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Die Erfindung betrifft einen Axialkraftaktor, aufweisend zumindest die folgenden Kom ponenten :
- - ein Antriebsrad;
- - ein erstes Abtriebsrad;
- - eine erste Rampe, welche mit dem ersten Abtriebsrad verbunden ist; und
- - einen Kolben, wobei der Kolben eine mit der ersten Rampe korrespondierende erste Gegenflanke aufweist, wobei dem Kolben infolge eines relativen Verdrehens der ersten Rampe zu der ersten Gegenflanke eine axiale Bewegung aufgezwungen ist. Der Axialkraftaktor ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin umfasst ist:
- - ein zweites Abtriebsrad, wobei das erste Übersetzungsverhältnis und das zweite Übersetzungsverhältnis voneinander verschieden sind; und
- - eine zweite Rampe, welche mit dem zweiten Abtriebsrad verbunden ist,
wobei der Kolben eine mit der zweiten Rampe korrespondierende zweite Gegenflanke aufweist, wobei die zweite Gegenflanke zu der ersten Gegenflanke fixiert ist, wobei dem Kolben infolge eines relativen Verdrehens der zweiten Rampe zu der zweiten Gegenflanke eine axiale Bewegung aufgezwungen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Reibkupplung mit einem solchen Axialkraftaktor mit einer Rotationsachse für einen Antriebsstrang, einen Antriebsstrang mit einer solchen Reibkupplung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang.
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In vielen Anwendungsfällen ist eine hohe Axialkraft gefordert, welche jedoch auf einem geringem Bauraum erzeugt werden soll. Für eine solche Anwendung eignet sich besonders eine hydraulische beziehungsweise hydrostatische Betätigungseinheit, weil lediglich ein Nehmerzylinder und eine Zuleitung am Ort der benötigten Kraftaufbringung unterzubringen ist. Voraussetzung ist dafür aber eine Druckquelle beziehungsweise Volumenquelle für eine hydraulische Flüssigkeit. In Anwendungen, in welchen eine solche Quelle nicht vorhanden ist, beziehungsweise eingespart werden soll, sind zunehmend elektromotorische Lösungen gefordert. Rotatorische Elektromotoren mit einer Rotorwelle weisen jedoch meist bezogen auf den zur Verfügung stehenden Bauraum eine zu geringe Leistung auf und/oder einen zu hohen Energiebedarf, sodass von der Rotorwelle einzig ein zu geringes maximales Drehmoment bereitstellbar ist. Dafür wird ein Übersetzungsgetriebe notwendig, welches jedoch oftmals mit der Anforderung an den Platzbedarf kollidiert. Beispielsweise ist aus der
DE 20 2017 106 133 U1 ein mehrstufiger Kugelrampenaktuator bekannt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft einen Axialkraftaktor, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - ein Antriebsrad;
- - ein erstes Abtriebsrad, welches von dem Antriebsrad mit einem ersten Übersetzungsverhältnis antreibbar ist;
- - eine erste Rampe, welche mit dem ersten Abtriebsrad dauerhaft drehmomentübertragend verbunden ist; und
- - einen Kolben mit einer Kolbenachse, wobei der Kolben eine mit der ersten Rampe korrespondierende erste Gegenflanke aufweist, wobei dem Kolben infolge eines relativen Verdrehens der ersten Rampe zu der ersten Gegenflanke eine axiale Bewegung aufgezwungen ist.
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Der Axialkraftaktor ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Axialkraftaktor weiterhin umfasst:
- - ein zweites Abtriebsrad, welches von dem Antriebsrad mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis antreibbar ist, wobei das erste Übersetzungsverhältnis und das zweite Übersetzungsverhältnis voneinander verschieden sind; und
- - eine zweite Rampe, welche mit dem zweiten Abtriebsrad dauerhaft drehmomentübertragend verbunden ist,
wobei der Kolben eine mit der zweiten Rampe korrespondierende zweite Gegenflanke aufweist, wobei die zweite Gegenflanke zu der ersten Gegenflanke fixiert ist, wobei dem Kolben infolge eines relativen Verdrehens der zweiten Rampe zu der zweiten Gegenflanke eine axiale Bewegung aufgezwungen ist.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Kolbenachse (bei der Reibkupplung auf die Rotationsachse) Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Das Antriebsrad ist beispielsweise mit einer elektrischen Maschine verbunden und beispielsweise als Zahnrad ausgeführt. Das erste Abtriebsrad und das zweite Abtriebsrad sind mit dem Antriebsrad in drehmomentübertragender Verbindung, wobei hier bevorzugt eine Drehmomentübersetzung, also eine Vergrößerung des Drehmoments und Verringerung der Drehzahl, stattfindet. Die beiden Abtriebsräder weisen zueinander unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse auf, sodass sich die jeweils übertragene Drehzahl der beiden Abtriebsräder voneinander unterscheiden. Das Antriebsrad wird mittels einer ein Drehmoment abgebenden Antriebseinheit, beispielsweise eines Elektromotors oder einer hydraulischen Turbine, angetrieben, wobei bevorzugt eine lange und relativ dünne Welle zwischen der Antriebseinheit und dem Antriebsrad gebildet ist, von welcher nicht mehr als etwa der Bauraum einer hydraulischen Zuleitung eingenommen ist, welche bei einem hydrostatischen Kupplungsaktor benötigt wird. Bevorzugt ist die Antriebseinheit für die Abgabe einer hohen Drehzahl und eines geringen Drehmoments eingerichtet, sodass diese einen geringen Bauraum benötigt.
