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Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum Herstellen einer Wirkverbindung zwischen zwei Getriebeteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Schalteinrichtung kann insbesondere an einer Vorrichtung zum elektromotorischen und/oder manuellen Verstellen oder Feststellen eines ersten Fahrzeugteils und eines zweiten Fahrzeugteils relativ zueinander verwendet werden. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise als Türantrieb zum Verstellen einer Fahrzeugseitentür oder einer anderen Klappe in einem Fahrzeug, zum Beispiel einer Heckklappe, dienen.
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Eine derartige Schalteinrichtung umfasst zumindest ein Schaltelement, das verstellbar ist, um die Schalteinrichtung zwischen unterschiedlichen Zuständen zu schalten, einen elektromotorischen Stellantrieb zum Verstellen des zumindest einen Schaltelements und ein Stellgetriebe zum Übertragen einer Stellkraft von dem Stellantrieb auf das zumindest eine Schaltelement. Das Stellgetriebe weist ein entlang einer Bewegungsrichtung über einen Verstellweg verstellbares Getriebeelement auf. Eine Steuereinrichtung dient zum Steuern des Stellantriebs.
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Mittels einer solchen Schalteinrichtung können Getriebeteile zum Übertragen einer Verstellkraft miteinander gekuppelt werden. Durch Entkuppeln der Schalteinrichtung können die Getriebeteile in einen Freilauf geschaltet werden, sodass ein Getriebeteil unabhängig von einem anderen Getriebeteil bewegt werden kann, beispielsweise um eine Fahrzeugtür manuell unabhängig von einer Antriebsvorrichtung zu bewegen.
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Neben einem Kopplungszustand und einem Freilaufzustand kann die Schalteinrichtung auch einen Bremszustand zur Verfügung stellen, in dem Getriebeteile zum Übertragen einer Verstellkraft bremsend miteinander gekoppelt sind. Dies kann zum Beispiel bei einem manuellen Verstellen einer Fahrzeugtür eine Bremskraft bereitstellen, mittels derer eine Bewegungsgeschwindigkeit zum Beispiel beim Zuschlagen der Fahrzeugtür gebremst und die Bewegung der Fahrzeugtür somit gedämpft werden kann.
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Insbesondere im Bremszustand der Schalteinrichtung ist wünschenswert, an der Schalteinrichtung ein definiertes, gewünschtes Bremsmoment einzustellen. Ebenso soll zum Beispiel im Kupplungszustand ein solches Drehmoment eingestellt werden, das eine hinreichende, belastbare Kupplung der Getriebeteile miteinander gewährleistet. Auch im Kopplungszustand können somit hohe Ansprüche an das zu übertragende Moment gestellt werden, z.B. zur Einstellung eines definierten Haltemoments / Durchrutschmoments.
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Generell weist das Stellgetriebe, das den Stellantrieb mit dem zumindest einen Schaltelement der Schalteinrichtung verbindet, Toleranzen auf, die einen Einfluss auf das über den Stellantrieb an dem zumindest einen Schaltelement eingestellte Drehmoment aufweisen. Zudem können Umwelteinflüsse wie zum Beispiel die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit einen Einfluss auf die Schalteinrichtung haben, und Verschleiß an den elektrischen und mechanischen Komponenten der Schalteinrichtung kann Auswirkungen auf das eingestellte Drehmoment haben.
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Wünschenswert ist somit ein genaues Einstellen eines gewünschten Drehmoments an der Schalteinrichtung bei Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen, Umwelteinflüssen, Verschleiß und anderen Effekten, sodass Unbestimmtheiten im eingestellten Drehmoment aufgrund von Toleranzen, Umwelteinflüssen, Verschleiß und anderen Effekten somit zumindest reduziert sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schalteinrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein Einstellen eines Bremsmoments unter Reduzierung des Einflusses von Toleranzen, Umgebungsbedingungen und anderen Effekten auf das eingestellte Bremsmoment ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach umfasst das Stellgetriebe ein elastisches Element, an dem bei Übertragen der Stellkraft von dem Stellantrieb auf das zumindest eine Schaltelement eine Kraft anliegt, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, anhand einer elastischen Verformung des elastischen Elements aufgrund der anliegenden Kraft einen Wert für die Stellkraft zu berechnen.
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Demnach wird in dem Stellgetriebe ein elastisches Element bereitgestellt, dessen elastische Eigenschaften (im Wesentlichen) bekannt sind. Das elastische Element ist im Kraftfluss des Stellgetriebes angeordnet, sodass bei einem Verstellen des zumindest einen Schaltelements Kräfte über das elastische Element übertragen werden, die zu einer elastischen Verformung an dem elastischen Element führen. Durch Messung der elastischen Verformung, insbesondere durch Messung eines Wegs, der mit der elastischen Verformung korreliert ist und somit eine Größe für die elastische Verformung angibt, kann aufgrund der bekannten elastischen Eigenschaften des elastischen Elements auf die an dem elastischen Element anliegende Kraft geschlossen werden, aus der dann wiederum Rückschlüsse auf die Stellkraft an dem zumindest einen Schaltelement gezogen werden können.
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Das elastische Element, beispielsweise ausgestaltet als mechanische Feder, zum Beispiel in Form einer Druckfeder, einer Zugfeder, einer Schenkelfeder oder dergleichen, kann grundsätzlich an beliebiger Stelle im Kraftfluss des Verstellgetriebes angeordnet sein und dazu zwischen zwei Getriebeelementen des Stellgetriebes, zum Beispiel zwischen zwei Ritzelelementen oder Hebelelementen, wirken. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass bei Übertragen einer Stellkraft auf das zumindest eine Schaltelement (auch) eine Kraft an dem elastischen Element anliegt und somit ein Kraftfluss über das elastische Element besteht. Durch Messung einer elastischen Verformung an dem elastischen Element bei Übertragen der Stellkraft kann somit die Stellkraft an dem zumindest einen Schaltelement bestimmt werden.
