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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einem Antriebs- und einem Abtriebselement und einer schaltbaren Kupplung, durch die in einer Schaltstellung der Kupplung der Leistungsfluss von dem Antriebselement auf das Abtriebselement unterbrochen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Schaltvorrichtung zum bedarfsgeregelten Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs.
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Kraftfahrzeuge weisen neben einem Antrieb, der in der Regel in Form eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist, eine Vielzahl von Nebenaggregaten, z. B. Generator, Kühlmittelpumpe, Klimakompressor etc., auf. Die Nebenaggregate werden entweder über einen eigenen Antrieb (in der Regel ein Elektromotor) angetrieben oder diese werden von dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs direkt angetrieben. Ein wesentlicher Vorteil des eigenen elektromotorischen Antriebs ist die Möglichkeit, den Antrieb der einzelnen Nebenaggregate bedarfsgerecht zu steuern. Bei einem Direktantrieb der Nebenaggregate durch den Verbrennungsmotor hängt die Antriebsdrehzahl der Nebenaggregate dagegen prinzipiell proportional von der Drehzahl des Antriebs ab, die dadurch nicht immer den tatsächlichen Leistungsbedarf der Nebenaggregate wiederspiegelt. Die Dimensionierung der Nebenaggregate musste deshalb trotz Zwischenschaltung von Pufferelementen (z. B. Batterie bei einem Generator) anhand eines „Worst Case” dimensioniert, d. h. so ausgelegt werden, dass diese auch bei einer Kombination aus geringer Drehzahl des Verbrennungsmotors (und somit des Nebenaggregats) und einer hohen Leistungsanforderung an das Nebenaggregat dauerhaft die geforderte Leistung bereitstellen kann. Als Folge davon waren viele direkt angetriebene Nebenaggregate in einem Großteil des Drehzahlbereichs des Verbrennungsmotors überdimensioniert.
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Um diese Problematik abzuschwächen wurden Systeme entwickelt, mit denen die Leistung von direkt angetriebenen Nebenaggregaten von der Drehzahl des Antriebs des Kraftfahrzeugs unabhängiger gemacht werden konnte. Beispielsweise ist aus der
DE 196 13 291 A1 ein schaltbares, auf einem Planetengetriebe beruhendes Getriebe bekannt, dessen Antriebswelle mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist und dessen Abtriebswelle für den Antrieb der Nebenaggregate vorgesehen ist. Das Getriebe stellt dabei zwei Übersetzungsstufen zur Verfügung, um die Drehzahl der Nebenaggregate besser an die tatsächliche Leistungsanforderung anzupassen. Das Getriebe der
DE 196 13 291 A1 ermöglicht dabei kein Trennen der Nebenaggregate von der Kurbelwelle, d. h. keine Unterbrechung des Leistungsflusses von der Kurbelwelle auf die Nebenaggregate.
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Die prinzipiell einfachste Möglichkeit der Realisierung eines bedarfsgesteuerten Direktantriebs von Nebenaggregaten kann dadurch erreicht werden, dass diese temporär von dem Antrieb durch den Verbrennungsmotor abgekuppelt werden. Dies kann grundsätzlich mit einer einfachen Schaltkupplung erfolgen, die beispielsweise als Reibkupplung ausgebildet ist und zwei Kupplungselemente aufweist, die über ein Federelement unter einem definierten Anpressdruck gegeneinander gedrückt werden. Der Direktantrieb der Nebenaggregate wird dann bedarfsweise temporär unterbrochen, indem die beiden Kupplungselemente über eine automatisch betätigte Stellvorrichtung auseinander bewegt werden, wodurch der Leistungsfluss unterbrochen wird.
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Ein wesentliches Problem bei der Realisierung eines solchen bedarfsgesteuerten Direktantriebs von Nebenaggregaten durch einen Verbrennungsmotor liegt in den regelmäßig recht hohen, über die Kupplung zu übertragenden Drehmomenten, in Verbindung mit den teilweise sehr zahlreichen Schaltvorgängen. Dies führt dazu, dass die Kupplungen zum einen ausreichend groß dimensioniert werden müssen, wodurch diese viel Bauraum benötigen und das Gewicht eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs erhöhen. Zudem resultiert aus dem durch die Vielzahl der Schaltvorgänge unter hoher Last bedingten Verschleiß ein hoher Wartungsaufwand.
