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Die Erfindung betrifft ein Hebelsystem zum Betätigen mindestens einer Kupplung, mit mindestens einem Hebel, der an einer zum Betätigen der Kupplung definiert verschiebbaren Traverse abgestützt ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betätigen einer Kupplung mit Hilfe eines derartigen Hebelsystems.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 009 832 A1 sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Hebelsystemen zum Betätigen von Kupplungen bekannt, wobei durch eine Verlagerung eines Auflagepunktes beziehungsweise Drehpunktes eine Betätigungskraft für die Kupplung veränderbar ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 043 330 A1 ist ein Hebelsystem zur Betätigung einer Kupplung mit einem Hebel bekannt, der an einer Seite um ein Gelenk drehbar gelagert ist und mit der anderen Seite in Wirkverbindung mit einem Andrückmittel ist, wobei sich der Hebel mit einem auf einer Kurvenbahn gelegenen Auflagerpunkt an einem in radialer Richtung verschiebbaren Schlitten abstützt, der mittels einer motorisch angetriebenen Spindel verschiebbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Betätigen mindestens einer Kupplung, mit mindestens einem Hebel, der an einer zum Betätigen der Kupplung definiert verschiebbaren Traverse abgestützt ist, zu vereinfachen. Dabei soll insbesondere ein Aktor geschaffen werden, der ziehen und drücken kann.
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Die Aufgabe ist bei einem Hebelsystem zum Betätigen mindestens einer Kupplung, mit mindestens einem Hebel, der an einer zum Betätigen der Kupplung definiert verschiebbaren Traverse abgestützt ist, dadurch gelöst, dass die Traverse mindestens zwei in Verschieberichtung voneinander beabstandete Traverserollen umfasst, an denen der Hebel anliegt. Die Traverse kann als Schlitten oder Wagen ausgeführt sein und stellt im Wesentlichen ein Loslager dar, das entlang einer geraden Bahn, bezogen auf die Kupplung vorzugsweise in einer radialen Richtung verschiebbar ist. Die Traverse ist zum Beispiel über eine Spindel durch einen Elektromotor angetrieben. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung umfasst die Traverse nicht nur einen, sondern mindestens zwei Traverserollen, an denen der Hebel anliegt. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ein vorzugsweise spielfreies Ziehen und Drücken der Kupplung ermöglicht. Unerwünschte Nachteile herkömmlicher Lösungen, wie zum Beispiel Sprünge bei Lastwechseln, bedingt durch Spiele beziehungsweise Anlagewechsel, werden vorteilhaft vermieden. Der erfindungsgemäße Aktor ist auch günstiger in der Herstellung, weil die im Betrieb auftretenden Kräfte reduziert werden. Besonders vorteilhaft kann der zum Antrieb verwendete Elektromotor kleiner ausgelegt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel zwischen den mindestens zwei in Verschieberichtung voneinander beabstandeten Traverserollen mit einer den Traverserollen abgewandten Seite an einem Gegenlager anliegt. Das Gegenlager ist ortsfest und sorgt dafür, dass der Hebel an den Traverserollen anliegt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager eine Gegenlagerrolle umfasst. Die Gegenlagerrolle ist zum Beispiel feststehend angeordnet und stellt auf einfache Art und Weise ein stabiles Gegenlager für den Hebel dar.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Gegenlager eine Gegenkraftfeder zugeordnet ist. Durch die Gegenkraftfeder, die vorzugsweise auf Druck vorgespannt ist, wird der Hebel auf einfache Art und Weise gegen die Traverserollen gedrückt beziehungsweise daran in Anlage gehalten. In Kombination mit der Gegenkraftfeder ist die Gegenlagerrolle begrenzt verlagerbar, um Bewegungen des Hebels auszugleichen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraftfeder eine eher flach verlaufende Federkraftkennlinie aufweist. Das liefert den Vorteil, dass in einer ersten Näherung von einer konstanten Gegenkraft ausgegangen werden kann.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel relativ starr ausgeführt ist. Das liefert den Vorteil, dass ein Auflagewinkel des Hebels auf den Traverserollen im Wesentlichen gleich bleibt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel eine eher stark gekrümmte Rollbahn aufweist. Der Hebel kann, bezogen auf die Traverserollen, konkav oder konvex gekrümmt sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Traverse zwischen einem angelenkten Ende und einem Kupplungsbetätigungsende des Hebels angeordnet ist. Das Kupplungsbetätigungsende des Hebels ist, zum Beispiel über ein geeignetes Andrückmittel und eine Hebelfeder, mit einer Druckplatte der Kupplung gekoppelt. Eine Kupplungsscheibe der Kupplung ist zwischen der Druckplatte und einer Gegendruckplatte einklemmbar, um eine Drehmomentübertragung zu ermöglichen. Das angelenkte Ende des Hebels ist über ein entsprechendes Lager an eine relativ zu dem Hebel feststehende Tragstruktur angelenkt. Das Lager, an welches der Hebel mit seinem angelenkten Ende angelenkt ist, ist vorzugsweise als Loslager ausgeführt. Das Loslager ist vorzugsweise quer zu der Verschieberichtung der Traverse bewegbar. Das Loslager ist zum Beispiel als Rollenlager ausgeführt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hebelsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Position der Traverse eine definierte Kupplungsbetätigungsposition zugeordnet ist. Das Betätigungsverhalten, insbesondere Einrückverhalten, der Kupplung ist also positionsgebunden. Die Traverserollen werden durch die einseitige Lasteinleitung stets nur auf Druck belastet.
