-
Die Anmeldung betrifft eine Schaltvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
-
Aus der
DE 10 2014 217 066 A1 ist eine Kupplung für einen zuschaltbaren Allradantrieb bekannt, bei welchem zwei fluchtende Antriebswellen durch ein Kupplungsteil, welches eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Antriebswellen ermöglicht, miteinander verbunden werden. Die Kupplung weist ein Schaltelement in Form einer Schaltgabel auf, mit welchem ein in axialer Richtung verschiebbares Kupplungsteil derart verschoben wird, dass die formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Antriebswellen hergestellt wird.
-
Aus der
WO 2011/098 595 A1 ist eine Kopplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, welche mindestens eine Kupplung umfasst, die an einer rotierenden Welle angeordnet ist, um die rotierende Welle wahlweise mit einem Antriebselement des Antriebsstrangs zu koppeln. Die Kopplungsanordnung umfasst ferner wenigstens eine Betätigungseinrichtung zur Betätigung der Kupplung. Die Betätigungseinrichtung ist dazu ausgebildet, wahlweise einen Eingriffsabschnitt mit einem mit der Welle rotierenden Gewindeabschnitt in Eingriff zu bringen, um eine Relativbewegung des Eingriffsabschnitts und des Gewindeabschnitts in Richtung der Achse der rotierenden Welle zu bewirken und die Kupplung hierdurch in axialer Richtung zu betätigen.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine verbesserte Schaltvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der dazugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse, in dem eine erste und eine zweite Antriebswelle drehbar gelagert sind, wobei die erste und zweite Antriebswelle koaxial zueinander angeordnet sind, so dass sie eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen, und eine schaltbare Kupplungseinrichtung, die zwischen der ersten und der zweiten Antriebswelle angeordnet ist, wobei die Kupplungseinrichtung eine geöffnete Schaltstellung aufweist, in der die erste Antriebswelle gegenüber der zweiten Antriebswelle frei drehbar ist, und die Kupplungseinrichtung eine geschlossene Schaltstellung aufweist, in der die erste Antriebswelle drehfest über die Kupplungseinrichtung mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist, wobei die Kupplungseinrichtung ein in Richtung der Rotationsachse unverschiebbares Kupplungselement und ein in Richtung der Rotationsachse mittels eines Steuerelements verschiebbares Kupplungselement umfasst, wobei das Steuerelement über einen Antrieb verstellbar ist, wobei in einer ersten Schaltposition des Steuerelements ein erstes Federelement derart zwischen dem verschiebbaren Kupplungselement und der zweiten Antriebswelle gelagert ist, dass die Stellkraft für eine Bewegung des verschiebbaren Kupplungselements in die geschlossene Schaltstellung in Richtung der Rotationsachse durch eine Federkraft des ersten Federelements bewirkt wird, und in einer zweiten Schaltposition des Steuerelements die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Stellkraft für die Bewegung des verschiebbaren Kupplungselements in die geöffnete Schaltstellung unter Ausnutzung der Rotationbewegung des verschiebbaren Kupplungselements zu erzeugen.
-
Durch das erste Federelement kann die zwischen den beiden Kupplungselementen wirkende Kraft vereinfacht eingestellt werden, ohne dass eine aufwendige Sensorik benötigt wird. Ferner kann damit ein ggf. durch Bauteiltoleranzen vorhandenes Spiel zwischen diversen Komponenten der Schaltvorrichtung, beispielsweise zwischen dem Antrieb und dem Steuerelement, oder auch ein Spiel eines den Antrieb antreibenden Aktuators ausgeglichen werden. Durch die Anordnung des ersten Federelements gemäß dieser Anmeldung auf der Seite des verschiebbaren Kupplungselements kann auf weitere federnde und/oder dämpfende Lagerungsmittel für Komponenten der Kupplungseinrichtung verzichtet werden, wodurch ein vereinfachter Aufbau ermöglicht wird.
