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Die Erfindung betrifft einen Schaltaktor, mit dessen Hilfe insbesondere das Einlegen eines Getriebeganges in einem Kraftfahrzeuggetriebe erreicht werden kann.
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Aus
DE 196 35 866 A1 ist ein Schaltaktor für ein Kraftfahrzeuggetriebe bekannt, bei dem eine Schaltfingerwelle über einen Kugelspindeltrieb koaxial mit einer Motorwelle eines Antriebsmotors gekoppelt ist. Mit Hilfe einer radial zu einer Drehachse der Motorwelle mit Hilfe eines Stellmotors betätigbaren Bremse kann in einer ersten Radialstellung der Bremse ein erster Rastfinger in eine axial verlaufende erste Nut der Schaltfingerwelle eingreifen, so dass bei einer Drehung der Motorwelle die Schaltfingerwelle nur in axialer Richtung bewegt wird, und in einer zweiten Radialstellung der Bremse ein zweiter Rastfinger in eine in Umfangsrichtung verlaufende zweite Nut der der Schaltfingerwelle eingreifen, so dass bei einer Drehung der Motorwelle die Schaltfingerwelle nur verdreht wird.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Bauraum für einen Getriebestrang eines Kraftfahrzeugs zu reduzieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen geringen Bauraum für einen Getriebestrang eines Kraftfahrzeugs ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Schaltaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Schaltaktor, insbesondere zum Einlegen eines Getriebeganges in einem Kraftfahrzeuggetriebe, vorgesehen mit einer Motorwelle eines Antriebsmotors, einer mit der Motorwelle über einen Spindeltrieb im Wesentlichen koaxial angekoppelten Schaltfingerwelle und einem an der Motorwelle und der Schaltfingerwelle angreifenden Planetengetriebe, wobei das Planetengetriebe ein Sonnenrad, mindestens ein mit dem Sonnenrad kämmendes Planetenrad und einen das mindestens eine Planetenrad drehbar lagernden Planetenträger aufweist, wobei das Planetengetriebe mit Hilfe mindestens einer Bremseinrichtung in einer Verfahrschaltstellung bei einer Drehung der Motorwelle eine Relativdrehung der Schaltfingerwelle zur Motorwelle erzwingt und in einer Verdrehschaltstellung die Schaltfingerwelle drehfest mit der Motorwelle koppelt.
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Durch den Spindeltrieb kann die Schaltfingerwelle mit der drehenden Motorwelle mitdrehen und/oder relativ zu der Motorwelle eine Axialbewegung ausführen. Da das Planetengetriebe sowohl an der Motorwelle als auch an der Schaltfingerwelle angreift, ist es möglich mit Hilfe der mindestens einen Bremseinrichtung die Übersetzung des Planetengetriebes zu ändern, so dass mit Hilfe der mindestens einen Bremseinrichtung in der Verfahrstellung des Planetengetriebes eingestellten Übersetzung die Schaltfingerwelle bei einer Drehung der Motorwelle nur eine Axialbewegung und keine Drehung ausführt, während in der mit Hilfe der mindestens einen Bremseinrichtung in der Verdrehstellung des Planetengetriebes eingestellten Übersetzung die Schaltfingerwelle bei einer Drehung der Motorwelle nur eine Drehung und keine Axialbewegung ausführt. Dadurch kann ein in radial Richtung von der Schaltfingerwelle abstehender und drehfest mit der Schaltfingerwelle befestigter Schaltfinger in axialer Richtung verlagert werden, um eine designierte Schaltgasse des Kraftfahrzeuggetriebes anzufahren, und zum Schalten des entsprechenden Ganges in die Schaltgasse hineingedreht werden. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass ein Planetengetriebe sehr bauraumsparend und kompakt in den Schaltaktor integriert werden kann und das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes durch geeignete reibschlüssig und/oder formschlüssig wirkende Bremseinrichtungen mit Hilfe einer an einer geeigneten Stelle des Planetengetriebes einwirkenden Bremswirkung leicht und bauraumsparend geschaltet werden kann. Durch das mit Hilfe der mindestens einen Bremseinrichtung änderbare Übersetzungsverhältnis des parallel zu dem Spindeltrieb die Motorwelle mit der Schaltfingerwelle koppelnden Planetengetriebes kann ein besonders kompakter und bauraumsparender Schaltaktor geschaffen werden, der einen geringen Bauraum für einen Getriebestrang eines Kraftfahrzeugs ermöglicht.
