätigen einer Kupplung 36 besitzt mehrere Kupplungssteller 10, die über eine Über­ tragungsstrecke 30 auf ein unmittelbar an der Kupplung 36 vorgesehenes Stellglied 34 wirken (Fig. 2).

Jeder Kupplungssteller 10 umfasst einen von einer elektroni­ schen Steuereinheit 40 ansteuerbaren Elektromotor 12 und ein Stellgetriebe 14, das als Untersetzungsgetriebe ausgebildet ist. Das Stellgetriebe 14 besitzt eine vom Elektromotor 12 angetriebene Schnecke 16, die mit einem Schneckenrad 18 kämmt. Dieses ist stirnseitig gelenkig mit einem axial ver­ schiebbar geführten Stößel 20 verbunden, der auf ein Ein­ gangselement einer Gebereinheit 22 einer Übertragungsstrecke 30 wirkt.

Die Übertragungsstrecke 30 kann mehrere Pfade 70, 72, 74 be­ sitzen und mechanische, hydraulische oder pneumatische Bau­ elemente enthalten. In der Ausführung nach Fig. 1 ist die Übertragungsstrecke 30 hydraulisch ausgeführt. Die darge­ stellte Gebereinheit 22 besitzt als Eingangselement einen Ge­ berkolben 24, der mit dem Stößel 20 verbunden ist und in ei­ nem Geberzylinder 26 axial beweglich geführt ist. Am Geberzy­ linder 26 ist ein Anschluss 28 vorgesehen, über den die Ge­ bereinheit 22 mit einer entsprechend aufgebauten, nicht näher dargestellten Nehmereinheit 32 am Stellglied 34 durch Verbin­ dungsleitungen 38 verbunden ist.

Die an der Stößelstange 20 wirksame Stellkraft und der er­ reichte Stellweg ergeben sich aus dem Drehmoment des Elektro­ motors 12 und dem Untersetzungsverhältnis des Stellgetriebes 14. Entsprechend wird der Kolben 24 (Fig. 1) bei Ausrücken der Kupplung 36 nach rechts verschoben. Er verdrängt dabei ein Flüssigkeitsvolumen im Geberzylinder 26, das seinem Hub­ volumen entspricht und erzeugt einen Druck, der gleich dem Verhältnis der an der Stößelstange wirkenden Stellkraft zur Querschnittfläche des Geberkolbens 24 ist. Ist der Nehmerzy­ linder und der Nehmerkolben der Nehmereinheit 32 gleich dem Geberkolben 24 und Geberzylinder 26 der Gebereinheit 22, er­ geben sich an der Nehmereinheit 32 die gleichen Stellkräfte und Stellwege wie an der Gebereinheit 22.

Sind mehrere Kupplungssteller 10 parallel zueinander angeord­ net und wirken sie über parallele, weit gehend getrennte Pfa­ de 70, 72, 74 der Übertragungsstrecke 30, wie in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutet, auf das Stellglied 34, dann vervielfacht sich die Stellkraft bei gleichem Stellweg ent­ sprechend der Anzahl der Kupplungssteller. Dabei können die Nehmereinheiten 32 einzeln über den Umfang verteilt an dem Stellglied 34 angreifen oder zu einer gemeinsamen Nehmerein­ heit 32 integriert werden, wobei die Querschnittfläche des gemeinsamen Nehmerkolbens der Summe der Querschnittflächen der Geberkolben 24 entspricht. Die Summierung der Stellarbeit der Kupplungssteller 10 kann dabei in der gemeinsamen Neh­ mereinheit erfolgen oder bereits am Ausgang der Gebereinhei­ ten 22 durch eine gemeinsame Sammelleitung bzw. einen gemein­ samen Sammelraum.