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Grundsätzlich weist jedes Getriebeelement des Stellgetriebes eine (zumindest geringfügige) Elastizität auf. Das elastische Element wird in Reihe zu diesen Elastizitäten der Getriebeelemente geschaltet, wobei die Elastizität des elastischen Elements deutlich größer ist als die Elastizität der anderen Getriebeelemente, sodass die Elastizität im System des Stellgetriebes wesentlich durch das elastische Element bestimmt wird. Eine elastische Verformung an dem elastischen Element, die durch die über das elastische Element übertragene Kraft bewirkt wird, ist somit unmittelbar korreliert mit der an dem zumindest einen Schaltelement bereitgestellten Stellkraft, sodass aus der an dem elastischen Element anliegenden Kraft, die anhand der elastischen Verformung des elastischen Elements und der elastischen Eigenschaften des elastischen Elements bestimmt werden kann, gegebenenfalls unter Einbeziehung einer Übersetzung/Untersetzung im Stellgetriebe ein Wert für die Stellkraft an dem zumindest einen Schaltelement im Betrieb berechnet werden kann.
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Im Betrieb der Schalteinrichtung kann somit stets anhand der elastischen Verformung des im Kraftfluss des Stellgetriebes angeordneten elastischen Elements die Stellkraft an dem zumindest einen Schaltelement bestimmt werden. Weil ein elastisches Element in Form einer mechanischen Feder unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen (zum Beispiel der Umgebungstemperatur) und Verschleiß ist, kann mittels des elastischen Elements somit im Betrieb zuverlässig eine an dem zumindest einen Schaltelement bereitgestellte Stellkraft bestimmt werden, was eine genaue, gesteuerte Einstellung eines Bremsmoments an der Schalteinrichtung ermöglicht. Ein elastisches Element kann zudem kostengünstig bereitgestellt werden, sodass eine verbesserte Steuerung bei geringen zusätzlichen Kosten ermöglicht wird.
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In einer Ausgestaltung weist die Schalteinrichtung eine Wegmesseinrichtung zum Bestimmen einer die elastische Verformung des elastischen Elements anzeigenden Wegmessgröße auf. Eine solche Wegmesseinrichtung kann zum Beispiel einen Hallsensor zum Detektieren einer Umdrehung einer Welle, zum Beispiel der Motorwelle, aufweisen oder auch durch eine andere Wegmesseinrichtung zum Bestimmen der relativen oder absoluten Position von Getriebeelementen zueinander ausgebildet sein. Mittels der Wegmesseinrichtung kann die elastische Verformung des elastischen Elements bestimmt werden, indem zum Beispiel ein relativer Weg zwischen Getriebeelementen, der der elastischen Verformung des elastischen Elements entspricht, gemessen wird.
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Das elastische Element, das beispielsweise als Druckfeder ausgestaltet sein kann, ist insbesondere durch eine Federkonstante (auch bezeichnet als Federrate) charakterisiert. Die Federkonstante setzt die elastische Verformung des elastischen Elements linear in Beziehung zu der an dem elastischen Element wirkenden Stellkraft gemäß der Federgleichung
in der F die Federkraft, k die Federkonstante und x den Verformungsweg angibt (wobei die Federkonstante zumindest näherungsweise von Umgebungsbedingungen wie der Temperatur unabhängig ist). Es ergibt sich somit eine lineare Federkennlinie. Je weiter das elastische Element verformt wird, desto größer ist die an dem elastischen Element wirkende Federkraft, die der durch das Getriebeelement bereitgestellten Stellkraft entspricht.
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Das elastische Element kann grundsätzlich auch eine andere Federkennlinie als eine lineare Federkennlinie aufweisen. So kann die Federkennlinie beispielsweise auch einen progressiven oder degressiven Verlauf aufweisen. Entscheidend ist lediglich, dass die Federkennlinie des elastischen Elements bekannt ist, was beispielweise durch Messung der Federkennlinie erreicht werden kann.
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Anhand der Federkennlinie und der elastischen Verformung des elastischen Elements kann die Steuereinrichtung die Stellkraft berechnen, indem anhand der Federkennlinie und der elastischen Verformung die an dem elastischen Element wirkende Kraft bestimmt und die Stellkraft gegebenenfalls unter Einbeziehung einer Übersetzung/Untersetzung des Stellgetriebes aus der Kraft an dem elastischen Element berechnet wird. Dies ist im Betrieb möglich, sodass im Betrieb der Schalteinrichtung die Stellkraft an dem zumindest einen Schaltelement in gesteuerter Weise eingestellt werden kann.
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In einer Ausgestaltung ist das Stellgetriebe der Schalteinrichtung durch ein Spindelgetriebe ausgebildet, das eine Spindel und eine mit der Spindel in Gewindeeingriff stehende Spindelmutter aufweist, die zum Verstellen des zumindest einen Schaltelements zueinander bewegbar sind. Die Verwendung eines Spindelgetriebes zur Kopplung des Stellantriebs mit dem zumindest einen Schaltelement ermöglicht einen Kraftübertragungsstrang zwischen dem Stellantrieb und dem zumindest einen Schaltelement mit geringem Spiel. Über das Spindelgetriebe können große Verstellkräfte bei geringem Hub übertragen werden. Ein Spindelgetriebe kann zudem mit geringem Bauraum verwirklicht und geräuscharm betrieben werden. Aufgrund der Kopplung der Spindelmutter über einen Gewindeeingriff mit der Spindel können Verspannungen im System reduziert werden.
