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Die Erfindung betrifft einen Kupplungsaktuator für eine Kupplung, insbesondere für eine Kraftfahrzeugkupplung. Sie betrifft des Weiteren eine Kupplung mit einem solchen Kupplungsaktuator, insbesondere eine Kraftfahrzeugkupplung sowie einen Antriebsstrang mit einer solchen Kupplung und einem solchen Kupplungsaktuator. Außerdem betrifft sie eine Sekundärkupplung und einen Antriebsstrang für ein Hybrid-Kraftfahrzeug damit, auch als axiales Hybrid-Modul bezeichnet.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Aktuatoren für Kupplungen bekannt, mit denen eine Kupplung eingerückt / gekuppelt und ausgerückt / entkuppelt werden kann. Je nach Anwendungsgebiet muss ein Aktuator unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Ein besonderer Aspekt kann dabei der Energieverbrauch der Kupplung sein, also die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Kupplung in einen eingerückten und/oder ausgerückten Zustand zu überführen und insbesondere darin zu halten.
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Eine herkömmliche Kupplung besitzt eine Grundstellung, üblicherweise die eingerückte Stellung, in der sich die Kupplung automatisch befindet, und eine Betätigungsstellung, üblicherweise die ausgerückte Stellung, in die die Kupplung unter Aufbringung von Energie gebracht werden muss und in der sie unter Aufbringung von Energie gehalten werden muss. Die Betätigungsstellung wird nur über relativ kurze Zeiträume eingenommen, zum Beispiel ein einem Gangwechsel, während sich die Kupplung hauptsächlich in der Grundstellung befindet. Bei Hybridantriebssträngen muss zum Beispiel eine Verbindung zwischen einer elektrischen Maschine und dem Rest des Antriebsstrangs sowohl für lange als auch für kurze Zeiträume erstellt und gehalten werden können. Wenn das Fahrzeug zum Beispiel ausschließlich über die elektrische Maschine angetrieben wird, wird die Verbindung über einen langen Zeitraum gehalten. Andererseits wird die Verbindung nur für einen relativ kurzen Zeitraum gehalten, wenn der elektrischen Maschine ein nur kurzer Schub durch die Verbrennungskraftmaschine gegeben wird, oder wenn das Fahrzeug regenerativ gebremst und dabei eine Fahrzeugbatterie geladen wird.
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Der Energieverbrauch einer Kupplung ist vor allem auf dem Gebiet von HybridFahrzeugen von besonderem Interesse. Diese umfassen eine zwischen ihrem Verbrennungsmotor und ihrer elektrischen Maschine eine Sekundärkupplung, die je nach Einsatzsituation sowohl den gekuppelten Zustand als auch den entkuppelten Zustand über lange Perioden halten muss, also in beiden Kupplungszuständen effizient und mit geringem Energieaufwand zu betreiben sein soll. Es sind zum Beispiel elektromagnetische Kupplungsaktuatoren bekannt, bei denen eine der beiden Kupplungsstellungen (eingerückt / ausgerückt) durch andauernde Energetisierung eines Elektromagneten bewirkt wird. Derartige Kupplungsaktuatoren sind allerdings infolge ihres relativ hohen Energieverbrauchs für eine Verwendung bei Hybridfahrzeugen ineffizient.
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Aus der
US 4,075,589 ist ein elektromagnetischer Werkstückhalter für eine Werkzeugmaschine bekannt, bei dem ein Magnetstapel in einem Gehäuse aus weichmagnetischem Material angeordnet ist. Eine Unterseite des Gehäuses ist durch eine Grundplatte ausgebildet. Die der Grundplatte gegenüberliegende Seite des Gehäuses bildet eine Montageplatte zum Anordnen und Halten eines Werkstücks daran aus. Das Gehäuse weist des Weiteren zwei zwischen der Grundplatte und der Montageplatte angeordnete Gehäuseseitenwände auf. Der Magnetstapel steht mit den Gehäuseseitenwänden und der Montageplatte in Kontakt und umfasst Permanentmagnete hoher Koerzitivfeldstärke und solche mit geringer Koerzitivfeldstärke. Die Permanentmagnete sind hinsichtlich ihrer jeweiligen Koerzitivfeldstärken alternierend (hoch/gering/hoch/gering) angeordnet, wobei zwischen benachbarten Permanentmagneten jeweils ein Polstück aus weichmagnetischem Material angeordnet ist. Die Permanentmagnete geringer Koerzitivfeldstärke sind von einer elektrischen Spule umgeben, so dass ihre Polung durch Energetisierung der Spule umgekehrt werden kann.