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Das Drehmoment des Antriebsrads wird über die Abtriebsräder in eine Rotation des Kolbens um die Kolbenachse überführt. Bei einem Axialkraftaktor ausgeführt als Zentralausrücker ist die Kolbenachse bevorzugt kongruent mit der Rotationsachse der zu betätigenden (beispielsweise Reib-) Kupplung. Die zu erzeugende Axialkraft ist parallel zu der Kolbenachse ausgerichtet. Das erste Abtriebsrad ist dauerhaft drehmomentübertragend mit der ersten Rampe verbunden. Das zweite Abtriebsrad ist dauerhaft drehmomentübertragend mit der zweiten Rampe verbunden. Die erste Rampe und die korrespondierende erste Gegenflanke bilden zusammen den ersten Spindeltrieb. Die zweite Rampe und die korrespondierende zweite Gegenflanke bilden zusammen den zweiten Spindeltrieb. Der Kolben ist entlang der Kolbenachse (axial) bewegbar. Hier ist der Kolben beispielhaft eingesetzt als Kolben eines Zentralausrückers gezeigt. Dies dient einzig der Veranschaulichung der Funktion des Axialkraftaktors und ist keine Beschränkung der Einsatzmöglichkeiten. Der Kolben wirkt hier axial auf ein Ausrücklager. Das Ausrücklager weist einen kolbenseitigen Lagerring und einen kupplungsseitigen Lagerring auf und ist zum Übertragen einer axial ausgerichteten Kraft, also zum Übertragen der Axialkraft des Kolbens, eingerichtet. Konventionell ist ein solches Ausrücklager einzig dazu vorgesehen, eine stehende Kolbenseite mit einer rotierenden Kupplungsseite drehmomentfreistellend für eine (reine) Axialkraftübertragung miteinander zu verbinden. Der kupplungsseitige Lagerring ist also (mit den rotierbaren Kupplungskomponenten) rotierbar und konventionell steht der kolbenseitige Lagerring. Hier aber rotiert der Kolben über seinen axialen Verfahrweg (bis in die gezeigte ausgefahrene Position des Kolbens). Damit ist also auch der kolbenseitige Lagerring rotierbar, und zwar mit dem Kolben. Diese Rotationsbewegung wird nicht an den kupplungsseitigen Lagerring weitergegeben. Der Kolben ist also mit einer entsprechenden (Gleit- oder Wälz-) Lagerung oder unter Inkaufnahme einer Reibung bei mittels einer Axialkraft zu betätigenden nicht-rotierenden Komponenten einsetzbar.
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Der Axialkraftaktor übt eine Axialkraft aus, indem das erste Abtriebsrad mit einer ersten Rampe und der Kolben mit einer korrespondierenden ersten Gegenflanke ausgeführt ist, sowie das zweite Abtriebsrad mit einer zweiten Rampe und der Kolben mit einer korrespondierenden zweiten Gegenflanke ausgeführt ist. Der Kolben ist, wie bereits erläutert, nicht rotatorisch fixiert. Eine axiale Bewegung kann daher nur erzeugt werden, indem eine Relativdrehzahl zwischen der ersten Rampe und der zweiten Rampe erzeugt ist. Der Kolben rotiert zum langsameren Abtriebsrad und zum schnelleren Abtriebsrad mit einer Differenzdrehzahl. Indem sich die zweite Rampe schneller bewegt als die erste Rampe werden diese relativ zueinander verdreht und der Kolben kann aufgrund seiner Gegenflanken, welche zueinander fixiert sind, nur mit einer axialen Bewegung ausweichen. So wird die Rotation der Abtriebsräder in eine axiale Bewegung des Kolbens umgesetzt, also ein Drehmoment der Abtriebsräder in die Axialkraft umgewandelt. Dabei findet eine Übersetzung bei gleichzeitiger Drehmoment-Kraft-Umwandlung statt. Die Übersetzung ist zum einen von der Grundsteigung der beiden Gegenflanken im Zusammenspiel mit der jeweiligen Rampe und weiterhin von der Differenz der Übersetzungsverhältnisse der Abtriebsräder abhängig.