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Zum Antreiben der Spindel treibt der Stellantrieb vorzugsweise eine Antriebsschnecke an, die beispielsweise mit einem mit der Spindel verbundenen Ritzel in Verzahnungseingriff steht. Die Antriebsschnecke kann beispielsweise an einer durch den Stellantrieb antreibbaren Welle angeordnet sein und wird somit über den Stellantrieb verdreht. Die Antriebsschnecke weist ein Schneckengewinde auf, das mit einer Verzahnung des Ritzels in Verzahnungseingriff steht, sodass eine Drehbewegung der Antriebsschnecke in eine Drehbewegung des Ritzels umgesetzt wird. Die Drehachse der Antriebsschnecke und die Drehachse des Ritzels sind hierbei vorzugsweise (näherungsweise) senkrecht zueinander gerichtet.
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Bei einem solchen Spindelgetriebe kann das elastische Element an ganz unterschiedlichen Orten im Kraftfluss zwischen dem Stellantrieb und dem zumindest einen Schaltelement angeordnet sein.
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In einer ersten Variante kann das elastische Element beispielsweise als entlang einer Bewegungsrichtung, entlang derer die Spindelmutter relativ zu der Spindel bewegbar ist, komprimierbare Druckfeder ausgebildet sein, über die die Spindel entlang der Bewegungsrichtung gegenüber einem Träger abgestützt ist, sodass bei einer Kraftübertragung von der Spindel auf die Spindelmutter eine Kraft an dem elastischen Element wirkt und dieses elastisch verformt.
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In einer zweiten Variante kann das elastische Element beispielsweise zwischen dem Ritzel und der Spindel angeordnet sein und somit das Ritzel mit der Spindel koppeln. In diesem Fall kann das elastische Element beispielsweise durch einen elastischen Abschnitt des Ritzels, zum Beispiel in Form von Speichen oder dergleichen, ausgebildet sein, über den das Ritzel mit der Spindel verbunden ist und der bei einer Kraftübertragung von dem Ritzel auf die Spindel elastisch verformbar ist.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Schalteinrichtung einen Bremstopf, ein Stellelement zum Beispiel in Form eines Nockens zum Verstellen des zumindest einen Schaltelements und einen Träger, zu dem der Bremstopf drehbar ist und an dem das Stellelement und das zumindest eine Schaltelement verstellbar angeordnet sind. Das Stellgetriebe verbindet den Stellantrieb mit dem Stellelement zum Verstellen des zumindest einen Schaltelements.
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Ist das Stellgetriebe als Spindelgetriebe ausgestaltet, kann die Spindel beispielsweise drehbar zu dem Träger gelagert sein. Die Spindel kann hierbei zum Beispiel an ihren beiden axialen Enden an dem Träger gelagert sein, sodass die Spindel beidseitig abgestützt ist. Die Spindel steht mit dem Stellantrieb in Wirkverbindung, sodass zum Verstellen des Stellelements die Spindel verdreht und darüber die Spindelmutter axial entlang der Spindel verstellt werden kann. Aufgrund des Gewindeeingriffs wird bei einem Verdrehen der Spindel die Spindelmutter axial entlang der Spindel verstellt. Durch Kopplung der Spindelmutter mit dem Stellelement kann auf diese Weise eine Verstellkraft auf das Stellelement übertragen werden.
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Zum Verstellen des zumindest einen Schaltelements treibt der Stellantrieb das Stellgetriebe an, indem er zum Beispiel die Spindel relativ zu dem Träger in eine Drehbewegung versetzt und die Spindelmutter längs entlang der Spindel bewegt. Die Spindelmutter ist beispielsweise mit einem Hebel gekoppelt ist, der mit dem Stellelement verbunden ist und der eine Bewegung des Getriebeelements in eine Schwenkbewegung des Stellelements überträgt.
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Das elastische Element kann hierbei, in einer dritten Variante, zum Beispiel zwischen einem Getriebeelement, beispielsweise der Spindelmutter, des Stellgetriebes und dem Hebel wirken, sodass die Kraftübertragung auf den Hebel über das elastische Element erfolgt.
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Das Stellelement ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Art eines Nockens ausgebildet und ist verschwenkbar an dem Träger angeordnet. Das Stellelement kann beispielsweise mit einem Paar von Schaltelementen zusammenwirken, um die Schaltelemente in Anlage mit dem Bremstopf zu drücken oder außer Anlage von dem Bremstopf zu bringen.
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Vorzugsweise kann das zumindest eine Schaltelement zwischen unterschiedlichen Stellungen bewegt werden, um die Schalteinrichtung in unterschiedliche Zustände zu bringen.
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Wird das Stellelement zum Beispiel so stark gegen das zumindest eine Schaltelement gedrückt, dass das zumindest eine Schaltelement in pressende, sperrende Anlage mit dem Bremstopf gelangt, so befindet sich die Schalteinrichtung in einem Kopplungszustand, in dem eine Relativbewegung zwischen dem Bremstopf und den Schaltelementen gesperrt ist, sodass der Bremstopf stationär zu dem Träger, an dem das zumindest eine Schaltelement angeordnet ist, gehalten wird. In diesem Kopplungszustand kann beispielsweise eine Kraftübertragung zwischen den der Schalteinrichtung zugeordneten Getriebeteilen erfolgen.
