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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine formschlüssige Kupplungseinrichtung sowie eine erste und zweite koaxial zueinander angeordnete Welle.
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Beispielsweise geht aus der
DE 10 2011 077 748 A1 eine Verbindungsvorrichtung eines Fahrzeugantriebsstrangs, außerhalb eines Zahnräderwechselgetriebes, zur Drehkoppelung einer Fahrzeugwelle mit einer zweiten Fahrzeugwelle hervor. Die Verbindungsvorrichtung umfasst eine Schiebemuffe, welche drehfest und axial verschiebbar zwischen zumindest einer ersten und zweiten Position auf der Fahrzeugwelle angeordnet ist. Die Schiebemuffe bewirkt in der ersten Position eine Drehentkoppelung der Fahrzeugwelle von dem Fahrzeugantriebsstrangelement und in der zweiten Position deren Drehkoppelung. Ferner weist die Verbindungsvorrichtung Stellmittel zur Verschiebung der Schiebemuffe zwischen der ersten und zweiten Position, mit zumindest einer Schaltnut entlang eines Umfangs der Schiebemuffe sowie Eingriffsmittel zum Eingriff in die Schaltnut auf. Die Schiebemuffe ist bezüglich der Eingriffsmittel drehbar und axial beweglich und die Schaltnut ist in Form einer Steuerkurve ausgeführt, so dass beim Eingriff der Eingriffsmittel in die Schaltnut und bei einer Drehung der Schiebemuffe bezüglich der Eingriffsmittel die Schiebemuffe durch die Schaltnut axial zwischen der ersten und zweiten Position bewegt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alterative Kupplungsanordnung zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine formschlüssige Kupplungseinrichtung sowie eine erste und zweite koaxial zueinander angeordnete Welle, wobei die Kupplungseinrichtung eine zur formschlüssigen Kopplung sowie zur Entkopplung der beiden Wellen ein-gerichtete Schiebemuffe und eine Stelleinrichtung zur axialen Verschiebung der Schiebemuffe zwischen einer Kopplungsposition und einer Entkopplungsposition aufweist, wobei die Stelleinrichtung einen Eingriffsstift aufweist, der zur axialen Verschiebung der Schiebemuffe in die Entkopplungsposition in eine kurvenförmige Schaltnut an einem Umfang der Schiebemuffe eingreift, wobei die Schiebemuffe bezüglich des Eingriffsstifts drehbar und axial verschiebbar ist, wobei der Eingriffsstift zur Arretierung der Entkopplungsposition in eine an dem Umfang der Schiebemuffe ausgebildete Arretiernut eingreift und schaltbar ist, um bei Betätigung des Eingriffsstifts aus der Arretiernut auszuschwenken und eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe freizugeben, wobei die Stelleinrichtung ein Federelement zur axialen Verschiebung der Schiebemuffe in die Kopplungsposition umfasst, das in axialer Richtung auf die Schiebemuffe einwirkt.
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Die erste Welle ist relativ zur zweiten Welle drehbar gelagert. Die beiden Wellen rotieren in einer Entkopplungsposition der Schiebemuffe relativ zueinander und sind somit nicht drehfest miteinander verbunden. Demgegenüber sind die beiden Wellen in der Kopplungsposition der Schiebemuffe drehfest miteinander verbunden. Insbesondere weist die jeweilige Welle eine jeweilige Steckverzahnung auf, wobei die Schiebemuffe eine korrespondierend dazu ausgebildete Steckverzahnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, in einer Entkopplungsposition der Schiebemuffe nur mit einer der beiden Wellen zusammenzuwirken und in einer Kopplungsposition der Schiebemuffe mit beiden Welle zusammenzuwirken. Mithin werden über die jeweiligen Steckverzahnungen an den beiden Wellen und an der Schiebemuffe, die beiden Wellen drehfest miteinander verbunden.
