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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend ein Schaltelement mit einer Steuergeometrie, wobei das Schaltelement verdrehfest jedoch axial bewegbar, nämlich wahlweise in eine erste Schaltstellung und in eine zweite Schaltstellung bewegbar, auf einem Abtriebselement angeordnet ist, einen Aktuator, wobei über den Aktuator die Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt aktuierbar ist und ein Betätigungselement über das der Aktuator die Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt aktuiert.
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Stand der Technik
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Kupplungsanordnungen in unterschiedlichsten konstruktiven Ausführungen finden im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik in einem Antriebsstrang vielfach Einsatz. Sie dienen der wahlweisen antriebswirksamen Verbindung eines Antriebselements mit einem Abtriebselement. Kupplungsanordnungen der gattungsgemäßen Art finden insbesondere in allradgetriebenen Kraftfahrzeugen und in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb Anwendung. In diesem Fall dienen sie der wahlweisen Stilllegung von Teilbereichen des Antriebsstranges, um derart ein unnötiges Mitdrehen und somit einen unnötigen Energieverbrauch der stillzulegenden Teilbereiche des Antriebsstrangs zu verhindern.
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Insbesondere in dem Anwendungsbereich der allradgetriebenen Kraftfahrzeuge werden eine zuverlässige Trennung der Teilbereiche des Antriebsstranges sowie eine bedarfsgerechte und hochdynamische Zuschaltung der jeweiligen Teilbereiche des Antriebsstranges ohne hohen Energieaufwand gewünscht.
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Das Dokument
DE 10 2011 085 839 A1 beschreibt beispielsweise eine Kupplungsvorrichtung mit zwei mittels einer Schiebemuffe koppelbaren Kupplungsteilen, nämlich ein erstes Kupplungsteil und ein zweites Kupplungsteil, die im eingekuppelten Zustand über die Schiebemuffe formschlüssig miteinander gekoppelt sind. Die Schiebemuffe ist drehfest und axial verschiebbar am ersten Kupplungsteil angebracht. Die Schiebemuffe weist an ihrer Umfangsfläche mindestens eine erste Stufe auf, die eine erste Stufenflanke hat und sich mit einem ersten Stufenverlauf an der Umfangsfläche der Schiebemuffe erstreckt. Der erste Stufenverlauf weist auch eine axiale Richtungskomponente in Richtung der Drehachse des ersten Kupplungsteils auf. Ein Stellmittel, das zwischen einer Stellmittel-Kopplungsposition und einer Stellmittel-Entkopplungsposition hin und her verschiebbar ist, liegt während des Entkopplungsvorgangs der beiden Kupplungsteile in seiner Stellmittel-Entkopplungsposition in der ersten Stufenflanke der Schiebemuffe an, so dass sich die Schiebemuffe bei einer Rotation des ersten Kupplungsteils axial vom zweiten Kupplungsteil weg in eine Muffen-Entkoppelungsposition bewegt. Weiterhin ist die Schiebemuffe mittels einer axial wirkenden Feder abgestützt, so dass eine Federkraft die Schiebemuffe in einer das erste und das zweite Kupplungsteil mechanisch miteinander koppelnden Muffen-Kopplungsposition hält oder in diese Muffen-Kopplungsposition schiebt, wenn sich das Stellmittel in seiner Stellmittel-Kopplungsposition befindet. Die Schiebemuffe wird bei der beschriebenen Ausführung der Kopplungsvorrichtung über das Stellmittel in seiner Stellmittel-Entkopplungsposition in der Entkopplungsposition gehalten, wodurch sich ein erhöhter Energieaufwand ergibt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Kupplungsanordnung zur wahlweisen Verbindung eines Antriebselements mit einem Abtriebselement in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs anzugeben, die sich durch einen bedarfsgerechten sowie energieoptimierten Betrieb auszeichnet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend ein Schaltelement mit einer Steuergeometrie, wobei das Schaltelement verdrehfest jedoch axial bewegbar, nämlich wahlweise in eine erste Schaltstellung und in eine zweite Schaltstellung bewegbar, auf einem Abtriebselement angeordnet ist, wobei in der ersten Schaltstellung des Schaltelements das Abtriebselement antriebswirksam mit einem Antriebselement verbunden ist und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements das Abtriebselement nicht antriebswirksam mit dem Antriebselement verbunden ist, einen Aktuator, wobei über den Aktuator die Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt aktuierbar ist, ein Betätigungselement über das der Aktuator die Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt aktuiert, und eine Laufrolle, die an dem Betätigungselement angeordnet ist, wobei in der ersten Schaltstellung des Schaltelements das Betätigungselement derart über den Aktuator betätigbar ist, dass die Laufrolle mit der Steuergeometrie des Schaltelements in Eingriff bringbar ist, so dass das Schaltelement von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung überführt werden kann.
