DE102016212132A1

DE102016212132A1 - Kupplungseinheit und Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer solchen Kupplungseinheit

Info

Publication number: DE102016212132A1
Application number: DE102016212132.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Eisl; Daniel Jäger; Mario Tigelhardt; Johannes Unterkofler
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain Inc
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: US20190195291A1; WO2018007164A1; US10907693B2; DE102016212132B4

Abstract

Kupplungseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Kupplung (2), wobei die Kupplung (2) ein axial feststehendes, drehbewegliches Koppelelement (3) mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung (4), und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement (5) mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung (6), aufweist, wobei das Gegenelement (5) in eine erste Position und eine zweite Position verschiebbar ist, sowie eine Sensoreinheit (7), wobei die Sensoreinheit (7) in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung (4) des Koppelements (3) radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung (4) des Koppelelements (3) erfasst, wobei die Sensoreinheit (7) sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements (5) ein Sensorsignal (17) detektiert über das die Drehzahl des Koppelelements (3) und die erste Position des Gegenelements (5), die zweite Position des Gegenelements (5) oder eine Position des Gegenelements (5) zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelbar sind sowie ein Kraftfahrzeugantriebsstrang umfassend eine solche Kupplungseinheit.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Kupplung, wobei die Kupplung ein axial feststehendes, drehbewegliches Koppelelement mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung, und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung, aufweist, wobei das Gegenelement in eine erste Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement nicht mit dem Koppelelement verbunden ist, und eine zweite Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement formschlüssig mit dem Koppelelement verbunden ist, verschiebbar ist, sowie eine Sensoreinheit. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang umfassend eine solche Kupplungseinheit.
Stand der Technik
Kupplungseinheiten der oben genannten Art finden insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik eine breite Anwendung. Sensoreinheiten dienen dabei der Bestimmung von kupplungsrelevanten Parametern, wie der Kupplungsdrehzahl und/oder der Kupplungsposition. Bekannte Kupplungseinheiten bedienen sich in der Regel zweier Sensoreinheiten, wobei die eine Sensoreinheit die Drehbewegung eines Kupplungsgliedes der Kupplung, d.h die Kupplungsdrehzahl, und die andere Sensoreinheit die axiale Positionsänderung eines Kupplungsgliedes der Kupplung, d.h. den Kupplungszustand, detektiert. Die Detektion der Drehbewegung eines Kupplungsgliedes erfolgt in der Regel über eine an dem Umfang des Kupplungsglieds eigens ausgebildete Zahnstruktur, die in Umlaufrichtung alternierend aufeinanderfolgende Zähne und Lücken aufweist. Dabei ist jeweils ein Zahn über eine Zahnflanke von jeweils einer Lücke getrennt und umgekehrt. Die Sensoreinheit bildet in Abhängigkeit von der Erfassung der Zahnflanken ein der Kupplungsdrehzahl entsprechendes Signal. Die Positionsbestimmung eines Kupplungsglieds durch die zweite Sensoreinheit erfolgt in der Regel über einen Wegsensor. Die bekannten Ausbildungen der Kupplungseinheit sind als bauraum- wie auch kostenintensiv anzusehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Kupplungseinheit anzugeben, die sich im Vergleich zu den bekannten Kupplungseinheiten durch einen kompakten sowie kostenreduzierten Aufbau auszeichnet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung einen besonders energieeffizienten Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere einen Allradantriebsstrang, mit einer solchen Kupplungseinheit anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kupplungseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Kupplung, wobei die Kupplung ein axial feststehendes, drehbewegliches Koppelelement mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung, und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung, aufweist, wobei das Gegenelement in eine erste Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement nicht mit dem Koppelelement verbunden ist, und eine zweite Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement formschlüssig mit dem Koppelelement verbunden ist, verschiebbar ist, sowie eine Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung des Koppelements radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung des Koppelelements erfasst, wobei die Sensoreinheit sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements ein Sensorsignal detektiert über das die Drehzahl des Koppelelements und die erste Position des Gegenelements, die zweite Position des Gegenelements oder eine Position des Gegenelements zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelbar sind.
Erfindungsgemäß weist die Kupplungseinheit eine Kupplung und eine Sensoreinheit auf.
Die Kupplung ist als formschlüssige Kupplung ausgebildet und umfasst erfindungsgemäß ein Koppelelement und ein Gegenelement, wobei das Koppelelement in Bezug auf eine Längsachse der Kupplung axial feststehend und drehbeweglich ausgebildet ist und das Gegenelement in Bezug auf die Längsachse der Kupplung axial verschiebbar und drehbeweglich ausgebildet ist.
Das Kopplungselement weist eine Verzahnung auf, wobei sich die Verzahnung in eine axiale Richtung erstreckt. Das Gegenelement weist eine Gegenverzahnung auf, wobei sich die Gegenverzahnung in eine axiale Richtung erstreckt.
