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Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem als Antriebselement wirkenden Drehmomenteingangsbauteil, z. B. zum Einleiten von Drehmoment einer Antriebsmaschine wie einer Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Maschine (E-Maschine), und mit einem als Abtriebselement wirkenden Drehmomentausgangsbauteil, wie z.B. einer Getriebeeingangswelle oder einer Abtriebswelle einer zweiten Antriebsmaschine, wobei das Drehmomenteingangsbauteil über eine schaltbare Kupplung drehmomentübertragend mit dem Drehmomentausgangsbauteil verbindbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Hybridmodul, beispielsweise für eine P2-Hybridanwendung oder eine Hybridanwendung mit zwei elektrischen Maschinen und einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer ersten Antriebsmaschine, die permanent mit einer Getriebeeingangswelle drehmomentübertragend verbunden ist, und einer zweiten Antriebsmaschine, die über eine erfindungsgemäße Kupplungseinheit schaltbar mit der Getriebeeingangswelle und/oder einer Abtriebswelle der ersten Antriebsmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist. Das heißt also, dass die Kupplungseinheit vorzugsweise als eine Trennkupplung (KO) zwischen einer Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe oder einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine eingesetzt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits sogenannte Trennkupplungen bekannt, die eingesetzt werden, um eine Antriebsmaschine mit dem Antriebsstrang zu verbinden oder von ihm abzukoppeln. Zum Beispiel offenbart die
DE 10 2014 206 330 A1 eine Drehmomentübertragungsvorrichtung für mittels eines Verbrennungsmotors und eines elektrischen Antriebs antreibbare Hybridfahrzeuge, die geeignet ist zur Anordnung in einem Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs zwischen dem Verbrennungsmotor und einem Getriebe des Hybridfahrzeugs, mit dem elektrischen Antrieb, der einen insbesondere um eine Mittenlängsachse der Drehmomentübertragungsvorrichtung rotierenden Rotor aufweist; mit einer Trennkupplung zum Entkuppeln des Verbrennungsmotors vom Getriebe; und mit einem Fliehkraftpendel zum Dämpfen von Schwingungen; wobei das Fliehkraftpendel axial innerhalb des Rotors angeordnet ist. Als Trennkupplung werden dabei reibschlüssige Kupplungen, wie z.B. trockene Einscheibenkupplungen oder Mehrscheibenkupplungen sowie nasse Lamellenkupplungen, eingesetzt, die mittels einem Zentralausrücksystem, einer Drehdurchführung oder einer Magnetspule betätigt werden.
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Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass solche reibschlüssigen Trennkupplungen einen hohen Verschleiß haben, sich stark erwärmen, so dass oftmals eine Kühlung erforderlich ist, und die Betätigung der Kupplung bauraum- und kostenintensiv ist.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu verringern. Insbesondere soll eine Kupplungseinheit bereitgestellt werden, die die Funktionen einer Trennkupplung erfüllt und gleichzeitig hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Ansteuerung und ihrer Aktuierung einfacher, kostengünstiger und kompakter ausgebildet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kupplung der Kupplungseinheit ein translatorisch verschiebbares Kupplungselement aufweist, das so ausgebildet und angeordnet ist, dass das Kupplungselement in einer Betätigungsstellung, d.h. in einer betätigenden Position, über einen Formschluss eine Drehmomentweitergabe von dem Drehmomenteingangsbauteil an das Drehmomentausgangsbauteil ermöglicht.
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Das heißt also, dass das Kupplungselement in der Betätigungsstellung das Drehmomenteingangsbauteil mit dem Drehmomentausgangsbauteil formschlüssig zur Drehmomentübertragung verbindet, so dass die Kupplung geschlossen ist, und dass das Kupplungselement, wenn es nicht in der Betätigungsstellung ist, kein Drehmoment überträgt, so dass die Kupplung geöffnet ist und das Kupplungselement in einer Entkoppelstellung, also einer unbetätigenden Stellung, ist.