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Der Spindeltrieb kann beispielsweise als eine Gewindepaarung ausgestaltet sein, bei der insbesondere ein Außengewinde der Motorwelle in ein Innengewinde der Schaltfingerwelle eingeschraubt ist, wobei alternativ ein Außengewinde der Schaltfingerwelle in ein Innengewinde der Motorwelle eingeschraubt sein kann. Der Spindeltrieb kann auch als Kugelumlaufspindel ausgestaltet sein. Der Planetenträger kann einen im Wesentlichen koaxial zu einer Drehachse der Motorwelle und/oder der Schaltfingerwelle angeordneten Planetenträgerflansch aufweisen, von dem in axialer Richtung für jeweils ein Planetenrad ein Lagerbolzen absteht, an dem das jeweilige Planetenrad drehbar gelagert ist. Vorzugsweise sind mehrere Planetenräder, insbesondere drei Planetenräder, vorgesehen, die vorzugsweise in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Der Antriebsmotor ist insbesondere als elektrische Maschine, beispielsweise als Stellmotor, ausgestaltet. Der Antriebsmotor kann insbesondere wahlweise die Drehrichtung der Motorwelle ändern. Die mindestens eine Bremseinrichtung kann insbesondere ein Funktionselement des Planetengetriebes, beispielsweise das Sonnenrad, das mindestens eine Planetenrad, den Planetenträger und/oder ein mit dem mindestens einem Planetenrad kämmendes Hohlrad, mit einem feststehenden Bauteil, insbesondere ein Aktorgehäuse des Schaltaktors und/oder mit einem anderen Funktionselement koppeln. Durch die mindestens eine Bremseinrichtung kann insbesondere reibschlüssig und/oder formschlüssig eine drehfeste Koppelung erreicht werden, wobei grundsätzlich, beispielsweise bei einem schlupfenden Reibschluss, auch eine Relativdrehzahl der miteinander bremsenden Bauteile vorgesehen sein kann. Vorzugsweise ist die Bremswirkung der mindestens einen Bremseinrichtung hoch genug, dass ein Schalten eines Getriebegangs mit Hilfe des Schaltfingers auch bei einem nicht selbsthemmend ausgestalteten Spindeltrieb betriebssicher möglich ist. Die Motorleistung des Antriebsmotors kann dadurch entsprechend gering gehalten werden.