Die Begrifflichkeit „axial“ beischreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Längsachse der Kupplung der Kupplungseinheit.
Das Koppelelement und das Gegenelement sind gemäß der vorliegenden Erfindung formschlüssig koppelbar – das Gegenelement ist axial in eine erste Position und/oder eine zweite Position verschiebbar.
Die erste Position des Gegenelements entspricht erfindungsgemäß einer Position, in der Gegenelement und das Koppelelement nicht antriebswirksam miteinander verbunden sind, d.h. die Kupplung befindet sich in einem geöffneten Kupplungszustand. Die zweite Position des Gegenelements entspricht einer Position in der das Gegenelement mit dem Koppelelement antriebswirksam verbunden ist, d.h. die Kupplung befindet sich in einem geschlossenen Kupplungszustand. In der zweiten Position des Gegenelements ist Drehmoment zwischen dem Kopplungselement und dem Gegenelement übertragbar.
Die Sensoreinheit ist erfindungsgemäß in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung des Koppelements radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung des Koppelelements erfasst, wobei die Sensoreinheit in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements ein Sensorsignal erzeugt über das die Drehzahl des Koppelelements und die erste Position des Gegenelements, die zweite Position des Gegenelements oder eine Position zwischen der ersten Position des Gegenelements und der zweiten Position des Gegenelements ermittelbar ist.
Die Begrifflichkeit „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die Längsachse der Kupplung der Kupplungseinheit.
Durch die erfindungsgemäße Kupplungseinheit ist es möglich mit nur einer Sensoreinheit auf einfache Art und Weise die Kupplungsposition sowie sie Kupplungsdrehzahl zu detektieren, wobei die Kupplungsdrehzahl sowohl in der ersten Position des Gegenelements, d.h. bei geöffneter Kupplung, wie auch in der zweiten Position des Gegenelements, d.h. bei geschlossener Kupplung, bestimmbar ist. Dadurch kann insbesondere die Steuerung der Kupplungseinheit vereinfacht werden. Weiterhin zeichnet sich die Kupplungseinheit durch einen Bauraum sowie kostenreduzierten Aufbau aus.
Die Lösung des zweiten Aspekts der Erfindung erfolgt durch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang umfassend einen ersten Teilantriebsstrang und einen zweiten Teilantriebsstrang, wobei der zweite Teilantriebstrang wahlweise mit dem ersten Teilantriebsstrang antriebswirksam verbindbar ist und wobei der zweite Teilantriebsstrang mittels einer erfindungsgemäßen Kupplungseinheit wahlweise zumindest teilweise stilllegbar ist.
Der erfindungsgemäße Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere ein Allradantriebsstrang, umfasst einen ersten Teilantriebsstrang und einen zweiten Teilantriebsstrang, wobei der zweite Teilantriebstrang wahlweise mit dem ersten Teilantriebsstrang antriebswirksam verbindbar ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der zweite und Teilantriebsstrang über eine erfindungsgemäße Kupplungseinheit wahlweise zumindest teilweise stilllegbar.
Durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebsstrangs ist es möglich insbesondere einen energie- bzw. leistungsoptimierten Allradantriebsstrang zu realisieren, der sich durch eine reduzierte Sensorik auszeichnet. Dadurch kann sowohl Bauraum wie auch Kosten gespart werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Das Sensorsignal ist bevorzugt eine Abfolge von Signalimpulsen, die sich in der ersten Position in Abhängigkeit von durch die Verzahnung bedingten Strukturübergängen und in der zweiten Position in Abhängigkeit von durch die formschlüssige Kopplung der Verzahnung des Koppelelements und der Gegenverzahnung des Gegenelements ergeben.
Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit ein Sensorelement.
Das Sensorelement kann als Hallsensor jeglicher Art, induktiver Sensor, magnetoresistiver Sensor jeglicher Art, optischer Sensor, etc. ausgebildet sein. Diese Auflistung ist nicht abschließend, sondern soll lediglich beispielhafte Ausbildungen des Sensorelements nennen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Kupplungseinheit mit einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer ersten Position befindet.
2 zeigt eine Kupplungseinheit mit einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer zweiten Position befindet.
3a zeigt ein Sensorsignal einer Sensoreinheit einer Kupplungseinheit bei einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer ersten Position befindet.
3b zeigt ein Sensorsignal einer Sensoreinheit einer Kupplungseinheit bei einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer zweiten Position befindet.
3c zeigt ein Sensorsignal einer Sensoreinheit einer Kupplungseinheit bei einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer Position zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position befindet.
4 zeigt einen beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrang.
5 zeigt einen Ausschnitt eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs mit einer Kupplungseinheit.
6 zeigt ein Schema zur Zuschaltlogik und Synchronisierungslogik eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs mit einem externen Sensorsystem
7 zeigte ein Schema zur Zuschaltlogik und Synchronisierungslogik eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs ohne ein externes Sensorsystem
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Kupplungseinheit 1.
