-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkrafterzeugungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
-
In manchen Getrieben, insbesondere in manchen Fahrzeuggetrieben, kommen Lastschaltelemente bzw. Reibkupplungen (z. B. Lamellenkupplungen) bzw. Reibbremsen (z. B. Lamellenbremsen) zum Einsatz. Bei einer Lamellenkupplung bzw. einer Lamellenbremse sind an einem Außenlamellenträger angeordnete Außenlamellen vorgesehen, zwischen die an einem Innenlamellenträger angeordnete Innenlamellen eingreifen. Zum Schließen der Lamellenkupplung bzw. Lamellenbremse wird das Lamellenpaket in einer Axialrichtung zusammengepresst.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine zum Betätigen einer Drehmomentübertragungseinrichtung, insbesondere einer Lamellenkupplung oder einer Lamellenbremse, geeignete Axialkrafterzeugungseinrichtung zu schaffen, die kompakt aufgebaut ist.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Axialkrafterzeugungseinrichtung, welche ein erstes drehbar angeordnetes Element und ein damit in Axialrichtung zusammenwirkendes, zweites drehbar angeordnetes Element aufweist. Die beiden drehbar angeordneten Elemente stützen sich in Axialrichtung aufeinander ab.
-
Zwischen den beiden drehbar angeordneten Elementen ist eine Rampenanordnung, z. B. eine Kugel-/Rampenanordnung, vorgesehen. Derartige Rampenanordnungen sind hinlänglich bekannt. Eine Rampenanordnung bzw. eine Kugel-/Rampenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer Relativverdrehung der beiden drehbar angeordneten Elemente das eine drehbar angeordnete Element in Axialrichtung in Bezug auf das andere drehbar angeordnete Element verschoben wird. In einer „ersten Relativdrehrichtung” werden die beiden drehbar angeordneten Elemente „keilartig” auseinandergedrückt, wodurch eine Schließkraft auf die Drehmomentübertragungseinrichtung ausgeübt werden kann. Durch eine Relativverdrehung in umgekehrter Relativdrehrichtung können die beiden drehbar angeordneten Elemente in Axialrichtung wieder aufeinander zu verfahren werden, was ein Öffnen der Drehmomentübertragungseinrichtung ermöglicht.
-
Zum relativen Verdrehen der beiden drehbar angeordneten Elemente ist eine Stelleinrichtung bzw. ein drehbar angeordnetes Stellelement vorgesehen. Die Stelleinrichtung bzw. das Stellelement ist über. eine erste Übersetzungseinrichtung mit dem ersten drehbar angeordneten Element und über eine zweite Übersetzungseinrichtung mit dem zweiten drehbar angeordneten Element drehgekoppelt. Um eine Relativverdrehung der beiden drehbar angeordneten Elemente bei einer Betätigung der Stelleinrichtung bzw. des Stellelements zu erreichen, ist es wichtig, dass sich die beiden Übersetzungen unterscheiden. Durch die sich daraus ergebende Relativverdrehung der beiden drehbar angeordneten Elemente ergibt sich aufgrund der Rampenanordnung eine Relativverschiebung der beiden drehbar angeordneten Elemente in Axialrichtung.
-
Die beiden Übersetzungseinrichtungen können jeweils durch ein Zahnradgetriebe bzw. jeweils durch eine oder mehrere Zahnradstufen gebildet sein.
-
Das erste und/oder das zweite drehbar angeordnete Element kann jeweils als Antriebsrad bzw. jeweils als Rampenscheibe ausgebildet sein.
-
Eines der beiden Antriebsräder kann in Betätigungs- oder Axialrichtung über ein Axiallager an einem Anpresselement abgestützt sein, welches sich mit einem Element der Drehmomentübertragungseinrichtung mitdreht. Im Falle einer Lamellenkupplung bzw. einer Lamellenbremse, welche einen Innenlamellenträger und einen Außenlamellenträger aufweist, kann vorgesehen sein, dass sich das Anpresselement permanent mit dem Innenlamellenträger oder mit dem Außenlamellenträger mitdreht. Das Anpresselement kann formschlüssig, z. B. über eine Verzahnung, mit dem Innenlamellenträger oder dem Außenlamellenträger drehgekoppelt sein.
-
Der Innenlamellenträger oder der Außenlamellenträger kann drehfest mit einer Welle verbunden sein. Das erste und/oder das zweite drehbar angeordnete Element der Axialkrafterzeugungseinrichtung kann über ein Radiallager auf der Welle gelagert sein. Als Radiallager kommt z. B. ein Nadellager in Betracht.
