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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen des
durch eine Reibungskupplung von einer Primärwelle auf eine
Sekundärwelle übertragenen Drehmoments. Die Vorrichtung umfasst
ein Abstützelement und ein gegenüber dem Abstützelement
verdrehbares und axial verschiebbares Verstellelement, das zum Betätigen
der Reibungskupplung mit dieser in Wirkverbindung steht. Das Verstellelement
umfasst einen Zahnkranz und das Abstützelement und das
Verstellelement wirken über Kopplungselemente derart zusammen,
dass durch ein Verdrehen des Verstellelements relativ zu dem Abstützelement
eine Axialverschiebung des Verstellelements relativ zu dem Abstützelement
bewirkt wird.
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Derartige
Vorrichtungen werden beispielsweise in Verteilergetrieben von Kraftfahrzeugen
mit Allradantrieb zum steuerbaren Übertragen eines Antriebsmoments
auf eine Primärachse und/oder eine Sekundärachse
des Kraftfahrzeugs eingesetzt. Es sind beispielsweise Anordnungen
zum gesteuerten Einrücken einer Reibungskupplung bekannt,
bei welchen zwei über Kugelrillen und Kugeln gekoppelte Aktuatorringe
eingesetzt werden, um die gewünschte Umsetzung einer Verdrehbewegung
in eine Axialverschiebung zu erreichen. In der
DE 20 2005 017 525 ist ein Kupplungssystem
dieser Art beschrieben, wobei an dem verstellbaren Aktuatorring
eine Schrägverzahnung ausgebildet ist, in welche ein Schneckenrad
eingreift, das durch einen ansteuerbaren Elektromotor angetrieben
werden kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, den Aufbau dieser bekannten Vorrichtungen
der erläuterten Art zu vereinfachen und eine Senkung der
Herstellungskosten zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst, und insbesondere durch ein linear verschiebbares
Zahnstangenelement, das in Eingriff mit dem Zahnkranz des Verstellelements
steht, und eine elektrisch ansteuerbare Linearantriebseinrichtung
zum gesteuerten Verschieben des Zahnstangenelements.
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Die
elektrisch ansteuerbare Linearantriebseinrichtung ist in der Lage,
das Zahnstangenelement um einen vorgegebenen Betrag entlang einer
geraden Linie zu verschieben. Dies führt aufgrund des in das
Zahnstangenelement eingreifenden Zahnkranzes zu dem gewünschten
Verdrehen des Verstellelements und somit wiederum zu dessen axialer
Verschiebung. Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten
Anordnung aus Motor und Schneckenrad ermöglicht ein durch
eine Linearantriebseinrichtung angetriebenes Zahnstangenelement
jedoch eine günstigere Fertigung und eine einfachere Montage.
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Vorzugsweise
umfasst der Zahnkranz eine erste Geradverzahnung und das Zahnstangenelement
eine zweite Geradverzahnung, die miteinander in Eingriff stehen.
Eine Geradverzahnung ist einfacher und kostengünstiger
in der Herstellung als eine Schrägverzahnung.
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Bei
der elektrisch ansteuerbaren Linearantriebseinrichtung kann es sich
um ein beliebiges elektrisch aktivierbares Stellglied handeln. Beispielsweise
kann die Linearantriebseinrichtung ein in Bezug auf das Abstützelement
ortsfest angeordneter Hubmagnet sein. Alternativ kann die Linearantriebseinrichtung
ein Linearmotor sein. Derartige Linearantriebseinrichtungen sind
relativ kostengünstig.
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Das
Verstellelement kann gegenüber dem Abstützelement
zur Erzeugung einer Einrückbewegung der Reibungskupplung
vorgespannt sein. Da durch kann eine automatische Nachstellung der
Reibungskupplung erzielt werden, beispielsweise um eine verschleißbedingte Änderung
des Lüftspiels auszugleichen. Der Grad der Vorspannung
kann zum Beispiel derart gewählt sein, dass das Lüftspiel
der Reibungskupplung bei nicht angesteuerter Linearantriebseinrichtung
minimal, insbesondere im Wesentlichen gleich Null ist. Dies bedeutet,
dass das Verstellelement bei nicht aktivierter Linearantriebseinrichtung
stets an dem so genannten Kisspoint gehalten wird, also in der Stellung,
in welcher sich die Reibungskomponenten der Kupplung gerade berühren. Auf
diese Weise wird sichergestellt, dass eine axiale Verschiebung um
einen vorbestimmten Betrag auch bei fortschreitendem Verschleiß der
Reibungskomponenten stets mit dem gleichen Kupplungsmoment in Zusammenhang
steht.