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In einem Freilaufzustand hingegen ist das zumindest eine Schaltelement beispielsweise nicht bremsend mit dem Bremstopf in Anlage. In dem Freilaufzustand ist das zumindest eine Schaltelement so zu dem Bremstopf versetzt, dass der Bremstopf gegenüber dem zumindest einen Schaltelement nicht gesperrt ist und ein Freilauf des Bremstopfes relativ zu dem zumindest einen Schaltelement möglich ist.
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In einem Bremszustand wird das zumindest eine Schaltelement durch das Stellelement zum Beispiel in bremsende, schleifende Anlage mit dem Bremstopf gedrückt, sodass sich der Bremstopf schleifend gegenüber dem zumindest einen Schaltelement bewegen kann, in seiner Bewegung aber gebremst wird. Das Stellelement ist hierbei nach Art eines Nockens vorzugsweise so geformt, dass anhand der Stellung des Stellelements die Bremswirkung eingestellt werden kann, zwischen einer schwachen Bremswirkung über eine starke Bremswirkung bis hin zu einem Sperren.
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In einer Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung hierbei ausgebildet, anhand einer Motorkenngröße des Stellantriebs einen Schleifpunkt zu ermitteln, ab dem das zumindest eine Schaltelement bei Überführen der Schalteinrichtung aus dem Freilaufzustand in den Bremszustand in Anlage mit dem Bremstopf ist. Hierzu kann die Steuereinrichtung beispielsweise den Motorstrom des elektromotorischen Verstellantriebs überwachen, um anhand des Motorstroms den Schleifpunkt zu ermitteln. Beispielsweise kann ein (signifikanter) Anstieg des Motorstroms anzeigen, dass das zumindest eine Schaltelement in Anlage mit dem Bremstopf gelangt ist und somit Kräfte zwischen dem zumindest einen Schaltelement und dem Bremstopf wirken. Der Beginn des Anstiegs entspricht hierbei dem Schleifpunkt.
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Die Überwachung der Motorkenngröße, insbesondere des Motorstroms, dient allein zur Ermittlung des Schleifpunkts. Eine quantitative Auswertung der Motorkenngröße, insbesondere des Motorstroms, ist nicht erforderlich. Ab dem Schleifpunkt wird vorzugsweise die elastische Verformung des elastischen Elements anhand einer über die Wegmesseinrichtung gemessenen Wegmessgröße ausgewertet, sodass sichergestellt ist, dass die elastische Verformung des elastischen Elements mit der Bereitstellung einer Stellkraft an dem zumindest einen Schaltelement zum Wechselwirken mit dem Bremstopf korreliert.
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Eine Schalteinrichtung der hier beschriebenen Art kann beispielsweise bei einer Vorrichtung zum manuellen und/oder elektromotorischen Verstellen oder Feststellen eines ersten Fahrzeugteils und eines zweiten Fahrzeugteils relativ zueinander verwendet werden. Eine solche Vorrichtung umfasst ein Verstellteil, das ein Gelenk zum schwenkbaren Anordnen an dem ersten Fahrzeugteil aufweist. Das Verstellteil ist derart an dem ersten Fahrzeugteil anzuordnen, dass bei einem Verstellen der Fahrzeugteile zueinander sich das Verstellteil relativ zu dem zweiten Fahrzeugteil bewegt. An dem zweiten Fahrzeugteil ist ein Abtriebselement anzuordnen, das mit dem Verstellteil in Wirkverbindung steht und zum Bewegen des Verstellteils relativ zu dem zweiten Fahrzeugteil antreibbar ist. Eine elektromotorische Antriebseinrichtung dient zum Antreiben des Abtriebselements und weist hierzu einen Antriebsmotor und ein den Antriebsmotor mit dem Antriebselement koppelndes Getriebe auf.
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Die Schalteinrichtung ist in diesem Fall Bestandteil des Getriebes. Mittels der Schalteinrichtung kann das Getriebe zwischen einem Kopplungszustand, in dem der Antriebsmotor mit dem Abtriebselement gekoppelt ist, einem Freilaufzustand, in dem die Kopplung zwischen dem Antriebsmotor und dem Abtriebselement derart unterbrochen ist, dass das Abtriebselement unabhängig von dem Antriebsmotor bewegbar ist, und einem Bremszustand, in dem das Abtriebselement unabhängig von dem Antriebsmotor bewegbar ist, dabei aber gebremst wird, geschaltet werden. Das Getriebe ermöglicht somit sowohl eine elektromotorische Verstellung der Fahrzeugteile zueinander als auch ein manuelles Verstellen. Sollen die Fahrzeugteile elektromotorisch zueinander verstellt werden, wird das Getriebe in seinen Kopplungszustand gebracht, sodass eine Kopplung zwischen dem Antriebsmotor und dem Abtriebselement hergestellt ist und durch Antreiben des Abtriebselements die Fahrzeugteile elektromotorisch zueinander verstellt werden können. Sollen die Fahrzeugteile manuell zueinander bewegt werden, wird das Getriebe hingegen in den Freilaufzustand oder den Bremszustand gebracht, sodass das Abtriebselement von dem Antriebsmotor entkoppelt ist und in dem Freilaufzustand frei (d.h. reibungsarm), in dem Bremszustand hingegen in definiert gebremster Weise bewegbar ist. Das Abtriebselement kann somit unabhängig von dem Antriebsmotor bewegt werden, was ein manuelles Verstellen der Fahrzeugteile zueinander ermöglicht, ohne dass dabei der Antriebsmotor mit bewegt werden muss.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern einer Schalteinrichtung gelöst. Bei dem Verfahren wird zumindest ein Schaltelement zum Schalten der Schalteinrichtung zwischen unterschiedlichen Zuständen verstellt und dazu eine Stellkraft von einem elektromotorischen Stellantrieb auf das zumindest eine Schaltelement übertragen. Dabei ist vorgesehen, dass anhand einer elastischen Verformung eines elastischen Elements, an dem bei Übertragen der Stellkraft von dem Stellantrieb auf das zumindest eine Schaltelement eine Kraft anliegt, ein Wert für die Stellkraft berechnet wird.
