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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einer formschlüssigen Kupplung die ein Koppelelement mit einer Verzahnung, ein drehbares Gegenelement mit einer Gegenverzahnung und einen elektromagnetischen Aktuator umfasst, wobei das Koppelelement mittels des elektromagnetischen Aktuators zwischen einer Ausrückposition und einer Einrückposition verstellbar ist, und wobei in der Einrückposition die Verzahnung des Koppelelements mit der Gegenverzahnung des Gegenelements in Eingriff steht.
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Stand der Technik
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Es sind Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb bekannt, bei denen eine Antriebsachse von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, während eine andere Antriebsachse von einem Elektromotor angetrieben werden kann. Der Antrieb des Kraftfahrzeugs über den Elektromotor erfolgt üblicherweise nicht permanent, sondern selektiv und an die jeweilige Fahrsituation angepasst. Typischerweise wird der elektromotorische Antrieb bei Beschleunigungen, insbesondere aus dem Stand, bei Anstiegen sowie in besonders dynamischen Fahrsituationen zugeschaltet, wohingegen bei kontinuierlicher Geschwindigkeit das Kraftfahrzeug im Wesentlichen durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die entsprechend angepasste, selektive Hinzunahme eines elektromotorischen Antriebs ermöglicht insgesamt eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Antriebs.
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Um einen Elektromotor als Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb mit der von ihm anzutreibenden Antriebsachse zu koppeln oder ihn von der Antriebsachse zu trennen, können Kupplungen verwendet werden, die selektiv Drehmoment, das von dem Elektromotor ausgegeben wird, auf die Antriebsachse übertragen. Es handelt sich dabei in der Regel um formschlüssige Kupplungen, bei denen über Verzahnungen ein antriebsseitiges Kupplungselement und ein abtriebsseitiges Kupplungselement ineinandergreifen. Beim Schließen einer solchen Kupplung ist für einen reibungslosen Betrieb dafür zu sorgen, dass eine mögliche Zahn-Zahn-Stellung der zu verbindenden Verzahnungen durch einen geeigneten Mechanismus überwindbar ist. Beim Öffnen der Kupplung während der Fahrt, bei der also die Verzahnungen der gekoppelten Kupplungselemente ineinander greifen, ergibt sich zudem die Schwierigkeit, dass die zwischen den Kupplungselementen übertragenen Drehmomente ein Lösen der Kupplungselemente voneinander behindern und dass daher eine entsprechend hohe Kraft aufgebracht werden muss.
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Kupplungen zur selektiven Trennung eines Elektromotors von einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs können beispielsweise elektromechanischer Art sein, d. h. dass die Kupplung einen eigenen Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe aufweist, der als Aktuator zur Verstellung der Kupplung betrieben werden kann. Bei entsprechender Auslegung ist die Leistung eines solchen Elektromotors ausreichend, die Kupplung auch bei wesentlichen zwischen den Kupplungselementen übertragenen Drehmomenten aus dem geschlossenen in den geöffneten Zustand zu verstellen. Allerdings macht eine derartige Ausführung einer Kupplung einen relativ großen Bauraum erforderlich und weist zudem einen hohen Strombedarf auf.
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Es sind auch Kupplungen bekannt, die von elektromagnetischen Aktuatoren verstellbar sind. Solche Kupplungen können bei einem Hybridantrieb der erläuterten Art an der Ausgangsseite eines zwischen dem Elektromotor und der Antriebsachse wirksamen Getriebes angeordnet sein. Das hat jedoch zur Folge, dass die Kapazität der Kupplung auf mögliche hohe Drehmomente, wie sie an der Antriebsachse auftreten können, ausgelegt sein muss.
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Zusammenfassung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang mit einer kompakten und effizienten Kupplung zur selektiven Drehmomentübertragung, insbesondere von einem Elektromotor auf eine Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, die sich insbesondere auch bei Fahrt besonders einfach öffnen und schließen lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einer formschlüssigen Kupplung mit den weiteren Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und insbesondere dadurch, dass auch nach einem vollständigen Erreichen der Einrückposition des Koppelelements der formschlüssigen Kupplung ein Verdrehspiel zwischen der Verzahnung des Koppelelements und der Gegenverzahnung des Gegenelements der formschlüssigen Kupplung vorgesehen ist.
