DE102014207080A1

DE102014207080A1 - Kupplungsaktor

Info

Publication number: DE102014207080A1
Application number: DE102014207080.5A
Authority: DE
Inventors: Thorsten BIERMANN; Karl-Ludwig Kimmig; Richard Grabenbauer; Jens Mühlhausen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-11-13
Also published as: CN104141708A; CN104141708B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kupplungsaktor zur Betätigung einer um eine Drehachse angeordneten Reibungskupplung mittels einer von einem bezüglich einer Rotorachse im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordneten Stellmotor angetriebenen, ein Hebelelement der Reibungskupplung axial zur Drehachse entlang eines Betätigungswegs verlagernden Aktormechanik. Um auf einem kleinen Bauraum eine hohe Untersetzung des Stellmotors zu erzielen, ist koaxial zur Rotorwelle ein eine Rotordrehzahl untersetzendes Planetengetriebe vorgesehen und die Aktormechanik enthält einen von dem Planetengetriebe drehangetriebenen, eine Betätigungshülse axial verlagernden Drehhebel.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kupplungsaktor zur Betätigung einer um eine Drehachse angeordneten Reibungskupplung mittels einer von einem bezüglich einer Rotorachse im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordneten Stellmotor angetriebenen, ein Hebelelement der Reibungskupplung axial zur Drehachse entlang eines Betätigungswegs verlagernden Aktormechanik.
Kupplungsaktoren werden zur Betätigung von Reibungskupplungen in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Hierbei wird die um eine Drehachse angeordnete Reibungskupplung mittels einer axialen Verlagerung eines Hebelelements je nach Ausbildung der Reibungskupplung betätigt. Eine mittels eines als Tellerfeder ausgebildeten Hebelelements im nicht betätigten Zustand geschlossene Reibungskupplung kann hierbei an den Tellerfederspitzen koaxial zur Drehachse aufgezogen oder aufgedrückt werden, während eine im nicht betätigten Zustand geöffnete Reibungskupplung beispielsweise mittels Hebelspitzen einer Hebelfeder zugedrückt oder zugezogen wird. Zwei derartige Reibungskupplungen können zu einer Doppelkupplung kombiniert werden, so dass zwei separate oder zu einer Baueinheit zusammengefasste Kupplungsaktoren jeweils eine Reibungskupplung betätigen.
Gattungsgemäße Kupplungsaktoren werden durch einen elektrischen Stellmotor angetrieben, der von einem Steuergerät so gesteuert wird, dass ein erwünschtes zu übertragendes Moment schnell und reproduzierbar angesteuert wird. Beispiele mit elektrischem Stellmotor versehene Kupplungsaktoren sind aus den Dokumenten DE 10 2008 013 054 A1 und DE 10 2004 009 832 A1 bekannt. Hierbei ist jeweils eine Rotorachse des Stellmotors im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Reibungskupplung angeordnet. Zur Wandlung der Drehbewegung des Rotors des Stellmotors in eine Linearbewegung ist ein jeweils entsprechendes Getriebe vorgesehen. Hierbei sind über einen Betätigungsweg der Reibungskupplung abhängig von der Kupplungsposition unterschiedliche Kräfte aufzuwenden, so dass der Stellmotor auf die Maximalkraft ausgelegt werden muss. Desweiteren bauen Stellmotoren mit geringen Drehzahlen bei der geforderten Leistung vergleichsweise groß, so dass gegebenenfalls hoch drehende Stellmotoren in Verbindung mit einem Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Kupplungsaktor platzsparend und mit großer Übersetzung auszubilden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsbeispiele wieder.
