DE102012220073A1

DE102012220073A1 - Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem und Verfahren zum Ansteuern einer Kupplung

Info

Publication number: DE102012220073A1
Application number: DE201210220073
Authority: DE
Inventors: Jens Mühlhausen; Karl-Ludwig Kimmig; Markus Dietrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2014-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem mit einem elektromotorisch angetriebenen Bauteil, insbesondere mit einer elektromotorisch angetriebenen Welle, das beziehungsweise die beim Betätigen der Kupplung mit einem Drehmoment beaufschlagt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass dem Bauteil beziehungsweise der Welle eine berührungslos arbeitende Drehmomentsensoreinrichtung zugeordnet ist, die das beim Betätigen der Kupplung in dem Bauteil beziehungsweise in der Welle auftretende Drehmoment erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem mit einem elektromotorisch angetriebenen Bauteil, insbesondere mit einer elektromotorisch angetriebenen Welle, das beziehungsweise die beim Betätigen der Kupplung mit einem Drehmoment beaufschlagt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Ansteuern einer Kupplung, die mit einem derartigen elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystem betätigt wird.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 047 801 A1 ist ein Hydrostataktor mit einem Geberzylinder und einer Getriebespindel bekannt, die durch einen Elektromotor drehbar angetrieben ist, wobei der Drehantrieb durch ein Planetengetriebe mit einer Hülse in einer Axialbewegung umgewandelt wird. In dem Hydrostataktor ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die zumindest eine Drehbewegung der Gewindespindel erfasst. Die Sensoreinrichtung kann ebenfalls einen Axialweg des Kolbens umfassen. Die Sensoreinrichtung kann darüber hinaus einen Druck in einer Druckkammer erfassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Ansteuerung einer elektromechanisch betätigten Kupplung zu vereinfachen und/oder zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystem mit einem elektromotorisch angetriebenen Bauteil, insbesondere mit einer elektromotorisch angetriebenen Welle, das beziehungsweise die beim Betätigen der Kupplung mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, dadurch gelöst, dass dem Bauteil beziehungsweise der Welle eine berührungslos arbeitende Drehmomentsensoreinrichtung zugeordnet ist, die das beim Betätigen der Kupplung in dem Bauteil beziehungsweise der Welle auftretende Drehmoment erfasst. Bei dem elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystem handelt es sich vorzugsweise um ein rein elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem ohne hydraulische Zwischenstrecke. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird kein Weg beziehungsweise Drehwinkel erfasst, sondern eine Kraft beziehungsweise ein Drehmoment. Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit geschaffen, ein rein elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem kraftgeregelt anzusteuern.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslos arbeitende Drehmomentsensoreinrichtung nach dem Prinzip der Magnetostriktion funktioniert. Dabei wird ausgenutzt, dass sich ein zuvor in das Bauteil beziehungsweise die Welle induziertes Magnetfeld ändert, wenn ein Drehmoment auf die Welle wirkt. Die Änderungen im Magnetfeld sind auf mechanische Spannungen zurückzuführen, die auftreten, wenn ein Drehmoment auf die Welle wirkt. Eine berührungslos arbeitende Drehmomentsensoreinrichtung nach dem Prinzip der Magnetostriktion ist an sich bekannt und zum Beispiel in der europäischen Patentschrift EP 1 774 271 B1 beschrieben.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil beziehungsweise die Welle über ein Getriebe durch einen Elektromotor, insbesondere einen Gleichstrommotor, angetrieben ist. Die erfindungsgemäße Verwendung der berührungslos arbeitenden Drehmomentsensoreinrichtung ermöglicht besonders vorteilhaft den Einsatz von Bürstenmotoren, die üblicherweise nicht mit einem Drehwinkelsensor ausgestattet sind.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil beziehungsweise die Welle mit einem Drehhebel gekoppelt ist. Über den Drehhebel kann eine Drehbewegung der Welle auf einfache Art und Weise in eine axiale Betätigungsbewegung zum Betätigen der Kupplung, zum Beispiel über ein Betätigungslager, umgewandelt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drehhebel und dem Getriebe radial außen an dem Bauteil beziehungsweise der Welle mindestens eine elektromagnetische Spule der Drehmomentsensoreinrichtung angeordnet ist. Der Elektromotor und das Getriebe sind vorzugsweise radial außen an der Kupplung angeordnet. Der Drehhebel ist vorzugsweise in der Nähe eines Betätigungslagers angeordnet, über welches eine axiale Betätigungsbewegung, zum Beispiel über eine Hebelfeder, auf eine Druckplatte der Kupplung übertragen wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich die Anordnung der Drehmomentsensoreinrichtung an dem Bauteil beziehungsweise der Welle zwischen dem Drehhebel und dem Getriebe aus Bauraumgründen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Kupplungsbetätigungssystem einem automatisierten Kupplungssystem zugeordnet ist. Das automatisierte Kupplungssystem ermöglicht eine vollständige Automatisierung eines herkömmlichen Handschaltgetriebes. Ein herkömmliches Kupplungspedal kann entfallen. Das automatisierte Kupplungssystem kann eine Einfachkupplung und/oder eine Doppelkupplung umfassen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Kupplungsbetätigungssystem zum Betätigen von zwei Teilkupplungen einer Doppelkupplung mindestens zwei Bauteile beziehungsweise Wellen und mindestens zwei berührungslos arbeitende Drehmomentsensoren umfasst. Die beiden Teilkupplungen können unabhängig voneinander betätigt werden.