Die Kupplungseinheit 1 umfasst eine Kupplung 2 und eine Sensoreinheit 7.
Die Kupplung 1 ist als Klauenkupplung ausgebildet und weist zwei Kupplungsglieder, nämlich ein Koppelelement 3 und ein Gegenelement 5, auf. Das Koppelelement 3 und das Gegenelement 5 sind miteinander formschlüssig koppelbar ausgebildet. Der Formschluss zwischen dem Koppelelement 3 und dem Gegenelement 5 erfolgt über eine an einer Stirnseite des Gegenelements 5 ausgebildete Gegenverzahnung 6, die in eine an einer der Gegenverzahnung 6 zugewandten Stirnseite des Koppelelements 3 ausgebildete Verzahnung 4 des Koppelelements 3 eingreift. Die Verzahnung 4 und die Gegenverzahnung 6 erstrecken sich jeweils in entgegengesetzte axiale Richtungen und weisen jeweils eine Vielzahl von Zähnen 11, 11‘ und Lücken 12, 12‘ auf. Dabei ist jeweils ein Zahn 11, 11‘ über eine Zahnflanke 13, 13‘ von jeweils einer Lücke 12, 12‘ getrennt und umgekehrt. Die jeweilige Zahnflanke 13, 13‘ zwischen einem jeweiligen Zahn 11, 11‘ und einer jeweiligen Lücke 12, 12‘ und umgekehrt stellt somit den Strukturübergang zwischen den Strukturelementen Zahn 11, 11‘ und Lücke 12, 12‘ dar.
Die Begrifflichkeit „axial“ beischreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer Längsachse 14 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1.
Durch axiale Verschiebung des Gegenelements 5 von einer erste Position in eine zweite Position wird die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geschlossen und ein Drehmoment kann von dem beispielsweise mit einer Kupplungseingangsseite 15 gekoppelten Koppelelement 3 auf das beispielsweise mit einer Kupplungsausgangsseite 16 gekoppelte Gegenelement 5 oder umgekehrt übertragen werden.
In der ersten Position des Gegenelements 5, d.h. bei geöffneter Kupplung 2, wird kein Drehmoment von dem Koppelelement 3 auf das Gegenelement 5 oder umgekehrt übertragen.
D.h. die erste Position des Gegenelements 5 entspricht einer Position, in der das Gegenelement 5 und das Koppelelement 3 nicht antriebswirksam miteinander verbunden sind. Die zweite Position des Gegenelements 5 entspricht einer Position in der das Gegenelement 5 mit dem Koppelelement 3 antriebswirksam verbunden ist. In der zweiten Position des Gegenelements 5 ist Drehmoment zwischen dem Kopplungselement 3 und dem Gegenelement 5 übertragbar.
Eine Position des Gegenelements 5 zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Gegenelements 5 entspricht einer Position, in der bei einem Verschieben des Gegenelements 5 von der ersten Position in die zweite Position ein Zahn 11 der Verzahnung 4 auf einen Zahn 11‘ der Gegenverzahnung 6 trifft oder umgekehrt und so ein Eingreifen der Gegenverzahnung 5 in die Verzahnung 3 nicht möglich ist.
Die Sensoreinheit 7 ist so angeordnet, dass sie die Verzahnung 4 des Koppelelements 3 radial an der Außenseite der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 erfasst. In Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 muss die Sensoreinheit 7 derart angeordnet sein, dass sie Strukturübergänge der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und, bei Eingriff der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 in die Verzahnung 4 des Koppelelements 3, der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 eindeutig erfassbar sind und derart sowohl die Drehzahl des Koppelelements 3 und des Gegenelements 5, wie auch die Position des Gegenelements 5 erfassbar sind. Bevorzugt tastet die Sensoreinheit 7 die Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und, je nach Position des Gegenelements 5, die Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung 4 entlang eines mittleren Bereichs der Verzahnung 4 ab. Dieser durch die Sensoreinheit 7 erfasste Bereich stellt den Erfassungsbereich der Sensoreinheit 7 dar. Unter einem Strukturübergang wird, in Umlaufrichtung um die Längsachse 14 der Kupplung 2 gesehen, der Übergang zwischen zwei benachbarten ungleichen Strukturelementen der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und/oder der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5, nämlich eines Zahns 11, 11‘ und einer Lücke 12, 12‘, verstanden. Zur Detektion der Drehzahl des Koppelelements 3 und des Gegenelements 5 sowie zur Detektion der Position des Gegenelements 5 werden somit die Verzahnung 4 und die Gegenverzahnung 6 der formschlüssigen Kupplung 2 genutzt und eine Ausbildung einer eigens dafür vorgesehenen Messstruktur an dem Umfang des Koppelelements 3 und/oder des Gegenelements 5 ist nicht notwendig. Dies beeinflusst insbesondere die Herstellungskosten der Kupplungseinheit 1 in eine positive Richtung.
Die Begrifflichkeit „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die Längsachse 14 der Kupplung 2.