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Aus der
US 3,488,536 ist ein durch Strompulse gesteuertes bistabiles Magnetkupplungssystem in Form einer Wirbelstrombremse bekannt. Das System umfasst ein nicht-magnetisches Lagerelement, ein Paar magnetisch permeabler Elemente voneinander um einen Spalt beabstandet angeordnet auf dem Lagerelement, zwei Permanentmagnete jeweils angeordnet auf einem der magnetisch permeablen Elemente, zwei magnetisch permeable Polschuhe jeweils voneinander um einen Spalt beabstandet angeordnet auf einem der Permanentmagnete, und zwei zwischen den magnetisch permeablen Elementen und den Polschuhen beweglich angeordneten Brückenelementen, jeweils die Spalte zwischen den magnetisch permeablen Elementen bzw. zwischen den Polschuhen überbrückend, wobei die Permanentmagnete jeweils mit umgekehrter Polarität angeordnet sind. Durch Energetisierung der Bückenelemente mittels einer Spule entsprechend der Stromrichtung sind diese magnetisierbar und zwischen den magnetisch permeablen Elementen und den Polschuhen positionierbar, so dass je nach Lage der Brückenelemente in einer relativ zum Lagerelement rotierenden Bremsscheibe Wirbelströme induziert werden können, die eine Bremswirkung auf die Bremsscheibe ausüben.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kupplungsaktuator, eine Kupplung und einen Antriebsstrang von jeweils einfacher Konstruktion, hoher Effizienz und geringem Energiebedarf vorzusehen, insbesondere geeignet und bestimmt für ein Hybridfahrzeug.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch einen Kupplungsaktuator für eine Kupplung, insbesondere für eine Kraftfahrzeugkupplung, zum Beispiel in Form einer Sekundärkupplung für ein Kfz-Hybrid-Modul, mit einem ersten Permanentmagneten und einem zweiten Permanentmagneten, die zwischen zwei Plattenelementen aus weichmagnetischem Material angeordnet sind, und mit einem Betätigungselement aus einem weichmagnetischen Material zum einrückenden und/oder ausrückenden Betätigen der Kupplung, das zum ersten Permanentmagneten, zweiten Permanentmagneten und zu den Plattenelementen relativpositionierbar ist, wobei eine energetisierbare Spule um zumindest einen der Permanentmagnete herum angeordnet ist und wobei der Kupplungsaktuator derart beschaffen und dazu bestimmt ist, dass bei einer oder durch eine Energetisierung der Spule eine Umpolung des magnetischen Felds des ersten Permanentmagneten erfolgt, während die Polung des magnetischen Felds des zweiten Permanentmagneten konstant bleibt. Sie wird außerdem gelöst durch eine Kupplung, insbesondere Kraftfahrzeugkupplung oder eine Sekundärkupplung für ein Kfz-Hybrid-Modul, umfassend zumindest einen Kupplungsaktuator nach der Erfindung, insbesondere nach einem der Ansprüche 7 bis 9. Die Aufgabe wird schließlich gelöst durch einen Antriebsstrang mit einer Kupplung nach der Erfindung, insbesondere ein Hybrid-Modul.
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Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass der Kupplungsaktuator zwei jeweils stabile Zustände oder Positionen einnehmen kann, also bistabil ist, ohne dass er, um diese zu bewahren oder zu halten, mit Energie versorgt werden muss. Der Kupplungsaktuator ist daher äußerst effizient und erfordert eine Zufuhr von Energie nur zum Umschalten des Kupplungsaktuators von einem Zustand bzw. einer Position in den anderen bzw. die andere. Die dem Kupplungsaktuator zugeführte Energie wird nur zum Umpolen des magnetischen Felds, insbesondere dem des ersten Permanentmagneten, genutzt. Nach einer erfolgten Umpolung hält der Aktuator seinen dann vorliegenden Zustand ohne dass er weitere Energie dazu benötigt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Kupplungsaktuator ausgesprochen gut geeignet für eine automatische oder automatisierte Steuerung / Ansteuerung ist, da der Aktuator durch einen einfachen elektrischen Puls oder ein einfaches elektrisches Signal angesteuert werden kann. Dieses erhöht die Effektivität des Systems und außerdem den Komfort für einen Nutzer, zum Beispiel den Fahrer eines mit dem erfindungsgemäßen Kupplungsaktuator versehenen Kraftfahrzeugs, insbesondere Hybrid-Kfz.