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Erfindungsgemäß umfasst die Kupplungsanordnung ein Schaltelement, einen Aktuator, ein Betätigungselement sowie eine Laufrolle.
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Das Schaltelement ist erfindungsgemäß verdrehfest jedoch axial bewegbar auf einem Abtriebselement, beispielsweise einer ersten Welle, angeordnet. Das Schaltelement weist entsprechend der vorliegenden Erfindung eine axial wirksame Steuergeometrie auf.
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Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Drehachse des Abtriebselements.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Schaltelement axial wahlweise in eine erste Schaltstellung und in eine zweite Schaltstellung bewegbar, wobei in der ersten Schaltstellung des Schaltelements das Abtriebselement mit einem Antriebselement, beispielsweise einer zweiten Welle, antriebswirksam verbunden ist und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements das Abtriebselement mit dem Antriebselement nicht antriebswirksam verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist über den Aktuator der Kupplungsanordnung die Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt aktuierbar.
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Weiterhin erfindungsgemäß erfolgt die Aktuierung der axialen Bewegung des Schaltelements von einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt durch den Aktuator über das Betätigungselement.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist an dem Betätigungselement eine Laufrolle ortsfest, d.h. weder axial noch radial bewegbar, angeordnet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Betätigungselement in der ersten Schaltstellung des Schaltelements derart über den Aktuator betätigbar, dass die Laufrolle mit der Steuergeometrie des Schaltelements in Eingriff bringbar ist. So kann das Schaltelement von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung überführt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kupplungsanordnung ist es möglich auf einfache Art und Weise eine effiziente und hochdynamische Schaltung des Schaltelements zu realisieren. Elektrische Hilfsenergie wird lediglich für die Aktuierung der axialen Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt benötigt. Die für die Bewegung des Schaltelements notwendige Energie wird zum wesentlichen Teil dem rotierenden Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs entnommen.
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Durch entsprechende Ausführung des Aktuators ist je nach Ausfall-Anforderung ein bistabiles Verhalten („stay silent“) oder ein stromlos geschlossenes Verhalten („normally closed“) der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung darstellbar.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung weist die Kupplungsanordnung einen Haltemechanismus auf, der das Schaltelement in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch arretiert.
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Dadurch wird ein energieoptimiertes Halten des Schaltelements in der ersten und der zweiten Schaltstellung gewährleistet.
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Vorzugsweise weist der Haltemechanismus ein Bremselement auf, das an dem Betätigungselement angeordnet ist und das bei Aktuierung einer Bewegung des Schaltelements von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung derart auf den Haltemechanismus einwirkt, dass die mechanische Arretierung des Schaltelements in der zweiten Schaltstellung gelöst wird und so die Bewegung des Schaltelements von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung eingeleitet wird.
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Das Bremselement kann reibschlüssig oder formschlüssig auf den Haltemechanismus einwirken.
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Das Betätigungselement ist bevorzugt um eine Drehachse, die parallel zu einer zentralen Drehachse des Abtriebselements verläuft, schwenkbar.
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Die Betätigung des Betätigungselements über den Aktuator kann elektromechanisch, elektrohydraulisch oder elektromagnetisch erfolgen.
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Das Betätigungselement ist bevorzugt im Wesentlichen sichelförmig, d.h. in der Form der Klinge einer Sichel, ausgebildet. Die Begrifflichkeit „sichelförmig“ beschreibt in diesem Fall eine im Wesentlichen halbrunde Formgebung.
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Die sichelförmige Gestaltung des Betätigungselements ermöglicht, neben einer optimierten Bauraumausnutzung, eine energieeffiziente Auslösung der axialen Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und/oder umgekehrt.