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In einer Ausführungsform ist die Axialkraft an einem axial fixierten Bauteil, beispielsweise einem Aktorgehäuse oder einem Kupplungsglocke, abgestützt, wobei dazu ein Gleitlager oder ein Axialwälzlager, beispielsweise ein Nadellager, vorgesehen ist, um den Kolben möglichst drehmomentfrei zu stellen und damit das eingetragene Drehmoment des Antriebsrads mit einem hohen Wirkungsgrad in die Axialkraft umzuwandeln.
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Die Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antriebsrad und dem jeweiligen Abtriebsrad sind im Zusammenspiel der jeweils wirksamen Durchmesser beziehungsweise Umfangslängen und/oder Zähnezahlen (bei einem Ritzeltrieb) eingestellt.
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Der Kolben rotiert bei einer Betätigung mittels des Antriebsrads. Für eine Anwendung, bei welcher die mit der Axialkraft zu beaufschlagende Komponente, beispielsweise bei einer Ausführung des Axialkraftaktors als Zentralausrücker auf eine Tellerfeder beziehungsweise Membranfeder, nicht (mit-) rotieren soll oder mit einer anderen Rotationsgeschwindigkeit rotiert, ist vorteilhafterweise zur Drehmomentfreistellung ein Axialkraftlager eingesetzt, in einer Reibkupplunganwendung beispielsweise schon als Ausrücklager konventionell vorhanden. Das Axialkraftlager ist beispielsweise ein Schrägwälzlager, um eine Axialkraftübertragung zu ermöglichen und bevorzugt den Kolben rotatorisch zu seiner Kolbenachse zu lagern. Alternativ ist der Kolben mittels einer Gleitlagerung axial abgestützt und/oder mittels einer Lagerung der Abtriebsräder mittelbar rotatorisch gelagert.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Axialkraftaktors vorgeschlagen, dass das erste Abtriebsrad und das zweite Abtriebsrad ein Kronenrad mit voneinander verschiedenen Zähnezahlen sind und das Antriebsrad ein einziges gemeinsames Ritzel umfasst.
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Bei dieser Ausführungsform ist das Antriebsrad besonders einfach, nämlich als ein einziges Ritzel mit einer einzigen Zähnezahl ausgeführt. Einzig die jeweils korrespondierende Gegenzähnezahl der Abtriebsräder schafft das erste Übersetzungsverhältnis derart, dass das erste Übersetzungsverhältnis von dem zweiten Übersetzungsverhältnis verschieden ist.
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Zudem ist (unabhängig von der Ausführung des Antriebsrad als einziges Ritzel) hier vorgeschlagen, dass das erste Abtriebsrad und/oder das zweite Abtriebsrad (jeweils separat) als Kronenrad ausgeführt ist. Alternativ ist zumindest eines der Abtriebsräder (und das korrespondierende Ritzel des Antriebsrads) als Kegelrad ausgeführt. Damit ist eine winklige Übertragung des Drehmoments ermöglicht, beispielsweise um etwa 90°. Das Antriebsrad ist also um eine (Wellen-) Achse rotierbar, welche zu der Achse der Abtriebsräder geneigt ist, wobei die Achse der Abtriebsräder bevorzugt der Kolbenachse entspricht.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Axialkraftaktors vorgeschlagen, dass die erste Rampe und die erste Gegenflanke radial-innen des Kolbens angeordnet ist, und/oder die zweite Rampe und die zweite Gegenflanke radial-außen des Kolbens angeordnet ist.
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Indem die Gegenflanken des Kolbens auf die Umfangsflächen, also die radial-innere Außenfläche und die radial-äußere Außenfläche, verteilt angeordnet sind, können sich die von den Gegenflanken gebildeten (Gewinde-) Bahnen und/oder die Rampen der Abtriebsräder axial überlappen. Es wird damit axialer Bauraum gewonnen.