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Der erfindungsgemäße Kupplungsaktuator ist derart ausgebildet, dass der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet in einem ersten Zustand einander entgegengesetzt gepolt sind, also zum Beispiel der Nordpol des ersten Permanentmagneten benachbart zum Südpol des zweiten Permanentmagneten und der Südpol des ersten Permanentmagneten benachbart zum Nordpol des zweiten Permanentmagneten sind (gegenpolig). In diesem ersten Zustand oder Schaltzustand verlaufen die Feldlinien des durch die beiden Permanentmagnete erzeugten magnetischen Felds vom Nordpol des ersten Permanentmagneten durch das daran angrenzende weichmagnetische Plattenelement zum Südpol des zweiten Permanentmagneten, von dort zum Nordpol des zweiten Permanentmagneten und durch das daran angrenzende weichmagnetische Plattenelement zum Südpol des ersten Permanentmagneten und zurück zu dessen Nordpol (oder je nach Betrachtungsweise in entgegengesetzte Richtung). Man kann auch sagen, dass der Kupplungsaktuator im ersten Zustand ein durch die beiden Permanentmagnete laufendes und in sich geschlossenes magnetisches Feld ausbildet.
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Durch Energetisieren der Spule wird der Kupplungsaktuator umgeschaltet und in einen zweiten Zustand überführt und verbleibt bis zu einer abermaligen Energetisierung darin. Die Spule wird dabei von einem elektrischen Strom durchflossen, der in den ersten Permanentmagnet ein magnetisches Feld induziert, das dessen bisherigem magnetischen Feld entgegengerichtet ist. Da der erste Permanentmagnet eine verhältnismäßig geringe Koerzitivfeldstärke besitzt, wird sein magnetisches Feld durch Induktion mittels der Spule umgepolt. Folge ist, dass der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet nach dem Umpolen (oder Umschalten) gleichpolig sind, also der Nordpol des ersten Permanentmagneten benachbart zum Nordpol des zweiten Permanentmagneten und der Südpol des ersten Permanentmagneten benachbart zum Südpol des zweiten Permanentmagneten sind. In diesem zweiten Zustand oder Schaltzustand bilden die beiden Permanentmagnete zusammen mit den beiden weichmagnetischen Plattenelementen quasi einen einzigen großen Permanentmagneten aus. Die Feldlinien des durch die beiden Permanentmagneten in diesem Zustand erzeugten magnetischen Felds laufen von den einander benachbarten Nordpolen des ersten und zweiten Permanentmagneten in einer distalen Richtung durch das an diese angrenzende erste weichmagnetische Plattenelement, von diesem unter einer 180°-Richtungsänderung durch das seitlich daran angrenzende Betätigungselement, von dort unter einer abermaligen 180°-Richtungsänderung durch das zweite weichmagnetische Plattenelement und zu den daran angrenzenden und einander benachbarten Südpolen des ersten und zweiten Permanentmagneten (oder je nach Betrachtungsweise in entgegengesetzte Richtung). Infolge des durch das Betätigungselement laufenden magnetischen Felds wird das Betätigungselement relativ zu der die beiden Permanentmagnete, die beiden weichmagnetischen Plattenelemente und die Spule umfassenden Einheit relativpositioniert, also entweder angezogen oder abgestoßen (abgestimmt auf die Vorspannung einer durch den Kupplungsaktuator betätigten Kupplung).
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Der Kupplungsaktuator kann durch eine abermalige Energetisierung der Spule mit umgekehrter Stromrichtung wieder zurück in den ersten Zustand überführt werden, in dem die beiden Permanentmagnete gegenpolig gepolt sind. Der Kupplungsaktuator und damit eine mit einem erfindungsgemäßen Aktuator betätigte Kupplung verbleiben ohne Energiezufuhr in dem jeweiligen Zustand. Dabei befindet sich die Kupplung bei im ersten Zustand befindlichem Aktuator in einem ersten Schaltzustand (eingerückt oder ausgerückt) und bei einem im zweiten Zustand befindlichem Aktuator in einem zweiten Schaltzustand (ausgerückt oder eingerückt). Die Kupplung kann in vorteilhafter Weise in dieser beiden Schaltzustände vorgespannt sein. Bei im ersten Zustand befindlichem Kupplungsaktuator (mit geschlossenem magnetischen Feld und nicht davon beaufschlagten Betätigungselement) befindet sich die Kupplung in dem Schaltzustand, in den sie vorgespannt ist. Um die Kupplung in diesem Schaltzustand zu halten, ist keine Zufuhr von Energie von außer erforderlich. Bei im zweiten Zustand befindlichem Kupplungsaktuator (mit offenem magnetischen Feld und davon beaufschlagten Betätigungselement) wird die Kupplung durch die auf das Betätigungselement wirkenden Magnetkräfte des ersten und zweiten Permanentmagneten entgegen ihrer mechanischen Vorspannung in den anderen Schaltzustand gebracht und darin durch die permanentmagnetische Kraft ohne weitere Energiezufuhr gehalten.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Permanentmagnet eine geringere Koerzitivfeldstärke aufweist als der zweite Permanentmagnet. In diesem Fall kann entweder nur der erste Permanentmagnet von der Spule umgeben sein, oder sowohl der erste als auch der zweite Permanentmagnet von der Spule umhüllt sein. In beiden Fällen kommt es bei einer Energetisierung der Spule zu einer Umpolung des Permanentmagneten mit der geringeren Koerzitivfeldstärke. Ein Vorteil ist, dass der Aktuator so hinsichtlich Bauraum, Fertigung und Montage optimiert sein kann.
