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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Schaltelementes mit zwei Schaltelementhälften gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 naher definierten Art.
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Allradfahrzeugantriebsstränge werden in zunehmendem Umfang mit reibschlüssigen Schaltelementen ausgeführt, über die jeweils ein von einem Verbrennungsmotor erzeugtes Antriebsmoment, das im Bereich eines dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Getriebes in Abhängigkeit einer aktuell im Getriebe eingelegten Gesamtübersetzung betriebszustandsabhängig gewandelt wird, mit variierbaren Verteilungsgraden zwischen zwei antreibbaren Fahrzeugachsen des Allradantriebsstranges verteilbar ist, um ein Fahrverhalten eines Allradfahrzeuges beispielsweise zur Erhöhung der Fahrsicherheit beeinflussen zu können.
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Hierfür ist die Übertragungsfähigkeit derartiger Schaltelemente betriebszustandsabhängig mit hoher Stelldynamik zu verändern. Dabei werden oftmals elektromechanisch ausgeführte Antriebsmaschinen vorgesehen, die mit einer elektrischen Antriebsmaschine und einer Antriebswandlereinrichtung ausgebildet sind, wobei die Antriebswandlereinrichtung zwischen der Antriebsmaschine und dem Schaltelement angeordnet ist. Im Bereich der Antriebswandlereinrichtung wird eine rotatorische Antriebsbewegung der Antriebsmaschine in eine translatorische Betätigungsbewegung des Schaltelementes umgewandelt.
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In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles ist im Bereich der Antriebswandlereinrichtung eine Übersetzungsstufe vorgesehen, um den rotatorischen Antrieb der Antriebsmaschine bzw. das von der Antriebsmaschine zur Verfügung gestellte Antriebsmoment anwendungsfallabhängig auf ein erforderliches Niveau transformieren zu können. Dabei werden als Übersetzungsstufen Stirnradstufen, Schneckengetriebe, Kurvenscheiben, Spindelsysteme oder Kugel-Rampen-Systeme verwendet.
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Durch anwendungsfallabhängige Auslegung der Antriebswandlereinrichtung und die daraus resultierende Übersetzung zwischen der Antriebsmaschine und einer Anpressscheibe des von der Antriebsmaschine zu betätigenden Schaltelementes ist die für die gewünschte Funktionsweise des Schaltelementes erforderliche Höhe der in Schließrichtung des Schaltelementes an diesem anzulegenden Betätigungskraft und das wiederum damit korrespondierende Antriebsmoment der Antriebsmaschine sowie eine daraus resultierende Stelldynamik variierbar bzw. einstellbar.
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Die Auslegung der Leistungsfähigkeit der Antriebsmaschine erfolgt in Abhängigkeit der gewünschten Stellzeit bzw. Schließzeit des Schaltelementes, einem Lüftspiel im Bereich eines reibschlüssigen Schaltelementes, der Bauteilelastizitäten des reibschlüssigen Schaltelementes, der Bauteilelastizitäten von weiteren im Kraftfluss vorhandenen Bauelementen, einer Massenträgheit der Antriebsmaschine sowie der Höhe der Übersetzung zwischen der Antriebsmaschine und dem von der Antriebsmaschine zu betätigenden Schaltelement. Zusätzlich wird bei der Auslegung der Antriebsmaschinen und der damit kombinierten Antriebswandlereinrichtungen auch ein über der Betriebsdauer eines Schaltelementes auftretender Verschleiß berücksichtigt, da eine verschleißbedingte Vergrößerung des Lüftspiels zu einer Erhöhung des Stellweges führt.
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Ist eine Übertragungsfähigkeit eines reibschlüssigen Schaltelementes in Abhängigkeit einer entsprechenden Anforderung während eines Betriebes eines Allradantriebsstranges auf einen bestimmten beispielsweise von einem Fahrzeugrechner vorgegebenen Drehmomentwert einzustellen und anschließend für längere Betriebszeiten auf diesem Niveau zu halten, ist seitens der Antriebsmaschine dauerhaft eine Haltekraft zur Verfügung zu stellen. Bei der Ausführung der Antriebsmaschine als Elektromotor ist dieser zum Halten des Niveaus der Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes dauerhaft mit einem hierzu äquivalenten Stromwert zu bestromen. Eine derartige Dauerstromentnahme ist jedoch unerwünscht, da sie einerseits eine Belastung der elektrischen und elektronischen Komponenten verursacht und andererseits einen Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeuges erhöht.
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Um während einer vorbeschriebenen Haltephase der Übertragungsfähigkeit eines reibschlüssigen Schaltelementes den Strombedarf für den Betrieb eines Elektromotors zu reduzieren, werden bei bekannten Systemen verschiedene Maßnahmen vorgesehen.
