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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen und Lösen einer drehfesten Verbindung zwischen zwei Wellen, insbesondere zwischen zwei axial zueinander um eine Drehachse angeordneten Wellen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges.
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Eine derartige Vorrichtung kommt überall dort zum Einsatz, wo temporär zwei Wellen miteinander drehfest gekoppelt und bei Vorliegen bestimmter Randbedingungen temporär entkoppelt werden müssen. Beispielsweise kann das eine An- oder Abtriebswelle einer Arbeitsmaschine mit einer Folgewelle sein, die die Wellenrotation auf eine nachgeschaltete Mechanik, z. B. ein Werkzeug o. dgl., überträgt. Anwendung finden derartige Verbindungsvorrichtungen zweier Wellen insbesondere auch im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, um beispielsweise zwei Hälften einer Allradwelle oder einer Radantriebswelle zu verbinden, oder um eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit einer Getriebeeingangswelle zu kuppeln. Bei Elektroantrieben von Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Hybridantrieben, besteht ebenso der Bedarf, den Elektroantrieb in bestimmten Betriebssituationen vom Antriebsstrang abzukoppeln. Es können dann beim verbrennungsmotorischen Fahren Schleppverluste des elektrischen Antriebs vermieden werden.
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Zum An- und Abkoppeln von Wellen (Antrieben) sind mechanische Systeme bekannt, welche durch einen Aktuator (z. B. durch einen Hubmagneten oder durch ein mechanisches Ausrücksystem) eine Koppelungseinrichtung, z. B. eine Klauenkupplung, öffnen bzw. schließen. Weiterhin sind Lösungen bekannt, welche beispielsweise einen elektromotorischen Antrieb durch einen Freilauf an den Antriebsstrang ankoppeln und bei Nicht-Betrieb abkoppeln.
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So wird in der
DE 10 2011 103 771 A1 eine Antriebsbaugruppe beschrieben, die einen ersten Motor und wenigstens einen zweiten Motor aufweist, wobei die Motoren bei insbesondere hoher Leistungsanforderung (Boost-Betrieb) koppelbar sind, derart, dass die Antriebsleistung durch beide Motoren bereitgestellt wird. Dabei sind der erste Motor (z. B. Verbrennungsmotor) und der zweite Motor (Boost-Motor – z. B. Elektromotor) über zwei zueinander parallele Antriebsstränge miteinander koppelbar, indem in einem ersten Antriebsstrang ein erster Freilauf und in einem zweiten Antriebsstrang ein zweiter Freilauf angeordnet ist, wobei die Freiläufe bei unterschiedlichen Drehzahlen sperren.
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Aus der
DE 28 28 298 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren in einem gemeinsamen Zylinderblock angeordneten Zylindern bekannt, von denen ein Teil bei Teillast abschaltbar ist. Die abzuschaltenden Zylinder werden dabei durch eine schaltbare Trennkupplung stillgesetzt, welche die Kurbelwelle in zwei Kurbelwellenteile unterteilt. Bei dieser Technologie wird die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors während dessen Betriebes geteilt bzw. ein abgetrennter Teil der Kurbelwelle wird wieder an einen noch drehenden Teil der Kurbelwelle angekoppelt, so dass ein Motorbetrieb mit unterschiedlicher Zylinderanzahl möglich ist. Dieser Vorgang wird über eine externe Regelung gesteuert. Die Dynamikanforderungen an diese externe Regelung der bekannten Trennkupplung sind jedoch sehr hoch.