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Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Permanentmagnet aus AINiCo und der zweite Permanentmagnet aus Neodym, insbesondere NdFeB, bestehen. Grundsätzlich kann der erste Permanentmagnet im Rahmen der Erfindung aus AlNiCo, FeCrCo, CuNiFe, FeCoVCr, MaAlC oder Cr-Co-Stahl oder Mischungen oder Legierungen daraus bestehen. Der zweite Permanentmagnet kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich aus NdFeB, SmCo oder PtCo oder Mischungen oder Legierungen daraus bestehen.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet jeweils in Form eines Stabmagneten ausgebildet sind. Sie weisen dann jeweils eine Stablängsachse auf. Ihre Magnetpole sind in Richtung ihrer Stablängsachse endseitig ausgebildet oder angeordnet. Der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet können insbesondere derart zueinander angeordnet sein, dass ihre Stablängsachsen zueinander parallel sind.
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Vorzugsweise ist jeweils ein Plattenelement polseitig der Permanentmagnete und insbesondere endseitig der Stablängsachsen angeordnet. Das Plattenelement ist vorzugweise derart beschaffen und an den Permanentmagneten angeordnet, dass die Polseiten des ersten Permanentmagneten sowie die Polseiten des zweiten Permanentmagneten, also die mit Bezug auf die Stablängsachse anfangs und endseitig befindlichen Seiten, zumindest teilweise von dem jeweiligen Plattenelement überdeckt sind.
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Eine besonders kompakte Gestalt des Kupplungsaktuators, die hinsichtlich Fertigung und Montage vorteilhaft ist, kann nach der Erfindung dadurch erzielt werden, dass der erste Permanentmagnet, der zweite Permanentmagnet und die beiden Plattenelemente fest miteinander gekoppelt sind. Eine solche Kopplung kann insbesondere durch Verkleben oder Verspannen oder Montieren der genannten Elemente mittels einer Trägereinheit bewirkt werden. Bei einem solchen Kupplungsaktor bilden die genannten Elemente eine Art Paket (auch als Magnetpaket bezeichnet) aus, relativ zu dem das Betätigungselement durch Wirkung des magnetischen Feldes positionierbar ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Betätigungselement in Form einer vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrischen Stahlplatte ausgebildet sein. Es kann außerdem radial innenseitig mit einer Verzahnung, zum Beispiel Axialinnenverzahnung, versehen sein, zum Eingriff in eine an der Antriebsachse vorgesehene Längsaußenverzahnung. Derart ist das Betätigungselement einfach montierbar und sicher axialpositionierbar aber drehgekoppelt auf der Antriebsachse zu montieren. Radial außen kann das Betätigungselement mit einer Aufnahme für einen Reibbelag ausgebildet sein.
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Eine Kupplung nach der Erfindung umfasst zumindest einen Kupplungsaktuator, vorzugsweise aber eine Mehrzahl, insbesondere zwanzig, erfindungsgemäßer Kupplungsaktuatoren. Vorzugsweise sind diese in umfänglicher Richtung an der Kupplung platziert. Die Kupplungsaktuatoren werden aufeinander abgestimmt angesteuert, so dass sich ihre auf das Betätigungselement wirkenden Magnetkräfte summieren. Auf diese Weise kann besonders einfach eine ausreichend hohe Betätigungskraft erzeugt werden.
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Die Kupplung nach der Erfindung kann insbesondere eine Trägerplatte aus einem nicht-magnetischen Material, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aufweisen. Diese kann die Einheit bzw. die Einheiten jeweils bestehend aus dem ersten Permanentmagneten, dem zweiten Permanentmagneten, den beiden Plattenelementen und der Spule (das Magnetpaket) tragen / halten. Das Betätigungselement ist zur Trägerplatte relativpositionierbar. Außerdem kann die Kupplung ein Kupplungsgehäuse aufweisen, das insbesondere durch einen Rotor einer elektrischen Maschine ausgebildet sein kann. Das Kupplungsgehäuse kann den Gegenreibbelag tragen. Die den ersten und den zweiten Permanentmagnet tragende Trägerplatte kann zum Gehäuse fest oder relativrotierbar sein. Im ersten Fall kann sie an dem Gehäuse montiert sein und ist relativ zu einer mittels der Kupplung zu kuppelnden Antriebsachse relativdrehbar. Andernfalls und bevorzugt kann die Trägerplatte auf einer solchen Antriebsachse montiert sein und ist relativ zum Kupplungsgehäuse drehbar, da derart eine unerwünschte Bildung von Induktionsströmen in dem Betätigungselement vermieden werden kann.