Fig. 3 zeigt eine Variante, die einer Serienschaltung der Kupplungssteller 10 entspricht. Die Gebereinheiten 22 arbei­ ten mit Nehmereinheiten 32 zusammen, die auch zu einer ge­ meinsamen Nehmereinheit 32 integriert sein können. Die Quer­ schnittflächen der Nehmerkolben und Nehmerzylinder der Neh­ mereinheiten 32 sind zusammen gleich den Querschnittflächen der Geberkolben und Geberzylinder, wobei bei getrennten Neh­ mereinheiten 32 ein Nehmerkolben mit einem nachgeschalteten Nehmerzylinder in Reihe verbunden ist, so dass sich die Stellwege der einzelnen Nehmereinheiten addieren. Bei einem gemeinsamen Nehmerzylinder und Nehmerkolben führen die Ver­ bindungsleitungen 38, die zwischen den Gebereinheiten 22 und der gemeinsamen Nehmereinheit 32 auch durch eine Sammellei­ tung miteinander verbunden werden können, in den gemeinsamen Nehmerzylinder der Nehmereinheit 32, wobei sich der Stellweg entsprechend der Anzahl der Gebereinheiten 22 vervielfacht, wenn die Querschnittfläche des gemeinsamen Nehmerkolbens der Querschnittfläche eines Geberkolbens entspricht. Das Verhält­ nis der Stellkraft zum Stellweg kann durch das Verhältnis der gesamten Querschnittfläche der Gebereinheiten 22 zur gemein­ samen Querschnittfläche der Nehmereinheit 32 modifiziert wer­ den, wobei jedoch die Stellarbeit konstant bleibt, wenn nicht die Anzahl der Kupplungssteller 10 geändert wird.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 sind zwei Kupplungssteller 10 und 42 in einem Gehäuse 46 untergebracht. Die Elektromotoren 12 und 44 treiben Gewindespindeln 48 und 50 an, die mit Ge­ triebemuttern 52 und 54 zusammenarbeiten und diese entspre­ chend der Drehrichtung der Elektromotoren 12, 44 axial ver­ stellen. Die Getriebemuttern 52, 54 wirken auf Ausgänge 22, 60, wobei der Ausgang 22 eine hydraulische Gebereinheit ist, während der Ausgang 60 diversitär mechanisch konfiguriert ist. An die Ausgänge 22 und 60 schließen sich die Pfade 70 und 72 der Übertragungsstrecke 30 an. Dabei können die beiden Kupplungssteller 10 und 42, wie oben beschrieben, gemeinsam auf eine Kupplung 36 wirken oder zwei verschiedene Kupplungen 36 bedienen, die u. U. ein unterschiedliches Stellverhalten erfordern.

Auf die Getriebemuttern 52, 54 wirken Energiespeicher 56, 58 in Form von Federelementen, deren Vorspannung beim Schließen der Kupplungen 36 erhöht wird, und die beim Öffnen der Kupp­ lungen 36 die Kupplungssteller 10 und 42 unterstützen. Da­ durch wird das zum Öffnen der Kupplung 36 erforderliche Drehmoment des Elektromotors 12, 44 verringert und das zum Schließen der Kupplung 36 erforderliche Drehmoment dem Öff­ nungsdrehmoment angepasst. Ferner können durch die Energie­ speicher 56, 58 Unterschiede im Drehmomentverlauf der Kupp­ lungssteller 10 und 42 einander angeglichen werden.

Durch die redundante Anordnung der Kupplungssteller 10 und 42 sowie der redundanten Ausbildung der Pfade 70 und 72 wird die Ausfallsicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht und im besonderen Maße, wenn die Pfade 70 und 72 diversitär gestaltet werden, z. B. hydraulisch und mechanisch.

Die Elektromotoren 12 und 44 der Kupplungssteller 10 und 42 können gemeinsam auf einen Ausgang 22 oder 60 wirken, indem die axial verschiebbaren Gewindemuttern 52, 54 miteinander gekoppelt werden. In diesem Fall entfällt einer der Ausgänge 22 oder 60, je nach dem welches Übertragungsverhalten für den jeweiligen Anwendungsfall gewünscht wird.

