DE102017222758A1

DE102017222758A1 - Trennkupplungseinheit und Kontrolllogik für E-Drive Anwendungen

Info

Publication number: DE102017222758A1
Application number: DE102017222758.3A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hofer; Simon Jantscher; Wolfgang Schweiger
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: WO2019115208A1; DE102017222758B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine passive Trennkupplungseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine erste Welle (2), die eine Vielzahl von Aufnahmeaussparungen (13) aufweist, eine zweite zur ersten Welle parallele Welle (3), eine Kupplungsmuffe (4), die zumindest um den Eingriffsabschnitt axialverschiebbar angeordnet ist, wobei die Kupplungsmuffe eine Aufnahme (10) und eine Verschieberampe (7, 8) aufweist, die in Axialrichtung benachbart angeordnet sind und eine Vielzahl von Eingriffselementen (14), die von der zweiten Welle (3) aufgenommen und an dem Eingriffsabschnitt der ersten und zweiten Welle (2, 3) angeordnet sind und die zwischen einer Kuppelposition und einer Freilaufposition bewegbar sind, wobei das Eingriffselement (14) in der Kuppelposition an der Aufnahmeaussparung (13) der ersten Welle (2) und an der Verschieberampe (7, 8) der Kupplungsmuffe (4) und in der Freilaufposition in der Aufnahme (10) der Kupplungsmuffe (4) angeordnet ist, wobei die Verschieberampe (7, 8) der Kupplungsmuffe (4) in Bezug auf die Axialrichtung geneigt ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Trennkupplungseinheit und eine Kontrolllogik für Steueranwendungen einer solchen Trennkupplungseinheit.
Stand der Technik
In modernen Antriebssträngen kommen, zusätzlich zum Verbrennungsmotor, immer häufiger elektrische Traktionsmaschinen (EM) zur Unterstützung bei Beschleunigungsvorgängen (Boosten) sowie zum Rückgewinnen (Rekuperieren) der Bewegungsenergie beim Verzögern des Fahrzeuges zum Einsatz. Auch das rein elektrische Fahren im unteren Geschwindigkeitsbereich (z.B. eParking) gewinnt zunehmend an Bedeutung. Leistungsverzweigte Getriebe hingegen nutzen die EM zur Steuerung der Drehmomentverteilung zwischen den Rädern einer Antriebsachse oder zur Steuerung der Drehmomentverteilung zwischen Primär- und Sekundärachse des Fahrzeuges.
Elektrische Maschinen für derartige Anwendungen sind zugunsten von Bauraum und Gewicht tendenziell kompakt gebaut. Um trotz kompakter Bauweise ausreichende Fahrleistungen zu erzielen, kommen hochdrehende Maschinenkonzepte zur Anwendung. Das dabei resultierende Drehzahlniveau muss entsprechend der an der Antriebsachse geforderten Drehzahl durch ein geeignetes, meist mehrstufiges, Reduktionsgetriebe untersetzt werden. Somit kann die elektrische Maschine häufig nur bis zu einem bauartbedingten Grenzdrehzahlbereich betrieben werden und ist bei Überschreitung dieser zulässigen Maschinen-Grenzdrehzahl unverzüglich und zuverlässig vom restlichen Antriebsstrang zu entkoppeln.
Die mechanische Untersetzung wiederum verursacht auf Achsniveau ein hohes wirksames Massenträgheitsmoment von EM und Reduktionsgetriebe. In hochdynamischen Fahrsituationen kann ein Bremseneingriff (z.B. ABS-Bremsung, ESP-Eingriff) oder eine sprunghafte Änderung des Reibwertes zwischen Reifen und Straße durch das auf Achsniveau hohe wirkende Massenträgheitsmoment von EM und Reduktionsgetriebe Komponenten im Antriebsstrang schädigen oder zerstören.
Konventionelle, elektro-mechanisch oder elektro-hydraulisch angesteuerte Trennkupplungen können die in solchen kritischen Betriebszuständen (hohe Drehzahlgradienten, hohe Drehmomentgradienten) geforderte Schaltdynamik zufolge der begrenzten Aktuatorleistung im Allgemeinen nicht gewährleisten bzw. sie sind für viele elektrifizierte Getriebeanwendungen aufgrund von Package- und Kostenvorgaben nicht umsetzbar.
Zur Steuerung form- oder reibschlüssiger Schaltelemente kommen unterschiedliche Steuerungsprinzipien zum Einsatz. Es sind einerseits vollaktive, bspw. über Elektromagnetspulen, unabhängig vom Betriebszustand des Fahrzeuges ansteuerbare Schaltelemente und andererseits vollständig passive, bspw. nach dem Prinzip der Fliehkraftwirkung oder der reibschlüssigen Drehmomentbegrenzung wirkende, Schaltelemente bekannt.
