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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine formschlüssig schaltbare Kupplung mit vorgeschalteter Synchronisation.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 048 075 A1 ist eine Kopplungsvorrichtung bekannt, bei der zum Antrieb von Nebenaggregaten zumindest eine Antriebsscheibe vorgesehen ist, um ein Drehmoment zu übertragen. Die Antriebsscheibe ist dabei in ein Primär- und Sekundärelement unterteilt, wobei die beiden Elemente über ein Lager miteinander verbunden sind. Das Lager ist durch ein Steuerelement zwischen einem sperrenden und einem freigebenden Zustand schaltbar, wobei das Steuerelement den sperrenden Zustand stromlos und den freigebenden Zustand bestromt steuert. Im sperrenden Zustand ist eine Verbindung zwischen den beiden Elementen hergestellt, so dass ein Drehmoment übertragen werden kann.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 010 369 A1 wird eine elektrisch betätigte Kupplungseinrichtung zum Herstellen oder Lösen einer drehfesten Verbindung beschrieben. Dazu wird ein Paar koaxial zu einer Schaltwelle angeordneter Rampenscheiben als Betätigungselement eingesetzt. Zwischen den Rampenscheiben werden Abstandskugeln in Nuten geführt, deren Tiefe sich mit der Länge ihrer Erstreckung ändert. Bei einer relativen Verdrehung der Rampenscheiben zueinander werden die Abstandskugeln tiefer oder weniger tief in den Nuten versenkt, wobei sich der Abstand der Rampenscheiben zueinander mit ihrer relativen Drehung ändert. Mit Hilfe eines Elektromotors werden die beiden Rampenscheiben relativ zueinander so verdreht, dass der Abstand der Rampenscheiben zueinander sehr genau eingestellt werden kann. Dadurch wird ein auf der Schaltwelle axial bewegliches Betätigungselement realisiert, über welches eine Schiebemuffe axial verschiebbar ist und eine formschlüssige Verbindung zwischen der Schaltwelle und einem Schaltrad herstellbar ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine formschlüssige und besonders vorteilhaft elektrisch schaltbare Kupplung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Kupplung bereit, die in besonders vorteilhafter Weise elektrisch schaltbar ist. Die Kupplung verfügt über mehrere, teilweise koaxial zueinander angeordnete Elemente, wobei zumindest ein Antriebselement, ein Abtriebselement, eine Synchronisierung und ein Schaltelement vorgesehen sind. Die Kupplung verbindet eine Eingangswelle, über welche ein Drehmoment in das Antriebselement der Kupplung eingeleitet wird, mit dem Abtriebselement. Das Abtriebselement kann zum Beispiel eine weitere Welle, ein Zahnrad, ein Zahnriemenrad oder auch ein Keilrippenriemenrad sein. Zumindest die Eingangswelle und das damit drehfest verbundene Antriebselement der Kupplung sind in einem Gehäuse drehbar gelagert. Auf dem Antriebselement ist das Schaltelement derart koaxial angeordnet, dass es sich bei einer Drehbewegung relativ zum Antriebselement axial verschiebt. Dafür ist in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise auf dem Antriebselement ein Außengewinde und auf dem Schaltelement ein Innengewinde vorgesehen. Bei einer Drehung des Schaltelementes relativ zum Antriebselement verschiebt sich das Schaltelement entsprechend der Steigung des Gewindes axial zum Antriebselement. Sowohl das auf dem Antriebselement angeordnete Schaltelement, als auch das Abtriebselement verfügt über Zähne oder Klauen, die zur Drehmomentübertragung in Eingriff bringbar sind, und somit eine formschlüssige Verbindung herstellen. Durch die formschlüssige Verbindung wird das Drehmoment drehstarr übertragen. Befinden sich die Zähne oder Klauen der beiden Elemente nicht im Eingriff, wird kein Drehmoment übertragen. Dementsprechend sind zwei Schaltstellungen der Kupplung vorgesehen. Durch das Schaltelement sind die beiden Schaltstellungen realisierbar. In einer ersten Stellung sind das Schaltelement und das Abtriebselement derart angeordnet, dass die Zähne oder Klauen der beiden Elemente nicht im Eingriff stehen und somit kein Drehmoment übertragen. In einer zweiten Stellung sind das Schaltelement und das Abtriebselement derart angeordnet, dass die Zähne oder Klauen miteinander im Eingriff stehen und somit ein Drehmoment übertagen. Die Kupplung ist somit geschlossen. Die beiden