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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betätigungsanordnung zum wahlweisen Verbinden und Trennen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle.
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Stand der Technik
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Betätigungsanordnungen, wie in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, finden insbesondere in Form sogenannter „Disconnect-Systeme” in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen Anwendung. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Kraftfahrzeuge mit zuschaltbarem Allradantrieb. Hierbei wird von einer Antriebseinheit, zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine, eine Achse primär angetrieben (Primärachse) und eine zweite Achse (Sekundärachse) wahlweise zugeschaltet. Das Zuschalten und Wegschalten erfolgt über ein „Disconnect-System”. Alternativ werden derartige Betätigungsanordnungen auch dazu eingesetzt bei sogenannten Hybridkraftfahrzeugen beispielsweise während des elektrischen Betriebs via eines Elektromotors das Hauptgetriebe von der anderen Antriebseinheit, meist eine Verbrennungskraftmaschine, zu trennen.
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Die
DE 40 02 053 A1 beschreibt beispielsweise eine Kopplungsanordnung bei der eine Achswelle mittels einer axial verschiebbaren Schaltmuffe wahlweise von einem Differentialgetriebe entkoppelt werden kann.
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Das Dokument
WO 2011/098595 offenbart eine Kopplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit wenigstens einer Kupplung und einer Betätigungseinrichtung um diese Kupplung zu betätigen.
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Aufgabenstellung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Betätigungsanordnung zum wahlweisen Verbinden und Trennen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Ausführung vorzuschlagen, die insbesondere über viele Betriebsstunden zuverlässig arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Betätigungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Unter dem Begriff „Achsrichtung” ist in dem vorliegenden Dokument „in Richtung der Längsachse der Eingangs- und/oder Ausgangswelle” zu verstehen. Der Begriff „axial” steht dementsprechend für „entlang der Längsachse der Eingangs- und/oder Ausgangswelle”. Der Begriff „radial” ist demzufolge als Bewegungsrichtung „entlang der Querachse der Eingangs- und/oder Ausgangswelle” zu verstehen.
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Die erfindungsgemäße Betätigungsanordnung dient insbesondere dem wahlweisen Verbinden und Trennen einer rotierenden Eingangswelle und einer Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle zumindest teilweise ein umlaufendes Gewinde aufweist, wobei das Gewinde mit einem Eingriffsabschnitt eines Eingriffselements mittels eines Aktuators in Eingriff bringbar ist, wobei der Aktuator einen Kolben aufweist, wobei sich der Kolben bei Aktuierung in Richtung der von dem Gewinde abgewandten Seite des Eingriffselements bewegt um den Eingriffsabschnitt des Eingriffselements mit dem Gewinde in Eingriff zu bringen, wobei der Kolben an dem dem Eingriffselement zugewandten Ende, an einer der Verbindung zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zugewandten Seite, eine abgeschrägte Kante aufweist.
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Der Kolben ist bevorzugt zylinderförmig ausgeformt und so ausgebildet, dass an dem dem Eingriffselement zugewandten Ende, an einer der Verbindung zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle zugewandten Seite, eine abgeschrägte Kante vorliegt, wodurch eine problemlose radiale Bewegung des Kolbens für das Verbinden (Koppeln) der Ausgangswelle und der Eingangswelle gewährleistet wird, indem durch die abgeschrägte Kante die Reibung an der Kontaktfläche zwischen Kolben und Eingriffselement (Rastabsatz) minimiert wird.
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Eine vorteilhafte Variante zur Minimierung der Querkraft auf den Kolben besteht darin, zusätzlich ein Gleitelement zwischen dem Eingriffselement und dem Kolben anzuordnen. Das Gleitelement wird in diesem Fall durch den Kolben auf die vom Gewinde der Eingangswelle abgewandte Seite des Eingriffselements gedrückt. In diesem Fall ist die abgeschrägte Kante im Gleitelement integriert.
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Das Gleitelement ist insbesondere hebelartig ausgeführt, wobei das Gleitelement an einem der Kontaktfläche zwischen Gleitelement und Eingriffselement abgewandten Ende des hebelartigen Gleitelements gelagert sein kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform dient die erfindungsgemäße Betätigungsanordnung dem wahlweisen Verbinden und Trennen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle, wobei die Eingangswelle in dieser vorteilhaften Ausführungsvariante als Primärwelle, d. h. permanent rotierend, verstanden wird. Auf die Ausgangswelle wird Drehmoment durch eine Verbindung mit der Eingangswelle übertragen. Sind die Eingangswelle und die Ausgangswelle getrennt, rotiert lediglich die Eingangswelle
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung sind die Eingangswelle und die Ausgangswelle im Wesentlichen koaxial angeordnet.