Die Sensoreinheit 7 weist ein Sensorelement auf, wobei das Sensorelement als ein Hallsensor, induktiver Sensor, magnetoresistiver Sensor jeglicher Art, optischer Sensor etc. ausgebildet ist.
Vermittels der Sensoreinheit 7 wird sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements 5 ein Sensorsignal 17 erzeugt, das zum einen Aufschluss über die Drehzahl des Koppelelements 3 und/oder des Gegenelements 5 der Kupplung 2 und zum anderen Aufschluss über die Position der Kupplung 2 ermöglicht.
Das Sensorsignal 17 ist eine Abfolge von Signalimpulsen 18, die sich in der ersten Position des Gegenelements 5 in Abhängigkeit von durch die Verzahnung 4 des Koppelelements 3 bedingten Strukturübergängen und in der zweiten Position des Gegenelements 5 in Abhängigkeit von durch die formschlüssige Kopplung der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 ergeben.
Unter der Begrifflichkeit Strukturübergänge sind die Zahnflanken 13, 13‘ der Verzahnung 4 und/oder der Gegenverzahnung 6 als Übergänge zwischen einem jeweiligen Zahn 11, 11‘ zu einer jeweiligen Lücke 12, 12‘ oder umgekehrt der Verzahnung 4 und/oder der Gegenverzahnung 6 zu verstehen.
Mögliche vermittels der Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 erfassbare Strukturübergänge sind beispielsweise die Übergänge >Zahn 11–Lücke 12–Zahn 11 etc.< in einer ersten Position des Gegenelements 5, >Zahn 11-Zahn 11‘-je nach Zahnspiel eventuell reduzierte Lücke 12, 12‘–Zahn 11–Zahn 11‘ etc.< in einer zweiten Position des Gegenelements 5 sowie >Zahn 11–Zahn 11‘< bzw. >Lücke 12-Lücke 12‘< in einer Position des Gegenelements 5 zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Gegenelements 5.
Über das Sensorsignal 17 sind die Drehzahl des Koppelelements 3 und die erste Position des Gegenelements 5, die zweite Position des Gegenelements 5 oder eine Position zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Gegenelements 5 ermittelbar.
In 3a, 3b und 3c sind Beispiele eines Sensorsignals 17 dargestellt, die die Sensoreinheit 7 in unterschiedlichen Positionen des Gegenelements 5 der Kupplung 2 erzeugt, wobei jeweils im oberen Bereich der 3a bis 3c schematisch die jeweilige >Zahn 11, 11‘–Lücke 12, 12‘< schematisch gezeigt ist, die dem jeweiligen im unteren Bereich der 3a bis 3c dargestellten Sensorsignal 17 entspricht. 3a zeigt ein beispielhaftes Sensorsignal 17, das seitens der Sensoreinheit 7 bei geöffneter Kupplung 2, d.h. bei dem Gegenelement 5 in der ersten Position, erzeugt. 3b zeigt ein beispielhaftes Sensorsignal 17, das seitens der Sensoreinheit 7 bei einer nicht geschlossenen Kupplung 2 erzeugt, wobei sich hierbei das Gegenelement 5 in einer Position zwischen der ersten Position und der zweiten Position befindet. 3c zeigt ein beispielhaftes Sensorsignal 17, das seitens der Sensoreinheit 7 bei geschlossener Kupplung 2, d.h. bei dem Gegenelement 5 in der zweiten Position, erzeugt.
In 3a, 3b und 3c ist jeweils auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Signalhöhe des Sensorsignals 17 der Sensoreinheit 7, genauer des Sensorelements der Sensoreinheit 7 aufgetragen.
Die Höhe des Sensorsignals 17 der Sensoreinheit 7 wechselt bei einem Strukturübergang von Zahn 11, 11‘ auf Lücke 12, 12‘ und umgekehrt. Wird ein Zahn 11, 11‘ detektiert, so ist das Sensorsignal 17 hoch; wird eine Lücke 12, 12‘ detektiert so ist das Sensorsignal 17 niedrig. D.h. bei der Erfassung einer Zahnflanke 13, 13‘, sprich eines Strukturübergangs zwischen einem Zahn 11, 11‘ und einer Lücke 12, 12‘ und umgekehrt, verändert sich das Sensorsignal 17 von hoch auf niedrig und umgekehrt.
Als eine Periode 32 des Sensorsignals 17 ist die zeitliche Abfolge einer >Zahn 11, 11‘–Lücke 12, 12‘< Abfolge. Ein Signalimpuls 18 des Sensorsignals 17 ist als zeitliches Zahn-Erfassungsintervall zu sehen.
Die Periode 32 des Sensorsignals 17 ist unabhängig von den Position des Gegenelements 5 der Kupplung 2 und der Drehzahl des Gegenelements 5 und/oder Koppelelements 3.
Die Zahnfrequenz ist der als >Zahn 11, 11‘–Lücke 12, 12‘< Wechsel pro Zeiteinheit zu verstehen.