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Die formschlüssige Kupplung ist demnach Teil eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug, der außerdem einen Elektromotor und eine Steuereinrichtung umfasst.
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Die formschlüssige Kupplung weist erfindungsgemäß ein Koppelelement mit einer Verzahnung, ein drehbares Gegenelement mit einer Gegenverzahnung und einen elektromagnetischen Aktuator auf, wobei das Koppelelement mittels des elektromagnetischen Aktuators zwischen einer Ausrückposition und einer Einrückposition verstellbar ist, und wobei in der Einrückposition die Verzahnung des Koppelelements mit der Gegenverzahnung des Gegenelements in Eingriff steht.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist das Gegenelement oder das Koppelelement mittels des Elektromotors zu einer Drehbewegung antreibbar und auch nach einem vollständigen Erreichen der Einrückposition des Koppelelements ein Verdrehspiel zwischen der Verzahnung des Koppelelements und der Gegenverzahnung des Gegenelements vorgesehen.
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Die Steuereinrichtung ist erfindungsgemäß geeignet, den Elektromotor zu steuern, um eine Drehzahl des Gegenelements an die Drehzahl des Koppelelements anzunähern oder umgekehrt. Dies ist beim Schließen der Kupplung für das Überwinden einer Zahn-Zahn-Stellung wesentlich.
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Bei der formschlüssigen Kupplung ist somit das Vorhandensein eines Verdrehspiels zwischen den ineinandergreifenden Verzahnungen der zu koppelnden Elemente nicht wie sonst üblich unerwünscht, sondern gerade beabsichtigt. Das Vorliegen eines signifikanten Verdrehspiels bedeutet, dass das Koppelelement und das Gegenelement der formschlüssigen Kupplung, wenngleich sich das Koppelelement in der Einrückposition befindet und somit mit dem Gegenelement in Eingriff steht, ein gewisses Bewegungsspiel in Drehrichtung, also um die Drehachse der Kupplung, relativ zueinander aufweisen. Ein solches Spiel ergibt sich beispielsweise, wenn die Zähne der Verzahnung des Koppelelements und die Zähne der Gegenverzahnung des Gegenelements so ausgebildet sind, dass zwischen den Zahnflanke ein gewisser Spielraum in Drehrichtung vorhanden ist (so genanntes Verdrehflankenspiel).
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Das absichtlich vorgesehene Verdrehspiel vereinfacht das Überwinden einer Zahn-Zahn-Stellung, bei der die zwei miteinander in Eingriff zu bringenden Verzahnungen bezüglich ihrer Winkelposition so zueinander ausgerichtet sind, dass die Zähne der einen Verzahnung beim Einrücken auf die Zähne der anderen Verzahnung stoßen würden. Erst durch ein Verstellen der relativen Winkelstellung der Verzahnungen zueinander wird eine solche Zahn-Zahn-Stellung aufgehoben.
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Je größer ein Verdrehspiel zwischen zu verbindenden Verzahnungen ist, desto geringer muss die erforderliche Anpassung der relativen Winkelstellung sein und desto einfacher lässt sich die Kupplung daher schließen. Aus diesem Grund reicht es wegen des vorhandenen Verdrehspiels aus, lediglich geringe Kräfte zum Verstellen des Koppelelements in die Einrückposition aufzubringen. Ein großes Verdrehspiel kann zudem die axial zwischen den Verzahnungen wirkenden Reibungskräfte reduzieren. Das führt dazu, dass auch ein Öffnen der Kupplung vereinfacht wird. Insbesondere werden das Öffnen und Schließen der Kupplung auch während der Fahrt auf diese Weise vereinfacht.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und nachfolgend beschrieben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dem Gegenelement wenigstens ein Drehzahlsensor zur Erzeugung eines Drehzahlsignals und dem Koppelelement wenigstens ein Drehzahlsensor zur Erzeugung eines weiteren Drehzahlsignals zugeordnet. Die Drehzahlsensoren müssen dazu nicht unmittelbar am Gegenelement bzw. am Koppelelement angeordnet sein. Sie können auch an einem jeweiligen anderen Element angeordnet sein, das mit dem Gegenelement bzw. dem Koppelelement antriebswirksam verbunden ist, solange das Übersetzungsverhältnis zwischen diesem jeweiligen anderen Element und dem Gegenelement bzw. dem Koppelelement bekannt ist. Dann nämlich kann aus dem mittels des jeweiligen Drehzahlsensors gemessenen Drehzahlsignal die jeweilige Drehzahl des Gegenelements bzw. des Koppelelements bestimmt werden.