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Die Stelleinrichtung dient zur axialen Verschiebung der Schiebemuffe und umfasst den Eingriffsstift sowie das Federelement, wobei das Federelement axial vorgespannt ist und in axialer Richtung auf die Schiebemuffe einwirkt. Insbesondere stützt sich das Federelement zumindest mittelbar axial an der Schiebemuffe ab und verschiebt die Schiebemuffe aus der Entkopplungsposition in die Kopplungsposition. In der Entkopplungsposition ist der Eingriffsstift in der Arretiernut an der Schiebemuffe angeordnet und verhindert dadurch eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe in die Kopplungsposition. Durch Betätigung wird der Eingriffsstift aus der Arretiernut entfernt und gibt die durch das vorgespannte Federelement eingeleitete axiale Verschiebung der Schiebemuffe frei. Um die Schiebemuffe aus der Kopplungsposition zurück in die Entkopplungsposition zu verschieben wird der Eingriffsstift erneut betätigt und greift in die kurvenförmige Schaltnut an dem Umfang der Schiebemuffe ein. Aufgrund der Rotation der Schiebemuffe wird der Eingriffsstift in der Schaltnut an dem Umfang der Schiebemuffe geführt und verschiebt die Schiebemuffe in axialer Richtung. Die Schiebemuffe wird in die Entkopplungsposition überführt und das Federelement wird vorgespannt.
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Bevorzugt ist das Federelement koaxial zu den beiden Wellen angeordnet. Insbesondere ist das Federelement als Druckfeder ausgebildet und erstreckt sich umfangsseitig an der ersten Welle, wobei das Federelement zumindest mittelbar zwischen einer Schulter an der ersten Welle und der Schiebemuffe angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist der Eingriffsstift über einen Hebelmechanismus mit einem Aktuator verbunden, wobei der Hebelmechanismus einen ersten und einen zweiten Hebelarm sowie einen Drehpunkt zwischen den beiden Hebelarmen aufweist. Der Drehpunkt umfasst vorteilhafterweise ein Lagerelement. Das Lagerelement lagert den Hebelmechanismus drehbar bzw. zumindest begrenzt schwenkbar an einem Gehäuseteil des Antriebsstrangs. Der erste Hebelarm ist vorzugsweise über eine Hubstange mit dem Aktuator verbunden, wobei der zweite Hebelarm mit dem Eingriffsstift verbunden ist. Der erste Hebelarm ist bevorzugt länger als der zweite Hebelarm. Insbesondere ist der Aktuator als Hubmagnet ausgebildet. Alternativ kann der Aktuator hydraulisch oder pneumatisch ausgebildet sein.
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Insbesondere ist mindestens eine Rückstellfeder mit dem Eingriffsstift wirkverbunden, wobei die mindestens eine Rückstellfeder zur Belastung des Eingriffsstifts radial in Richtung der Schiebemuffe eingerichtet ist. Unter dem Begriff „wirkverbunden“ ist zu verstehen, dass zwei Elemente direkt also unmittelbar miteinander verbunden sein können, oder dass sich zwischen zwei Elementen noch weitere Elemente befinden können und die beiden Elemente somit mittelbar über die weiteren Elemente miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist die mindestens eine Rückstellfeder im Aktuator angeordnet und wirkt über den Hebelmechanismus auf den Eingriffsstift ein. Alternativ oder ergänzend ist eine Rückstellfeder unmittelbar an dem Eingriffsstift angeordnet und belastet den Eingriffsstift in seiner Längsrichtung. Die mindestens eine Rückstellfeder ist vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet. Alternativ ist es denkbar die mindestens eine Rückstellfeder als Torsionsfeder auszubilden und über den Hebelmechanismus auf den Eingriffsstift einwirken zu lassen.
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Bevorzugt ist die Arretiernut axial neben der Schaltnut ausgebildet, wobei die Schaltnut in die Arretiernut mündet. Mit anderen Worten ist die Schaltnut benachbart zur Arretiernut an dem Umfang der Schiebemuffe ausgebildet und derart mit der Arretiernut verbunden, dass der Eingriffsstift bei Rotation der Schiebemuffe aus der Schaltnut in die Arretiernut gelangen kann.