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Aufgrund dieser Nachteile wird regelmäßig auf den grundsätzlich vorteilhaften, weil auf einen eigenen Antrieb verzichtenden (bedarfsgeregelten) Direktantrieb der Nebenaggregate verzichtet und stattdessen ein eigener elektromotorischer Antrieb für die Nebenaggregate vorgesehen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache, für die Verwendung bei der Bedarfsregelung eines oder mehrerer direkt angetriebener Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugs verwendbare Schaltvorrichtungen anzugeben, die ein Antriebs- und ein Abtriebselement sowie eine Kupplung umfasst, durch die der Leistungsfluss von dem Antriebselement auf das Abtriebselement unterbrochen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltvorrichtung mit einem Antriebs- und einem Abtriebselement sowie einer schaltbaren Kupplung, durch die in einer Schaltstellung der Kupplung ein Leistungsschluss von dem Antriebselement auf das Abtriebselement unterbrochen ist, dadurch zu verbessern, dass die Kupplung nicht ein Teil des Leistungswegs ist, sondern lediglich als Aktuator für die Unterbrechung des Leistungsflusses dient.
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Dies wird erfindungsgemäß strukturell dadurch gelöst, dass die gattungsgemäße Schaltvorrichtung zusätzlich ein Planetengetriebe umfasst, das das Antriebs- und das Abtriebselement verbindet, wobei durch die Kupplung die Relativdrehung der Räder des Planetengetriebes veränderbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung verläuft der Leistungsfluss somit erfindungsgemäß über das Planetengetriebe, wobei jedoch in zumindest einer Schaltstellung der Kupplung ein Antrieb des Abtriebselements vermieden wird, indem das Planetengetriebe in eine Art „Leerlauf” geschaltet wird.
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Als „Planetengetriebe” wird erfindungsgemäß ein Rädergetriebe verstanden, bei dem mindestens zwei stirnseitig aufeinander abrollende Getrieberäder (insbesondere mindestens ein Sonnen- und ein Planetenrad) vorhanden sind, die – zumindest bedarfsweise – um eine koaxiale Achse rotieren können.
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Planetengetriebe um eines, das (mindestens) ein Sonnenrad, ein oder mehrere auf dem Sonnenrad abrollende Planetenräder und (mindestens) ein auf dem/den Planetenrad/-rädern abrollendes Hohlrad umfasst. Dann kann in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung kann dann vorgesehen sein, dass das Antriebselement mit einem Hohlrad des Planetengetriebes und das Abtriebselement mit einen Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden ist, wobei die Kupplung vorzugsweise auf Planetenräder des Planetengetriebes wirkt. Die Wirkung der Kupplung auf die Planetenräder ist dabei derart, dass sich diese entweder (in einer ersten Schaltstellung der Kupplung) nur um ihre eigenen Rotationsachsen drehen oder zusätzlich (in einer zweiten Schaltstellung der Kupplung) auch auf einer Kreisbahn um das Sonnenrad bewegen.
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Eine alternative Ausführungsform kann vorsehen, dass das Planetengetriebe (mindestens) zwei Sonnenräder umfasst, die nicht drehfest miteinander verbunden sind, wobei das bzw. die Planetenräder auf beiden Sonnenrädern abrollen. Auf ein Hohlrad kann dann verzichtet werden. Auch hier kann die Kupplung derart auf die Planetenräder wirken, dass sich diese entweder (in einer ersten Schaltstellung der Kupplung) nur um ihre eigenen Rotationsachsen drehen oder zusätzlich (in einer zweiten Schaltstellung der Kupplung) auch auf einer Kreisbahn um die Sonnenräder bewegen.
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Dies kann besonders vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass die Kupplung zwei Kupplungselemente umfasst, die zwischen einer ersten Schaltstellung, in der diese Drehmoment-übertragend aneinander liegen, und einer zweiten, (im Wesentlichen) kein Drehmoment übertragenden Schaltstellung relativ zueinander beweglich sind, wobei ein erstes der Kupplungselemente mit den Planetenrädern des Planetengetriebes verbunden und drehbar bezüglich des Abtriebs gelagert ist und das zweite der Kupplungselemente drehfest bezüglich eines Gehäuses der Schaltvorrichtung gelagert ist.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform einer solchen Schaltvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das zweite Kupplungselement in der zweiten Schaltstellung drehfest mit dem Abtriebselement verbunden ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Abtriebselement in der zweiten Schaltstellung des Kupplungselements, in der keine Leistung auf das Abtriebselement übertragen werden soll, auch tatsächlich still steht und es durch eine reibungsbedingte „Restdrehmomentübertragung” (über das Planetengetriebe) nicht doch noch zu einer ungewollten Rotation des Abtriebselement kommt.
