DE102013213158B4

DE102013213158B4 - Device for converting a rotary drive of an electric motor into a translatory drive movement and method for operating such a device

Info

Publication number: DE102013213158B4
Application number: DE102013213158.5A
Authority: DE
Inventors: Volker Vogel; Michael Merl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: DE102013213158A1

Abstract

Vorrichtung (11) zum Wandeln eines rotatorischen Antriebes eines Elektromotors (14) in eine translatorische Antriebsbewegung mit einer ersten, mit dem Elektromotor (14) koppelbaren und von dieser in Drehung versetzbaren Einrichtung (17) und mit einer zweiten drehfest ausgeführten Einrichtung (20), die über Wälzkörper (21) miteinander in Wirkverbindung stehen, wobei ein axialer Abstand zwischen den Einrichtungen (17, 20) über eine Relativdrehbewegung zwischen den Einrichtungen (17, 20) und den dabei auf Bahnbereichen (18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1, 18C2) mit definierten Steigungen in definierter Richtung abwälzenden Wälzkörpern (21) variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnbereiche (18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1, 18C2) jeweils mit wenigstens einem von den Wälzkörpern überfahrbarem Referenzsteigungsbereich (18A13) ausgebildet sind, die beim Überfahren durch die Wälzkörper (21) im Verlauf eines Betätigungsstromes (i14) des Elektromotors (14) ein Referenzsignal erzeugen.Device (11) for converting a rotary drive of an electric motor (14) into a translatory drive movement, having a first device (17) that can be coupled to the electric motor (14) and set in rotation by it, and a second device (20) that is non-rotatable, which are operatively connected to one another via rolling elements (21), an axial distance between the devices (17, 20) being determined by a relative rotary movement between the devices (17, 20) and the areas (18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1, 18C2) can be varied with defined gradients of rolling elements (21) rolling in a defined direction, characterized in that the track areas (18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1, 18C2) are each formed with at least one reference gradient area (18A13) over which the rolling elements can travel, which generate a reference signal when the rolling elements (21) run over them in the course of an actuating current (i14) of the electric motor (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors in eine translatorische Antriebsbewegung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung gemäß der im Patentanspruch 1 bzw. 13 näher definierten Art.The invention relates to a device for converting a rotary drive of an electric motor into a translatory drive movement and a method for operating such a device according to the type defined in more detail in claim 1 or 13.

Aus der DE 10 2005 053 555 B3 ist eine Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs einer Antriebseinrichtung in eine translatorische Antriebsbewegung bekannt, die als ein sogenanntes Kugel-Rampe-System ausgeführt ist. Bei solchen Kugel-Rampe-Systemen werden üblicherweise jeweils eine rotatorische Drehbewegung einer ersten, mit einem Elektromotor verbundenen Einrichtung bzw. Rampenscheibe in eine axiale Verstellbewegung einer zweiten, nicht drehenden Einrichtung bzw. Rampenscheibe umgesetzt. Vorteilhafterweise stellen Kugel-Rampe-Systeme eine hohe Übersetzung bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf, insbesondere bei Anordnung um eine rotierende Achse herum, zur Verfügung.From the DE 10 2005 053 555 B3 a device for converting a rotary drive of a drive device into a translational drive movement is known, which is designed as a so-called ball-ramp system. In such ball ramp systems, a rotary rotary movement of a first device or ramp disk connected to an electric motor is usually converted into an axial adjustment movement of a second, non-rotating device or ramp disk. Advantageously, ball-ramp systems provide a high transmission ratio while at the same time requiring little installation space, particularly when arranged around a rotating axis.

Aus DE 101 12 570 B4 ist eine elektrisch angetriebene Scheibenbremse zum Erzeugen einer Bremskraft durch eine Drehkraft eines elektrischen Motors bekannt.Out of DE 101 12 570 B4 there is known an electrically driven disc brake for generating a braking force by a rotating force of an electric motor.

Aus DE 10 2008 051 450 B4 ist eine Drehmomentübertragungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb dazu dient, einen Teil des von einer Antriebseinheit bereitgestellten Antriebsmoments wahlweise auf eine Sekundärachse zu übertragen.Out of DE 10 2008 051 450 B4 a torque transmission device for a motor vehicle is known, which is used in the drive train of a motor vehicle with all-wheel drive to selectively transmit part of the drive torque provided by a drive unit to a secondary axle.

Aus DE 698 03 527 T2 ist eine Kugel-Rampen-Kupplungsbetätigungsvorrichtung eines Antriebsstranges mit unidirektioneller Betätigung bekannt.Out of DE 698 03 527 T2 a ball ramp clutch actuator of a powertrain with unidirectional actuation is known.

Auf ihren einander zugewandten Stirnflächen weisen die Rampenscheiben jeweils eine gleich große Anzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelbahnen auf, deren Kugelbahn mit variierender Steigung ausgeführt ist. Während einer Ansteuerung eines Kugel-Rampe-Systems wird durch Verdrehen der rotierenden Rampenscheibe als Regelziel entweder eine axiale Position oder eine axiale Kraft der nicht drehenden Rampenscheibe verwendet. Zur Einstellung der axialen Position der nicht drehenden Rampenscheibe wird in der Regel ein Verdrehwinkel des Elektromotors gemessen, von dem ausgehend möglichst exakt auf die axiale Position der nicht drehenden Rampenscheibe geschlossen werden kann.On their end faces facing one another, the ramp discs each have an equal number of ball tracks running in the circumferential direction, the ball track of which is designed with a varying pitch. During activation of a ball ramp system, either an axial position or an axial force of the non-rotating ramp disk is used as the control target by rotating the rotating ramp disk. To set the axial position of the non-rotating ramp disk, a twisting angle of the electric motor is usually measured, from which the axial position of the non-rotating ramp disk can be deduced as exactly as possible.

Alternativ hierzu sind auch Lösungen bekannt, bei welchen der axiale Stellweg eines Kugel-Rampe-Systems direkt durch ein geeignetes Messgerät, beispielsweise im Bereich der nicht drehenden Rampenscheibe, messtechnisch ermittelt wird. Die Regelung eines sogenannten DC-Elektromotors mit inkrementellem Verdrehwinkel-Sensor benötigt in Anwendung mit einer Positionierungsaufgabe eine Verdrehwinkelinitialisierung vor der ersten Umsetzung einer Positionsregelaufgabe und benötigt viel Bauraum und erhöht die HerstellkostenAs an alternative to this, solutions are also known in which the axial travel of a ball-ramp system is measured directly by a suitable measuring device, for example in the area of the non-rotating ramp disk. The control of a so-called DC electric motor with an incremental twist angle sensor when used with a positioning task requires a twist angle initialization before the first implementation of a position control task and requires a lot of space and increases the manufacturing costs

Des Weiteren sind aus der Praxis DC-Elektromotoren ohne Verdrehwinkel-Sensor bekannt. Hierbei erfolgt im Betrieb eines Kugel-Rampe-Systems eine Schätzung des Drehmomentes und der Drehzahl des Elektromotors gleichzeitig im laufenden Betrieb ohne Verdrehwinkel-Sensor unter Verwendung einer den Betriebszustand des Elektromotors abbildenden Elektromotor-Differentialgleichung und einer Auswertung der jeweils angelegten Elektromotor-Klemmenspannung und des Elektromotorstromes.Furthermore, DC electric motors without a twist angle sensor are known from practice. During operation of a ball ramp system, the torque and the speed of the electric motor are estimated simultaneously during operation without a torsion angle sensor, using an electric motor differential equation that maps the operating state of the electric motor and an evaluation of the electric motor terminal voltage and electric motor current applied in each case .

Nachteilhafterweise ist diese Vorgehensweise jedoch sehr ungenau, da durch den stark veränderlichen und nicht messbaren Widerstand des Bürstenapparats des DC-Elektromotors eine hohe Messungenauigkeit entsteht.However, this procedure has the disadvantage that it is very imprecise, since the highly variable and non-measurable resistance of the brush apparatus of the DC electric motor results in a high measurement inaccuracy.

Bei einer Kombination mit einem Kugel-Rampe-System kann dadurch nur grob auf das abgegebene Drehmoment und die Drehzahl der drehenden Rampenscheibe geschlossen werden. Daher muss bei der Schätzung der Position durch Integration der Drehzahl das Kugel-Rampe-System möglichst oft initialisiert werden, um die Schätzung genau zu halten.When combined with a ball ramp system, the torque output and the speed of the rotating ramp disk can only be roughly inferred. Therefore, when estimating position by integrating speed, the ball ramp system must be initialized as often as possible to keep the estimate accurate.

