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Die Erfindung betrifft ein Kupplungsaktuator zur Betätigung einer Kupplung mit einer Antriebseinheit und einem Getriebe zum Übersetzen eines von der Antriebseinheit erzeugten Drehmomentes, wobei an dem Getriebe eine Kompensationsfederanordnung angreift.
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Kraftfahrzeuge mit automatisierten Schaltgetrieben besitzen einen Kupplungsaktuator zum Betätigen der Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe sowie einen Getriebeaktuator zum Betätigen des Getriebes. Auf diese Art und Weise kann ein kostengünstiges Automatikgetriebe, in diesem Fall automatisiertes Schaltgetriebe genannt, hergestellt werden.
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Darüber hinaus können Kupplungsaktuatoren grundsätzlich auch in anderen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die keine automatisierten Schaltgetriebe aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, dass die Kupplungsaktuatoren zur automatisierten Betätigung einer Kupplung zwischen Elektromotor und Antriebsstrang verwendet werden, also in einem hybridisierten Antriebsstrang. Der Rest des Antriebsstranges kann ein Handschaltgetriebe oder ein automatisiertes Schaltgetriebes oder auch ein Automatgetriebe umfassen. Über die Kupplung des Elektromotors wird lediglich die Anbindung dieses Elektromotors an den restlichen Antriebsstrang unabhängig von dessen konkreter Ausgestaltung gesteuert.
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Die beschriebenen Kupplungsaktuatoren werden üblicherweise zur Betätigung von Kupplungsanordnungen verwendet, die eine Membranfeder aufweisen. Damit die Antriebseinheit, üblicherweise ein Elektromotor, nicht die komplette Kraft zum Ausrücken oder Einrücken aufbringen muss besitzt der Kupplungsaktuator eine Kompensationsfederanordnung. Diese wirkt auf ein Stellelement ein, an dem auch der Kupplungsaktuator und das Betätigungselement angreifen. Auf diese Art und Weise kann der Elektromotor dahingehend entlastet werden, dass die Kompensationsfederanordnung den größten Teil oder wenigstens einen Teil der Kraft zum Ausrücken bereitstellt.
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Dabei besteht das Problem, dass die Membranfedern in Abhängigkeit der Güte des Herstellungsprozesses unterschiedliche Ausrückkräfte benötigen. Je größer die Schwankung der aufzuwendenden Betätigungskraft ist, desto stärker ist der Elektromotor auszulegen. Daher besteht bei der Verwendung von Kupplungsaktuatoren ein Bedarf an hochwertigen Membranfedern, bei denen die Schwankungsbreite der im Einsatz aufzuwendenden Betätigungskräfte gering ist.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Kupplungsaktuator anzugeben, der dazu ausgebildet ist, mit größeren Schwankungsbreiten umzugehen und dabei mit einem leistungsschwachen Elektromotor auskommt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Kupplungsaktuator eine Spanneinrichtung aufweist, mittels derer die Vorspannung der Kompensationsfederanordnung auf wenigstens zwei diskrete Werte einstellbar ist.
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Da die Schwankungsbreite der Betätigungskräfte für die Membranfedern bekannt ist kann auf diese Art und Weise erreicht werden, dass bei Verwendung beispielsweise zweier Werte die Antriebseinheit nur die Hälfte der Bandbreite der Betätigungskräfte abdecken muss. Bei der Produktion der Membranfedern kann also die Güte dieses Herstellungsparameters abgesenkt werden, wodurch die Herstellungskosten der Membranfedern gesenkt werden können.