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Dies hat den Vorteil, dass die Trennkupplung also nicht als eine Reibkupplung, sondern als eine formschlüssige Kupplung ausgebildet ist, deren Betätigung bauraumsparender und kostengünstiger umgesetzt werden kann. Außerdem werden oben genannte Nachteile einer Reibkupplung hinsichtlich Verschleiß und erforderlicher Kühlung vermieden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Zudem ist es zweckmäßig, wenn ein Elektromotor zum translatorischen Verfahren des Kupplungselements vorhanden ist. D.h., dass das Kupplungselement elektromotorisch durch den Betrieb/das Ansteuern des Elektromotors translatorisch verlagerbar ist. Die formschlüssige Kupplung ist also elektromotorisch betätigbar. So kann eine Betätigungs-Aktorik der Kupplung vorteilhafterweise mit einer geringen Anzahl an Bauteilen ausgebildet werden. Außerdem kann durch die elektromotorische Ansteuerung der Kupplung erreicht werden, dass die Zeitverzögerung zwischen der Ansteuerung der Betätigung und dem Schließen/Öffnen der Kupplung sehr gering ist. Ferner ist dadurch die translatorische Verschiebung des Kupplungselements präzise und in beide Richtungen (zum Betätigen und zum Entkoppeln) steuerbar.
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Außerdem ist es von Vorteil, wenn der Elektromotor als ein Linearmotor ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Elektromotor so ausgebildet, dass ein von ihm angetriebenes Bauteil, also das Kupplungselement, nicht in eine drehende Bewegung, sondern in eine translatorische Bewegung versetzt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein Stator des Elektromotors beispielsweise über einen Statorträger an einem feststehenden Gehäuse befestigt ist. Auch ist es bevorzugt, wenn das Kupplungselement, vorzugsweise fest, an einem Rotor des Elektromotors angebunden ist, so dass das Kupplungselement mit dem Rotor zusammen translatorisch verlagert wird.
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Auch ist zweckmäßig, wenn der Rotor des Elektromotors und/oder der Stator des Elektromotors in Radialrichtung außerhalb des Kupplungselements angeordnet ist. SO kann der Elektromotor zu Betätigung der Kupplung platzsparend in den vorhandenen Bauraum integriert werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Drehmomenteingangsbauteil und das Drehmomentausgangsbauteil so ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass eine Drehzahl des Drehmomenteingangsbauteils und eine Drehzahl des Drehmomentausgangsbauteils synchronisierbar sind. Dadurch wird vorteilhafterweise ermöglicht, dass eine formschlüssige Kupplung als Trennkupplung eingesetzt werden kann, bei der schlagartig bei Eingehen des Formschlusses das Drehmoment des Drehmomenteingangsbauteils auf das Drehmomentausgangsbauteil übertragen wird. Die Drehzahl des Drehmomenteingangsbauteils muss also mit der Drehzahl des Drehmomentausgangsbauteils übereinstimmen, wenn die Kupplung betätigt wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Kupplungselement als eine Schiebemuffe ausgebildet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Schiebemuffe in Umfangsrichtung formschlüssige, leichtspielbehaftete Verbindungselemente zum formschlüssigen Verbinden des Drehmomenteingangsbauteils mit dem Drehmomentausgangsbauteil aufweist.
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Auch ist es von Vorteil, wenn das Kupplungselement so gelagert und/oder geführt ist, dass es zwischen der Betätigungsstellung und der Entkoppelstellung, in der kein Drehmoment übertragen wird, in Axialrichtung verschieblich ist.
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Zudem zeichnet sich ein günstiges Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass das Drehmomenteingangsbauteil und das Drehmomentausgangsbauteil koaxial angeordnet sind. So ist es in vorteilhafter Weise möglich, die beiden Bauteile ohne Zwischenstufe drehmomentübertragend miteinander zu koppeln.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn das Kupplungselement eine Verzahnung aufweist und wenn das Drehmomenteingangsbauteil und das Drehmomentausgangsbauteil jeweils eine Gegenverzahnung aufweisen, wobei die Gegenverzahnung bei Zusammenwirken mit der Verzahnung der Kupplungselements Drehmoment überträgt. Das heißt also, dass die Verzahnung des Kupplungselements zum Übertragen von Drehmoment gleichzeitig in die Gegenverzahnung des Drehmomenteingangsbauteils und in die Gegenverzahnung des Drehmomentausgangsbauteils eingreift. Wenn kein Drehmoment übertragen wird, ist die Verbindung zwischen der Verzahnung des Kupplungsbauteils und der Gegenverzahnung des Drehmomenteingangsbauteils und/oder zwischen der Verzahnung des Kupplungsbauteils und der Gegenverzahnung des Drehmomentausgangsbauteils gelöst. Mit anderen Worten wird das Kupplungselement durch translatorische Verschiebung in einen Verzahnungseingriff mit dem Drehmomenteingangsbauteil und dem Drehmomentausgangsbauteil zur Drehmomentübertragung gebracht.