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Die vorangehend für die Schalteinrichtung beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen finden analog auch auf das Verfahren Anwendung, sodass auf das vorangehend Ausgeführte verwiesen werden soll.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Baugruppe umfassend eine Antriebsbaugruppe, ein Getriebe, eine Schalteinrichtung und eine Abtriebsbaug ruppe;
- 2 eine schematische Ansicht einer Baugruppe umfassend eine Schalteinrichtung und eine Abtriebsbaugruppe;
- 3 eine schematische Ansicht einer Schalteinrichtung, umfassend einen Bremstopf und mit dem Bremstopf in Wirkverbindung bringbare Schaltelemente;
- 4 eine Ansicht eines Beispiels einer Schalteinrichtung;
- 5A eine Ansicht der Schalteinrichtung, in einem Kopplungszustand;
- 5B eine Ansicht der Schalteinrichtung, in einem Bremszustand;
- 5C eine Ansicht der Schalteinrichtung, in einem Freilaufzustand;
- 6 eine schematische Ansicht von Getriebeelementen eines Stellgetriebes zum Übertragen einer Stellkraft auf Schaltelemente der Schalteinrichtung;
- 7 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Stellgetriebes, mit einem zwischen einem Ritzel und einer Spindel wirkenden elastischen Element;
- 8 eine schematische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stellgetriebes, mit einem zur Abstützung einer Spindel wirkenden elastischen Element;
- 9 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Stellgetriebes, mit einem zwischen einer Spindelmutter und einem Hebel wirkenden elastischen Element; und
- 10 eine schematische Ansicht des Verlaufs eines Motorstroms.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Baugruppe mit einer Antriebsbaugruppe 1, die über ein Getriebe 2 und eine Schalteinrichtung 4 mit einer Abtriebsbaugruppe 3 gekoppelt ist. Die Baugruppe kann beispielsweise einen Antrieb zum Verstellen zweier Fahrzeugteile zueinander, beispielsweise einen Türantrieb zum Verstellen einer Fahrzeugtür, beispielsweise einer Fahrzeugseitentür oder einer Heckklappe, ausbilden, wobei die Antriebsbaugruppe 1 beispielsweise durch einen elektromotorischen Antrieb ausgestaltet sein kann und die Abtriebsbaugruppe 3 mit einem anzutreibenden Bauteil, beispielsweise einer Fahrzeugtür, gekoppelt ist, um auf diese Weise Verstellkräfte in das anzutreibende Bauteil einzuleiten.
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Die Schalteinrichtung 4 kann zum Beispiel zum Schalten einer Kupplungseinrichtung zwischen einem Kopplungszustand, in dem ein Drehmoment von der Antriebsbaugruppe 1 zu der Abtriebsbaugruppe 3 übertragen werden kann, und einem Freilaufzustand, in dem die Abtriebsbaugruppe 3 frei gegenüber der Antriebsbaugruppe 1 bewegt werden kann, dienen. Mittels der Schalteinrichtung 4 kann die Kupplungseinrichtung somit zwischen unterschiedlichen Zuständen geschaltet werden, um auf diese Weise eine Kopplung zwischen der Antriebsbaugruppe 1 und der Abtriebsbaugruppe 3 herzustellen oder die Abtriebsbaugruppe 3 von der Antriebsbaugruppe 1 freizuschalten.
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Eine Baugruppe dieser Art ist beispielsweise in der
DE 10 2015 215 627 A1 oder der
WO 2017/029262 A1 beschrieben. Dort dient eine Schalteinrichtung nach Art einer Trommelbremse jeweils zum Schalten einer Kupplungseinrichtung zwischen unterschiedlichen Kupplungszuständen.
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Alternativ kann eine Schalteinrichtung dieser Art beispielsweise aber auch zum Bremsen einer Abtriebsbaugruppe 3 dienen, wie dies schematisch in 2 dargestellt ist. So kann eine Schalteinrichtung 4 beispielsweise auf eine mit der Abtriebsbaugruppe 3 wirkverbundene Welle einwirken, um die Welle bedarfsweise zum Steuern einer Bewegungsgeschwindigkeit der Abtriebsbaugruppe 3 zu bremsen.
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Wie schematisch in 3 dargestellt, weist eine Schalteinrichtung 4 der hier in Rede stehenden Art einen Bremstopf 42 auf, der insbesondere hohlzylindrisch ausgebildet ist und beispielsweise mit einer Welle 421 verbunden ist. In dem Bremstopf 42 sind Schaltelemente 430, 431 angeordnet, die zu einem Träger 41 bewegbar sind und zum Bremsen des Bremstopfs 42 in Anlage mit einer Bremsfläche 420 innenseitig des Bremstopfs 42 oder zum Freischalten der Schalteinrichtung 4 außer Anlage von der Bremsfläche 420 gebracht werden können.