Zum Erkennen eines Initialisierungspunktes bei DC-Elektromotoren ohne Verdrehwinkel-Sensorik oder inkrementalem Verdrehwinkelgeber in Verbindung mit einem Kugel-Rampe-System sind aus der Praxis verschiedene Vorgehensweisen bekannt. Bei den bekannten Vorgehensweisen wird der Elektromotor in eine Richtung angetrieben und die Wälzkörper werden dabei gegen Bereiche der Kugelbahnen geführt, bis der Elektromotor zum Stillstand kommt, wobei bei Erreichen des Stillstandes des Elektromotors ein Initialisierungspunkt ermittelt wird. Diese Art der Initialisierung ist jedoch unerwünschterweise zeitaufwändig. Des Weiteren sind Kugel-Rampe-Systeme in der Regel nur dann in gewünschtem Umfang mit mehreren Initialisierungspunkten ausführbar, wenn ausreichend Bauraum zur Verfügung steht.Various procedures are known from practice for recognizing an initialization point in DC electric motors without an angle of rotation sensor system or incremental angle of rotation encoder in conjunction with a ball ramp system. In the known procedures, the electric motor is driven in one direction and the rolling bodies are guided against areas of the ball tracks until the electric motor comes to a standstill, with an initialization point being determined when the electric motor has come to a standstill. However, this type of initialization is undesirably time-consuming. Furthermore, ball ramp systems can usually only be implemented to the desired extent with several initialization points if sufficient installation space is available.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bauraum- und kostengünstige Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors in eine translatorische Antriebsbewegung sowie ein einfach durchführbares Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.The present invention is therefore based on the object of providing a space-saving and cost-effective device for converting a rotary drive of an electric motor into a translatory drive movement and a device that is easy to implement To provide a method for operating such a device.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 13 gelöst.According to the invention, this object is achieved with a device and a method according to the features of patent claims 1 and 13, respectively.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors in eine translatorische Antriebsbewegung mit einer ersten, mit dem Elektromotor koppelbaren und von diesem in Drehung versetzbaren Einrichtung und mit einer zweiten, drehfest ausgeführten Einrichtung, die über Wälzkörper miteinander in Wirkverbindung stehen, ist ein axialer Abstand zwischen den Einrichtungen über eine Relativdrehbewegung zwischen den Einrichtungen und den dabei auf Bahnbereichen mit definierten Steigungen in definierter Richtung abwälzenden Wälzkörpern variierbar.In the device according to the invention for converting a rotary drive of an electric motor into a translatory drive movement with a first device that can be coupled to the electric motor and set in rotation by it and with a second, non-rotatable device that are operatively connected to one another via rolling bodies, an axial The distance between the devices can be varied via a relative rotary movement between the devices and the rolling elements rolling in a defined direction on track areas with defined gradients.

Erfindungsgemäß sind die Bahnbereiche jeweils mit wenigstens einem von den Wälzkörpern überfahrbaren Referenzsteigungsbereich ausgebildet, die beim Überfahren durch die Wälzkörper im Verlauf eines elektrischen Betätigungsstromes des Elektromotors ein Referenzsignal erzeugen.According to the invention, the track areas are each formed with at least one reference pitch area over which the rolling bodies can travel, which generate a reference signal when the rolling bodies travel over them in the course of an electrical actuating current of the electric motor.

Mit anderen Worten weisen die Bahnbereiche jeweils wenigstens einen von den Wälzkörpern überfahrbaren Referenzsteigungsbereich auf, der so aufgeführt ist, dass er beim Überfahren durch die Wälzkörper im Verlauf eines elektrischen Betätigungsstromes des Elektromotors ein Referenzsignal bewirkt.In other words, the track areas each have at least one reference gradient area that the rolling bodies can travel over, which is designed such that it causes a reference signal when the rolling bodies travel over it during an electrical actuating current of the electric motor.

Aufgrund der speziellen Bahngeometrie der Bahnbereiche mit wenigstens einem Referenzsteigungsbereich in Verbindung mit einem vorzugsweise als DC-Elektromotor ausgeführten Elektromotor ist eine Initialisierung der Vorrichtung während des Betriebes bzw. während der Bewegung der Einrichtungen bzw. Rampenscheiben der Vorrichtung auf einfache und bauraumgünstige Art und Weise ohne zusätzliche Verdrehwinkel-Sensorik oder ohne einen inkrementalen Verdrehwinkelgeber durchführbar.Due to the special path geometry of the path areas with at least one reference gradient area in connection with an electric motor, preferably designed as a DC electric motor, the device can be initialized during operation or during the movement of the devices or ramp disks of the device in a simple and space-saving manner without additional Twist angle sensors or can be carried out without an incremental twist angle encoder.

Beim Überfahren des Referenzsteigungsbereiches der Bahnbereiche durch die Wälzkörper wird die kinetische Energie des Elektromotors in potentielle Energie der nicht drehenden Einrichtung bzw. Rampenscheibe umgewandelt. Durch diese Umwandlung reduziert sich eine Drehzahl des Elektromotors bei großen Steigungen des Referenzsteigungsbereiches schnell bzw. schlagartig, ohne jedoch in den Stillstand überzugehen und einen elektromotorseitigen Antrieb des Kugel-Rampe-Systems zu unterbrechen. Aus der vorzugsweise schlagartigen Reduktion der Drehzahl des Elektromotors resultiert ein Abfall der aus der Drehzahl des Elektromotors induzierten Gegenspannung und somit ein wiederum damit korrespondierender schlagartiger Anstieg des Stroms des Elektromotors. Ein sprungartiger Anstieg des Stroms des Elektromotors tritt besonders ausgeprägt beim Überfahren eines Referenzsteigungsbereiches mit großer Steigung auf. Durch den Referenzsteigungsbereich kann in gewünschtem Umfang exakt auf den aktuell vorliegenden Verdrehwinkel der drehenden Einrichtung bzw. Rampenscheibe und somit auf den axialen Stellweg der nicht drehenden Rampenscheibe der Vorrichtung rückgeschlossen werden. Somit ist mittels der speziellen Geometrie der Bahnbereiche mit geringem Aufwand eine exakte Initialisierung bzw. Verdrehwinkelmessung während der Bewegung des Aktuators bzw. der Vorrichtung möglich.When the rolling elements travel over the reference gradient range of the track areas, the kinetic energy of the electric motor is converted into potential energy of the non-rotating device or ramp disc. As a result of this conversion, a speed of the electric motor is reduced quickly or abruptly in the case of large gradients in the reference gradient range, but without going to a standstill and interrupting an electric motor-side drive of the ball-ramp system. The preferably abrupt reduction in the speed of the electric motor results in a drop in the counter-voltage induced from the speed of the electric motor and thus a sudden increase in the current of the electric motor, which in turn corresponds thereto. A sudden increase in the current of the electric motor occurs particularly pronounced when crossing a reference gradient range with a steep gradient. Through the reference gradient range, the current angle of rotation of the rotating device or ramp disk and thus the axial adjustment path of the non-rotating ramp disk of the device can be precisely deduced to the desired extent. Thus, by means of the special geometry of the path areas, an exact initialization or measurement of the angle of rotation during the movement of the actuator or the device is possible with little effort.

Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung der Vorrichtung mit den Referenzsteigungsbereichen der Bahnbereiche mit geringem konstruktivem Aufwand bei gleichzeitig niedrigem Bauraumbedarf die Einsparung eines Positionssensors und der damit korrespondierenden Verkabelung sowie den für den Betrieb eines Positionssensors erforderlichen konstruktiven Mehraufwand im Bereich der Kontaktierung und der mechanischen Integration in den Aktuator.In addition, the design of the device according to the invention with the reference gradient areas of the track areas allows the saving of a position sensor and the corresponding wiring as well as the additional design effort required for the operation of a position sensor in the area of contacting and mechanical integration in the actuator.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein positiver oder negativer Gradient der Steigung des Referenzsteigungsbereiches über dem Drehwinkel zwischen den Einrichtungen konstant, womit der Elektromotor in geringem Umfang belastet wird.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, a positive or negative gradient of the gradient of the reference gradient range is constant over the angle of rotation between the devices, with the result that the electric motor is loaded to a small extent.

