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Die Erfindung betrifft ein Betätigungssystem und ein Betätigungsverfahren mit einem Kugel-Rampen-Ausrücker, mit Kugeln, die entlang von rampenartigen Laufbahnen zwischen inneren Laufbahnflächen und äußeren Laufbahnflächen bewegbar sind, wobei die Laufbahnflächen in einer Umfangsrichtung relativ zueinander bewegbar sind, um eine axiale Betätigungskraft zu bewirken, wobei die Kugeln in einem Käfig geführt sind, wobei von einem Rampenring auf jede Kugel eine Druckkraft ausgeübt wird, wenn die Kugel ein Laufbahnflächenende erreicht.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 114 940 A1 ist ein dort als Rampenaktor bezeichneter Kugel-Rampen-Ausrücker zum Betätigen eines Stellorgans eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit einem ersten Rampenring, einem zweiten Rampenring und mehreren Wälzkörpern, wobei jeder Wälzkörper zwischen zwei Rampenbereichen der Rampenringe angeordnet ist und jeder Rampenbereich eine entlang eines Umfangs schräg verlaufende axiale und/oder radiale Stützflanke aufweist, sodass in einem Verstellvorgang ein Verdrehen der Rampenringe relativ zueinander ein axiales Verschieben der beiden Rampenringe zueinander bewirkt, wobei der Rampenbereich des ersten Rampenrings und/oder des zweiten Rampenrings derart geometrisch ausgebildet ist, dass eine zwischen seiner Stützflanke und dem Wälzkörper während des Verstellvorgangs resultierend wirkende Druckkraft über die Länge der Stützflanke hinweg gezielt eingestellt ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 103 023 A1 ist ein Hybridmodul für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Trennkupplung und mit einem trockenlaufenden mechanischen Betätigungssystem bekannt, das einen Wandlermechanismus aufweist, der als Rampenmechanismus, wie ein Kugelrampenmechanismus oder Gleitrampenmechanismus, ausgebildet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kugel-Rampen-Ausrücker, mit Kugeln, die entlang von rampenartigen Laufbahnen zwischen inneren Laufbahnflächen und äußeren Laufbahnflächen bewegbar sind, wobei die Laufbahnflächen in einer Umfangsrichtung relativ zueinander bewegbar sind, um eine axiale Betätigungskraft zu bewirken, wobei die Kugeln in einem Käfig geführt sind, wobei von einem Rampenring auf jede Kugel eine Druckkraft ausgeübt wird, wenn die Kugel ein Laufbahnflächenende erreicht, funktionell zu verbessen.
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Die Aufgabe ist bei einem Betätigungssystem mit einem Kugel-Rampen-Ausrücker, mit Kugeln, die entlang von rampenartigen Laufbahnen zwischen inneren Laufbahnflächen und äußeren Laufbahnflächen bewegbar sind, wobei die Laufbahnflächen in einer Umfangsrichtung relativ zueinander bewegbar sind, um eine axiale Betätigungskraft zu bewirken, wobei die Kugeln in einem Käfig geführt sind, wobei von einem Rampenring auf jede Kugel eine Druckkraft ausgeübt wird, wenn die Kugel ein Laufbahnflächenende erreicht, dadurch gelöst, dass ein Druckwinkel zwischen der Druckkraft und einer Vertikalen zu der äußeren Laufbahnfläche so groß ist, dass ein unerwünschtes Verklemmen der Kugel reduziert wird. Bei dem Betätigungssystem handelt es sich vorzugsweise um ein trockenlaufendes mechanisches Kupplungsbetätigungssystem, insbesondere Kupplungsausrücksystem. Bei Versuchen und Untersuchungen von herkömmlichen Betätigungssystemen mit einem Kugel-Rampen-Ausrücker wurde im Betrieb ein an sich unerwünschtes Wandern der Kugeln in einer Vorzugsrichtung festgestellt. In einem sogenannten Referenziervorgang können die Kugeln in eine bestimmte Position gebracht werden, um eine einwandfreie Funktion des Kugel-Rampen-Ausrückers für eine begrenzte Anzahl von Betätigungen sicherzustellen. In den Versuchen und Untersuchungen wurde herausgefunden, dass bei Referenziervorgängen ein unerwünschtes Verklemmen der Kugeln auftreten kann. Dieses Verklemmen der Kugeln führt zu unerwünscht hohen Druckkräften auf die Kugeln, die im verklemmten Zustand nicht mehr in gewünschter Art und Weise gleiten, sondern reibungsbehaftet an einer Laufbahnfläche entlang rutschen. Durch das gezielte Vergrößern des Druckwinkeins der Druckkraft kann das unerwünschte insbesondere radiale Verklemmen der Kugeln verhindert werden. Die Laufbahnen