Die Offenlegungsschrift DE 102014 209 808 A1 beschreibt eine formschlüssige Kupplung mit radial verlagerbaren Kugeln als Koppelelemente, welche vollaktiv durch Bestromen oder stromlos schalten einer Elektromagnetspule über ein elektrisches Steuersignal betätigbar ist. Nachteilig dabei ist der hohe Aufwand für die Integration von Elektromagnetspule, Kabelstrang und Steuergerät. Weiters ist die erreichbare Schaltdynamik von Steuergeräte-Kommunikationszeiten (Bus sample time) und der elektromagnetischen Zeitkonstante des Aktuators abhängig, was bei hohen Drehzahl- und/ oder Drehmomentgradienten bereits unzulässig hohe Schaltzeiten mit sich bringen kann. In 12 ist eine Seitenansicht einer solchen formschlüssigen Kupplung dargestellt. Die Kupplung 1 dient zur Zu- und Abschaltung eines Antriebsstrangs für Allradfahrzeuge und umfasst eine erste Welle 2, eine zweite Welle 3, die koaxial zur ersten Welle 2 angeordnet ist, eine Kupplungsmuffe 4, welche relativ zur ersten Welle 2 und zur zweiten Welle 3 in Achsrichtung verschiebbar ist und ein formschlüssiges Kuppeln oder Entkuppeln der ersten Welle 2 und der zweiten Welle 3 bewirken kann, und eine strombeaufschlagbare Spule 6, wobei eine Vielzahl von Eingriffskörpern 9 drehfest mit der ersten Welle 2 verbunden sind. Die strombeaufschlagbare Spule 6 ist koaxial zur Achsrichtung angeordnet, wobei durch Strombeaufschlagung der Spule 6 die Kupplungsmuffe 4 in Achsrichtung verschiebbar ist, wobei durch Verschieben der Kupplungsmuffe 4 in Achsrichtung, die Eingriffskörper 9 über einen Teil ihrer Höhe in Aufnahmen 13 gedrückt werden können, wobei die Aufnahmen 13 drehfest mit der zweiten Welle 3 verbunden sind.
Die Patentschrift DE 40 27 209 C1 beschreibt einen fliehkraftbetätigten selbstverriegelnden Freilauf mit radial verlagerbaren Kugeln als Koppelelemente welche passiv ohne externe Aktuatorik über ein axial verschiebbares Schaltelement betätigbar sind. Eine Verschiebung des Schaltelementes erfolgt durch eine radiale Verlagerung von Fliehmassen, welche in einem sich nach außen konisch verjüngenden Hohlraum gehalten sind.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es eine zuverlässige Trennung der Kupplung zu ermöglichen wenn eine Grenzdrehzahl erreicht wird und dabei einen möglichst einfachen Aufbau der Kupplung und der Kupplungssteuerung zu behalten.
Diese Aufgabe wird gelöst von einer Trennkupplungseinheit nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 7. Weitere die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine formschlüssige Kupplungsanordnung mit radial verlagerbaren Koppelelementen welche über ein axial verschiebbares Schaltelement betätigbar sind, sowie eine Kontrolllogik zum drehzahlgesteuerten Betrieb der Kupplung, welche vorzugsweise zur Zu- und Abschaltung einer elektrischen Maschine (Elektromotor) vom restlichen Antriebsstrang eines Allradfahrzeuges Anwendung findet. Ein Öffnen der Kupplung kann, bei entsprechender Auslegung der Kupplungskomponenten, in Abhängigkeit von der absoluten Drehzahl einer der beiden Wellen und/oder in Abhängigkeit vom übertragenen Drehmoment erfolgen. Ein Schließen der Kupplung ist darüber hinaus nur in einem eingeschränkten Differenzdrehzahlfenster möglich.
Eine erfindungsgemäße Trennkupplungseinheit für ein Kraftfahrzeug umfasst eine erste Welle, die eine Aufnahmeaussparung aufweist, eine zweite, zur ersten Welle parallel und insbesondere koaxial ausgerichtete Welle, wobei sich die erste und zweite Welle vorzugsweise an einem Eingriffsabschnitt in Axialrichtung überlappen, eine Kupplungsmuffe, die zumindest um den Eingriffsabschnitt axialverschiebbar angeordnet ist, wobei die Kupplungsmuffe eine Aufnahme und eine Verschieberampe aufweist, die in Axialrichtung benachbart angeordnet sind, eine Vielzahl von Eingriffselementen, insbesondere eine Vielzahl von Eingriffskugeln oder- Walzen, die von der zweiten Welle aufgenommen und an dem Eingriffsabschnitt der ersten und zweiten Welle angeordnet sind und die zwischen einer Kuppelposition und einer Freilaufposition bewegbar sind, wobei das Eingriffselement in der Kuppelposition an der Aufnahmeaussparung der ersten Welle und an der Verschieberampe der Kupplungsmuffe und in der Freilaufposition in der Aufnahme der Kupplungsmuffe angeordnet ist, und wobei die Verschieberampe der Kupplungsmuffe in Bezug auf die Axialrichtung geneigt ausgebildet ist. Durch die geneigte Ausbildung der Verschieberampe ist es möglich, dass die Kupplungsmuffe durch die Fliehkraft, die auf das Eingriffselement wirkt, verschoben wird und so das Eingriffselement in die Freigabeposition bewegt wird. Ferner ist es möglich die Kupplungsmuffe ohne jegliche aktive Steuerung (wie z.B. elektomagnetisch, elektromechanisch, elektrohydraulisch) auszubilden, was den Bauraum für die Kupplung reduziert und die Kosten senkt. Derartige Kupplungen können, insbesondere in Form sogenannter Decoupling-Systeme, zum Trennen der elektrischen Maschine als Schutz vor unzulässig hohen Drehzahlen und/oder unzulässig hohen Drehmomenten eingesetzt werden.
