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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentübertragungseinheit für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
WO 13087061 A1 ist eine gattungsgemäße Drehmomentübertragungseinheit bekannt, bei der eine Reibungskupplung und deren Betätigungseinrichtung innerhalb eines Rotors einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugantriebsstranges angeordnet sind und wobei die Betätigungseinrichtung eine verdrehbare Rampeneinrichtung mit ersten und zweiten Rampen aufweist, welche durch einen elektrischen Aktuator aktiv verdreht werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine alternative und vergleichsweise bauraumsparende Drehmomentübertragungseinheit darzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Drehmomentübertragungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung schlägt eine Drehmomentübertragungseinheit für ein Kraftfahrzeug vor, welche zunächst eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle umfasst, die eine gemeinsame Drehachse definieren und wobei weiter eine um die Drehachse ausgebildete schaltbare Reibungskupplung zur Herstellung einer Drehmitnahmeverbindung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle vorgesehen ist. Dabei weist die Reibungskupplung eine Betätigungseinrichtung mit einem Kupplungsaktuator auf, wobei durch die Betätigungseinrichtung eine axiale Betätigungskraft auf die Reibungskupplung einleitbar ist. Die Drehmomentübertragungseinheit zeichnet sich dadurch aus, dass der Kupplungsaktuator als ein elektromagnetischer Linearaktuator zur unmittelbare und insbesondere ausschließlichen Erzeugung einer Linearbewegung ausgebildet ist.
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Durch eine reine Linearbewegung des Linearaktuators kann auf eine Umformung der Betätigungsbewegung in andere Bewegungsarten, wie eine Drehbewegung und auf die dabei vorzusehenden notwendigen und bauraumbeanspruchenden Vorrichtungen verzichtet werden. Gleichfalls entfallen damit verbundene reibungsbedingte Wirkungsgradverluste, so dass durch den vorgesehenen elektromagnetischen Linearaktuator und der damit erzeugten unmittelbaren Drehbewegung eine Kupplung, insbesondere eine Reibungskupplung sehr effizient betätigt werden kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.
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Die Kupplung, insbesondere die Reibungskupplung der Drehmomentübertragungseinheit kann mit Vorteil ein mit der Antriebswelle zur Drehmitnahme verbundenes oder damit verbindbares erstes Kupplungselement und ein mit der Abtriebswelle zur Drehmitnahme verbundenes oder damit verbindbares zweites Kupplungselement aufweisen, wobei die Kupplungselemente um die durch die Antriebswelle und die Abtriebswelle definierte gemeinsame Drehachse drehbar sind und wobei zumindest eines der Kupplungselemente axial verlagerbar angeordnet ist und mittels der Betätigungseinrichtung insbesondere reibschlüssig in Anlage an das jeweils andere Kupplungselement bringbar ist, um von der Antriebswelle zur Abtriebswelle ein Drehmoment zu übertragen. Eine Reibungskupplung kann beispielsweise als Ein- oder Mehrscheibenkupplung, als trockenlaufende oder nasslaufende Lamellenkupplung ausgebildet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Linearaktuator einen konzentrisch um die Drehachse ringförmig ausgebildeten Elektromagneten mit einem Magnetjoch und mit einer Spule und ein dazu koaxial angeordnetes und axial verlagerbares Ankerelement aufweisen, welches zur Übertragung einer Betätigungskraft zumindest mittelbar an der Reibungskupplung angreift. Auf diese Weise fällt die Verlagerungslinie oder -achse des Ankerelements mit der Kraftangriffslinie oder -achse an der Kupplung zusammen. Die am Ankerelement und an der Kupplung wirkenden Kräfte können dabei gleichgerichtet sein.