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Bei einem Verfahren zum Betätigen einer Kupplung mit Hilfe eines vorab beschriebenen Hebelsystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Traverserollen nur auf Druck belastet werden. Das kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass eine Vorspannung der Gegenkraftfeder zu jedem Zeitpunkt so groß ist, dass die Traverserollen vom Hebel an eine Grundplatte gedrückt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kommt es zu keinem Zeitpunkt zu einem Lastwechsel in den Traverserollen.
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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:
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1 bis 4 ein erfindungsgemäßes Hebelsystem in vier verschiedenen Zuständen;
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5 ein ähnliches Hebelsystem wie in den 1 bis 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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6 ein kartesisches Koordinatendiagramm mit Kennlinien zum Kraftverlauf an einem Betätigungslager und
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7 ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer Federkraftkennlinie einer Gegenkraftfeder des Hebelsystems aus den 1 bis 4.
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In den 1 bis 4 ist ein Hebelsystem 41 mit einem Hebel 44 vereinfacht in vier verschiedenen Zuständen 1 bis 4 dargestellt. Der Hebel 44 ist mit einem (in den 1 bis 4 rechten) Ende 5 an eine feststehende Tragstruktur 6 angelenkt. Dabei ist das angelenkte Ende 5 des Hebels 44 vorzugsweise nicht fest an die Tragstruktur 6 angelenkt, sondern mit Hilfe eines Loslagers 7 in einer in den 1 bis 4 vertikalen Richtung bewegbar.
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Ein Betätigungsende 8 des Hebels 44 ist zur Betätigung einer (nicht dargestellten) Kupplung in vertikaler Richtung zwischen den durch Striche angedeuteten Positionen 1 bis 4 bewegbar. Die sich vertikaler Richtung erstreckende Tragstruktur 6 steht senkrecht auf einer geraden Bahn 9, die in den 1 bis 4 eine horizontale Richtung definiert.
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Eine Traverse 10 ist auf der geraden Bahn 9 in horizontaler Richtung, das heißt in den 1 bis 4 nach links und nach rechts bewegbar. Die Traverse 10 umfasst gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung zwei Traverserollen 11 und 12, mit denen die Traverse 10 auf der geraden Bahn 9 verfahrbar ist. Der Hebel 44 liegt auf den beiden Traverserollen 11 und 12 auf. Anders als dargestellt, kann die Traverse 10 auch mehr als zwei Traverserollen, also drei Traverserollen oder vier Traverserollen umfassen, die zum Beispiel paarweise angeordnet sind.
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Der Antrieb der Traverse 10 erfolgt über eine Spindel 14 durch einen Elektromotor 15. Durch ein Gegenlager 18 ist sichergestellt, dass der Hebel 44 in jedem Zustand Kontakt mit Traverserollen 11 und 12 hat. Das Gegenlager 18 umfasst eine Gegenlagerrolle 20, die an dem Hebel 44 anliegt. Das Gegenlager 18 umfasst des Weiteren eine Gegenkraftfeder 22.
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Die Gegenkraftfeder 22 ist vorzugsweise auf Druck so vorgespannt, dass die Gegenlagerrolle 20 den Hebel 44 so nach unten drückt, dass der Hebel 44 in Kontakt mit den Traverserollen 11 und 12 bleibt. Der Hebel 44 stellt mit seiner den Traverserollen 11, 12 zugewandten Seite eine insbesondere stark gekrümmte Rollbahn dar.