Bei einem Verfahren zum Ansteuern einer Kupplung, die mit einem vorab beschriebenen elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystem betätigt wird, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Kupplung mit Hilfe der von der Drehmomentsensoreinrichtung erfassten Messwerte kraftgeregelt angesteuert wird. Bei dem elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystem handelt es sich um ein rein mechanisches Kupplungsbetätigungssystem ohne hydraulische Zwischenstrecke. Als Regelgröße wird eine Betätigungskraft beziehungsweise ein Betätigungsmoment verwendet. Die Betätigungskraft beziehungsweise das Betätigungsmoment wird durch den vorab beschriebenen Elektromotor aufgebracht. Über das Getriebe, das zum Beispiel als Planetengetriebe ausgeführt ist, kann eine hohe Übersetzung zwischen dem Elektromotor und dem Bauteil beziehungsweise der Welle beziehungsweise dem Drehhebel dargestellt werden. Eine mit Hilfe der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoreinrichtung erfasste Magnetfeldänderung kann eindeutig der Betätigungskraft beziehungsweise dem Betätigungsdrehmoment und damit letztendlich einem Kupplungsmoment zugeordnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl für ziehende als auch für drückende Betätigungskräfte verwendet werden. Eine Drehrichtung der Welle kann durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors beziehungsweise einer entsprechenden Auslegung des Getriebes umgekehrt werden.
Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem vorab beschriebenen Verfahren alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die von der Drehmomentsensoreinrichtung erfassten Messwerte zum Erkennen von und Schützen vor Überlasten verwendet werden. Dadurch können auf einfache Art und Weise unerwünschte Beschädigungen oder Ausfälle von Komponenten des Kupplungsbetätigungssystems beziehungsweise der Kupplung vermieden werden. Sobald die von der Drehmomentsensoreinrichtung erfassten Messwerte eine Obergrenze überschreiten, kann der Elektromotor abgeschaltet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilkupplungen einer Doppelkupplung angesteuert werden. Die beiden Teilkupplungen können vorteilhaft unabhängig voneinander kraftgeregelt angesteuert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystems in einer Seitenansicht von links;
2 das Kupplungsbetätigungssystem aus 1 in einer Draufsicht und
3 ein Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Kupplungsbetätigungssys tems zum Betätigen einer Doppelkupplung im Längsschnitt.
In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem 1 in zwei verschiedenen Ansichten dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 umfasst einen Elektromotor 4 mit einem Getriebe 5. Von dem Getriebe 5 geht eine Welle 6 aus, an deren Ende ein Drehhebel 8 angebracht ist.
Der Drehhebel 8 dient zum Betätigen einer Kupplung 10. Zu diesem Zweck ist der Drehhebel 8 über eine rohrartige Verlängerung mit einem Betätigungslager gekoppelt. An dem Betätigungslager wiederum stützt sich eine Hebelfeder ab, mit deren Hilfe eine Druckplatte der Kupplung 10 in axialer Richtung verlagerbar ist, um eine Kupplungsscheibe mit Reibbelägen zwischen der Druckplatte und einer Gegendruckplatte einzuklemmen.
Der Elektromotor 4 mit dem Getriebe 5 ist radial außerhalb der Kupplung 10 angeordnet. Der Drehhebel 8 ist in einem zentralen Bereich der Kupplung 10 angeordnet. Die Welle 6 verbindet das Getriebe 5 mit dem Drehhebel 8.