Schaltstellungen sind jeweils durch einen Anschlag für die Verdrehung des Schaltelementes realisiert. Das Schaltelement wird für die erste Schaltstellung gegenüber dem Antriebselement bis zu einem ersten Anschlag verdreht und für die zweite Schaltstellung bis zu einem zweiten Anschlag verdreht. Bevor die Zähne oder Klauen des Schaltelements und des Abtriebselements in Eingriff bringbar sind, ist eine Synchronisierung der beiden Elemente erforderlich. Dafür ist das ringförmige Synchronisierelement vorgesehen, welches die Drehgeschwindigkeiten des Antriebselementes und des Abtriebselementes zumindest annähernd gleichstellt. Das Synchronisierelement ist beispielsweise mit dem Antriebselement, aber in besonders vorteilhafter Weise mit dem Schaltelement drehfest verbunden und axial verschiebbar. Weiterhin ist das Synchronisierelement mit einem Federelement gegenüber dem Antriebselement belastet und stützt sich andererseits mit einer Reibfläche am Abtriebselement ab. Mit zunehmender Verstellung des Schaltelementes von der ersten zur zweiten Schaltstellung erhöht sich die Federkraft und somit die Reibkraft in der Reibfläche, wodurch die Synchronisierung beschleunigt wird. Die Reibfläche kann dabei in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung als Synchronisierkegel auf dem Synchronisierring ausgeführt sein.
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Die Drehung des Schaltelementes gegenüber dem Antriebselement wird erfindungsgemäß durch einen Elektromotor realisiert. Der Elektromotor ist in vorteilhafter Weise an dem Gehäuse befestigt, in welchem auch die Eingangswelle mit dem Antriebselement der Kupplung gelagert ist. Über einen Zahneingriff des Elektromotors auf das Schaltelement lässt sich das Schaltelement gegenüber dem Antriebselement verdrehen, sobald der Elektromotor mit der entsprechenden Übersetzung, die sich durch den Zahneingriff ergibt, eine Relativdrehung des Schaltelementes gegenüber der Eingangswelle bewirken kann. Dazu muss die Drehzahl des Elektromotors mit der entsprechenden Übersetzung verschieden zur Drehzahl der Eingangswelle, also einer Antriebsdrehzahl sein. In Abhängigkeit der Steigung des Gewindes zwischen Antriebselement und Schaltelement bezogen auf die relative Verdrehrichtung bewirkt eine Abweichung der Drehzahl des Elektromotors mit der entsprechenden Übersetzung gegenüber der Eingangswelle eine Verstellung des Schaltelementes bis zum jeweiligen Anschlag. So wird zum Beispiel durch die Verringerung der Motordrehzahl gegenüber der Antriebsdrehzahl bei entsprechender Gewindesteigung eine Verstellung an den ersten Anschlag und bei Erhöhung der Motordrehzahl eine Verstellung an den zweiten Anschlag bewirkt. Durch die Umkehr der Steigung des Gewindes ist auch die Betätigung der schaltbaren Kupplung umkehrbar, indem die Drehzahl des Elektromotors mit der entsprechenden Übersetzung für eine Verstellung des Schaltelementes an den ersten Anschlag erhöht und für die Verstellung an den zweiten Anschlag gegenüber der Eingangswellendrehzahl verringert werden muss. Das Innengewinde kann zudem als Steilgewinde, also als Gewinde mit hoher Steigung ausgeführt sein, um schon bei geringer relativer Drehzahl des Schaltelementes gegenüber dem Antriebselement eine ausreichende axiale Verschiebung zu bewirken.
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Ausführungsbeispiel schaltbares Zahnriemenrad
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer schaltbaren Kupplung für ein Zahnriemenrad in abgeschalteter Stellung und
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2: eine schematische Darstellung einer schaltbaren Kupplung für ein Zahnriemenrad in zugeschalteter Stellung.
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Die beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für ein schaltbares Zahnremenrad, dargestellt in 1, beinhaltet zumindest eine Eingangswelle (1), ein zur Eingangswelle (1) koaxial angeordnetes Antriebselement (2), ein zum Antriebselement (2) koaxial angeordnetes Schaltelement (3), ein zur Eingangswelle (1) koaxial angeordnetes Abtriebselement (4), ein zwischen Schaltelement (3) und Abtriebselement (4) koaxial angeordnetes Synchronisierelement (5), ein Federelement (6), einen ersten Anschlag (7), einen zweiten Anschlag (8) sowie einen Elektromotor (9).