-
Das zweite drehbar angeordnete Element kann über ein Axialkräfte abstützendes Wälzlager, insbesondere über ein Schrägkugellager, auf der Welle gelagert sein. Ein Innenring des Wälzlagers kann zumindest in einer Richtung mittels einer Abstützeinrichtung auf der Welle fixiert sein. Die Abstützeinrichtung stützt Reaktionskräfte der Axialkrafterzeugungs-einrichtung ab.
-
Zum Betätigen der Stelleinrichtung bzw. des Stellelements kann ein Stellmotor vorgesehen sein. Bei dem Stellmotor kann es sich z. B. um einen Elektromotor handeln. Es kann vorgesehen sein, dass ein Ritzel des Elektromotors direkt oder über ein Zwischenrad mit dem Stellelement drehgekoppelt ist. Selbstverständlich kann der Elektromotor auch über mehrere Zwischenräder bzw. – ganz allgemein über ein Zwischengetriebe – mit der Stelleinrichtung bzw. dem Stellelement drehgekoppelt sein.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Zwischenrad mit dem ersten und mit dem zweiten drehbar angeordneten Element (d. h. mit dem ersten und mit dem zweiten Antriebsrad) kämmt.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erfassung bzw. Ermittlung der Stellung des Anpresselements und/oder zur Erfassung bzw. zur Ermittlung des von dem Anpresselement auf die Drehmomentübertragungseinrichtung ausgeübten Drucks vorgesehen. Die Stellung des Anpresselements kann beispielsweise mittels eines in den Stellmotor integrierten Hallsensors ermittelt werden oder über Induktivsensoren an den Verzahnungen der Stelleinrichtung bzw. über Wegaufnehmer.
-
Insbesondere kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, welche die Stellung und/oder den Druck entsprechend einer vorgegebenen Soll-Stellung bzw. entsprechend eines vorgegebenen Soll-Drucks regelt.
-
Erfindungsgemäß ist die Axialkrafterzeugungseinrichtung nicht selbsthemmend ausgebildet. Eine selbsthemmende Axialkrafterzeugungseinrichtung würde sich dadurch auszeichnen, dass bei einem Fortfall einer die Stelleinrichtung bzw. das Stellelement betätigenden Stellkraft bzw. eines Stellmoments die Drehmomentübertragungseinrichtung selbsttätig ihren momentanen Betriebszustand (geschlossen, rutschend, geöffnet) beibehält. Die erfindungsgemäß nicht selbsthemmende Axialkrafterzeugungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Fortfall der Stellkraft bzw. des Stellmoments die Drehmomentübertragungseinrichtung unter Einwirkung einer äußeren Kraft bzw. eines äußeren Moments („Last”) selbsttätig in einen drehmomentfreien bzw. geöffneten Zustand übergeht.
-
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Explosionsdarstellung zweier über eine Kugel-/Rampenanordnung gegeneinander abgestützter Rampenscheiben;
-
2 das Grundprinzip des Antriebs der beiden Rampenscheiben durch eine gemeinsame Steuerwelle in Axialrichtung betrachtet;
-
3 eine perspektivische Darstellung einer Axialkrafterzeugungseinrichtung gemäß der Erfindung; und
-
4 eine perspektivische Darstellung einer Lamellenkupplung, welche durch eine Axialkrafterzeugungseinrichtung entsprechend 3 betätigbar ist.
-
1 zeigt in Explosionsdarstellung zwei Rampenscheiben 1, 2 die jeweils eine Außenverzahnung 3, 4 aufweisen und die sich über eine Kugel-/Rampenanordnung 5 in einer Axialrichtung 6 gegeneinander abstützen. Das Prinzip eines Kugel-/Rampenmechanismus ist hinlänglich bekannt. Funktional betrachtet bewirkt eine Relativverdrehung der beiden Rampenscheiben 1, 2 eine Relativverschiebung derselben in Axialrichtung 6 was dazu genutzt werden kann, eine hier nicht näher dargestellte Drehmomentübertragungseinrichtung (z. B. eine Lamellenkupplung) mit einer Axialkraft Fax zu beaufschlagen bzw. zu entlasten. Der Kugel-/Rampenmechanismus weist mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Kugeln auf, die jeweils auf einer zugeordneten, sich über einen Umfangsabschnitt erstreckenden, in Umfangsrichtung ansteigenden bzw. abfallenden Rampenbahn abrollen. Bei einer derartigen Anordnung ergeben sich prinzipbedingt unter Einwirkung einer äußeren Axialkraft Fax auf die beiden Rampenscheiben 1, 2, einander entgegengerichtete Rückstellmomente T gleichen Betrags.