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Vorzugsweise kann die Spanneinrichtung auf genau zwei diskrete Werte einstellbar sein. Alternativ kann sie auch auf genau drei diskrete Werte einstellbar sein. Ebenfalls ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Spanneinrichtung auf weniger als zehn diskrete Werte einstellbar ist. Dabei wird vom Neuzustand des Kupplungsaktuators ausgegangen, dass sich die Vorspannungswerte über die Lebensdauer des Kupplungsaktuators ändern können, da einzelne Bauteile verschleißen. Dies beeinflusst die grundsätzliche Einstellbarkeit von zwei, drei oder mehr Werten nicht. Darüber hinaus ist dieser Verschleiß beispielsweise der Feder oder der Federn der Kompensationsfederanordnung gering, dieser Verschleiß wird üblicherweise durch einen Sicherheitsaufschlag auf die Leistung der Antriebseinheit berücksichtigt. Unabhängig hiervon dient die Spanneinrichtung aber zum Ausgleich unterschiedlicher Betätigungskräfte bei verschiedenen Kupplungen, die insbesondere durch die Güte der Membranfedern schwanken können. Darüber hinaus können die Betätigungskräfte auch durch andere Faktoren geringfügig variieren, dies addiert sich zu den unterschiedlichen von den Membranfedern erzeugten Kräften hinzu.
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Vorteilhafterweise kann die Spanneinrichtung am vom Getriebe abgewandten Ende der Kompensationsfederanordnung angeordnet sein. Dabei ist das Getriebe des Kupplungsaktuators gemeint, wobei die Kompensationsfederanordnung am Getriebe angreift. Am anderen Ende der Kompensationsfederanordnung ist bevorzugt dann die Spanneinrichtung vorgesehen. Dabei stützt sich die Spanneinrichtung bevorzugt am Gehäuse des Kupplungsaktuators ab.
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Vorzugsweise kann die Spanneinrichtung wenigstens zwei Nuten zur Aufnahme eines Endes der Kompensationsfederanordnung aufweisen. Sollen mittels der Spanneinrichtung zwei unterschiedliche Vorspannungen erzeugbar sein, so kann bei dieser Ausgestaltung die Spanneinrichtung zwei Nuten aufweisen, zur Herstellung dreier unterschiedlicher Vorspannungen sind dann drei Nuten vorzusehen, usw. Diese Nuten befinden sich bevorzugt auf einem zylindrischen Grundkörper, wobei die Kompensationsfedernanordnung in diesen Nuten einrasten kann. Über die Nuten können unterschiedliche Ausdehnungen der Kompensationsfederanordnung in jeder Position bewirkt werden. Weist die Kompensationsfederanordnung beispielsweise in der Einrückposition in der ersten Nut eine Ausdehnung x auf, so besitzt sie bei Einstellung der zweiten Nut eine Ausdehnung x + beispielsweise zwei Millimeter. In der Ausrückposition weist die Kompensationsfederanordnung in der ersten Nut dann eine Ausdehnung y auf und mit der zweite Nuten eine Ausdehnung y + zwei Millimeter. Diese Veränderung der Ausdehnung, im Beispiel zwei Millimeter, ist dann also für alle Positionen vorhanden.
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Um die verschiedenen Vorspannungen einstellen zu können kann die Spanneinrichtung drehbar gelagert sein. Um von einer Vorspannung zur nächsten wechseln zu können wird die Spanneinrichtung dann gedreht.
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Vorzugsweise kann die Spanneinrichtung zwei gegeneinander verschiebbare Rampen aufweisen. Statt einer zylindrischen Anordnung lässt sich eine Längenänderung einer Kompensationsfederanordnung auch durch andere Ausgestaltungen denkbar. Eine davon sieht zwei gegeneinander verschiebbare Rampen vor.
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Vorteilhaftweise kann die Spanneinrichtung arretierbar sein. Dann wird eine gewünschte Vorspannung eingestellt und danach die Spanneinrichtung arretiert. Dies meint, dass die Spanneinrichtung entweder durch beispielsweis einen Elektromotor oder eine mechanische Vorrichtung in einer vorgegebenen Position festgehalten wird.