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Eine in der
DE 10 2010 053 552 A1 beschriebene Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten an eine zweite Welle, zwischen denen eine Drehzahldifferenz herstellbar ist, soll daher zur Verbesserung des oben genannten Standes der Technik eine möglichst kurze Regelungsstrecke für das Synchronisierungsmoment aufweisen. Dabei umfasst die insbesondere in einem Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltfunktion eingesetzte Vorrichtung einen mit einer der beiden Wellen verbundenen Drehkolben sowie ein mit der anderen der beiden Wellen verbundenes inneres Gehäuse. Der Drehkolben und das Gehäuse bilden hierbei zumindest zwei voneinander getrennte hydraulikmediumgefüllte Druckräume, die miteinander in Fluidverbindung stehen. Es sind Verdrängerklappen vorgesehen, welche am inneren Gehäuse schwenkbar abgestützt und in einen der Druckräume einschwenkbar sind. Zur Verschwenkung/Verschiebung der Verdrängerklappen in die Druckräume sind beispielsweise durch Klinken in Verbindung Formschlusskolben gebildete Aktuatoren vorgesehen.
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Auch die
DE 10 2010 051 949 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen und Lösen einer drehfesten Verbindung zwischen einer ersten und einer zweiten Welle, die axial zueinander angeordnet sind. Die erste Welle ist mit einem Lenkrad und die zweite Welle ist mit einem Lenkgetriebe mit gegebenenfalls zugeordnetem Lenkaktuator gekoppelt. Dabei ist eine an beiden Wellen über mitnehmbare Kugeln gelagerte axial bewegbare Schiebehülse vorgesehen, wobei an der ersten Welle wenigstens eine umlaufende Ringnut vorgesehen ist, in die mehrere axial verlaufende Axialnuten münden. In einer ersten Schiebehülsenposition, in welcher beide Wellen drehfest gekoppelt sind, werden die Kugeln in den Axialnuten aufgenommen. Bei einer Bewegung der Schiebehülse in eine zweite Position werden die Kugeln von der Schiebehülse entlang der Axialnuten in die Ringnut bewegt, in welcher Schiebehülsenposition die Wellen voneinander entkoppelt sind.
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Eine in der
DE 10 2012 210 287 A1 beschriebene Verbindungsvorrichtung für einen Fahrzeugantriebsstrang zur drehfesten Verbindung einer ersten und einer zweiten relativ zueinander drehbaren Welle weist ein axial bewegbares Verbindungselement mit radial innen angeordneten Formschlusselementen (z. B. Klauen, Zähne, Stifte oder verschiedenste Profile) auf, das in einer ersten Axialposition mittels der Formschlusselemente einen Formschluss zwischen der ersten und der zweiten Welle herstellt und in einer zweiten Axialposition den Formschluss auflöst. Dabei weist die erste Welle umfangsseitig komplementär ausgebildete Formschlusselemente auf, während die zweite Welle und das Verbindungselement drehfest miteinander verbunden sind. Die in axialer Bewegungsrichtung des Verbindungselementes in mehreren voneinander beabstandeten Reihen angeordneten Formschlusselemente gelangen bei einer entsprechenden axialen Bewegung des Verbindungselementes mit auf der ersten Welle befindlichen Formschlusselementen in Eingriff, wodurch der Formschluss hergestellt und beide Wellen verbunden sind. Die Bewegung des Verbindungselementes zwischen einer ersten und einer zweiten Axialposition wird hier durch einen elektromagnetischen Aktuator bewirkt.
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Die Vorrichtungen des Standes der Technik stellen material- und kostenaufwendige Lösungen mit einem komplizierten Aufbau dar, die zudem aufgrund der relativ großen Anzahl an Bauteilen einen großen Bauraumbedarf und ein hohes Gewicht aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zum Erzeugen und Lösen einer drehfesten Verbindung zwischen zwei Wellen, insbesondere zwischen zwei axial zueinander um eine Drehachse angeordneten Wellen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, zu schaffen, welche bei einer relativ einfachen und leichten Bauform einen geringen Bauraumbedarf und eine kostengünstige Ausführung aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen und Lösen einer drehfesten Verbindung zwischen zwei Wellen, insbesondere zwischen zwei axial zueinander um eine Drehachse angeordneten Wellen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, umfassend ein mit der ersten Welle drehfest verbundenes, axial bewegliches erstes Kupplungsteil und ein mit der zweiten Welle dreh- und axialfest verbundenes zweites Kupplungsteil, wobei in Abhängigkeit von einer mit dem ersten Kupplungsteil in Wirkverbindung stehenden, hydraulisch, mechanisch oder pneumatisch erzeugbaren, Axialkraft die Kupplungsteile über eine Axialverzahnung in und außer Eingriff bringbar sind.