In dem Bereich der Welle 6 zwischen dem Drehhebel 8 und dem Getriebe 5 ist radial innerhalb der Kupplung 10 eine Drehmomentsensoreinrichtung 15 angeordnet. Die Drehmomentsensoreinrichtung 15 umfasst mindestens einen berührungslos arbeitenden Sensor, der nach dem Prinzip der Magnetfeldänderung beziehungsweise Magnetostriktion arbeitet.
Ein Bereich 16 der Welle 6 wird während der Herstellung magnetisiert beziehungsweise magnetisch kodiert. Sobald ein Moment auf die Welle 6 wirkt, ändern sich die mechanischen Spannungen und damit ein zuvor in dem Bereich 16 der Welle 6 induziertes Magnetfeld. Diese Magnetfeldänderungen können mit elektromagnetischen Spulen 18 erfasst beziehungsweise gemessen werden, die in dem Bereich 16 radial außerhalb der Welle 6 angeordnet sind.
Die erfassten beziehungsweise gemessenen Magnetfeldänderungen können eindeutig einer Betätigungskraft und damit letztendlich einem Kupplungsmoment zugeordnet werden. Dabei kann das erfindungsgemäße Kupplungsbetätigungssystem 1 sowohl für ziehende als auch für drückende Betätigungskräfte ausgelegt sein.
Der Elektromotor 4 ist vorzugsweise als Gleichstrommotor ausgeführt. Das Getriebe ist vorzugsweise als Planetengetriebe mit einer hohen Übersetzung ausgeführt. Der Elektromotor 4 verdreht über das Getriebe 5 den Drehhebel 8 am Ende der Welle 6. Der Drehhebel 8 verschiebt ein Betätigungssystem auf einem Führungsrohr und betätigt damit die Kupplung 10. Die Kupplung 10 kann als Einfachkupplung ausgeführt sein.
Regelgröße ist die Betätigungskraft beziehungsweise ein Betätigungsmoment. Der Drehhebel 8 ist dabei Teil des Betätigungssystems, insbesondere eines Einrücksystems. Über den Drehhebel 8 wird die gesamte Betätigungskraft übertragen.
Die durch die Drehmomentsensoreinrichtung 15 erfasste Magnetfeldänderung kann eindeutig einer Betätigungskraft und letztendlich einem Kupplungsmoment zugeordnet werden. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine Kraftregelung ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Drehmomentsensoreinrichtung 15 das Erkennen und Schützen vor Überlasten des Kupplungsbetätigungssystems 1 beziehungsweise der Kupplung 10.
In 3 ist ein ähnliches Kupplungsbetätigungssystem wie in 1 detailliert dargestellt. Das in 3 dargestellte Kupplungsbetätigungssystem ist als Doppelkupplungsbetätigungssystem 21 ausgeführt. Das Doppelkupplungsbetätigungssystem 21 funktioniert, ebenso wie das in den 1 und 2 dargestellte Kupplungsbetätigungssystem 1, rein elektromotorisch.
Eine Doppelkupplung 30 umfasst zwei Teilkupplungen 31, 32. Die beiden Teilkupplungen 31, 32 umfassen jeweils eine separate Kupplungsscheibe und eine gemeinsame Gegendruckplatte 34. Der Teilkupplung 31 ist eine Druckplatte 35 zugeordnet. Der Teilkupplung 32 ist eine Druckplatte 36 zugeordnet.
Die beiden Druckplatten 35, 36 sind relativ zu der gemeinsamen Gegendruckplatte 34 in axialer Richtung verlagerbar, um die jeweilige Kupplungsscheibe der Teilkupplungen 31, 32 reibschlüssig mit der gemeinsamen Gegendruckplatte 34 zu verbinden. Die Kupplungsscheiben der Teilkupplungen 31, 32 sind drehfest mit unterschiedlichen Getriebeeingangswellen verbunden.
Die Betätigung der beiden Teilkupplungen 31, 32 erfolgt jeweils über einen Elektromotor 44. Dem Elektromotor 44 ist ein Getriebe 45 zugeordnet, das als Planetengetriebe ausgeführt ist. Von dem Planetengetriebe 45 geht eine Welle 46 aus, an deren Ende ein Drehhebel 48 angebracht ist.
Der Drehhebel 48 ist in 3 um neunzig Grad gedreht dargestellt. Über den Drehhebel 48 kann eine der beiden Teilkupplungen 31, 32 betätigt werden. Zur Betätigung der zweiten Teilkupplung sind ein weiterer Elektromotor, ein weiteres Getriebe, eine weitere Welle und ein weiterer Drehhebel vorgesehen.