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Alternativ kann die Spanneinrichtung auch selbstarretierend sein. Das heißt, dass nach einer Verdrehung oder sonstigen Bewegung der Spanneinrichtung eine Position erreicht wird, in der die Spanneinrichtung über die Kompensationsfederanordnung in einem quasistabilen Zustand gehalten wird. Dann wird zwar eine Kraft benötigt, um die Vorspannung zu verstellen, danach tritt aber eine Selbstarretierung auf. Selbstarretierung heißt dabei zuerst einmal nur, dass ein unbeabsichtigter Wechsel der Vorspannung nicht möglich ist. Das heißt nicht, dass die Spanneinrichtung starr mit dem Getriebegehäuse verbunden sein müsste.
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Vorteilhafterweise kann der Kupplungsaktuator eine Betätigungseinheit aufweisen. Diese kann als hydraulische Betätigungseinheit ausgebildet sein, die einen Kolben und eine hydraulische Wegstrecke umfasst. Alternativ kann sie auch rein mechanisch beispielsweise als Stößel ausgebildet sein. Üblicherweise ist die Betätigungseinheit Teil des Kupplungsaktuators, es ist jedoch auch denkbar, dass die Betätigungseinheit an der Kupplung vormontiert ist. Dann wird bei der Montage des Kupplungsaktuators eine Verbindung zwischen der Betätigungseinheit und dem Getriebe des Kupplungsaktuators hergestellt.
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Die Antriebseinheit des Kupplungsaktuators ist bevorzugt als Elektromotor ausgestaltet.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Kupplung und einem Kupplungsaktuator um Betätigen der Kupplung. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der Kupplungsaktuator wie beschrieben ausgebildet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kupplungsaktuators mit den Schritten:
- – Montage des Kupplungsaktuators in einem Kraftfahrzeug mit einer Kupplung,
- – Bestimmung der Kraft des Kupplungsaktuators zum Betätigen der Kupplung, und
- – Einstellung der Vorspannung einer Kompensationsfederanordnung in Abhängigkeit der zum Betätigen aufgewendeten Kraft.
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Je nachdem wie die Charakteristik einer Membranfeder aussieht ist zum Ausrücken oder Einrücken der Kupplung eine bestimmte Kraft notwendig. Diese variiert wie beschrieben in einer gewissen Bandbreite. Durch die Veränderung der Vorspannung der Kompensationsfederanordnung kann wie beschrieben ein Teil dieser Bandbreite aufgefangen werden. Damit dies erfolgen kann muss irgendwann nach der Montage von Kupplung und Kupplungsaktuator die Betätigungskraft bestimmt werden.
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Vorzugsweise kann die Stromaufnahme des Kupplungsaktuators gemessen werden, um die Kraft zu bestimmen. Statt der Stromaufnahme direkt kann auch jede andere Größe gemessen werden, die mit der Stromaufnahme korreliert. Aus der Stromaufnahme kann jedenfalls die Betätigungskraft abgeleitet werden.
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Weiter vorzugsweise kann ein Schwellenwert vorgegeben werden und einer von zwei möglichen Werten zur Vorspannung der Kompensationsfederanordnung in Abhängigkeit des Schwellenwertes eingestellt werden. Liegt die Betätigungskraft über dem Schwellenwert, so ist die Vorspannung anzuheben, liegt sie darunter dann nicht. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Vorspannung der Kompensationsfederanordnung grundsätzlich auf den niedrigsten Wert eingestellt wird und eine Erhöhung nur bei Bedarf erfolgt. Dies kann aber auch umgekehrt erfolgen. Dann wird der Schwellenwert bei Unterschreiten des Schwellenwertes abgesenkt.
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Zum Einstellen der verschiedenen Vorspannungen wird vorteilhafterweise ein Kupplungsaktuator wie beschrieben verwendet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
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1 ein Kraftfahrzeug,
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2 einen Kupplungsaktuator,
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3 eine Spanneinheit in perspektivischer Ansicht,
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4 eine Spanneinheit im Querschnitt,
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5 eine Kompensationsfedereinheit in einer ersten Vorspannung,
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6 eine Kompensationsfedereinheit in einer zweiten Vorspannung,
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7 eine Stromkennlinie, und
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8 ein Ablaufschema zur Durchführung der Inbetriebnahme eines Kupplungsaktuators.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, einem Getriebe 3 und einer Kupplung 4 zum Herstellen einer lösbaren Verbindung zwischen Verbrennungsmotor 2 und Getriebe 3. Die Kupplung 4 wird über einen Kupplungsaktuator 5 betätigt. Je nach Ausgestaltung der Kupplung 4 als normally-closed Kupplung oder normally-open Kupplung wird die Kupplung 4 dabei zum Betätigen ausgerückt oder eingerückt.