Vorzugsweise umfasst die Verschieberampe der Kupplungsmuffe unterschiedliche Neigungen, insbesondere stufenlose oder abgestufte Neigungen. Es können zwei unterschiedliche Neigungen oder auch noch mehr Abstufungen vorgesehen sein, um unterschiedliche Aktivierungsdrehzahlen beim Ein- und Auskuppeln zu realisieren. So können auch sich kontinuierlich ändernde Neigungsverläufe realisiert werden, was die Einstellmöglichkeiten bezüglich der Ein- und Auskuppeldrehzahlebereiche stark erweitert.
Vorzugsweise ist die Neigung der Verschieberampe der Kupplungsmuffe benachbart zur Aufnahme größer, als entfernt zur Aufnahme. Dadurch wird sichergestellt, dass die benötigte Drehzahl zum Auskuppeln größer ist, als die Drehzahl zum Einkuppeln. Insbesondere ist die Neigung der Verschieberampe in dem Bereich, an dem das Eingriffselement in der Kuppelposition anliegt, zur Längsachse der Kupplung in einem Winkel zwischen 45° und 20° Grad ausgebildet, weiter vorzugsweise zwischen 22° und 30°.
Vorzugsweise verlaufen die Neigung oder die Neigungen linear. Diese sind in der Herstellung einfach zu realisieren und reichen für die angeforderte passive Trennung der Kupplung aus.
Bevorzugt weisen die Aufnahmen in der ersten Welle zumindest in Umfangsrichtung geneigte Seitenflächen aufweist. Durch die geneigten Seitenflächen wird zusätzlich zur Kupplungstrennung bei Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl eine Kupplungstrennung bei Erreichen eines vorbestimmten Drehmoments ermöglicht. Die geneigten Seitenflächen drücken (ebenso wie die Fliehkraft durch die Drehzahl) die Eingriffselemente radial nach außen gegen die Verschieberampe und bewegen die Verschieberampe in Öffnungsrichtung. So werden die Eingriffselemente aus der Aufnahme der ersten Welle herausgehoben und die Verbindung der ersten und zweiten Wellen gelöst. Der Querschnitt der Aufnahmen in der ersten Welle ist bevorzugt zumindest in Umfangsrichtung mit einem Radius versehen und insbesondere kreisförmig oder oval ausgebildet.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Steuerungsverfahren für eine Trennkupplungseinheit, insbesondere für eine Trennkupplungseinheit die vorhergehend beschrieben wurde, und umfasst die Schritte des Festlegens eines ersten Drehzahlgrenzbereichs mit einer niedrigen Grenzdrehzahl und einer höheren Grenzdrehzahl, des Festlegens eines energieeffizienten oder komfortablen Fahrmodus und des Auskuppelns der Trennkupplung je nach festgelegtem Fahrmodus im Bereich der niedrigen oder der höheren Grenzdrehzahl. Dadurch wird eine Beschädigung des (Elektro)Antriebs oder anderer Komponenten vermieden. Der Schaltzustand kann, bei entsprechender Auslegung der Kupplungskomponenten, in Abhängigkeit von der absoluten Drehzahl einer der beiden Wellen, von der zwischen beiden zu koppelnden Wellen anliegenden Differenzdrehzahl und/oder in Abhängigkeit vom übertragenen Drehmoment erfolgen.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Festlegens eines zweiten Drehzahlgrenzbereichs mit einer niedrigen Grenzdrehzahl und einer höheren Grenzdrehzahl umfassen, wobei ein Drehzahlgrenzbereich für den Einkuppelvorgang und ein Drehzahlgrenzbereich für den Auskuppelvorgang vorgesehen sind. Unterschiedliche Drehzahlgrenzbereiche ermöglichen eine bessere Einstellung der Ein- und Auskuppelvorgänge.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner den Schritt des Abschaltens oder Anfahrens des (Elektro)Antriebs umfassen wenn die vorbestimmte Grenzdrehzahl für den jeweiligen Fahrmodus erreicht ist. Dadurch kann zum einen Energie gespart werden, da der Antrieb abgeschaltet wird wenn er nicht gebraucht oder mitgeschleppt werden müsste, gleichzeitig aber sichergestellt, dass er anläuft bevor die Trennkupplung wieder schließt um ein ruckartiges Anschließen an den Antriebsstrang zu vermeiden.
Das Verfahren kann ferner die Schritte des Messens der konkreten Grenzdrehzahl bei der die Kupplung Auskuppelt oder Einkuppelt, des Ermittelns eines neuen Drehzahlgrenzbereichs für den Einkuppel- und Auskuppelvorgang, des Prüfens des neuen Drehzahlgrenzbereichs auf Plausibilität und des Verwendens des neuen Drehzahlgrenzbereichs umfassen. Diese Verfahrensschritte dienen der Optimierung des Steuerverfahrens.