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Bei einem in
4 und in unterschiedlichen Funktionszuständen in
5A-5C dargestellten Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung
4, wie es in der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2017 215 907.3 beschrieben ist, sind über Vorspannelemente
433 in Form von Federn zueinander vorgespannte Schaltelemente
430,
431 in Form von Bremsbacken mit daran angeordneten Bremsbelägen
434 an einem Träger
41 angeordnet, der zum Beispiel ortsfest an einer Fahrzeugbaugruppe, zum Beispiel der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist. Die Schaltelemente
430,
431 sind bei diesem Beispiel um ein Festlager
432 verschwenkbar an dem Träger
41 angeordnet und können zwischen unterschiedlichen Stellungen verstellt werden.
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Zum Verstellen der Schaltelemente 430, 431 in Form der Bremsbacken ist ein Stellelement 44 in Form eines Nockens vorgesehen, das verschwenkbar an dem Träger 41 angeordnet und mit einem Hebel 405 verbunden ist und über ein Stellgetriebe in Form eines Spindelgetriebes verstellt werden kann.
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Das Spindelgetriebe weist eine Spindel 402 und eine mit der Spindel 402 in Gewindeeingriff stehende Spindelmutter 404 auf, die zueinander bewegbar sind. Die Spindel 402 ist an ihren axialen Enden über jeweils ein balliges Kalottenlager 403 zu dem Träger 41 drehbar gelagert und trägt an einem einem Stellantrieb 40 in Form eines Elektromotors zugeordneten Ende ein Ritzel 401, das als Schneckenrad mit einer umlaufenden Schrägverzahnung ausgebildet ist und mit einer an einer Antriebswelle des Stellantriebs 40 fest angeordneten Antriebsschnecke 400 in Verzahnungseingriff steht.
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Die Spindelmutter 404 ist demgegenüber über einen Führungsabschnitt 406 längs entlang einer Bewegungsrichtung A zu dem Träger 41 geführt und dazu über den Führungsabschnitt 406 gleitend mit einer Führungsbahn 411 an dem Träger 41 in Anlage. Eine zweite Führungsbahn ist an einer an den Träger 41 anzusetzenden, in 4 und 5A-5C nicht dargestellten Gehäusehälfte gebildet, sodass die Spindelmutter 404 in ihrer Drehstellung zu dem Träger 41 festgelegt, dabei aber gleitend entlang der Bewegungsrichtung A geführt ist.
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Die Spindelmutter 404 ist mit dem Hebel 405 gekoppelt, an dem das Stellelement 44 starr angeordnet ist. Zum Verstellen der Schaltelemente 430, 431 treibt der Stellantrieb 40 die Antriebsschnecke 400 an, die dadurch das Ritzel 401 und somit die Spindel 402 in eine Drehbewegung versetzt. Dadurch wird die Spindelmutter 404 - aufgrund ihres Gewindeeingriffs mit der Spindel 402 - längs entlang der Bewegungsrichtung A zu der Spindel 402 verstellt, und somit wird der um die Schwenkachse D des Stellelements 44 schwenkbare Hebel 405 entlang der Stellrichtung S und damit auch das Stellelement 44 um die Schwenkachse D verschwenkt.
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Die Schalteinrichtung 4 kann zwischen einem Kopplungszustand, einem Bremszustand und einem Freilaufzustand geschaltet werden.
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In dem Freilaufzustand (5A) sind die Schaltelemente 430, 431 in einer Freilaufstellung und sind entsprechend (geringfügig) von dem Bremstopf 42 entfernt, sodass der Bremstopf 42 nicht gegenüber dem Träger 41 festgestellt ist. Aus dem Freilaufzustand heraus kann die Schalteinrichtung 4 verstellt werden, indem die Spindelmutter 404 durch Verdrehen der Spindel 402 in eine entsprechende Drehrichtung verstellt und somit das Stellelement 44 zum Aufweiten der Schaltelemente 430, 431 zueinander verschwenkt wird, wie dies aus 5B ersichtlich ist. In einem Bremszustand werden die Schaltelemente 430, 431 mit - im Vergleich zum Kopplungszustand - reduzierter Kraft innenseitig gegen den Bremstopf 42 gedrückt, sodass der Bremstopf 42 nicht gesperrt ist, sondern in definierter Weise gebremst wird. Durch eine solche Bremswirkung kann ein Bremsen der Bewegung von Fahrzeugteilen zueinander bewirkt werden.
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In dem Bremszustand liegen die Schaltelemente 430, 431 schleifend und somit bremsend innenseitig an der Bremsfläche 420 des Bremstopfs 42 an, sodass eine Bremswirkung bereitgestellt wird. Durch weiteres Verstellen der Spindelmutter 404 in die Bewegungsrichtung A wird das Stellelement 44 weiter um seine Schwenkachse D verdreht, wie dies in 5C dargestellt ist, sodass die Schaltelemente 430, 431 pressend in Anlage mit dem Bremstopf 42 gedrückt und dadurch kraftschlüssig zu dem Bremstopf 42 festgelegt werden. Die Schalteinrichtung 4 gelangt somit in den Kopplungszustand, in dem der Bremstopf 42 relativ zu dem Träger 41 stationär festgehalten wird.
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In dem Kopplungszustand (5C) ist der Bremstopf 42 durch sperrende Wirkung der Schaltelemente 430, 431 relativ zu dem Träger 41 somit gesperrt. In dem Kopplungszustand befinden sich die Schaltelemente 430, 431 in der Kopplungsstellung gemäß 5C und werden hierzu über den Stellantrieb 40 mittels des Stellelements 44 mit einer maximalen Kraft innenseitig in Anlage mit dem Bremstopf 42 gedrückt.
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Zum Zurückstellen der Schaltelemente 430, 431 aus dem Kopplungszustand (5C) in Richtung des Freilaufzustands (5A) wird das Stellelement 44 durch umgekehrtes Verfahren der Spindelmutter 404 zurück verschwenkt, und die Schaltelemente 430, 431 folgen dem Stellelement 44 aufgrund der Vorspannkräfte der Vorspannelemente 433 nach.