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Die Eingangswelle weist vorteilhafterweise zumindest teilweise ein umlaufendes Gewinde auf, wobei das Gewinde mit einem Eingriffsabschnitt eines Eingriffselements mittels eines Aktuators in Eingriff bringbar ist.
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Das Gewinde ist als Schraubgewinde oder eine schraubenförmig verlaufende Nut ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Betätigungsanordnung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass der Eingriffsabschnitt des Eingriffselements mit dem Gewinde der Eingangswelle außer Eingriff ist, wenn der Aktuator nicht auf das Eingriffselement wirkt, beispielsweise durch ein auf das Eingriffselement radial nach außen wirkendes Federelement.
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Ist der Eingriffsabschnitt des Eingriffselements mit dem Gewinde der Eingangswelle außer Eingriff, erfolgt erfindungsgemäß eine Verbindung von Eingangswelle und Ausgangswelle.
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Der Aktuator ist in der Lage den Eingriffsabschnitt des Eingriffselements mit dem Gewinde der Eingangswelle in Eingriff zu bringen.
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Bringt der Aktuator den Eingriffsabschnitt des Eingriffselements mit dem Gewinde der Eingangswelle in Eingriff erfolgt erfindungsgemäß eine Trennung von Eingangswelle und Ausgangswelle.
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Erfindungsgemäß ist das Eingriffselement hebelartig ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen in Achsrichtung parallel zu der Eingangs- und/oder Ausgangswelle.
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Der Eingriffsabschnitt ist bevorzugt an einem ersten Ende des Eingriffselements angeordnet und weist eine zu dem Gewinde der Eingangswelle korrespondierende Kulisse auf. Die Kulisse kann dabei besonders bevorzugt als ein zu dem Gewinde korresponierender Zahneingriff, nach Art einer Sektormutter, ausgebildet sein. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wäre ein (Eingreif-)Stift.
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Es ist auch ein Vorteil, wenn das Eingriffselement im Bereich des ersten Endes einen Rastabsatz aufweist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung ist das Eingriffselement an einem zweiten Ende mit einer Schaltgabel gelenkig verbunden, wobei die Schaltgabel über das Eingriffselement betätigbar ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Schaltgabel mit einer Kupplung drehbeweglich gekoppelt, wobei die Kupplung über die Schaltgabel betätigbar ist.
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Vorteilhafterweise ist die Kupplung als formschlüssige Kupplung ausgebildet, wobei die Kupplung drehfest und axial verschiebbar an der Ausgangswelle angeordnet ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Kupplung als eine Schiebemuffe ausgebildet.
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Die Kupplung wird erfindungsgemäß mittels eines Federelements in eine Position gedrückt in der die Eingangswelle und die Ausgangswelle miteinander formschlüssig verbunden sind.
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Der Aktuator weist erfindungsgemäß einen Kolben und einen Magneten auf, wobei der Magnet mit einem Spannungsprofil beaufschlagbar ist und so der Kolben zu einer geradlinigen Bewegung in Richtung Eingriffselement aktuierbar ist.
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Bei Aktuierung des Kolbens, d. h. bei Spannungsbeaufschlagung des Magnets, wird der Kolben in Richtung der von dem Gewinde der Eingangswelle abgewandten Seite des Eingriffselements bewegt und drückt mittels dieser Bewegung das Eingriffselement an der von dem Gewinde der Eingangswelle abgewandten Seite in Richtung der Eingangswelle bis der Eingriffsabschnitt des Eingriffselements mit dem Gewinde der Eingangswelle in Eingriff steht. Dadurch wird eine Relativbewegung des Eingriffsabschnitts des Eingriffselements und des Gewindes der Eingangswelle entlang der Achse der rotierenden Eingangswelle bewirkt und die Kupplung wird über die Verbindung des Eingriffselement mit der Schaltgabel und der Schaltgabel mit der Kupplung axial bewegt, so dass eine Trennung (Entkoppeln) der Eingangswelle und der Ausgangswelle erfolgt. Die Drehbewegung der rotierenden Eingangswelle wird somit in eine Axialbewegung der Kupplung umgesetzt.