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Vorzugsweise
ist die zweite Geradverzahnung breiter ausgebildet als die erste
Geradverzahnung, so dass bei einer Axialverschiebung des Verstellelements
das Zahnstangenelement mit dem Zahnkranz in Eingriff bleibt. Auf
diese Weise ist gewährleistet, dass die beiden Verzahnungen
auch bei einer axialen Verschiebung des Verstellelements, beispielsweise
aufgrund der oben erwähnten Verschleißnachstellung,
stets in vollständigem Eingriff stehen und optimal zusammenwirken.
Eine ungleichmäßige Belastung der Verzahnungskomponenten oder
gar ein Herausrutschen der einen Verzahnung aus der anderen wird
vermieden.
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Ein
Positionssensor zum Erfassen der linearen Position des Zahnstangenelements
kann vorgesehen sein, um die aktuelle Stellung des Zahnstangenelements
und somit die aktuelle Verdrehung des Verstellelements an eine Steuereinrichtung
zu melden. Die Steuereinrichtung kann die Positionsangabe verwenden,
um die Linearantriebseinrichtung zum Einstellen eines gewünschten
Kupplungsmoments korrekt anzusteuern.
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Wie
bereits oben erwähnt, können das Abstützelement
als Stützring und/oder das Verstellelement als Verstellring
ausgebildet sein. Eine ringförmige Ausbildung der beiden
Elemente ermöglicht ein Hindurchführen der Primärwelle
durch den Verstellmechanismus und ermöglicht eine gleichmäßige Kraftübertragung
auf eine konzentrisch zur Primärwelle angeordnete Einrückkomponente,
wie zum Beispiel eine Andruckplatte.
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Bevorzugt
ist die Reibungskupplung als Lamellenkupplung ausgebildet. Da es
insbesondere bei Verteilergetrieben erforderlich ist, nicht nur
ein weiches Einrücken, sondern auch einen längeren
Betrieb mit genau eingestelltem Kupplungsmoment zu ermöglichen,
kann die Lamellenkupplung ferner nasslaufend ausgebildet und in
ein Gehäuse integriert sein, welches Öl zum Kühlen
und Schmieren der reibenden Komponenten enthält.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verteilergetriebe, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße
Drehmomenteinstellvorrichtung umfasst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen erläutert.
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Reibungskupplung gemäß dem
Stand der Technik, die eine Vorrichtung zum Einstellen des zu übertragenden
Drehmoments aufweist.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Drehmomenteinstellvorrichtung.
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3 ist
eine teilweise Seitenansicht der in 2 dargestellten
Drehmomenteinstellvorrichtung.
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In 1 ist
ein Verteilergetriebe mit einer als Lamellenkupplung ausgebildeten
Reibungskupplung gezeigt. Diese besitzt innerhalb eines Gehäuses 11 eine
Kupplungsnabe 13, die drehfest mit einer angetriebenen
Primärwelle 15 verbunden ist. Über jeweilige
Reiblamellen 17 kann die Kupplungsnabe 13 reibschlüssig
mit einem Kupplungskorb 19 gekoppelt werden, der um die
Zentralachse A der Kupplung bzw. der Primärwelle 15 drehbar
gelagert ist und über eine Stirnradverzahnung 21 mit
einer (nicht dargestellten) Sekundärwelle gekoppelt ist.
Der Reibschluss zur Übertragung eines Drehmoments zwischen
Kupplungsnabe 13 und Kupplungskorb 19 wird mittels
einer Druckplatte 23 bewirkt, die entgegen der Vorspannung
einer Tellerfederanordnung 25 axial verschiebbar ist und
hierdurch die jeweiligen Reiblamellen 17 von Kupplungsnabe 13 und
Kupplungskorb 19 aneinander presst.
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Um
die Druckplatte 23 wahlweise entgegen der Vorspannung verschieben
und die Kupplung hierdurch betätigen zu können,
sind ein Stützring 27 und ein Verstellring 29 vorgesehen,
die koaxial zueinander sowie bezüglich der Zentralachse
A angeordnet sind. Der Stützring 27 ist in dem
Gehäuse 11 drehfest und axial unverschiebbar gehalten.
Zu diesem Zweck stützt sich der Stützring 27 zum
einen mittels eines Radiallagers 31 und eines Axiallagers 33 an
der Primärwelle 15 bzw. einem Abschnitt 35 der
Primärwelle 15 ab und wird er zum anderen durch
formschlüssige Verbindung mit einem nicht dargestellten
Sicherungsabschnitt des Gehäuses 11 drehfest gehalten. Der
Verstellring 29 ist gegenüber dem Stützring 27 drehbar
und axial verschiebbar gelagert und mittels eines Axiallagers 37 an
der Druckplatte 23 abgestützt.
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An
den einander zugewandten Seiten besitzen der Stützring 27 und
der Verstellring 29 jeweils mehrere Kugelrillen 39 bzw. 41.