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So sind beispielsweise jeweils im Übersetzungspfad zwischen einem Elektromotor und des reibschlüssigen Schaltelementes Getriebe vorgesehen, die mit einer Selbsthemmung ausgeführt sind. Über die Selbsthemmung des zusätzlichen Getriebes wird erreicht, dass die Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes bei geringen Betätigungsströmen des Elektromotors auf einem gewünschten Niveau haltbar ist und eine Veränderung der Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes nur bei höheren Antriebsmomenten der elektrischen Maschine erfolgt.
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Betätigungssysteme mit Selbsthemmung erfordern aufgrund des im Bereich des mit Selbsthemmung ausgeführten Getriebes vorliegenden niedrigen Verzahnungswirkungsgrades über den gesamten Betriebsbereich eines Schaltelementes nachteilhafterweise ein höheres antriebsmaschinenseitiges Drehmoment als Betätigungssysteme ohne Selbsthemmung. Höhere Betätigungskräfte sind jedoch nur mit Antriebsmaschinen zur Verfügung stellbar, die eine entsprechende Leistungsfähigkeit aufweisen. Elektromotoren mit höherer Leistungsfähigkeit benötigen einen größeren Bauraum und sind durch eine höhere Leistungsaufnahme gekennzeichnet.
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Um ein Betätigungssystem mit Selbsthemmung mit geringem Bauraumbedarf ausführen zu können, besteht die Möglichkeit, eine Übersetzung zwischen der Antriebsmaschine und dem Schaltelement entsprechend zu erhöhen, wodurch jedoch eine Stelldynamik in nicht unerheblichem Umfang beeinträchtigt wird. Des Weiteren stellt eine üblicherweise rechtwinklige Anordnung eines Schnecken- oder Schraubradsatzes eine bauraumungünstige Ausführung dar.
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Alternativ hierzu ist es bekannt, im Bereich des Elektromotors oder an einer anderen Stelle im Kraftpfad des Stellsystems zwischen der elektrischen Maschine und der reibschlüssigen Kupplung eine elektromagnetische Bremse vorzusehen, die in Betriebsphasen des reibschlüssigen Schaltelementes, während welchen die Übertragungsfähigkeit im Wesentlichen konstant zu halten ist, in geschlossenem Betriebszustand eine Veränderung der Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes verhindert. Damit ist der Betätigungsstrom des Elektromotors in geschlossenem Betriebszustand der elektromagnetischen Bremse unter Umständen in erheblichem Umfang reduzierbar.
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Der Einsatz elektromagnetischer Haltebremsen verursacht jedoch zusätzlichen Steuer- und Regelaufwand und erfordert entsprechende Hardware für die Betätigung der elektromagnetischen Bremse, wodurch höhere Fertigungs- und Entwicklungskosten entstehen. Zusätzlich ist der über die elektromagnetische Bremse zur Verfügung stellbare Halteeffekt bei häufigen Anforderungen für einen Betriebszustandswechsel des zu betätigenden reibschlüssigen Schaltelementes aufgrund der systemimmanenten Stelldynamik der elektromagnetischen Haltebremsen nicht in gewünschtem Umfang nutzbar, womit ein für den Betrieb des Elektromotors erforderlicher Strombedarf nicht in gewünschtem Umfang reduzierbar ist.
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Elektromechanisch betätigbaren Anfahrkupplungen von Getriebeeinrichtungen sind so genannte Kompensationsmechaniken zugeordnet, die einen Stellvorgang reibschlüssiger Kupplungen unterstützen und mit welchen ein Strombedarf eines Elektromotors mit geringem Steuer- und Regelaufwand auf kostengünstige Art und Weise reduzierbar ist. Die Kompensationsmechaniken umfassen üblicherweise ein während einer Montage vorgespanntes Federsystem, das während der Betätigung eines Schaltelementes in Schließrichtung des Schaltelementes wirkt und das Ihre gespeicherte Federkraft wegabhängig abbaut. Die in Schließrichtung wirkende Unterstützung einer Kompensationsmechanik ist konstruktionsseitig beliebig vorgebbar und ist zudem in Abhängigkeit einer im Bereich des zu betätigenden Schaltelementes in Öffnungsrichtung wirkenden Kraftkennlinie gestaltbar. Die Kompensationsmechanik ist beispielsweise derart in Abhängigkeit der Kraftkennlinie des Schaltelementes auslegbar, dass über den Elektromotor und die Antriebswandlereinrichtung nur eine geringe Betätigungskraft zur Verfügung zu stellen ist, um eine Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes zu verändern, wobei die vom Elektromotor aufzubringende Kraft nur eine Betriebszustandsänderung im Bereich der Antriebswandlereinrichtung ohne zusätzliche äußere Kraft zu bewirken hat.