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Eine Vorspannung der Kupplung in eine ihrer Schaltstellungen (eingerückt oder ausgerückt) kann besonders einfach bewirkt werden, indem die Kupplung ein Federelement umfasst, insbesondere ein Druckfederelement. Dieses kann insbesondere ein mittelbares oder unmittelbares Vorspannen des Betätigungselements des Kupplungsaktuators in eine die Kupplung einrückende oder ausrückende Stellung bewirken. Das Federelement ist vorzugsweise mittels eines Axiallagers gegenüber dem Betätigungselement und/oder gegenüber der Trägerplatte axialgelagert, um Verschleiß infolge von Relativrotation zu vermeiden.
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Die Kupplung kann insbesondere als Reibkupplung ausgebildet sein. Das Betätigungselement kann in einer solchen Ausführungsform zum Relativpositionieren eines Reibbelags der Kupplung gegenüber einem Gegenreibbelag eingerichtet und bestimmt sein. Vorzugsweise ist das Betätigungselement mit einer Antriebsachse wirkverbunden, insbesondere drehgekoppelt und axialpositionierbar. Außerdem ist es gegenüber dem Kupplungsgehäuse axialpositionierbar.
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Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang kann insbesondere in Form eines Hybridmoduls ausgebildet sein. Er umfasst vorzugsweise zumindest eine Antriebsmaschine, ein Getriebe und eine Kupplung nach der Erfindung, insbesondere nach einem der angehängten Ansprüche, zum Kuppeln und Entkuppeln von Antriebsmaschine und Getriebe. Insbesondere kann der Antriebsstrang als Hybrid-Modul ausgebildet sein und eine Verbrennungskraftmaschine, eine elektrische Maschine, ein Getriebe und eine Kupplung, insbesondere eine Sekundärkupplung, nach einem der angehängten Ansprüche, nach der Erfindung umfassen. Die Kupplung ist zum Kuppeln und Entkuppeln der elektrischen Maschine mit bzw. von der Verbrennungskraftmaschine und/oder mit bzw. von dem Getriebe eingerichtet und bestimmt. Der Antriebsstrang nach der Erfindung kann insbesondere als achsparalleler oder als koaxialer Hybrid-Modul-Antriebsstrang ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann nach der Erfindung insbesondere koaxial zur Antriebsachse sein. Diese verbindet wiederum die Verbrennungskraftmaschine antriebstechnisch mit einem Abtrieb, zum Beispiel in Form eines Kfz-Getriebes. Eine besonders kompakte Bauform kann erzielt werden, indem die erfindungsgemäße Kupplung in radialer Richtung zwischen der Antriebsachse und der elektrischen Maschine angeordnet ist. Sie kann insbesondere innerhalb eines Rotors der elektrischen Maschine zwischen diesem und der Antriebsachse positioniert sein. Der Rotor kann derart ein Kupplungsgehäuse ausbilden und außerdem einen der Reibbeläge der Kupplung tragen, so dass auch in axialer Richtung eine besonders kompakte Bauform erzielt werden kann.
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Man kann auch sagen, dass die vorliegende Erfindung einen bistabilen Elektro-Permanentmagnet-Kupplungsaktuator, eine Kupplung und einen Antriebsstrang damit für ein Hybrid-Fahrzeug betrifft. Nach der Erfindung umfasst der Kupplungsaktuator einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten, die zwischen Weichmagneten, zum Beispiel in Form von Metallplatten, angeordnet sind. Der Aktuator umfasst außerdem eine Spule, die um zumindest einen von erstem Magneten und zweitem Magneten herum angeordnet ist, sowie ein zu den Magneten relativpositionierbares Betätigungselement. Der erste Magnet besitzt eine geringe Koerzitivfeldstärke und besteht zum Beispiel hauptsächlich aus AlNiCo. Der zweite Magnet besitzt eine hohe Koerzitivfeldstärke und besteht zum Beispiel hauptsächlich aus Neodym. Durch Energetisierung der Spule mittels eines elektrischen Pulses kann die Polung des ersten Magneten umgekehrt werden, um einen magnetischen Kreis zu öffnen und zu schließen, so dass in einem Zustand das Betätigungselement des Aktuators angezogen und in dem anderen Zustand das Betätigungselement des Aktuators abgestoßen wird. Der Kupplungsaktuator kann Elektro-Permanentmagnete nutzen, um die Kupplung im eingerückten Zustand zu halten, und ein Federelement, um die Kupplung im ausgerückten Zustand zu halten. Dies hat insbesondere die Vorteile, dass keine Energie aufzubringen ist, um die Kupplung in dem jeweiligen Zustand zu halten, der Kupplungsaktuator sehr kompakt ist, eine nur geringe Anzahl von beweglichen und zu bewegenden Teilen aufweist und die Zeit zum Einrücken bzw. Ausrücken sehr kurz ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend mittels eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen Teil eines Kupplungsaktuators nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Kupplungsaktuators nach der Erfindung in einem ersten Zustand,