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Die Steuergeometrie des Schaltelements weist vorzugsweise zumindest eine Hinterschneidung auf, so dass sich die Laufrolle in der ersten Schaltstellung des Schaltelements und/oder in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements in einer allseitigen Freistellung zur Steuergeometrie befindet.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kupplungsanordnung sowie ein Eingangselement und ein Ausgangselement.
- 2 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht einer Kupplungsanordnung sowie ein Eingangselement und ein Ausgangselement.
- 3 zeigt eine Längsansicht einer Kupplungsanordnung sowie ein Eingangselement und ein Ausgangselement aus Sicht von Punkt X gemäß 2.
- 4 zeigt eine Queransicht einer Kupplungsanordnung sowie ein Eingangselement und ein Ausgangselement aus Sicht von Punkt Y gemäß 2.
- 5 zeigt eine weitere Queransicht einer Kupplungsanordnung sowie ein Eingangselement und ein Ausgangselement aus Sicht von Punkt Z gemäß 2.
- 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schaltelements.
- 7a zeigt eine Längsansicht eines Schaltelements.
- 7b zeigt eine weitere Längsansicht eines Schaltelements.
- 8 zeigt eine isometrische Detailansicht eines Schaltelements mit einer in der Steuergeometrie eingebrachten Hinterschneidung.
- Fig. 9a - 9c zeigen die Position einer Laufrolle und einer Steuergeometrie eines Schaltelements in unterschiedlichen Hub- und Drehwinkelpositionen.
- 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Halteelements.
- 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Haltelements.
- 12 zeigt eine perspektivische Darstellung der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer ersten Schaltstellung.
- 13 zeigt eine weitere perspektivische Darstellung der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer ersten Schaltstellung.
- 14 zeigt eine Schnittansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer ersten Schaltstellung entlang einer Schnittebene B-C-D gemäß 19.
- 15 zeigt eine Schnittansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer ersten Schaltstellung entlang einer Schnittebene A-A gemäß 18.
- 16 zeigt eine perspektivische Ansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung während eines ersten Schaltvorgangs.
- 17 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung während eines ersten Schaltvorgangs.
- 18 zeigt eine Längsansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung während eines ersten Schaltvorgangs aus Sicht von Punkt K gemäß 17.
- 19 zeigt eine Queransicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung während eines ersten Schaltvorgangs aus Sicht von Punkt L gemäß 17.
- 20 zeigt eine weitere Queransicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung während eines ersten Schaltvorgangs aus Sicht von Punkt M gemäß 17.
- 21 zeigt eine Schnittansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung während eines ersten Schaltvorgangs entlang der Schnittebene B-C-D gemäß 19.
- 22 zeigt eine Schnittansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung während eines ersten Schaltvorgangs entlang der Schnittebene A-A gemäß 18.
- 23 zeigt eine perspektivische Darstellung der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer zweiten Schaltstellung.
- 24 zeigt eine weitere perspektivische Darstellung der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer zweiten Schaltstellung.
- 25 zeigt eine Schnittansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer zweiten Schaltstellung entlang einer Schnittebene B-C-D gemäß 19.
- 26 zeigt eine Schnittansicht der Hauptkomponenten einer Kupplungsanordnung in einer zweiten Schaltstellung entlang einer Schnittebene A-A gemäß 18.
- 27 zeigte eine beispielhafte Kraftfahrzeugarchitektur mit einer Kupplungsanordnung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 bis 26 ist eine beispielhafte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 in unterschiedlichen Detaillierungen, Schaltstellungen sowie Perspektiven dargestellt. 27 zeigt eine beispielhafte Kraftfahrzeugarchitektur mit einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1.
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Die in 1 bis 26 dargestellte beispielhafte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 dient der wahlweisen Verbindung eines Abtriebselements 5, hier eine erste Welle, mit einem Antriebselement 4, hier eine zweite Welle, sodass wahlweise Drehmoment von dem Antriebselement 4 auf das Abtriebselement 5 und/oder umgekehrt übertragen werden kann.
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Die Kupplungsanordnung 1 umfasst ein Schaltelement 2 mit einer Steuergeometrie 3, einen Aktuator 6, ein Betätigungselement 7, eine Laufrolle 8, ein Bremselement 9 sowie einen Haltemechanismus 16.