-
Das erste Federelement im Sinne dieser Anmeldung muss dabei nicht zwangsläufig unmittelbar an dem Steuerelement und/oder an der zweiten Antriebswelle anliegen; zwischen diesen Komponenten und dem ersten Federelement können noch weitere Bauteile, beispielsweise eine Halterung für das erste Federelement, zwischengeschaltet sein.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Steuerelement gegenüber dem Gehäuse durch ein zweites Federelement derart gelagert ist, dass durch dessen Federkraft das Steuerelement in die zweite Schaltposition bewegbar ist. Somit kann das Steuerelement automatisch in die zweite Schaltposition bewegt werden, wenn der Antrieb keine entgegengesetzte Kraft auf das Steuerelement ausübt. Es können so einfache Antriebe für das Steuerelement verwendet werden, die nur in eine Bewegungsrichtung, beispielsweise in eine Dreh- oder Linearrichtung, angetrieben werden müssen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kupplungseinrichtung durch eine Klauenkupplung gebildet. Das erste Federelement kann in besonders vorteilhafter Art und Weise mit einer Klauenkupplung zusammenwirken. Bei dieser Kupplungsart werden die Kupplungselemente durch Klauenkupplungselemente gebildet. Um die Klauenkupplung von der geöffneten Schaltstellung in die geschlossene Schaltstellung zu schalten, müssen die Klauen des einen Kupplungselements in einen Zwischenraum, der durch die Klauen des jeweils anderen Kupplungselements gebildet ist, eingreifen. Durch das erste Federelement wird während des Schaltvorgangs eine abfedernde Wirkung erzielt, die sich vorteilhaft auf die Betriebsdauer und Betriebsfestigkeit der Schaltvorrichtung auswirkt.
-
Die Anordnung des ersten Federelements gemäß dieser Anmeldung ist bei einer Ausführungsform mit Klauenkupplung vorteilhaft, weil die Steuerkraft beim Schalten von der geöffneten Schaltstellung in die geschlossene Schaltstellung durch die auf das verschiebbare Kupplungselement wirkende Federkraft des ersten Federelements erfolgt.
-
Beim Bewegen des verschiebbaren Kupplungselements in Richtung der Rotationsachse zu dem unverschiebbaren Kupplungselement kann es vorkommen, dass die Klauen nicht synchronisiert sind, also ein formschlüssiger Eingriff noch nicht möglich ist. Durch die federnde Wirkung des ersten Federelements, kann in einem noch nicht synchronisierten Zustand oder auch bei einer zu hohen Relativgeschwindigkeit der beiden Kupplungselemente zueinander in vorteilhafter Weise eine Abweisfunktion realisiert werden.
-
Sobald die beiden Kupplungselemente synchronisiert sind, wird die in dem ersten Federelement gespeicherte Energie wieder abgegeben und das verschiebbare Kupplungselement vollständig in die geschlossene Schaltstellung gebracht. Somit kann auf eine Steuerung bzw. Regelung eines den Antrieb antreibenden Aktuators verzichtet werden, was beispielsweise eine zusätzliche Sensoreinrichtung erfordern würde. Das erste Federelement ermöglicht in dieser Konfiguration also einen konstruktiv einfachen Aufbau mit dem ein zuverlässiges Schalten in die geschlossene Schaltstellung ermöglicht wird. Auch Schläge oder Vibrationen, die während des Einkuppelvorgangs auf das verschiebbare Kupplungselement einwirken, können durch das erste Federelement aufgenommen werden und wirken nicht auf weitere Elemente wie beispielsweise die zweite Antriebswelle. Ferner wird in der ersten Schaltposition des Steuerelements eine vollständige Entkopplung des verschiebbaren Kupplungselements von dem Steuerelement erzielt, so dass beispielsweise der Antrieb oder ein den Antrieb antreibender Aktuator von ggf. auftretenden Schlägen oder Vibrationen während des Einkuppelvorgangs nicht betroffen sind. Es kann somit die Betriebsfestigkeit erhöht werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das verschiebbare Kupplungselement ein Außengewinde auf, das mit einem Getriebeelement des Steuerelements in der zweiten Schaltposition des Steuerelements in Wirkverbindung steht. Durch das Außengewinde, das vorzugsweise wie ein Schraubengewinde ausgeführt ist, kann auf einfache Weise die Rotationsbewegung des verschiebbaren Kupplungselements in eine lineare Bewegung in Richtung der Rotationsachse umgewandelt werden. Diese Wirkung wird in der zweiten Schaltposition des Steuerelements erzielt, wenn das Steuerelement mit seinem Getriebeelement in das Außengewinde eingreift. Das verschiebbare Kupplungselement kann somit von der geschlossenen Schaltstellung in die geöffnete Schaltstellung ohne einen Kraftfluss über das Federelement geschaltet werden. Die Stellkraft in Richtung der Rotationsrichtung wird in der zweiten Schaltposition des Steuerelements durch dessen Getriebeelement und dem damit zusammenwirkenden Außengewinde erzeugt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Steuerkräfte des Antriebs auf das verschiebbare Kupplungselement beim Schalten in die geöffnete Schaltstellung ohne die Zwischenschaltung von Feder- und/oder Dämpfungselementen vorzunehmen, da so ein verzögerungsfreies Entkuppeln möglich ist.