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Davon unabhängig ist mittels der Anordnung auf einem kleineren (radial-inneren) Durchmesser und einem größeren (radial-äußeren) Durchmesser eine zu dem ersten Übersetzungsverhältnis und dem zweiten Übersetzungsverhältnis ergänzende Übersetzungsdifferenz an dem Kolben erzielbar. Ist das erste Abtriebsrad das langsamer rotierende Abtriebsrad, so ist dieses bevorzugt mittels seiner ersten Rampe mit der ersten Gegenflanke radial-innen im Eingriff und das zweite Abtriebsrad mittels seiner zweiten Rampe mit der zweiten Gegenflanke radial-außen im Eingriff.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Axialkraftaktors vorgeschlagen, dass die erste Rampe und die erste Gegenflanke einen ersten Spindeltrieb bilden und/oder die zweite Rampe und die zweite Gegenflanke einen zweiten Spindeltrieb bilden, wobei bevorzugt der erste Spindeltrieb und/oder der zweite Spindeltrieb gebildet ist als:
- - eine Gleitrampenpaarung;
- - eine Wälzrampenpaarung; oder
- - ein Planetenwälzgetriebe.
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Die erste Rampe und die erste Gegenflanke bilden zusammen einen ersten Spindeltrieb und die zweite Rampe und die zweite Gegenflanke bilden zusammen einen zweiten Spindeltrieb. Die beiden Spindeltriebe sind aber als Differenzgetriebe zueinander gekoppelt. Die Gegenflanken bilden jeweils eine Gewindebahn an der Umfangsfläche des Kolbens. Der axiale Vortrieb des Kolbens, welcher nicht rotatorisch fixiert ist und daher mit jeweils nur einem der Spindeltriebe wirkungslos gestellt wäre, resultiert allein aus der Differenz der Rotationsgeschwindigkeiten der ersten Rampe zu der zweiten Rampe. Dies ist mittels einer entsprechenden Steigungsdifferenz zwischen der ersten Rampe beziehungsweise der ersten Gegenflanke und der zweiten Rampe beziehungsweise der zweiten Gegenflanke erreicht.
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Die Spindeltriebe sind bevorzugt gleichartig gebildet. Zumindest einer der Spindeltriebe sind in einer Ausführungsform als Gleitrampenpaarung, beispielsweise nach Art eines Trapezspindeltriebs, gebildet, wobei also die Rampenfläche der jeweiligen Rampe unmittelbar auf der Gegenfläche der jeweiligen Gegenflanke kraftübertragend aufliegt. Dabei ist mit einfachen Mitteln und/oder auf geringem Bauraum eine hohe Axialkraft erzeugbar. Zumindest einer der Spindeltriebe sind in einer Ausführungsform als Wälzrampenpaarung, beispielsweise nach Art eines Kugelgewindetriebs, gebildet, wobei also die Rampenfläche der jeweiligen Rampe mittelbar über Wälzkörper, beispielsweise Kugelkörper, auf der Gegenfläche der jeweiligen Gegenflanke kraftübertragend aufliegt. Dabei ist ein hoher Wirkungsgrad aufgrund geringer Reibung erzielbar. Zumindest einer der Spindeltriebe sind in einer Ausführungsform als Planetenwälzgetriebe, auch als Planetenrollengewindetrieb bezeichnet, also sind mehrere umfänglich zu der Spindel (also beispielsweise dem Kolben) Rollenkörper mit jeweils zwei zueinander übersetzenden Gewindesteigungen vorgesehen, gebildet, wobei also die Rampenfläche der jeweiligen Rampe mittelbar oder unmittelbar mit Zwischengegenflächen mit einer ersten Gewindesteigung der mehreren Rollenkörpern in Eingriff steht und Zwischenrampen mit einer zweiten Gewindesteigung der Rollenkörper mit der Gegenfläche der jeweiligen Gegenflanke mittelbar oder unmittelbar kraftübertragend in Eingriff steht. Dabei ist mit auf geringem Bauraum eine weitere Übersetzung erzielbar und damit eine sehr hohe Axialkraft erzeugbar.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Kolben sowohl als (axial bewegbare) Spindelmutter als auch als (axial bewegbare) Gewindestange ausführbar ist, wobei diese klassische Betrachtungsweise für Ausführungsformen mit der einen Gegenflanke an der Innenseite und der anderen Gegenflanke an der Außenseite des Kolbens nicht exakt zutreffend ist beziehungsweise nicht für beide Spindeltriebe gleich ist. Der Kolben ist dann zugleich eine Gewindestange (radial-äußere Gegenflanke) als auch eine Spindelmutter (radial-innere Gegenflanke).
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Reibkupplung vorgeschlagen mit einer Rotationsachse für einen Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - zumindest ein axial verpressbares Reibpaket, mittels welchem in einem axial verpressten Zustand ein Drehmoment reibschlüssig übertragbar ist;
- - je Reibpaket eine Betätigungsvorrichtung zum Ausüben einer Haltekraft auf das Reibpaket, sodass das Reibpaket in einem verpressten Zustand gehalten ist; und
- - je Betätigungsvorrichtung einen Axialkraftaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eingesetzt als Zentralausrücker zum Einleiten einer Axialkraft zum Aufheben der Haltekraft auf das Reibpaket oder zum Erzeugen der Haltekraft auf das Reibpaket.