Die Drehzahl des Koppelelements 3 ist über die seitens der Sensoreinheit 7 sensierte Zahnfrequenz bestimmbar.
In 4 ist ein beispielhafter Kraftfahrzeugantriebsstrang 8, genauer ein Allradantriebsstrang, dargestellt. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang 8 umfasst einen permanent angetriebenen ersten Teilantriebsstrang 9 und einen wahlweise über eine Haupttrenneinheit 19, wie beispielsweise eine Lamellenkupplung, mit dem ersten Teilantriebsstrang 9 antriebswirksam verbindbaren zweiten Teilantriebsstrang 10.
Der in 4 dargestellte Pfeil 20 zeigt die Vorwärts-Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs an.
Bei dem in 4 gezeigten beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrang 8 ist im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs eine Antriebseinheit 21, wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine und/oder eine elektrische Maschine, quer zu einer Längsachse 22 des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Antriebseinheit 21 ist über ein Hauptgetriebe 23 dauerhaft mit einem Vorderachsdifferenzial 24 verbunden. Das Vorderachsdifferential 24 teilt eine Vorderachse 25 in zwei vordere Seitenachsen 25‘, 25‘‘, wobei jeweils eine vordere Seitenachse 25‘, 25‘‘ einen Ends mit jeweils einem Abtrieb des Vorderachsdifferentials 24 antriebswirksam verbunden ist und jeweils anderen Ends mit einem Vorderrad 26, 26‘ verbunden ist. Derart werden die auf der Vorderachse 25 angeordneten Vorderräder 26, 26‘ permanent angetrieben. Dieser Teilbereich des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 stellt den ersten Teilantriebsstrang 9 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar.
Im hinteren Bereich des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 ist eine Hinterachse 27 mit einem Hinterachsdifferential 28 und Hinterrädern 29, 29‘ angeordnet. Das Hinterachsdifferential 28 teilt eine Hinterachse 27 in zwei hintere Seitenachsen 27, 27‘, wobei jeweils eine hintere Seitenachse 27, 27‘ einen Ends mit jeweils einem Abtrieb 31, 31‘ des Hinterachsdifferentials 28 antriebswirksam verbunden ist und jeweils eine hintere Seitenachse 27, 27‘ anderen Ends mit jeweils einem Hinterrad 29, 29‘ verbunden ist. Der Teil des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 ausgehend von einem Abtriebselement der Haupttrenneinheit 19 bis hin zu den Hinterrädern 29, 29‘ stellt im Wesentlichen den zweiten Teilantriebstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar. Das Abtriebselement der Haupttrenneinheit 19 ist mit einem Ende eines Drehmomentübertragungselements 30, hier eine Kardanwelle, antriebswirksam verbunden. An seinem anderen Ende ist das Drehmomentübertragungselement 30 antriebswirksam mit dem Hinterachsdifferential 28 verbunden.
Weiterhin ist im Bereich des zweiten Teilantriebsstrangs 10 eine oben beschriebene erfindungsgemäße Kupplungseinheit 1 angeordnet. Vermittels der Kupplungseinheit 1 ist der zweite Teilantriebsstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 wahlweise teilweise stilllegbar – der zweite Teilantriebsstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 umfasst somit einen abschaltbaren Teil und einen nicht abschaltbaren Teil.
In 5 ist ein Abschnitt des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8, genauer eine hintere Seitenachse 27‘, 27‘‘ der Hinterachse 27, dargestellt. Die erfindungsgemäße Kupplungseinheit 1 ist in dem vorliegenden beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrang 8 im Bereich der Hinterachse 27 zwischen dem jeweiligen Abtrieb 31, 31‘ des Hinterachsdifferentials 28 und der jeweiligen hinteren Seitenachse 27‘, 27‘‘ der Hinterachse 27 angeordnet.
Der Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 ausgehend von dem Abtriebselement der Hauptrenneinheit 19 bis hin zu dem Koppelelement 3 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 stellt den abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar. Der Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 ausgehend von dem Gegenelement 5 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 bis hin zu dem jeweiligen Hinterrad 29, 29‘ stellt den nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar.