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Dabei ist die in einer senkrecht zu der Drehachse ausgerichteten Radialebene verlaufende und konzentrisch zu der Drehachse angeordnete Axialverzahnung durch eine Kombination einer Stirnverzahnung und Lamellen an den Kupplungsteilen (3, 4) gebildet, die miteinander über ihre aufeinander zugewandten Stirnseiten in- und außer Wirkverbindung/Eingriff bringbar sind oder durch eine Kombination von zwei miteinander in und außer Eingriff bringbaren Stirnverzahnungen (A1, A2) an den beiden Kupplungsteilen.
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Es ist somit möglich an einem Kupplungsteil eine Stirnverzahnung vorzusehen und das andere Kupplungsteil aus Lamellen auszubilden oder auch beide Kupplungsteile an ihren einander zugewandten Stirnseiten mit einer Axialverzahnung zu versehen. In vorteilhafter Weise ist das erste Kupplungsteil scheibenförmig ausgebildet und weist an seiner dem zweiten Kupplungsteil zugewandten Stirnseite die erste Stirnverzahnung auf. Ebenso ist das zweite Kupplungsteil scheibenförmig ausgebildet und weist an seiner dem ersten Kupplungsteil zugewandten Stirnseite die zweite Stirnverzahnung auf. Vorzugsweise ist das zweite Kupplungsteil/die Scheibe einstückig mit der zweiten Welle ausgebildet. Das zweite Kupplungsteil/die Scheibe kann aber auch separat gefertigt und an der zweiten Welle befestigt sein. Dabei ist die zweite Welle über ein Stützlager auf der ersten Welle radial und über ein weiteres Stützlager an einem die Kupplungsteile zumindest teilweise umfassenden Gehäuse axial gelagert. In vorteilhafter Ausführung ist zwischen der der Stirnseite abgewandten Rückseite des ersten Kupplungsteils/der Scheibe und dem Gehäuse ein Druckraum angeordnet, welcher wahlweise mit einem Druckmittelzufluss und einem Druckmittelrückfluss schaltbar ist. Die Größe der auf das erste Kupplungsteil/die Scheibe wirkenden Axialkraft ist so in Abhängigkeit von dem in dem Druckraum vorhandenen Druck veränderbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen und Lösen einer drehfesten Verbindung zweier Wellen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel findet innerhalb eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges Anwendung. Eine derartige Verbindung zweier Wellen kann aber auch in anderen technischen Bereichen eingesetzt werden.
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In der einzigen Figur (1) sind eine erste Welle 1 und eine zweite Welle 2 gezeigt, welche mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung voneinander gelöst sind und sich nun in einem entkoppelten Zustand befinden. Die Wellen 1, 2 sind relativ zueinander drehbar und koaxial zueinander um eine Drehachse D angeordnet. Im miteinander gekoppelten Zustand ist zwischen den Wellen 1, 2 ein Drehmoment übertragbar.