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Das Antriebselement (2) ist drehfest mit der Eingangswelle (1) verbunden, so dass ein Drehmoment übertragen werden kann. Dafür können entsprechende Welle-Nabe-Verbindungen vorgesehen sein. Auf dem Antriebselement (2) des schaltbaren Zahnriemenrades ist das Schaltelement (3) angeordnet, indem auf dem Antriebselement (2) ein Außengewinde (2a) und auf dem Schaltelement (3) ein Innengewinde (3a) vorgesehen ist und die beiden Gewinde ineinander eingreifen, so dass bei einer relativen Drehung des Schaltlementes (3) gegenüber dem Antriebselement (2) eine axiale Verschiebung des Schaltelements (3) gegenüber dem Antriebselement (2) eintritt. Der erste Anschlag (7) und der zweite Anschlag (8) sind vorgesehen, um die axiale Verschiebung und dementsprechend die relative Verdrehung des Schaltelementes (3) gegenüber dem Antriebselement (2) zu begrenzen. Das Schaltelement (3) ist vorzugsweise als Ring ausgeführt, der zusätzlich zum Innengewinde (3a) auf seiner Außenfläche eine erste Verzahnung (3b) aufweist, welche mit einer Verzahnung eines Antriebsritzels des Elektromotors (9) im Eingriff steht, und eine zweite Verzahnung (3c), welche für den Eingriff mit einer Innenverzahnung (4a) auf dem Abtriebselement (4) vorgesehen ist. Über die erste Verzahnung (3b), die in vorteilhafter Weise als Außenverzahnung ausgeführt ist, wird eine Verdrehung des Schaltelementes (3) durch den im Gehäuse fest angeordneten Elektromotor (9) über das Antriebsritzel ermöglicht. Die in vorteilhafter Weise als Außenverzahnung ausgeführte, zweite Verzahnung (3c) ist für den Eingriff mit der am Abtriebselement (4) angeordneten Innenverzahnung (4a) vorgesehen, um das Drehmoment zu übertragen. Für die Synchronisierung des Abtriebselementes (4) mit dem Antriebselement (2) und dementsprechend dem Schaltelement (3) ist das Synchronisierelement (5) vorgesehen, welches gegenüber dem Schaltelement (3) mit dem Federelement (6) vorgespannt ist und mit einer entsprechenden Reibfläche mit einer Reibfläche am Abtriebselement (4) ständig in Reibkontakt steht. Das Synchronisierelement (5) ist gegenüber dem Antriebselement (2) oder in besonders vorteilhafter Weise mit dem Schaltelement (3) drehfest angeordnet und axial verschiebbar. Das zur Eingangswelle (1) drehbar gelagerte Abtriebselement (4) verfügt über eine Verzahnung, die für den Einsatz als Zahnriemenrad geeignet ist.
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In einer ersten Schaltstellung, dargestellt in 1, ist das Schaltelement (3) am ersten Anschlag (7) positioniert, indem die Verdrehung des Schaltelementes (3) gegenüber dem Antriebselement (2) entsprechend der Steigung des Gewindes erfolgt. Wird für die Eingangswelle (1) beziehungsweise das Antriebselement (2) eine positive Drehrichtung definiert, und wird für das Gewinde eine positive Steigung, also eine axiale Verschiebung vom ersten Anschlag (7) zum zweiten Anschlag (8) bei einer positiven Verdrehung des Schaltelementes (3) gegenüber dem Antriebselement (2) definiert, also die gleiche Drehrichtung im Vergleich zur Eingangswelle (1), so muss die Drehzahl des Elektromotors (9) mit der entsprechenden Übersetzung zwischen der ersten Verzahnung (3b) des Schaltelementes (3) und dem Ritzel kleiner als die Drehzahl der Eingangswelle (1) sein. Dadurch wird dem Schaltelement (3) eine geringere Drehzahl als die Antriebsdrehzahl der Eingangswelle (1) aufgeprägt. Es ergibt sich eine negative relative Drehzahl zwischen Eingangswelle (1) beziehungsweise Antriebselement (2) und Schaltelement (3), wodurch das Schaltelement (3) relativ zum Antriebselement (2) mit negativer Steigung verdreht und am ersten Anschlag (7) positioniert wird. Da die Drehzahl des Elektromotors (9) mit entsprechender Übersetzung in dieser Schaltstellung kleiner als die Antriebsdrehzahl der Eingangswelle (1) sein muss, kann der Elektromotor (9) auch als Generator verwendet werden und die durch die Eingangswelle (1) aufgebrachte Leistung zumindest teilweise in elektrische Energie gewandelt werden. In dieser ersten Schaltstellung ist die schaltbare Kupplung in Ausführung eines zuschaltbaren Zahnriemenrades geöffnet. Der Elektromotor (9) kann als Generator betrieben werden. Die dabei generierte elektrische Energie kann in einem Speicher zwischengespeichert werden und für den nächsten Schaltvorgang verwendet werden.