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Ist beispielsweise das Gegenelement mit dem Elektromotor des Antriebsstrangs antriebswirksam verbunden, kann der wenigstens eine, dem Gegenelement zugeordnete Drehzahlsensor am Elektromotor (z. B. als integrierter Hall-Sensor) angeordnet sein. Und ist beispielsweise das Koppelelement antriebswirksam mit einem Hauptgetriebe verbunden, kann der wenigstens eine, dem Koppelelement zugeordnete Drehzahlsensor am Hauptgetriebe angeordnet sein. Wenn es sich bei dem Hauptgetriebe z. B. um ein Achsdifferential handelt, über das zwei Räder einer Achse angetrieben werden, kann der wenigstens eine dem Koppelelement zugeordneten Drehzahlsensor auch die zwei Raddrehzahlsensoren umfassen, die an den Rädern der betreffenden Achse typischerweise ohnehin vorhanden sind (z. B. für ein Antiblockiersystem, ABS). Aus den beiden an den Rädern gemessenen Drehzahlsignalen lässt sich dann die Drehzahl am Achsdifferential und am Koppelelement berechnen. Das genannte Beispiel gilt umgekehrt entsprechend, wenn Gegenelement und Koppelelement vertauscht verwendet werden.
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Ferner ist die Steuereinrichtung des Antriebsstrangs bevorzugt geeignet, den elektromagnetischen Aktuator und/oder den Elektromotor in Abhängigkeit von den beiden Drehzahlsignalen zu steuern. Damit durch das Verstellen der Kupplung in die Schließstellung eine Kopplung der zwei Verzahnungen (Verzahnung des Koppelelements und die Gegenverzahnung des Gegenelements) erfolgen kann, ist es erforderlich, dass die jeweiligen Zähne der einen Verzahnung auf jeweilige Lücken der anderen Verzahnung treffen. Wenn sich das Kraftfahrzeug zum Zeitpunkt des Verstellens der Kupplung in Bewegung befindet, rotieren aufgrund der Rotation der Fahrzeugräder alle damit antriebswirksam verbundenen Elemente zwischen den Rädern und der Kupplung, während sich der Elektromotor und alle mit dem Elektromotor antriebswirksam verbundenen Elemente zwischen dem Elektromotor und der Kupplung im Stillstand befinden oder irgendeine beliebige Drehung ausführen können. Ein Schließen der Kupplung kann nur erfolgen, wenn die unmittelbar miteinander zu koppelnden Kupplungselemente, also Koppelelement und Gegenelement, eine Drehzahldifferenz aufweisen, die einen gewissen, von den Ausmaßen der Kupplungselemente abhängigen Wert nicht überschreitet. Die Steuereinrichtung, welche die dem Koppelelement und dem Gegenelement zugeordneten Drehzahlsignale von den entsprechenden Drehzahlsensoren erhält und/oder berechnet, kann daraus die Differenzdrehzahl zwischen den zu koppelnden Kupplungselementen berechnen. Abhängig von dieser Differenzdrehzahl kann die Steuereinrichtung die Drehzahl des Elektromotors für den Kupplungsvorgang anpassen, um so die berechnete Drehzahldifferenz dem Wert Null anzunähern.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet, den Aktuator so zu steuern, dass erst bei Vorliegen einer geeigneten Differenzdrehzahl die zu koppelnden Kupplungselemente miteinander in Eingriff gebracht werden. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Kopplung der Kupplungselemente auch im rotierenden Zustand gewährleistet werden, ohne dass die Verwendung von mechanischen Synchronisiereinrichtungen erforderlich wäre.