für die Kugeln, die von den beiden Laufbahnflächen begrenzt werden, haben einen zum Beispiel im Wesentlichen spiralförmigen, dreidimensionalen Verlauf. Die innere Laufbahnfläche ist zum Beispiel an einem inneren Rampenring vorgesehen. Die äußere Laufbahnfläche ist zum Beispiel an einem äußeren Rampenring vorgesehen. Einer der Rampenringe, zum Beispiel der äußere Rampenring, ist in an sich bekannter Art und Weise drehbar angetrieben. Dabei macht der angetriebene Rampenring eine im Wesentlichen spiralförmige Bewegung. Diese Bewegung wird durch einen mit den Rampenringen und den Kugeln dargestellten Rampenmechanismus in einen axialen Hub umgewandelt, der auch als Betätigungshub bezeichnet wird. Mit dem Betätigungshub kann zum Beispiel eine Kupplung ausgerückt werden. Eine Wirkungslinie der entsprechenden Betätigungskraft verläuft in axialer Richtung. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse einer Relativbewegung zwischen den Laufbahnflächen. Die Rampenringe und der Rampenmechanismus können so oder so ähnlich ausgeführt sein, wie es in den eingangs genannten deutschen Offenlegungsschriften beschrieben ist. Das unerwünschte Verklemmen der Kugel wird durch die beanspruchten Maßnahmen so weit reduziert, dass eine gewünschte Funktion des Betätigungssystems sichergestellt ist. Das Laufbahnflächenende wird im Folgenden verkürzt auch als Laufbahnende bezeichnet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Betätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tangens des Druckwinkels der Druckkraft größer als ein Reibwert zwischen der Kugel und einer der Laufbahnflächen ist. Die Druckkraft wird bei einer Betätigung des Kugel-Rampen-Ausrückers zum Beispiel von der äußeren Laufbahnfläche auf die Kugel ausgeübt, die dadurch gegen die innere Laufbahnfläche gedrückt wird. Je nach Ausführung kann die Druckkraft aber auch von der inneren Laufbahnfläche auf die Kugel ausgeübt werden, die dann gegen die äußere Laufbahnfläche gedrückt wird. Durch die beanspruchte Maßnahme kann das unerwünschte Verklemmen der Kugel sicher verhindert werden. Das kann durch unterschiedliche Maßnahmen realisiert werden. Es ist zum Beispiel möglich, ein Schmiermedium zwischen der Kugel und der entsprechenden Laufbahnfläche einzubringen. Dadurch kann der Reibwert wirksam reduziert werden. Im Folgenden werden jedoch Maßnahmen beschrieben, wie der Tangens des Druckwinkels der Druckkraft vergrößert werden kann, so dass auf ein Schmiermedium verzichtet werden kann. Dadurch werden trockenlaufende Anwendungen ermöglicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Betätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Radius am Laufbahnflächenende kleiner als der Radius der Kugel ist. So wird ein definierter Anschlag für die Kugel am Laufbahnflächenende geschaffen. Mit dieser Maßnahme kann der Druckwinkel vorteilhaft zum Beispiel auf mehr als fünfundvierzig Grad vergrößert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Betätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass am Laufbahnflächenende ein Anschlag für die Kugel vorgesehen ist, an dem die Kugel anschlägt, bevor sie das Laufbahnflächenende erreicht. So kann der Druckwinkel ebenfalls auf zum Beispiel mehr als fünfundvierzig Grad vergrößert werden. Zur Darstellung des Anschlags kann zum Beispiel eine Madenschraube verwendet werden. Der Anschlag, insbesondere die Verwendung einer Madenschraube, liefert den Vorteil, dass geometrische Veränderungen an der Laufbahnfläche am Laufbahnflächenende entfallen können.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Betätigungssystems ist durch einen Anschlag für den Käfig gekennzeichnet, an dem der Käfig so anschlägt, dass der Käfig die Bewegung der Kugel stoppt, bevor sie das Laufbahnflächenende erreicht. So kann der Druckwinkel besonders vorteilhaft relativ einfach auf neunzig Grad vergrößert werden. Zudem kann auf geometrische Änderungen an der Laufbahnfläche verzichtet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Betätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag für den Käfig an einem Rampenring abgestützt ist. Der Anschlag für den Käfig ist vorteilhaft an dem Rampenring abgestützt, mit dem die Druckkraft auf die Kugel ausgeübt wird. Dabei handelt es sich zum Beispiel um einen äußeren Rampenring, der die Kugel gegen einen inneren Rampenring drückt. Der Anschlag für den Käfig kann relativ einfach durch eine mechanische Kopplung zwischen dem Käfig und dem Rampenring realisiert werden. So kann zum Beispiel an dem Rampenring ein Mitnehmer vorgesehen sein, der in eine entsprechende Mitnehmerausnehmung an dem Käfig eingreift.