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Die Erfindung betrifft ein mechanisches Betätigungssystem zum Betätigen einer Kupplung, insbesondere einer Trennkupplung in einem Hybridmodul, und/oder einer Bremse und/oder einer Aktorik für ein Kraftfahrzeug, mit einem Rampenmechanismus, der ein erstes Rampenelement mit rampenförmigen Taschen, ein relativ zu dem ersten Rampenelement verdrehbares zweites Rampenelement mit rampenförmigen Taschen sowie mehreren in den Taschen des ersten Rampenelements und des zweiten Rampenelements aufgenommene Wälzkörper aufweist.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits mechanische Betätigungssysteme bekannt. Zum Beispiel offenbart die
DE 10 2017 103 023 A1 ein Hybridmodul für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit zumindest einer Trennkupplung, einer mit einem Kupplungsbestandteil der zumindest einen Trennkupplung zusammenwirkenden elektrischen Maschine sowie einem die Trennkupplung betätigenden hydraulischen und/oder mechanischen Betätigungssystem, wobei ein Stellelement des Betätigungssystems eine Stellung eines verschiebbaren Einrücklagers vorgibt, wobei die Trennkupplung als eine normal-ausgerückte Trennkupplung ausgestaltet ist. In der genannten Druckschrift wird die Trennkupplung über einen Kugelrampen-Betätigungsmechanismus verstellt.
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Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass insbesondere bei trockenlaufenden Kugelrampen oftmals hoher Verschleiß an den Rampenelementen festgestellt wird, so dass eine geforderte Lebensdauer nicht erreicht wird. Zudem verschlei-ßen Beschichtungen an den Oberflächen der Rampen und der Kugeln. Die Rampenbleche/Rampenringe/Rampenelemente sind dabei so geformt, dass die über die Kugeln axiale und auch radiale Kräfte aufnehmen. Radialkräfte werden zur Zentrierung der Rampenelemente aufgenommen. Die Form der Rampenelemente ist also analog zu den Lagerringen eines Schrägkugellagers.
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Zudem tritt das Problem auf, dass aus einem eingeleiteten Drehmoment zur Betätigung eine Querkraft resultiert, durch die die Rampenelemente radial in eine Richtung geschoben werden. Dadurch werden jedoch alle Kugeln unterschiedlich stark belastet, alle Kugeln haben einen unterschiedlichen Druckwinkel und alle Kugeln legen unterschiedliche Wege auf der Rampenbahn zurück. Bei mehrfacher Betätigung summiert sich diese Inhomogenität der Rollwege auf und bei einer Rückstellung in die Ausgangslage kommt es zum Reiben statt Rollen. Durch das Reiben werden die Oberflächen der Rampenelemente und der Kugeln beschädigt.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll ein Rampenmechanismus bereitgestellt werden, der auch bei trockenlaufenden Rampenelementen den Verschleiß reduziert und die Lebensdauer erhöht. Insbesondere soll vermieden werden, dass eine Querkraft über die Kugeln/Wälzkörper in die Rampenelemente eingeleitet wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Rampenmechanismus einen Käfig, der die Wälzkörper, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen, in Umfangsrichtung beabstandet hält, besitzt, der so bemessen und angeordnet ist, dass die Rampenelemente überwiegend, vorzugsweise ausschließlich, Axialkräfte von den Wälzkörpern aufnehmen und/oder die Rampenelemente überwiegend, vorzugsweise ausschließlich, Radialkräfte von dem Käfig aufnehmen. Das heißt, dass die Radialkräfte von dem Käfig übernommen werden. Die Radialkräfte der Wälzkörper werden also nicht direkt in die Rampenelemente eingeleitet, sondern über den Käfig. Mit anderen Worten sind die Rampenelemente für reine Axialkräfte ausgebildet. Das heißt, dass die Zentrierung der Rampenelemente über den Käfig erfolgt.