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Durch die Kombination mit den beiden Traverserollen 11 und 12 kann auf einfache Art und Weise ein Aktor realisiert werden, der über ein entsprechendes Betätigungssystem an der Kupplung ziehen und drücken kann. Durch das erfindungsgemäße Hebelsystem können die Kräfte an der Betätigungsspindel 14 reduziert werden, wodurch die Kosten für den Elektromotor 15 ebenfalls minimiert werden können.
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Die gezogene und gedrückte Kupplung wird auch als Push-Pull-Kupplung bezeichnet. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung kann das Betätigen der Push-Pull-Kupplung ohne einen Richtungswechsel des Aktors erfolgen. Dadurch können Spiele vermieden und unerwünschte Momentensprünge reduziert werden.
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Die Genauigkeit der Gegenkraftfeder hat vorteilhaft keinen Einfluss auf ein einzustellendes Kupplungsmoment. Die Position von Hebelfingern der Kupplung wird vorteilhaft nur durch die Position der Traverse 10 bestimmt.
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Die in 1 dargestellte Position 1 des Betätigungsendes 8 des Hebels 44 entspricht der komplett geöffneten Push-Pull-Kupplung. Hier übt die Kupplung eine geringe Zugkraft (in 1 nach oben) auf den Hebel 44 des Aktors aus.
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Die in 2 dargestellte Position 2 des Betätigungsendes 8 des Hebels 44 entspricht einer teilweise (circa fünfundzwanzige Prozent) geschlossenen Push-Pull-Kupplung. Hier übt die Kupplung die maximale Zugkraft (in 2 nach oben) auf den Hebel 44 des Aktors aus.
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Die in 3 dargestellte Position 3 des Betätigungsendes 8 des Hebels 44 entspricht einer teilweise (circa fünfzig Prozent) geschlossenen Push-Pull-Kupplung. Dies ist gleichzeitig die Ruhestellung der unbetätigten Push-Pull-Kupplung. Hier übt die Kupplung keine Kraft auf den Hebel 44 des Aktors aus.
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Die in 4 dargestellte Position 4 des Betätigungsendes 8 des Hebels 44 entspricht einer voll geschlossenen Push-Pull-Kupplung. Hier übt die Kupplung eine Druckkraft (in 4 nach unten) auf den Hebel 44 des Aktors aus.
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Im Betrieb der Push-Pull-Kupplung wirken auf den Hebel 44 zwischen den Positionen 1 bis 4 folgende Kräfte: Von der Position 1 nach 2 wirkt auf den Hebel 44 eine zunehmend ziehende Kraft von zum Beispiel zwanzig bis fünfhundert Newton. Von der Position 2 nach 3 wirkt auf den Hebel 44 eine abnehmend ziehende Kraft von zum Beispiel fünfhundert Newton bis auf null Newton. Von der Position 3 nach 4 wirkt auf den Hebel 44 eine zunehmend drückende Kraft von zum Beispiel null bis fünfhundert Newton.
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In Position 1 ist das Gegenlager 18 mit der Gegenfederkraft nahe bei der Rollenachse der in 1 linken Traverserolle 12 angeordnet. Die nach oben ziehende Kraft am Betätigungsende 8 des Hebels 44 ist gering. Das ungünstige Hebelverhältnis spielt deshalb eine nur untergeordnete Rolle.
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Um von Position 1 nach 2 zu gelangen, muss die Traverse 10 in 2 nach links verschoben werden. Dabei steigt die nach oben ziehende Kraft am Betätigungsende 8 des Hebels 44 bis zu ihrem Maximum in Position 2 an. Gleichzeitig verbessert sich das Hebelverhältnis, da der Abstand zwischen dem Betätigungsende 8 des Hebels 44 der in 2 linken Traverserolle 12 abnimmt. Gleichzeitig nimmt der Abstand zwischen der Traverserolle 12 und dem Gegenlager 18 zu. Dabei steigt die Gegenfederkraft an, da die Gegenkraftfeder 22 durch ein Kippen der Wippkurve komprimiert wird. Bei Erreichen der Position 2 befindet sich die Gegenkraftfeder 22 sozusagen auf der Kuppe der Wippkurve. Hier herrscht die maximale Gegenkraft.