Figurenliste

1 zeigt eine Vergrößerung des Eingriffsabschnitts der Trennkupplung in einem eingekuppelten Zustand;
2 zeigt eine Vergrößerung des Eingriffsabschnitts der Trennkupplung in einem ausgekuppelten Zustand;
3 zeigt qualitativ den Zusammenhang von Drehmoment und Drehzahl einer beispielhaften elektrischen Antriebsvorrichtung darstellt;
4 zeigt den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahl einer beispielhaften elektrischen Antriebsvorrichtung während eines Schaltvorgangs für ein energieeffizientes Auskuppeln;
5 zeigt den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahl einer beispielhaften elektrischen Antriebsvorrichtung während eines Schaltvorgangs für ein komfortorientiertes Auskuppeln;
6 zeigt den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahl einer beispielhaften elektrischen Antriebsvorrichtung während eines Schaltvorgangs für ein energieeffizientes Einkuppeln;
7 zeigt den qualitativen Zeitlichen Verlauf der Drehzahl der elektrischen Antriebsvorrichtung während eines Schaltvorgangs für ein komfortorientiertes Einkuppeln;
8 zeigt den qualitativen Zeitlichen Verlauf der Drehzahl der elektrischen Antriebsvorrichtung während eines Abbruchs des Kuppelvorgangs;
9 zeigt zwei separate Drehzahlgrenzbereiche für den Ein- und Auskuppelvorgang;
10 zeigt zwei separate Drehzahlgrenzbereiche für den Ein- und Auskuppelvorgang nach Optimierungsschleifen;
11 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerlogik für die Optimierung der Drehzahlgrenzbereiche; und
12 zeigt eine Trennkupplung aus dem Stand der Technik.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wenn im folgenden die Begriffe „axial“, „radial“ und „umfänglich“ verwendet werden, beziehen sich diese auf die Längsachse der Trennkupplung 1. Der grundsätzliche Aufbau der bevorzugten Trennkupplung 1 gemäß der Erfindung entspricht dem der Kupplung aus dem Stand der Technik, der in 12 dargestellt ist. Deswegen wurden bei den gemeinsamen Merkmalen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ferner wird die in den Figuren nicht dargestellte Antriebsvorrichtung im folgenden als Elektromotor bezeichnet.
In den 1 und 2 ist der Eingriffsabschnitt der Trennkupplung dargestellt. In 1 ist die Trennkupplung in einem eingekuppelten Zustand dargestellt, in 2 ist die Trennkupplung 1 ausgekuppelt. Die formschlüssige Trennkupplung 1 weist eine erste Welle 2 und eine zweite Welle 3 auf, die jeweils mit einer Antriebsvorrichtung wie beispielsweise einem elektrischen Motor (nicht in den Figuren dargestellt) versehen ist. Im folgenden wird davon Ausgegangen, dass die erste Welle 2 mit dem elektrischen Motor verbunden ist und die zweite Welle 3 mit dem Antriebsstrang. Die erste Welle 2 wird mit der zweiten Welle 3 über eine formschlüssige Verbindung verkuppelt. In der bevorzugten Verbindung überlappen die erste und zweite Welle sich an einem Eingriffsabschnitt. An diesem Eingriffsabschnitt ist die lösbare Verbindung der beiden Wellen vorgesehen. Dafür ist in der ersten Welle 2 eine Vielzahl von Aufnahmen 13 ausgebildet, in der jeweils ein Eingriffselement 14 aufgenommen ist. Die zweite Welle 3 weist ebenso Aufnahmen 11 für die Eingriffselemente 14 auf. Die Aufnahmen 11, 13 legen das Eingriffselement 14 in Umfangsrichtung fest, so dass wenn die erste Welle angetrieben wird, sich das Drehmoment auf die zweite Welle 3 überträgt. Das Eingriffselement 14 wird von einer Kupplungsmuffe 4 in den Aufnahmen 11, 13 gehalten, so dass es sich bei Normalbetrieb der Trennkupplung 1 nicht aus den Aufnahmen 11, 13 in radialer Richtung heraus bewegen kann. Vorliegend ist die zweite Welle als Abtriebswelle vorgesehen und liegt in radialer Richtung um die erste Welle herum. Es kann aber auch sein, dass die erste Welle als Abtriebswelle verwendet wird oder die erste Welle um die zweite Welle herum angeordnet ist. Die Wellen sind insbesondere koaxial angeordnet.
Die Aufnahmen 13 der ersten Welle 2 sind umfänglich um die Welle 2 angeordnet und als Aussparungen ausgebildet. Die Aufnahmen 13 können grundsätzlich auch mit einem flachen Boden und geraden Wänden versehen sein. Vorzugsweise sind sie jedoch zumindest in Umfangsrichtung, also an den Seiten die im Betrieb die Kraft auf das Eingriffselement 14 übertragen, mit geneigten Seitenwänden Böden oder mit einem runden oder ovalen Querschnitt ausgebildet. Wenn schräg oder mit Radien geformte Seitenwände der Aufnahme 13 der ersten Welle 2 dann im Betrieb gegen das Eingriffselement 14 drücken, wird dieses in radialer Richtung angehoben (in 9 nach oben gedrückt). So kann das Drehmoment zusätzlich zur Fliehkraft durch die Drehzahl das Eingriffselement 14 nach außen drücken und als Steuergröße verwendet werden.