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Mit weiterem Vorteil kann die Betätigungseinrichtung eine mit dem Ankerelement und mit der Reibungskupplung in Wirkverbindung stehende Betätigungskraftübersetzungsvorrichtung umfassen, durch welche ein bei einer Bestromung des Elektromagneten am Anker wirkendes bzw. dort infolge des wirkenden Magnetfeldes erzeugtes Kraft-Weg-Paar in ein an der Kupplung angreifendes Kraft-Weg-Paar vorzugsweise unter einer Krafterhöhung umgewandelt wird. Die Betätigungskraftübersetzungseinheit kann zwar zur Änderung eines Kraftübersetzungsverhältnisses von einer am Anker wirkenden Kraft zu einer an der Kupplung angreifenden Kraft abschnittweise eine Richtungsänderung der übertragenen Kraft bewirken, jedoch liegt diese dabei stets als eine Linearkraft vor.
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Durch die Wirkung einer solchen Betätigungskraftübersetzungseinheit lassen sich an der Kupplung große Stellkräfte bei einem vergleichsweise kleinen Hub realisieren.
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Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Reibungskupplung als normally-open-Kupplung ausgeführt sein. Das kann von Vorteil sein, wenn nur ein vergleichsweise kurzzeitiges Schließen der Kupplung, zum Beispiel zum Zuschalten einer elektrischen Maschine zum Starten eines Verbrennungsmotors erforderlich ist. Alternativ kann die Reibungskupplung auch als eine normally-closed-Kupplung ausgebildet sein, wobei die von dem elektromagnetischen Linearaktuator aufzubringende Betätigungskraft entgegen einer zum Beispiel von einer Feder erzeugten Anpresskraft der Kupplung ausgerichtet ist und diese zum Öffnen der Kupplung überwinden muss.
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Im Weiteren kann die erläuterte Betätigungskraftübersetzungsvorrichtung als eine Rampenvorrichtung ausgebildet sein und eine aktuatorseitige Rampenanordnung und eine kupplungseitige Rampenanordnung aufweisen zwischen denen mehrere verlagerbare Rampenkörper, beispielsweise Wälzkörper, insbesondere Kugeln geführt werden.
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Eine besonders platzsparende Ausbildung der Drehmomentübertragungseinheit kann erzielt werden, indem die aktuatorseitige Rampenanordnung an einem das Magnetjoch axial durchgreifenden Hülsenelement angeordnet ist und wobei insbesondere die Hülsenanordnung das Magnetjoch zumindest abschnittweise auch außenumfangsseitig umschließt.
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Zur Ausbildung der kupplungsseitigen Rampenanordnung kann die Kupplung eine axial verlagerbare Druckplatte und gegebenenfalls eine zu der Kupplung axial festgelegte Abstützplatte für die Rampenkörper umfassen, wobei die Druckplatte und/oder die Abstützplatte eine Rampe aufweist. Zur Darstellung einer zuvor erläuterten Kraftübersetzung mit einem von 1 abweichenden Verhältnis können die aktuatorseitige und die kupplungsseitige Rampenanordnung, d.h. die dort vorgesehenen Rampen mit einer unterschiedlichen Steigung in Bezug auf eine Relativbewegungsrichtung der Rampenkörper ausgebildet sein. Eine Rampe kann mit einer konstanten Steigung oder auch mit einer sich über den Betätigungsweg veränderlichen Steigung, also mit einer ansteigenden oder abfallenden Steigung in Form einer gekrümmten Bahnkurve für die Rampenkörper ausgeführt sein, so dass sich daraus ein über den Betätigungsweg veränderliches Kraftübersetzungsverhältnis ergibt. Dadurch kann bei einer schließenden Betätigung der Kupplung die Betätigungs- bzw. die Anpresskraft beim Ansteigen des Betätigungsweges erhöht werden.
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Die verlagerbar angeordneten Rampenkörper können mit Vorteil von Niederhaltern oder von Rückstellelementen, beispielsweise von Federn belastet und bei unbetätigten bzw. unbestromten Linearaktuator in deren Ausgangslage gehalten werden. Damit wird verhindert, dass die Rampenkörper bei einer Drehbewegung der Drehmomentübertragungseinheit nicht infolge der Fliehkraft ohne eine vorliegende Betätigungsabsicht verlagert werden.