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Stellsysteme für Schaltelemente, welche mit Kompensationsmechaniken bzw. Kompensationseinrichtungen ausgeführt sind, bieten im Vergleich zu Systemen mit einer Selbsthemmung oder einer elektromagnetischen Bremse den Vorteil, dass bereits während der Montage eine Kraft gespeichert wird, die der in Öffnungsrichtung des Schaltelementes wirkenden Betätigungskraft des Schaltelementes in Abhängigkeit des axialen Betätigungsweges des Schaltelementes entgegensteht und der Elektromotor in Abhängigkeit der Auslegung des Betätigungssystems für das Schaltelement im Wesentlichen nur noch eine geringe Restkraft während der Betätigung des Schaltelementes überwinden muss. Ist die über die Kompensationsmechanik zur Verfügung gestellte Kompensationskraft geringer als die während der Betätigung im Bereich des Schaltelementes auftretende und in Öffnungsrichtung des Schaltelementes wirkende Gegenkraft, geht das Schaltelement in stromlosem Betriebszustand des Elektromotors anforderungsgemäß in seinen geöffneten Betriebszustand über. Im Betrieb jeweils im Bereich der Kompensationseinrichtung oder im Bereich des Schaltelementes gespeicherte Federenergien, die aus Bauteilelastizitäten der Kompensationseinrichtung und des Schaltelementes resultieren, werden zwischen der Kompensationseinrichtung und dem Schaltelement ausgetauscht.
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Die über die bekannten Kompensationseinrichtungen zur Verfügung stellbaren Kompensationskräfte sind bei entsprechend bauraumgünstigen Ausführungen limitiert, womit eine über den Elektromotor während Haltephasen zur Verfügung stellbare Antriebsleistung nicht in gewünschtem Umfang reduzierbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mit geringem Steuer- und Regelaufwand und hohem Wirkungsgrad betreibbare sowie bauraumgünstige Vorrichtung zum Betätigen eines Schaltelementes mit zwei Schaltelementhälften zur Verfügung zu stellen, mit der eine Leistungsaufnahme einer Antriebsmaschine im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Betätigungssystemen während Haltephasen ohne Beeinträchtigung einer Stelldynamik in gewünschtem Umfang reduzierbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betätigen eines Schaltelementes mit zwei Schaltelementhälften, die zur Verbindung wenigstens zweier Bauteile miteinander in Wirkverbindung bringbar sind oder zum Trennen der Verbindung zwischen den Bauteilen außer Eingriff führbar sind, ist mit einer Antriebsmaschine und mit einer Antriebswandlereinrichtung ausgeführt, in deren Bereich eine rotatorische Antriebsbewegung der Antriebsmaschine in eine translatorische Betätigungsbewegung des Schaltelementes umwandelbar ist. Zwischen einer Motorausgangswelle der Antriebsmaschine und der Antriebswandlereinrichtung ist eine Getriebeeinrichtung vorgesehen.
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Eine erste Schaltelementhälfte einer reibschlüssigen Bremse ist in axialer Richtung fest mit der Motorausgangswelle der Antriebsmaschine verbunden, wobei die erste Schaltelementhälfte bei Vorliegen einer zu einer Öffnungsbewegung des Schaltelementes äquivalenten Drehrichtung der Motorausgangswelle über eine Freilaufeinrichtung mit dieser drehfest gekoppelt ist. Bei Vorliegen einer der Öffnungsbewegung des Schaltelementes entgegenwirkenden Schließkraft liegt im Bereich der Motorausgangswelle jeweils eine aus einer Verzahnungsgeometrie im Bereich der Getriebeeinrichtung resultierende Axialkraft an, über die die erste Schaltelementhälfte der Bremse mit einer axial festgelegten und drehfest ausgeführten zweiten Schaltelementhälfte in Reibeingriff führbar ist, wobei die an der Motorausgangswelle anliegende Axialkraft dann im Bereich der Bremse abstützbar ist. Bei Vorliegen einer in Öffnungsrichtung des Schaltelementes wirkenden Öffnungskraft liegt im Bereich der Motorausgangswelle jeweils eine aus einer Verzahnungsgeometrie im Bereich der Getriebeeinrichtung resultierende Axialkraft an, über die die erste Schaltelementhälfte der Bremse aus dem Reibeingriff mit der zweiten Schaltelementhälfte führbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbindet auf einfache Art und Weise die Vorteile einer Stelleinrichtung, die während einer Schließphase des Schaltelementes, während der eine Übertragungsfähigkeit eines vorzugsweise als reibschlüssiges Schaltelement ausgeführten Schaltelementes erhöht wird, mit einem hohen Wirkungsgrad betreibbar ist und die während einer Haltephase, während welcher eine Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes im Wesentlichen konstant zu halten ist, mit einem schlechten Wirkungsgrad betreibbar ist bzw. die eine einer im Bereich des Schaltelementes in Öffnungsrichtung wirkenden Öffnungskraft entgegenwirkende Schließkraft zur Verfügung stellt, um eine Leistungsaufnahme insbesondere während einer Haltephase auf einfache Art und Weise im Vergleich zu bekannten Betätigungsvorrichtungen reduzierbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt die letztbeschriebene Vorteile mit einer lastsensitiven und drehrichtungsabhängig wirkenden Bremse im Bereich der Antriebsmaschine zur Verfügung, wobei die Lastsensitivität der Bremse auf einfache Art und Weise in Abhängigkeit der jeweils aus der Verzahnungsgeometrie im Bereich der Getriebeeinrichtung resultierenden und jeweils im Bereich der Motorausgangswelle anliegenden Axialkraft abgeleitet wird, während die Richtungssensitivität über den zwischen der Motorausgangswelle und der ersten Schaltelementhälfte der Bremse vorgesehene Freilaufeinrichtung in Abhängigkeit der Drehrichtung der Motorausgangswelle funktional zur Verfügung gestellt wird.