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Ferner bevorzugt ist die Arretiernut tiefer in den Umfang der Schiebemuffe ausgebildet als die Schaltnut. Dadurch wird verhindert, dass der Eingriffsstift bei Rotation der Schiebemuffe aus der Arretiernut in die Schaltnut gelangen kann. Dazu müsste zunächst der Eingriffsstift betätigt werden, um dadurch aus der Arretiernut herausgeschwenkt zu werden. Dabei wird die Kopplungsposition der Schiebemuffe eingeleitet, wobei die Schiebemuffe axial verschiebt wird. Zur Einleitung der Entkopplungsposition der Schiebemuffe wird der Eingriffsstift betätigt bzw. die Betätigung aufgehoben und dadurch in die Schaltnut eingelassen, um darüber wieder in die Arretiernut zu gelangen und die Schiebemuffe gleichzeitig axial zu verschieben. Mithin ist die axiale Position des Eingriffsstifts in der Arretiernut auch bei Rotation der Schiebemuffe stets stabil, wobei die Position des Eingriffsstifts in der Schaltnut durch die Rotation der Schiebemuffe stets zu einer axialen Verschiebung der Schiebemuffe und einem Positionswechsel des Eingriffsstifts aus der Schaltnut in die Arretiernut führt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Arretiernut zumindest teilweise keilförmig ausgebildet, wobei der Eingriffsstift zumindest teilweise korrespondierend dazu ausgebildet ist, um bei einer Rotation der Schaltmuffe radial in die Arretiernut eingezogen zu werden. Insbesondere weist die Arretiernut zumindest in einem Bereich der Mündung der Schaltnut in die Arretiernut eine negative, sich verengende Keilkontur auf, wobei der Eingriffsstift eine positive Keilkontur aufweist. Die Keilkontur an der Arretiernut und die Keilkontur an dem Eingriffsstift wirken derart zusammen, dass der Eingriffsstift bei Rotation der Schaltmuffe tiefer in die Arretiernut gezogen wird.
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Vorzugsweise weist die Schaltnut eine erste und eine zweite Krümmung auf, wobei die jeweilige Krümmung mit der Arretiernut verbunden ist. Insbesondere sind die beiden Krümmungen gegenläufig ausgebildet, um drehrichtungsunabhängig eine Verbindung zwischen der Schaltnut und der Arretiernut zu realisieren. Insbesondere weist die Schaltnut einen im Wesentlichen parallel zur Arretiernut ausgebildeten linearen Bereich auf, wobei der lineare Bereich in Umfangsrichtung zwischen der ersten und zweiten Krümmung ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise weist der Eingriffsstift an einem zur Schiebemuffe gerichteten Endbereich ein Reibungsminimierungselement auf. Insbesondere ist das Reibungsminimierungselement als Lagerelement ausgebildet. Vorzugsweise ist das Lagerelement an einer in die Schaltnut und Arretiernut eingreifende Spitze des Eingriffsstifts angeordnet. Alternativ kann das Reibungsminimierungselement auch als Beschichtung oder als Aufsatz aus einem reibungsminimierenden Kunststoff, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen sein.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung. Insbesondere ist in dem Antriebsstrang eine elektrische Antriebsmaschine angeordnet, die zumindest eine Achse des Kraftfahrzeugs elektrisch antreibt. Bevorzugt ist im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs auch eine Brennkraftmaschine angeordnet. Mithin ist das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet, wobei zumindest die elektrische Antriebsmaschine über die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung koppelbar bzw. entkoppelbar ist. Ferner kann in dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs auch eine Getriebevorrichtung vorgesehen sein.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Hierbei zeigt
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs,
- 2 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines in einer Arretiernut angeordneten Eingriffsstifts,
- 3 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf eine abgerollte Mantelfläche einer Schiebemuffe gemäß 1, und
- 4 eine vereinfachte schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug.
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Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines - hier nicht dargestellten - Kraftfahrzeugs eine formschlüssige Kupplungseinrichtung 1 sowie eine erste und zweite koaxial zueinander angeordnete Welle 2, 3 auf. Vorliegend ist die erste Welle 2 über ein Lagerelement 23 drehbar an der zweiten Welle 3 gelagert, wobei die beiden Wellen 2, 3 um eine gemeinsame Drehachse 24 rotieren. Die jeweilige Welle 2, 3 weist eine jeweilige Verzahnung 30a, 30b auf, die dazu eingerichtet ist mit einem jeweiligen Zahnrad im Zahneingriff zu stehen. Über die Kupplungseinrichtung 1 sind die beiden Wellen 2, 3 miteinander koppelbar, um ein Drehmoment und eine Drehzahl zwischen den beiden Wellen 2, 3 zu übertragen. Dazu weist die Kupplungseinrichtung 1 eine Schiebemuffe 4 und eine Stelleinrichtung 5 auf.