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Die Reibkupplung ist beispielsweise konventionell ausgeführt und der Axialkraftaktor wirkt beispielsweise wie ein konventioneller Zentralausrücker auf die Betätigungsvorrichtung. Es sei darauf hingewiesen, dass dies nur eine mögliche Anwendung (Zentralausrücker) für den Axialkraftaktor ist.
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Die Reibkupplung ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment lösbar von einer Maschinenwelle auf einen Verbraucher und umgekehrt zu übertragen. Dies wird in der Regel über das (zumindest eine) Reibpaket erreicht, welches eine axial verschiebbare, in der Regel mit der Maschinenwelle rotationsfeste, Anpressplatte aufweist, welche gegen zumindest eine korrespondierende Reibscheibe pressbar ist. Infolge der Anpresskraft ergibt sich eine Reibkraft über die Reibfläche, welche multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibfläche ein übertragbares Drehmoment ergibt. Bevorzugt ist das Reibpaket mit, beispielsweise maschinenseitig, einer axial bewegbaren Anpressplatte und einer axial fixierten Gegenplatte ausgeführt, wobei, beispielsweise verbraucherseitig, eine oder mehrere Reibscheiben (bei mehreren mit zusätzlich einer korrespondierenden Anzahl von axial bewegbaren Zwischenplatten) axial eingeklammert ist und zur Drehmomentübertragung zwischen den Platten verpressbar ist. Alternativ ist das Reibpaket als Lamellenpaket mit einer Mehrzahl von Außenlamellen und Innenlamellen ausgeführt, welche jeweils in einem Korb axial verschiebbar drehmomentübertragend aufgehängt sind die axial erste der Lamellen oder eine zusätzliche Platte bildet die Anpressplatte, die Lamellen des Korbs ohne die Anpressplatte bilden die Reibscheiben. Der Korb der Anpressplatte oder eine axial letzte Lamelle bildet die Funktion der Gegenplatte. Für einige Anwendungen sind sogenannte Mehrfachkupplungen mit einer Mehrzahl von separaten Reibpaketen, beispielsweise eine Doppelkupplung mit zwei separaten Reibpaketen, vorteilhaft. Dabei ist in der Regel eine einzige (gemeinsame) Eingangswelle, meist die Maschinenwelle, und eine Mehrzahl von Ausgangswellen, meist die Getriebeeingangswellen, vorgesehen. Die Reibpakete sind separat betätigbar, beispielsweise auch gleichzeitig verpressbar, und weisen dafür jeweils eine Betätigungsvorrichtung auf. Die Betätigungsvorrichtung umfasst bei einem Reibpaket in normal-geschlossener Konfiguration beispielsweise eine Tellerfeder beziehungsweise eine Membranfeder. Die Betätigungsvorrichtung umfasst bei einem Reibpaket in normal-offenen Konfiguration beispielsweise einen Betätigungstopf, wobei das Reibpaket mittels einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise eine Blattfederung, offengehalten ist.
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Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft das Reibpaket hydraulisch zu betätigen, weil hierdurch höhere Anpressdrücke erreicht werden oder eine automatisierte Betätigung in gut steuerbarer Weise umsetzbar ist. Mit zunehmender Elektrifizierung der Antriebsstränge, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, soll ein Hydraulikkreislauf eingespart werden. Muss eine separate Druckquelle, beispielsweise Pumpe, vorgesehen werden, ist eine hydraulische Betätigung ineffizient. Daher ist der Einsatz von einem Elektromotor besonders vorteilhaft. Hier ist nun ein Zentralausrücker (Axialkraftaktor) vorgeschlagen, welcher den Einsatz eines elektrischen Antriebsaktors mit geringer Leistungsaufnahme ermöglicht, wobei zugleich eine ausreichend hohe Axialkraft erzeugbar ist. Darüber hinaus fordert der Axialkraftaktor einen geringen Bauraum, vergleichbar einem konventionellen hydraulischen Zentralausrücker. Ein Zentralausrücker für eine Mehrfachkupplung ist aus einer (korrespondierenden Anzahl von) Axialkraftaktoren nach einer Ausführungsform gemäß der vorhergehenden Beschreibung ausführbar, wobei bevorzugt die Kolben koaxial zueinander angeordnet sind und die Antriebsräder in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Die Abtriebsradpaare, bestehend jeweils aus dem ersten Abtriebsrad und dem zweiten Abtriebsrad, sind bevorzugt ebenfalls koaxial zueinander angeordnet, wobei besonders bevorzugt eine Axialwälzlagerung zwischen den (axial gestapelt angeordneten) Abtriebsradpaaren vorgesehen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - zumindest eine Antriebsmaschine mit einer Maschinenwelle;
- - zumindest einen Verbraucher; und
- - zumindest ein Getriebe zum drehmomentübertragenden Verbinden der zumindest einen Maschinenwelle mit dem zumindest einen Verbraucher,
wobei das Getriebe zum Lösen einer Drehmomentübertragung zwischen der zumindest einen Maschinenwelle und dem zumindest einen Verbraucher eine Reibkupplung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst.