Diese verlaufen bezüglich der Zentralachse A entlang einer
jeweiligen Umfangsrichtung. Jeweils eine Kugelrille 39 des Stützrings 27 und
eine Kugelrille 41 des Verstellrings 29 stehen
einander gegenüber und umschließen hierdurch jeweils
eine zugeordnete Kugel 43. Die Kugelrillen 39, 41 sind
bezüglich der Normalebene der Zentralachse A geneigt, d.
h. die Kugelrillen 39, 41 besitzen entlang des
genannten umfänglichen Verlaufs eine variierende Tiefe.
Hierdurch wird erreicht, dass eine Drehbewegung des Verstellrings 29 relativ zu
dem drehfest gehaltenen Stützring 27 zu einer
axialen Verschiebung des Verstellrings 29 führt,
so dass durch eine derartige Drehbewegung des Verstellrings 29 die
Druckplatte 23 axial versetzt und die Kupplung hierdurch
betätigt werden kann. Die von der Tellerfederanordnung 25 bewirkte
Vorspannung gewährleistet hierbei, dass in jeder Drehposition
des Verstellrings 29 relativ zu dem Stützring 27 die
jeweilige Kugel 43 in den zugeordneten Kugelrillen 39, 41 gefangen
bleibt. An dem Verstellring 29 ist radial außen entlang
eines Winkelbereichs ein Kopplungsabschnitt 47 angeformt,
an dem eine nicht dargestellte Schrägverzahnung ausgebildet
ist. Über eine ebenfalls nicht dargestellte Anordnung aus
Schraubradwelle und Antriebsmotor kann der Kopplungsabschnitt 47 und
somit der Verstellring 29 gegenüber dem feststehenden
Stützring 27 verdreht werden, um so eine Axialverschiebung
des Verstellrings 29 herbeizuführen. Aufgrund
der Schrägverzahnung und deren Eingriff in die Schraubradwelle
kann es bei einer Axialverschiebung des Verstellrings 29 zu
einer erhöhten Reibung kommen.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einstellen
des durch eine Reibungskupplung übertragenen Drehmoments.
Die Vorrichtung kann grundsätzlich in einem Verteilergetriebe
gemäß 1 eingesetzt werden, weshalb
bei gleichen oder entsprechenden Bauteilen auf 1 Bezug
genommen wird. Die Vorrichtung umfasst einen Verstellring 29',
der gegenüber dem Verstellring 29 gemäß 1 insofern
abgewandelt ist, als an ihm kein separater Kopplungsabschnitt 47 mit
Schrägverzahnung angeformt ist. Stattdessen ist direkt
an seinem Umfang ein Zahnkranz 51 ausgebildet, der mit
einem Zahnstangenelement 61 in Eingriff steht. Es ist zu
beachten, dass der Zahnkranz 51 auch bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung an einem separaten Bauteil ausgebildet sein kann und/oder
sich lediglich entlang eines begrenzten Winkelbereichs erstrecken
kann.
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Der
Zahnkranz 51 weist eine erste Geradverzahnung 65 auf
und das Zahnstangenelement 61 weist eine zweite Geradverzahnung 67 auf,
die zum Eingriff in die erste Geradverzahnung 65 ausgebildet ist.
Das Zahnstangenelement 61 ist derart angeordnet, dass es
mit dem Zahnkranz 51 in Eingriff steht, und kann über
einen mit ihm gekoppelten Hubmagneten 63 in einer quer
zur Hauptachse A weisenden Richtung V linear verschoben werden.
Anstelle des Hubmagneten 63 kann auch ein Linearmotor oder eine ähnliche
geradlinige Stellvorrichtung vorgesehen sein. Der Hubmagnet 63 kann
direkt an dem Zahnstangenelement 61 befestigt sein oder über
ein separates Kopplungselement mit diesem in Wirkverbindung stehen.
Zum Einstellen eines gewünschten zu übertragenden
Drehmoments durch die Reibungskupplung ermittelt eine der Reibungskupplung zugeordnete
Steuereinrichtung 72 die dem gewünschten Drehmomentbetrag
zugeordnete Position des Zahnstangenelements 61 und steuert
dementsprechend den Hubmagnet 63 über eine Steuerleitung 71 an.
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Das Übersetzungsverhältnis
zwischen der Linearverschiebung des Zahnstangenelements 61 und
der Axialverschiebung des Verstellrings 29' kann derart
gewählt sein, dass der Gesamthub des Zahnstangenelements 61 ausreichend
groß für eine exakte Ansteuerung des Hubmagneten 63 ist.
Ein üblicher Wert für den axialen Gesamthub des
Verstellrings 29' ist beispielsweise 0,5 mm. Bei einem
gewählten Übersetzungsverhältnis von
40 beträgt der Gesamthub des Zahnstangenelements 61 somit
20 mm. Positionen innerhalb eines Gesamthubs dieser Größenordnung
können von gängigen Hubmagneten 63 mit ausreichender
Genauigkeit angefahren werden.