Der vorgeschlagene Kupplungsaktor zur Betätigung einer um eine Drehachse angeordneten Reibungskupplung enthält einen bezüglich einer Rotorachse im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordneten Stellmotor. Dieser verlagert mittels einer Aktormechanik axial zur Drehachse entlang eines Betätigungswegs ein Hebelelement der Reibungskupplung, beispielsweise ein Hebelelement wie Tellerfeder oder Hebelfeder der Reibungskupplung. Das Hebelelement kann drückend oder ziehend verlagert werden. Abhängig von der Ausbildung der Reibungskupplung kann hierdurch die Reibungskupplung zwangsweise geschlossen oder geöffnet werden. Eine Untersetzung der Drehzahl des Stellmotors ins Langsame erfolgt dabei mittels eines koaxial zur Rotorwelle angeordneten, eine Rotordrehzahl untersetzenden Planetengetriebes. Die Aktormechanik enthält einen von dem Planetengetriebe drehangetriebenen, eine Betätigungshülse axial verlagernden Drehhebel.
In besonders vorteilhafter Weise können zwei Kupplungsaktoren zur Betätigung der Reibungskupplungen einer Doppelkupplung kombiniert werden, wobei die Drehhebel und von diesen verlagerten Betätigungshülsen ineinander geschachtelt sein können, so dass eine Reibungskupplung auf einem größeren und die andere auf einem kleineren Durchmesser betätigt wird. Hierbei kann eine Reibungskupplung ziehend und die andere drückend betätigt werden, indem die Drehrichtungen ansonsten beispielsweise identischer Kupplungsaktoren unterschiedlich sind.
Das Planetengetriebe ist in bevorzugter Weise als dreistufiges Planetengetriebe ausgebildet. Hierbei kann eine erste und zweite Planetenstufe als Zweiwellengetriebe und eine dritte Planetenstufe als Dreiwellengetriebe ausgebildet sein. In bevorzugter Weise bilden das zweite Zweiwellengetriebe und das Dreiwellengetriebe ein Plusgetriebe mit hoher Untersetzung. Beispielsweise kann ein hochdrehender Elektromotor mit vergleichsweise geringer Leistung vorgesehen sein, der mittels des Plusgetriebes entsprechend untersetzt wird. Hierzu werden Übersetzungen der Motordrehzahl ins Langsame, also Untersetzungen von 100 bis 600, vorzugsweise ca. 300 vorgeschlagen. Der Modul der Verzahnungen wird dabei in bevorzugter Weise auf gleich oder kleiner eins angesetzt, so dass für das Getriebe ein geringer Bauraum vorgesehen werden kann. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Modul so festzulegen, dass Elektromotor und Planetengetriebe im Wesentlichen denselben Außendurchmesser aufweisen, so dass das Planetengetriebe direkt an den Rotor angeflanscht werden oder eine Eingangswelle oder Sonne aus diesem einteilig gebildet sein kann. Hierbei kann eine Baueinheit mit einheitlichem Außendurchmesser vorgesehen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die erste und zweite Planetenstufe ein gemeinsames, drehfest angeordnetes, beispielsweise in ein Gehäuse des Planetengetriebes oder dem Elektromotor und dem Planetengetriebe gemeinsames Gehäuse integriertes Hohlrad auf.
Weiterhin können die erste und zweite Planetenstufe einen gemeinsamen Planetenträger mit über den Umfang verteilten und mit Hohlrädern der zweiten und dritten Planetenstufe kämmenden Planeten aufweisen. Hierbei können ein Sonnenrad der ersten Planetenstufe mit der Rotorwelle und ein Planetenträger mit einem der zweiten und dritten Planetenstufe gemeinsamen Sonnenrad drehfest verbunden sein.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, zwischen Sonnenrädern und Planeten der drei Planetenstufen jeweils dieselbe Verzahnung einzustellen. Zur Ausbildung einer hohen Untersetzung kann insbesondere eine Differenz der Anzahl der Zähne des Hohlrads der ersten Planetenstufe und des gemeinsamen Hohlrads der zweiten und dritten Planetenstufe maximal der Anzahl der Planeten der zweiten und dritten Planetenstufe entsprechen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Planetengetriebes können das Hohlrad der dritten Planetenstufe eine positive und das gemeinsame Hohlrad der ersten und zweiten Planetenstufen eine negative Profilverschiebung aufweisen.