Um die Initialisierung der Vorrichtung innerhalb geringer Betriebszeiten und kleiner Drehwinkelbereiche durchführen zu können, steigt ein Betrag des Gradienten der Steigung des Referenzsteigungsbereiches bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der definierten Wälzrichtung der Wälzkörper stetig an. Der stetige Anstieg des Betrags des Gradienten der Steigung des Referenzsteigungsbereiches führt dazu, dass eine am Elektromotor anliegende und aus dem Verlauf der Bahnbereiche resultierende Last bei einem positiven Gradienten über den Drehwinkel zunehmend ansteigt oder bei einem negativen Gradienten zunehmend abfällt, was über dem Drehwinkel bzw. der Relativdrehung zwischen den Einrichtungen der Vorrichtung zu einer schnelleren Änderung im Verlauf des Betätigungsstromes des Elektromotors führt, die dann entsprechend zur Initialisierung innerhalb kurzer Betriebszeiten zur Verfügung steht bzw. verwendet werden kann.In order to be able to initialize the device within short operating times and small angles of rotation, the amount of the gradient of the slope of the reference gradient range increases steadily in a further advantageous embodiment of the device according to the invention in the defined rolling direction of the rolling elements. The constant increase in the absolute value of the gradient of the slope of the reference gradient range means that a load applied to the electric motor and resulting from the course of the track regions increases with a positive gradient over the angle of rotation or decreases with a negative gradient, which is important over the angle of rotation or the relative rotation between the devices of the device leads to a more rapid change in the course of the actuation current of the electric motor, which is then correspondingly available for initialization within short operating times or can be used.

Sind jeweils zwei in Umfangsrichtung der Einrichtungen aufeinander folgende Bahnbereiche für die Wälzkörper vorgesehen, die bei gleichsinniger Drehrichtung der Relativdrehbewegung zwischen den Einrichtungen jeweils nacheinander von den Wälzkörpern durchfahrbar sind, wobei der axiale Abstand zwischen den Einrichtungen beim Durchfahren der Bahnbereiche ausgehend vom Beginn des ersten Bahnbereiches bis zum Ende des ersten Bahnbereiches von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt und daran anschließend vom Beginn des zweiten Bahnbereiches, der direkt an das Ende des ersten Bahnbereiches anschließt, bis zum Ende des zweiten Bahnbereiches, an den sich wiederum ein Beginn des weiteren ersten Bahnbereiches anschließt, vom zweiten Wert wieder zurück auf den ersten Wert abnimmt, ist eine mit einer Verringerung des axialen Abstandes zwischen den Einrichtungen einhergehende translatorische Antriebsbewegung unabhängig von einer zu einer Vergrößerung des Abstandes äquivalenten translatorischen Betätigungsbewegung einstellbar, da hierfür zwei unterschiedliche Bahnbereiche durchfahren werden, die für die jeweils andere Stellbewegung nicht benötigt werden. Diese Lösung bietet auf konstruktiv einfache Art und Weise die Möglichkeit, eine Vergrößerung und eine Verkleinerung des axialen Abstandes zwischen den Einrichtungen über dem Drehwinkel mit unterschiedlichen Weg- und Kraftverläufen flexibel zu gestalten und an den jeweils vorliegenden Anwendungsfall anpassen zu können.Are two in the circumferential direction of the devices consecutive track areas provided for the rolling elements, which in the same direction of rotation of the relative rotational movement between the devices each successively from the Rolling bodies can be passed through, the axial distance between the devices when passing through the track areas, starting from the start of the first track area to the end of the first track area, increasing from a first value to a second value and then from the start of the second track area, which goes directly to the end of the first track area, until the end of the second track area, which in turn is followed by the beginning of the further first track area, decreases from the second value back to the first value, a translatory drive movement associated with a reduction in the axial distance between the devices is independent adjustable by a translational actuating movement equivalent to an increase in the distance, since two different path areas are traversed for this, which are not required for the other actuating movement. In a structurally simple manner, this solution offers the possibility of flexibly enlarging and reducing the axial distance between the devices over the angle of rotation with different path and force profiles and of being able to adapt them to the respective application.

Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Einrichtungen lediglich in eine Drehrichtung betätigt wird, ist der Elektromotor vorteilhafterweise klein dimensionierbar und damit bauraum- sowie kostengünstig ausführbar.If the device according to the invention is only actuated in one direction of rotation in the area of the devices, the electric motor can advantageously be dimensioned small and can therefore be implemented in a space-saving and cost-effective manner.

Die Bahnbereiche sind bei vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der ersten Einrichtung und/oder im Bereich der zweiten Einrichtung ausgebildet. Dabei sind die Bahnbereiche bei kostengünstigeren Ausführungen lediglich im Bereich einer der Einrichtungen vorgesehen, während beide Einrichtungen mit Bahnbereichen ausgebildet sind, wenn über dem Drehwinkel der Einrichtungen zueinander größere translatorische Betätigungsbewegungen darzustellen sind.In advantageous embodiments of the device according to the invention, the path areas are formed in the area of the first device and/or in the area of the second device. In the case of more cost-effective designs, the path areas are provided only in the area of one of the devices, while both devices are designed with path areas if greater translatory actuating movements are to be implemented over the angle of rotation of the devices relative to one another.

Um ein Betätigungsprofil einer mit der Vorrichtung zusammenwirkenden Baugruppe über einer Drehbewegung der Einrichtungen zueinander in gewünschtem Umfang einstellen zu können, weist wenigstens einer der Bahnbereiche mindestens zwei Bahnabschnitte mit unterschiedlicher Steigung auf.In order to be able to adjust an actuation profile of an assembly interacting with the device to the desired extent by rotating the devices relative to one another, at least one of the track areas has at least two track sections with different gradients.

Weist wenigstens einer der Bahnbereiche einen als Rastbereich ausgebildeten Bahnabschnitt auf, mittels dem die Einrichtungen in einer zu einem definierten axialen Abstand zwischen den Einrichtungen äquivalenten Stellung zueinander haltbar sind, ist eine mit der Vorrichtung zusammenwirkende Baugruppe ohne wesentliche im Bereich des Elektromotors aufzubringende Haltekräfte in einem bevorzugten Betriebszustand haltbar.If at least one of the track areas has a track section designed as a latching area, by means of which the devices can be held in a position relative to one another that is equivalent to a defined axial distance between the devices, a subassembly interacting with the device is preferred without significant holding forces to be applied in the area of the electric motor Operating condition durable.

Die Wälzkörper sind bei weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kugeln, Rollen, Walzen, Zahnräder oder dergleichen und die Bahnbereiche jeweils daran angepasst ausgebildet, wobei die jeweiligen Ausführungen beispielsweise in Abhängigkeit der jeweils im Bereich der Vorrichtung wirkenden Kräfte auswählbar sind.In other versions of the device according to the invention, the rolling bodies are designed as balls, rollers, cylinders, gear wheels or the like and the track areas are each adapted to them, with the respective versions being selectable, for example, depending on the forces acting in the area of the device.

Sind die Einrichtungen über eine Axialkraft erzeugende Einheit gegeneinander gedrückt, ist eine translatorische Stellbewegung beim Durchfahren der Wälzkörper des zweiten Bahnbereiches unter Umständen ohne Antriebsleistung der Antriebseinrichtung realisierbar.If the devices are pressed against one another by a unit that generates an axial force, a translational adjustment movement when passing through the rolling elements of the second path area can be implemented under certain circumstances without drive power from the drive device.

Bei einer konstruktiv einfachen und mit geringem Aufwand betreibbaren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Axialkraft erzeugende Einheit eine mit zunehmendem axialem Abstand zwischen den Einrichtungen sich vorspannende Federeinrichtung.In a further development of the device according to the invention which is structurally simple and can be operated with little effort, the unit generating the axial force comprises a spring device which is prestressed as the axial distance between the devices increases.

Greift die Federkraft der Federeinrichtung in einem den axialen Abstand zwischen den Einrichtungen verringernden Umfang an den Einrichtungen an, wird ein den axialen Abstand verringernder Antrieb der Antriebseinrichtung auf einfache Art und Weise unterstützt.If the spring force of the spring device acts on the devices to an extent that reduces the axial distance between the devices, a drive of the drive device that reduces the axial distance is supported in a simple manner.