Die Aufnahmen 11 der zweiten Welle 3 sind wie bei der ersten Welle 2 umfänglich um die Welle 3 und über in radialer Richtung an den Aufnahmen 13 angeordnet. Die Aufnahmen 11 sind als Durchgangslöcher oder -bohrungen ausgebildet, die an die Form der Eingriffselemente 14 angepasst ist.
Die Eingriffselemente 14 sind vorzugsweise als Kugel oder als Rolle/Walze ausgebildet und liegen im Normalbetrieb der Trennkupplung in den Aufnahmen 11, 13 der Wellen 3, 2. In den Figuren sind die Eingriffselemente 14 als Kugeln dargestellt. Darüber hinaus können die Eingriffselement auch als um eine Drehachse gelagerte Hebel ausgeführt sein (fliehkraftbetätigte Hebel).
Die Kupplungsmuffe 4 ist am Außenumfang angebracht und schließt die beiden Wellen 2, 3 ein und ist zumindest um den Eingriffsabschnitt herum angeordnet. Die Kupplungsmuffe 4 ist axial bewegbar und weist eine oder mehrere Aufnahmen 10 für die Eingriffselemente 14 auf.
Die Aufnahme ist vorliegend als Ende mit einer dünneren Wandstärke ausgebildet, bzw. ist bei der Aufnahme 8 ein größerer Innenradius vorgesehen, als bei der in Axialrichtung benachbarten Auflagefläche, an der das Eingriffselement 14 anliegt, wenn die Trennkupplung 1 beide Wellen 2, 3 verbindet. Die Auflagefläche ist als eine Verschieberampe 7, 8 ausgebildet und weist zur Längsachse der Trennkupplung 1 eine Neigung auf. Insbesondere sind zwei oder mehrere unterschiedliche Neigungen an der Verschieberampe 7, 8 vorgesehen, um das Einkuppeln und das Auskuppeln der Trennkupplung 1 bei unterschiedlichen Drehzahlen realisieren zu können. Vorzugsweise ist die Neigung zur Längssachse der Trennkupplung 1 der Verschieberampe 7, 8 der Kupplungsmuffe 4 benachbart zur Aufnahme 8 größer, als entfernt zur Aufnahme 8. Insbesondere ist die Neigung der Verschieberampe in dem Bereich, an dem das Eingriffselement 14 in der Kuppelposition anliegt, zur Längsachse der Kupplung in einem Winkel zwischen 45° und 20° Grad ausgebildet, weiter vorzugsweise zwischen 22° und 30°. Die Neigung sind zur Aufnahme hin abfallend, d.h. der Innendurchmesser der entsprechenden Bohrung der Kupplungsmuffe wird zur Aufnahme hin größer.
Zur Betätigung in Schließrichtung ist eine Vorspanneinheit 5 vorgesehen. Eine solche Vorspanneinheit 5 kann als elektromagnetische Spule ausgebildet sein, vorzugsweise ist die Verschiebeeinheit 5 jedoch rein mechanisch ausgebildet, beispielsweise als Federsystem, dass die Kupplungsmuffe 4 in die eingekuppelte Stellung drängt.
In der eingekoppelten Stellung hält die Vorspanneinheit 5 die Kupplungsmuffe 4 in einer Entfernung x_c , das Eingriffselement befindet sich auf einem Radius R_c . Wenn die Drehzahl größer wird, wirkt auf das Eingriffselement 14 eine Fliehkraft und je nach Ausgestaltung der Aufnahme 13 auch eine aus dem Drehmoment resultierende Kraft. Diese drückt das Eingriffselement 14 nach außen und gegen die Verschieberampe 8. Da diese Verschieberampe 8 einen flacheren Winkel aufweist, ist die notwendige Kraft zum verschieben der Kupplungsmuffe 4 relativ groß. Wenn die erste Steigung überwunden ist, wird jedoch die auf das Eingriffselement 14 wirkende Fliehkraft größer (eine Umlaufbahn mit größerem Radius) und sobald die zweite Neigung 7 der Verschieberampe erreicht wird, wird das Eingriffselement in die Aufnahme 10 der Kupplungsmuffe bewegt. Die Vorspanneinheit 5 ist zusammengedrückt und die Kupplungsmuffe in einer Entfernung x_d angeordnet und das Eingriffselement 14 an einem Radius R_d . Der geöffnete Zustand kann durch das Erreichen der Schaltdrehzahl erfolgen aber auch durch überschreiten des maximal übertragbaren Drehmomentes. In beiden Fällen wirkt die Kugel auf den Steuerkonus und verschiebt dadurch das Schaltelement. Die Kugel wird durch Drehzahl und/oder durch Drehmoment radial nach außen gedrückt. Beim Einkuppeln nähert sich die Abtriebsdrehzahl wieder an den Einkuppelgrenzdrehzahlbereich an. Dadurch verringert sich die Fliehkraft und die Vorspanneinheit 5 verschiebt die Kupplungsmuffe wieder in den Einkoppelzustand (siehe 1).