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Eine solche drehfeste Verbindung des zweiten Kupplungselements mit dem Abtriebselement kann vorzugsweise formschlüssig, z. B. durch eine ineinandergreifende Verzahnung erfolgen, die einfach konstruktiv umsetzbar und zudem wartungsarm ist. Selbstverständlich besteht jedoch auch die Möglichkeit eine kraftschlüssige Fixierung zwischen zweitem Kupplungselement und Abtriebselement zu realisieren.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Schaltvorrichtung eine Synchronisationsvorrichtung aufweist, über die die Drehbewegungen des zweiten Kupplungselements und des Abtriebselements bei einer Bewegung der Kupplungselemente in die zweite Schaltstellung angeglichen werden. Dadurch kann der Verschleiß der Verzahnung gering gehalten werden.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, die Relativbewegung der Kupplungselemente und somit das Schalten der Schaltvorrichtung elektromagnetisch zu bewirken, was insbesondere unter Rückgriff auf die Bordspannung eines Kraftfahrzeugs einfach umsetzbar ist. Selbstverständlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Relativbewegung der Kupplungselemente auf beliebige andere Art und Weise, beispielsweise pneumatisch, hydraulisch oder auch (elektro-)mechanisch (z. B. Spindelantrieb etc.) zu bewirken.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Kupplungselemente durch ein Federelement in Richtung der ersten Schaltstellung beaufschlagt sind. Dadurch kann auf konstruktiv einfache Weise ein von einer möglichen Störungen einer Stellvorrichtung der Kupplung unabhängiger Anpressdruck der Kupplungselemente erreicht werden kann. Eine solche sogenannte „fail safe” Auslegung der Schaltvorrichtung ist insbesondere für den Antrieb von solchen Nebenaggregaten sinnvoll, deren Funktion sicherheitsrelevant ist oder deren Ausfall zu gravierenden Folgeschäden führt, wie dies beispielsweise für eine Kühlmittelpumpe des Verbrennungsmotors der Fall ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, das Antriebselement als Riemenrad auszubilden. Die Schaltvorrichtung kann somit über einen (z. B. Zahn-, Flach- oder Keil-)Riemen von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Antriebselement schüsselförmig ausgebildet ist und das Planetengetriebe und/oder die Kupplung (an mehreren Seiten) umgibt. Dadurch kann zum einen eine besonders kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung realisiert werden. Zum anderen schützt das schüsselförmige Antriebselement die von diesem umgebenden Funktionselemente der Schaltvorrichtung vor äußeren Einflüssen und insbesondere Verschmutzung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung in einer ersten Schaltstellung;
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2: die Schaltvorrichtung gemäß 1 in einer zweiten Schaltstellung;
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3: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung in einer ersten Schaltstellung; und
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4: die Schaltvorrichtung gemäß 3 in einer zweiten Schaltstellung.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Schaltvorrichtung umfasst ein Planetengetriebe mit einem Sonnen(zahn)rad 10, einem Hohl(zahn)rad 12 und mehreren (insbesondere drei) Planeten(zahn)rädern 14, sowie eine schaltbare Kupplung, die in Form einer Reibscheibenkupplung ausgebildet ist.
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Das Hohlrad 12 ist außenseitig mit einem schüsselförmigen Antriebsrad 16 verbunden, über das ein Abschnitt eines Flachriemens 18 läuft, der direkt von einer Kurbelwelle einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der Flachriemen 18 treibt somit das Antriebsrad 16 an, das wiederum die Drehbewegung auf das Hohlrad 12 des Planetengetriebes überträgt.