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Damit in dem Bremszustand und in dem Kopplungszustand ein definiertes Bremsmoment an den Schaltelementen 430, 431 eingestellt werden kann, ist wünschenswert, im Betrieb der Schalteinrichtung 4 eine an den Schaltelementen 430, 431 bereitgestellte Stellkraft bestimmen zu können, mittels derer die Schaltelemente 430, 431 in Anlage mit dem Bremstopf 42 gedrückt werden. Hierzu wird vorliegend vorgeschlagen, ein elastisches Element im Kraftfluss des zur Kraftübertragung von dem Stellantrieb 40 auf die Schaltelemente 430, 431 dienenden Stellgetriebes anzuordnen, über das die Stellkraft übertragen wird und das somit bei Kraftübertragung elastisch verformt wird. Anhand (bekannter) elastischer Eigenschaften des elastischen Elements und der elastischen Verformung an dem elastischen Element kann somit auf die übertragene Stellkraft zurückgeschlossen werden, was eine gesteuerte Einstellung der Stellkraft an den Schaltelemente 430, 431 ermöglicht.
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Ein solches elastisches Element 45 kann, wie schematisch in 6 dargestellt, an ganz unterschiedlichen Orten im Kraftfluss des Stellgetriebes angeordnet sein. Wesentlich ist hierbei, dass im Betrieb bei Übertragen einer Stellkraft von dem Stellantrieb 40 auf das Stellelement 44 zum Verstellen der Schaltelemente 430, 431 eine mit der Stellkraft korrelierte Kraft an dem elastischen Element 45 anliegt, sodass eine elastische Verformung an dem elastischen Element 45 mit der Stellkraft korreliert ist und somit anhand der elastischen Verformung auf die Stellkraft zurückgeschlossen werden kann.
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Beispielsweise kann das elastische Element 45, wie schematisch in 6 eingezeichnet, zwischen dem Ritzel 401 und der Spindel 402 wirken, sodass Kräfte von dem Ritzel 401 elastisch über das elastische Element 45 auf die Spindel 402 übertragen werden. Alternativ kann das elastische Element 45 auch zwischen der Spindel 402 und der Spindelmutter 404 wirken. Wiederum alternativ kann das elastische Element 45 zwischen der Spindelmutter 404 und dem Hebel 405 angeordnet sein. Denkbar möglich sind jedoch auch andere Anordnungen des elastischen Element 45, beispielsweise zwischen der Antriebsschnecke 400 und dem Ritzel 401 oder zwischen dem Hebel 405 und dem Stellelement 44.
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Bei einem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ritzel 401 über ein elastisches Element in Form von elastisch verformbaren Speichen mit der Spindel 402 gekoppelt. Wird über den Stellantrieb 40 und die an der Motorwelle angeordnete Antriebsschnecke 400 das Ritzel 401 verdreht, so wird eine Kraft von dem Ritzel 401 auf die Spindel 402 in elastischer Weise unter Verformung des elastischen Elements 45 übertragen, wobei die elastische Verformung des elastischen Elements 45 unmittelbar zusammenhängt mit der Größe der übertragenen Kraft. Anhand der (bekannten) Federkennlinie des elastischen Elements 45 und der über eine Wegmesseinrichtung 46 gemessenen elastischen Verformung kann somit die Kraft, die vom Ritzel 401 auf die Spindel 402 übertragen wird, bestimmt werden.
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Die Wegmesseinrichtung 46 kann zum Beispiel Hallsensoren zur Messung der Umdrehung der Motorwelle aufweisen. Die Wegmesseinrichtung 46 kann insbesondere zur Bestimmung einer Relativbewegung zwischen dem Ritzel 401 und der Spindel 402 dienen, sodass anhand dieser Relativbewegung auf die elastische Verformung des elastischen Elements 45 zurückgeschlossen werden kann.
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Aus der anhand der elastischen Verformung des elastischen Elements 45 bestimmten, an dem elastischen Element 45 wirkenden Kraft kann anhand der Übersetzung/Untersetzung des Stellgetriebes dann die Stellkraft an den Schaltelemente 430, 431 bestimmt werden.
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Bei einem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein elastisches Element 45 an einem Ende der (über ein Lager 407 axial bewegbar gelagerten) Spindel 402 angeordnet und dient zum (elastischen) Abstützen der Spindel 402 gegenüber dem Träger 41. Im Betrieb bei Übertragen einer Stellkraft auf das Stellelement 44 liegt eine Kraft an dem elastischen Element 45 an, die zur Verformung des elastischen Elements 45 führt, sodass anhand der elastischen Verformung - aufgenommen durch eine Wegmesseinrichtung 46, mittels derer ein axialer Versatz der Spindel 402 bestimmt werden kann - die Stellkraft an den Schaltelementen 430, 431 berechnet werden kann.
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Bei einem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spindelmutter 404 des Stellgetriebes elastisch über ein elastisches Element 45 mit dem Hebel 405 gekoppelt, sodass die Kraftübertragung von der Spindelmutter 404 auf den Hebel 405 über das elastische Element 45 erfolgt. Hierzu kann das elastische Element 45 beispielsweise zwischen einem Koppelelement 408 in Form eines Zapfens oder dergleichen des Hebels 405 und einer Kopplungseinrichtung 409, zum Beispiel in Form eines Langlochs, der Spindelmutter 404 wirken, wie dies schematisch in 9 dargestellt ist. Wiederum ist die elastische Verformung des elastischen Elements 45 im Betrieb korreliert mit der auf die Schaltelemente 430, 431 übertragenen Stellkraft, sodass anhand der elastischen Verformung und der Federkennlinie des elastischen Elements 45 die Stellkraft berechnet werden kann.