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Auch ist es von Vorteil, wenn die Gegenverzahnung des Drehmomenteingangsbauteils und/oder die Gegenverzahnung des Drehmomentausgangsbauteils als eine Außenverzahnung ausgebildet sind/ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Gegenverzahnung des Drehmomenteingangsbauteils und/oder die Gegenverzahnung des Drehmomentausgangsbauteils als Stirnrad und/oder geradeverzahnt ausgebildet ist.
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Außerdem ist es bevorzugt, wenn die Gegenverzahnung des Drehmomenteingangsbauteils und die Gegenverzahnung des Drehmomentausgangsbauteils auf derselben axialen Höhe angeordnet sind. Das heißt, dass das Drehmomenteingangsbauteil und das Drehmomentausgangsbauteil denselben Verzahnungsdurchmesser aufweisen. So ist es möglich, dass die Gegenverzahnungen in die gleiche Verzahnung (nämlich des Kupplungselements) zur Drehmomentübertragung eingreifen, so dass auf einfache Weise eine übersetzungsfreie Drehmomentübertragung von dem Drehmomenteingangsbauteil an das Drehmomentausgangsbauteil sichergestellt wird.
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Weiterhin zeichnet sich ein günstiges Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass die Verzahnung des Kupplungselements als eine Innenverzahnung ausgebildet ist. Auch ist es bevorzugt, wenn die Innenverzahnung mit konstantem Verzahnungsdurchmesser ausgebildet ist, der dem Verzahnungsdurchmesser des Drehmomenteingangsbauteils und/oder dem Verzahnungsdurchmesser des Drehmomentausgangsbauteils entspricht.
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Ferner ist es möglich, andere Formschlusselemente zur formschlüssigen Kraftübertragung an dem Kupplungselement, dem Drehmomenteingangsbauteil und dem Drehmomentausgangsbauteil zu verwenden.
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Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn eine Arretierung zur axialen Positionierung des Kupplungselements in der Betätigungsstellung und/oder der Entkoppelstellung vorhanden ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn an dem Kupplungselements und dem Drehmomenteingangsbauteil oder dem Drehmomentausgangsbauteil Arretierungselemente ausgebildet sind, die so miteinander zusammenwirken, dass bei Erreichen einer axialen Position (nämlich der Betätigungsstellung/Betätigungsposition oder der Entkoppelstellung/Entkoppelposition) des Kupplungselements relativ zu dem Drehmomenteingangsbauteil oder dem Drehmomentausgangsbauteil das Kupplungselement nicht in Axialrichtung weiter translatorisch verlagert wird.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Arretierungselemente als eine über eine Feder in Radialrichtung vorgespannte Kugel und als in Radialrichtung ausgebildete Ausnehmungen, in die die Kugel in der Betätigungsstellung oder der Entkoppelstellung durch die Vorspannung der Feder gedrückt wird, ausgebildet sind.
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Außerdem ist es bevorzugt, wenn ein Anschlag zum Begrenzen der axialen Verschiebung des Kupplungselements vorhanden ist. So kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass das Kupplungselement in Axialrichtung zu weit bzw. weiter als notwendig verfahren wird. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Anschlag als ein radial nach innen von dem Kupplungselement vorstehendes vorzugsweise als Ringbauteil ausgebildetes Anschlagselement ausgebildet ist, das so angeordnet ist, dass es bei Erreichen der Betätigungsstellung an dem Drehmomenteingangsbauteil und bei Erreichen der Entkoppelstellung an dem Drehmomentausgangsbauteil anliegt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Hybridmodul mit einer ersten Antriebsmaschine, die permanent mit einer Getriebeeingangswelle drehmomentübertragend verbunden ist, und einer zweiten Antriebsmaschine, die über eine solche Kupplungseinheit schaltbar mit der Getriebeeingangswelle und/oder einer Abtriebswelle der ersten Antriebsmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist, gelöst.