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Das Schaltelement 2 ist in 6 bis 9 in unterschiedlichen Detaildarstellungen dargestellt. Das Schaltelement 2 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schaltmuffe ausgebildet. Das Schaltelement 2 ist über eine bereichsweise an der Innenumfangsfläche des Schaltelements 2 ausgebildete Mitnahmeverzahnung 41 verdrehfest jedoch axial verschiebbar auf dem Abtriebselement 5 angeordnet (1 bis 6). Das Schaltelement 2 umfasst einen ersten radialen Abschnitt 44, einen zweiten radialen Abschnitt 45 und einen dritten radialen Abschnitt 46 auf unterschiedlichen axialen Positionen (8). Das Schaltelement 2 weist eine axial wirksame Steuergeometrie 3 auf. Die Steuergeometrie 3 des Schaltelements weist eine Hinterschneidung 12 für eine allseitige Freistellung der Laufrolle 8 zur Steuergeometrie 3 in der ersten Schaltstellung des Schaltelements 2 auf (8, 9c). Die Kontur der Steuergeometrie 3 lässt sich in vorteilhafter Weise aus einem Beschleunigungsprofil ableiten. Dies erfolgt durch Definition der Beschleunigung in Abhängigkeit vom Drehwinkel über zweimal stetig differenzierbare Funktionen, bspw. durch Vorgabe von Stützstellen kubischer Spline-Funktionen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das dynamische und auf das akustische Verhalten der Kupplungsanordnung 1 aus. Als Randbedingungen können Grenzwerte für die maximale Beschleunigung, wie beispielsweise 10g, und für die maximale Geschwindigkeit, wie zum Beispiel 1m/s, des zu bewegenden Schaltelements 2 berücksichtigt werden. Ausschlaggebend sind jedoch nicht ausschließlich die Maximalwerte von Geschwindigkeit und der Beschleunigung, sondern in erster Linie die Vermeidung von Unstetigkeiten im Ruck (erste Ableitung der Beschleunigung). Ein Vornockendesign ermöglicht zudem den Ausgleich von Spielen und dient zum Vorspannen des Systems zu Hubbeginn.
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Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Drehachse 11 des Abtriebselements 4.
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Das Schaltelement 2 ist axial wahlweise in eine erste Schaltstellung und in eine zweite Schaltstellung bewegbar.
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In der ersten Schaltstellung des Schaltelements 2 ist das Abtriebselement 5 mit dem Antriebselement 4, hier eine zweite Welle, antriebswirksam verbunden. 12 bis 15 zeigen unterschiedliche Darstellungen der Kupplungsanordnung 1 mit dem Schaltelement 2 in der ersten Schaltstellung.
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In der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2 ist das Abtriebselement 5 mit dem Antriebselement 4 nicht antriebswirksam verbunden. 23 bis 26 zeigen unterschiedliche Darstellungen der Kupplungsanordnung 1 mit dem Schaltelement 2 in der zweiten Schaltstellung.
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Der Aktuator 6 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Elektromagnet ausgeführt. Der Aktuator 6 weist eine Spule, je nach Ausführung, d.h. je nach gewünschtem Verhalten des Aktuators 6 im stromlosen Zustand, eine Feder oder einen permanentmagnetischen Anker sowie einen Pin 13 auf.
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Über den Aktuator 6 ist ein erster Schaltvorgang des Schaltelements 2, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements 2 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, aktuierbar (16 bis 22).
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Weiterhin ist über den Aktuator 6 ein zweiter Schaltvorgang, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements 2 von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar (nicht dargestellt).
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Das Betätigungselement 7 der Kupplungsanordnung 1 ist im Wesentlichen sichelförmig ausgebildet und um eine in dem vorliegenden Fall gehäusefeste Drehachse 10 schwenkbar.
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Die gehäusefeste Drehachse 10 verläuft parallel zu der zentralen Drehachse 11 des Abtriebselements 5.
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An dem Betätigungselement 7 sind eine Laufrolle 8 sowie ein Bremselement 9 ortsfest, d.h. weder axial noch radial bewegbar, angeordnet.
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Die Begrifflichkeit „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die zentrale Drehachse 11 des Abtriebselements 5.
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Das Bremselement 9 ist Teil des Haltemechanismus 16 der Kupplungsanordnung 1 und ist über ein, bezogen auf die zentrale Drehachse 11, in radialer Richtung federndes Befestigungselement 42 mit dem Betätigungselement 7 verbunden. Über den Haltemechanismus 16 der Kupplungsanordnung 1 wird das Schaltelement 2 in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten.