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Betätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig ein Langloch umfasst, in welchem ein Anschlagsstift geführt ist, der mit dem Rampenring gekoppelt ist. Das Langloch ermöglicht auf einfache Art und Weise die gewünschten Relativbewegungen zwischen den Laufbahnflächen im Betrieb des Betätigungssystems. Wenn der Anschlagstift in dem Langloch ein Ende erreicht, dann wird die Bewegung der in dem Käfig geführten Kugel gestoppt, bevor sie das Laufbahnflächenende erreicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Betätigungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwinkel der Druckkraft ein rechter Winkel ist. Dadurch kann das unerwünschte Verklemmen der Kugel besonders vorteilhaft vorzugsweise ganz reduziert werden, das heißt verhindert werden.
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Bei einem Betätigungsverfahren mit einem Kugel-Rampen-Ausrücker in einem vorab beschriebenen Betätigungssystem ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Kugeln bei einem Referenziervorgang in eine Grundstellung an ihrem jeweiligen Laufbahnflächenende oder in der Nähe ihres jeweiligen Laufbahnflächenendes gebracht werden, ohne dass die Kugeln an ihrem jeweiligen Laufbahnflächenende oder in der Nähe ihres jeweiligen Laufbahnflächenendes verklemmen. Dadurch kann die Lebensdauer des Kugel-Rampen-Ausrückers im Betrieb wirksam verlängert werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kugel-Rampen-Ausrücker, insbesondere einen Rampenring, einen Anschlag und/oder einen Käfig für ein vorab beschriebenes Betätigungssystem. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen: die
- 1 bis 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Betätigungssystems mit einem Kugel-Rampen-Ausrücker in verschiedenen Betätigungsstellungen; die
- 4 bis 6 ähnliche Darstellungen wie in den 1 bis 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Anschlag für Kugeln an einem Laufbahnflächenende; die
- 7 bis 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Anschlag für einen Käfig, um eine Bewegung einer Kugel zu stoppen;
- 10 eine perspektivische Darstellung eines Rampenringabschnitts;
- 11 einen Ausschnitt eines Betätigungssystems mit einem inneren Rampenring und einem äußeren Rampenring; und die
- 12 bis 15 jeweils eine schematische Darstellung des Betätigungssystems aus 11 in verschiedenen Stellungen, um eine Wanderbewegung einer Kugel zu veranschaulichen.
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In den 10 bis 15 ist ein Betätigungssystem 10 mit einem Kugel-Rampen-Ausrücker 9 in verschiedenen Darstellungen und Betriebszuständen gezeigt. Die 10 und 11 veranschaulichen die Funktion des Kugel-Rampen-Ausrückers 9. Die 12 bis 15 veranschaulichen ein Kugelwandern und Verklemmen von Kugeln in dem Betätigungssystem 10.
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Die 1 bis 3; 4 bis 6 und 7 bis 9 veranschaulichen Maßnahmen, wie ein unerwünschtes Verklemmen der Kugeln verhindert werden kann. Dabei werden in den 1 bis 9 und 12 bis 15 zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In 10 ist ein innerer Rampenringabschnitt 11 perspektivisch dargestellt. Der innere Rampenringabschnitt 11 umfasst eine Laufbahnfläche 16 mit einem Laufbahnflächenende 20. Bei dem inneren Rampenringabschnitt 11 handelt es sich zum Beispiel um ein Sechstel eines inneren Rampenrings eines sechsgängigen Kugel-Rampen-Ausrückers.
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In 11 ist gezeigt, wie der innere Rampenringabschnitt 11 unter Zwischenschaltung einer Kugel 4 mit einem äußeren Rampenringabschnitt 12 zusammenwirkt. Durch Kreisbögen 13, 14 ist ein Käfig 15 zur Führung der Kugel 4 und zur Führung weiterer Kugeln des Kugel-Rampen-Ausrückers 9 angedeutet. Die Kugel 4 ist zwischen Laufbahnflächen 16, 17 geführt, die an den Rampenringabschnitten 11, 12 einander zugewandt sind.