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Dies hat den Vorteil, dass auf die Rampenelemente wirkende Querkräfte, d.h. Radialkräfte, vermieden oder durch den Käfig, d.h. eine zusätzliche Zentrierung der Rampenelemente, aufgenommen werden. Dadurch wird der Verschleiß an den Rampenelementen und an den Wälzkörpern vorteilhafterweise erheblich verringert. Nachteilig daran kann sein, dass ein Reibmoment, das abhängig von einem Zentrierdurchmesser, einem Reibwert und/oder einer Betätigungskraft ist, auftritt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Zudem ist es zweckmäßig, wenn der Rampenmechanismus trockenlaufend oder nasslaufend ist. Durch den verringerten Verschleiß ist es möglich, den Rampenmechanismus trockenlaufend auszubilden, was eine besonders kostengünstige Lösung darstellt, da auf zusätzliche Abdichtungen gegenüber der Umgebung verzichtet werden kann. Bei einer nasslaufenden Ausbildung wird der Verschleiß weiter reduziert, so dass vorteilhafterweise eine Lebensdauer des Rampenmechanismus erhöht werden kann.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Käfig Gleitflächen zum Zentrieren der Rampenelemente aufweist. Dadurch wird also gewährleistet, dass die Zentrierung nicht über die Wälzkörper, und daher ungleichmäßig belastet, erfolgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Gleitflächen auf einem Umfang des Käfigs, d.h. auf einer Außenumfangsfläche oder einer Innenumfangsfläche, ausgebildet sind. An diesen Gleitflächen liegen die Rampenelemente an.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Käfig sich in Radialrichtung erstreckende Aussparungen besitzen, wobei die Aussparungen einem Durchmesser der Wälzkörper entsprechen. Dies hat den Vorteil, dass die Wälzkörper exakt geführt werden und somit immer gleiche Wege zurücklegen. Die Wälzkörper werden also gleichmäßig abgenutzt. Außerdem können so zwangsläufig auftretende Fertigungsungenauigkeiten der Rampenbahnen der Rampenelemente und der Wälzkörper ausgeglichen werden, so dass auch Wälzkörper, die keinen Kontakt zu den Rampenbahnen haben, nicht die Position verlieren.
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Erfindungsgemäß ist der Käfig so zwischen dem ersten Rampenelement und dem zweiten Rampenelement angeordnet, dass er die Rampenelemente radial nach außen zur Umgebung hin abdichtet. Der Käfig deckt also den Rampenraum zu beiden axialen Seiten radial zwischen den Rampenelemente ab, so dass ein Eindringen von Schmutz, Wasser und/oder Staub verhindert wird. Dadurch wird eine Korrosionsanfälligkeit erheblich verringert. Zudem wird dadurch eine Befettung des Rampenraums ermöglicht, was den Verschleiß herabsetzt.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn der Käfig aus Kunststoff oder aus Messing aufgebaut ist. So kann ein besonders robuster und zugleich kostengünstiger Käfig hergestellt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wälzkörper aus Stahl oder aus Keramik aufgebaut sind. Dadurch weisen die Wälzkörper besonders gute Festigkeitseigenschaften und eine hohe Verschleißbeständigkeit auf.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die Wälzkörper als Kugeln, Zylinderrollen, Kegelrollen oder Scheiben ausgebildet sind. So kann je nach Bauraumanforderungen oder Flächenpressung/Kontaktkraft ein geeigneter Wälzkörper ausgewählt werden. Beispielsweise eignen sich Zylinderrollen oder Kegelrollen besonders für größere Kontaktflächen. Scheiben haben sich als besonders kompakt bauend herausgestellt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Wälzkörper, insbesondere auch die Zylinderrollen oder die Scheiben, eine ballige Oberfläche besitzen.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn ein Lager(innen)ring eines durch den Rampenmechanismus zu betätigenden Betätigungslagers und eines der Rampenelemente integral oder separat ausgebildet sind. Bei einer integralen Ausbildung kann eine besonders bauraumsparende Lösung realisiert werden.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der Rampenmechanismus ein Betätigungselement zum Einleiten eines Drehmoments zum Verdrehen der Rampenelemente zueinander aufweist, wobei ein Krafteinleitungspunkt auf das Betätigungselement radial außerhalb und auf der gleichen axialen Höhe zu dem Käfig angeordnet ist. Der Krafteinleitungspunkt ist also radial über der Reibzone zwischen dem Käfig und den Rampenelementen angeordnet. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Verklemmen aufgrund von Kippmomenten vermieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Betätigungselement als ein Betätigungshebel, Seilzug oder Betätigungsstößel ausgebildet sein. So kann das Betätigungselement je nach Bauraumanforderungen gewählt werden.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Rampenbetätigung, insbesondere eine trockenlaufende, bei der ein Käfig für die Kugeln, Rollen oder Scheiben vorgesehen ist. Die Rampenelemente/Rampenbleche können dann auf reine Axialkräfte ausgelegt werden. Der Käfig kann Schmutz abweisen. Zusätzlich ist eine Fettung in dem durch den Käfig abgedichteten Raum möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen mechanischen Betätigungssystems mit einem Rampenmechanismus,