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Insbesondere weist die Schaltfingerwelle einen in radialer Richtung abstehenden Führungsflansch auf, wobei der Planetenträger und/oder das mindestens eine Planetenrad einen in axialer Richtung im Wesentlichen koaxial zum Planetenrad abstehenden Führungsbolzen aufweist, wobei der Führungsbolzen in einer korrespondierenden Führungsöffnung des Führungsflanschs der Schaltfingerwelle, insbesondere in axialer Richtung relativ beweglich, eingreift. Durch den in der Führungsöffnung axial geführten Führungsbolzen kann die Schaltfingerwelle mit dem Planetenrad und/oder mit dem Planetenträger gekoppelt sein. Die Koppelung kann insbesondere radial zum Spindeltrieb beabstandet erfolgen, so dass die Funktionsweise des Spindeltriebs nicht beeinträchtigt wird. Durch ein Abbremsen des Planetenrads und/oder des Planetenträgers mit Hilfe der mindestens einen Bremseinrichtung kann auch mittelbar die Drehung der Schaltfingerwelle abgebremst, insbesondere blockiert, werden. Beispielsweise kann das Planetenrad und/oder der Planetenträger mit Hilfe der mindestens einen Bremseinrichtung mit einem feststehenden Bauteil arretiert werden, so dass eine Rotation des Planetenrads um die Drehachse der Motorwelle gesperrt ist und somit auch eine Drehung der Schaltfingerwelle gesperrt ist. Gegebenenfalls kann eine Eigenrotation des Planetenrads um einen Lagerbolzen des Planetenträgers zugelassen sein. Durch die axiale Bewegbarkeit des Führungsbolzens in der Führungsöffnung kann die Montage erleichtert sein und insbesondere eine axiale Bewegbarkeit der Schaltfingerwelle relativ zum Planetenrad und/oder zum Planetenträger ermöglicht sein. Dadurch kann die Schaltfingerwelle in der Verfahrschaltstellung des Planetengetriebes axial verlagert werden ohne das Planetenrad und/oder den Planetenträger in axialer Richtung mitnehmen zu müssen. Der Führungsbolzen ist insbesondere in der Führungsöffnung in axialer Richtung relativ bewegbar geführt. Beispielsweise ist zwischen dem Führungsbolzen und der Führungsöffnung ein Radialgleitlager ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist zwischen dem Führungsbolzen und der Führungsöffnung eine Spielpassung vorgesehen.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Planetenrad an jeweils einem Lagerbolzen des Planetenträgers gelagert, wobei mindestens ein Lagerbolzen den Führungsbolzen ausbildet. Der Lagerbolzen kann hierzu entsprechend verlängert ausgeführt sein, um als Führungsbolzen in die Führungsöffnung hineinzuragen. Die Bauteileanzahl und die geometrische Komplexität der verwendeten Bauteile kann dadurch gering gehalten werden.
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Besonders bevorzugt ist das Sonnenrad drehfest mit der Motorwelle befestigt, wobei der Planetenträger relativ verdrehbar zur Motorwelle gelagert ist, wobei der Planetenträger von einer ersten Bremseinrichtung, insbesondere drehfest zu einem feststehenden Aktorgehäuse, abbremsbar ist. Durch das Abbremsen des Planetenträgers mit Hilfe der ersten Bremseinrichtung kann insbesondere eine Drehung der Schaltfingerwelle in der Verfahrschaltstellung des Planetengetriebes gesperrt werden. Das mit dem Sonnenrad kämmende Planetenrad kann hierbei um sich selbst rotieren, so dass das Planetengetriebe nicht die Drehung der Motorwelle blockiert. Wenn die erste Bremsvorrichtung den Planetenträger nicht abbremst, kann das Sonnenrad beispielsweise den Planetenträger und das Planetenrad im Block umlaufen lassen, so dass die Schaltfingerwelle verdreht werden kann.