Zusammenfassend ausgedrückt betrifft die Erfindung einen senkrecht zur Achse einer zu betätigenden Reibungskupplung angeordneten Kupplungsaktor in Form eines Drehhebelaktuators, bei dem das Moment des Drehhebels über einen Elektromotor und ein zwischengeschaltetes Umlaufgetriebe bereitgestellt wird. Das Umlaufgetriebe wie Planetengetriebe weist dabei durch mehrstufige Ausgestaltung eine Gesamtübersetzung zwischen 100 und 600 auf, wobei eine besonders vorteilhafte Variante eine Übersetzung von ca. 300 aufweist. Der Modul der Verzahnungen liegt dabei unter 1, um einen möglichst kompakten Bauraum zu ermöglichen. Die Abmessungen des Drehhebelaktuators können damit auf einen Durchmesser unter 50 mm begrenzt werden. Eine Baulänge des Umlaufgetriebes kann kleiner 30 mm betragen.
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Teilschnitt durch eine Doppelkupplung mit einem Kupplungsaktor zur Betätigung einer Reibungskupplung der Doppelkupplung,
2 eine schematische Ansicht einer Betätigungseinrichtung der Doppelkupplung der 1 mit zwei Kupplungsaktoren,
3 ein Getriebeschema eines Planetengetriebes des Kupplungsaktors der 1 und 2,
4 eine 3D-Ansicht auf eine Ausführungsform des Planetengetriebes der 3 mit Blick auf das geöffnete Getriebe
und
5 einen Schnitt durch das Planetengetriebe der 4.
Die 1 zeigt im Schnitt die obere Hälfte der Doppelkupplung 100 mit der zugezogenen Reibungskupplung 101 und der zugedrückten Reibungskupplung 102. Die Reibungskupplungen 101, 102 werden jeweils mittels einer axialen Verlagerung der Hebelelemente 103, 104 betätigt, wobei jeweils ein mittels der Betätigungslager 105, 106 entkoppelter Einrücker 107, 108 von einem Kupplungsaktor 1 axial entlang der Drehachse d der Doppelkupplung 100 verlagert wird. Hierzu verdreht der bezüglich seiner Rotorachse d(r) senkrecht zu der Drehachse d der Doppelkupplung 100 angeordnete Kupplungsaktor 1 die Aktormechanik 113. Diese enthält den aus dem Detail D ersichtlichen Drehhebel 109, so dass der Einrücker 107 entlang des Hülsenteils 110 axial verlagert wird, wenn sich die Antriebswelle 2 des Kupplungsaktors 1 verdreht. Der Kupplungsaktor 1 ist mittels des Lagers 111 in dem Tragteil 112 verdrehbar aufgenommen. Das Tragteil 112 wird beispielsweise mit einer Getriebewandung verbunden wie verschraubt. Der Kupplungsaktor 1 ist aus dem Elektromotor 3 und dem zwischen diesem und der Antriebswelle 2 angeordneten Planetengetriebe 4 gebildet.
Die 2 zeigt in schematischer 3D-Ansicht die Kupplungsaktoren 1, 1a, welche mittels der Lager 111, 111a an ihren Antriebswellen 2, 2a an dem Tragteil 112 verdrehbar gelagert sind. Die Elektromotoren 3, 3a treiben mittels der zwischen diesen und den Antriebswellen 2, 2a angeordneten, stark untersetzenden Planetengetriebe 4, 4a die Antriebswellen 2, 2a an, an welchen die Drehhebel 109, 109a befestigt sind. Die Drehhebel 109, 109a verlagern jeweils nicht dargestellte, in dem Hülsenteil 110 radial ineinander geschachtelte und kinematisch unabhängig voneinander aufgenommene Einrücker auf unterschiedlichen Durchmessern axial.