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Die Figuren werden nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kupplungseinheit in einer Entkoppelstellung, in der kein Drehmoment übertragen wird, und
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung der Kupplungseinheit in einer Betätigungsstellung, in der Drehmoment übertragen wird.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente werden mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Kupplungseinheit 1 für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Die Kupplungseinheit 1 weist ein Drehmomenteingangsbauteil 2 auf, das als ein Antriebselement beispielsweise einer nicht dargestellten Antriebsmaschine wirkt. Außerdem weist die Kupplungseinheit 1 ein Drehmomentausgangsbauteil 3 auf, das als ein Abtriebselement wirkt und beispielsweise eine Getriebeeingangswelle oder eine Abtriebswelle einer zweiten Antriebsmaschine ist. Das Drehmomenteingangsbauteil 2 ist über eine schaltbare Kupplung/Trennkupplung 4 drehmomentübertragend mit dem Drehmomentausgangsbauteil 3 verbindbar.
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Die Kupplung 4 weist ein Kupplungselement 5 auf, das durch translatorische Verschiebung in eine Betätigungsstellung oder eine Entkoppelstellung verlagert werden kann. In der Betätigungsstellung wird das Drehmoment des Drehmomenteingangsbauteils 2 über eine formschlüssige Verbindung an das Kupplungselement 5 übertragen und von dort über eine formschlüssige Verbindung an das Drehmomentausgangsbauteil 4 übertragen. Die Kupplung 4 ist also in einer Betätigungsstellung des Kupplungselements 5 geschlossen. In der Entkoppelstellung ist die formschlüssige Verbindung zwischen dem Kupplungselement 5 und dem Drehmomenteingangsbauteil 2 gelöst, so dass kein Drehmoment übertragen wird.
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Die translatorische Verschiebung des Kupplungselements 5 wird durch einen Elektromotor 6, der als ein Linearmotor 7 ausgebildet ist, erwirkt. Bei Betrieb des Elektromotors 6 wirken die Magnetfelder eines Stators 8 und eines Rotors 9 des Elektromotors 6 so aufeinander, dass der Rotor 9 relativ zu dem Stator 8 translatorisch in Axialrichtung verschoben wird. Das Kupplungselement 5 ist fest an dem Rotor 9 angebunden, so dass das Kupplungselement 5 zusammen mit dem Rotor 9 bei Betrieb des Elektromotors 6 in Axialrichtung verschoben wird. Der Stator 8 ist über einen Statorträger 10 fest mit einem feststehenden Gehäuse 11 verbunden.
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Der Rotor 9 ist radial außerhalb des Kupplungselements 5 und koaxial zu dem Kupplungselement 5, dem Drehmomenteingangsbauteil 2 und/oder dem Drehmomentausgangsbauteil 3 angeordnet. Der Stator 8 ist koaxial zu und radial außerhalb des Rotors 9 angeordnet.
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Das Kupplungselement 5 ist als eine Schiebemuffe 12 und ringförmig ausgebildet. Das Drehmomenteingangsbauteil 2 weist eine Außenverzahnung 13 auf, die als in Umfangsrichtung drehmomentübertragende, spielbehaftete, geradverzahnte Verzahnung ausgebildet ist. Das Kupplungselement 5 weist eine Innenverzahnung 14 auf, die auf einer radialen Innenseite des Kupplungselements 5 als in Umfangsrichtung drehmomentübertragende, spielbehaftete, geradverzahnte Verzahnung ausgebildet ist, die bei Zusammenwirken mit der Außenverzahnung 13 an dem Drehmomenteingangsbauteil 2 Drehmoment von dem Drehmomenteingangsbauteil 2 an das Kupplungselement 5 überträgt. Das Drehmomentausgangsbauteil 3 weist eine Außenverzahnung 15 auf, die als in Umfangsrichtung drehmomentübertragende, spielbehaftete, geradverzahnte Verzahnung ausgebildet ist und bei Zusammenwirken mit der Innenverzahnung 14 an dem Kupplungselement 5 Drehmoment von dem Kupplungselement 5 an das Drehmomentausgangsbauteil 3 überträgt.
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Wenn das Kupplungselement 5 in der Entkoppelstellung ist, steht es nur mit dem Drehmomentausgangsbauteil 3 in Verzahnungseingriff. Durch die axiale Verschiebung des Kupplungselements 5 in die Betätigungsstellung wird die Innenverzahnung 14 in die Außenverzahnung 13 geschoben, so dass das Kupplungselement 5 sowohl mit dem Drehmomentausgangsbauteil 3 als auch mit dem Drehmomenteingangsbauteil 2 in Eingriff steht. Das Kupplungselement 5 kann also nur in die Außenverzahnung 14 eingeschoben werden, wenn die Drehzahl des Drehmomenteingangsbauteils 2 mit der Drehzahl des Kupplungselements 5, also der Drehzahl des Drehmomentausgangsbauteils 3, übereinstimmt. In der Betätigungsstellung steht die Innenverzahnung 14 über die gesamte Verzahnungslänge der Außenverzahnung 13 mit der Außenverzahnung 13 im Zahneingriff. In der Entkoppelstellung steht die Innenverzahnung 14 über die gesamte Verzahnungslänge des Drehmomentausgangsbauteils 3 mit der Außenverzahnung 15 im Zahneingriff.