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Auf der Welle 1 ist ein erstes Kupplungsteil 3 drehfest aber axial beweglich aufgenommen. Vorzugsweise ist das Kupplungsteil 3 als eine Scheibe ausgebildet, welche an ihrer der Welle 2 zugewandten Stirnseite 3.1 eine Stirnverzahnung A1 besitzt. An der Welle 2 ist ein Kupplungsteil 4 angeordnet, welches ebenfalls scheibenförmig ausgebildet ist und an dessen der Welle 1 bzw. dem Kupplungsteil 3 zugewandten Stirnseite 4.1 sich eine Stirnverzahnung A2 befindet. Dabei ist das Kupplungsteil/die Scheibe 4 vorzugsweise an das Ende der Welle 2 angeformt bzw. einstückig mit dieser ausgebildet. In einer anderen möglichen Ausführung kann die Scheibe 4 auch separat gefertigt und an der Welle 2 dreh- und axialfest befestigt sein. Die Welle 2 weist eine rotationssymmetrisch um die Drehachse D angeordnete, in der Art einer Sackbohrung ausgebildete Ausnehmung 5 auf, in welche die Welle 1 teilweise hineinragt. Über ein Stützlager 6 stützt sich die Welle 2 dabei an der Welle 1 in radialer Richtung ab. Die Kupplungsteile/Scheiben 3, 4 werden von einem Gehäuse 7 zumindest teilweise umfasst, welches einen radial außen und in etwa parallel zu der Drehachse D verlaufenden Abschnitt 7.1 aufweist, an den sich auf der Seite der Welle 2 ein radial nach innen gerichteter Abschnitt 7.2 anschließt. Zwischen dem Abschnitt 7.2 und der Rückseite der Scheibe 4 befindet sich ein Stützlager 8 zur axialen Abstützung der Scheibe 4 bzw. der Welle 2 an dem Gehäuse 7. Auf der Seite der ersten Welle 1 schließt sich an den axialen Abschnitt 7.1 des Gehäuses 7 ebenfalls ein radial nach innen gerichteter Abschnitt 7.3 an, welcher zur Ausbildung eines Druckraumes 9 beabstandet zu der Scheibe 3 angeordnet ist. Der Druckraum 9 dient hier der Aufnahme eines hydraulischen Fluids, wobei zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuse 7 zwischen dem Abschnitt 7.1 und der Scheibe 3 eine Dichtung 10 vorgesehen ist. Ebenso ist zwischen einem rotationssymmetrisch um die Welle 1 angeordneten Axialbereich 3.2 der Scheibe 3 und einem sich an den radialen Abschnitt 7.3 anschließenden axialen Abschnitt 7.4 des Gehäuses 7 eine Dichtung 11 vorgesehen. Der Axialbereich 3.2 der Scheibe 3 liegt hierbei an einem auf der Welle 1 angeordneten, die axiale Bewegung des Kupplungsteils/der Scheibe 3 begrenzenden, Anschlag 12 an.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat folgende Wirkungsweise:
Soll ein Verbinden (Ankoppeln) der beiden Wellen 1, 2 erfolgen, wird eine in axialer Richtung wirkende Kraft, eine Axialkraft F, auf die mit der ersten Welle 1 rotationsfest aber axial beweglich verbundene Scheibe 3 aufgebracht. Das geschieht mittels in den Druckraum 9 eingeführter Hydraulikflüssigkeit (hier nicht näher dargestellt), welche sich ausdehnt und dabei mit der Axialkraft F auf die Scheibe 3 wirkt. In 1 ist die Richtung der Axialkraft F beim Ankoppelvorgang mittels eines Pfeiles dargestellt. Die axial beweglich auf der ersten Welle 1 angeordnete Scheibe 3 wird dadurch in Richtung der Welle 2 und somit zur Scheibe 4 hin verschoben. Dabei kommt es nach dem Zurücklegen eines bestimmten Axialweges s zu einer Berührung der sich an den Stirnseiten 3.1, 3.2 der Scheiben 3, 4 befindlichen Stirnverzahnungen A1, A2, welche ineinander greifen und einen Formschluss zwischen den Scheiben 3, 4 und somit zwischen den beiden Wellen 1, 2 über eine senkrecht zu der Drehachse D verlaufende Axialverzahnung A herstellen.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Axialkraft F zwar über eine hydraulische Betätigung mittels einer dem Druckraum 9 zuführbaren und aus diesem wieder abführbaren Hydraulikflüssigkeit wirkt. Die Axialkraft F kann aber auch auf der Basis einer pneumatischen Betätigung über den Druckraum 9 erzeugt werden. Möglich ist auch, die auf die erste Scheibe 3 wirkende Axialkraft F durch eine mechanische, beispielsweise über eine Rampenkontur erfolgende, Betätigung zu realisieren.