-
Die beiden Rampenscheiben 1, 2 werden zur gegenseitigen Drehmomentabstützung über eine Steuerwelle 8 (vgl. 2) miteinander gekoppelt, so dass ein „Plusgetriebe” entsteht. Hierzu sind auf der Steuerwelle 8 zwei Verzahnungen 9, 10 vorgesehen. Anstelle zweier Verzahnungen 9, 10, kann auch lediglich eine einzige Verzahnung vorgesehen sein. Bei der in 2 gezeigten Prinzipdarstellung kämmt die Verzahnung 9 der Steuerwelle 8 mit der Verzahnung 4 der ersten Rampenscheibe 1 und die Verzahnung 10 der Steuerwelle 8 kämmt mit der Verzahnung 3 der zweiten Rampenscheibe 2. Bei der in 2 gezeigten Prinzipdarstellung weisen die beiden Verzahnungen 9, 10 und somit auch die der beiden Verzahnungen 3, 4 unterschiedliche Zähnezahlen auf. Dadurch weisen die beiden „Zahnradstufen” 4, 9 bzw. 3, 10 unterschiedliche Übersetzungen auf.
-
Die beiden Verzahnungen 9, 10 der Steuerwelle 8 fungieren als Antriebsräder der Rampenscheiben 1, 2. Wird die Steuerwelle 8 z. B. direkt über einen Elektromotor oder indirekt über eine weitere Verzahnungsstufe gedreht, so laufen beide Rampenscheiben 1, 2 gleichsinnig um. Aufgrund der unterschiedlichen Übersetzungen der Zahnradstufen 4, 9 bzw. 3, 10 ergibt sich jedoch eine Relativverdrehung der beiden Rampenscheiben 1, 2 was, je nach Richtung der Relativverdrehung zu einer Auseinanderspreizung der beiden Rampenscheiben 1, 2 durch die Kugel-/Rampenanordnung 5 führt oder unter Einwirkung einer äußeren Axialkraft zu einer Relativverschiebung aufeinander zu.
-
Bei einer gleichsinnigen Drehung der Rampenscheiben und hohen Einzelübersetzungen der Zahnradstufen 3, 10 bzw. 4, 9 und einem geringen Übersetzungsunterschied der beiden Zahnradstufen 3, 10, 4, 9 ergibt sich eine hohe Gesamtübersetzung des Verstellmechanismus in Bezug auf die Antriebsdrehzahl der Steuerwelle 8 und somit eine Differenzdrehzahl an der Rampenscheiben 1, 2. Dies wiederum bedeutet, dass für eine entsprechende am Verstellmechanismus wirkende Axialkraft nur geringe Drehmomente an der antreibenden Steuerwelle 8 erforderlich sind.
-
Unterschiedliche Übersetzungen der Zahnradstufen 3, 10 bzw. 4, 9 können, wie oben bereits erwähnt, zum einen durch unterschiedliche Zähnezahlen der Verzahnungen 9, 10 der Steuerwelle 8 erreicht werden. Alternativ dazu besteht, wie bereits erwähnt, die Möglichkeit, nur eine einzige, durchgehende Verzahnung auf der Steuerwelle 8 vorzusehen und unterschiedliche Übersetzungen durch geeignete Profilverschiebungen der Verzahnungen 3, 4 der Rampenscheiben 1, 2 zu realisieren.
-
3 zeigt eine Axialkrafterzeugungseinrichtung entsprechend 1 in perspektivischer Darstellung. Wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, stützen sich die beiden Rampenscheiben 1, 2 über eine Kugel-/Rampenanordnung 5 in Axialrichtung gegeneinander ab. Im Unterschied zu der Prinzipdarstellung der 2 kämmen die beiden Verzahnungen 3, 4 der Rampenscheiben 1, 2 hier mit einem Zwischenrad 11, welches wiederum von einem Antriebsritzel 12 eines elektrischen Stellmotors 13 angetrieben wird. Der Stellmotor 13 weist eine Motorbremse 14 auf, mittels der der Stellmotor auch unter einer auf die Axialkrafterzeugungseinrichtung wirkenden Kraft in seiner momentanen Drehstellung festgehalten werden kann. Ferner ist eine Sensorik 15 vorgesehen, mittels der die momentane Drehstellung des Stellmotors 13 überwacht bzw. gesteuert oder geregelt werden kann.