Weist die zweite Einrichtung eine Drehentkopplungseinheit auf, in deren Bereich eine Differenzdrehzahl zwischen der zweiten Einrichtung und einer von der zweiten Einrichtung translatorisch betätigbaren Baugruppe ausgleichbar ist, sind Reibungsverluste und Verschleiß auf einfache Art und Weise reduziert.If the second device has a rotary decoupling unit, in the area of which a difference in rotational speed between the second device and a subassembly that can be actuated translationally by the second device can be compensated for, friction losses and wear are reduced in a simple manner.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine beliebige Zahl an Wälzkörpern aufweisen, wobei insbesondere zwei oder drei Wälzkörper vorteilhaft sind.The device according to the invention can have any number of rolling elements, with two or three rolling elements being particularly advantageous.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es nun ein Schaltelement bzw. eine Kupplung vorzugsweise langsam zu schließen und schnell zu öffnen. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die erste Einrichtung immer in der gleichen Drehrichtung anzutreiben, um ein Öffnen und auch ein Schließen des Schaltelementes über eine axiale Antriebsbewegung zu realisieren. Dabei befinden sich alle Wälzkörper in einer gemeinsamen und umlaufenden Bahn. Durch ständiges Weiterdrehen der ersten Einrichtung werden die Wälzkörper so nach jeder Schaltung in das nächste Bahnsystem verschoben. Nach zwei Umdrehungen der rotierenden Einrichtung haben die Wälzkörper eine Umdrehung ausgeführt. Bei vier Wälzkörpern sind dann hierbei vier aufeinanderfolgende Schaltungen durchführbar.The device according to the invention now makes it possible to close a shifting element or a clutch preferably slowly and open it quickly. Furthermore, there is also the possibility of always driving the first device in the same direction of rotation in order to open and also close the switching element via an axial drive movement. All rolling elements are in a common and revolving track. By constantly rotating the first device, the rolling elements are shifted to the next track system after each switching operation. After two revolutions of the rotating device, the rolling elements have performed one revolution. With four rolling elements, four consecutive shifts can then be carried out.

Um ein über die erfindungsgemäße Vorrichtung darstellbares asymmetrisches Kräfteverhältnis zwischen einem Schließ- und Öffnungsvorgang eines Schaltelementes auf einfache Art und Weise nutzen zu können, kann ein umlaufendes Kugel-Rampe-System mit Connect-Feder eingesetzt werden. Durch einen Elektromotor wird eine Kugelrampenscheibe oder dergleichen verdreht, die bei hoher Übersetzung und daraus resultierendem langsamen axialen Verschieben die Connect-Feder vorspannt. Ist die Feder vorgespannt, wird eine Antriebsbewegung des Elektromotors bei sich in einem mit geringer Steigung ausgeführten Bahnabschnitt eines Bahnbereiches befindlichen Wälzkörpern im Wesentlichen auf null reduziert, womit die Vorrichtung ohne zusätzlichen Energieaufwand in vorgespanntem Betriebszustand haltbar ist. Zum axialen Betätigen einer Baugruppe, wie einer Muffe, wird die Einrichtung der Vorrichtung weiter verdreht und es erfolgt bei entsprechender Ausführung der Bahnbereiche ein Übergang der Wälzkörper in einen geringen Übersetzungsbereich der Vorrichtung mit gleichzeitigem Freigeben der Federkraft und Reduzierung des axialen Abstandes zwischen den Einrichtungen. Dabei wirkt die gespeicherte Federkraft, und eine Schiebemuffe oder dergleichen ist in gewünschtem Umfang schnell und kraftvoll verschiebbar.In order to be able to use an asymmetric force ratio between a closing and opening process of a switching element in a simple manner, which can be represented by the device according to the invention, a rotating ball-ramp system with a connect spring can be used. A ball ramp disc or the like is rotated by an electric motor, which preloads the connect spring with a high gear ratio and the resulting slow axial displacement. If the spring is pretensioned, a drive movement of the electric motor is essentially reduced to zero when there are rolling elements in a track section of a track area that is designed with a low incline, so that the device can be maintained in the pretensioned operating state without additional expenditure of energy. To actuate an assembly such as a sleeve, the device is rotated further and, if the path areas are designed accordingly, the rolling elements transition to a low transmission area of the device, with simultaneous release of the spring force and reduction of the axial distance between the devices. The stored spring force acts, and a sliding sleeve or the like can be moved quickly and powerfully to the desired extent.

Die von der Vorrichtung betätigbare Schaltelementeinrichtung kann entweder als form- oder reibschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein. Um eine Übertragungsfähigkeit eines reibschlüssigen Schaltelementes in Richtung größerer oder kleinerer Werte variieren und flexible Drehmomentübertragungseigenschaften im Bereich einer solchen Schaltelementeinrichtung einstellen zu können, ist die erste Einrichtung von der Antriebseinrichtung in beide Drehrichtungen zu betätigen. Wird die Vorrichtung beispielsweise in Torque-Vectoring-Systemen eingesetzt, kann das als Reibkupplung oder Lamellenkupplung ausgebildete Schaltelement auch in einem Rutschzustand betrieben werden, in welchem eine gezielte Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes über die Vorrichtung einstellbar ist.The switching element device that can be actuated by the device can be designed either as a positive or friction-locking switching element. In order to vary the transmission capacity of a frictional shifting element in the direction of larger or smaller values and to be able to set flexible torque transmission properties in the area of such a shifting element device, the first device must be actuated by the drive device in both directions of rotation. If the device is used, for example, in torque vectoring systems, the shifting element designed as a friction clutch or multi-plate clutch can also be operated in a slipping state, in which a targeted transmission capability of the shifting element can be set via the device.

Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gegenstandes angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.Both the features specified in the patent claims and the features specified in the following exemplary embodiment of the subject according to the invention are each suitable, alone or in any combination with one another, to develop the subject according to the invention. The respective combinations of features do not represent any limitation with regard to the further development of the subject matter according to the invention, but essentially only have an exemplary character.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.Further advantages and advantageous embodiments of the device according to the invention result from the patent claims and the exemplary embodiment described in principle below with reference to the drawing.

Es zeigt:

1 eine schematisierte Darstellung eines Getriebes mit einer Vorrichtung zum Betätigen eines formschlüssigen Schaltelementes, über das eine Welle eines Differentials mit einer Welle eines Rads eines Kraftfahrzeugs drehfest verbindbar ist;
2 eine dreidimensionale Alleindarstellung einer ersten Rampenscheibe der Vorrichtung gemäß 1;
3 eine schematisierte Darstellung einer Abwicklung eines Bahnbereiches der Rampenscheibe gemäß 2; und
4 mehrere Verläufe verschiedener Betriebsgrößen der Vorrichtung gemäß 1 während eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors der Vorrichtung.

It shows:

1 a schematic representation of a transmission with a device for actuating a positive shifting element via which a shaft of a differential can be connected in a rotationally fixed manner to a shaft of a wheel of a motor vehicle;
2 according to a three-dimensional representation of a first ramp disc of the device 1 ;
3 a schematic representation of a development of a track area of the ramp disk according to 2 ; and
4 according to several curves of different operating variables of the device 1 during a rotary drive of an electric motor of the device.

1 zeigt einen Teil eines Getriebes 1 eines Kraftfahrzeugs in stark schematisierter Darstellung, das eine mit einem Differential koppelbare Differentialwelle 2 und eine mit einem Rad in Wirkverbindung bringbare Radwelle 3 aufweist. Statt der Rad- und Differentialwelle 2, 3 können beliebige andere drehbare Wellen vorgesehen sein, die miteinander drehgekoppelt und drehentkoppelt werden sollen. Die Differentialwelle 2 und die Radwelle 3 sind über ein formschlüssiges Schaltelement 4 einer Schaltelementeinrichtung 5 drehfest miteinander in Eingriff bringbar. Das innerhalb eines Gehäuses 6 des Getriebes 1 angeordnete Schaltelement 4 weist eine als Schiebemuffe ausgebildete erste Schaltelementhälfte 7 und eine zweite Schaltelementhälfte 8 auf, welche einstückig mit der Radwelle 3 ausgebildet ist. 1 shows part of a transmission 1 of a motor vehicle in a highly schematic representation, which has a differential shaft 2 that can be coupled to a differential and a wheel shaft 3 that can be brought into operative connection with a wheel. Instead of the wheel and differential shaft 2, 3, any other rotatable shafts can be provided which are to be rotationally coupled and rotationally decoupled with one another. The differential shaft 2 and the wheel shaft 3 can be brought into engagement with one another in a rotationally fixed manner via a positive shifting element 4 of a shifting element device 5 . The shifting element 4 arranged within a housing 6 of the transmission 1 has a first shifting element half 7 designed as a sliding sleeve and a second shifting element half 8 which is designed in one piece with the wheel shaft 3 .

Die Schiebemuffe 7 ist vorliegend über eine Keilwellenverbindung drehfest mit der Differentialwelle 2 verbunden. Des Weiteren ist die Schiebemuffe 7 in Richtung einer Achse 9 verschiebbar gegenüber der Radwelle 3 und der Differentialwelle 2 ausgeführt, wobei die Radwelle 3 und die Differentialwelle 2 koaxial zueinander angeordnet sind.In the present case, the sliding sleeve 7 is connected in a torque-proof manner to the differential shaft 2 via a splined shaft connection. Furthermore, the sliding sleeve 7 is designed to be displaceable in the direction of an axis 9 relative to the wheel shaft 3 and the differential shaft 2, with the wheel shaft 3 and the differential shaft 2 being arranged coaxially with one another.