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Um von Position 2 nach 3 zu gelangen, muss die Traverse 10 in 3 weiter nach links verschoben werden. Dabei fällt nun die nach oben ziehende Kraft am Betätigungsende 8 des Hebels 44 bis zu ihrem Minimum in Position 3 ab. Gleichzeitig entspannt sich die Gegenkraftfeder 22 leicht beziehungsweise bleibt nahezu konstant, da sie nun über die Kuppe der Wippkurve kommt. Das Hebelverhältnis verbessert sich dabei weiter zu Gunsten der Gegenkraftfeder 22. In Position 3 übt die Kupplung keine Kräfte auf den Hebel 44 aus, da die Position 3 der Ruhestellung der Kupplung entspricht.
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Um schließlich von Position 3 nach 4 zu gelangen, muss die Traverse 10 in 4 noch weiter nach links verschoben werden. Dabei steigt nun die nach unten drückende Kraft am Hebel 44 bis zu ihrem Maximum in Position 4 an. Gleichzeitig entspannt sich die Gegenkraftfeder 22, wodurch die Gegenfederkraft verringert wird. Jedoch ist das Hebelverhältnis nun wesentlich besser als zu Beginn der Bewegung oder in Position 2.
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Die gesamte Betätigung von Zug bis Schub erfolgt durch eine Richtung der Traverse 10. Das bedeutet, dass kein Anlagewechsel und damit keine Spiele in der Kette auftreten. Die Momentensprünge der Kupplung durch den Lastwechsel werden hier im Wesentlichen durch die Steifigkeiten der Teile bestimmt. Der Hebel 44 kann hier sehr steif ausgeführt werden, um den Haupteinfluss zu minimieren.
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Die Stellung von Hebelfingern der Kupplung wird nur durch die Position der Traverse 10 bestimmt, da hier Formschluss herrscht. Der Formschluss kann zum Beispiel durch Ausbildung von Taschen in Lagerringen dargestellt werden. Die Kupplung kann damit vorteilhaft sehr genau gesteuert werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Hebel 44 und die Kräfte der Gegenkraftfeder 22 so ausgelegt werden können, dass bei voll geschlossener Kupplung der Aktor nur von der Gegenkraftfeder 22 im Gleichgewicht gehalten wird. Das bedeutet, dass in einem Fahrzustand, der den größten Zeitanteil, bezogen auf die Lebensdauer eines Fahrzeugs, einnimmt (Kupplung voll geschlossen), muss der Aktor auf den Elektromotor 15 und der Spindel 14 so gut wie keine Kraft ausüben. Das liefert den Vorteil, dass der Elektromotor 15 dann so gut wie keine Energie verbraucht. Dadurch kann die Energiebilanz erheblich verbessert werden.
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Der Hebel 44 des in den 1 bis 4 dargestellten Hebelsystems 41 ist, bezogen auf die Traverserollen 11 und 12, konvex gekrümmt. In 5 ist ein Hebelsystem 51 mit einem Hebel 54 dargestellt, der, bezogen auf die Traverserollen 11 und 12, konkav gekrümmt ist. Ansonsten werden in 5 zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 bis 4 verwendet.
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Des Weiteren umfasst das Gegenlager 18 des in 5 dargestellten Hebelsystems 51 keine Gegenkraftfeder. Bei dem in 5 dargestellten Hebelsystem 51 sind die Kräfte beziehungsweise die Aktorteile vorteilhaft so ausgelegt, dass auf die Gegenkraftfeder verzichtet werden kann. Dabei erfolgt die Auslegung vorteilhaft so, dass das Gegenlager 18 keine oder nur eine geringe Bewegung in vertikaler Richtung ausführen muss. Zu diesem Zweck kann der zugehörige Abschnitt der Wippkurve um das Gegenlager 18 entsprechend angepasst werden, so dass die Gestalt der Wippkurve die vertikale Bewegung ausgleicht.
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In 6 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse und einer y-Achse aufgetragen. Auf der x-Achse ist ein Weg s in einer geeigneten Wegeinheit aufgetragen. Auf der y-Achse ist eine Kraft F in einer geeigneten Krafteinheit aufgetragen. Eine Kennlinie 61 stellt den Kraftverlauf einer Belagfeder der Kupplung dar. Eine Kennlinie 62 stellt den Kraftverlauf einer Einrückkraft am Einrücklager zwischen den Positionen 1 bis 4 (siehe 1 bis 4) dar.
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Die Einrückkraft fällt ausgehend von der Position 1 zunächst in den negativen Bereich ab. Die negative Einrückkraft ist bedingt durch das push-pull-Prinzip der Kupplung. Hier ist zum Beispiel eine Tellerfeder der Kupplung so eingebaut, dass die Kupplung im Ruhezustand, wenn keine Aktorkräfte wirken, einen Teil des Moments übertragen kann. Zum vollständigen Öffnen muss dann am Einrücklager gezogen werden. Zum vollständigen Schließen der Kupplung muss nachgedrückt werden.