-
Auf einem axial abstehenden Bund 16 (vgl. 1) der Rampenscheibe 1 ist ein hier durch ein Schrägkugellager gebildetes Drucklager 17 vorgesehen, über das eine Axialkraft Fax von der Rampenscheibe 1 auf ein Druckelement 18 und von diesem auf eine Anpressplatte 19 einer Lamellenkupplung 20 übertragen werden kann. Die Anpressplatte 19 und das Druckelement 18 sind drehfest mit einem Innenlamellenträger 21 der Lamellenkupplung 20 verbunden. Der Innenlamellenträger 21 wiederum ist über ein Kerbzahnprofil 22 drehfest mit einer Welle 23 verbunden.
-
Die Lamellenkupplung 20 weist auf dem Innenlamellenträger 21 angeordnete innere Reibelemente auf, die hier als Stahllamellen ausgebildet sind, und auf einem Außenlamellenträger 24 angeordnete Außenlamellen auf, die hier als Belaglamellen ausgebildet sind. Bei Herstellung eines Reibschlusses in dem durch die Innenlamellen und durch die Außenlamellen gebildeten Lamellenpaket über eine Axialkraft Fax (vgl. 1) werden die dem Innen- bzw. Außenlamellenträger 21 bzw. 24 zugeordneten reduzierten Schwungmassen synchronisiert. Die hierfür erforderliche Axialkraft Fax wird, wie bereits erwähnt, von der in 3 gezeigten Axialkrafterzeugungseinrichtung erzeugt und auf die Anpressplatte 19 aufgebracht. Das Drucklager 17 ermöglicht dabei eine Relativdrehung zwischen dem Druckelement 18, welches sich mit der Welle 23 mitdreht, und der Rampenscheibe 1. Das Drucklager 17 nimmt bei geschlossener Lamellenkupplung die Axialkraft Fax auf und leitet diese in die Rampenscheibe 1. Die Rampenscheibe 1 wiederum stützt sich über die Kugel-/Rampenanordnung 5 an der Rampenscheibe 2 ab. Die Rampenscheibe 1 ist hier mittels eines Nadellagers 25 auf der Welle 23 gelagert.
-
Die Rampenscheibe 2 stützt sich über ein weiteres, Axialkraft übertragendes Lager, das hier durch ein Schrägkugellager 26 gebildet ist, und über einen Sicherungsring 27, der am Innenring des Schrägkugellagers 26 anliegt, an der Welle 23 ab. Die Betätigungskraft der Lamellenkupplung bzw. deren Aktuatorik hat somit einen geschlossenen Kraftfluss in der Getriebewelle, was den Vorteil hat, dass nach außen keine Axialkräfte abgestützt werden müssen.
-
Vollständigkeitshalber sei noch ein Federelement 27 erwähnt, welches Axialkräfte von der Anpressplatte 19 auf das Lamellenpaket überträgt. Erzeugt die Axialkrafterzeugungseinrichtung eine Schließkraft, so bewirkt diese in Abhängigkeit von der Gesamtfederrate des Federelements 27, der Axialkrafterzeugungseinrichtung nach 3 sowie der Lamellenkupplung 20 einen Anstieg der Axialkraft in der Lamellenkupplung und somit bei sich relativ zueinander drehenden Lamellen einen entsprechenden Anstieg des Reibmoments der Lamellenkupplung. Ist die Gesamtfederrate der im Kraftfluss der Betätigungskraft liegenden Bauteile bekannt, so kann über eine Positionsbestimmung des Druckelements 18 bzw. der Anpressplatte 19 auf die anliegende Axialkraft Fax geschlossen werden. Durch Auswertung entsprechend für die Steuerung des Elektromotors 13 notwendiger Sensoren (z. B. Hall-Sensoren, Encoder, Resolver oder an den Verzahnungen „angreifender” Sensoren, wie Induktivsensoren oder Wegsensoren) kann die axiale Position des Druckelements 18 bzw. der Anpressplatte 19 sehr genau ermittelt werden. Auf diese Weise ist eine genaue Positionierung der Kupplungsaktuatorik und somit ein genaues Einstellen des Axialkraftniveaus bzw. der Schließkraft der Lamellenkupplung 20 möglich. Bei Kenntnis des von der Lamellenkupplung zu übertragenden Moments kann somit die Betätigungskraft der Lamellenkupplung bedarfsgerecht geregelt werden (Momentnachführung). Ebenso sind bei einer Anwendung in einem Getriebe mit mehreren derartigen Kupplungen, Überschneidungsschaltungen zweier Lamellenkupplungen darstellbar.