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Zur Betätigung des Betätigungssystems 10 wird eine durch einen Pfeil angedeutete Betätigungskraft FB auf einen Betätigungshebel 18 ausgeübt. Dadurch wird der äußere Rampenringabschnitt 12 relativ zu dem inneren Rampenringabschnitt 11 verdreht, wodurch im Zusammenwirken der Laufbahnflächen mit der Kugel 4 ein Axialhub zum Betätigen, zum Beispiel einer Kupplung, ausgeübt wird.
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In 11 sieht man, dass die Kugel 4 ein Laufbahnflächenende 6 an dem äußeren Rampenringabschnitt 12 erreicht hat. Durch einen Pfeil ist eine Druckkraft FR angedeutet, die am Laufbahnflächenende 6 auf die Kugel 4 ausgeübt wird. Dadurch wird die Kugel 4 in 11 nach unten gegen die Laufbahnfläche 16 am inneren Rampenringabschnitt 11 gedrückt.
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In den 1 bis 9 und 12 bis 15 ist das Betätigungssystem 10 mit dem Kugel-Rampen-Ausrücker 9 schematisch mit einer inneren Laufbahnfläche 1, einer äußeren Laufbahnfläche 2, einer Laufbahn 3, einer Kugel 4 und einem Laufbahnflächenende 6 schematisch dargestellt. Die innere Laufbahnfläche 1 ist an einem inneren Rampenring 7 vorgesehen. Die äußere Laufbahnfläche 2 ist an einem äußeren Rampenring 8 vorgesehen. Die Laufbahnflächen 1 und 2 begrenzen die Laufbahn 3.
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In 12 befindet sich die Kugel 4 in einer Mittelstellung. In 13 hat sich die Kugel 4 gegenüber 12 nach rechts bewegt. Durch einen gestrichelten Pfeil 21 ist eine Wanderbewegung der Kugel 4 angedeutet.
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In den 14 und 15 ist ein Referenziervorgang angedeutet, der auch als mechanisches Schnüffeln bezeichnet wird. In 14 ist angedeutet, dass der äußere Rampenring 8 beim Referenzieren oder mechanischen Schnüffeln in 14 relativ zu dem inneren Rampenring 7 nach links bewegt wird. Dabei kommt das Laufbahnflächenende 6 in Kontakt mit der Kugel 4.
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In 15 ist durch einen Pfeil eine Druckkraft FR angedeutet, die beim Referenzieren vom äußeren Rampenring 8 auf die Kugel 4 ausgeübt wird. Durch die Druckkraft FR wird die Kugel 4 in 15 nach unten gegen die innere Laufbahnfläche 1 gedrückt. Ein Druckwinkel zwischen der Druckkraft FR relativ zu einer Vertikalen ist in 15 mit α bezeichnet. Bei einer weiteren Bewegung des äußeren Rampenrings 8 mit der Kugel 4 in 15 nach links ergibt sich ein Reibwert µ zwischen der Kugel 4 und der inneren Laufbahnfläche 1.
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Bei herkömmlichen Rampengeometrien sind die Laufbahnenden beziehungsweise Laufbahnflächenenden mit derselben Schmiegung zu den Kugeln versehen wie die Laufbahnen. Die Schmiegung am Laufbahnende oder Laufbahnflächenende in tangentialer Richtung sorgt dafür, dass sich die Kugeln beim Referenzieren ähnlich wie bei einem Rollenfreilauf radial verklemmen. Der Referenziervorgang kann dann nicht vollständig abgeschlossen werden, die Kugeln wandern beim Betätigen des Ausrückers immer weiter in die Vorzugsrichtung und können ein unerwünschtes Blockieren des Ausrückers hervorrufen.
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In den 1 bis 3; 4 bis 6 und 7 bis 9 sind Maßnahmen gezeigt, wie ein unerwünschtes Verklemmen der Kugeln reduziert oder verhindert werden kann. Durch die dargestellten und im Folgenden beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass die Kugeln bei einem Referenziervorgang auf der Laufbahn, insbesondere der Laufbahnfläche 1, geschoben werden, ohne zu verklemmen. Zu diesem Zweck wird der Winkel, unter den die Kugel geschoben wird, steiler ausgeführt als der Reibwinkel, der sich durch den Reibwert im Gleitkontakt zwischen den Laufbahnflächen und den Kugeln ergibt.