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Die Schiebemuffe 4 dient zur formschlüssigen Kopplung sowie zur Entkopplung der beiden Wellen 2, 3 und weist an einem Innenumfang eine Steckverzahnung 20 auf, die - in der vorliegend dargestellten - Entkopplungsposition nur mit einer Steckverzahnung 21 an einem Außenumfang der ersten Welle 2 drehfest verbunden ist. Die Stelleinrichtung 5 ist zur axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 aus der Entkopplungsposition in die Kopplungsposition eingerichtet, wobei die Steckverzahnung 20 an der Schiebemuffe 4 in der Kopplungsposition der Schiebemuffe 4 sowohl mit der Steckverzahnung 21 an der ersten Welle 2 als auch mit einer Steckverzahnung 22 an der zweiten Welle 3 drehfest verbunden ist. Mithin ist die Schiebemuffe 4 mittels Stelleinrichtung 5 in Längsrichtung der beiden Wellen 2, 3 zwischen der Entkopplungsposition und der Kopplungsposition verschiebbar.
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Für die axiale Verschiebung der Schiebemuffe 4 aus der Entkopplungsposition in die Kopplungsposition weist die Stelleinrichtung 5 ein Federelement 9 auf, das in axialer Richtung auf die Schiebemuffe 4 einwirkt. Das Federelement 9 ist als Druckfeder ausgebildet und koaxial zu den beiden Wellen 2, 3 angeordnet. Vorliegend stützt sich das Federelement 9 axial an der ersten Welle 2 und an der Schiebemuffe 4 ab.
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Ferner weist die Stelleinrichtung 5 einen Eingriffsstift 6 auf, der zur axialen Verschiebung der Schiebemuffe 4 aus der Kopplungsposition in die Entkopplungsposition vorgesehen ist. Die Schiebemuffe 4 ist bezüglich des Eingriffsstifts 6 drehbar und axial verschiebbar. An einem Außenumfang der Schiebemuffe 4 ist eine kurvenförmige Schaltnut 7 ausgebildet, in die der Eingriffsstift 6 eingreift und bei Rotation der Schiebemuffe 4 die Schiebemuffe 4 gleichzeitig axial entgegen einer Federkraft des Federelements 9 verschiebt, wobei die Schaltnut 7 in 3 deutlich dargestellt ist.
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Das Federelement 9 wird bei einer Rückstellung der Schiebemuffe 4 aus der Kopplungsposition in die Entkopplungsposition gestaucht und somit stärker vorgespannt. Der Eingriffsstift 6 weist an einem zur Schiebemuffe 4 gerichteten Endbereich ein Reibungsminimierungselement 19 auf, das vorliegend als Lagerelement ausgebildet ist. Das Reibungsminimierungselement 19 ermöglicht eine reibungsminimierte Führung des Eingriffsstifts 6 durch die Schaltnut 7 und eine Arretiernut 8, die axial neben der Schaltnut 7 an dem Außenumfang der Schiebemuffe 4 ausgebildet ist. Die Arretiernut 8 ist radial tiefer in den Außenumfang der Schiebemuffe 4 ausgebildet als die Schaltnut 7.
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Der Eingriffsstift 6 ist über einen Hebelmechanismus 10 mit einem Aktuator 11 verbunden, wobei der Aktuator 11 vorliegend als Hubmagnet ausgebildet ist. Der Hebelmechanismus 10 weist einen ersten und einen zweiten Hebelarm 12, 13 sowie einen Drehpunkt 14 zwischen den beiden Hebelarmen 12, 13 auf. Der erste Hebelarm 12 ist mit einer Hubstange 25 des Aktuators 11 verbunden, wobei der zweite Hebelarm 13 mit dem Eingriffsstift 6 verbunden ist. Der Drehpunkt 14 ist in einem - hier nicht dargestellten - Gehäuse drehbar gelagert. Eine Rückstellfeder 15 ist über den Hebelmechanismus 10 mit dem Eingriffsstift 6 wirkverbunden. Die Rückstellfeder 15 ist zur Belastung des Eingriffsstifts 6 radial in Richtung der Schiebemuffe 4 eingerichtet und vorliegend innerhalb des Aktuators 11 angeordnet. Die Rückstellfeder 15 ist als Druckfeder ausgebildet und stützt sich zwischen einem ortsfest an der Hubstange angeordneten Federteller 26 und einer Wandung 32 des Aktuators 11 ab.