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Der Haltemechanismus 16 umfasst ein erstes elastisches Element 14, ein erstes Halteelement 17 und ein zweites Halteelement 18.
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Das zweite elastische Element 15 ist als Druckfeder ausgebildet und auf dem Abtriebselement 5, koaxial zu dem Schaltelement 2, zwischen einem an dem Schaltelement 2 ausgebildeten Anschlag und einem fest auf dem Abtriebselement 5 angeordneten Anschlag (nicht dargestellt) angeordnet. Vermittels der Kraft des zweiten elastischen Elements 15 wird das Schaltelement 2 axial in die erste Schaltstellung gedrückt und in der ersten Schaltstellung mechanisch gehalten.
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Das erste Halteelement 17 ist in 10 dargestellt. Das erste Halteelement 17 weist zumindest ein drittes elastisches Element 19, nämlich eine elastische Haltelasche, auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Haltemechanismus 16 mehrere als Blechumformteile ausgeführte erste Haltelemente 17 mit elastischen Haltelaschen 19, die drehfest und in einer axial fest definierten Position mit dem Abtriebselement 5 in Verbindung stehen.
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Das zweite Halteelement 18 ist in 11 dargestellt. Das zweite Halteelement 18 ist ringförmig ausgebildet und axial fixiert sowie drehbar gelagert an der äußeren Mantelfläche des Schaltelements 2 angeordnet. Das zweite Halteelement 18 weist eine als stirnseitigen Bund ausgeführte Haltegeometrie 20 auf. Die Haltegeometrie 20 ist an dem zweiten Halteelement 18 innenumfänglich ausgebildet. Weiterhin ist an der Innenumfangsfläche des zweiten Halteelements 18 ein Innenkonus 21 ausgebildet. Die Innenumfangsfläche des zweiten Halteelements 18 ist somit teilweise durch die Haltegeometrie 20 und teilweise durch den Innenkonus 21 ausgebildet. Die Haltegeometrie 20 des zweiten Halteelements 18 setzt sich aus einer innenumfänglich verlaufenden Verzahnungsbereich 22 und einem innenumfänglich verlaufenden Steg 23 zusammen.
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Ein oder mehrere erste Halteelemente 17 mit als Blechfederelemente ausgeführten dritten elastischen Elementen 19 werden über im Schaltelement 2 ausgesparte Durchführungsöffnungen 43 nach radial außen geführt und mit der Haltegeometrie 20 des zweiten Halteelements 18 in Eingriff gebracht bzw. bei Verdrehung des zweiten Haltelements 18 über den an der Innenumfangsfläche des zweiten Halteelements 18 angeordneten Verzahnungsbereich 22 nach radial innen gedrückt. Somit lässt sich eine Verriegelungsfunktion und durch Verdrehen des zweiten Halteelements 18 relativ zum Schaltelement 2 eine Entriegelungsfunktion des Schaltelements 2 darstellen.
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Der erste Schaltvorgang, nämlich der Übergang des Schaltelements 2 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, erfolgt durch eine Zustandsänderung des Aktuators 6 (16 bis 22). Die Energie für die axiale Bewegung des Schaltelements 2 aus der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wird über das drehende Abtriebselement 5 bereitgestellt.
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12 bis 15 zeigen das Schaltelement 2 in einer ersten Schaltstellung. Durch Bestromung der Spule des Aktuators 6 wird der Pin 13 des Aktuators 6 von einer ersten (eingefahrenen) Endlage in eine zweite (ausgefahrene) Endlage bewegt. Vermittels des um die Drehachse 10 schwenkbaren Betätigungselements 7 wird die Betätigungskraft entgegen der Kraftwirkung eines ersten elastischen Elements 14 auf die Laufrolle 8 übertragen. Durch die Rotation des Schaltelements 2 um die zentrale Drehachse 11 des Abtriebselements 5 kommt die Laufrolle 8 in Eingriff mit der Steuergeometrie 3 des Schaltelementes 2 (Fig. 9a bis 9c). Durch eine entsprechende Gestaltung der axial wirksamen Steuergeometrie 3 (6 bis 9c) erfährt das Schaltelement 2 bei Drehung um die zentrale Drehachse 11 eine axiale Hubbewegung.