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Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einer Antriebsmaschine (Haupt-Drehmomentquelle), zum Beispiel einer Energiewandlungsmaschine, bevorzugt einer Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Antriebsmaschine, bereitgestelltes und über ihre Abtriebswelle abgegebenes Drehmoment für zumindest einen Verbraucher (Drehmomentsenke) lösbar, also zuschaltbar und abschaltbar, zu übertragen. Ein beispielhafter Verbraucher ist zumindest ein Vortriebsrad eines Kraftfahrzeugs und/oder ein elektrischer (Motor-) Generator zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Vortriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie umsetzbar. Das zumindest eine Vortriebsrad bildet dann Drehmomentquelle, wobei dessen Trägheitsenergie mittels der Reibkupplung auf einen elektrischen (Motor-) Generator zur Rekuperation, also zur elektrischen Speicherung der Bremsenergie, mit einem entsprechend eingerichteten Antriebsstrang übertragbar ist. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebsmaschinen vorgesehen, welche mittels der Reibkupplung in Reihe oder parallel geschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind, beziehungsweise deren Drehmoment jeweils lösbar zur Nutzung zur Verfügung stellbar ist. Beispiele sind Hybridantriebe aus elektrischer Antriebsmaschine und Verbrennungskraftmaschine, aber auch Mehrzylindermotoren, bei denen einzelne Zylinder (-gruppen) zuschaltbar sind.
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Um das Drehmoment gezielt und/oder mittels eines Schaltgetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen zu übertragen beziehungsweise eine Übertragung zu trennen, ist die Verwendung der oben beschriebenen Reibkupplung besonders vorteilhaft. Der für die hier vorgeschlagene Reibkupplung eingerichtete Zentralausrücker (Axialkraftaktor) weist ein besonders geringes Bauvolumen auf und ist dennoch zum Erzeugen einer hohen Betätigungskraft (Axialkraft) eingerichtet. Eine Bereitstellung von einer hydraulischen Flüssigkeit, beispielsweise mittels eines von der Antriebsmaschine auf einem (etwa) konstanten Druck gehaltenen Hydraulikkreislaufs, ist hierfür nicht notwendig.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- zumindest ein Vortriebsrad und einen Antriebsstrang nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei das zumindest eine Vortriebsrad mittels der zumindest einen Antriebsmaschine zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs antreibbar ist.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt die Antriebsmaschine(n), beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine und/oder einer elektrischen Antriebsmaschine, vor der Fahrerkabine und quer zur Hauptfahrrichtung an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, eine Reibkupplung kleiner Baugröße zu verwenden. Ähnlich gestaltet sich der Einsatz einer Reibkupplung in motorisierten Zweirädern, für welche eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichbleibendem Bauraum gefordert wird.
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Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Funktionseinheiten in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der oben beschriebene Antriebsstrang weist eine Reibkupplung beziehungsweise einen Zentralausrücker (Axialkraftaktor) besonders geringer Baugröße auf. Zugleich ist bei geringer Leistungsaufnahme eine sehr hohe Betätigungskraft (Axialkraft) erzeugbar. Ein Hydraulikkreislauf ist hierfür nicht notwendig.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo MiTo, Volkswagen Polo, Ford Ka+ oder Renault Clio. Bekannte Voll Hybride in der Kleinwagenklasse sind der BMW i3 oder der Toyota Yaris Hybrid.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: einen Axialkraftaktor mit Elektromotor; und
- 2: ein Kraftfahrzeug mit einer Reibkupplung mit Zentralausrücker.