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Durch Aktuierung des Kolbens wird somit vorteilhafterweise eine Trennung der Eingangswelle und der Ausgangswelle bewirkt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung in gekoppelter Position
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung in entkoppelter Position
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung mit einem Gleitelement
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4 zeigt ein beispielhaftes Spannungsprofil zur Aktuierung der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Im Folgenden wird anhand von 1 und 2 eine mögliche Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung 1 in zwei unterschiedlichen Positionen – einer entkoppelten Position (Eingangswelle und Ausgangswelle getrennt) und einer gekoppelten Position (Eingangswelle und Ausgangswelle verbunden) – beschrieben. 3 zeigt eine Ausführungsvariante mit einem Gleitelement 22.
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Die erfindungsgemäße Betätigungsanordnung 1 dient dem wahlweisen Verbinden (Koppeln) und Trennen (Entkoppeln) einer Eingangswelle 2 und einer Ausgangswelle 3.
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Die in 1 und 2 dargestellte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung 1 umfasst eine Eingangswelle 2 und eine Ausgangswelle 3.
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Die Eingangswelle 2 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Primärwelle, d. h. permanent rotierend, zu verstehen.
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Die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 3 sind dabei im Wesentlichen koaxial angeordnet.
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Die Eingangswelle 2 weist zumindest teilweise ein umlaufendes Gewinde 4 auf, wobei das Gewinde 4 mit einem Eingriffsabschnitt 5 eines Eingriffselements 6 mittels eines Aktuators 7 in Eingriff bringbar ist.
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Das Eingriffselement 6 ist hebelartig ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen in Achsrichtung parallel zu der Eingangswelle 2 und der Ausgangswelle 3.
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Der Eingriffsabschnitt 5 ist an einem ersten Ende 10 des Eingriffselements 6 angeordnet und weist eine zu dem Gewinde 4 der Eingangswelle 2 korrespondierende Kulisse auf. Die Kulisse ist nach Art einer Sektormutter ausgebildet. Der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 und das Gewinde 4 bilden eine Umsetzeinrichtung, um die Drehbewegung der rotierenden Eingangswelle 2 in eine axiale Bewegung umzusetzen.
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Das Eingriffselement 6 weist im Bereich des ersten Endes 10 einen Rastabsatz 15 auf.
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Das Eingriffselement 6 ist an einem zweiten Ende 11 mit einer Schaltgabel 13 gelenkig verbunden, wobei die Schaltgabel 13 über das Eingriffselement 6 betätigbar ist.
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Die Schaltgabel 13 ist mit einer Kupplung 12 drehbeweglich gekoppelt, wobei die Kupplung 12 über die Schaltgabel 13 betätigbar ist.
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Die Kupplung 12 ist als formschlüssige Kupplung 12 ausgebildet, wobei die Kupplung 12 drehfest und axial verschiebbar an der Ausgangswelle 3 angeordnet ist.
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Ein Federelement 14 drückt die Kupplung 12 in eine Position in der die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 3 miteinander formschlüssig verbunden sind.
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Der Aktuator 7 weist den Kolben 8 und einen Magneten 16 auf, wobei der Magnet 16 mit einem Spannungsprofil 17 beaufschlagbar ist und so der Kolben 8 zu einer radialen geradlinigen Bewegung in Richtung Eingriffselement 6 und/oder Gleitelement 22 aktuierbar ist. Diese radiale geradlinige Bewegung in Richtung Eingriffselement 6 und/oder Gleitelement 22 ist in 1 durch einen Pfeil angedeutet.
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Der Kolben 8 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist an dem dem Eingriffselement 6 zugewandten Ende, an einer der Verbindung zwischen Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 4 zugewandten Seite, eine abgeschrägte Kante 9 auf.
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Die erfindungsgemäße Betätigungsanordnung 1 ist derart ausgebildet, dass der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 mit dem Gewinde 4 der Eingangswelle 2 außer Eingriff ist, wenn der Aktuator 7 nicht auf das Eingriffselement 6 und/oder das Gleitelement 22 wirkt, beispielsweise durch ein auf das Eingriffselement 6 unter anderem radial nach außen wirkendes Federelement 14.
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Ist der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 mit dem Gewinde 4 der Eingangswelle 2 außer Eingriff, erfolgt eine Verbindung von Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 3.