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Während des ersten Schaltvorganges wird ein zweites elastisches Element 15 gespannt und das Schaltelement 2 wird am Ende des ersten Schaltvorganges über die dritten elastischen Elemente 19 der ersten Haltelemente 17 in der zweiten Schaltstellung formschlüssig arretiert. Die Kraftwirkung des Aktuators 6 fixiert am Ende des ersten Schaltvorganges die Endlage des Betätigungselementes 7 entgegen der wirkenden Federkraft des vorgespannten ersten elastischen Elements 14 (Fig. 23 bis 26).
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Der zweite Schaltvorgang, nämlich der Übergang des Schaltelements 2 von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, erfolgt über eine neuerliche Zustandsänderung des Aktuators 6. Dabei wird vermittels der in dem ersten elastischen Element 14 gespeicherten Energie der Pin 13 des Aktuators 6 über das Betätigungselement 7 von der zweiten (ausgefahrenen) Endlage in eine erste (eingefahrene) Endlage bewegt. Dies erfolgt je nach Ausführung des Aktuators 6 durch Bestromung oder durch Stromlosschalten bzw. Gegenbestromung der Spule des Aktuators 6. In der Folge wird das am Betätigungselement 7 über das Befestigungselement 42 angeordnete Bremselement 9 in Eingriff mit dem an einem zweiten Halteelement 18 ausgebildeten Innenkonus 21 gebracht. Dies bewirkt eine Verdrehung des zweiten Halteelements 18 relativ zum Schaltelement 2, wodurch die dritten elastischen Elemente 19 der ersten Halteelemente 17 vermittels der Zahnflanken des am zweiten Halteelement 18 ausgebildeten Verzahnungsbereichs 22 radial nach innen gedrückt werden und der Entriegelungsvorgang eingeleitet wird. Vermittels der im zweiten elastischen Element 15 gespeicherten Energie erfolgt die Bewegung des Schaltelements 2 von der zweiten in die erste Schaltstellung. Am Ende des zweiten Schaltvorgangs befinden sich das erste elastische Element 14, das zweite elastische Element 15 sowie die dritten elastischen Elemente 19 in einer entspannten Endlage.
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Fig. 9a, Fig. 9b und 9c zeigen die Position von Laufrolle 8 und Steuergeometrie 3 in unterschiedlichen Hub- und Drehwinkelstellungen des Schaltelements 2. In der ersten Schaltstellung (9a) ist ein radiales Spiel 24 zwischen der Stirnfläche eines Laufrollen-Lagerbolzens 25 und der äußeren Mantelfläche 26 des Schaltelements 2 vorgesehen. Während dem ersten Schaltvorgang (9b) wird die Laufrolle 8 mit der Steuergeometrie 3 des Schaltelements 2 in Eingriff gebracht. Die maximal mögliche Schwenkbewegung des Betätigungselements 7 um die Drehachse 10 wird über die, in Bezug auf die zentrale Drehachse 11 des Abtriebselements 5 radial innenliegende, Stirnfläche des Laufrollen-Lagerbolzes 25 begrenzt und die Laufrolle 8 kann entlang der Steuergeometrie 3 abrollen oder gleiten. Am Ende des ersten Schaltvorganges (9c), nämlich in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2, kann der Laufrollen-Lagebolzen 25 durch die an der Steuergeometrie 3 lokal eingearbeitete Hinterschneidung 12 weiter nach radial innen in Richtung zu der zentralen Drehachse 11 des Antriebselements 4 schwenken, bis das Betätigungselement 7 seine, vorzugsweise über einen gehäusefesten Anschlag begrenzte, Endstellung eingenommen hat. Derart erreicht die Laufrolle 8 eine Endposition in der eine allseitige Freistellung von Laufrolle 8 und Steuergeometrie 3 möglich wird (radiales Spiel 24, axiales Spiel 27). Ein Kontakt von Laufrolle 8 und Steuergeometrie 3 erfolgt lediglich kurzzeitig während dem ersten Schaltvorgang und es können sowohl in der ersten Schaltstellung wie auch in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2 permanente Reibungsverluste vermieden werden. In der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung ist ein radiales Spiel 24 zwischen dem Lagerbolzen 25 und dem ersten radialen Abschnitt 44 bzw. dem dritten radialen Abschnitt 46 vorhanden - so wird ein Freigang zwischen dem Lagerbolzen 25 und dem ersten radialen Abschnitt 44 sowie dem zweiten radialen Abschnitt 46 gewährleistet.