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Bei der Kupplung 4 kann es sich um eine trockenlaufende Reibungskupplung mit Anpressplatte und Kupplungsscheibe handeln, es kann sich aber auch um eine Lamellenkupplung handeln. Grundsätzlich kann die beschriebene Erfindung auch in einem Kraftfahrzeug mit einem Doppelkupplungsgetriebe und einer Doppelkupplung verwendet werden, wobei für jede Kupplung ein Kupplungsaktuator vorgesehen ist. Es ist grundsätzlich sogar denkbar, dass über einen Kupplungsaktuator zwei Kupplungen ausgerückt werden, in diesem Fall muss eine Umleitung der Kraft erfolgen können. Auch dann kann der beschriebene Kupplungsaktuator 5 verwendet werden.
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Wie bereits weiter oben beschrieben kann der Kupplungsaktuator 5 auch verwendet werden, um eine Kupplung zwischen einem Elektromotor und beispielsweise dem Getriebe 3 oder einem anderen Teil des Antriebsstranges zu betätigen.
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2 zeigt den Kupplungsaktuator 5 im Detail. Dieser umfasst einen Elektromotor 6, der mit einem Getriebe 7 des Kupplungsaktuators 5 verbunden ist. Das Getriebe 7 des Kupplungsaktuators 5 weist als ein Bauteil ein Zahnradsegment 8 auf. Mit dem Zahnradsegment 8 ist das Stellelement 9 fest verbunden. An dem Stellelement 9 greifen der Elektromotor 6, das Betätigungselement 10 wie auch die Kompensationsfederanordnung 12 an.
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Das Betätigungselement 10 umfasst eine hydraulische Wegstecke, alternativ kann es jedoch auch rein mechanisch beispielsweise als Stößel ausgebildet sein.
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Die Kompensationsfederanordnung 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Kompensationsfedereinheiten 14 auf, wobei jede Kompensationsfedereinheit 14 eine Feder 16 besitzt. Die Kompensationsfederanordnung 12 kann aber auch lediglich eine Kompensationsfedereinheit 14 umfassen, die Kompensationsfedereinheiten 14 können auch mehr als eine Feder besitzen. Die konkrete Ausgestaltung der Kompensationsfederanordnung ist also nur zweitrangig für die Ausgestaltung des Spannelementes 18, das am Getriebe abgewandten Ende der Kompensationsfederanordnung 12 und damit auch am Getriebe abgewandten Ende der Kompensationseinheiten 14 angeordnet ist. Die genaue Ausgestaltung des Spannelementes 18 ist in 3 detaillierter dargestellt.
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3 zeigt das Spannelement 18 in einer perspektivischen Darstellung. Das Spannelement 18 hat einen zylindrischen Grundkörper, in denen zwei Nuten 20 und 22 eingearbeitet sind. Die Nuten verlaufen entlang der Längsachse des Spannelementes 18. Der Nutgrund hat einen unterschiedlichen Abstand zur Drehachse 24 an der Stirnseite des Spannelementes 18 befindet sich jeweils ein Bolzen 28 zur Lagerung des Spannelementes 18 am Gehäuse 30 des Kupplungsaktuators 5.
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4 zeigt das Spannelement 18 im Querschnitt. Dabei kann man erkennen, dass der Nutgrund der Nuten 20 und 22 jeweils einen unterschiedlichen Abstand zur Drehachse 24 aufweist. Durch Drehung des Spannelementes 18 können dadurch zwei unterschiedliche Vorspannungen der Kompensationsfederanordnung 12 erreicht werden. Dies ist in den 5 und 6 gezeigt.