Des Weiteren ist die Schiebemuffe 7 über eine Druckübertragungseinrichtung 10 und eine zugeordnete Vorrichtung 11 mit einer axialen Betätigungskraft beaufschlagbar. Dabei ist die Schiebemuffe 7 in einer ersten axialen Stellung gegenüber der Radwelle 3 drehbar und in einer zweiten axialen Endstellung drehfest mit der Radwelle 3 gekoppelt. Ausgehend von der in 1 dargestellten axialen Position wird die Schiebemuffe 7 bei einer axialen Verschiebung gegenüber der Radwelle 3 mit zunehmendem Verschiebeweg X in Richtung der Differentialwelle 2 drehfest mit der Radwelle 3 verbunden. Hierbei werden jeweils miteinander korrespondierende Zahnreihen 12 und 13 der Schiebemuffe 7 und der zweiten Schaltelementhälfte 8 im Bereich von Zähnen 12A bis 12C der Schiebemuffe 7 und von Zähnen 13A, 13B der zweiten Schaltelementhälfte 8 miteinander in Überdeckung gebracht, so dass im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 4 ein Formschluss zwischen den Schaltelementhälften 7 und 8 hergestellt wird.Furthermore, the sliding sleeve 7 can be acted upon by an axial actuating force via a pressure transmission device 10 and an associated device 11 . The sliding sleeve 7 can be rotated relative to the wheel shaft 3 in a first axial position and is coupled to the wheel shaft 3 in a rotationally fixed manner in a second axial end position. Starting from the in 1 illustrated axial Position, the sliding sleeve 7 is non-rotatably connected to the wheel shaft 3 in the event of an axial displacement relative to the wheel shaft 3 with an increasing displacement path X in the direction of the differential shaft 2 . In this case, mutually corresponding rows of teeth 12 and 13 of the sliding sleeve 7 and the second shifting element half 8 are brought into overlap in the area of teeth 12A to 12C of the sliding sleeve 7 and of teeth 13A, 13B of the second shifting element half 8, so that in the area of the form-fitting shifting element 4 a form fit between the switching element halves 7 and 8 is produced.

Im Bereich der Vorrichtung 11 ist ein rotatorischer Antriebs eines Elektromotors 14 in eine translatorische Antriebsbewegung des formschlüssigen Schaltelements 4 umwandelbar, um das formschlüssige Schaltelement 4 in der nachfolgend näher beschriebenen Art und Weise betätigen zu können. Der in dem Gehäuse 6 gelagerte Elektromotor 14, der vorliegend insbesondere ein Wechselstrommotor bzw. ein DC-Elektromotor ist, steht über eine als einstufige Stirnradverzahnung ausgeführte Getriebeeinrichtung 15 mit einem ebenfalls im Gehäuse 6 gelagerten und gegenüber diesem abgedichteten Kugel-Rampe-System 16 der Vorrichtung 11 in Wirkverbindung. In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles kann es auch vorgesehen sein, dass die Getriebeeinrichtung 15 als mehrstufige Zahnradübersetzung oder als anderes Übersetzungselement, wie eine Zahnkette, ein Riemen oder dergleichen, ausgeführt ist.In the area of the device 11, a rotary drive of an electric motor 14 can be converted into a translational drive movement of the positive-locking switching element 4 in order to be able to actuate the positive-locking switching element 4 in the manner described in more detail below. The electric motor 14 mounted in the housing 6, which in the present case is in particular an AC motor or a DC electric motor, is connected to a ball-ramp system 16 of the device, also mounted in the housing 6 and sealed with respect to it, via a gear device 15 designed as a single-stage spur gearing 11 in operative connection. Depending on the application at hand, it can also be provided that the transmission device 15 is designed as a multi-stage gear transmission or as another transmission element, such as a toothed chain, a belt or the like.

Das Kugel-Rampe-System 16 ist konzentrisch zur Achse 9 angeordnet und mit einer ersten Einrichtung 17 ausgebildet, die mit einem Zahnrad der Getriebeeinrichtung 15 kämmt. Des Weiteren umfasst die erste Einrichtung 17 eine axial fest im Gehäuse 6 gelagerte und drehbare Rampenscheibe 18, die mit einer drehfest und axial beweglich im Gehäuse 6 gelagerten zweiten Rampenscheibe 19 einer zweiten Einrichtung 20 gekoppelt ist. Zwischen der ersten verdrehbaren Rampenscheibe 18 und der zweiten verdrehfest ausgeführten Rampenscheibe 19 sind vorliegend als Kugelelemente ausgeführte Wälzkörper 21 angeordnet, die bei elektromotorseitiger Betätigung der ersten verdrehbaren Rampenscheibe 18 zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 abrollen. Die Wälzkörper 21 sind dabei in umlaufenden, jeweils mehrere Bahnabschnitte bzw. Kugelbahnabschnitte aufweisenden Bahnbereichen bzw. Kugelbahnen gelagert, wobei bei einer Verlagerung der Wälzkörper 21 in den Kugelbahnen ein axialer Abstand zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 in Abhängigkeit der jeweils vorgesehenen Steigungen der Kugelbahnen variiert.The ball ramp system 16 is arranged concentrically to the axis 9 and is formed with a first device 17 which meshes with a gear wheel of the transmission device 15 . Furthermore, the first device 17 comprises a ramp disk 18 which is axially fixed and rotatable in the housing 6 and which is coupled to a second ramp disk 19 of a second device 20 which is mounted in the housing 6 in a rotationally fixed and axially movable manner. Between the first rotatable ramp disk 18 and the second non-rotatable ramp disk 19 are rolling elements 21 designed as ball elements, which roll between the ramp disks 18 and 19 when the first rotatable ramp disk 18 is actuated by the electric motor. The rolling elements 21 are mounted in circumferential track areas or ball tracks, each having a plurality of track sections or ball track sections, wherein when the rolling elements 21 are displaced in the ball tracks, an axial distance between the ramp disks 18 and 19 varies depending on the respectively provided gradients of the ball tracks.

Bei einer axialen Verlagerung der zweiten Rampenscheibe 19 wird auch die damit in Wirkverbindung stehende Druckübertragungseinrichtung 10 axial verstellt, die einen hülsenförmigen Mittelbereich 22 aufweist. Der Mittelbereich 22 ist konzentrisch zur Achse 9 angeordnet und erstreckt sich in radialer Richtung zwischen dem Gehäuse 6 und einer Federeinrichtung 23. An den Mittelbereich 22 der Druckübertragungseinrichtung 10 schließt sich in einem der Radwelle 3 abgewandten Seitenbereich ein sich an der zweiten Rampenscheibe 19 abstützender, ausgehend vom Mittelbereich 22 vertikal nach außen verlaufender erster Endbereich 24 an, in dessen Bereich eine Verlagerungsbewegung der zweiten Rampenscheibe 19 auf die Druckübertragungseinrichtung 10 übertragen wird. Auf der zum ersten Endbereich 24 gegenüberliegenden Seite des Mittelbereichs 22 ist ein zweiter, sich ausgehend vom Mittelbereich 22 vertikal nach innen erstreckender Endbereich 25 der Druckübertragungseinrichtung 10 vorgesehen, der in axialer Richtung fest mit der Schiebemuffe 7 verbunden ist. Zusätzlich ist zwischen dem zweiten Endbereich 25 und einem vertikal nach innen gerichteten Teil des Gehäuses 6 eine Anschlagdämpfungseinrichtung 26 vorgesehen.In the event of an axial displacement of the second ramp disk 19, the pressure transmission device 10 which is operatively connected thereto and has a sleeve-shaped central region 22 is also axially displaced. The middle area 22 is arranged concentrically to the axis 9 and extends in the radial direction between the housing 6 and a spring device 23. A side area facing away from the wheel shaft 3 adjoins the middle area 22 of the pressure transmission device 10 and is supported on the second ramp disk 19 first end region 24 running vertically outwards from central region 22, in the region of which a displacement movement of second ramp disk 19 is transmitted to pressure transmission device 10. On the side of the central region 22 opposite the first end region 24 there is a second end region 25 of the pressure transmission device 10 which extends vertically inwards starting from the central region 22 and is firmly connected to the sliding sleeve 7 in the axial direction. In addition, a stop damping device 26 is provided between the second end region 25 and a part of the housing 6 directed vertically inwards.