Die 3 zeigt ein Getriebeschema des in die Kupplungsaktoren 1, 1a der 2 integrierten Planetengetriebes 4. Das Planetengetriebe 4 ist aus den Planetenstufen I, II, III gebildet. In der Gesamtheit bildet das Planetengetriebe 4 eine Übersetzung von bevorzugt 300 ins Langsame zwischen der mit der Rotorwelle des Elektromotors 3 (1) koaxial verbundenen oder einteilig ausgebildeten Eingangswelle 5 und der Antriebswelle 2 zum Antrieb des Drehhebels 109 (1 und 2). Hierbei wird in die Eingangswelle 5 mit einem geringen Eingangsmoment M_in, beispielsweise 0,1 Nm angetrieben. Infolge der drehmomentwandelnden Eigenschaften des Planetengetriebes 4 liegen an der Antriebswelle Ausgangsmomente M_out von ca. 30 Nm an.
Die erste Planetenstufe I bildet ein Zweiwellengetriebe, bei dem das von der Eingangswelle 5 angetriebene Sonnenrad 7 die auf dem Planetenträger 8 verdrehbar angeordneten Planeten 9, die zugleich mit dem gehäusefest angeordneten Hohlrad 10 kämmen, antreiben. Die Planetenstufe II ist ebenfalls als Zweiwellengetriebe ausgebildet. Das Sonnenrad 11 wird von dem Planetenträger 8 der Planetenstufe I angetrieben und kämmt mit den auf dem Planetenträger 12 aufgenommenen Planeten 13. Die Planeten 13 kämmen mit dem gehäusefest angeordnet Hohlrad 10, das als gemeinsames Hohlrad der Planetenstufen I, II ausgebildet ist. Die Planetenstufe III ist als Dreiwellengetriebe ausgebildet, welche mit der Planetenstufe II das Sonnenrad 11, den Planetenträger 12 und die Planeten 13 teilt. Die Planeten 13 kämmen zugleich mit dem Hohlrad 10 und dem mit der Antriebswelle 2 verbundenen Hohlrad 14. Die Zähnezahlen der Hohlräder 10, 14 unterscheiden sich nur geringfügig, maximal um die Anzahl der über den Umfang verteilten Planeten 13. Hierdurch kann ein Plusgetriebe mit besonders hoher Übersetzung von der Eingangswelle 5 auf die Antriebswelle 2 ins Langsame, das heißt eine hohe Untersetzung bei einer Wandlung eines geringen in ein hohes Moment erzielt werden.
Die 4 und 5 zeigen das Planetengetriebe 4 der 3 in einer konstruktiv ausgebildeten Ausführungsform in Ansicht bei geöffnetem Gehäuse 15 (4) und im Schnitt (5). Die Planetenstufe I weist die mit dem Sonnenrad 7 identische Eingangsverzahnung 16 auf, an die der Rotor des Elektromotors angeflanscht wird. Das Scheibenteil 17 bildet den Planetenträger 8 und nimmt die Planeten 9 an einer Seite verdrehbar auf. Die andere Seite der Planeten 9 ist von dem Flanschteil 18 des Sonnenrads 11 gebildet. Auf dem Sonnenrad 11 ist das Scheibenteil 19 verdrehbar gelagert, beispielsweise gleitgelagert. Dieses Scheibenteil 19 bildet mit dem Scheibenteil 20 den Planetenträger 12 zur Aufnahme der Planeten 13 der Planetenstufen II, III. Das Hohlrad 10 der Planetenstufen I, II ist mit seiner Innenverzahnung in das Gehäuse 15 integriert. Das Hohlrad 14 der Planetenstufe III ist axial benachbart zum Gehäuse 15 angeordnet und ist beispielsweise mittels der Nocken 21 direkt oder mittels eines nicht dargestellten Hülsenteils oder eines axial erweiterten Flanschteils mit der Antriebswelle drehschlüssig verbunden. Durch den kompakten Ausbau des Planetengetriebes 4 kann ein geringer Außendurchmesser D(a) von kleiner 50 mm und ein kurze axiale Länge l von unter 30 mm erzielt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsaktor
1a: Kupplungsaktor
2: Antriebswelle
2a: Antriebswelle
3: Elektromotor
3a: Elektromotor
4: Planetengetriebe