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5 zeigt das Spannelement 18 in einer ersten Position. Dabei steht die Kompensationsfederanordnung 12 mit der Nut 22 in Eingriff, die einen größeren Abstand zur Drehachse 24 des Spannelements 18 aufweist. Dadurch erhält die Kompensationsfederanordnung 12 eine höhere Vorspannung.
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6 zeigt eine Anordnung, bei der die Kompensationsfederanordnung 12 mit der Nut 20 des Spannelementes 18 in Eingriff steht. Der Nutgrund der Nut 20 hat dabei einen geringeren Abstand zur Drehachse, weswegen die Ausdehnung der Federn der Kompensationsfederanordnung 18 länger ist und dadurch die Vorspannung niedriger.
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Grundsätzlich kann das Spannelement 18 auch gänzlich unterschiedlich aussehen, solange nur verschiedene Vorspannpositionen herstellbar sind, das heißt, der Abstand des Getriebe abgewandten Endes der Kompensationsfedereinheiten 14 zum Gehäuse 30 variierbar ist. Die gezeigte Ausgestaltung des Spannelementes 18 ist jedoch einerseits sehr kostengünstig und zweitens sind die beiden Vorspannpositionen selbstarretierend, das heißt dass nach dem Wechsel der Vorspannung keine weitere Arretierung notwendig ist.
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7 zeigt eine Stromkennlinie 32 die während der Betätigung der Kupplung 4 aufgenommen wurde. Auf der Achse 34 ist der Rotationswinkel des Elektromotors 6 aufgetragen, auf der Achse 36 der Strom. Dabei wird ein bestimmter Wert der Stromkennlinie 32, beispielsweise der Maximalwert 38 während des Einrückens oder die gesamte Stromaufnahme während des Betätigungsvorgangs oder die gesamte Stromaufnahme während des Einrückvorgangs, herausgegriffen und mit einem Schwellenwert verglichen. In Abhängigkeit des Vergleichs wird einer der beiden Vorspannwerte eingestellt.
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8 zeigt ein Ablaufschema zur Inbetriebnahme eines Kupplungsaktuators. In Schritt S1 wird der Kupplungsaktuator montiert. Die Kupplung kann grundsätzlich vor oder nach der Montage des Kupplungsaktuators montiert werden, jedoch muss sie vor Durchführung des Schritt S2 montiert sein.
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In Schritt S2 wird die Kraft des Kupplungsaktuators zum Betätigen der Kupplung bestimmt, in dem die Stromaufnahme des Kupplungsaktuators gemessen wird. Das Betätigen kann dabei den Moment des Ausrückens oder Einrückens oder den gesamten Betätigungsvorgang umfassen. Weiterhin kann ein Teil des Betätigungsvorgangs betrachtet werden.
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In Schritt S3 wird in Abhängigkeit eines vorgegebenen Schwellenwertes und der bestimmten Kraft die Vorspannung der Kompensationsfederanordnung eingestellt. Dies kann geschehen, in dem ein Elektromotor 6 das Spannelement 18 so verdreht oder verschiebt, dass eine der möglichen Vorspannpositionen erreicht wird. Die Einstellung kann aber auch von Hand vorgenommen werden. Danach ist ggf. die Position des Spannelementes 18 zu arretieren, wenn dieses nicht selbst arretierend ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Getriebe
- 4
- Kupplung
- 5
- Kupplungsaktuator
- 6
- Elektromotor
- 7
- Getriebe
- 8
- Zahnradsegment
- 9
- Stellelement
- 10
- Betätigungselement
- 12
- Kompensationsfederanordnung
- 14
- Kompensationsfedereinheit
- 16
- Feder
- 18
- Spannelement
- 20
- Nut
- 22
- Nut
- 24
- Drehachse
- 26
- Stirnseite
- 28
- Bolzen
- 30
- Gehäuse
- 32
- Stromkennlinie
- 34
- Rotationswinkel
- 36
- Strom
- S1
- Schritt
- S2
- Schritt
- S3
- Schritt