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Insbesondere ist der Planetenträger in axialer Richtung zwischen einer Bremsposition, in welcher der Planetenträger von der ersten Bremseinrichtung abbremsbar, und einer Losposition, in welcher der Planetenträger zu der ersten Bremseinrichtung außer Eingriff positioniert ist, axial verlagerbar ist. Der in axialer Richtung verlagerbare Planetenträger kann in der Bremsposition vorzugsweise formschlüssig in die erste Bremseinrichtung eingreift und in der Losposition relativ zu der ersten Bremseinrichtung verdreht werden. Die erste Bremseinrichtung kann hierzu beispielweise in der Art einer Klauenkupplung und/oder als Zahnradverzahnung ausgestaltet sein. In der Bremsposition ist insbesondere zwischen dem Planetenträgerflansch und dem Sonnenrad ein Abstand vorgesehen, der mindestens so groß wie die axiale Erstreckung eines Formschlusses zwischen dem Planetenträger und der ersten Bremseinrichtung ist. Insbesondere wenn der Planetenträger in axialer Richtung zu der Motorwelle, beispielsweise über ein erstes Gleitlager axial verschiebbar ist, wird die Funktionalität der Motorwelle durch den axial verlagerbaren Planetenträger nicht beeinträchtigt. Wenn der Planetenträger in axialer Richtung zu der Schaltfingerwelle axial verschiebbar ist, wird die Funktionalität der Schaltfingerwelle durch den axial verlagerbaren Planetenträger ebenfalls nicht beeinträchtigt. Die erste Bremseinrichtung kann dadurch besonders einfach und bauraumsparend ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise ist eine zweite Bremsvorrichtung zum Sperren einer Rotation des mindestens einen Planetenrads vorgesehen, wobei insbesondere die zweite Bremsvorrichtung zumindest teilweise mit dem Planetenträger verbunden ist. Dadurch kann von der Motorwelle ein signifikantes Drehmoment an die Schaltfingerwelle übertragen werden, das groß genug ist einen Schaltvorgang in dem Kraftfahrzeuggetriebe durchzuführen. Über die zweite Bremsvorrichtung kann das bei einem Anschlagen des Schaltfingers in der Verdrehschaltstellung des Planetengetriebes auftretende Drehmoment an der Motorwelle abgestützt werden. Die zweite Bremsvorrichtung greift insbesondere reibschlüssig an, so dass die zweite Bremsvorrichtung auch als Rutschkupplung wirken kann, falls von den Motorwelle ein zu großes Drehmoment eingeleitet wird und gegebenenfalls eine Beschädigung des Schaltaktors und/oder des Kraftfahrzeuggetriebes zu befürchten ist. Ferner können dadurch Synchronisiervorgänge beim Schalten eines Getriebegangs unterstützt werden und kurzzeitige Drehmomentspitzen beim Synchronisieren kompensiert werden. Wenn die zweite Bremsvorrichtung zumindest teilweise mit dem Planetenträger, insbesondere mit dem Planetenträgerflansch, verbunden ist, kann eine Sperrung der Drehung des Planetenrads über den Planetenträger erfolgen, so dass kein weiteres Bauteil erforderlich ist. Insbesondere ist es möglich durch mechanisch einfach umzusetzende Maßnahmen wahlweise mit Hilfe der zweiten Bremseinrichtung das Planetenrad mit dem Lagerbolzen des Planetenträger drehfest zu arretieren, so dass es grundsätzlich nicht erforderlich ist zusätzlich mit der zweiten Bremseinrichtung an dem Sonnenrad und/oder an dem Hohlrad anzugreifen.
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Besonders bevorzugt ist durch die zweite Bremsvorrichtung das mindestens eine Planetenrad mit dem Sonnenrad und/oder einem mit dem mindestens einen Planetenrad kämmenden Hohlrad des Planetengetriebes im Wesentlichen drehfesten koppelbar. Dadurch kann eine Rotation des Planetenrads um sich selbst blockiert werden. Durch die gesperrte Drehbarkeit des Planetenrads können das Planetenrad und der Planetenträger an dem Sonnenrad nur im Block umlaufen. Falls das Hohlrad vorgesehen ist, ist das Hohlrad insbesondere drehbar ausgeführt und vorzugsweise über ein zweites Gleitlager an einem feststehenden Bauteil, insbesondere das Aktorgehäuse des Schaltaktors drehbar gelagert. Durch die gesperrte Drehbarkeit des mindestens einen Planetenrads kann von der Motorwelle ein signifikantes Drehmoment an die Schaltfingerwelle übertragen werden, das groß genug ist einen Schaltvorgang in dem Kraftfahrzeuggetriebe durchzuführen.
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Insbesondere ist die zweite Bremsvorrichtung als Magnetkupplung ausgestaltet ist. Die Magnetkupplung kann besonders bauraumsparend ausgestaltet sein. Die Magnetkupplung kann insbesondere einen Elektromagneten aufweisen, der magnetisch an dem Planetenrad und dem Sonnenrad und/oder dem Hohlrad angreift. Eine Eigenrotation des Planetenrads kann dadurch gesperrt werden.