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In 1 ist ein Axialkraftaktor 1 gezeigt, welcher ein erstes Abtriebsrad 3 und ein zweites Abtriebsrad 8 umfasst, welche als Zahnräder, genauer als Kronenräder ausgeführt sind. Das erste Abtriebsrad 3 sowie das zweite Abtriebsrad 8 sind drehmomentübertragend mit dem Antriebsrad 2 (Stirnrad) verbunden, wobei die beiden Abtriebsräder 3,8 unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen und somit unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweisen. Das Antriebsrad 2 wird mittels eines Elektromotors 26, welcher über die Antriebswelle 27 mit dem Antriebsrad 2 drehmomentübertragend verbunden ist, angetrieben. Die Antriebswelle 27 ist um ihre Wellenachse 28 rotierbar hier (rein optional) mittels eines oberen Rotorlagers 29 und eines unteren Rotorlagers 30, beispielsweise in einer Fest-Los-Lageranordnung oder in einer angestellten Lageranordnung, gelagert. Das Drehmoment, welches um die Wellenachse 28 wirkt, wird über die Abtriebsräder 3,8 in eine Rotation um die Kolbenachse 6 überführt. Das erste Abtriebsrad 3 ist dauerhaft drehmomentübertragend mit der ersten Rampe 4 verbunden. Das zweite Abtriebsrad 8 ist dauerhaft drehmomentübertragend mit der zweiten Rampe 9 verbunden. Die erste Rampe 4 und die korrespondierende erste Gegenflanke 7 bilden zusammen den ersten Spindeltrieb 11. Die zweite Rampe 9 und die korrespondierende zweite Gegenflanke 10 bilden zusammen den zweiten Spindeltrieb 12. Der Kolben 5 ist entlang der Kolbenachse 6 (axial) bewegbar. Hier ist der Kolben 5 beispielhaft eingesetzt als Kolben 5 eines Zentralausrückers. Dies dient einzig der Veranschaulichung der Funktion des Axialkraftaktors 1 und ist keine Beschränkung der Einsatzmöglichkeiten. Der Kolben 5 wirkt hier axial auf ein Ausrücklager 31. Hier ist (optional) parallelwirkend zu dem Kolben 5 eine Vorlastfeder 35 vorgesehen. Das Ausrücklager 31 weist einen kolbenseitigen Lagerring 32 und einen kupplungsseitigen Lagerring 33 auf und ist zum Übertragen einer axial ausgerichteten Kraft, also zum Übertragen der Axialkraft 19 des Kolbens 5, eingerichtet. Konventionell ist ein solches Ausrücklager 31 einzig dazu vorgesehen, eine stehende Kolbenseite mit einer rotierenden Kupplungsseite drehmomentfreistellend für eine (reine) Axialkraftübertragung miteinander zu verbinden. Der kupplungsseitige Lagerring 33 ist also (mit den rotierbaren Kupplungskomponenten) rotierbar und konventionell steht der kolbenseitige Lagerring 32. Hier aber rotiert der Kolben 5 über seinen axialen Verfahrweg (bis in die gezeigte ausgefahrene Position des Kolbens 36). Damit ist also auch der kolbenseitige Lagerring 32 rotierbar, und zwar mit dem Kolben 5. Diese Rotationsbewegung wird nicht an den kupplungsseitigen Lagerring 33 weitergegeben. Der Kolben 5 ist also mit einer entsprechenden (Gleit- oder Wälz-) Lagerung oder unter Inkaufnahme einer Reibung bei mittels einer Axialkraft 19 zu betätigenden nicht-rotierenden Komponenten ei nsetzbar.
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Der Axialkraftaktor 1 übt eine Axialkraft 19 aus, indem das erste Abtriebsrad 3 mit einer ersten Rampe 4 und der Kolben 5 mit einer korrespondierenden ersten Gegenflanke 7 ausgeführt ist, sowie das zweite Abtriebsrad 8 mit einer zweiten Rampe 9 und der Kolben 5 mit einer korrespondierenden zweiten Gegenflanke 10 ausgeführt ist. Die erste Rampe 4 und die erste Gegenflanke 7 bilden zusammen einen ersten Spindeltrieb 11, welcher hier (optional) radial-innen gebildet ist, und die zweite Rampe 9 und die zweite Gegenflanke 10 bilden zusammen einen zweiten Spindeltrieb 12, welcher hier (optional) radial-außen gebildet ist. Die beiden Spindeltriebe 11,12 sind aber als Differenzgetriebe zueinander gekoppelt. Der Kolben 5 ist dazu, wie bereits erläutert, nicht rotatorisch fixiert. Eine axial Bewegung kann daher nur erzeugt werden, indem eine Relativdrehzahl