Wird aufgrund der Fahrsituation kein Allradantrieb benötigt, so kann der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 aus Energiespargründen antriebstechnisch stillgelegt werden. Dabei wird die antriebsseitige Haupttrenneinheit 19 sowie die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geöffnet um die abtriebsseitigen Verluste bzw. Schleppmomente zu reduzieren. Damit wird die Kardanwelle 30 mit Anschlussteilen als Teil des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 stillgelegt und das Antriebssystem befindet sich antriebstechnisch im energiesparenden 2WD Modus mit reduzierten Schleppverlusten. Wird nun ausgehend von dem 2WD Modus wieder in den 4WD Modus übergegangen, muss der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 zugeschaltet werden und damit für den 4WD Modus vorbereitet werden. Dabei ist zunächst Drehzahlsynchronität zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und dem nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 herzustellen. Der hierzu notwendige Antrieb wird durch Betätigung der Haupttrenneinheit 19, nämlich im vorliegenden Fall durch Schließen einer Lamellenkupplung, bewirkt. Dabei wird Drehmoment der Antriebseinheit 21 über das Hauptgetriebe 23 und die Haupttrenneinheit 19 übertragen und somit das für die Synchronisierung des stillgelegten abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 notwendige Drehmoment über die antriebsseitige Haupttrenneinheit 19 auf die Kardanwelle 30 übertragen. Die Drehbeschleunigung erfolgt so lange, bis kein Schlupf mehr an der Haupttrenneinheit 19, nämlich der Lamellenkupplung, auftritt und der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 damit auf Synchrondrehzahl beschleunigt ist. Bei erreichter Synchrondrehzahl zwischen der jeweiligen hinteren Seitenachse 27‘, 27‘‘ und dem Abtrieb 31, 31‘ des Hinterachsdifferentials 28 wird die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geschlossen.
Die Begrifflichkeit „2WD“ steht für „two wheel drive“ und beschreibt einen Kraftfahrzeugantrieb über lediglich eine Kraftfahrzeugachse, in dem in 4 gezeigten Beispiel die Hinterachse 27 oder die Vorderachse 25.
Die Begrifflichkeit „4WD“ steht für „four wheel drive“ und beschreibt einen Kraftfahrzeugantrieb über zumindest zwei Kraftfahrzeugachsen, in dem in 4 gezeigten Beispiel eine Hinterachse 27 und eine Vorderachse 25. Der 4WD Modus entspricht im Wesentlichen einem Allradantrieb eines Kraftfahrzeugs.
Die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 wird messtechnisch sowohl für die Synchronisation der Kardanwelle 30, wie auch für die Feststellung des Kupplungszustandes der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 verwendet und zeichnet sich demnach durch ihre Multifunktionalität bei einfachster Bauweise aus.
Während bei der Synchronisierung die Bestimmung der Zahnfrequenz, d.h. die Anzahl eines >Zahn 11, 11‘–Lücke 12, 12‘< Strukturübergangswechsels pro Zeiteinheit, und somit der Kupplungsdrehzahl, genauer der Drehzahl des Koppelelements 3 und der Drehzahl des Gegenelements 5, im Vordergrund steht, ist bei der Erkennung des Schaltzustandes der Kupplung 2 die unterschiedliche Signalform bei geschlossener Kupplung 2 im Vergleich zur offenen Kupplung 2 von ausschlaggebender Bedeutung. Dies beruht einzig auf der Sensoreinheit 7, die über der Verzahnung 4 des feststehenden, d.h. des axial nicht verschiebbaren Koppelelements 3 der Kupplung 2 aufgebaut ist.
Bei drehendem Abtrieb 31, 31‘ des Hinterachsdifferentials 28 ist im geöffneten Zustand der Kupplung 2 über die Sensoreinheit 7 an dem Koppelelement 3, genauer der Verzahnung 4 des Koppelelements 3, ein Strukturübergang der Abfolge >Zahn 11–Lücke 12–Zahn 11 etc.< detektierbar. Im geschlossenen Zustand der Kupplung 2 wird an dem Koppelement 3 und dem Gegenelement 5, genauer der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und der in die Verzahnung 4 des Koppelelements 3 eingreifenden Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5, ein Strukturübergang der Abfolge >Zahn 11–Zahn 11‘-je nach Zahnspiel eventuell reduzierte Lücke 12, 12‘–Zahn 11 etc.< detektiert. Das zu erwartende Sensorsignal 17 wird in den beiden Zuständen so unterschiedlich sein, dass die Zustände nach Auswertung der Sensorsignale 17 leicht unterscheidbar werden sowie der Zwischenzustand >Zahn 11–Zahn 11‘< bzw. >Lücke 12–Lücke 12‘< abgeleitet werden kann.
6 und 7 zeigen jeweils ein Schema zur Synchronisierungslogik von abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und nicht abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 sowie zur Zuschaltlogik des zweiten Teilantriebsstrangs 10. Die Steuerung der Synchronisierung sowie der Zuschaltung erfolgt beispielsweise vermittels einer Kontrolleinheit.
Die Begrifflichkeit „Synchronität“ beschreibt einen Zustand in dem die Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 und die Drehzahl des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 gleich oder annähernd gleich sind.
In der Synchronisierungsphase zur Schließung der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 wird die Zahnfrequenz des Koppelelements 3 mittels der Sensoreinheit 7 sensiert und daraus wird die zugehörige Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 abgeleitet.
Die Bestimmung der Synchronität von abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs und nicht abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs kann zum einen unter zu Hilfenahme eines externen Sensorsystems oder zum anderen mittels interner Zuschaltzeitpunktsbestimmung, d.h. ohne externes Sensorsystem erfolgen. Die Sensoreinheit 7 dient stets der Bestimmung der Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 sowie der Positionsbestimmung des Gegenelements 5 und somit der Bestimmung des Zustands der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1.