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Vorzugsweise ist der Planetenträger durch die als Magnetkupplung ausgestaltete zweite Bremseinrichtung in axialer Richtung verlagerbar, wobei insbesondere die zweite Bremseinrichtung in axialer Richtung zwischen einem Planetenträgerflansch des Planetenträgers und dem Sonnenrad angeordnet ist. Insbesondere kann die Magnetkupplung an einer ersten Axialseite an dem Planetenrad und dem Sonnenrad und/oder dem Hohlrad und gleichzeitig mit einer entgegen gesetzten zweiten Axialseite an dem Planetenträgerflansch des Planetenträgers magnetisch angreifen. Dadurch ist es insbesondere möglich mit der Magnetkupplung der zweiten Bremseinrichtung gleichzeitig, beispielsweise gegen die Federkraft einer Rückstellfeder, die erste Bremseinrichtung zu lösen und die zweite Bremseinrichtung zu schließen. Dadurch ist es vorzugsweise möglich mit dem Elektromagneten der Magnetkupplung nur ein elektrisch ansteuerbares Aktorelement zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Planetengetriebes vorzusehen. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass für die Verfahrschaltstellung und die Verdrehschaltstellung nur jeweils eine Bremseinrichtung geschlossen und die andere Bremseinrichtung geöffnet sein soll, so dass es möglich ist beide Bremseinrichtungen gleichzeitig zu betätigen.
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Besonders bevorzugt sind ein erster Wegsensor zur Detektion der axialen Lage der Schaltfingerwelle und ein zweiter Wegsensor zur Detektion der Winkellage der Schaltfingerwelle vorgesehen sind. Dadurch kann überprüft werden, wo sich der mit der Schaltfingerwelle drehfest verbundene Schaltfinger befindet, so dass die richtige Schaltgasse und der richtige Gang gefunden werden kann. Insbesondere ist es möglich, beispielsweise während eines Synchronisiervorgangs, die Drehzahl der Motorwelle geeignet anzupassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht eines Schaltaktors in einer ersten Ausführungsform und
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2: eine schematische Schnittansicht eines Schaltaktors in einer zweiten Ausführungsform.
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Der in 1 dargestellte Schaltaktor 10 weist einen beispielsweise als elektrischen Schrittmotor ausgestalteten Antriebsmotor 12 auf, der eine Motorwelle 14 verdrehen kann. Die Motorwelle 14 ist koaxial in eine Schaltfingerwelle 16 mit einem radial abstehenden Schaltfinger 18 eingesetzt und über einen Spindeltrieb 20 relativ bewegbar gekoppelt. Der Schaltaktor 10 weist ferner ein Planetengetriebe 20 auf, das ein drehfest auf die Motorwelle 14 aufgepresstes Sonnenrad 22 aufweist. Das Sonnenrad 22 kämmt mit mehreren Planetenrädern 24, die wiederum mit einem Hohlrad 26 kämmen. Die Planetenräder 24 sind von einem Planetenträger 28 gelagert. Hierzu weist der Planetenträger 28 einen über ein erstes Gleitlager 30 an der Motorwelle 14 gelagerten Planetenträgerflansch 32 auf, von dem in axialer Richtung Lagerbolzen 34 abstehen, an denen jeweils ein Planetenrad 24 drehbar gelagert ist.
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Der Planetenträgerflansch 32 des Planetenträgers 28 kann von einer ersten Bremseinrichtung 36 beispielsweise formschlüssig drehfest mit einem feststehenden Aktorgehäuse 38 arretiert werden. Der Lagerbolzen 34 ist über die zum Lagern des Planetenrads 24 erforderliche axiale Erstreckung hinaus verlängert und bildet dadurch einen Führungsbolzen 40 aus, der in einer korrespondierenden Führungsöffnung 42 in einem radial abstehenden Führungsflansch 44 der Schaltfingerwelle 16 in axialer Richtung relativ verschiebbar geführt ist. Wenn der Planetenträgerflansch 32 von der ersten Bremseinrichtung 36 mit dem Aktorgehäuse 38 arretiert ist, kann weder der Planetenträger 28 noch die Planetenräder 24 sowie der Führungsflansch 44 und damit die Schaltfingerwelle 16 um eine Drehachse der Motorwelle 14 rotieren. Bei einer Drehung der Motorwelle 14 kann dadurch die Schaltfingerwelle 16 ohne Eigenrotation nur in axialer Richtung bewegt werden.