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Wird das Schaltelement anforderungsgemäß über die Antriebsmaschine in Schließrichtung betätigt, ist die erste Schaltelementhälfte der reibschlüssigen Bremse im Bereich des Freilaufes von der Motorausgangswelle entkoppelt, womit der Reibschluss zwischen der ersten Schaltelementhälfte und der zweiten Schaltelementhälfte der reibschlüssigen Bremse der antriebsmaschinenseitigen Betätigung des Schaltelementes nicht entgegenwirkt und gleichzeitig die an der Motorausgangswelle angreifende und aus der Verzahnungsgeometrie im Bereich der Getriebeeinrichtung resultierende Axialkraft über die beiden miteinander verbundenen Schaltelementhälften der reibschlüssigen Bremse im Bereich der zweiten Schaltelementhälfte abgestützt wird.
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Ist der angeforderte Betriebszustand des Schaltelementes erreicht und wird die Antriebskraft im Bereich der Antriebsmaschine zur Reduzierung einer einen Wirkungsgrad beeinträchtigenden Leistungsaufnahme der Antriebsmaschine herabgesetzt, wird eine Betätigung des Schaltelementes ausgehend von der Antriebsmaschine in Schließrichtung unterbrochen, wobei die Reduktion der Antriebsleistung der Antriebsmaschine jedoch nicht zu einem Flankenwechsel im Bereich der Verzahnung der Getriebeeinrichtung führt und im Bereich der Motorausgangswelle nach wie vor die die beiden Schaltelementhälften miteinander in Reibeingriff führende Axialkraft angreift. Da im Bereich des zumindest teilweise geschlossenen Schaltelementes eine das Schaltelement in Öffnungsrichtung beaufschlagende Öffnungskraft wirkt, wird die Motorausgangswelle von dieser Öffnungskraft zumindest minimal ohne Zahnflankenwechsel im Bereich der Getriebeeinrichtung in eine zu einer Öffnungsrichtung des Schaltelementes äquivalenten Drehrichtung gedreht, was zum Schließen des Freilaufes führt. Da die beiden Schaltelementhälften der Bremse aufgrund der an der Motorausgangswelle anliegenden Axialkraft in Reibeingriff stehen, wird die Motorausgangswelle von der reibschlüssigen Verbindung im Bereich der Bremse in Abhängigkeit der jeweils eingestellten Höhe der Reibkraft im Bereich der Bremse zumindest teilweise gehalten, womit ein konstant angeforderter Wert der Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes mit in Schließrichtung des Schaltelementes wirkendem reduziertem Antriebsmoment im Bereich der Antriebsmaschine gehalten werden kann.
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Des Weiteren ist über die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine gewünscht hohe Stelldynamik während eines Öffnungsvorganges des Schaltelementes gewährleistet, da bei einem in Öffnungsrichtung des Schaltelementes wirkenden Antriebes durch die Antriebsmaschine an der Motorausgangswelle eine die beiden Schaltelementhälften der reibschlüssigen Bremse aus dem Reibeingriff führende Axialkraft angreift, die ebenfalls aus der Verzahnungsgeometrie im Bereich der Getriebeeinrichtung resultiert. Die antriebsmaschinenseitige Betätigung des Schaltelementes wird trotz der dann geschlossenen Freilaufeinrichtung von der Bremse nicht beeinträchtigt, da die erste Schaltelementhälfte nicht in Reibeingriff mit der zweiten Schaltelementhälfte steht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als vormontierbares Modul ausführbar, wenn die zweite Schaltelementhälfte mit einem Gehäusebereich der Antriebsmaschine verbindbar ausgebildet ist.
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Eine ebenfalls vormontierbare und zusätzlich bauraumgünstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt dann vor, wenn die zweite Schaltelementhälfte ein Gehäuseteil der Antriebsmaschine ist.
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Die miteinander in Reibeingriff bringbaren Reibflächen der Schaltelementhälften der Bremsen sind bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform im Wesentlichen zueinander parallel angeordnet und des Weiteren im Wesentlichen senkrecht zu einer Symmetrielinie der Motorausgangswelle ausgerichtet, während die miteinander in Reibeingriff bringbaren Reibflächen der Schaltelementhälften der Bremse bei einer weiteren Ausführungsform die Symmetrielinie der Motorausgangswelle in einem spitzen Winkel schneiden. Letztgenannte Ausführungsform bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, die Bremse als Konusbremse auszuführen, wobei über den Konuswinkel ein anwendungsfallabhängiger Verstärkungsfaktor einstellbar ist.