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In 7 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse und einer y-Achse dargestellt. Auf der x-Achse ist ein Weg s in einer geeigneten Wegeinheit aufgetragen. Auf der y-Achse ist eine Federsteifigkeit beziehungsweise Federkraft F der Gegenkraftfeder (22 in den 1 bis 4) aufgetragen. Eine flache Kennlinie 70 stellt die Federkraftkennlinie der Gegenkraftfeder 22 dar.
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Das Gegenlager 18 zum Hebel 44 ist in den 1 bis 4, bedingt durch die Bewegung des Hebels 44, nicht ortsfest. Das Gegenlager 18 führt bei der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführung geringe Bewegungen in vertikaler Richtung aus. Dadurch variiert die Federkraft der Gegenkraftfeder 22. Daher wird die Steifigkeit der Gegenkraftfeder 22, wie in 7 dargestellt, möglichst flach gewählt. Der damit verbundene relativ große Federweg wird benötigt, um die gewünschte Vorspannkraft zu realisieren.
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Die niedrige Steifigkeit der Federkennlinie 70 ermöglicht es, die Schwankungen der Gegenfederkraft und der übrigen inneren Kräfte über den Rollenweg der Traverse (10 in den 1 bis 4) niedrig zu halten. Alternativ kann die Bewegung des Kontrapunkts auch dadurch ausgeglichen werden, dass die Rollenbahn auf der ebenen Unterseite nicht einfach kreisförmig, sondern einer Funktion folgend gestaltet wird. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine kürzere, steifere und daher kostengünstigere Gegenkraftfeder realisiert werden.
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Bedingt durch die Funktionsweise der Push-Pull-Kupplung ist diese im Ruhezustand teilweise geschlossen, das heißt normalerweise geschlossen oder normally closed. Teilweise bedeutet in diesem Zusammenhang, dass in diesem Zustand nicht, wie bei einer herkömmlichen Kupplung, das volle Moment übertragen werden kann. Dieser Zustand entspricht der Position 3 in 3.
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Zum Einlegen eines Gangs muss die Kupplung zunächst voll geöffnet werden. Dazu muss der Aktor von Position 3 über Position 2 auf Position 1 verfahren werden. Dabei muss der Aktor am Einrücksystem ziehen (pull). Das Ziehen ist an der negativen Einrückkraft in 6 zu erkennen. In Position 1 ist die Einrückkraft nahezu null, bedingt durch die Gestaltung der Tellerfederkraft der Kupplung. Das bedeutet, dass zum Offenhalten der Kupplung kaum Energie aufgewendet werden muss.
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Nach dem Einlegen des Gangs muss die Kupplung geschlossen werden. Hierzu verfährt der Aktor ziehend von Position 1 über Position 2 wieder zu Position 3. Die Zugkraft steigt zunächst bis Position 2 an und fällt anschließend bis zur Position 3. Ab Position 3 muss der Aktor die Kupplung aktiv zudrücken (push), da die Tellerfeder ab Position 3 keine zusätzliche Kraft auf die Kupplung ausübt.
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Das Öffnen der Kupplung erfolgt genau umgekehrt, wobei die Kraftrichtungen gleich bleiben und lediglich die Richtung der Kraftänderungen sich umkehren. Das bedeutet, dass der Aktor zunächst am Einrücksystem von Position 4 nach Position 3 mit abnehmender Kraft drückt. In Position 3 ist die Einrückkraft wieder auf Null. Ab Position 3 bis Position 2 zieht der Aktor am Einrücksystem mit zunehmender Kraft. Anschließend ab Position 2 bis Position 1 zieht der Aktor dann am Einrücksystem mit abnehmender Kraft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Position
- 2
- Position
- 3
- Position
- 4
- Position
- 5
- Ende
- 6
- Tragstruktur
- 7
- Loslager
- 8
- Betätigungsende
- 9
- gerade Bahn
- 10
- Traverse
- 11
- Traverserolle
- 12
- Traverserolle
- 14
- Spindel
- 15
- Elektromotor
- 18
- Gegenlager
- 20
- Gegenlagerrolle
- 22
- Gegenkraftfeder
- 41
- Hebelsystem
- 44
- Hebel
- 51
- Hebelsystem
- 54
- Hebel
- 61
- Kennlinie
- 62
- Kennlinie
- 70
- Kennlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004009832 A1 [0002]
- DE 102006043330 A1 [0002]