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Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rampenenden mit einem kleineren Rundungsradius versehen. Das bedeutet am Beispiel des Laufbahnflächenendes 6, dass der Radius 25 der äußeren Laufbahnfläche 2 am Laufbahnflächenende oder Laufbahnende 6 kleiner als der Radius der Kugel 4 ist. Dadurch wird erreicht, dass sich die Kugel 4, wie man in 2 sieht, an den Kanten des Laufbahnendes oder Rampenendes 6 abstützt. Beim Anfahren der Grundstellung wird die Kugel, wie man in 3 sieht, von den Kanten am Laufbahnende 6 oder Rampenende 6 nach links geschoben.
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In 3 sieht man darüber hinaus, dass der Druckwinkel α zwischen einer Vertikalen und der Druckkraft FR deutlich größer als in 15 ist. Der Druckwinkel α beträgt in 3 etwas mehr als fünfzig Grad. Daraus ergibt sich, dass der Tangens o deutlich größer als der Reibwert µ ist, so dass ein unerwünschtes Klemmen der Kugel 4 beim Referenzieren verhindert wird.
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In den 4 bis 6 ist gezeigt, dass ein vergleichbarer Druckwinkel α wie in 3 auch dadurch realisiert werden kann, dass am Laufbahnende oder Rampenende 6 ein Anschlag 26 für die Kugel 4 vorgesehen wird. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass die Geometrie der äußeren Laufbahnfläche 2 nicht verändert werden muss. Der Anschlag 26 für die Kugel 4 am Laufbahnende 6 wird durch eine Madenschraube 27 realisiert. Über die Madenschraube 27 kann zusätzlich besonders vorteilhaft die Position des Anschlags 26 exakt eingestellt werden.
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In den 7 bis 9 ist gezeigt, wie ein Anschlag 30 mit Hilfe eines Käfigs 5 realisiert werden kann. Der Käfig 5 dient in an sich bekannter Art und Weise zum Führen von mehreren Kugeln. Der Anschlag 30 wird mit Hilfe eines Langlochs 31 in dem Käfig 5 realisiert. In das Langloch 31 greift ein Anschlagstift 32 ein, der an dem äußeren Rampenring 8 mit der äußeren Laufbahnfläche 2 angebracht ist. So wird der Käfig 5 mechanisch mit dem äußeren Rampenring 8 gekoppelt.
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In 8 sieht man, dass der Anschlag 30 eine weitere Bewegung der Kugel 4 nach rechts verhindert, wenn der Anschlagstift 32 das in 8 linke Ende des Langlochs 31 erreicht.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Kugel 4 beim Anfahren der Grundstellung in einem Referenziervorgang von dem Käfig 5 in die gewünschte Ausgangslage geschoben und nicht von dem Rampenring 8 selbst. In 9 sieht man, dass sich mit dieser Lösung ein Druckwinkel α von zirka neunzig Grad, also ein rechter Winkel, verwirklichen lässt. Die in den 7 bis 9 veranschaulichte Lösung ist am robustesten gegenüber Reibwertschwankungen in der Gleitpaarung zwischen der Kugel und der inneren Laufbahnfläche 1.
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Der Käfig 5 kann axial am Rampenring 8 abgestützt werden, der vorzugsweise als Rampenblech ausgeführt ist. Der Käfig 5 kann auch in radialer Richtung vom Rampenblech 8 über Formschluss mitgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- innere Laufbahnfläche
- 2
- äußere Laufbahnfläche
- 3
- Laufbahn
- 4
- Kugel
- 5
- Käfig
- 6
- Laufbahnflächenende
- 7
- innerer Rampenring
- 8
- äußerer Rampenring
- 9
- Kugel-Rampen-Ausrücker
- 10
- Betätigungssystem
- 11
- innerer Rampenringabschnitt
- 12
- äußerer Rampenringabschnitt
- 13
- Kreisbogen
- 14
- Kreisbogen
- 15
- Käfig
- 16
- Laufbahnfläche
- 17
- Laufbahnfläche
- 18
- Betätigungshebel
- 20
- Laufbahnflächenende
- 21
- gestrichelter Pfeil
- FR
- Druckkraft
- α
- Druckwinkel
- µ
- Reibwert
- 25
- Radius
- 26
- Anschlag
- 27
- Madenschraube
- 30
- Anschlag
- 31
- Langloch
- 32
- Anschlagstift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017114940 A1 [0002]
- DE 102017103023 A1 [0002]