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Gemäß einer besonderen Ausbildung der Drehmomentübertragungseinheit kann die Reibungskupplung bevorzugt als Lamellenkupplung mit einem Außenlamellenträger mit axial verlagerbaren Außenlamellen und mit einem Innenlamellenträger mit axial verlagerbaren Innenlamellen ausgeführt sein, welche von der zuvor erwähnten Druckplatte mit einer Betätigungskraft beaufschlagt werden können.
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Zur Erzielung einer noch kompakteren Anordnung in Baueinheit mit einer elektrischen Maschine kann die Kupplung, insbesondere die Reibungskupplung in einem zentralen Aufnahmeraum einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator angeordnet werden, wobei ein hohlzylindrischer Rotorträger des Rotors auf dessen Außenumfangsfläche eine elektromagnetische Rotorkomponente trägt und wobei auf dessen Innenumfangsfläche die Außenlamellen der Reibungskupplung angeordnet sind. Im Weiteren kann das Magnetjoch des elektromagnetischen Linearaktuators an einer Gehäusewand der elektrischen Maschine festgelegt sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in der Figur dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
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Die einzige Figur zeigt ausschnittweise eine Drehmomentübertragungseinheit 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für den Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs. Die Drehmomentübertragungseinheit 10 umfasst eine in Innenläuferbauart ausgeführte elektrische permanentmagnetisch erregte Maschine 12 mit einem an einem Gehäuse 14 festgelegten Stator 16 und einem Rotor 18. Der Rotor 18 ist mittels eines Rotorträgers 20 an einer Antriebswelle 22 festgelegt, welche einerseits in einem die elektrische Maschine 12 stirnseitig abschließenden Lagerschild 24 und andererseits mittels eines Lagers 26 an einer Abtriebswelle 28 drehbar gelagert ist. Die Abtriebswelle 28 ist wiederum mittels eines weiteren Lagers 30 am Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 12 drehbar gelagert. Die Antriebswelle 22 und die Abtriebswelle 28 definieren somit eine gemeinsame Drehachse A. Im Weiteren ist um diese Drehachse A eine schaltbare Reibungskupplung 30 zur Herstellung einer Drehmitnahmeverbindung zwischen der Antriebswelle 22 und der Abtriebswelle 28 ausgebildet.
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Die Reibungskupplung 30 ist vorliegend in einem zentralen Aufnahmeraum 32 der elektrischen Maschine 12 angeordnet und als eine Lamellenkupplung vom normallyopen-Typ ausgeführt. Die Kupplung 30 umfasst ein mit der Antriebswelle 22 zur Drehmitnahme verbundenen Außenlamellenträger 34 auf dessen Innenumfangsfläche mittels einer Axialverzahnung mehrere Außenlamellen 36 axial verlagerbar angeordnet sind. Der Außenlamellenträger 34 ist gleichzeitig als ein hohlzylindrischer Abschnitt des Rotorträgers 20 ausgebildet, welcher auf dessen Außenumfangsfläche ein Blechpaket 38 mit einer Anzahl von Permanentmagneten 40 als eine elektromagnetische Rotorkomponente trägt. Die Kupplung 30 umfasst weiter mehrere Innenlamellen 42 mit Reibbelägen, welche jeweils in einen von den Außenlamellen 36 gebildeten Zwischenraum eingreifen und welche mittels einer Axialverzahnung axial verlagerbar auf einem Innenlamellenträger 44 gehalten sind. Der Innenlamellenträger 44 ist über ein Lager 46 an dem Außenlamellenträger 34 drehbar gelagert und über eine Zwischenwelle 48 drehfest mit der Abtriebswelle 28 verbunden. Alternativ kann der Innenlamellenträger 44 unmittelbar auf der Abtriebswelle 28 festgelegt werden, wodurch die Zwischenwelle 48 entfallen kann. Die Außenlamellen 36 bilden auf diese Weise erste Kupplungselemente 36 und die Innenlamellen 42 zweite Kupplungselemente 42 der Reibungskupplung 30, wobei die Kupplungselemente 36, 42 um die durch die Antriebswelle 22 und die Abtriebswelle 28 definierte gemeinsame Drehachse A drehbar sind.