Während einer translatorischen Verlagerung der zweiten Rampenscheibe 19 gegenüber der ersten Rampenscheibe 18 wird neben der über die Druckübertragungseinrichtung 10 verursachten axialen Verschiebung der Schiebemuffe 7 auch die Federeinrichtung 23 zwischen einem vorgespannten und einem entspannten Betriebszustand betätigt. Hierfür ist die Federeinrichtung 23 in axialer Richtung zwischen dem zweiten Endbereich 25 der Druckübertragungseinrichtung 10 und einer Halteplatte 27 und in radialer Richtung zwischen dem Mittelbereich 22 der Druckübertragungseinrichtung 10 und der Schiebemuffe 7 angeordnet. Zudem ist eine weitere Federeinrichtung 28 zum Vorspannen des Kugel-Rampe-Systems 16 vorgesehen, welche zwischen der zweiten Einrichtung 20 des Kugel-Rampe-Systems 16 und der Halteplatte 27 angeordnet ist und mit einer Federstärke ausgeführt ist, die kleiner als eine Federstärke der Federeinrichtung 23 ist.During a translatory displacement of the second ramp disk 19 relative to the first ramp disk 18, in addition to the axial displacement of the sliding sleeve 7 caused by the pressure transmission device 10, the spring device 23 is also actuated between a prestressed and a relaxed operating state. For this purpose, the spring device 23 is arranged in the axial direction between the second end area 25 of the pressure transmission device 10 and a retaining plate 27 and in the radial direction between the middle area 22 of the pressure transmission device 10 and the sliding sleeve 7 . In addition, a further spring device 28 is provided for prestressing the ball-ramp system 16, which is arranged between the second device 20 of the ball-ramp system 16 and the retaining plate 27 and is designed with a spring strength that is smaller than a spring strength of the spring device 23 is.

2 zeigt eine vereinfachte dreidimensionale Ansicht der ersten Rampenscheibe 18 mit mehreren Bahnbereichen 18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1 und 18C2. Die Rampenscheibe 18 umfasst jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Bahnbereiche 18A1 und 18A2, 18B1 und 18B2 ,18C1 und 18C2 für die Wälzkörper 21, die bei gleichsinniger Drehrichtung der Relativdrehbewegung zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 jeweils nacheinander von den Wälzkörpern 21 überfahren werden. Dabei schließt sich an den zweiten Bahnbereich 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2 jeweils der erste Bahnbereich 18B1 bzw. 18C1 bzw. 18A1 an. Der axiale Abstand zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 steigt beim Durchfahren der Bahnbereiche 18A1 bis 18C2 ausgehend vom Beginn des ersten Bahnbereiches 18A1 bzw. 18B1 bzw. 18C1 bis zum Ende des ersten Bahnbereiches von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert an. Daran anschließend nimmt der axiale Abstand vom Beginn des zweiten Bahnbereiches 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2, der sich jeweils direkt an das Ende des ersten Bahnbereiches 18A1 bzw. 18B1 bzw. 18C1 anschließt, bis zum Ende des zweiten Bahnbereiches 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2, an den sich wiederum jeweils ein Beginn eines weiteren ersten Bahnbereiches 18B1 bzw. 18C1 bzw. 18A1 anschließt, wieder zurück auf den ersten Wert ab. 2 Figure 12 shows a simplified three dimensional view of the first ramp disc 18 having multiple track portions 18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1 and 18C2. Ramp disk 18 comprises two circumferentially consecutive track areas 18A1 and 18A2, 18B1 and 18B2, 18C1 and 18C2 for rolling elements 21, which are successively run over by rolling elements 21 when the relative rotational movement between ramp disks 18 and 19 rotates in the same direction. The first track area 18B1 or 18C1 or 18A1 adjoins the second track area 18A2 or 18B2 or 18C2. The axial distance between the ramp disks 18 and 19 increases when passing through the path areas 18A1 to 18C2, starting from the beginning of the first Track area 18A1 or 18B1 or 18C1 to the end of the first track area from a first value to a second value. Subsequently, the axial distance from the start of the second track area 18A2 or 18B2 or 18C2, which directly follows the end of the first track area 18A1 or 18B1 or 18C1, to the end of the second track area 18A2 or 18B2 or 18C2, which in turn is followed by the beginning of a further first track region 18B1 or 18C1 or 18A1, again back to the first value.

3 zeigt einen Teil der Rampenscheibe 18 als Abwicklung, wobei der in 3 dargestellte Teil der Rampenscheibe 18 den ersten Bahnbereich 18A1 und den zweiten Bahnbereich 18A2 exemplarisch wiedergibt. Da die weiteren Bahnbereiche 18B1 und 18C1 identisch zum Bahnbereich 18A1 ausgeführt sind und die zweiten Bahnbereiche 18B2 und 18C2 dem zweiten Bahnbereich 18A2 entsprechen, wird in der nachfolgenden Beschreibung der Funktionsweise im Wesentlichen lediglich auf die Bahnbereiche 18A1 und 18A2 Bezug genommen. 3 shows part of the ramp disc 18 as a development, with the in 3 The part of the ramp disk 18 shown represents the first track area 18A1 and the second track area 18A2 by way of example. Since the other track areas 18B1 and 18C1 are identical to the track area 18A1 and the second track areas 18B2 and 18C2 correspond to the second track area 18A2, the following description of the mode of operation essentially only refers to the track areas 18A1 and 18A2.

Der erste Bahnbereich 18A1 ist vorliegend mit einem ersten Bahnabschnitt 18A11, einem zweiten Bahnabschnitt 18A12, einem dritten Bahnabschnitt 18A13 und einem sich wiederum daran anschließenden vierten Bahnabschnitt 18A14 ausgebildet. Eine Steigung des ersten Bahnabschnittes 18A11 ist im Wesentlichen gleich null und entspricht einem unteren Haltepunkt der Vorrichtung 11. Zu diesem Betriebszustand des Kugel-Rampe-Systems 16 ist der axiale Abstand zwischen den beiden Rampenscheiben 18 und 19 minimal und das formschlüssige Schaltelement 4 ist vollständig geschlossen. Bei Vorliegen einer Anforderung zum Öffnen des formschlüssigen Schaltelementes 4 wird der Elektromotor 14 bestromt und die Rampenscheibe 18 in Rotation versetzt. Der Wälzkörper 21 wälzt auf dem Bahnbereich 18A1 ab und wird aus dem ersten Bahnabschnitt 18A11 in Richtung des zweiten Bahnabschnitts 18A12 geführt, wo er die flache Steigung des zweiten Bahnabschnittes 18A12 hinauffährt. Dabei wird der axiale Abstand zwischen den beiden Rampenscheiben 18 und 19 vergrößert und das formschlüssige Schaltelement 4 zunehmend in seinen geöffneten Betriebszustand überführt.In the present case, the first track region 18A1 is formed with a first track section 18A11, a second track section 18A12, a third track section 18A13 and a fourth track section 18A14 which in turn adjoins this. A slope of the first path section 18A11 is essentially equal to zero and corresponds to a lower stopping point of the device 11. In this operating state of the ball ramp system 16, the axial distance between the two ramp disks 18 and 19 is minimal and the positive-locking switching element 4 is fully closed . When there is a request to open the interlocking switching element 4, the electric motor 14 is energized and the ramp disk 18 is set in rotation. The roller 21 rolls on the track portion 18A1 and is guided out of the first track section 18A11 toward the second track section 18A12 where it rides up the gentle slope of the second track section 18A12. The axial distance between the two ramp disks 18 and 19 is increased and the form-fit switching element 4 is increasingly transferred to its open operating state.

Kurz vor dem Ende des zweiten Bahnabschnittes 18A12 ist die Überdeckung im Bereich der Zahnreihen 12 und 13 aufgehoben und die im Bereich der Klauenverzahnung des formschlüssigen Schaltelementes 4 angreifenden Schleppmomente beeinflussen das System nicht mehr. Dadurch kann das System ohne Anhalten und ohne den Einfluss unterschiedlicher Schleppmomente, die bei verschiedenen Temperaturen und Fahrsituationen auftreten können, in Richtung des dritten Bahnabschnittes 18A13 weiter verstellt werden. Dies führt wiederum dazu, dass die Rampenscheiben 18 und 19 mit reproduzierbaren Betätigungsströmen des Elektromotors 14 weiterbewegbar sind.Shortly before the end of the second track section 18A12, the overlap in the area of the rows of teeth 12 and 13 is canceled and the drag torques acting in the area of the claw teeth of the form-fit shifting element 4 no longer influence the system. As a result, the system can be further adjusted in the direction of the third path section 18A13 without stopping and without the influence of different drag torques that can occur at different temperatures and driving situations. This in turn means that the ramp disks 18 and 19 can be moved further with reproducible actuation currents of the electric motor 14 .