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In der Kupplungseinheit 1 ist es Arretierung 16 vorhanden, die zur axialen Positionierung des Kupplungselements 5 relativ zu dem Drehmomentausgangsbauteil 3 und damit zu dem Drehmomenteingangsbauteil 2 dient. Die Arretierung 16 wird durch zwei Ausnehmungen 17 in der radialen Innenseite des Kupplungselements 5 und eine Kugel 18 gebildet. Die Kugel 18 ist über eine Feder 19 in Radialrichtung vorgespannt und an dem Drehmomentausgangsbauteil 3 angebunden. Die Ausnehmungen 17 sind so in dem Kupplungselement 5 angeordnet, dass sich das Kupplungselement 5 entweder in der Betätigungsstellung oder in der Entkoppelstellung befindet, wenn die Kugel 18 in der ersten Ausnehmung 17 oder der zweiten Ausnehmung 17 liegt. Die Ausnehmungen 17 haben einen dreieckigen Querschnitt, so dass bei axialer Verlagerung des Kupplungselements 5 die Kugel 18 aus den Ausnehmungen 17 herausgeführt wird.
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An dem Kupplungselement 5 ist ein Anschlag 20 ausgebildet, der mit einer axialen Seite an dem Drehmomenteingangsbauteil 2 anliegt, wenn das Kupplungselement 5 in der Betätigungsstellung ist, oder mit der anderen axialen Seite an dem Drehmomentausgangsbauteil 3 anliegt, wenn das Kupplungselement 5 in der Entkoppelstellung ist. Der Anschlag 20 ist als ein Ringbauteil ausgebildet, das von dem Kupplungselement 5 in Radialrichtung nach innen bis über die Innenverzahnung 14 hinaus hervorsteht.
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Das Drehmomentausgangsbauteil 3 ist auf einer Hohlwelle 21 über eine Welle-Nabe-Verbindung 22 befestigt. Über die Hohlwelle 21 wird das Drehmoment beispielsweise an eine Getriebeeingangswelle oder eine Abtriebswelle einer Antriebsmaschine weitergegeben. Das Drehmomentausgangsbauteil 3 kann auch einstückig mit der Hohlwelle 21 ausgebildet sein.
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Die Hohlwelle 21 ist über ein erstes Wälzlager 23 in dem Gehäuse 11 und über ein zweites Wälzlager 24 auf bzw. in dem Drehmomenteingangsbauteil 2 gelagert. Also ist auch das Drehmomentausgangsbauteil 2 über das erste Wälzlager 23 in dem Gehäuse 11 über das zweite Wälzlager 24 auf bzw. in dem Drehmomenteingangsbauteil 2 gelagert.
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Die Außenverzahnung 13 weist auf einer in Axialrichtung dem Drehmomentausgangsbauteil 3 zugewandten Seite eine Fase 25 auf. Auch weist die Innenverzahnung 14 auf einer in Axialrichtung dem Drehmomenteingangsbauteil 2 zugewandten Seite eine Fase 26 auf, die hinsichtlich Winkel und Größe der Fase 25 entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungseinheit
- 2
- Drehmomenteingangsbauteil
- 3
- Drehmomentausgangsbauteil
- 4
- Kupplung
- 5
- Kupplungselement
- 6
- Elektromotor
- 7
- Linearmotor
- 8
- Stator
- 9
- Rotor
- 10
- Statorträger
- 11
- Gehäuse
- 12
- Schiebemuffe
- 13
- Eingangs-Außenverzahnung
- 14
- Innenverzahnung
- 15
- Ausgangs-Außenverzahnung
- 16
- Arretierung
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Kugel
- 19
- Feder
- 20
- Anschlag
- 21
- Hohlwelle
- 22
- Welle-Nabe-Verbindung
- 23
- erstes Wälzlager
- 24
- zweites Wälzlager
- 25
- Fase
- 26
- Fase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206330 A1 [0002]