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Zur Übertragung eines Drehmoments von der Antriebswelle 22 zur Abtriebswelle 28 sind die Kupplungselemente 36, 42 mittels einer nachfolgend erläuterten Betätigungseinrichtung 50 mit einer axialen Betätigungskraft, welche vorliegend eine Schließkraft ist, beaufschlagbar, so dass die Kupplungselement 36, 42 dadurch gegenseitig reibschlüssig in Anlage bringbar sind.
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Die Betätigungseinrichtung 50 umfasst zunächst einen elektromagnetischen Linearaktuator 52 mit einem konzentrisch um die Drehachse ringförmig ausgebildeten Elektromagneten 54, welcher an einem sich nach radial innen erstreckenden Abschnitt des Gehäuses 14 festgelegt ist und ein Magnetjoch 56 und eine Spule 58 aufweist. Axial benachbart und koaxial zu dem Elektromagnet 54 ist ein unter dem Magnetfeld des Magnetjochs 56 axial verlagerbares Ankerelement 60 angeordnet, welches mittels eines das Magnetjoch 56 axial durchgreifenden und an diesem geführten Hülsenelements 62 eine axiale Betätigungskraft auf die Reibungskupplung 30 übertragen kann. In der Figur ist erkennbar, dass das Hülsenelement 62 das Magnetjoch 56 zumindest auch abschnittweise außenumfangsseitig umschließt bzw. umgreift.
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Die Betätigungseinrichtung 50 umfasst weiter eine mit dem Ankerelement 60 und der Reibungskupplung 30 in Wirkverbindung stehende Betätigungskraftübersetzungsvorrichtung 64, durch welche ein bei einer Bestromung des Elektromagneten 54 am Anker 60 wirkendes Kraft-Weg-Paar in ein an der Kupplung 30 angreifendes Kraft-Weg-Paar vorzugsweise unter einer Krafterhöhung umgewandelt werden kann.
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Die Betätigungskraftübersetzungsvorrichtung 64 ist dabei als eine Rampenvorrichtung 66 ausgebildet mit einer aktuatorseitigen Rampenanordnung 68 und mit einer kupplungseitigen Rampenanordnung 70 zwischen denen verlagerbare Rampenkörper 72 in Form von mehreren Kugeln 72 verliersicher untergebracht sind, welche gegenseitig in Umfangsrichtung beabstandet gehalten und geführt werden. Zwischen der einerseits am Ankerelement 60 und andererseits an der Kupplung 30 durch das bestromte Magnetjoch 56 wirkenden Kraft kann als deren Quotient eine Betätigungskraftübersetzung definiert werden, welche durch ein Steigungsverhältnis einer Steigung der aktuatorseitigen Rampenanordnung 68 zu einer Steigung der kupplungsseitigen Rampenanordnung 70 gezielt beeinflusst werden kann. Das Steigungsverhältnis kann somit zugunsten einer Erhöhung der an der Kupplung 30 wirkenden Betätigungskraft und damit zuungunsten des Betätigungsweges oder umgekehrt verändert werden.
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Die aktuatorseitige Rampenanordnung 68 ist als kegelförmiger Rampenring 74 an einem radial äußeren Endbereich des Hülsenelements 62 vorgesehen und so ausgebildet, dass hinsichtlich einer axialen Relativbewegung der Rampenkörper 72 die Rampe 74a in axialer Richtung radial nach außen ansteigt. Dass bedeutet, dass bei einem axialen Betätigungshub des Ankerelements 60 in Richtung des Magnetjochs 56 die Rampenkörper 72 nach radial außen verlagert werden.
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Die kupplungsseitige Rampenanordnung 70 weist vorliegend zwei Rampen 70a, 70b auf, welche einen sich in der Bewegungsrichtung der Rampenkörper 72, vorliegend nach radial außen, verjüngenden, das heißt schmaler werdenden Bewegungsraum 76 für die Rampenkörper 72 ausbilden.