- 3 eine schematische Schnittansicht des Kupplungsaktuators der 2 in einem zweiten Zustand,
- 4 eine schematische Darstellung des Kupplungsaktuators ohne Betätigungselement in einer Schnittansicht mit magnetischen Feldlinien in dem zweiten Zustand,
- 5 eine schematische Darstellung des Kupplungsaktuators ohne Betätigungselement in einer Schnittansicht mit magnetischen Feldlinien in dem ersten Zustand, und
- 6 eine schematische Schnittdetailansicht eines Antriebsstrangs nach der Erfindung mit einer Kupplung nach der Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen bzw. vergleichbaren Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ein Kupplungsaktuator 1 nach der Erfindung umfasst einen ersten Permanentmagnet 2 und einen zweiten Permanentmagnet 3. Diese sind zwischen zwei Plattenelementen 4, 5, jeweils aus weichmagnetischem Material, angeordnet. Die beiden Plattenelemente 4, 5 werden im Rahmen der Beschreibung der Erfindung auch als erstes Plattenelement 4 und zweites Plattenelement 5 bezeichnet. Der Kupplungsaktuator 1 umfasst außerdem ein Betätigungselement 6 aus einem weichmagnetischen Material, hier in Form einer Stahlplatte 6. Dieses ist zum einrückenden und/oder ausrückenden Betätigen einer erfindungsgemäßen Kupplung 7 ausgebildet und bestimmt. Das Betätigungselement 6 ist zum ersten Permanentmagneten 2, zweiten Permanentmagneten 3 und zu den Plattenelementen 4, 5 relativpositionierbar.
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Bei der Ausführungsform der 1 ist eine energetisierbare Spule 8 um die beiden Permanentmagnete 2, 3 herum angeordnet. Eine andere Ausführungsform ist in den 2 und 3 gezeigt, bei der die Spule 8 um den Permanentmagnet 2 herum angeordnet ist. Der erste Permanentmagnet 2 weist eine geringere Koerzitivfeldstärke auf als der zweite Permanentmagnet 3. Der erste Permanentmagnet 2 besteht im Wesentlichen aus AlNiCo. Der zweite Permanentmagnet 3 besteht im Wesentlichen aus Neodym, insbesondere aus NdFeB.
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Wie insbesondere in den 2 und 3 dargestellt ist, sind der erste Permanentmagnet 2 und der zweite Permanentmagnet 3 jeweils in Form eines Stabmagneten ausgebildet. Sie weisen jeweils eine Stablängsachse 9 und in Richtung ihrer Stablängsachse 9 aneinander angrenzende Magnetpole in Form jeweils eines Nordpols (N) sowie eines Südpols (S) auf. Die beiden Permanentmagnete 2, 3 sind derart zueinander angeordnet, dass ihre Stablängsachsen 9 zueinander parallel sind.
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Der Kupplungsaktuator 1 ist derart beschaffen und dazu bestimmt, dass bei einer oder durch eine Energetisierung der Spule 8 eine Umpolung des magnetischen Felds des ersten Permanentmagneten 2 erfolgt, während die Polung des magnetischen Felds des zweiten Permanentmagneten 3 konstant bleibt. Dies ist insbesondere in den 2 bis 5 dargestellt. Die 2 und 5 zeigen den Kupplungsaktuator 1 in einem ersten Zustand, in dem der erste Permanentmagnet 2 und der zweite Permanentmagnet 3 einander entgegengesetzt gepolt sind. Vorliegend ist Nordpol N des ersten Permanentmagneten 2 benachbart zum Südpol S des zweiten Permanentmagneten 3 angeordnet. Außerdem ist der Südpol S des ersten Permanentmagneten 2 benachbart zum Nordpol N des zweiten Permanentmagneten 3 angeordnet. Die beiden Permanentmagnete sind damit gegenpolig zueinander angeordnet.
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In dem in den 2 und 5 gezeigten ersten Zustand verlaufen die Feldlinien 10 des durch die beiden Permanentmagnete 2, 3 erzeugten magnetischen Felds vom Nordpol N des ersten Permanentmagneten 2 durch das daran angrenzende zweite weichmagnetische Plattenelement 5 zum Südpol S des zweiten Permanentmagneten 3. Von dort laufen die Feldlinien 10 zum Nordpol N des zweiten Permanentmagneten 3 und durch das daran angrenzende erste weichmagnetische Plattenelement 4 zum Südpol S des ersten Permanentmagneten 2 und zurück zu dessen Nordpol N. Es ist ein durch die Permanentmagnete 2, 3 laufendes und in sich geschlossenes magnetisches Feld ausbildet. In 2 ist angedeutet, dass das Betätigungselement 6 von den weichmagnetischen Plattenelementen 4, 5 um einen Spalt A relativ weit beabstandet ist.