-
Zur Arretierung der elektromechanischen Aktuatorik kann, wie bereits erwähnt, eine mechanische Motorbremse 14 vorgesehen sein, wodurch sich die Leistungsaufnahme bei geschlossener Lamellenkupplung minimieren bzw. auf Null reduzieren lässt. Das Rückstellmoment aus der Axialkrafterzeugungseinrichtung wird dabei über das Zwischenrad 11 und das Antriebsritzel 12 abgestützt.
-
Die Axialkrafterzeugungseinrichtung kann durch eine geeignete Auslegung der Verzahnungen unter Berücksichtigung der Reibung derart ausgeführt werden, dass keine Selbsthemmung auftritt. Bei einer nicht selbsthemmenden Anordnung geht die Axialkrafterzeugungseinrichtung unter Einwirkung einer äußeren Last selbsttätig in eine die Lamellenkupplung 20 öffnende Grundstellung zurück.
-
Die in 4 gezeigte Anordnung eignet sich insbesondere für Lamellenkupplungen mit zwei sich relativ zueinander drehenden Wellen. Durch die kompakte Bauweise und die vergleichsweise geringe Komplexität ergeben sich deutliche Vorteile gegenüber bisherigen Systemen.
-
Die in 4 gezeigte Rückstelleinrichtung 28 hält die Kugel-/Rampenanordnung zusammen und erzeugt eine Rückstellkraft, wenn keine Axialkraft aus dem Lamellenpaket mehr wirkt. Die Rückstelleinrichtung 28 bringt die Kugel-/Rampenanordnung (nicht selbsthemmend) in eine Grundstellung, wenn die Axialkraft aus dem Lamellenpaket abgebaut ist, so dass sich ein Lüftspiel in der Lamellenkupplung bzw. Lamellenbremse ergibt. Durch das vollständige Öffnen bzw. Lüften der Lamellenkupplung bzw. Lamellenbremse kann nach dem Abbau der Axialkraft im Lamellenpaket eine Reduzierung des Schleppmoments bei sich relativ zueinander drehenden Reibelementen erreicht werden.
-
Aufgrund des konstruktiven Aufbaus des Verstellmechanismus der elektromechanischen Aktuatorik als Plusgetriebe lassen sich durch eine Verzahnungsstufe Übersetzungen realisieren, für die bei bisherigen Konzepten mehrere Stirnradstufen erforderlich sind. Wenn es die Bauraumsituation zulässt, kann der Verstellmechanismus auch ohne das in den 3, 4 gezeigte Zwischenrad 11 direkt von einem drehmomentschwachen, schnelldrehenden Elektromotor betätigt werden.
-
Die Betätigungskräfte der Lamellenkupplung 20 und der Aktuatorik wirken sich nicht auf die weiteren Getriebeelemente aus, sondern stützen sich in einem geschlossenen Kraftfluss auf der Getriebewelle 23 ab.
-
Durch die geringe Anzahl von Bauteilen ergibt sich auch eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit der Aktuatorik als bei vielen herkömmlichen Anordnungen. Die notwendigen axialen und rotatorischen Relativbewegungen einzelner Komponenten werden von Standardkomponenten der Antriebstechnik aufgenommen, deren Zuverlässigkeit nachgewiesen ist. Bei der konstruktiven Ausführung, wie sie in 4 gezeigt ist, wurde auf eine dem Kraftfluss gerechte Gestaltung geachtet, sodass möglichst unerwünschte Zwangskräfte bzw. Verkippungen vermieden werden. Durch bedarfsgerecht aufgebrachte Betätigungskräfte zur Drehmomentübertragung in der Kupplung kann die Lebensdauer der Aktuatorik nochmals deutlich erhöht werden. Die in den Figuren gezeigte Anordnung ist auch hinsichtlich ihres Gewichts, ihrer Herstellkosten und ihrer Montage günstig. Prinzipiell könnte die zweite Rampenscheibe 2 um einen weiteren Kugelrampenmechanismus (gegenüberliegend) dem Rampenmechanismus 5 (vgl. 1) erweitert werden, was die Betätigung einer zweiten Lamellenkupplung mit einem einzigen Elektromotor ermöglichen würde.
-
Bei hohen Anforderungen an das Schleppmoment einer geöffneten Kupplung kann die Aktuatorik eine Grundstellung mit definiertem Lüftspiel (Spalt zwischen Lamellenpaket und Anpresselement) einnehmen. Hierzu ist es erforderlich, dass die Axialkrafterzeugungseinrichtung auch nach dem Abbau der axialen Betätigungskraft im Lamellenpaket durch eine äußere Kraft in die entsprechende Grundstellung gebracht wird.