- 2 eine Längsschnittdarstellung des Rampenmechanismus in einer ersten Ausführungsform,
- 3 eine Längsschnittdarstellung des Rampenmechanismus in einer zweiten Ausführungsform,
- 4 eine Längsschnittdarstellung des Rampenmechanismus in einer dritten Ausführungsform,
- 5 eine Längsschnittdarstellung des Rampenmechanismus in einer vierten Ausführungsform,
- 6 eine Längsschnittdarstellung des Rampenmechanismus in einer fünften Ausführungsform,
- 7 eine Abwicklung des Rampenmechanismus in einem unbetätigten Zustand, und
- 8 eine Abwicklung des Rampenmechanismus in einem betätigten Zustand.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes mechanisches Betätigungssystem 1 für ein Kraftfahrzeug. In den dargestellten Ausführungsbeispielen wird das mechanische Betätigungssystem 1 zum Betätigen einer Kupplung 2 eingesetzt. Das Betätigungssystem 2 kann aber beispielsweise auch zum Betätigen einer Bremse oder einer anderen Aktorik eingesetzt werden, auch wenn dies nicht dargestellt ist. Das Betätigungssystem 1 weist einen Rampenmechanismus 3 auf. Der Rampenmechanismus wird durch ein erstes Rampenelement 4 mit rampenförmigen Taschen 5, ein relativ zu dem ersten Rampenelement 4 verdrehbares zweites Rampenelement 6 mit rampenförmigen Taschen 7 sowie mehreren in den Taschen des ersten Rampenelements 4 und des zweiten Rampenelements 6 aufgenommene Wälzkörper 8 gebildet. Erfindungsgemäß werden die Wälzkörper 8 durch einen Käfig 9 in Umfangsrichtung beabstandet gehalten.
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Das erste Rampenelement 4 ist axialfest und drehfest an einem in 2 bis 6 dargestellten Gehäuse 10 angebracht. Das zweite Rampenelement 6 ist relativ zu dem ersten Rampenelement 4 axial verschieblich und drehbar angebracht. Das zweite Rampenelement 6 ist mit einem Betätigungselement 11, der als ein Betätigungshebel 12 ausgebildet ist, verbunden. Über das Betätigungselement 11 wird ein Drehmoment zum Verdrehen des zweiten Rampenelements 6 relativ zu dem ersten Rampenelement 4 eingeleitet. Das zweite Rampenelement 6 ist in Axialrichtung mit einem Betätigungslager 13 gekoppelt. Dadurch wird bei einer axialen Verschiebung des zweiten Rampenelements 6 auch das Betätigungslager 13 in Axialrichtung verlagert und somit die Kupplung 2 betätigt.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Rampenmechanismus 3. Die Wälzkörper 8 sind als Kugeln 14 ausgebildet und werden durch den Käfig 9 in regelmäßigen Abständen zueinander gehalten. Der Käfig 9 besitzt sich in Radialrichtung erstreckende Aussparungen 15, in denen jeweils ein Wälzkörper 8 angeordnet ist. Der Durchmesser der Aussparungen 15 entspricht dem Außendurchmesser der Wälzkörper 8. Der Käfig 9 ist in Radialrichtung zwischen den beiden Rampenelementen 4, 6 angeordnet. Der Käfig 9 hat Gleitflächen 16 an seinem Umfang, die an den beiden Rampenelementen 4, 6 anliegen. Die Gleitflächen 16 übertragen die Radialkräfte auf die Rampenelemente 4, 6 und zentrieren diese. Die Radialkräfte werden also nur über den Käfig 9 weitergeleitet und von diesem aufgenommen.
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Der Käfig 9 ist so zwischen den Rampenelementen 4, 6 angeordnet, dass er einen Rampenraum, in dem die Wälzkörper 8 angeordnet sind, radial zur Umgebung hin abdichtet, so dass ein Eindringen von Schmutz, Wasser und/oder Staub verhindert ist. Dadurch wird eine Befettung des Rampenraums ermöglicht. Das mechanische Betätigungssystem 1 ist also trockenlaufend oder nasslaufend ausgebildet.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Lagerring 17 des Betätigungslagers 13 integral mit dem zweiten Rampenelement 6 ausgebildet.
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Das erste Rampenelement 4 wird über Zentriernoppen 18, die an einer Wand des Gehäuses 10 ausgebildet sind, radial in Position gehalten. Zur axialen Sicherung des ersten Rampenelements 4 ist ein Sicherungsring 19 eingesetzt, der das erste Rampenelement 4 axial relativ zu dem Gehäuse 10 festlegt.