6 zeigt ein Schema zur Synchronisierungslogik und Zuschaltlogik mit einem externen Sensorsystem. Über die Bestimmung der Drehzahl des Gegenelements 5 der Kupplung 2 kann auf die Drehzahl des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 geschlossen werden. Diese Drehzahl wird über das externe Sensorsystem, hier beispielsweise über die vermittels Raddrehzahlsensoren ermittelten Hinterraddrehzahlsignale, bestimmt. Weiterhin kann beispielsweise auch ein externes Sensorsystem, das die der Drehzahl des Gegenelements 5 entsprechende Wellendrehzahl erfasst, verwendet werden. (6)
Die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 liefert die Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und das externe Sensorsystem liefert die Drehzahl des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10.
Wenn die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 und das externe Sensorsystem, hier die Raddrehzahlsensoren im Bereich des Hinterrads 29, 29‘, Drehzahlen detektieren, die auf Synchronität der Drehzahlen schließen lassen, dann kann das Gegenelement 5 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 von der ersten Position in die zweite Position bewegt werden und die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geschlossen werden. Im rotierenden Zustand des Gegenelements 5 der Kupplungseinheit 1, d.h. bei drehender hinterer Seitenachse 27‘, 27‘‘, wird sich das Gegenelement 5 erst von der ersten Position in die zweite Position bewegen lassen, wenn die Zähne 11‘ der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 genau über den Lücken 12 der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 zu liegen kommen oder umgekehrt. Im fahrenden Zustand des Kraftfahrzeugs ist bei Synchronität von Koppelelement 3 und Gegenelement 5 eine Drehbewegung beider Elemente gegeben. Kommen zunächst die Zähne 11‘ des Gegenelements 5 nicht genau über den Lücken 12 des Koppelelements 3, oder umgekehrt, zu liegen, so wird dieser Zustand durch leichte Drehzahlunterschiede von dem abschaltbaten Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 zu dem nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und damit des Koppelelements 3 und des Gegenelements 5 erreicht und das Schalten des Gegenelements 5 von der ersten Position in die zweite Position kann erfolgen.
Nehmen die beiden Drehzahlen, d.h die Drehzahl des Koppelelements 3 (bei geschlossener Haupttrenneinheit 19) und die Drehzahl des Gegenelements 5, dieselbe Größe ein, ist Synchronität erreicht und der Befehl zum Schließen der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 wird gesetzt – das Gegenelement 5 verfährt von der ersten Position in die zweite Position. Das Schalten der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 von der zweiten Position in die erste Position ist im lastlosen Zustand, d.h. in einem Zustand ohne Kraftübertragung bei geöffneter Haupttrenneinheit 19, immer möglich.
Ein Schließen der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 bei Nicht-Synchronität kann zur Beschädigung des Koppelelements 3 und/oder des Gegenelements 5 führen und ist in jedem Fall zu vermeiden.
Bei einem Wechsel von dem 2WD Modus in den 4WD Modus wird im nächsten Schritt der Zustand der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1, d.h. die Position des Gegenelements 5 der Kupplung 2, abgefragt – das Sensorsignal 17 der Sensoreinheit 7 wird nun auf diesen Zustand ausgewertet. Liefert die Auswertung den Zustand >Kupplung 2 geschlossen<, so ist der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 vollständig aktiviert und es können die für den 4WD Modus erforderlichen hohen Drehmomente über die Haupttrenneinheit 19 und den zweiten Teilantriebsstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 übertragen werden.
Durch die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 und durch die Signale des externen Sensorsystems wird somit ein Erkennungssystem 2WD/4WD gebildet. Insgesamt ergibt sich damit eine Steigerung der Erkennungssicherheit des jeweiligen Modus bei minimalem messtechnischen Aufwand. Damit wird das System sehr kompakt und kostengünstig, wobei die Zuschaltdynamik sowie der Komfort wesentlich verbessert werden können. Die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 bildet mit seiner Eigenschaft als Drehzahlmesssystem im Zusammenhang mit dem externen Sensorsystem eine Synchronisiereinheit.
7 zeigt ein Schema zur Synchronisierungslogik und Zuschaltlogik ohne ein externes Sensorsystem – die Drehzahlsynchronität zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und dem nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 wird ohne Einbindung eines externen Sensorsystems bestimmt. Eine Drehzahlmessung erfolgt hierbei nur über die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 und damit am abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10. Der Zustand der Synchronität ist damit nicht unmittelbar über einen Drehzahlvergleich, wie anhand von 6 beschrieben, feststellbar. Zu bemerken ist, dass der Zustand der Synchronität bei den folgenden beschriebenen Strategien nur geschätzt werden kann.
