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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsbetätigungseinheit.
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Reibungskupplungen sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus an einer Kupplungsscheibe befestigten Reibbelägen, die axial zwischen einer Druckplatte und einem antriebsseitigen Schwungrad angeordnet sind. Die Kupplungsscheibe ist fest mit einer getriebenen Welle, z.B. der Eingangswelle eines Getriebes, verbunden. Das Schwungrad ist fest mit einer Antriebswelle eines Motors gekoppelt. Die Kupplung ist über eine Kupplungsbetätigungseinheit in einen so genannten eingerückten oder ausgerückten Zustand überführbar, indem die Druckplatte mittels eines oder mehrerer Federelemente in axialer Richtung betätigt wird. Im eingerückten Zustand wird ein Drehmoment von der Antriebswelle auf die getriebene Welle des Getriebes übertragen. Hierzu dient ein sogenanntes Ausrücklager, welches in axialer Richtung verstellt werden kann, z.B. mittels Federkraft. Dieses Ausrücklager wirkt mittelbar oder unmittelbar auf die Kupplungsscheibe ein, so dass ein Reibschluss zwischen Kupplungsscheibe und den benachbarten Reibungspartnern entsteht. Das Ausrücklager bewirkt also das Verbinden oder Trennen der Kupplung von Getriebe und Motor.
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Beispielsweise erfolgt bei pneumatisch betätigten zentralen Ausrückvorrichtungen der Verschleißausgleich, welcher aufgrund häufiger Nutzung der Kupplung und dem damit verbundenen Verschleiß der Reibbeläge entsteht, indem der Betätigungskolben seinen Arbeitsbereich ändert. Allerdings ist vor allem im Neuzustand der Kupplung ein relativ großes Tot-Volumen im Kolbenraum erforderlich. Ferner kann bei fehlendem Fett- bzw. Schmierfilm ein sogenanntes Stick-Slip-Verhalten auftreten. Durch diese Effekte wird die Regelung verlangsamt und die Kupplungsbetätigungseinheit teilweise schlecht regelbar. Vor allem im Umkehrpunkt der Federkennlinie der Kupplung ist die Regelbarkeit schlecht.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Kupplungsbetätigungseinheit für Reibkupplungen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Ausrücksystem zur Betätigung einer Kupplung, insbesondere einer Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zwischen Antriebsmotor und Schaltgetriebe, aufweisend eine Gewindespindel, welche an einem Endbereich verdrehsicher mit der Kupplung und damit mit dem Antriebsmotor drehbar verbunden ist. Das Ausrücksystem weist ferner eine Ausrückeinheit auf, aufweisend einen Stator und einen Rotor, der mittels Axiallager mit dem Stator verbunden ist, wobei der Rotor mit der Gewindespindel dreht und sich über eine Spindelmutter damit in Eingriff befindet, und wobei eine Betätigung der Kupplung durch Anpassen der Drehgeschwindigkeit des Rotors erfolgt.
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In einer Ausführung ist die Betätigung der Kupplung ein Öffnen der Kupplung und erfolgt durch generatorisches Abbremsen des Rotors. Dies wird durch das gezielte Einsetzen der vom Verbrennungsmotor zugeführten Energie ermöglicht. Vorteilhaft erfolgt das Schließen der Kupplung durch zusätzliches Bestromen des Stators. Durch zusätzliches Bestromen des Stators kann ein schnelleres Schließen der Kupplung realisiert werden. In einer Ausführung ist der Rotor als Elektromagnet mit Schleifringanschluss oder als Permanentmagnet gebildet. Die Ausführung als Elektromagnet ist die einfachste Ausführung, es sind aber auch andere Ausführung möglich.
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In einer Ausführung ist die Betätigung der Kupplung ein Öffnen der Kupplung und erfolgt mittels einer Wirbelstrombremse, bei welcher mindestens eine als Rotor dienende Metallscheibe mittels einer Spindelmutter über Axiallager mit dem Stator verbunden ist. Vorteilhaft sind zwei, drei oder mehrere parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnete Metallscheiben vorgesehen. Somit kann die Bremskraft angepasst werden.
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Durch Bereitstellen der erfindungsgemäßen der Ausrückeinheit wird das Schließen und Öffnen der Kupplung schneller und besser regelbar, da kein Totvolumen vorhanden ist.
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In einer Ausführung ist die Steigung der Gewindespindel derart gewählt, dass ein Rückstellen der Kupplung selbsttätig erfolgt. Die Steigung ist dabei abhängig von der Anwendung, also z.B. Anwendung im PKW oder LKW und je nach verwendetem Getriebe und dessen Übersetzung etc. vom Fachmann zu wählen. Auch ist die Rückstellung von den in der Kupplung verwendeten Federn abhängig.