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Ist eine im Bereich der Bremse zur Verfügung stellbare und einer Öffnungsbewegung des Schaltelementes entgegenstehende Schließreibkraft, die in Abhängigkeit der aus der Verzahnungsgeometrie im Bereich der Getriebeeinrichtung resultierenden und an der Motorausgangswelle angreifenden Axialkraft steht, derart ausgelegt, dass das Schaltelement entgegen der Schließreibkraft in einen vollständig geöffneten Betriebszustand überführbar ist, geht das Schaltelement selbst bei einem Funktionsausfall der Antriebsmaschine ohne entsprechenden antriebsmaschinenseitigen Antrieb in seinen vollständig geöffneten Betriebszustand über.
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Ist dagegen eine im Bereich der Bremse zur Verfügung stellbare und einer Öffnungsbewegung des Schaltelementes entgegenstehende Schließreibkraft, die in Abhängigkeit der aus der Verzahnungsgeometrie im Bereich der Getriebeeinrichtung resultierenden und an der Motorausgangswelle angreifenden Axialkraft resultiert, derart ausgelegt, dass das Schaltelement von der Schließreibkraft in einem aktuell vorliegenden Betriebszustand haltbar ist, ist eine Leistungsaufnahme der Antriebsmaschine besonders während Haltephasen des Schaltelementes, während welchen eine Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes im Wesentlichen konstant einzustellen ist, auf ein Minimum reduzierbar.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betätigen eines Schaltelementes.
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In der Figur ist eine Vorrichtung 1 zum Betätigen eines vorliegend als reibschlüssige Kupplung ausgeführten Schaltelementes 2 bzw. zum Verändern eines Betriebszustandes des Schaltelementes 2 dargestellt. Das Schaltelement 2 umfasst zwei Schaltelementhälften 3, 4, die zur Verbindung zweier Bauteile miteinander in Wirkverbindung bringbar sind oder zum Trennen der Verbindung zwischen den Bauteilen außer Eingriff führbar sind. Das Schaltelement 2 bzw. die Lamellenkupplung ist vorliegend eine Allradverteilerkupplung eines Allradfahrzeugantriebsstranges, über die in Abhängigkeit der jeweils eingestellten Übertragungsfähigkeit ein von einem Antriebsmotor des Allradfahrzeugantriebsstranges zur Verfügung gestelltes Antriebsmoment mit variierbaren Verteilungsgraden zwischen zwei antreibbaren Fahrzeugachsen des Allradantriebsstranges verteilbar ist. In vollständig geöffnetem Betriebszustand des Schaltelementes 2 wird das Antriebsmoment des Antriebsmotors vollständig in Richtung einer antreibbaren Fahrzeugachse geführt.
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Zur Betätigung des Schaltelementes 2 umfasst die Vorrichtung eine vorliegend als Elektromotor ausgeführte Antriebsmaschine 5 und eine zwischen der Antriebsmaschine 5 und dem Schaltelement 2 angeordnete Antriebswandlereinrichtung 6, in deren Bereich eine rotatorische Antriebsbewegung der Antriebsmaschine 5 in eine translatorische Betätigungsbewegung des Schaltelementes 2 umwandelbar ist.
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In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht auch die Möglichkeit, die Antriebsmaschine 5 als hydraulischen Motor oder dergleichen auszuführen, mit welchem der für die Betätigung des Schaltelementes 2 erforderliche rotatorische Antrieb in gewünschtem Umfang zur Verfügung stellbar ist.
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Die Antriebswandlereinrichtung 6 umfasst vorliegend zwei miteinander in Wirkverbindung stehende Einrichtungen 7, 8, die als Kugel-Rampen-Scheiben ausgebildet sind und Teile eines Kugel-Rampen-Systems darstellen. Zwischen den Kugel-Rampen-Scheiben 7 und 8, die in an sich bekannter Art und Weise mit Kugelsteuerflächen ausgeführt sind, sind Kugelelemente 9 angeordnet, womit eine Drehbewegung der axial festgelegten Kugel-Rampen-Scheibe 7 gegenüber der Kugel-Rampen-Scheibe 8, die in axialer Richtung bewegbar ausgeführt und rotatorisch festgelegt ist, eine axiale Verstellung der Kugel-Rampen-Scheibe 8 zur Folge hat. Dabei wird die Kugel-Rampen-Scheibe 8 in Abhängigkeit der im Bereich der Antriebsmaschine 5 eingestellten Antriebsdrehrichtung entweder in Richtung des Schaltelementes 2 oder von diesem weg bewegt.