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Durch Energetisieren der Spule 8 wird der Kupplungsaktuator 1 umgeschaltet und in einen zweiten Zustand überführt, der in den 3 und 4 gezeigt ist. Das Umschalten des Aktuators 1 erfolgt durch Stromfluss in der Spule 8 in einer in 4 durch deren Wicklungen von oben nach unten weisenden Richtung, so dass nach der „Rechten-Hand-Regel“ ein Magnetfeld induziert wird, dessen Nordpol in 4 oben und dessen Südpol in 4 unten ist, also dem bisherigen magnetischen Feld des ersten Permanentmagneten 2 entgegengerichtet ist. Da der erste Permanentmagnet 2 eine verhältnismäßig geringe Koerzitivfeldstärke besitzt, wird sein magnetisches Feld durch Induktion mittels der Spule 8 umgepolt. Folge ist, dass der Nordpol N des ersten Permanentmagneten 2 oben und der Südpol S des ersten Permanentmagneten 2 unten ist. Der erste Permanentmagnet 2 und der zweite Permanentmagnet 3 sind also nach dem Umpolen (oder Umschalten) gleichpolig, das heißt der Nordpol N des ersten Permanentmagneten 2 ist im zweiten Zustand des Aktuators 1 benachbart zum Nordpol N des zweiten Permanentmagneten 3 und der Südpol S des ersten Permanentmagneten 2 benachbart zum Südpol S des zweiten Permanentmagneten 3 angeordnet.
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In dem in den 3 und 4 gezeigten zweiten Zustand bilden die beiden Permanentmagnete 2, 3 zusammen mit den daran „oben“ und „unten“ angrenzenden weichmagnetischen Plattenelementen 4, 5 quasi einen einzigen großen Permanentmagneten aus, dessen Nordpol N „oben“ und dessen Südpol S „unten“ ist. Die Feldlinien 10 des durch die beiden Permanentmagnete 2, 3 in diesem Zustand erzeugten magnetischen Felds laufen von den einander benachbarten Nordpolen N des ersten und zweiten Permanentmagneten 2, 3 durch das an diese angrenzende erste weichmagnetische Plattenelement 4, von diesem durch das seitlich daran angrenzende Betätigungselement 6, von dort durch das zweite weichmagnetische Plattenelement 5 und zu den daran angrenzenden und einander benachbarten Südpolen S des ersten und zweiten Permanentmagneten 2, 3. Infolge des durch das Betätigungselement 6 laufenden magnetischen Felds wird dieses relativ zu dem die beiden Permanentmagnete 2, 3, die beiden weichmagnetischen Plattenelemente 4, 5 und die Spule 8 umfassenden Magnetpaket relativpositioniert, also entweder angezogen oder abgestoßen. In 3 ist angedeutet, dass das Betätigungselement 6 von den weichmagnetischen Plattenelementen 4, 5 um einen Spalt a beabstandet ist, wobei der Spalt A (siehe 2) im ersten Zustand größer ist als der Spalt a im zweiten Zustand.
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Ein Antriebsstrang 11 nach der Erfindung mit einer Kupplung 7 mit insgesamt 20 Kupplungsaktoren 1 ist in 6 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Der Antriebsstrang 11 ist in Form eines koaxialen Hybridmoduls ausgebildet und umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 12, eine elektrische Maschine 13, die Kupplung 7, eine Antriebswelle 14 sowie ein Getriebe 15. Die Antriebswelle 14 ist einerseits mit der Verbrennungskraftmaschine 12 und andererseits mit dem Getriebe 15 gekoppelt und überträgt Leistung von der Verbrennungskraftmaschine 12 zum Getriebe 15. Sie ist mit einer Außenlängsverzahnung 16 versehen. Koaxial zur Antriebswelle 14 sind die Kupplung 7 und die elektrische Maschine 13 angeordnet. Die elektrische Maschine 13 ist rotations- und axialfest zur Antriebswelle 14 angeordnet und weist einen Rotor 17 sowie einen in der Figur nicht dargestellten Stator auf. Sie kann als die Antriebswelle 14 über die Kupplung 7 antreibenden Motor und alternativ als über die Antriebswelle 14 angetriebenen Generator betrieben werden.
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Das Betätigungselement 6 weist eine Innenverzahnung 18 auf, über die es mit der Außenlängsverzahnung 16 in Kontakt steht, so dass das Betätigungselement 6 drehfest aber axialpositionierbar mit der Antriebswelle 14 gekoppelt ist. Radial außen weist das Betätigungselement 6 eine Aufnahme 19 für einen Reibbelag 20 auf, der darin mit dem Betätigungselement drehfest gekoppelt ist. Ein zweiter Reibbelag 21 (oder Gegenreibbelag 21) ist drehfest am Rotor 17 angeordnet.