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Um eine Trennung und damit ein Abkoppeln der beiden Wellen 1, 2 zu erzielen, wird Druckmittel aus dem Druckraum 9 abgeführt, d. h. es erfolgt eine entsprechende Schaltung des Druckraumes 9 – hier nicht dargestellt, aber aus der entsprechenden Fachliteratur allgemein bekannt – auf Druckmittelrückfluss. Durch den sich verringernden Druck im Druckraum 9 verringert sich auch die auf die Scheibe 3 wirkende Axialkraft F. Bei einem definierten Wert der Axialkraft F kommt es schließlich zum Lösen der von den beiden Stirnverzahnungen A1, A2 gebildeten Axialverzahnung A. Dabei ist in vorteilhafter Weise ein hier nicht dargestelltes Rückstellelement (z. B. Federelement) zur Unterstützung des Abkoppelvorganges vorgesehen. Das erste Kupplungsteil/die Scheibe 3 bewegt sich nun auf der Welle 1 von dem zweiten Kupplungsteil/der Scheibe 4 und damit von der Welle 2 weg. Nach Absolvierung des Axialweges s besteht eine vollständige Trennung der beiden Wellen 1, 2. Der zugehörige Antriebsstrang ist stillgelegt. Nicht genutzte Massen müssen nicht mit beschleunigt und abgebremst werden; Schleppmomente werden vermieden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt eine minimale Anzahl an Bauteilen, woraus ein geringes Gewicht und kleiner Bauraumbedarf resultieren. Zudem wird eine kostengünstige Herstellung erreicht. Des Weiteren kann durch den Einsatz der eine Selbstzentrierung verwirklichenden Stirnverzahnungen A1, A2 ein Formschluss der beiden Wellen 1, 2 hergestellt werden. Zudem ist gegenüber den Lösungen des Standes der Technik, die beispielsweise Lamellenkupplungen, Konuskupplungen oder Klauenkupplungen als Trennkupplung einsetzen, ein größeres Drehmoment übertragbar. Die mit einer beispielsweise wälzgenieteten Stirnverzahnung A1, A2 versehenen Scheiben 3, 4 haben gegenüber einer Klauenkupplung zudem den Vorteil eines erleichterten Einkuppelns (Ankoppelns). Die axial gegeneinander geschobenen stirnverzahnten Scheiben 3, 4 rücken auch dann ineinander ein, wenn sie in einer das Einrücken an sich verhindernden Zahn-auf-Zahn-Stellung stehen. Es genügt hierbei schon eine geringe Relativdrehung der einen stirnverzahnten Scheibe 3 gegenüber der anderen stirnverzahnten Scheibe 4, um eine Stellung Zahn-auf-Lücke herbeizuführen.
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Die Stirnverzahnung kann beispielsweise als spanend hergestellte Scheibe mit genieteter/wälzgenieteter Verzahnung ausgeführt sein oder als spanlos hergestellte Scheibe mit entsprechender Verzahnung.
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Gemäß eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels kann auch ein Kupplungsteil mit einer Stirnverzahnung versehen sein und das andere Kupplungsteil aus Lamellen bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Welle
- 3
- Kupplungsteil/Scheibe
- 3.1
- Stirnseite
- 3.2
- Axialbereich
- 4
- Kupplungsteil/Scheibe
- 4.1
- Stirnseite
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Stützlager (radial)
- 7
- Gehäuse
- 7.1
- erster Abschnitt
- 7.2
- zweiter Abschnitt
- 7.3
- dritter Abschnitt
- 7.4
- vierter Abschnitt
- 8
- Stützlager (axial)
- 9
- Druckraum
- 10
- Dichtung
- 11
- Dichtung
- 12
- Anschlag
- A
- Axialverzahnung
- A1
- Stirnverzahnung der Scheibe 3
- A2
- Stirnverzahnung der Scheibe 4
- D
- Drehachse
- F
- Axialkraft
- s
- Axialweg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103771 A1 [0004]
- DE 2828298 A1 [0005]
- DE 102010053552 A1 [0006]
- DE 102010051949 A1 [0007]
- DE 102012210287 A1 [0008]