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Die Kugel-Rampen-Scheibe 7 ist vorliegend ein Teil einer Getriebeeinrichtung 10, die zwischen einer Motorausgangswelle 11 der Antriebsmaschine 5 und der Antriebswandlereinrichtung 6 vorgesehen ist. Die Getriebeeinrichtung 10 ist vorliegend als Stirnradstufe mit Schrägverzahnung ausgeführt, wobei die Kugel-Rampen-Scheibe 7 mit einem mit der Motorausgangswelle 11 drehfest verbundenen schrägverzahnten Stirnrad 12 kämmt.
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Eine erste Schaltelementhälfte 13 einer reibschlüssigen Bremse 14 ist in axialer Richtung fest mit der Motorausgangswelle 11 verbunden, wobei die erste Schaltelementhälfte 13 bei Vorliegen einer zu einer Öffnungsbewegung des Schaltelementes 2 äquivalenten Drehrichtung der Motorausgangswelle 11 über eine Freilaufeinrichtung 15 drehfest mit der Motorausgangswelle 11 verbunden ist.
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Die erste Schaltelementhälfte 13 der Bremse 14 ist vorliegend über eine Lagerscheibe 16, die über einen in einer Ringnut 26 der Motorausgangswelle 11 montierten Wellenring 17 in axialer Richtung gehalten ist, in axialer Richtung unverschieblich auf der Motorausgangswelle 11 montiert. Zwischen der Lagerscheibe 16 und der ersten Schaltelementhälfte 13 ist eine Axiallagereinrichtung 18 vorgesehen, womit zwischen der Lagerscheibe 16 und der ersten Schaltelementhälfte 13 Axialkräfte bei gleichzeitig realisierter Drehzahlabkopplung zwischen der Lagerscheibe 16 und der ersten Schaltelementhälfte 13 und somit auch von der Motorausgangswelle 11 in die erste Schaltelementhälfte 13 einleitbar sind.
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Die Motorausgangswelle 11 ist gemeinsam mit der ersten Schaltelementhälfte 13 der Bremse 14 in einem Gehäuse 19 der Antriebsmaschine 5 in definiertem Umfang axial verschiebbar ausgeführt, um die erste Schaltelementhälfte 13 der vorliegend als Konusbremse ausgeführten Bremse 14 reibschlüssig mit einer zweiten Schaltelementhälfte 20 der Bremse 14 in Eingriff bringen zu können. Die zweite Schaltelementhälfte 20 stellt ein Gehäuseteil der Antriebsmaschine 5 dar, wobei zur Abdichtung eines einen Stator 21 und einen Rotor 22 der Antriebsmaschine 5 aufnehmenden Innenraumes 23 des Gehäuses 19 im Bereich zwischen der zweiten Schaltelementhälfte 20 und der Motorausgangswelle 11 eine Dichteinrichtung 24 vorgesehen ist.
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Ein axialer Verstellweg der Motorausgangswelle 11 ist in Bezug auf das Stirnrad 12 in Richtung des Gehäuses 5 durch die Bremse 14 begrenzt, während eine hierzu entgegengesetzte axiale Verschiebung der Motorausgangswelle 11 durch eine weitere Axiallagereinrichtung 25 in die entgegengesetzte Richtung limitiert ist.
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Liegt eine entsprechende Anforderung zum Einstellen einer definierten Übertragungsfähigkeit im Bereich des reibschlüssigen Schaltelementes 2 ausgehend von einem vollständig geöffneten Betriebszustand des Schaltelementes 2, zu dem im Wesentlichen über das Schaltelement 2 kein Drehmoment führbar ist, wird die Antriebsmaschine 5 entsprechend bestromt. Die aus der Bestromung resultierende Drehrichtung der Motorausgangswelle öffnet die Freilaufeinrichtung 15, womit die erste Schaltelementhälfte 13 von der Motorausgangswelle 11 entkoppelt ist. Eine aus der Verzahnungsgeometrie der Schrägverzahnung der Getriebeeinrichtung 10 resultierende Axialkraft FA1 greift dann an der Motorausgangswelle 11 in Richtung der ersten Schaltelementhälfte 13 an und verschiebt die Motorausgangswelle 11 gemeinsam mit der der ersten Schaltelementhälfte 13 in Richtung der zweiten Schaltelementhälfte 20 der Bremse 14, wodurch die beiden Schaltelementhälften 13 und 20 miteinander in Reibeingriff geführt werden.
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Die Axialkraft FA1 wird von der Motorausgangswelle 11 über den Wellenring 17, die Lagerscheibe 16, die Axiallagereinrichtung 18 in die erste Schaltelementhälfte 13 eingeleitet und bei Anlage einer Reibfläche 13A der ersten Schaltelementhälfte 13 an einer Reibfläche 20A der zweiten Schaltelementhälfte 20 im Bereich der axial festgelegten und nicht drehbar ausgeführten zweiten Schaltelementhälfte 20 abgestützt. In diesem Betriebszustand der Vorrichtung 1 ist die erste Schaltelementhälfte 13 bei entsprechendem Reibmoment zwischen den beiden Schaltelementhälften 13 und 20 ebenfalls drehfest gehalten, wobei die Drehbewegung der Motorausgangswelle 11 durch den geöffneten Freilauf 15 nicht durch die geschlossene Konusbremse 14 beeinträchtigt wird. Aufgrund der Abstützung der im Bereich der Motorausgangswelle 11 anliegenden Axialkraft FA1 über die Axiallagereinrichtung 18 ist das in Schließrichtung des Schaltelementes 2 wirkende Antriebsmoment der Antriebsmaschine 5 mit hohem Wirkungsgrad in die Getriebeeinrichtung 10 einleitbar und über die Übersetzung der Antriebswandlereinrichtung 8 im Bereich des Schaltelementes 2 anlegbar.