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Vorzugsweise weist die Kupplung einen Positionssensor auf, der geeignet ist, die Position des Koppelelements zu detektieren und ein entsprechendes Positionssignal zu erzeugen. Die Steuereinrichtung des Antriebsstrangs ist bevorzugt geeignet, den elektromagnetischen Aktuator und/oder den Elektromotor in Abhängigkeit von dem Positionssignal des Positionssensors zu steuern. Die Steuereinrichtung kann also die Position des Koppelelements zugleich sowohl detektieren als auch über den elektromagnetischen Aktuator steuern und folglich präzise regeln. Außerdem kann die Steuereinrichtung beispielsweise nach der Detektion der Ausrückposition des Koppelelements das Herunterfahren oder eine sonstige Anpassung des Elektromotors bewirken, um beispielsweise Energie zu sparen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die sowohl den elektromagnetischen Aktuator als auch den Elektromotor in Abhängigkeit sowohl von den Drehzahlsignalen der Drehzahlsensoren als auch von dem Positionssignal des Positionssensors steuert. Eine derartige Steuereinrichtung ist besonders geeignet, alle Vorgänge des Verstellens der Kupplung zwischen der Ausrückposition und der Einrückposition des Koppelelements in beiden Richtungen zu steuern.
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Soll beispielsweise das Koppelelement aus der Ausrückposition in die Einrückposition überführt werden, kann die Steuereinrichtung zunächst durch Steuerung des Elektromotors die Drehzahldifferenz der zu koppelnden Elemente geeignet verringern. Wenn die Steuereinrichtung anhand der Drehzahlsignale das Vorliegen einer geeigneten Drehzahldifferenz detektiert, kann sie dann den elektromagnetischen Aktuator ansteuern, um das Koppelelement von der Ausrückposition in die Einrückposition zu verstellen. Das Erreichen der Einrückposition des Koppelelements wird der Steuereinrichtung über das Positionssignal des Positionssensors mitgeteilt, woraufhin die Steuereinrichtung beispielsweise den elektromagnetischen Aktuator von einer Bewegungsaktuierung zu einer reinen Halteaktuierung steuert, bei der vergleichsweise weniger Strom aufgebracht werden muss.
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Ebenso kann, wenn das Koppelelement aus der Einrückposition in die Ausrückposition überführt werden soll, die Steuereinrichtung einen komplexen Ablauf steuern: Beispielsweise kann die Steuereinrichtung, um die zum Öffnen der Kupplung erforderlichen axialen Kräfte zu verringern, einen Lastwechsel herbeiführen, indem die Drehzahl des Elektromotors entsprechend verringert oder erhöht wird. Das vorhandene Verdrehspiel zwischen der Verzahnung des Koppelelements und der Gegenverzahnung des Gegenelements sorgt dann kurzfristig für eine Verringerung der axial zwischen diesen gekoppelten Elementen wirkenden Reibungskräfte, so dass die von der Vorspanneinrichtung des elektromagnetischen Aktuators aufgebrachte Kraft die gekoppelten Elemente voneinander trennen kann. Das Erreichen der Ausrückposition des Koppelelements wird der Steuereinrichtung durch das Positionssignal des Positionssensors mitgeteilt, woraufhin die Steuereinrichtung den Elektromotor beispielsweise zum Stillstand bringen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Antriebsstrang ein Hauptgetriebe und ein zwischen dem Elektromotor und dem Hauptgetriebe angeordnetes Zwischengetriebe, wobei der Elektromotor ein Ausgangselement aufweist und das Hauptgetriebe ein Eingangselement aufweist. Das Zwischengetriebe umfasst bevorzugt ein erstes Zahnrad, das mit dem Ausgangselement des Elektromotors drehfest oder antriebswirksam gekoppelt ist, ein zweites Zahnrad, das mit dem ersten Zahnrad kämmt, ein drittes Zahnrad, ein viertes Zahnrad, das mit dem dritten Zahnrad kämmt und mit dem Eingangselement des Hauptgetriebes drehfest oder antriebswirksam gekoppelt ist, und eine Zwischenwelle. Vorteilhafterweise ist das eine von zweitem und drittem Zahnrad mit der Zwischenwelle drehfest gekoppelt und das andere von zweitem und drittem Zahnrad an der Zwischenwelle drehbar gelagert, wobei mittels der formschlüssigen Kupplung das andere von zweitem und drittem Zahnrad wahlweise mit der Zwischenwelle drehfest koppelbar ist.