Bei der Ausführung nach Fig. 6 treiben die Elektromotoren 12, 44 die Gewindespindel gemeinsam über eine Summierungsstufe 68 an, so dass am Ausgang 22 die summierte Stellarbeit der Elek­ tromotoren 12 und 44 zur Verfügung steht. Selbstverständlich kann über die Summierungsstufe auch die Gewindespindel 50 an­ getrieben werden, und zwar je nach dem, welches Übertragungs­ verhalten an den Ausgängen 22 oder 60 gewünscht wird.

Die Elektromotoren 12 der Kupplungssteller 10 nach Fig. 2 oder Fig. 3 und die Elektromotoren 12 und 44 nach Fig. 7 wer­ den von der gemeinsamen elektronischen Steuereinheit 40 ange­ steuert, während den Elektromotoren 12, 44 nach Fig. 4, Fig. 6 oder Fig. 8 separate Steuereinheiten 64, 66 zugeordnet sind. Bei der Ausführung nach Fig. 8 sind die separaten Steu­ ereinheiten 64, 66 nach dem Master-Slave-Prinzip miteinander gekoppelt, so dass eine der Steuereinheiten 64, 66 eine Füh­ rungsrolle übernimmt. Für die Steuereinheiten 64, 66 ist ein gemeinsamer elektrischer Anschluss 62 vorgesehen, der über einen Stecker 76 mit einem nicht näher dargestellten Bordnetz und externen Steuerelementen verbunden ist.

Bei allen Varianten werden die Elektromotoren 12, 44 zweckmä­ ßigerweise phasenverschoben, so dass sich ihre Anlaufströme nicht addieren. Ferner wird in vorteilhafter Weise der An­ laufstrom der einzelnen Elektromotoren 12, 44 begrenzt, so dass die Stromschwankungen im Bordnetz geringer gehalten wer­ den, als dies mit einem einzigen Elektromotor mit hoher Stromaufnahme möglich wäre.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Betätigen einer Kupplung, insbesondere für Kraftfahrzeugantriebe, mit einem elektronisch ansteuerba­ ren Kupplungssteller (10, 42), der einen Elektromotor (12, 44) und ein untersetzendes Stellgetriebe (14; 48, 52; 50, 54) umfasst und über eine Übertragungsstrecke (30) auf eine Kupp­ lung (36) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elek­ tromotoren (12, 44) gemeinsam parallel und/oder in Reihe auf eine Kupplung (36) wirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff von An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kupp­ lungssteller (10, 42) in einem gemeinsamen Gehäuse (46) un­ tergebracht sind, das mindestens zwei Ausgänge für verschie­ dene Kupplungen (36) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Übertragungsstrecke (30) mechanische, hydrauli­ sche und/oder pneumatische Summierungselemente aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke (30) me­ chanische, hydraulische und/oder pneumatische Umformer auf­ weist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke (30) meh­ rere Pfade (72, 74) aufweist, die diversitär ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Stellgetriebe (48, 52; 50, 54) jeweils ein axial verstellbares Element (52, 54) aufweisen, wobei mindestens zwei axial verstellbare Elemente (52, 54) zur gemeinsamen Bewegung miteinander gekoppelt sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektromotoren (12, 44) und den Stellgetrieben (14; 48, 52; 50, 54) eine Summie­ rungsstufe (68) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass für mindestens zwei Elektromotoren (12, 44) eine gemeinsame elektronische Steuereinheit (40) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass für mindestens zwei Elektromotoren (12, 44) jeweils eine separate Steuereinheit (64, 66) vorge­ sehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elektromotoren (12, 44) separaten Steuereinheiten (64, 66) zugeordnet sind, die nach dem Master-Slave-Prinzip miteinander gekoppelt sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (12) von den elektronischen Steuereinheiten (40, 64, 66) phasenversetzt angesteuert werden.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Energiespeicher (56, 58) vorgesehen ist, der die Elektromotoren (12, 44) wäh­ rend der Ausrückbewegung der Kupplung (36) unterstützt und sich während der Schließbewegung der Kupplung (36) auflädt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (56, 58) ein Federspeicher ist.