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Die Rampenelemente 4, 6 sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen als Rampenbleche ausgebildet. Die Wälzkörper 8 können aus Stahl oder Keramik aufgebaut sein. Der Käfig 9 kann aus Kunststoff oder aus Messing aufgebaut sein.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Rampenmechanismus 3. Einfachheitshalber werden lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Rampenelemente 4, 6 sind für reine Axialkräfte ausgelegt. Die Rampenelemente 4, 6 liegen in Radialrichtung nur an den Gleitflächen 16 des Käfigs an. In Radialrichtung sind die Wälzkörper 8 beabstandet zu den Rampenelementen 4, 6 angeordnet. Das zweite Rampenelement 6 und der Lagerring 17 des Betätigungslagers 13 sind separat voneinander ausgebildet. Ein Krafteinleitungspunkt auf das Betätigungselement 11 ist radial über einer Reibzone zwischen dem Käfig 9 und den Rampenelementen 4, 6 angeordnet. Das heißt, der Krafteinleitungspunkt ist auf der gleichen axialen Höhe wie der Käfig 9 angeordnet. Dadurch wird ein Verklemmen aufgrund eines Kippmoments vermieden.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Rampenmechanismus 3. Einfachheitshalber werden lediglich die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Wälzkörper 8 sind als Zylinderrollen 20 ausgebildet. Die Zylinderrollen 20 sind ballig, insbesondere auf ihrer Zylindermantelaußenfläche, ausgebildet. Dadurch wird eine größere Kontaktfläche bereitgestellt, so dass damit geringe Flächenpressungen erreicht werden. Der Käfig 9 stützt sich an seinem radialen Innenumfang direkt am Gehäuse 10 ab.
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5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Rampenmechanismus 3, in dem die Wälzkörper 8 als Kegelrollen 21 ausgebildet sind. Die Kegelrollen 21 werden insbesondere für größere Kontaktflächen eingesetzt. Der Käfig 9 stützt sich an seinem radialen Innenumfang direkt am Gehäuse 10 ab.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des Rampenmechanismus 3, in dem die Wälzkörper 8 als Scheiben 22 ausgebildet sind. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht. Die Scheiben 22 sind auf ihrem Umfang ballig ausgebildet, so dass ihre Form der Form einer Kugelschicht, die den Kugelmittelpunkt enthält, entspricht. Das Betätigungselement 11 ist als ein Bowden-Seilzug 23 ausgebildet. Das Drehmoment des Betätigungselements 11 wird über den Lagerring 17 an das zweite Rampenelement 6 eingeleitet. Der Käfig 9 stützt sich an seinem radialen Innenumfang direkt am Gehäuse 10 ab.
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7 und 8 zeigen eine Abwicklung des Rampenmechanismus 3 in dem fünften Ausführungsbeispiel in einem unbetätigten, d.h. eingefahrenen, Zustand (vergleiche 7) und in einem betätigten, d.h. ausgefahrenen, Zustand (vergleiche 8). Durch die Verdrehung des zweiten Rampenelements 6 werden die Wälzkörper 8, die hier als die Scheiben 22 ausgebildet sind, in Umfangsrichtung mitgenommen. Dabei gleiten die Wälzkörper 8 entlang der Oberfläche der rampenförmigen Taschen 5, 7, so dass das zweite Rampenelement 6 in Axialrichtung verschoben wird. Der Käfig 9 besitzt zwischen benachbarten Aussparungen 15 für die Wälzkörper 8 jeweils einen Steg mit Flanken, die senkrecht zu einer Bewegungsrichtung ausgerichtet sind. Damit wird der Käfig 9 aus einer Ausgangsstellung mitsamt den Wälzkörpern 8 in eine Grundstellung geschoben bzw. gezwungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mechanisches Betätigungssystem
- 2
- Kupplung
- 3
- Rampenmechanismus
- 4
- erstes Rampenelement
- 5
- Tasche
- 6
- zweites Rampenelement
- 7
- Tasche
- 8
- Wälzkörper
- 9
- Käfig
- 10
- Gehäuse
- 11
- Betätigungselement
- 12
- Betätigungshebel
- 13
- Betätigungslager
- 14
- Kugel
- 15
- Aussparung
- 16
- Gleitfläche
- 17
- Lagerring
- 18
- Zentriernoppen
- 19
- Sicherungsring
- 20
- Zylinderrollen
- 21
- Kegelrolle
- 22
- Scheiben
- 23
- Bowden-Seilzug