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Durch das erste Gleitlager 30 ist der Planetenträger 28 in axialer Richtung bewegbar ausgebildet. Mit Hilfe einer als Magnetkupplung ausgestalteten zweiten Bremseinrichtung 46 kann der Planetenträgerflansch 32 an die Planetenräder 24 sowie das Sonnenrad 22 und/oder das Hohlrad 26 herangezogen werden, so dass die erste Bremseinrichtung 36 geöffnet wird und eine Relativdrehung des Planetenträgers 28 relativ zum Aktorgehäuse 38 möglich ist. Gleichzeitig kann die zweite Bremseinrichtung 46 eine Rotation des Planetenrads 24 sperren, indem im dargestellten Ausführungsbeispiel das Planetenrad 24 mit dem Hohlrad 26 auf einem vergleichsweise großen Radius mit einer entsprechend hohen Haltekraft magnetisch sperrt. Durch das gesperrte Planetenrad 24 und den von der ersten Bremseinrichtung 36 freigegebenen Planetenträger 28 kann das Planetengetriebe 20 nur im Block mit der Drehzahl des Sonnenrads 22 und somit mit der Drehzahl der Motorwelle 14 umlaufen, so dass auch die Schaltfingerwelle 16 mit der Drehzahl der Motorwelle 14 rotiert und nur verdreht aber nicht in axialer Richtung bewegt werden kann. Hierbei ist das Hohlrad 26 über ein zweites Gleitlager 48, das zwischen zwei Sicherungsringen 50 axial gesichert ist, relativ verdrehbar gelagert. Die Schaltfingerwelle 16 ist über ein als Gleitlager oder Wälzkörperlager, beispielsweise Kugellager, ausgestaltetes Wellenlager 52 an dem Aktorgehäuse 38 gelagert.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform des Schaltaktors 10 ist im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform des Schaltaktors 10 das Hohlrad 26 sowie das zweite Gleitlager 48 mit den Sicherungsringen 50 eingespart. Die als Magnetkupplung ausgestaltete zweite Bremseinrichtung 46 greift im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem kleineren Radius mit einer entsprechend geringeren Haltekraft zum Sperren der Rotation des Planetenrads 24 an, um das Planetenrad 24 mit dem Sonnenrad 22 magnetisch zu sperren. Je nach Kraftverhältnissen kann hierdurch eine ausreichende Haltekraft von der zweiten Bremseinrichtung 46 aufgebracht werden, um mit Hilfe des Schaltfingers 18 einen Getriebegang in einem Kraftfahrzeuggetriebe zu schalten, so dass der Schaltaktor 10 auch mit einer entsprechend geringeren Bauteileanzahl und einem geringeren Bauraumbedarf auskommt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltaktor
- 12
- Antriebsmotor
- 14
- Motorwelle
- 16
- Schaltfingerwelle
- 18
- Schaltfinger
- 20
- Planetengetriebe
- 22
- Sonnenrad
- 24
- Planetenrad
- 26
- Hohlrad
- 28
- Planetenträger
- 30
- erstes Gleitlager
- 32
- Planetenträgerflansch
- 34
- Lagerbolzen
- 36
- Bremseinrichtung
- 38
- Aktorgehäuse
- 40
- Führungsbolzen
- 42
- Führungsöffnung
- 44
- Führungsflansch
- 46
- zweite Bremseinrichtung
- 48
- zweites Gleitlager
- 50
- Sicherungsring
- 52
- Wellenlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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