Da eine Steigung des dritten Bahnabschnittes 18A13 des ersten Bahnbereiches 18A1 wesentlich größer ist als die Steigung des zweiten Bahnabschnittes 18A12, ergibt sich wie in 4 dargestellt eine charakteristische Änderung im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 beim Überfahren des dritten Bahnabschnittes 18A13. Dabei ist die charakteristische Änderung des Verlaufes des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 über die Steigung des dritten Bahnabschnittes 18A13 und letztendlich die Höhe des im dritten Bahnabschnitt 18A13 überfahrenen Bereiches der ersten Rampenscheibe 18 beeinflussbar. Der dritte Bahnabschnitt 18A13 stellt einen von den Wälzkörpern 21 überfahrbaren Referenzsteigungsbereich der Vorrichtung 11 dar, der beim Überfahren durch die Wälzkörper 21 im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 ein in gewünschtem Umfang detektierbares Referenzsignal erzeugt, mittels dem eine Initialisierung der Vorrichtung 11 auf einfache Art und Weise möglich ist.Since an incline of the third track section 18A13 of the first track area 18A1 is significantly greater than the incline of the second track section 18A12, the result is as in FIG 4 a characteristic change in the course of the actuating current i14 of the electric motor 14 is shown when the third path section 18A13 is passed. The characteristic change in the course of the actuating current i14 of the electric motor 14 can be influenced via the slope of the third path section 18A13 and ultimately the height of the area of the first ramp disk 18 traveled over in the third path section 18A13. The third path section 18A13 represents a reference gradient range of the device 11 that the rolling elements 21 can travel over, which generates a reference signal that can be detected to the desired extent when the rolling elements 21 travel over it in the course of the actuating current i14 of the electric motor 14, by means of which the device 11 can be initialized in a simple manner and way is possible.

Die Initialisierung der Vorrichtung 11 ist erforderlich, da die Vorrichtung 11 ohne einen Verdrehwinkel-Sensor und auch ohne einen inkrementalen Verdrehwinkelgeber im Bereich des Elektromotors 14 ausgebildet ist. Um die Vorrichtung 11 in gewünschtem Umfang betreiben zu können, wird der jeweils aktuelle Betriebszustand der Vorrichtung 11 über ein Modell abgebildet und geschätzt. Damit durch Messungenauigkeiten und dergleichen auftretende Abweichungen zwischen dem theoretisch ermittelten aktuellen Betriebszustand der Vorrichtung 11 und dem tatsächlich vorliegenden Betriebszustand der Vorrichtung 11 möglichst gering gehalten werden können, wird die beim Überfahren des Referenzsteigungsbereiches bzw. des dritten Bahnabschnittes 18A13 auftretende Änderung im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 zum Feststellen des aktuellen Betriebszustands der Vorrichtung 11 verwendet und dem theoretisch ermittelten Betriebszustand der Vorrichtung 11 gegenübergestellt. Bei Vorliegen einer Abweichung zwischen dem theoretisch ermittelten Betriebszustand und dem anhand des Referenzsignals des Verlaufes des Betätigungsstromes i14 ermittelten Betriebszustand der Vorrichtung 11 größer als ein Schwellwert, wird der theoretisch ermittelte Betriebszustand gleich dem anhand des Referenzsignals ermittelten Betriebszustand gesetzt. Anschließend wird der aktuelle Betriebszustand der Vorrichtung 11 wieder über das Modell bestimmt, bis die Wälzkörper 21 erneut den dritten Bahnabschnitt 18A13 überfahren.The device 11 has to be initialized because the device 11 is designed without a twist angle sensor and also without an incremental twist angle transmitter in the area of the electric motor 14 . In order to be able to operate the device 11 to the desired extent, the respective current operating state of the device 11 is mapped and estimated using a model. So that deviations between the theoretically determined current operating state of device 11 and the actual operating state of device 11 due to measurement inaccuracies and the like can be kept as small as possible, the change in the course of the actuating current i14 of the Electric motor 14 used to determine the current operating state of the device 11 and compared to the theoretically determined operating state of the device 11. If there is a deviation between the theoretically determined operating state and the operating state of device 11 determined using the reference signal of the course of actuating current i14 greater than a threshold value, the theoretically determined operating state is set equal to the operating state determined using the reference signal. The current operating state of the device 11 is then determined again using the model, until the rolling elements 21 again travel over the third path section 18A13.

An den dritten Bahnabschnitt 18A13 schließt sich der vierte Bahnabschnitt 18A14 des ersten Bahnbereiches 18A1 an, dessen Steigung wiederum im Wesentlichen gleich null ist und daher wiederum eine stabile Endlage des Kugel-Rampe-Systems 16 in Form eines oberen Plateaus darstellt.The third track section 18A13 is followed by the fourth track section 18A14 of the first track area 18A1, the slope of which is again essentially zero and therefore again represents a stable end position of the ball ramp system 16 in the form of an upper plateau.

In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles kann die Steigung des dritten Bahnabschnittes 18A13 über dem Verdrehwinkel der Rampenscheibe 18 konstant sein oder ein positiver Gradient der Steigung über dem Verdrehwinkel der Rampenscheibe 18 ansteigen. Abweichend hierzu besteht auch die Möglichkeit, dass der dritte Bahnbereich 18A13 mit einer konstanten negativen Steigung ausgeführt ist oder der Gradient der negativen Steigung über den Verdrehwinkel ansteigt, um im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 ein zum Initialisieren der Vorrichtung 11 erforderliches Referenzsignal erzeugen zu können.Depending on the particular application, the slope of the third track section 18A13 can be constant over the angle of rotation of the ramp disk 18 or a positive gradient of the slope over the angle of rotation of the ramp disk 18 can increase. Deviating from this, there is also the possibility that the third path area 18A13 is designed with a constant negative slope or the gradient of the negative slope increases over the angle of rotation in order to be able to generate a reference signal required for initializing the device 11 in the course of the actuating current i14 of the electric motor 14 .

4 zeigt neben dem Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 einen Verlauf des Verschiebewegs X und den Verlauf des ersten Bahnabschnittes 18A1, der von den Wälzkörpern 21 mit zunehmendem Drehwinkel der Rampenscheibe 18 über der Zeit t überfahren wird. 4 14 shows, in addition to the course of the actuating current i14 of the electric motor 14, a course of the displacement path X and the course of the first path section 18A1, which is traveled over by the rolling elements 21 with an increasing angle of rotation of the ramp disc 18 over time t.

Wiederum an den vierten Bahnabschnitt 18A14 schließt sich der zweite Bahnbereich 18A2 an, der mit einer großen Steigung ausgeführt ist und in dessen Bereich die Wälzkörper 21 vom Niveau des vierten Bahnabschnittes 18A14 auf das Niveau des ersten Bahnabschnittes 18A11 zurückgeführt werden. Damit ist das formschlüssige Schaltelement 4 während dem Überfahren des zweiten Bahnbereiches 18A2 und während eines kleinen Drehwinkels der Rampenscheibe 18 gegenüber der Rampenscheibe 19 innerhalb kurzer Betriebszeiten in gewünschtem Umfang in seinen geschlossenen Betriebszustand überführbar.The fourth track section 18A14 is again followed by the second track area 18A2, which has a steep incline and in which area the rolling bodies 21 are returned from the level of the fourth track section 18A14 to the level of the first track section 18A11. The positive-locking switching element 4 can thus be converted to its closed operating state to the desired extent within short operating times while the second track area 18A2 is being traveled over and during a small angle of rotation of the ramp disk 18 relative to the ramp disk 19 .