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Die Schalteinrichtung 4 weist eine Steuereinrichtung 5 auf, die zur Auswertung einer über die Wegmesseinrichtung 46 aufgenommenen, die elastische Verformung des elastischen Elements 45 anzeigenden Wegmessgröße dient, um anhand der Wegmessgröße und der (bekannten) Federkennlinie des elastischen Elements 45 die an dem elastischen Element 45 anliegende Kraft und daraus, gegebenenfalls unter Einbeziehung einer Übersetzung/Untersetzung der Stellgetriebes, die Stellkraft an den Schaltelementen 430, 431 zu bestimmen.
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Die Steuereinrichtung 5 kann zusätzlich ausgestaltet sein, anhand einer Motorkenngröße, insbesondere des Motorstroms I, wie in 10 dargestellt, einen Schleifpunkt T1 zu bestimmen, ab dem bei einem Überführen der Schalteinrichtung 4 von dem Freilaufzustand in den Bremszustand die Schaltelemente 430, 431 in (schleifende) Anlage mit dem Bremstopf 42 sind. Ab diesem Zeitpunkt T1 erfolgt eine Kraftübertragung zwischen den Schaltelementen 430, 431 und dem Bremstopf 42, sodass die elastische Verformung des elastischen Elements 45 ab diesem Zeitpunkt T1 mit der Stellkraft an den Schaltelementen 430, 431 korreliert ist.
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Die Bestimmung der Stellkraft erfolgt somit durch Auswertung der elastischen Verformung des elastischen Elements 45 ab dem Schleifpunkt T1. Eine quantitative Auswertung des Motorstroms I ist hierbei nicht erforderlich, sondern der Motorstrom I wird lediglich zur Bestimmung des Schleifpunkts T1 ausgewertet. Der Schleifpunkt T1 entspricht hierbei einem Punkt zu Beginn des Anstiegs des Motorstroms I bei Überführen der Schalteinrichtung 4 aus dem Freilaufzustand in den Bremszustand.
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Die Auswertung des Motorstroms I zur Bestimmung des Schleifpunkts T1 ermöglicht insbesondere, in einfacher Weise die elastische Verformung des elastischen Elements 45 durch Messen der Motorumdrehungen aufzunehmen. So kann ab dem Zeitpunkt T1 angenommen werden, dass eine weitere Bewegung im System im Wesentlichen von einer elastischen Verformung des elastischen Elements 45 herrührt. Anhand der Messung der Motorumdrehungen an der Motorwelle mittels einer Wegmesseinrichtung 46 unter Verwendung von Hallsensoren kann somit die elastische Verformung an dem elastischen Element 45 (irgendwo) im Kraftfluss des Stellgetriebes bestimmt werden. Eine Messung einer Relativbewegung zwischen Getriebeelementen ist in diesem Fall nicht erforderlich.
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Das elastische Element kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, solange es definierte, bestimmbare elastische Eigenschaften, die beispielsweise durch eine Federkennlinie beschreibbar sind, aufweist. So kann das elastische Element als Druckfeder oder Zugfeder ausgestaltet sein.
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Denkbar ist auch, anstelle eines gesonderten elastischen Elements ein Getriebeelement elastisch auszugestalten. So kann beispielsweise der Hebel 405 zur Kopplung der Spindelmutter 404 mit dem Stellelement 44 elastisch (nach Art einer Schenkelfeder) ausgestaltet sein, sodass anhand einer elastischen Verformung des Hebels 405 die Stellkraft an den Schaltelemente 430, 431 bestimmt werden kann.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch in gänzlich andersgearteter Weise verwirklichen.
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Eine Schalteinrichtung der hier beschriebenen Art kann an ganz unterschiedlichen Verstelleinrichtungen zum Verstellen zweier Fahrzeugteile zueinander Verwendung finden. Ein Türantrieb stellt in diesem Zusammenhang nur ein mögliches Beispiel für einen Einsatz einer derartigen Schalteinrichtung dar. Grundsätzlich kann die Schalteinrichtung überall dort eingesetzt werden, wo Fahrzeugteile im Rahmen einer Verstelleinrichtung oder einer Feststelleinrichtung in einem Fahrzeug zueinander zu bewegen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsbaugruppe
- 2
- Getriebe
- 3
- Abtriebsbaugruppe
- 4
- Schalteinrichtung
- 40
- Stellantrieb
- 400
- Antriebsschnecke
- 401
- Ritzel
- 402
- Spindel
- 403
- Kalottenlager
- 404
- Spindelmutter
- 405
- Hebel
- 406
- Führungsabschnitt
- 407
- Lager
- 408
- Kopplungselement (Zapfen)
- 409
- Kopplungseinrichtung (Langloch)
- 41
- Träger
- 411
- Führungsbahn
- 42
- Bremstopf
- 420
- Bremsfläche
- 421
- Welle
- 430, 431
- Schaltelemente (Bremsbacken)
- 432
- Festlager
- 433
- Spannfedern
- 434
- Bremsbelag
- 44
- Stellelement
- 45
- Elastisches Element
- 46
- Wegmesseinrichtung
- 5
- Steuereinrichtung
- A
- Bewegungsrichtung
- D
- Schwenkachse
- S
- Stellrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015215627 A1 [0004, 0044]
- WO 2017/029262 A1 [0044]
- DE 102017215907 [0047]