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Bei einem derartigen vorteilhaften Antriebsstrang, bei dem Drehmoment von einem Elektromotor ausgegeben und an ein Hauptgetriebe übertragen wird, befindet sich die Kupplung, über die der Elektromotor als Antrieb des Kraftfahrzeugs zugeschaltet bzw. getrennt werden kann, in einem Zwischengetriebe das zwischen dem Elektromotor und dem Hauptgetriebe angeordnet ist. Dieses Zwischengetriebe ermöglicht die Anpassung der vom Elektromotor ausgegebenen Drehmomente und Drehzahlen. Dazu weist das Zwischengetriebe wenigstens eine Zwischenwelle, an der zwei Zahnräder (zweites und drittes Zahnrad) gelagert sind, sowie wenigstens zwei weitere Zahnräder (erstes und viertes Zahnrad) auf, die mit jeweils einem der Zahnräder an der Zwischenwelle kämmen. Das erste Zahnrad ist mit dem Ausgangselement des Elektromotors drehfest oder trieblich gekoppelt und das vierte Zahnrad ist mit dem Eingangselement des Hauptgetriebes drehfest oder trieblich gekoppelt. Das Ausgangselement des Elektromotors, die Zwischenwelle des Zwischengetriebes und das Eingangselement des Hauptgetriebes können dabei paarweise koaxial oder aber radial versetzt zueinander sein. Von den beiden an der Zwischenwelle gelagerten Zahnrädern ist das eine mit der Zwischenwelle drehfest gekoppelt (Festrad), während das andere an der Zwischenwelle drehbar gelagert ist (Losrad).
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Die antriebswirksame Verbindung des Elektromotors mit dem Hauptgetriebe erfolgt gemäß der vorgenannten Ausführungsform durch die drehfeste Kopplung des Losrads an der Zwischenwelle mittels der formschlüssigen Kupplung. Die Anordnung der Kupplung an einer Zwischenwelle des Getriebes ermöglicht dabei eine kompakte Bauweise von Zwischengetriebe und Kupplung. Dadurch, dass die Kupplung an einer Zwischenwelle des Zwischengetriebes und nicht am Ausgang des Zwischengetriebes zum Hauptgetriebe hin angeordnet ist, braucht die Kapazität der Kupplung außerdem nicht auf die Drehmomente ausgelegt zu sein, die am Hauptgetriebe und den damit antriebswirksam verbundenen weiteren Elementen bis hin zu den Antriebsachsen wirksam sind, sondern lediglich auf die an der Zwischenwelle des Zwischengetriebes wirksamen Drehmomente. Im bevorzugten Fall einer Ausführung des Zwischengetriebes als Untersetzungsgetriebe ergibt sich somit aus der Anordnung der Kupplung an der Zwischenwelle, dass die Kupplung weniger hohen Anforderungen genügen muss. Die Aktuierung der Kupplung kann über den elektromagnetischen Aktuator erfolgen, dessen Strombedarf gering gehalten werden kann und der einer kompakten Bauweise der Kupplung und des Zwischengetriebes nicht entgegensteht.