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In einer Ausführung wird die durch Betätigen der Kupplung erzeugte Energie einer im Kraftfahrzeug vorhandenen Einheit zur weiteren Nutzung zugeführt. Somit wird die erzeugte Energie weiterverwendet und nicht ungenutzt in die Umgebung abgegeben.
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Ferner wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend ein Getriebe, einen Antriebsmotor und ein beschriebenes Ausrücksystem.
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Ferner wird ein Verfahren zur Regelung eines beschriebenen Ausrücksystems vorgeschlagen, wobei eine Gewindespindel, welche an einem Endbereich verdrehsicher mit der Kupplung und damit mit dem Antriebsmotor verbunden ist, mit einer Ausrückeinheit, aufweisend einen Stator und einen mit der Gewindespindel über eine Spindelmutter verbundenen Rotor, der mittels Axiallager mit dem Stator verbunden ist, derart in Wirkverbindung steht, dass eine Betätigung der Kupplung durch Anpassen der Drehgeschwindigkeit des Rotors erfolgt. In einer Ausführung erfolgt die Regelung mittels eines mit dem Ausrücksystem kommunizierenden Steuergeräts, insbesondere Getriebesteuergeräts. Hierfür ist das Verfahren als Computerprogrammprodukt ausgeführt, welches im Steuergerät entsprechend implementiert ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt ein Ausrücksystem gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein Ausrücksystem gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bisher werden Kupplungen vorwiegend pneumatisch betrieben. Hieraus entsteht vor allem bei Reibkupplungen das Problem, dass ein großes Totvolumen vorhanden ist, sowie Stick Slip-Effekte auftreten können. Dadurch wird die Regelung verlangsamt und die Kupplungsbetätigungseinheit wird teilweise schlecht regelbar. Außerdem gibt es Überlegungen, die automatisierte Schaltung am Getriebe elektromotorisch umzusetzen, wobei die Überlegung kam, eine elektrische Ansteuerung der Kupplungsbetätigung zu realisieren. Da bei herkömmlichen elektrischen Ansteuerungen die benötigten Ströme für eine Kupplungsbetätigung sehr groß sind, gab es hier bisher keine Möglichkeit, die Kupplungsansteuerung zu elektrifizieren.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung parat, durch welche eine verbesserte Kupplungsbetätigung bereitgestellt wird. Um die Kupplung 6 zu betätigen, wird erfindungsgemäß anstelle einer pneumatischen Betätigung eine Ausrückeinheit 3 mit Rotor 1 und Stator 2 eingesetzt.
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In einer ersten Ausführung, welche in 1 dargestellt ist, erfolgt die Kupplungsbetätigung wie folgt. Die Ausrückeinheit 3, welche in axialer Richtung bezogen auf die Kupplungsachse A nicht verschiebbar ist und zum Öffnen und Schließen der Kupplung 6 dient, weist einen Stator 2 auf, der mit dem Getriebegehäuse (nicht gezeigt) verbunden ist. Ferner weist die Ausrückeinheit 3 einen Rotor 1 auf, der mittels Axiallagern 4 mit dem Stator 2 verbunden ist, und eine Gewindespindel 5. Die Gewindespindel 5 ist verdrehsicher an einem Endbereich davon mit der Kupplung 6 über eine Druckplatte 7 verbunden, um eine Verdrehung während der Verstellung zu verhindern. Die Antriebsenergie für die Gewindespindel 5 wird direkt vom Antriebsmotor bzw. Verbrennungsmotor über die Kupplung 6 in die Ausrückeinheit 3 gespeist. Das heißt, dass die Gewindespindel 5 durch den Antriebsmotor bzw. Verbrennungsmotor und mit der Motordrehzahl gedreht wird.
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Der Rotor 1 ist mit dem Stator 2 über Axiallager 4 so verbunden, dass sowohl Druckals auch Zugkräfte aufgenommen werden können. Der Rotor 1 ist auf der Gewindespindel 5 gelagert, d.h. er steht mit ihr über eine Spindelmutter 11, welche mittels Axiallagern 4 mit dem Stator 2 verbunden ist, in Eingriff, und dreht sich mit der Gewindespindel 5 in Motordrehzahl mit. Wenn der Rotor 1 festgehalten wird, indem der Stator 2 z.B. über ein daran angeschlossenes Kabel 21 bestromt wird, verschiebt er die Gewindespindel 5 und die Kupplung 6 wird geöffnet. Aufgrund der vom Antriebsmotor bzw. Verbrennungsmotor zugeführten Energie kann also die Kupplungsausrückung durch generatorisches Bremsen des Rotors 1 erfolgen.
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Die Anzahl an Axiallagern 4 hängt von der Art des Getriebes ab und wird so gewählt, dass die Verbindung zwischen Rotor 1 und Stator 2 unabhängig von der Ausführung des Ausrücksystems stabil ist, d.h. dass möglichst keine Unwuchten aufgrund des Drehens mit Motordrehzahl entstehen.