Zum einen kann durch das Drehzahlverhalten des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 während der Drehbeschleunigung auf Synchronität geschlossen werden. Durch das über die Haupttrenneinheit 19 übertragene Drehmoment wird der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 stark beschleunigt. Wird die Synchrondrehzahl zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 erreicht, sind die messbaren Drehzahländerungen nur noch gering und folgen den vergleichsweise niedrigen Drehzahländerungswerten der Hinterräder 29, 29‘ des Kraftfahrzeugs. Wird dieser Zustand detektiert, so kann die Zuschaltung der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 eingeleitet werden.
Zum anderen kann durch Berechnungen die Zeit der Drehbeschleunigung bis zur Synchrondrehzahl abgeschätzt werden. Über das von der Haupttrenneinheit 19 übertragene Drehmoment und das Widerstandsmoment der Beschleunigung des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 kann die Zeit bestimmt werden, die der Antriebsstrang für die Drehbeschleunigung bis zur Synchrondrehzahl maximal benötigt. Entsprechende Sicherheitsfaktoren, die ungünstige Umgebungsbedingungen wiederspiegeln, sind zu berücksichtigen und verlängern die Zeit bis zur Synchronität. Nach der ermittelten Zeit kann Synchronität zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und des nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 angenommen werden und der Befehl zum Schließen der Klauenkupplung gesetzt werden.
Weiterhin können Mischstrategien der gemäß 6 und 7 beschriebenen Synchronisierungslogiken und Zuschaltlogiken angewandt werden, wobei die Logiken auf unterschiedlichsten Signalen, die im Fahrzeug beispielsweise über ein Bussystem geliefert werden, und aus denen verwertbare Informationen über die Synchronisierung ableitbar sind, basieren können.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungseinheit
2: Kupplung
3: Koppelelement
4: Verzahnung
5: Gegenelement
6: Gegenverzahnung
7: Sensoreinheit
8: Kraftfahrzeugantriebsstrang
9: Erster Teilantriebsstrang
10: Zweiter Teilantriebsstrang
11: Zahn (der Verzahnung)
11‘: Zahn (der Gegenverzahnung)
12: Lücke (der Verzahnung)
12‘: Lücke (der Gegenverzahnung)
13: Zahnflanke (der Verzahnung)
13‘: Zahnflanke (der Gegenverzahnung)
14: Längsachse (der Kupplung der Kupplungseinheit)
15: Kupplungseingangsseite
16: Kupplungsausgangsseite
17: Sensorsignal
18: Signalimpuls
19: Haupttrenneinheit (Lamellenkupplung)
20: Vorwärts-Fahrtrichtung
21: Antriebseinheit
22: Längsachse (des Kraftfahrzeugs)
23: Hauptgetriebe
24: Vorderachsdifferential
25: Vorderachse
25‘, 25‘‘: Vordere Seitenachse
26, 26‘: Vorderrad
27: Hinterachse
27‘, 27‘‘: Hintere Seitenachse
28: Hinterachsdifferential
29, 29‘: Hinterrad
30: Drehmomentübertragungselement (Kardanwelle)
31, 31‘: Abtrieb (des Hinterachsdifferentials)
32: Periode (des Sensorsignals)

Claims

Kupplungseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend – eine Kupplung (2), wobei die Kupplung (2) ein axial feststehendes, drehbewegliches Koppelelement (3) mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung (4), und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement (5) mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung (6), aufweist, wobei das Gegenelement (5) in eine erste Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement (5) nicht mit dem Koppelelement (3) verbunden ist, und eine zweite Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement (5) formschlüssig mit dem Koppelelement (3) verbunden ist, verschiebbar ist, sowie – eine Sensoreinheit (7), wobei die Sensoreinheit (7) in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung (4) des Koppelements (3) radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung (4) des Koppelelements (3) erfasst, wobei die Sensoreinheit (7) sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements (5) ein Sensorsignal (17) detektiert über das die Drehzahl des Koppelelements (3) und die erste Position des Gegenelements (5), die zweite Position des Gegenelements (5) oder eine Position des Gegenelements (5) zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelbar sind.
Kupplungseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (17) eine Abfolge von Signalimpulsen (18) ist, die sich in der ersten Position des Gegenelements (5) in Abhängigkeit von durch die Verzahnung (4) des Koppelelements (3) bedingten Strukturübergängen und in der zweiten Position des Gegenelements (5) in Abhängigkeit von durch die formschlüssige Kopplung der Verzahnung (4) des Koppelelements (3) und der Gegenverzahnung (6) des Gegenelements (5) ergeben.
Kupplungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (7) ein Sensorelement umfasst.
Kraftfahrzeugantriebsstrang (8) umfassend einen ersten Teilantriebsstrang (9) und einen zweiten Teilantriebsstrang (10), wobei der zweite Teilantriebstrang (10) wahlweise mit dem ersten Teilantriebsstrang (9) antriebswirksam verbindbar ist und wobei der zweite Teilantriebsstrang (10) über eine Kupplungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wahlweise zumindest teilweise stilllegbar ist.