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Vorzugsweise ist das Koppelelement der Kupplung (beispielsweise als Schiebemuffe) an der Zwischenwelle des Zwischengetriebes drehfest, aber axial zwischen der Ausrückposition und der Einrückposition verstellbar gelagert. Die Zwischenwelle bildet bei dieser Ausführungsform als das genannte Trägerelement für das Koppelelement. Dabei kann das Gegenelement der Kupplung durch das genannte andere von zweitem und drittem Zahnrad des Zwischengetriebes gebildet werden, d. h. durch das genannte Losrad. Die Verzahnung des mit der Zwischenwelle rotierenden Koppelelements steht also bei dieser Ausführungsform in seiner Einrückposition in Eingriff mit der Gegenverzahnung des an der Zwischenwelle gelagerten Losrads. Hierdurch wird das Losrad mit der Zwischenwelle drehfest gekoppelt, wobei zwischen den Verzahnungen ein Verdrehspiel vorgesehen ist. Die drehfeste Kopplung des Losrads mit der Zwischenwelle entspricht dabei einer antriebswirksamen Verbindung des Elektromotors mit dem Hauptgetriebe des Antriebsstrangs. Umgekehrt bedeutet also eine Stellung des Koppelelements in der Ausrückposition eine Trennung der antriebswirksamen Verbindung von Elektromotor und Hauptgetriebe, weil in der Ausrückposition das Losrad wiederum frei drehbar an der Zwischenwelle gelagert ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Hauptgetriebe des Antriebsstrangs um ein Achsdifferential.
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Bevorzugt ist das Zwischengetriebe dazu vorgesehen, die Drehzahl des Eingangselements des Hauptgetriebes relativ zu der Drehzahl des Ausgangselements des Elektromotors ins Langsame zu übersetzen, wenn das genannte andere von zweitem und drittem Zahnrad mit der Zwischenwelle durch die Kupplung drehfest gekoppelt ist. Es handelt sich bei dem zwischen dem Elektromotor und dem Hauptgetriebe angeordneten Zwischengetriebe also vorzugsweise um ein Untersetzungsgetriebe, das hohe Drehzahlen des Elektromotors in niedrigere Drehzahlen des Hauptgetriebes überträgt. Auf diese Weise wird ermöglicht, mit einem Elektromotor die gewünschten großen Drehmomente zum Antrieb des Kraftfahrzeugs am Eingangselement des Hauptgetriebes bereitzustellen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei Antriebssträngen.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines der Antriebsstränge aus 1.
- 3a, 3b zeigen eine Ausführungsform der Kupplung des Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug in einem Längsschnitt in einer Offenstellung und in einer Schließstellung der Kupplung.
- 4a, 4b zeigen die Kupplung aus 3a und 3b in einer perspektivischen Ansicht.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 11 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Das Kraftfahrzeug 11 weist zwei Antriebsstränge 13, 15 auf, von denen der eine Antriebsstrang 13 als Antriebseinrichtung einen Verbrennungsmotor 17 aufweist, der über ein Schaltgetriebe 19 und ein Achsdifferential 21 eine Achse 23 mit Rädern 25 antreibt. In der hier gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei der Achse 23 um die Vorderachse des Kraftfahrzeugs 11. Der andere Antriebsstrang 15 umfasst als Antriebseinrichtung einen Elektromotor 27, der mit einem Zwischengetriebe 29 verbunden ist. Das Zwischengetriebe 29 ist ausgangsseitig mit einem Achsdifferential 31 verbunden, das für den Antriebsstrang 15 ein Hauptgetriebe bildet und das Drehmoment auf die Achse 33 und zu den Rädern 35 übertragen kann. In dem Zwischengetriebe 29 ist außerdem eine Kupplung 37 angeordnet.
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Die schematische Darstellung in 2 zeigt einen Antriebsstrang 15 mit einem Elektromotor 27, einem Zwischengetriebe 29 und einem als Achsdifferential 31 ausgeführten Hauptgetriebe. Über eine Achse 33 sind Räder 35 mit dem Achsdifferential 31 verbunden. Ein Ausgangselement 39 des Elektromotors 27 ist hier als eine Welle ausgeführt, die mit einem ersten Zahnrad 41 drehfest verbunden ist. Das erste Zahnrad 41 kämmt mit einem zweiten Zahnrad 43, das in der vorliegenden Ausführungsform drehbar an einer Zwischenwelle 45 gelagert ist und somit ein Losrad bildet. Mit der Zwischenwelle 45 ist ein drittes Zahnrad 47 (Festrad) drehfest verbunden, das mit einem vierten Zahnrad 49 kämmt. Das vierte Zahnrad 49 ist drehfest mit einem Eingangselement 51 des Achsdifferentials 31 verbunden, wobei das Eingangselement 51 hier den Differentialkorb des Achsdifferentials 31 darstellt.