Die erfindungsgemäße Steuerlogik der Elektromotor-Ansteuerung wird anhand der 1 bis 8 beschrieben. 4 und 5 beschreiben den Entkoppelvorgang und 6 und 7 bei beschreiben den Einkoppelvorgang des drehzahlgesteuerten Schaltmechanismus.
3 zeigt beispielhaft den Drehzahl-Drehmoment Zusammenhang der elektrischen Maschine (des Elektromotors) im motorischen Betrieb mit den Grenzdrehzahlen n_A und n_B sowie der maximalen aktiven Drehzahl n_c des Elektromotors. Bei Erreichen der unteren Grenzdrehzahl n_A kann der drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus auslösen und die Trennkupplung öffnen. Bei Erreichen der oberen Grenzdrehzahl n_B hat der drehzahlgesteuerte Schalmechanismus zuverlässig ausgelöst und die Trennkupplung ist geöffnet. Die obere Grenzdrehzahl n_B ist stets höher als die untere Grenzdrehzahl n_A und im Normalfall kleiner als die max. Maschinendrehzahl n_c . Das Drehzahlfenster D kennzeichnet somit den Bereich für das Ansprechen des drehzahlgesteuerten Schalmechanismus.
In den 4 bis 8 ist die Drehzahl des Elektromotors als durchgezogene Linie gezeichnet und die Drehzahl der Abtriebswelle/des Anstriebsstrangs als gestrichelte Line.
4 zeigt beispielhaft den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahlen von Elektromotor und Antriebsstrang während einem Schaltvorgang für ein energieeffizientes Entkoppeln des Elektromotors vom Antriebsstrang. Das energieeffiziente Entkoppeln ist abrupter, da der Elektromotor auf eine vorbestimmte Abkoppeldrehzahl gebracht wird, sobald die untere Grenzdrehzahl erreicht ist. In 4 wird die untere Grenzdrehzahl nA₁ zum Zeitpunkt t=t1 erreicht. Ab hier kann der drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus auslösen und an den Elektromotor würde ein negatives Drehmoment gestellt. Zum Zeitpunkt t=t2 öffnet der drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus, obwohl die obere Grenzdrehzahl n_B1 noch nicht erreicht wurde. Aufgrund des Drehmomentabfalles im Elektromotor und/oder weiteren Parametern wie beispielsweise die Relativdrehzal zwischen erster und zweiter Welle kann festgestellt werden, dass die Kupplung 1 nun gehöffnet wurde. Ab diesem Zeitpunkt wird die Elektromotor auf Drehzahl Null oder einer anderen vorbestimmten Minimaldrehzahl geregelt, sofern dies für das Gesamtsystem einen energetischen Vorteil bringt. Das Zeitfenster für den Trennvorgang ist mit T=t2-t1 gekennzeichnet. Kurz zusammengefasst treibt der Elektromotor beim energieeffizienten Abkuppeln über die geschlossene Trennkupplung die Abtriebswelle (bspw. die zweite Welle 3) an und bei Erreichen der unteren Grenzdrehzahl n_A1 wird der Motor nicht mehr angetrieben sondern aktiv oder passiv (über das Schleppmoment) gebremst. Solange die passive Trennkupplung 1 noch nicht ausgekuppelt hat wird der Elektromotor von der Abtriebswelle mitgeschleppt. Sobald das Eingriffselement 9 aus der Aufnahme 13 der Antriebswelle (hier die erste Welle 2) durch die Fliehkraft zufolge der Drehzahl oder dem Druck zufolge des Drehmoments herausbewegt wird, wird die Minimaldrehzahl am Elektromotor angewendet.
5 zeigt beispielhaft den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahlen des Elektromotors und des Antriebsstrangs während eines Schaltvorgangs für ein komfortorientiertes Entkuppeln der elektrischen Maschine vom Antriebsstrang. Beim komfortorientierten Entkuppeln wird der Motor zu einem späteren Zeitpunkt abgekoppelt, damit sichergestellt ist, dass das Abkuppeln vom Fahrer nicht wahrnehmbar ist. Zum Zeitpunkt t=t1 wird die untere Grenzdrehzahl n_A1 erreicht. Ab hier kann der drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus auslösen und an der EM wird drehmomentfrei mitgeführt. Zum Zeitpunkt t=t2 wird die obere Grenzdrehzahl n_B1 erreicht, der drehzahlgesteuerte Schalmechanismus hat aufgrund seiner mechanischen Auslegung zuverlässig ausgelöst und die Trennkupplung ist geöffnet. Ab diesem Zeitpunkt wird der Elektromotor auf die Minimaldrehzahl geregelt. Diese kann bei Null liegen, kann aber auch mit einer Drehzahl ungleich Null betrieben werden, sofern dies für das Gesamtsystem einen energetischen Vorteil bringt. Das Zeitfenster für den Trennvorgang ist mit T=t2-t1 gekennzeichnet. Der Unterschied zum energieeffizienten Entkoppeln liegt darin, dass bei der oberen Grenzdrehzahl n_B1 die Trennkupplung schon sicher ausgelöst ist und der Elektromotor erst heruntergeschaltet wird, wenn der Fahrer vom Herabsetzen der Drehzahl und auch vom Auskuppeln zuverlässig nichts mitbekommen kann.