Zwischen dem Getriebe 45 und dem Drehhebel 48 ist radial außerhalb der Welle 46 eine Drehmomentsensoreinrichtung 55 angeordnet. Die Drehmomentsensoreinrichtung 55 umfasst einen magnetisierbaren Bereich 56 der Welle 46. Der magnetisierbare Bereich 56 der Welle 46 ist von elektromagnetischen Spulen 58 der Drehmomentsensoreinrichtung 55 umgeben.
Die Drehmomentsensoreinrichtung 55 ist an einer Grundplatte 60 befestigt. Die Grundplatte 60 wiederum ist mit Hilfe von Schrauben 64 an einem Getriebeboden eines Getriebes befestigt. An der Grundplatte 60 ist des Weiteren ein Führungsrohr befestigt, das zur axialen Führung einer Kopplungseinrichtung dient, über welche der Drehhebel 48 mit einem Betätigungslager der jeweiligen Teilkupplung 31, 32 gekoppelt ist. Über die Kopplungseinrichtung wird eine Bewegung des Drehhebels 48 auf das Betätigungslager übertragen, an dem wiederum ein radial inneres Ende einer Hebelfeder angreift.
Mit Hilfe der von der Drehmomentsensoreinrichtung 55 erfassten Werte können die Teilkupplungen 31, 32 der Doppelkupplung 30 kraftgeregelt angesteuert werden. Mit Hilfe der Drehmomentsensoreinrichtung 55 kann die zum Betätigen der Teilkupplungen 31, 32 aufgebrachte Betätigungskraft bestimmt werden. Neben der Anwendung zur Kraftregelung kann die Drehmomentsensoreinrichtung 55 auf einfache Art und Weise als Überlastsensor verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
4: Elektromotor
5: Getriebe
6: Welle
8: Drehhebel
10: Kupplung
15: Drehmomentsensoreinrichtung
16: Bereich
18: Spulen
21: Doppelkupplungsbetätigungssystem
30: Doppelkupplung
31: Teilkupplung
32: Teilkupplung
34: gemeinsame Gegendruckplatte
35: Druckplatte
36: Druckplatte
44: Elektromotor
45: Getriebe
46: Welle
48: Drehhebel
55: Drehmomentsensoreinrichtung
56: Bereich
58: Spulen
60: Grundplatte
64: Schrauben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010047801 A1 [0002]
EP 1774271 B1 [0005]

Claims

Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem (1; 21) mit einem elektromotorisch angetriebenen Bauteil, insbesondere mit einer elektromotorisch angetriebenen Welle (6; 46), das beziehungsweise die beim Betätigen der Kupplung (10; 30) mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bauteil beziehungsweise der Welle eine berührungslos arbeitende Drehmomentsensoreinrichtung (15; 55) zugeordnet ist, die das beim Betätigen der Kupplung (10; 30) in dem Bauteil beziehungsweise der Welle (6; 46) auftretende Drehmoment erfasst.
Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslos arbeitende Drehmomentsensoreinrichtung (15; 55) nach dem Prinzip der Magnetostriktion funktioniert.
Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil beziehungsweise die Welle (6; 46) über ein Getriebe (5; 45) durch einen Elektromotor (4; 44), insbesondere einen Gleichstrommotor, angetrieben ist.
Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil beziehungsweise die Welle (6; 46) mit einem Drehhebel (8; 48) gekoppelt ist.
Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drehhebel (8; 48) und dem Getriebe (5; 45) radial außen an dem Bauteil beziehungsweise der Welle (6; 46) mindestens eine elektromagnetische Spule (18; 58) der Drehmomentsensoreinrichtung (15; 55) angeordnet ist.
Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Kupplungsbetätigungssystem (1; 21) einem automatisierten Kupplungssystem (10; 30) zugeordnet ist.
Elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Kupplungsbetätigungssystem (21) zum Betätigen von zwei Teilkupplungen (31, 32) einer Doppelkupplung (30) mindestens zwei Bauteile beziehungsweise Wellen (46) und mindestens zwei berührungslose arbeitende Drehmomentsensoren (55) umfasst.
Verfahren zum Ansteuern einer Kupplung (10; 30), die mit einem elektromechanischen Kupplungsbetätigungssystem (1; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10; 30) mit Hilfe der von der Drehmomentsensoreinrichtung (15; 55) erfassten Messwerte kraftgeregelt angesteuert wird.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Drehmomentsensoreinrichtung (15; 55) erfassten Messwerte zum Erkennen von und Schützen vor Überlasten verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilkupplungen (31, 32) einer Doppelkupplung (30) angesteuert werden.