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Dies entspricht der in der in 1 dargestellten gekoppelten Position der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung 1 – die Eingangswelle 2 und die Ausganswelle 3 sind verbunden (gekoppelt) und Drehmoment der rotierenden Eingangswelle 2 wird auf die Ausgangswelle 3 übertragen.
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Der Aktuator 7 ist in der Lage den Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 mit dem Gewinde 4 der Eingangswelle 2 in Eingriff zu bringen.
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Bringt der Aktuator 7 den Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 mit dem Gewinde 4 der Eingangswelle 2 in Eingriff erfolgt durch eine Relativbewegung des Eingriffsabschnitts 5 des Eingriffselements 6 und des Gewindes 4 entlang der Achse der rotierenden Eingangswelle 2 eine Trennung von Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 3.
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Dies entspricht der in 2 dargestellten entkoppelten Position der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung 1 – die Eingangswelle 2 und die Ausganswelle 3 sind getrennt (entkoppelt).
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Der aktuierte Kolben 8 drückt auf die vom Gewinde 4 abgewandte Seite des Eingriffselements 6.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung 1 ist zwischen dem Kolben 8 des Aktuators 7 und den Eingriffselement 6 ein Gleitelement 22 angeordnet. Das Gleitelement 22 ist ebenso wie das Eingriffselement 6 hebelartig ausgeführt und weist ein erstes Ende des Gleitelements 23 und ein zweites Ende des Gleitelements 24 auf, wobei das erste Ende des Gleitelements 23 im Bereich des ersten Endes des Eingriffselements 10 angeordnet ist und das zweite Ende des Gleitelements 24 radial beweglich an der Schaltgabel 13 angeordnet ist.
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4 zeigt ein beispielhaftes Spannungsprofil 17, wobei auf der x-Achse die Zeit und auf der y-Achse die Spannung aufgetragen ist. Das Spannungsprofil 17 dient der Aktuierung des Aktuators 7 der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung 1. Das Spannungsprofil 17 zeigt vier Spannungsniveaus die jeweils einer Spannung zur Aktuierung des Aktuators 7 entsprechen – das erste Spannungsniveau 18, das zweite Spannungsniveau 19, das dritte Spannungsniveau 20 und das vierte Spannungsniveau 21.
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Durch Spannungsbeaufschlagung des Magneten 16 des Aktuators 7 mit den den Spannungsniveaus 18, 19, 20, 21 entsprechenden Spannungen ist der Kolben 8 betätigbar. Der Kolben 8 führt hierbei eine geradlinige (radiale) Bewegung in Richtung erstes Ende des Eingriffselements 10 und/oder erstes Ende des Gleitelements 23 aus. Diese geradlinige Bewegung des Kolbens 8 in Richtung des ersten Endes des Eingriffselements 10 und/oder des ersten Endes des Gleitelements 23 ist in 1 durch einen Pfeil angedeutet.
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Das erste Spannungsniveau 18 beschreibt das Spannungsniveau in gekoppelter Position, d. h. wenn die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 3 formschlüssig verbunden sind.
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Die Kupplung 12 wird dabei lediglich über die Kraft des Federelements 14 in die gekoppelte (verbundene) Position gedrückt.
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Der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 ist mit dem Gewinde 4 der Eingangswelle 2 außer Eingriff, d. h. der Aktuator 7 wirkt nicht auf das Eingriffselement 6 und/oder das Gleitelement 22, beispielsweise durch das auf das Eingriffselement 6 unter anderem radial nach außen wirkende Federelement 14.
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Der Magnet 16 des Aktuators 7 ist in dieser gekoppelten Position nicht mit Spannung beaufschlagt (nicht aktuiert). Der Kolben 8 führt keine geradlinige Bewegung in Richtung des ersten Endes des Eingriffselements 10 aus. Das erste Spannungsniveau 18 entspricht somit einer Spannung gleich 0.
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Das zweite Spannungsniveau 19 entspricht einer Spannung größer der Spannung des ersten Spannungsniveaus 18, d. h. größer 0. Das zweite Spannungsniveau 19 dient dazu, den Kolben 8 mit hoher Dynamik von einer nicht aktuierten Stellung in eine aktuierte Stellung zu bringen.