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Das Zwischengetriebe 29 weist eine Kupplung 37 auf, die dazu geeignet ist, das zweite Zahnrad 43 drehfest mit der Zwischenwelle 45 zu koppeln. Die Kupplung 37 weist in der gezeigten Ausführungsform ein Koppelelement in Form einer Schiebemuffe 53 auf, die koaxial zur Zwischenwelle 45 um diese herum gelagert ist, d. h. die Zwischenwelle 45 bildet ein Trägerelement 46 für die Schiebemuffe. Zur Bildung einer drehfesten Verbindung steht eine Innenverzahnung 54 der Schiebemuffe 53 mit einer Außenverzahnung 55 des Trägerelements 46 (Zwischenwelle 45) in Eingriff. Die Schiebemuffe 53 ist axial so versetzbar, dass sie außerdem mit einer Gegenverzahnung 57 des zweiten Zahnrads 43 in formschlüssigen Eingriff gebracht werden kann das somit für das Koppelelement der Kupplung 37 (Schiebemuffe 53) ein Gegenelement 56 bildet. Die Gegenverzahnung 57 ist hier als zusätzliche Außenverzahnung des zweiten Zahnrads 43 ausgeführt.
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Die Verstellung der Schiebemuffe 53 erfolgt über einen elektromagnetischen Aktuator 59, der über einen axial verstellbaren Stößel 61 die Position der Schiebemuffe 53 verändern kann. Die gezeigte Ausführungsform umfasst ferner einen Positionssensor 63, der die Stellung der Kupplung 37 detektieren kann, sowie Drehzahlsensoren 65, 65', die die Drehzahl des Elektromotors 27 bzw. des Achsdifferentials 31 messen können. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Drehzahl des Achsdifferentials 31 durch zwei Drehzahlsensoren 65' gemessen, die zu beiden Seiten des Achsdifferentials 31 die jeweiligen Drehzahlen der Räder 35 messen, woraus die Drehzahl des Achsdifferentials berechnet werden kann. Der Positionssensor 63 und die Drehzahlsensoren 65, 65' sind mit einer Steuereinrichtung 67 verbunden, welche die jeweiligen Positionssignale und Drehzahlsignale erhält und geeignet ist, über entsprechende Verbindungen den Elektromotor 27 und den elektromagnetischen Aktuator 59 zu steuern.
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In den 3a und 3b ist eine Ausführungsform der Kupplung 37 des Antriebsstrangs 15 in Längsschnittsansichten detaillierter dargestellt, wobei 3a die Kupplung 37 in ihrer Offenstellung und 3b die Kupplung 37 in ihrer Schließstellung zeigt. Außer der Kupplung 37 sind als Bestandteile des Zwischengetriebes 29 die Zwischenwelle 45 sowie das zweite Zahnrad 43 und das dritte Zahnrad 47 gezeigt. Während das zweite Zahnrad 43 in 3a drehbar um die Zwischenwelle 45 gelagert ist und in 3b durch die Kupplung 37 in der Schließstellung mit der Zwischenwelle 45 drehfest gekoppelt wird, ist das dritte Zahnrad 47 einteilig mit der Zwischenwelle 45 ausgeführt und somit permanent mit der Zwischenwelle 45 drehfest verbunden. Die Schiebemuffe 53 der Kupplung 37 ist als Hohlrad ausgeführt, dessen Innenverzahnung 54 mit der Außenverzahnung 55 der Zwischenwelle 45 kämmt und durch axiales Verschieben außerdem mit der Gegenverzahnung 57 des Gegenelements 56 bzw. des zweiten Zahnrads 43 in Eingriff gebracht werden kann.