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Optional kann die durch das Bremsen gewonnene Energie anderen Einrichtungen im Kraftfahrzeug zur Versorgung zugeführt werden, z.B. dem Bordnetz, oder die Energie kann für Schaltvorgänge genutzt werden.
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Die Rückstellung, also das Schließen der Kupplung 6, erfolgt dabei vorteilhaft durch die Federkraft der Kupplung 6, indem die Steigung der Gewindespindel 5 so gewählt wird, dass keine Selbsthemmung auftritt.
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Durch aktive Bestromung der Ausrückeinheit 3, genauer des Stators 2, kann auch eine zusätzliche Beschleunigung des Rotors 1 erfolgen, um ein schnelleres Schlie-ßen der Kupplung 6 zu ermöglichen.
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Der Rotor 1 ist entweder als Permanentmagnet oder als Elektromagnet mit Schleifringanschluss gebildet.
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Alternativ zur generatorischen Betätigung kann das notwendige Bremsmoment auch mittels einer Wirbelstrombremse aufgebracht werden, welche in 2 dargestellt ist. Der Aufbau ist hier ähnlich wie bei der in 1 beschriebenen Ausführung. Die Ausrückeinheit 3, welche zum Öffnen und Schließen der Kupplung 6 über die Druckplatte 7 dient, weist einen Stator 2 auf, der mit dem Getriebegehäuse (nicht gezeigt) verbunden ist. Ferner weist die Ausrückeinheit 3 einen Rotor 1 auf, der mit einer Spindelmutter 11 verbunden ist, welche mittels Axiallagern 4 mit dem Stator 2 verbunden ist, und eine Gewindespindel 5. Die Gewindespindel 5 ist verdrehsicher an einem Endbereich mit der Kupplung 6 verbunden, um eine Verdrehung während der Verstellung zu verhindern. Die Antriebsenergie für die Gewindespindel 5 wird direkt vom Antriebsmotor bzw. Verbrennungsmotor über die Kupplung 6 in die Ausrückeinheit 3 gespeist. Das heißt, dass die Gewindespindel 5 durch den Antriebsmotor bzw. Verbrennungsmotor und mit der Motordrehzahl gedreht wird.
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Der Rotor 1, genauer die Spindelmutter 11, ist mit dem Stator 2 über die Axiallager 4 so verbunden, so dass sowohl Druck- als auch Zugkräfte aufgenommen werden können. Der Rotor 1 ist als eine oder mehrere um die Gewindespindel 5 umlaufende Metallscheiben gebildet, welche sich zusammen mit der Spindelmutter 11 und der Gewindespindel 5 drehen. Wenn der Rotor 1 festgehalten wird, indem der Stator 2 z.B. über ein daran angeschlossenes Kabel 21 bestromt wird, bremst er zusammen mit der Spindelmutter 11, die Gewindespindel 5 wird axial verschoben und die Kupplung 6 wird geöffnet.
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Wenn mehrere Metallscheiben als Rotor 1 verwendet werden, sind diese parallel zueinander und in einem Abstand voneinander entfernt angeordnet. Es versteht sich von selbst, dass auf jeder Seite jeder Metallscheibe jeweils ein Pol des Stators 2 angeordnet ist, so dass eine Art Sandwich-Struktur entsteht. Durch die Anzahl der Metallscheiben kann die Bremskraft angepasst werden.
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Wirbelstrombremsen und deren Funktionalität sind dem Fachmann bekannt. Insofern können Materialien und genaue Ausführung entsprechend der Anwendung gewählt werden.
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Durch den Einsatz einer Ausrückeinheit 3 mit Rotor 1 und Stator 2 wird also die Kupplung 6 betätigt. Somit ist kein Totvolumen im Vergleich zur pneumatischen Betätigung vorhanden, so dass die Regelbarkeit deutlich verbessert wird. Das heißt, dass die Kupplung 6 schneller auf ein Regelsignal geöffnet oder geschlossen werden kann. Außerdem kann eine Selbstverstärkung erreicht werden, da die Antriebsenergie für die Gewindespindel 5 vom Antriebsmotor bereitgestellt wird.
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Die zu betätigende Kupplung ist eine insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zwischen Antriebsmotor und Schaltgetriebe vorhandene Reibkupplung. Vorteilhaft ist die Kupplung eine Anfahrkupplung. Das Kraftfahrzeug ist ein Lastkraftwagen oder ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 11
- Spindelmutter
- 2
- Stator
- 21
- Kabel zur Bestromung von 2
- 3
- Ausrückeinheit
- 4
- Axiallager
- 5
- Gewindespindel
- 6
- Kupplung
- 7
- Druckplatte
- A
- Kupplungsachse