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Die Kupplung 7 umfasst des Weiteren eine Trägerplatte 22 aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Diese trägt das jeweils aus dem ersten Permanentmagneten 2, dem zweiten Permanentmagneten 3, den beiden Plattenelementen 4, 5 und der Spule 8 bestehenden zwanzig Magnetpakete der zwanzig Aktuatoren 1. Die zwanzig Aktuatoren 1 sind in umfänglicher Richtung gleichmäßig verteilt an der Trägerplatte 22 angeordnet. Der Rotor 17 der elektrischen Maschine 13 und die Trägerplatte 22 der Kupplung 7 sind zueinander axialfest angeordnet. Das Betätigungselement 6 ist unter Zwischenlage eines Axiallagers 23 mittels eines Federelements 24 vorgespannt, derart, dass es durch das Federelement 24 in eine Richtung fort von der Trägerplatte 22 und damit fort von den jeweils aus dem ersten Permanentmagneten 2, dem zweiten Permanentmagneten 3, den beiden Plattenelementen 4, 5 und der Spule 8 bestehenden zwanzig Magnetpaketen der zwanzig Aktuatoren 1 vorgespannt ist. Infolge dieser Vorspannung durch das Federelement 24 werden die Reibbeläge 20, 21 nicht gegeneinander gepresst und befindet sich die Kupplung 7, solange auf ihr Betätigungselement 6 kein magnetisches Feld wirkt, in einer die elektrische Maschine 13 von der Antriebswelle 14 entkuppelnden Stellung, also im ausgerückten Zustand. Die zwanzig Kupplungsaktuatoren 1 befinden sich dabei jeweils in dem in den 2 und 5 dargestellten Zustand.
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Zum Einrücken der Kupplung 7 und damit Verkuppeln der elektrischen Maschine 13 mit der Antriebswelle 14 werden die Spulen 8 jeweils aller zwanzig Aktuatoren 1 energetisiert. Folge ist eine Umpolung der jeweiligen ersten Permanentmagnete 2, so dass sich alle zwanzig Kupplungsaktuatoren 1 in dem in den 3 und 4 dargestellten Zustand befinden. Das Betätigungselement 6 wird durch das von den Kupplungsaktuatoren 1 auf sie wirkende magnetische Feld in Richtung der Aktuatoren 1 und der Trägerplatte 22 relativpositioniert und auf der Antriebswelle 14 axialverschoben. Die auf das Betätigungselement 6 wirkende magnetische Anziehungskraft ist ausreichend groß, um die Vorspannung des Federelements 24 zu überwinden und die Reibbeläge 20, 21 in einem zur Übertragung des anliegenden Drehmoments ausreichenden Maß aneinander zu pressen.
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Infolge der dauermagnetischen Eigenschaften des ersten Permanentmagneten 2 bleibt dessen Polung bestehen, solange über die Spule 8 kein Strom fließt, der ein Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung induziert. Wird die Spule 8 in entgegengesetzter Richtung mit Strom beaufschlagt, kommt es zu eine Umpolung des ersten Permanentmagneten 2 und das magnetische Feld ändert sich vom zweiten Zustand (siehe 3 und 4) zurück in den ersten Zustand (siehe 2 und 5). Auf das Betätigungselement 6 wirkt keine magnetische Kraft mehr und es wird infolge der Vorspannung durch das Federelement 24 von der Trägerplatte 22 und den Aktuatoren 1 fort gedrängt. Die Reibbeläge 20, 21 gelangen außer Eingriff und die elektrische Maschine 13 ist von der Antriebswelle 14 entkuppelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungsaktuator
- 2
- erster Permanentmagnet
- 3
- zweiter Permanentmagnet
- 4
- erstes Plattenelement
- 5
- zweites Plattenelement
- 6
- Betätigungselement, Stahlplatte
- 7
- Kupplung
- 8
- Spule
- 9
- Stablängsachse
- 10
- Feldlinien
- 11
- Antriebsstrang
- 12
- Verbrennungskraftmaschine
- 13
- elektrische Maschine
- 14
- Antriebswelle
- 15
- Getriebe
- 16
- Außenlängsverzahnung
- 17
- Rotor
- 18
- Innenverzahnung
- 19
- Aufnahme
- 20
- erster Reibbelag
- 21
- zweiter Reibbelag, Gegenreibbelag
- 22
- Trägerplatte
- 23
- Axiallager
- 24
- Federelement
- A, a
- Spalt
- N
- Nordpol
- S
- Südpol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4075589 [0005]
- US 3488536 [0006]