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27 zeigt eine beispielhafte Kraftfahrzeugarchitektur mit einer längs zur Fahrtrichtung angeordneten Verbrennungskraftmaschine 28, welche, neben der Verbrennungskraftmaschine 28, als wesentliche leistungsübertragende Komponenten ein Hauptgetriebe 29, ein Verteilergetriebe 30, ein Vorderachsgetriebe 31, ein Hinterachsgetriebe 32 sowie vordere Seitenwellen 33 und hintere Seitenwellen 34 umfasst. Im Allradbetrieb, auch als „4WD“-Betrieb bezeichnet, erfolgt über das Verteilergetriebe 30 eine bedarfsgerechte Verteilung des Antriebsmomentes auf die vorderen Seitenwellen 33 und die hinteren Seitenwellen 34.
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Die Begrifflichkeit „4WD“ steht für „four wheel drive“ und beschreibt einen Kraftfahrzeugantrieb über zumindest zwei Kraftfahrzeugachsen, in dem in 27 gezeigten Beispiel eine Vorderachse 35 und eine Hinterachse 36.
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Im „2WD“-Betrieb, hier dem Antrieb über eine Hinterachse 36, erfolgt die Leistungsübertragung durch das Verteilergetriebe 30 zur Gänze über die hintere Kardanwelle 37 auf die Hinterräder des Kraftfahrzeuges. Die als Koppelelement ausgeführte Trenn-Einheit 38, auch „Disconnect“-Einheit genannt, ermöglicht in diesem Betriebszustand - mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 - eine gänzliche Stilllegung des Winkeltriebs im Vorderachsgetriebe 31 sowie der vorderen Kardanwelle 39, wodurch ein ökonomischer „2WD“-Betrieb durch Reduktion unnötiger Schleppverluste gewährleistet wird.
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Die Begrifflichkeit „2WD“ steht für „two wheel drive“ und beschreibt einen Kraftfahrzeugantrieb über lediglich eine Kraftfahrzeugachse, in dem in 27 gezeigten Beispiel die Hinterachse 36 oder die Vorderachse 35.
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Die Steuerung der „Disconnect“-Einheit 38 und somit der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 erfolgt durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt) über eine elektrische Steuerleitung 40.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungsanordnung
- 2
- Schaltelement
- 3
- Steuergeometrie
- 4
- Antriebselement
- 5
- Abtriebselement
- 6
- Aktuator
- 7
- Betätigungselement
- 8
- Laufrolle
- 9
- Bremselement
- 10
- Drehachse
- 11
- Zentrale Drehachse (des Abtriebselements)
- 12
- Hinterschneidung
- 13
- Pin
- 14
- Erstes elastisches Element
- 15
- Zweites elastisches Element
- 16
- Haltemechanismus
- 17
- Erstes Halteelement
- 18
- Zweites Halteelement
- 19
- Drittes elastisches Element
- 20
- Haltegeometrie
- 21
- Innenkonus
- 22
- Verzahnungsbereich
- 23
- Steg
- 24
- Radiales Spiel
- 25
- Lagerbolzen (der Laufrolle)
- 26
- Äußere Mantelfläche
- 27
- Axiales Spiel
- 28
- Verbrennungskraftmaschine
- 29
- Hauptgetriebe
- 30
- Verteilergetriebe
- 31
- Vorderachsgetriebe
- 32
- Hinterachsgetriebe
- 33
- Vordere Seitenwelle
- 34
- Hintere Seitenwelle
- 35
- Vorderachse
- 36
- Hinterachse
- 37
- Hintere Kardanwelle
- 38
- Trenn-Einheit („Disconnect“-Einheit)
- 39
- Vordere Kardanwelle
- 40
- Elektrische Steuerleitung
- 41
- Mitnahmeverzahnung
- 42
- Befestigungselement
- 43
- Durchführungsöffnung
- 44
- Erster radialer Abschnitt
- 45
- Zweiter radialer Abschnitt
- 46
- Dritter radialer Abschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011085839 A1 [0004]