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Das Sonnenrad 10 des Planetengetriebes sitzt auf einer Abtriebswelle 20, die mit einer Antriebswelle eines nicht dargestellten Nebenaggregats verbunden ist oder selbst als eine solche Antriebswelle (z. B. für eine Kühlmittelpumpe) dient. Die Abtriebswelle 20 ist innerhalb einer Lageröffnung eines Gehäuses 22 drehbar gelagert.
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Das Gehäuse 22 ist mit einem ringförmigen Lagersitz 24 ausgeführt, der das dazu drehbar gelagerte, schüsselförmige Antriebsrad 16 abstützt und mit diesem ein weitgehend geschlossenes Innenvolumen ausbildet, innerhalb dessen die Funktionselemente (insbesondere Planetengetriebe und Kupplung) der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung angeordnet sind.
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Die schaltbare Kupplung umfasst zwei Kupplungsplatten 26, 28, von denen eine erste Kupplungsplatte 26 mit Lagerachsen 30 versehen ist, auf denen jeweils ein Planetenrad 14 drehbar gelagert ist. Die Anordnung der ersten Kupplungsplatte 26 ist axial ortsfest und insbesondere drehbar bezüglich der Abtriebswelle 20. Die zweite Kupplungsplatte 28 ist dagegen in Richtung der Längsachse 32 der Abtriebswelle 20 relativ zu der ersten Kupplungsplatte 26 verschiebbar, wodurch diese von einer ersten Schaltstellung (vgl. 1), in der diese von einer sich zwischen der zweiten Kupplungsplatte 28 und einem Abschnitt des Gehäuses 22 abstützenden Feder 34 mit einem definierten Anpressdruck gegen die erste Kupplungsplatte 26 gedrückt wird, in eine zweite Schaltstellung (vgl. 2) bewegt werden kann, in der kein Kontakt zwischen den beiden Kupplungsplatten 26, 28 gegeben ist. Diese Bewegung der zweiten Kupplungsplatte 28 wird elektromagnetisch durch eine ringförmige Spule 36 (mit ferromagnetischem Kern) bewirkt, die von einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung bedarfsweise mit einer Steuerspannung beaufschlagt wird. Die dadurch erzeugten Magnetkräfte wirken auf die zumindest teilweise metallisch ausgebildete zweite Kupplungsplatte 28 und ziehen diese von der ersten Kupplungsplatte 26 weg. Diese Bewegung wird dabei durch mehrere, mit der zweiten Kupplungsplatte 28 verbundene Führungsbolzen 38 geführt. Über diese Führungsbolzen 38 ist die zweite Kupplungsplatte 28 zudem drehfest mit dem Gehäuse 22 der Schaltvorrichtung verbunden.
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In der in der 1 dargestellten ersten Schaltstellung wird die Drehbewegung des Antriebsrads 16 auf das Hohlrad 12 des Planetengetriebes übertragen, das wiederum eine Drehbewegung der Planetenräder 14 initiiert, wobei diese Drehbewegung lediglich um die eigene, von den Lagerachsen 30 definierte Rotationsachse erfolgt. Die Drehbewegungen der Planetenräder 14 wiederum initiieren eine Drehbewegung des Sonnenrads 10 sowie der damit (drehfest) verbundenen Abtriebswelle 20, da eine Bewegung der Planetenräder 14 auf einer Umlaufbahn um das Sonnenrad 10 durch die Kupplung verhindert wird.
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In der in der 2 dargestellten zweiten Schaltstellung initiiert die Drehbewegung des Hohlrads 12 des Planetengetriebes ebenfalls eine Rotation der Planetenräder 14 um die eigene Achse, wobei jedoch dadurch, dass die die einzelnen Planetenräder 14 über die Lageachsen verbindende erste Kupplungsplatte 26 nunmehr drehbar ist, die Planetenräder 14 zusätzlich auf dem Hohlrad 12 und dem Sonnenrad 10 abrollen und sich somit auf einer Umlaufbahn um das Sonnenrad 10 bzw. die Längsachse 32 der Abtriebswelle 20 bewegen. Eine Drehung der Abtriebswelle 20, wird dabei über eine drehfeste Verbindung zwischen der zweiten Kupplungsplatte 28 und der Abtriebswelle 20 verhindert. Diese drehfeste Verbindung wird über eine Innen(längs)verzahnung der zweiten Kupplungsplatte 28 und einer Außen(längs)verzahnung eines Verriegelungsrings 40 der Abtriebswelle 20 realisiert, die in der zweiten Schaltstellung der Kupplung ineinander greifen.