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Die Verstellung der Kupplung erfolgt über den elektromagnetischen Aktuator 59, der den Stößel 61 umfasst, der mit einem Anker 69 des elektromagnetischen Aktuators 59 verbunden ist. Der elektromagnetische Aktuator 59 weist außerdem einen Elektromagneten 71 auf, dessen Magnetfeld im eingeschalteten Zustand den Anker 69 und den damit verbundenen Stößel 61 axial aus dem elektromagnetischen Aktuator drückt. Eine Vorspanneinrichtung 73 zwischen dem Anker 69 und dem Gehäuse des elektromagnetischen Aktuators 59 wirkt so, dass sie entgegen der Wirkung der Kraft des Elektromagneten 71 den Anker 69 und den damit verbundenen Stößel 61 in den elektromagnetischen Aktuator hineindrückt. Die axiale Bewegung des Stößels 61 wird über Gelenke und eine schwenkbare Kupplungsgabel 75 zu einer axialen Bewegung der Schiebemuffe 53 übertragen, wobei ein Heraustreten des Stößels 61 aus dem elektromagnetischen Aktuator 59 zu einer Schließbewegung d. h. zu einer Kopplung des zweiten Zahnrads 43 mit der Zwischenwelle 45 führt (3b). Umgekehrt führt ein Eindringen des Stößels 61 in den elektromagnetischen Aktuator 59 zu einer Öffnungsbewegung der Schiebemuffe 53 (3a). Ein Fortsatz 77 der Kupplungsgabel 75 ist so angeordnet, dass er bei einer Schließstellung der Kupplung 37 (3b) Kontakt zu einem Positionssensor 63 aufweist, wobei dieser Kontakt die Erzeugung eines Positionssignals, das der Schließstellung der Kupplung 37 entspricht, auslöst, während der Positionssensor 63 ansonsten ein Positionssignal ausgibt, das der Offenstellung der Kupplung 37 entspricht.
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Dieselbe Ausführungsform wie in 3a und 3b ist in 4a und 4b in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, wobei 4a (der 3a entsprechend) die Kupplung 37 in ihrer Offenstellung und 4b (der 3b entsprechend) die Kupplung 37 in ihrer Schließstellung zeigt. Die in 4a und 4b gezeigten und mit Bezugszeichen gekennzeichneten Merkmale der Ausführungsform entsprechen den in den 3a und 3b gezeigten. Insbesondere sind in der perspektivischen Darstellung der 4a und 4b die Ausführung der Kupplung 37 als Schiebemuffe 53 mit Innenverzahnung 54 und das Zusammenwirken der Innenverzahnung 54 mit der Außenverzahnung 55 der Zwischenwelle 45 (Trägerelement 46) sowie mit der Gegenverzahnung 57 des zweiten Zahnrads 43 (Gegenelement 56) deutlich zu erkennen.
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Die Figuren zeigen eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei der die Kupplung 37 als Teil eines Antriebsstrangs 15 in einem Zwischengetriebe 29 zwischen einem Elektromotor 27 und einem Achsdifferential 31 angeordnet ist. Die Kupplung 37 kann allerdings auch in ganz anderen, hier nicht gezeigten Getrieben und Anordnungen eingesetzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Kraftfahrzeug
- 13
- Antriebsstrang
- 15
- Antriebsstrang
- 17
- Verbrennungsmotor
- 19
- Schaltgetriebe
- 21
- Achsdifferential
- 23
- Achse
- 25
- Räder
- 27
- Elektromotor
- 29
- Zwischengetriebe
- 31
- Hauptgetriebe
- 33
- Achse
- 35
- Räder
- 37
- Kupplung
- 39
- Ausgangselement
- 41
- erstes Zahnrad
- 43
- zweites Zahnrad
- 45
- Zwischenwelle
- 46
- Trägerelement
- 47
- drittes Zahnrad
- 49
- viertes Zahnrad
- 51
- Eingangselement
- 53
- Koppelelement
- 54
- Innenverzahnung
- 55
- Außenverzahnung
- 56
- Gegenelement
- 57
- Gegenverzahnung
- 59
- elektromagnetischer Aktuator
- 61
- Stößel
- 63
- Positionssensor
- 65, 65'
- Drehzahlsensoren
- 67
- Steuereinrichtung
- 69
- Anker
- 71
- Elektromagnet
- 73
- Vorspanneinrichtung
- 75
- Kupplungsgabel
- 77
- Fortsatz