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Für eine zweite Schaltstellung, dargestellt in 2, muss die Drehzahl des Elektromotors (9) mit der entsprechenden Übersetzung größer als die Antriebsdrehzahl der Eingangswelle (1) sein. Dadurch wird eine positive Verdrehung zwischen Schaltelement (3) und Antriebselement (2) erreicht, und das Schaltelement (3) wird mit einer positiven Steigung in axialer Richtung zum zweiten Anschlag (8) hin verschoben. In Zusammenspiel mit dem Synchronisierelement (5) wird durch die Reibung eine zumindest annähernde Gleichstellung der Drehzahl zwischen Schaltelement (3) und Abtriebselement (4) erreicht. Durch die zunehmende Verschiebung und Verdrehung des Schaltelementes (3) während eines Schaltvorgangs vom ersten Anschlag (7) in Richtung des zweiten Anschlags (8) erhöht sich die Federkraft des Federelementes (6) und dementsprechend die Reibkraft, so dass die Synchronisierung zwischen dem Schaltelement (3) und dem Abtriebselement (4) mit fortschreitendem Schaltvorgang beschleunigt wird. Sobald eine ausreichende Synchronisierung erreicht ist, wird der Schaltvorgang beendet, indem die Verdrehung und somit die axiale Verschiebung bis zum zweiten Anschlag (8) durchgeführt wird und die zweite Verzahnung (3c) des Schaltlementes (3) mit der Innenverzahnung (4a) des Abtriebselementes (4) im Eingriff steht und die Leistung von der Eingangswelle (1) über das Antriebselement (2) und das Schaltelement (3) zum Abtriebselement (4) übertragen werden kann. In dieser zweiten Schaltstellung ist die schaltbare Kupplung in Ausführung eines zuschaltbaren Zahnriemenrades geschlossen. Dafür muss die Drehzahl des Elektromotors (9) ständig über der Antriebsdrehzahl der Eingangswelle (1) gehalten werden, das sich sonst das Schaltelement (3) zurück an den ersten Anschlag (7) bewegt.
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In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die schaltbare Kupplung stets geöffnet, solange die Drehzahl des Elektromotors (9) mit der entsprechenden Übersetzung kleiner als die Antriebsdrehzahl der Eingangswelle (1) ist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Zuschaltung des Zahnriemenrades während der Betriebszeit einen geringen Teil einnimmt. Weiterhin ist diese Anordnung sinnvoll, wenn entweder elektrische Energie erzeugt oder das Zahnriemenrad zugeschaltet werden soll.
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Durch eine Umkehr der Gewindesteigung ist es in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung möglich, die Schaltung umzukehren. Solange die Drehzahl des Elektromotors (9) mit der entsprechenden Übersetzung kleiner als die Antriebsdrehzahl der Eingangswelle (1) ist, befindet sich die schaltbare Kupplung im geschlossenen Zustand. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Abschaltung des Zahnriemenrades während der Betriebszeit einen geringen Teil einnimmt. Weiterhin ist diese Anordnung sinnvoll, wenn gleichzeitig elektrische Energie erzeugt und das Zahnriemenrad zugeschaltet werden soll. Für eine Abschaltung des Zahnriemenrades muss die Drehzahl des Elektromotors (9) mit der entsprechenden Übersetzung ständig über der Antriebsdrehzahl der Eingangswelle (1) gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangswelle
- 2
- Antriebselement
- 2a
- Außengewinde
- 3
- Schaltelement
- 3a
- Innengewinde
- 3b
- erste Verzahnung
- 3c
- zweite Verzahnung
- 4
- Abtriebselement
- 4a
- Innenverzahnung
- 5
- Synchronisierelement
- 6
- Federelement
- 7
- erster Anschlag
- 8
- zweiter Anschlag
- 9
- Elektromotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048075 A1 [0002]
- DE 102007010369 A1 [0003]