6 zeigt beispielhaft den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahlen von Elektromotor und Antriebsstrang während einem Schaltvorgang für ein energieeffizientes Einkuppeln der elektrischen Maschine mit dem Antriebsstrang. Zum Zeitpunkt t=t1 wird die Drehzahl der antriebstrangseitigen Welle erreicht ab welcher der Elektromotor hochgeschleppt werden muss, damit bei einer definierten maximalen Verzögerung der antriebstrangseitigen Welle und einer maximal erreichbaren Beschleunigung des Elektromotors exakt bei der oberen Grenzdrehzahl n_B2 des drehzahlgesteuerten Schaltmechanismus Synchronlauf von Triebstrang und Elektromotor gewährleistet werden kann. Der Elektromotor wird auf einer Drehzahl gehalten die kleiner ist als die Drehzahl der antriebstrangseitigen Welle. Die Drehzahldifferenz muss kleiner sein als das Drehzahlfenster bei der eine formschlüssige Kupplung einkuppeln kann. Zum Zeitpunkt t=t3 hat der drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus wieder verbunden, die Drehzahl des Elektromotors wird ruckartig synchron gezogen. Das Koppeln kann durch einen Drehzahlsprung des Elektromotors exakt bestimmt werden. Ab hier kann der Elektromotor wieder für Hybridfunktionen verwendet werden und ein Drehmoment stellen. Das Zeitfenster für den Koppelvorgang ist mit T=t3-t1 gekennzeichnet. Das bedeutet, die Drehzahl der Abtriebswelle nähert sich der oberen Grenzdrehzahl nB2 des Einkuppeldrehzahlgrenzbereichs und der Elektromotor wird auf eine Einkuppeldrehzahl gebracht. Das Einkuppeln kann dann zu einem Zeitpunkt im Grenzdrehzahlbereich geschehen, bei dem Elektromotor und Abtriebswelle/Antriebsstrang noch nicht vollständig synchronisiert sind.
7 zeigt beispielhaft den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahlen von Elektromotor und Antriebsstrang während einem Schaltvorgang für ein komfortorientiertes Koppeln des Elektromotors mit dem Antriebsstrang. Zum Zeitpunkt t=t1 wird die Drehzahl der antriebstrangseitigen Welle erreicht ab welcher der Elektromotor hochgeschleppt werden muss, damit bei einer definierten maximalen Verzögerung der antriebstrangseitigen Welle und einer maximalen Beschleunigung der EM exakt bei der oberen Grenzdrehzahl n_B2 des Drehzahlfensters des drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus Synchronität von Triebstrang und Elektromotor gewährleistet werden kann. Nachdem der Elektromotor die Drehzahl der antriebstrangseitigen Welle erreicht hat, wird deren Drehzahl mitgeführt, bis die untere Grenzdrehzahl n_A2 des drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus erreicht wird. Zum Zeitpunkt t=t3 wird die untere Grenzdrehzahl n_A2 erreicht und der drehzahlgesteuerte Schaltmechanismus hat wieder sicher verbunden. Ab hier kann der Elektromotor wieder für Hybridfunktionen verwendet werden und ein Drehmoment stellen. Das Zeitfenster für den Koppelvorgang ist mit T=t3-t1 gekennzeichnet. Ein zuverlässiges Einkuppeln erfolgt an der unteren Grenzdrehzahl n_A2 , weswegen der Elektromotor und die Abtriebswelle beim komfortorientierten Einkuppeln einen größeren Zeitraum haben bei dem der Elektromotor mitgeführt werden muss und nicht für Hybridfunktionen zur Verfügung steht.
8 zeigt beispielhaft den qualitativen zeitlichen Verlauf der Drehzahlen von Elektromotor und Antriebsstrang während einem „change of mind“ Vorgang, also einem gewünschten Abbruch des Einkuppelvorganges. Zum Zeitpunkt t=t1 wird die Drehzahl der antriebstrangseitigen Welle erreicht und der Elektromotor bis auf seine Zieldrehzahl hochgeschleppt und auf diesem Drehzahlniveau mitgeführt. Zum Zeitpunkt t=t3 wird die obere Drehzahlgrenze der antriebstrangseitigen Welle überschritten, wodurch der Elektromotor wieder auf die Minimaldrehzahl geregelt wird.
9 zeigt die für den Koppelvorgang E und Entkoppelvorgang D relevanten Grenzdrehzahlen und die zugeordneten Drehzahlbereiche. Die beiden Bereiche können sich decken, überschneiden oder gänzlich auf anderen Drehzahlbereichen liegen. Liegt der Drehzahlbereich für den Koppelvorgang E niedriger als der Drehzahlbereich für den Entkoppelvorgang, so kann diese Hysterese genutzt werden um das Koppeln und Entkoppeln effizienter zu gestalten. Dies ist vorliegend der Fall, wenn unterschiedliche Neigungen für die Verschieberampe 7, 8 ausgebildet sind.