4a: Planetengetriebe
5: Eingangswelle
7: Sonnenrad
8: Planetenträger
9: Planet
10: Hohlrad
11: Sonnenrad
12: Planetenträger
13: Planet
14: Hohlrad
15: Gehäuse
16: Eingangsverzahnung
17: Scheibenteil
18: Flanschteil
19: Scheibenteil
20: Scheibenteil
21: Nocken
100: Doppelkupplung
101: Reibungskupplung
102: Reibungskupplung
103: Hebelelement
104: Hebelelement
105: Betätigungslager
106: Betätigungslager
107: Einrücker
108: Einrücker
109: Drehhebel
109a: Drehhebel
110: Hülsenteil
111: Lager
111a: Lager
112: Tragteil
113: Aktormechanik
D: Detail
D(a): Außendurchmesser
d: Drehachse
d(r): Rotorachse
l: Länge
M_in: Eingangsmoment
M_out: Ausgangsmoment
I: Planetenstufe
II: Planetenstufe
III: Planetenstufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008013054 A1 [0003]
DE 102004009832 A1 [0003]

Claims

Kupplungsaktor (1, 1a) zur Betätigung einer um eine Drehachse (d) angeordneten Reibungskupplung (101, 102) mittels einer von einem bezüglich einer Rotorachse (d(r)) im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse (d) angeordneten Elektromotor (3, 3a) angetriebenen, ein Hebelelement (103, 104) der Reibungskupplung (101, 102) axial zur Drehachse (d) entlang eines Betätigungswegs verlagernden Aktormechanik (113), dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zur Rotorachse (d(r)) ein eine Rotordrehzahl untersetzendes Planetengetriebe (4, 4a) vorgesehen ist und die Aktormechanik (113) einen von dem Planetengetriebe (4, 4a) drehangetriebenen, einen Einrücker (107, 108) axial verlagernden Drehhebel (109, 109a) enthält.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (4, 4a) als dreistufiges Planetengetriebe ausgebildet ist.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und zweite Planetenstufe (I, II) als Zweiwellengetriebe und eine dritte Planetenstufe (I–II) als Dreiwellengetriebe ausgebildet sind.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zweiwellengetriebe und das Dreiwellengetriebe ein Plusgetriebe mit hoher Untersetzung bilden.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Planetenstufe (I, II) ein gemeinsames, drehfest angeordnetes Hohlrad (10) aufweisen.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und dritte Planetenstufe (II, III) einen gemeinsamen Planetenträger (12) mit über den Umfang verteilten und mit Hohlrädern (10, 14) der zweiten und dritten Planetenstufe (II, III) kämmenden Planeten (13) aufweisen.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sonnenrad (7) der ersten Planetenstufe (I) mit der Rotorwelle und ein Planetenträger (8) mit einem der zweiten und dritten Planetenstufe (II, III) gemeinsamen Sonnenrad (11) drehfest verbunden ist.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sonnenrädern (7, 11) und Planeten (9, 13) der drei Planetenstufen (I, II, III) jeweils dieselbe Verzahnung eingestellt ist.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz der Anzahl der Zähne des Hohlrads (10) der ersten Planetenstufe (I) und des gemeinsamen Hohlrads (14) der zweiten und dritten Planetenstufe (II, III) maximal der Anzahl der Planeten (13) der zweiten und dritten Planetenstufe (II, III) entspricht.
Kupplungsaktor (1, 1a) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (14) der dritten Planetenstufe (III) eine positive und das gemeinsame Hohlrad (10) der ersten und zweiten Planetenstufen (I, II) eine negative Profilverschiebung aufweisen.