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Wird der Magnet 16 des Aktuators 7 mit Spannung des zweiten Spannungsniveaus 19 beaufschlagt wird der Kolben 8 radial in Richtung des ersten Endes des Eingriffselements 10 und/oder des ersten Endes des Gleitelements 23 verschoben. In letzterem Fall drückt der Kolben 8 auf die vom Eingriffselement 6 abgewandte Seite des ersten Endes des Gleitelements 23 und das Gleitelement 22 in weiterer Folge auf die vom Gewinde 4 der Eingangswelle 2 abgewandte Seite des Eingriffselements 6. Bei einer Ausführungsvariante ohne Gleitelement drückt der Kolben 8 mit abgeschrägter Kante 9 direkt auf das vom Eingriffsabschnitt 5 abgewandte erste Endes des Eingriffselements 10.
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Der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 und das Gewinde 4 der Eingangswelle 2 sind so in Eingriff gebracht.
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Ist der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 mit dem Gewinde 4 in Eingriff gebracht, so wird der Magnet 16 des Aktuators mit einer Spannung des dritten Spannungsniveaus 20 beaufschlagt.
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Darüber hinaus wird, wenn der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 mit dem Gewinde 4 in Eingriff gebracht ist, eine Relativbewegung des Eingriffsabschnitts 5 des Eingriffselements 6 und des Gewindes 4 der Eingangswelle 2 entlang der Achse der rotierenden Eingangswelle 2 bewirkt und die Kupplung 12 wird über die Verbindung des Eingriffselements 6 mit der Schaltgabel 13 und der Schaltgabel 13 mit der Kupplung 12 axial bewegt, so dass eine Trennung (Entkoppeln) der Eingangswelle 2 und der Ausgangswelle 3 erfolgt.
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Die Spannung des dritten Spannungsniveaus 20 entspricht einer Spannung kleiner der Spannung des zweiten Spannungsniveaus 19, d. h. Spannung des zweiten Spannungsniveaus 19 > Spannung des dritten Spannungsniveaus 20 > Spannung des ersten Spannungsniveaus 18.
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Sind die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 3 vollständig getrennt (entkoppelt), so rastet aufgrund der vollzogenen axialen Bewegung des Eingriffselements 6 und aufgrund des auf das Eingriffselement 6 radial nach außen wirkenden Federelements das Eingriffselement 6 in den Rastabsatz 15 des Kolbens 8 oder des Gleitelements 22 ein. Dadurch wird der Eingriffsabschnitt 5 des Eingriffselements 6 außer Eingriff mit dem Gewinde 4 gebracht, jedoch durch weitere Beaufschlagung des Magneten 16 des Aktuators 7 mit Spannung des vierten Spannungsniveaus 21 wird der Kolben in Position gehalten und es kommt zu keiner Verbindung von Eingangswelle 2 und Ausgangswelle 3.
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Die Spannung des vierten Spannungsniveaus 21 entspricht einer Spannung, die kleiner ist als die Spannung des dritten Spannungsniveaus 20, jedoch größer als die Spannung des ersten Spannungsniveaus 18, d. h. Spannung des dritten Spannungsniveaus 20 > Spannung des vierten Spannungsniveaus 21 > Spannung des ersten Spannungsniveaus 18.
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Um eine abermalige Verbindung (Koppeln) der Eingangswelle 2 mit der Ausgangswelle 3 zu bewirken ist der Magnet 16 des Aktuators mit einer Spannung entsprechend dem ersten Spannungsniveau 18 zu beaufschlagen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Betätigungsanordnung
- 2
- Eingangswelle
- 3
- Ausgangswelle
- 4
- Gewinde
- 5
- Eingriffsabschnitt
- 6
- Eingriffselement
- 7
- Aktuator
- 8
- Kolben
- 9
- Abgeschrägte Kante
- 10
- Erstes Ende des Eingriffselements
- 11
- Zweites Ende des Eingriffselements
- 12
- Kupplung
- 13
- Schaltgabel
- 14
- Federelement
- 15
- Rastabsatz
- 16
- Magnet
- 17
- Spannungsprofil
- 18
- Erstes Spannungsniveau
- 19
- Zweites Spannungsniveau
- 20
- Drittes Spannungsniveau
- 21
- Viertes Spannungsniveau
- 22
- Gleitelement
- 23
- Erstes Ende des Gleitelements
- 24
- Zweites Ende des Gleitelements
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4002053 A1 [0003]
- WO 2011/098595 [0004]