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Um
die jeweils aktuelle Position des Zahnstangenelements 61 und
somit die Drehstellung des Verstellrings 29' zu erfassen,
ist ein Positionssensor 69 vorgesehen. Bei dem Positionssensor 69 kann
es sich beispielsweise um einen magnetischen oder optischen Sensor
handeln, welcher mit einem entsprechenden am Zahnstangenelement 61 angebrachten Maßstab
(nicht dargestellt) zusammenwirkt. Es sind jedoch verschiedene andere
Arten von Positionssensoren geeignet, um die Stellung des Zahnstangenelements 61 messtechnisch
zu erfassen. Der Positionssensor 69 gibt die erfasste Position über
eine Signalleitung 70 an die Steuereinrichtung 72 aus.
Eine Kalibrierung des Positionssensors 69 in regelmäßigen
Abständen kann zweckmäßig sein, um eine
Umrechnung von relativen Positionsangaben, also Positionsänderungen,
in absolute Positionsangaben zu ermöglichen. Zu diesem
Zweck kann beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Verteilergetriebes
die dem Kisspoint entsprechende Position ermittelt und als Grundstellung
festgelegt werden.
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3 zeigt
schematisch die in 2 dargestellte Anordnung aus
Stützring 27 und Verstellring 29' in
vergrößerter Darstellung. Zwischen dem Stützring 27 und
dem Verstellring 29' ist ein Federelement 68 angeordnet,
welches eine Vorspannung des Verstellrings 29' gegenüber
dem Stützring 27 zur Erzeugung einer Einrückbewegung
der Reibungskupplung bewirkt. Bei dem Federelement 68 kann
es sich beispielsweise um eine Spiralfederanordnung handeln, welche
den Verstellring 29' entsprechend einer Einrückbewegung
dreht. Durch Anpassen der Charakteristik des Federele ments 68 kann
erreicht werden, dass der Verstellring 29' bei nicht angesteuerter
Linearantriebseinrichtung 63 stets bis zu dem Kisspoint der
Reibungskupplung verstellt wird, also in eine Grundstellung gebracht
wird, die einem unmittelbaren Berühren der Kupplungslamellen
entspricht. Das Lüftspiel der Reibungskupplung wird bei
einer derartigen Anordnung also stets bei Null gehalten, um so verschleißbedingte Änderungen
der Kupplungscharakteristik, beispielsweise durch einen Abrieb und eine
dementsprechende Dickenabnahme der Kupplungslamellen, zu kompensieren.
Wie in 3 zu erkennen ist, ist die zweite Geradverzahnung 67 breiter ausgebildet
als die erste Geradverzahnung 65, um zu gewährleisten,
dass bei einer Axialverschiebung des Verstellrings 29' das
Zahnstangenelement 61 mit dem Zahnkranz 51 in
Eingriff bleibt. Dadurch dass der Zahnkranz 51 mit dem
Zahnstangenelement 61 über Geradverzahnungen in
Eingriff steht, ist eine Axialverschiebung des Verstellrings 29' bei
gleichzeitiger Verdrehung desselben problemlos möglich.
Verspannungen oder eine erhöhte Reibung, wie sie bei einer
Schrägverzahnung auftreten würden, werden vermieden.
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Der
Zahnkranz 51 und das Zahnstangenelement 61 können
auf kostengünstige und einfache Weise als Sintermetallteile
gefertigt werden und erfordern keine weitergehende Nachbearbeitung.
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Insgesamt
wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung somit
eine wesentlich einfachere und kostengünstigere Fertigung
eines Verstellmechanismus für ein Verteilergetriebe ermöglicht.
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- 11
- Gehäuse
- 13
- Kupplungsnabe
- 15
- Primärwelle
- 17
- Reiblamellen
- 19
- Kupplungskorb
- 21
- Stirnradverzahnung
- 23
- Druckplatte
- 25
- Tellerfederanordnung
- 27
- Stützring
- 29
- Verstellring
- 29'
- Verstellring
- 31
- Radiallager
- 33
- Axiallager
- 35
- Abschnitt
der Primärwelle
- 37
- Axiallager
- 39
- Kugelrille
- 41
- Kugelrille
- 43
- Kugel
- 47
- Kopplungsabschnitt
- 51
- Zahnkranz
- 61
- Zahnstangenelement
- 63
- Hubmagnet
- 65
- erste
Geradverzahnung
- 67
- zweite
Geradverzahnung
- 68
- Federelement
- 69
- Positionssensor
- 70
- Signalleitung
- 71
- Steuerleitung
- 72
- Steuereinrichtung
- A
- Zentralachse
- V
- Verschieberichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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