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Die Rampe 70b ist an einer Abstützplatte 70c vorgesehen, welche am Außenlamellenträger 34 bzw. dem Rotorträger 20 axial gesichert festgelegt ist. Die andere Rampe 70a ist an der Druckplatte 70d ausgebildet und ist axial verlagerbar am Außenlamellenträger 34 gehalten und kann somit bei deren Belastung auf die Lamellen 36, 42 wirken. Zur Ausbildung eines sich verjüngenden Bewegungsraums 76 genügt es grundsätzlich, wenn zumindest an einer der den Bewegungsraum 76 begrenzenden Platten 70c, d eine Rampe ausgebildet ist. Eine Verlagerung der Rampenkörper 72 nach radial außen bewirkt somit gleichzeitig die Einleitung einer Betätigungskraft auf die axial verlagerbare Druckplatte 70d und presst die Lamellen 36, 42 zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen Antriebs- 22 und Abtriebswelle 28 reibschlüssig zusammen.
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Ein Eingangsteil 30a der Kupplung 30 umfasst somit den mit der Antriebswelle 22 verbundenen Außenlamellenträger 24 mit den Außenlamellen 36 und ein Ausgangsteil 30b der Kupplung 30 umfasst entsprechend den mit der Ausgangswelle 28 verbundenen Innenlamellenträger 44 mit den Innenlamellen 42. Die Druckplatte 70d kann entweder dem Außen- 34 oder dem Innenlamellenträger 44 zugeordnet werden.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, sind die Rampenkörper 72 radial verlagerbar in dem Bewegungsraum 76 gehalten und geführt. Die Rampenkörper 72 werden bei unbetätigten bzw. unbestromten Linearaktuator 52 von Rückstellelementen 78, beispielsweise von Federn in Richtung der aktuatorseitigen Rampenanordnung 68 belastet und in deren Ausgangslage gehalten. Damit wird verhindert, dass die Rampenkörper 72 bei einer Drehbewegung nicht infolge der Fliehkraft ohne Betätigungsabsicht verlagert werden.
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Bei der vorliegenden Drehmomentübertragungsanordnung 10 ist der Aktuator 52 zur unmittelbaren und ausschließlichen Erzeugung einer Linearbewegung ausgebildet. Darüber hinaus tritt über die gesamte Betätigungsübertragungsstrecke vom Linearaktuator 52 bis zur Reibungskupplung 30 ausschließlich eine lineare Bewegung auf.
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Die Reibungskupplung 30 und die Betätigungseinrichtung 50 sind vollständig oder zumindest teilweise in dem Rotor 18 der elektrischen Maschine 12 angeordnet. Der elektromagnetische Linearaktuator 52 ist vorliegend zumindest teilweise radial innerhalb der Kupplung 30 und axial überlappend zu dieser angeordnet. Die elektrische Maschine 12 und die Kupplung 30 können beispielsweise in einem Hybridfahrzeug zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Gangwechselgetriebe angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehmomentübertragungseinheit
- 12
- elektrische Maschine
- 14
- Gehäuse
- 16
- Stator
- 18
- Rotor
- 20
- Rotorträger
- 22
- Antriebswelle
- 24
- Lagerschild
- 26
- Lager
- 28
- Abtriebswelle
- 30
- Reibungskupplung
- 30a
- Eingangsteil
- 30b
- Ausgangsteil
- 32
- Aufnahmeraum
- 34
- Außenlamellenträger
- 36
- Außenlamelle
- 38
- Blechpaket
- 40
- Permanentmagnet
- 42
- Innenlamelle
- 44
- Innenlamellenträger
- 46
- Lager
- 48
- Zwischenwelle
- 50
- Betätigungseinrichtung
- 52
- Linearaktuator
- 54
- Elektromagnet
- 56
- Magnetjoch
- 58
- Spule
- 60
- Ankerelement
- 62
- Hülsenelement
- 64
- Betätigungskraftübersetzungsvorrichtung
- 66
- Rampenvorrichtung
- 68
- aktuatorseitige Rampenaordnung
- 70
- kupplungseitige Rampenanordnung
- 70a, b
- Rampe
- 70c
- Abstützplatte
- 70d
- Druckplatte
- 72
- Rampenkörper, Kugel
- 74
- Rampenring
- 74a
- Rampe
- 76
- Bewegungsraum
- 78
- Rückstellelement
- A
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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