10 zeigt beispielhaft die Möglichkeit des Anlernens des Systemverhaltens. Nach einer ausreichenden Anzahl von Koppel- und Entkoppelvorgängen kann eine Logik das Drehzahlfenster eingrenzen um so einen effizienteren Betrieb des Systems zu erreichen. Das „Anlernen“ kann hier stufenweise erfolgen, sodass in den ersten Schritten fertigungsbedingte Toleranzen berücksichtigt werden können. In späteren Schritten können auch alterungsbedingte Einflüsse des Systems berücksichtigt werden. O1zeigt dabei eine erste Eingrenzung der Drehzahlfenster „Koppeln“ und „Entkoppeln“ und O2 eine zweite Anpassung. Als Optimierungsparameter können beispielsweise die Abtriebsdrehzahl, die Drehzahl der Räder, die Elektromotordrehzahl, die entsprechenden Drehmomente und auch die Temperatur verwendet werden.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Kontrolllogik für das stufenweise Anlernen der Drehzahlfenster.
Bezugszeichenliste

Trennkupplung	1
erste Welle	2
zweite Welle	3
Kupplungsmuffe	4
Vorspanneinheit	5
strombeaufschlagbare Spule (Stand der Technik)	6
Verschieberampe	7, 8
Aufnahmen Kupplungsmuffe	10
Aufnahmen zweite Welle	11
Aufnahmen erste Welle	13
Eingriffselemente	14
untere Grenzdrehzahl	n_A1,n_A2
obere Grenzdrehzahl	n_B1,n_B2
Einkuppeldrehzahlgrenzbereich	E
Auskuppeldrehzahlgrenzbereich	D

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014209808 A1 [0007]
DE 4027209 C1 [0008]

Claims

Trennkupplungseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine erste Welle (2), die eine Vielzahl von Aufnahmeaussparungen (13) aufweist; eine zweite zur ersten Welle parallele Welle (3), eine Kupplungsmuffe (4), die zumindest um den Eingriffsabschnitt axialverschiebbar angeordnet ist, wobei die Kupplungsmuffe eine Aufnahme (10) und eine Verschieberampe (7, 8) aufweist, die in Axialrichtung benachbart angeordnet sind; eine Vielzahl von Eingriffselementen (14), die von der zweiten Welle (3) aufgenommen und an dem Eingriffsabschnitt der ersten und zweiten Welle (2, 3) angeordnet sind und die zwischen einer Kuppelposition und einer Freilaufposition bewegbar sind, wobei das Eingriffselement (14) in der Kuppelposition an der Aufnahmeaussparung (13) der ersten Welle (2) und an der Verschieberampe (7, 8) der Kupplungsmuffe (4) und in der Freilaufposition in der Aufnahme (10) der Kupplungsmuffe (4) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Verschieberampe (7, 8) der Kupplungsmuffe (4) in Bezug auf die Axialrichtung geneigt ausgebildet ist.
Trennkupplungseinheit (1) nach Anspruch 1, bei der die Verschieberampe (7, 8) der Kupplungsmuffe unterschiedliche Formen und/oder Neigungen umfasst.
Trennkupplungseinheit (1) nach Anspruch 2, bei der die Neigung der Verschieberampe der Kupplungsmuffe (4) benachbart zur Aufnahme (10) größer ist als entfernt zur Aufnahme (10).
Passive Trennkupplungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der die Neigungen linear verlaufen.
Trennkupplungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Aufnahmen (13) in der ersten Welle zumindest in Umfangsrichtung geneigte Seitenflächen aufweist.
Trennkupplungseinheit (1) nach Anspruch 5, bei der der Querschnitt der Aufnahmen (13) in der ersten Welle (2) zumindest in Umfangsrichtung mit einem Radius versehen sind.
Steuerungsverfahren für eine Passive Trennkupplungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Festlegen eines ersten Drehzahlgrenzbereichs mit einer niedrigen Grenzdrehzahl (n_A1) und einer höheren Grenzdrehzahl (n_B1); - Festlegen eines energieeffizienten oder komfortablen Fahrmodus; - Auskuppeln der Trennkupplung je nach festgelegtem Fahrmodus im Bereich der niedrigen oder der höheren Grenzdrehzahl.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt des Festlegens eines zweiten Drehzahlgrenzbereichs mit einer niedrigen Grenzdrehzahl (n_A2) und einer höheren Grenzdrehzahl (n_B2), wobei ein Drehzahlgrenzbereich für den Einkuppelvorgang und ein Drehzahlgrenzbereich für den Auskuppelvorgang vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend den Schritt des Abschalten oder Anfahrens des Drehzahlerzeugers wenn die vorbestimmte Grenzdrehzahl für den Fahrmodus erreicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend die Schritte: - Messen der konkreten Grenzdrehzahl bei der die Kupplung Auskuppelt oder Einkuppelt; - Ermitteln eines neuen Drehzahlgrenzbereichs für den Einkuppel- und Auskuppelvorgang; - Prüfen des neuen Drehzahlgrenzbereichs auf Plausibilität; - verwenden des neuen Drehzahlgrenzbereichs.