Das Beschleunigen der Wälzkörper 21 im Bereich des ersten Bahnabschnittes 18A11 führt ab einem Zeitpunkt TO zu einem steilen Anstieg des Verlaufs des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14. Mit zunehmender Betriebszeit t sinkt der Verlauf des Betätigungsstromes i14 auf ein konstantes Niveau ab und verbleibt bis zum Zeitpunkt T1 auf diesem, zu dem die Wälzkörper 21 ausgehend vom zweiten Bahnabschnitt 18A12 den dritten Bahnabschnitt 18A13 bzw. den Referenzsteigungsbereich des ersten Bahnbereiches 18A1 erreichen. Ab dem Zeitpunkt T1 steigt der Verlauf des Betätigungsstromes i14 zunächst steil an und fällt kurze Zeit später stark ab, um anschließend wieder auf das Nullniveau zurückzugehen, wenn die Wälzkörper den vierten Bahnabschnitt 18A14 erreicht haben und eine Anforderung zum Halten des formschlüssigen Schaltelementes 4 in vollständig geöffnetem Betriebszustand vorliegt. Bei einer solchen Anforderung wird die Bestromung des Elektromotors 14 abgeschaltet, womit eine weitere Betätigung des Kugel-Rampe-Systems 16 durch den Elektromotor 14 unterbleibt.The acceleration of the rolling elements 21 in the area of the first path section 18A11 leads to a steep increase in the course of the actuating current i14 of the electric motor 14 from a point in time T0. With increasing operating time t, the course of the actuating current i14 drops to a constant level and remains so until point in time T1 on this, to which the rolling bodies 21, starting from the second track section 18A12, reach the third track section 18A13 or the reference gradient area of the first track area 18A1. From time T1, the course of the actuating current i14 initially rises steeply and a short time later falls sharply, only to then return to the zero level when the rolling elements have reached the fourth track section 18A14 and a requirement to hold the positive-locking switching element 4 in the fully open position operating condition is present. In the event of such a request, the current supply to the electric motor 14 is switched off, with the result that the ball ramp system 16 is no longer actuated by the electric motor 14 .

Liegt dagegen eine Anforderung zum Schließen des formschlüssigen Schaltelementes 4 vor, wird der Elektromotor 14 in nicht näher gezeigtem Umfang bestromt, um die Wälzkörper 21 aus den vierten Bahnabschnitten 18A14 in die zweiten Bahnbereiche 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2 zu überführen, wobei der axiale Abstand zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 wiederum reduziert wird. Während der Reduktion des axialen Abstandes zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 kommen die beiden Schaltelementhälften 7 und 8 im vorbeschriebenen Umfang zunehmend formschlüssig miteinander in Eingriff, bis die Wälzkörper 21 die ersten Bahnabschnitte 18A11 der ersten Bahnbereiche 18A1, 18B1 und 18C1 erreichen, wobei das Schaltelement 4 dann vollständig geschlossen ist.If, on the other hand, there is a request to close the positive-locking shifting element 4, the electric motor 14 is energized to an extent that is not shown in detail, in order to transfer the rolling elements 21 from the fourth track sections 18A14 to the second track regions 18A2 or 18B2 or 18C2, with the axial distance between the ramp disks 18 and 19 is in turn reduced. During the reduction of the axial distance between the ramp discs 18 and 19, the two shifting element halves 7 and 8 come into increasingly positive engagement with one another to the extent described above, until the rolling elements 21 reach the first track sections 18A11 of the first track regions 18A1, 18B1 and 18C1, with the shifting element 4 then fully closed.

Bezugszeichenlistereference list

11: Getriebetransmission
22: Differentialwelledifferential shaft
33: Radwellewheel shaft
44: formschlüssiges Schaltelementform-fit switching element
55: Schaltelementeinrichtungswitching element device
66: GehäuseHousing
77: erste Schaltelementhälfte, Schiebemuffefirst shift element half, sliding sleeve
88th: zweite Schaltelementhälftesecond switching element half
99: Achseaxis
1010: Druckübertragungseinrichtungpressure transmission device
1111: Vorrichtungcontraption
1212: Zahnreiherow of teeth
12A bis 12C12A to 12C: ZahnTooth
1313: Zahnreiherow of teeth
13A, 13B13A, 13B: ZahnTooth
1414: Elektromotorelectric motor
1515: Getriebeeinrichtunggear mechanism
1616: Kugel-Rampe-SystemBall Ramp System
1717: erste Einrichtungfirst setup
18 18A1, 18B1,18 18A1, 18B1,: erste Rampenscheibefirst ramp disc
18C1 18A2, 18B2,18C1 18A2, 18B2,: erster Bahnbereichfirst railway area
18C218C2: zweiter Bahnbereichsecond track area
18A1118A11: erster Bahnabschnittfirst track section
18A1218A12: zweiter Bahnabschnittsecond track section
18A1318A13: dritter Bahnabschnitt, Referenzsteigungsbereichthird orbit section, reference gradient area
18A1418A14: vierter Bahnabschnittfourth track section
1919: zweite Rampenscheibesecond ramp disc
2020: zweite Einrichtungsecond facility
2121: Wälzkörperrolling elements
2222: hülsenförmiger Mittelbereich der Druckübertragungseinrichtungsleeve-shaped central area of the pressure transmission device
2323: Federeinrichtungspring device
2424: erster Endbereich der Druckübertragungseinrichtungfirst end region of the pressure transmission device
2525: zweiter Endbereich der Druckübertragungseinrichtungsecond end region of the pressure transmission device
2626: Anschlagdämpfungseinrichtungimpact damping device
2727: HalteplatteRetaining plate
2828: weitere Federeinrichtungfurther spring device
i14i14: Betätigungsstrom des ElektromotorsActuation current of the electric motor
tt: Zeittime
T0, T1T0, T1: diskreter Zeitpunktdiscrete time
XX: Verschiebewegdisplacement path

Claims

Device (11) for converting a rotary drive of an electric motor (14) into a translatory drive movement, having a first device (17) that can be coupled to the electric motor (14) and set in rotation by it, and a second device (20) that is non-rotatable, which are operatively connected to one another via rolling elements (21), an axial distance between the devices (17, 20) being determined by a relative rotary movement between the devices (17, 20) and the areas (18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1, 18C2) can be varied with defined gradients of rolling elements (21) rolling in a defined direction, characterized in that the track areas (18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1, 18C2) are each formed with at least one reference gradient area (18A13) that the rolling elements can travel over, which generate a reference signal when the rolling elements (21) run over them in the course of an actuating current (i14) of the electric motor (14).

device after claim 1 , characterized in that a gradient of the slope of the reference slope range (18A13) is constant.

device after claim 1 or 2 , characterized in that an amount of the gradient of the slope of the reference slope range (18A13) in the defined rolling direction of the rolling elements (21) increases steadily.

Device according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that two track regions (18A1 and 18A2, 18B1 and 18B2, 18C1 and 18C2) following one another in the circumferential direction of the devices (17, 20) are provided for the rolling elements (21) which, with the same direction of rotation of the relative rotational movement between the devices (17, 20) can be passed through by the rolling elements (21) one after the other, the axial distance between the devices (17, 20) when passing through the track areas (18A1 and 18A2, 18B1 and 18B2, 18C1 and 18C2) starting from the beginning of the first track area (18A1, 18B1, 18C1) up to the end of the first track area (18A1, 18B1, 18C1) from a first value to a second value and then from the beginning of the second track area (18A2, 18B2, 18C2) which directly adjoins the The end of the first track area (18A1, 18B1, 18C1) adjoins, up to the end of the second track area (18A2, 18B2, 18C2), which in turn is followed by the beginning of a further first track area (18A1, 18B1, 18C1). reads, decreases from the second value back to the first value.

device after claim 4 , characterized in that the track areas (18A1 and 18A2, 18B1 and 18B2, 18C1 and 18C2) are formed in the area of the first device (17) and/or in the area of the second device (20).

device after claim 4 or 5 , characterized in that at least one of the track areas (18A1) has at least two track sections (18A11, 18A12, 18A13, 18A14) with different slopes.

Device according to one of Claims 4 until 6 , characterized in that at least one of the track areas has a latching area, by means of which the devices can be held in a position relative to one another which is equivalent to a defined axial distance between the devices.

Device according to one of Claims 4 until 7 , characterized in that the rolling bodies (21) are designed as balls, rollers, cylinders, gears or the like and the track areas (18A1 and 18A2, 18B1 and 18B2, 18C1 and 18C2) are each adapted thereto.

Device according to one of Claims 4 until 8th , characterized in that the devices (17, 20) are pressed against one another via a unit (23) generating an axial force.

device after claim 9 , characterized in that the axial force-generating unit comprises a spring device (23) which prestresses as the axial distance between the devices (17, 20) increases.

device after claim 10 , characterized in that the spring force of the spring device (23) acts on a scale that reduces the axial distance between the devices (17, 20).

Device according to one of Claims 4 until 11 , characterized in that the second device (20) has a rotary decoupling unit, in the area of which a differential speed between the second device (20) and one of the second device (20) translationally operable assembly can be compensated.

Method for operating a device according to one of the preceding claims, characterized in that a current operating state of the device (11) is determined using a model and when crossing the reference gradient range (18A13) a current operating state of the device (11) using the reference signal of the course of the actuating current (i14), with the theoretically determined operating state of the device (11) being set to be equal to the operating state determined using the reference signal if there is a deviation between the theoretically determined operating state and the operating state determined using the reference signal and then the current operating state is again determined via the model.