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Die miteinander in Reibeingriff bringbaren Reibflächen 13A und 20A der Schaltelementhälften 13 und 20 der Bremse 14 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei gedankliche Verlängerungen der Reibflächen 13A und 20A eine Symmetrielinie 27 der Motorausgangswelle 11 unter einem spitzen Winkel schneiden.
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Ist über die Antriebsmaschine 5 ein angeforderter Betriebszustand des Schaltelementes 2 bzw. eine gewünschte Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 2 eingestellt und soll die aktuell vorliegende Übertragungsfähigkeit in Abhängigkeit eines vorliegenden Betriebszustandes eines Allradfahrzeugantriebsstranges bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme im Bereich der Antriebsmaschine 5 gehalten werden, wird die Bestromung der Antriebsmaschine 5 auf ein entsprechendes Niveau abgesenkt.
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In Abhängigkeit einer Auslegung der Bremse 14 und auch der Antriebswandlereinrichtung 8 bewirkt die Reduzierung der Bestromung der Antriebsmaschine 5 während der Haltephase der Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 2 ausgehend von einer aktuellen Drehstellung der Motorausgangswelle 11 aufgrund einer im Bereich des Schaltelementes 2 in Öffnungsrichtung wirkenden und konstruktionsbedingten Öffnungskraft eine minimale Drehbewegung der Motorausgangswelle 11, wobei die Drehrichtung der Motorausgangswelle 11 während des Zurückdrehens zu einer in Öffnungsrichtung des Schaltelementes 2 wirkenden Drehrichtung der Motorausgangswelle 11 äquivalent ist. Durch das Zurückdrehen der Motorausgangswelle 11 wird über die Freilaufeinrichtung 15 eine drehfeste Verbindung zwischen der ersten Schaltelementhälfte 13 und der Motorausgangswelle 11 hergestellt, womit einer weiteren Rückrehbewegung der Motorausgangswelle 11 im Bereich der Bremse 14 in Abhängigkeit der vorliegenden Reibkraft zwischen den Schaltelementhälften 13 und 20 zumindest teilweise entgegengewirkt wird.
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Die Reduktion der Antriebsleistung der Antriebsmaschine 5 löst jedoch keinen Flankenwechsel im Bereich der miteinander in Eingriff stehenden Zahnprofile der Getriebeeinrichtung 10 aus, weshalb im Bereich der Motorausgangswelle 11 nach wie vor die in Richtung des Gehäuses 19 wirkende Axialkraft FA1 anliegt. Das bedeutet, dass die durch die Reduzierung der Antriebsleistung der Antriebsmaschine 5 ausgelöste Drehbewegung der Motorausgangswelle 11 in Öffnungsrichtung des Schaltelementes 2 ohne Zahnflankenwechsel erfolgt und die Bremse 14 nach wie vor geschlossen ist. Da die Freilaufeinrichtung 15 eine Drehbewegung zwischen der ersten Schaltelementhälfte 13 und der Motorausgangswelle 11 sperrt, wird ein weiteres Rückdrehen der Motorausgangswelle in Öffnungsrichtung des Schaltelementes 2 im Bereich der Bremse 14 in Abhängigkeit der Auslegung der Bremse 14 zumindest teilweise eingeschränkt oder abgebremst. Um die Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 2 dennoch auf dem eingestellten Niveau halten zu können, ist das von der Bremse 14 unter Umständen nicht in ausreichendem Umfang zur Verfügung gestellte Haltemoment zusätzlich durch eine entsprechende Halteantriebsleistung der Antriebsmaschine 5 auf das erforderliche Niveau anzuheben.
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Liegt eine entsprechende Anforderung zum Reduzieren der Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 2 vor, ist das Antriebsmoment der Antriebsmaschine 2 weiter reduzierbar, bis das vom Schaltelement 2 ausgehende und in Öffnungsrichtung des Schaltelementes 2 wirkende rücktreibende Drehmoment, das über die Antriebswandlereinrichtung 8 an der Motorausgangswelle 11 anliegt, größer ist als das über die Bremse 14 zur Verfügung gestellte und an der Motorausgangswelle 11 zusätzlich angreifende Haltemoment. Ab diesem Betriebszustand der Vorrichtung 1 öffnet das Schaltelement 2 selbstständig bei immer noch in geringem Umfang anliegenden und in Schließrichtung des Schaltelementes 2 wirkenden Antriebsmoment der Antriebsmaschine 5.