zwischen der ersten Rampe 4 und der zweiten Rampe 9 erzeugt ist. Der Kolben 5 rotiert mit dem (hier langsameren) ersten Abtriebsrad 3 mit der ersten Drehzahl mit und weiterhin mit einer diese erste Drehzahl überlagernden Differenzdrehzahl, welche geringer ist als die zweite Drehzahl des zweiten Abtriebsrads 8. Dies wird durch eine entsprechende Steigung der ersten Rampe 4 und der zweiten Rampe 9 erreicht. Indem sich die zweite Rampe 9 schneller bewegt als die erste Rampe 4 werden diese relativ zueinander verdreht und der Kolben 5 kann aufgrund seiner Gegenflanken 7,10 beziehungsweise deren (Windungs-) Steigung nur mit einer axialen Bewegung ausweichen. So wird die Rotation der Abtriebsräder 3,8 in eine axiale Bewegung umgesetzt, also ein Drehmoment der Abtriebsräder 3,8 in die Axialkraft 19 umgewandelt. Dabei findet eine Übersetzung bei gleichzeitiger Drehmoment-Kraft-Umwandlung statt, wie sie grundsätzlich bei Spindeltrieben bekannt sind. Die Übersetzung ist zum einen von der Grundsteigung der beiden Spindeltriebe 11,12 und weiterhin von der Differenz der Übersetzungsverhältnisse der Abtriebsräder 3,8 abhängig, welche sich in einer Steigungsdifferenz der beiden Spindeltriebe 11,12 abbildet. In dieser Ausführungsform ist die Axialkraft 19 an einem Aktorgehäuse 37 abgestützt, wobei hier (optional) ein Axialwälzlager 34 vorgesehen ist, um den Kolben 5 (hier mittels des zweiten Abtriebsrads 8 und ersten Abtriebsrads 3, welche mit geringer Relativdrehzahl zueinander rotieren) auch an dieser Seite drehmomentfrei zu stellen.
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In 2 ist ein Antriebsstrang 15, umfassend eine Antriebsmaschine 20, hier als Verbrennungskraftmaschine dargestellt, eine Maschinenwelle 21, eine Reibkupplung 13 und ein drehmomentübertragend verbundenes linkes Vortriebsrad 22 und rechtes Vortriebsrad 23, schematisch dargestellt. Die Maschinenwelle 21 ist mittels der Reibkupplung 13 lösbar mit dem Getriebe 24 (hier rein schematisch mit gestrichelter Linie angedeutet) verbunden. Dazu ist das Reibpaket 16 der Reibkupplung 13 (hier optional angedeutet in normal-geschlossener Konfiguration) mittels einer Haltekraft 18 axial verpressbar, und zwar mittels einer Betätigungsvorrichtung 17 ausgeführt beispielsweise als Tellerfeder. Die Drehmomentübertragung ist unterbrechbar, indem ein Zentralausrücker (Axialkraftaktor 1) mit einer Axialkraft 19 (vergleiche 1) der Haltekraft 18 entgegenwirkt. Der Antriebsstrang 15 ist hier in einem Kraftfahrzeug 25 angeordnet, wobei die Antriebsmaschine 20 mit seiner Motorachse (kongruent mit der Kolbenachse 6 und Rotationsachse 14) quer zur Längsachse 38 vor der Fahrerkabine 39 angeordnet ist.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Axialkraftaktor ist, beispielsweise ersetzend für einen hydraulischen Zentralausrücker auf konventionellem Bauraum, ein elektrischer Antrieb mit geringem maximalem Drehmoment zum Erzeugen einer hohen Axialkraft ei nsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axialkraftaktor
- 2
- Antriebsrad
- 3
- erstes Abtriebsrad
- 4
- erste Rampe
- 5
- Kolben
- 6
- Kolbenachse
- 7
- erste Gegenflanke
- 8
- zweites Abtriebsrad
- 9
- zweite Rampe
- 10
- zweite Gegenflanke
- 11
- erster Spindeltrieb
- 12
- zweiter Spindeltrieb
- 13
- Reibkupplung
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Antriebsstrang
- 16
- Reibpaket
- 17
- Betätigungsvorrichtung
- 18
- Haltekraft
- 19
- Axialkraft
- 20
- Antriebsmaschine
- 21
- Maschinenwelle
- 22
- linkes Vortriebsrad
- 23
- rechtes Vortriebsrad
- 24
- Getriebe
- 25
- Kraftfahrzeug
- 26
- Elektromotor
- 27
- Antriebswelle
- 28
- Wellenachse
- 29
- oberes Rotorlager
- 30
- unteres Rotorlager
- 31
- Ausrücklager
- 32
- kolbenseitiger Lagerring
- 33
- kupplungsseitiger Lagerring
- 34
- Axialwälzlager
- 35
- Vorlastfeder
- 36
- ausgefahrener Kolben
- 37
- Aktorgehäuse
- 38
- Längsachse
- 39
- Fahrerkabine