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In der vorliegend dargestellten Entkopplungsposition der Schiebemuffe 4 greift der Eingriffsstift 6 zur Arretierung der Entkopplungsposition in die Arretiernut 8 ein. Über den Aktuator 11 und den Hebelmechanismus 10 ist der Eingriffsstift 6 schaltbar. Bei Betätigung des Aktuators 11 wird der Hebelmechanismus 10 entgegen der Rückstellfeder 15 um den Drehpunkt 14 entgegen des Uhrzeigersinns verschwenkt, sodass der Eingriffsstift 6 aus der Arretiernut 8 ausgeschwenkt wird, wobei eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe 4 freigegeben wird. Mittels Federkraft des Federelements 9 wird die Schiebemuffe 4 axial in die Steckverzahnung 22 an der zweiten Welle 3 verschoben. Dadurch werden die beiden Wellen 2, 3 drehfest miteinander gekoppelt.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Arretiernut 8 und einen Eingriffsstift 6 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der gezeigte Abschnitt der Arretiernut 8 ist keilförmig ausgebildet und verengt sich in Umfangsrichtung gemäß der gestrichelten Kontur. Der Eingriffsstift 6 ist ebenfalls keilförmig und korrespondierend zur keilförmigen Arretiernut 8 ausgebildet, um bei einer Rotation der Schiebemuffe 4 radial in die Arretiernut 8 eingezogen zu werden.
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In 3 ist die Außenumfangsfläche der Schiebemuffe 4 gemäß 1 ausgerollt dargestellt. Die Schaltnut 7 weist eine erste und eine zweite Krümmung 16, 17 auf, wobei die jeweilige Krümmung 16, 17 in die tiefer abgesetzte Arretiernut 8 mündet und somit mit der Arretiernut 8 verbunden ist. Die Schaltnut 7 weist einen im Wesentlichen parallel zur Arretiernut 8 ausgebildeten lineare Bereich 18 auf, wobei der lineare Bereich 18 in Umfangsrichtung zwischen der ersten und zweiten Krümmung 16, 17 ausgebildet ist. Über die jeweilige Krümmung 16, 17 wird der Eingriffsstift 6 bei Rotation der Schiebemuffe 4 wieder in die Arretiernut 8 geführt und dort aufgrund der größeren radialen Tiefe der Arretiernut 8 gegenüber der flacheren Schaltnut 7 axial fixiert. Erst bei Betätigung des Aktuators 11 wird der Eingriffsstift 6 aus der Arretiernut 8 ausgeschwenkt und gibt so eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe 4 frei.
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Gemäß 4 ist ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der Antriebsstrang umfasst eine elektrische Antriebsmaschine 27, die Kupplungsanordnung gemäß 1, umfassend die beiden Wellen 2, 3 und die dazwischen angeordnete Kupplungseinrichtung 1, sowie ein Differentialgetriebe 28, das mit einer ersten und zweiten Abtriebswelle 29a, 29b des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Die erste Welle 2 ist mit einer Rotorwelle 31 der elektrische Antriebsmaschine 27 verbunden und die zweite Welle 3 ist mit dem Differentialgetriebe 28 verbunden. Die jeweilige Abtriebswelle 29a, 29b ist mit einem jeweiligen - hier nicht dargestellten - Rad des Kraftfahrzeugs wirkverbunden. Über die Kupplungsanordnung können die beiden Abtriebswelle 29a, 29b von der elektrischen Antriebsmaschine 27 entkoppelt werden, um ein Mitschleppen der elektrischen Antriebsmaschine 27 zu verhindern. Das Kraftfahrzeug ist vorliegend als Hybridfahrzeug ausgebildet und wird über eine -hier nicht dargestellte - Brennkraftmaschine, die mit einer weiteren Antriebsachse des Kraftfahrzeugs wirkverbunden ist, angetrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungseinrichtung
- 2
- Welle
- 3
- Welle
- 4
- Schiebemuffe
- 5
- Stelleinrichtung
- 6
- Eingriffsstift
- 7
- Schaltnut
- 8
- Arretiernut
- 9
- Federelement
- 10
- Hebelmechanismus
- 11
- Aktuator
- 12
- erster Hebelarm
- 13
- zweiter Hebelarm
- 14
- Drehpunkt
- 15
- Rückstellfeder
- 16
- erste Krümmung
- 17
- zweite Krümmung
- 18
- linearer Bereich
- 19
- Reibungsminimierungselement
- 20
- Steckverzahnung
- 21
- Steckverzahnung
- 22
- Steckverzahnung
- 23
- Lagerelement
- 24
- Drehachse
- 25
- Hubstange
- 26
- Federteller
- 27
- elektrische Antriebsmaschine
- 28
- Differentialgetriebe
- 29a, 29b
- Abtriebswelle
- 30a, 30b
- Verzahnung
- 31
- Rotorwelle
- 32
- Wandung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077748 A1 [0002]