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Soll die Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 2 mit höherer Stelldynamik reduziert werden, ist die Antriebsmaschine 5 entsprechend zu bestromen, damit die Motorausgangswelle 11 mit einer in Öffnungsrichtung des Schaltelementes 2 wirkenden Drehrichtung bewegt wird. Die Betätigung der Antriebsmaschine 5 in Öffnungsrichtung des Schaltelementes 2 führt dazu, dass die Motorausgangswelle 11 mit einer zur Schließrichtung des Schaltelementes 2 entgegengesetzten Drehrichtung rotiert. Die aktive Drehrichtungsumkehr im Bereich der Motorausgangswelle 11 führt zu einem Zahnflankenwechsel im Bereich der Getriebeeinrichtung 10, womit die im Bereich der Motorausgangswelle 11 anliegende Axialkraft ihre Richtung ändert und in Bezug auf die Antriebsmaschine 5 in Richtung des Stirnrades 12 angreift, wobei die zur Axialkraft FA1 entgegengesetzt wirkende Axialkraft unter dem Bezugszeichen FA2 näher gekennzeichneten Pfeil in der Figur dargestellt ist.
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Die an der Motorausgangswelle 11 anliegende Axialkraft FA2 führt die über die Freilaufeinrichtung 15 drehfest mit der Motorausgangswelle 11 verbundene erste Schaltelementhälfte 13 aus dem Reibeingriff mit der zweiten Schaltelementhälfte 20 der Bremse 14, wodurch die Bremse 14 geöffnet wird und ein Öffnungsvorgang des Schaltelementes 2 bzw. ein Reduzieren der Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 2 wird nicht durch ein im Bereich der Bremse 14 vorliegendes Reibmoment behindert.
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Ist die Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 2 durch die in Öffnungsrichtung wirkende Bestromung der Antriebsmaschine 5 auf ein angefordertes Niveau abgesenkt und soll die Übertragungsfähigkeit auf diesem neu eingestellten Niveau gehalten werden, wird über die Antriebsmaschine 5 wieder ein in Schließrichtung des Schaltelementes 2 wirkendes Haltedrehmoment zur Verfügung gestellt, womit im Bereich der Getriebeeinrichtung 10 ein Zahnflankenwechsel auftritt. Der erneute Zahnflankenwechsel führt wiederum dazu, dass an der Motorausgangswelle 10 wieder eine Axialkraft FA1 anliegt, die die beiden Schaltelementhälften 13 und 20 in vorbeschriebener Art und Weise miteinander in Reibeingriff führt, womit das Schaltelement 2 sowohl über die Antriebsmaschine 5 als auch über die Bremse 14 in dem aktuell eingestellten Betriebszustand bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme im Bereich der Antriebsmaschine 5 gehalten wird.
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Die vorbeschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist ohne zusätzliche Steuereinheiten oder weitere aktive Elemente, wie beispielsweise einer elektromagnetischen Haltebremse oder dergleichen mit geringem Steuer- und Regelaufwand auf kostengünstige Art und Weise bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf betreibbar. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Betätigung beliebig ausgeführter Schaltelemente, wie reib- und/oder formschlüssiger Schaltelemente, die als Kupplungen oder Bremsen ausgebildet sein können, geeignet. Über die Vorrichtung 1 ist ein Energieaufwand im Bereich des rotatorischen Antriebes, wie eines Elektromotors, eines hydraulischen Antriebsmotors oder dergleichen, durch die im Bereich der Motorausgangswelle 11 vorgesehene Bremse 14 bauraumgünstig bei gleichzeitig geringem konstruktivem Aufwand und ohne zusätzlichen Betätigungsaufwand bei Gewährleistung einer hohen Stelldynamik reduzierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Schaltelement
- 3
- Schaltelementhälfte
- 4
- Schaltelementhälfte
- 5
- Antriebsmaschine
- 6
- Antriebswandlereinrichtung
- 7
- Einrichtung, Kugel-Rampen-Scheibe
- 8
- Einrichtung, Kugel-Rampen-Scheibe
- 9
- Kugelelement
- 10
- Getriebeeinrichtung
- 11
- Motorausgangswelle
- 12
- Stirnrad
- 13
- erste Schaltelementhälfte
- 13A
- Reibfläche
- 14
- Bremse
- 15
- Freilaufeinrichtung
- 16
- Lagerscheibe
- 17
- Wellenring
- 18
- Axiallagereinrichtung
- 19
- Gehäuse
- 20
- zweite Schaltelementhälfte
- 20A
- Reibfläche
- 21
- Stator
- 22
- Rotor
- 23
- Innenraum
- 24
- Dichteinrichtung
- 25
- weitere Axiallagereinrichtung
- 26
- Ringnut
- 27
- Symmetrielinie der Motorausgangswelle
- FA1
- Axialkraft
- FA2
- Axialkraft