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Die in den 3 und 4 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung unterscheidet sich von derjenigen der 1 und 2 im Wesentlichen in der Art des zum Einsatz kommenden Planetengetriebes.
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Das dort verwendete Planetengetriebe umfasst zwei Sonnen(zahn)räder 10a, 10b, von denen ein erstes 10a drehfest mit dem schüsselförmigen Antriebsrad 16 verbunden ist. Das über den Flachriemen 18 angetriebene Antriebsrad 16 überträgt seine Drehung somit direkt auf das erste Sonnenrad 10a. Dieser rotierende Antrieb des ersten Sonnenrads 10a wird auf die damit kämmenden Planetenräder 14 übertragen, die zudem mit dem zweiten Sonnenrad 10b kämmen. Dazu sind die Planetenräder 14 als Doppel-Planetenräder ausgebildet, d. h. jedes der Planetenräder 14 umfasst zwei Zahnräder, die, in axialer Richtung versetzt, parallel zueinander angeordnet und drehfest miteinander verbunden sind. Ein erstes der Zahnräder jedes Planetenrads 14 kämmt dabei mit dem ersten Sonnenrad 10a während das zweite der Zahnräder mit dem zweiten Sonnenrad 10b im Eingriff ist.
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Anstelle der dargestellten Doppel-Planetenräder können selbstverständlich auch Planetenräder zum Einsatz kommen, die so breit sind, dass diese gleichzeitig mit beiden Sonnenrädern 10a, 10b kämmen.
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Jedes der Planetenräder 14 ist – wie bei der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 – drehbar mit der ersten Kupplungsplatte 26 verbunden, wobei hier vorgesehen ist, eine Lagerachse 30 des Planetenrads drehbar in einer Aufnahme der ersten Kupplungsplatte 26 zu lagern.
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In der in der 3 dargestellten ersten Schaltstellung wird die Drehbewegung des Antriebsrads 16 auf das erste Sonnenrad 10a des, Planetengetriebes übertragen, das wiederum eine Drehbewegung der Planetenräder 14 initiiert, wobei diese Drehbewegung lediglich um die eigene, von den Lagerachsen 30 definierte Rotationsachse erfolgt. Die Drehbewegungen der Planetenräder 14 wiederum initiieren eine Drehbewegung des zweiten Sonnenrads 10b sowie der damit (drehfest) verbundenen Abtriebswelle 20; eine Bewegung der Planetenräder 14 auf einer Umlaufbahn um die Sonnenräder 10a, 10b wird durch die Kupplung verhindert.
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In der in der 4 dargestellten zweiten Schaltstellung initiiert die Drehbewegung des Antriebsrads 16 ebenfalls eine Rotation der Planetenräder 14 um die Lagerachse 30, wobei jedoch dadurch, dass die die einzelnen Planetenräder 14 über die Lagerachsen 30 verbindende erste Kupplungsplatte 26 nunmehr drehbar ist, die Planetenräder 14 zusätzlich auf einer Umlaufbahn um das Sonnenrad 10 bzw. die Längsachse 32 der Abtriebswelle 20 bewegen. Eine Drehung der Abtriebswelle 20 wird dabei über eine drehfeste Verbindung zwischen der zweiten Kupplungsplatte 28 und der Abtriebswelle 20 verhindert. Diese drehfeste Verbindung wird über eine Innen(längs)verzahnung der zweiten Kupplungsplatte 28 und einer Außen(längs)verzahnung eines Verriegelungsrings 40 der Abtriebswelle 20 realisiert, die in der zweiten Schaltstellung der Kupplung ineinander greifen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sonnenrad
- 12
- Hohlrad
- 14
- Planetenrad
- 16
- Antriebsrad
- 18
- Flachriemen
- 20
- Abtriebswelle
- 22
- Gehäuse
- 24
- Lagersitz
- 26
- erste Kupplungsplatte
- 28
- zweite Kupplungsplatte
- 30
- Lagerachse
- 32
- Längsachse der Abtriebswelle
- 34
- Feder
- 36
- Spule
- 38
- Führungsbolzen
- 40
- Verriegelungsring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19613291 A1 [0003, 0003]