-
Vorzugsweise ist das Getriebeelement durch einen Innengewindeabschnitt gebildet. Es kann somit eine zuverlässige Wirkverbindung nach Art einer Schrauben-Mutter-Verbindung hergestellt werden.
-
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Wirkverbindung zwischen dem Außengewinde und dem Getriebeelement in der ersten Schaltposition des Steuerelements aufgehoben ist. Durch diese Entkopplung kann auf einfache Weise erreicht werden, dass die Federkraft des ersten Federelements ungehindert eine Verschiebebewegung des verschiebbare Kupplungselements bewirken kann.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Steuerelement eine dritte Schaltposition auf, in der das verschiebbare Kupplungselement über eine Stirnseite des Steuerelements entgegen der Federkraft des ersten Federelements in der geöffneten Schaltstellung gesichert ist. In dieser Schaltposition steht das Getriebeelement vorzugsweise nicht mit dem Außengewinde in Eingriff. Die Stirnfläche wirkt daher als ein separates Axiallager zur Sicherung des Steuerelements in Richtung der Rotationsachse. Durch das Axiallager ist das verschiebbare Kupplungselement in einer vordefinierten Endposition in der geöffneten Schaltstellung gesichert. Die Stirnseite kann beispielsweise auch derart ausgeführt sein, dass sie dämpfende Eigenschaften aufweist. Die Sicherungswirkung kann durch das Steuerelement besonders einfach realisiert werden, weil dies vorzugsweise in einer Richtung verstellbar ist, die orthogonal zur der Rotationsache der Antriebswellen ausgerichtet ist.
-
Vorzugsweise umfasst der Antrieb ein Exzenterelement, weiter vorzugsweise eine Nockenwelle. So kann durch eine Drehbewegung des Antriebs in nur eine Drehrichtung ein Schalten der Kupplungseinrichtung von der geöffneten in die geschlossene Schaltstellung bewirkt werden, und umgekehrt.
-
Weiter vorzugsweise umfasst der Antrieb einen Linearantrieb. Dieser kann beispielsweise unmittelbar oder mittelbar über ein Kraftübertragungselement mit dem Steuerelement verbunden sein, so dass auch mit dieser Lösung eine einfache und kostengünstige Ansteuerung der Schaltvorrichtung ermöglicht wird.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung mit einer Kupplungseinrichtung in einer geschlossenen Schaltstellung und einem Steuerelement in einer ersten Schaltposition;
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Schaltvorrichtung mit einer Kupplungseinrichtung in einer geschlossenen Schaltstellung und einem Steuerelement in einer ersten Schaltposition;
- 3 eine schematische Schnittansicht einer Schaltvorrichtung mit einer Kupplungseinrichtung in einer geöffneten Schaltstellung und einem Steuerelement in einer zweiten Schaltposition; und
- 4 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung mit einer Kupplungseinrichtung in einer geöffneten Schaltstellung und einem Steuerelement in einer dritten Schaltposition.
-
In 1 ist eine Schaltvorrichtung 1 mit einer ersten Antriebswelle 3 und einer zweiten Antriebswelle 4 dargestellt, die über eine Kupplungseinrichtung 6 drehfest miteinander verbindbar sind.
-
Die zweite Antriebswelle 4 ist an einem Ende in einer Aufnahme 19 der ersten Antriebswelle 3 gelagert und über ein Kugellager 20 gegenüber einem Gehäuse 2. Die erste Antriebswelle 3 ist innerhalb des Gehäuses 2 durch ein Kugellager 21 gelagert und durch einen Fortsatz der zweiten Antriebswelle 4, der in die Aufnahme 19 der ersten Antriebswelle 3 hineinragt. Die erste und die zweite Antriebswellen 3 und 4 sind koaxial zueinander ausgerichtet und rotieren daher um eine gemeinsame Rotationsachse 5.
-
Jeweils ein Ende der ersten und zweiten Antriebswelle 3 und 4 ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Im montierten Zustand kann die erste Antriebswelle 3 dann beispielsweise mit einem Differentialgetriebe drehfest verbunden sein und die zweite Antriebswelle 4 beispielsweise mit einem Antriebsrad, oder umgekehrt. An den einander zugewandten Enden der ersten und zweiten Antriebswelle 3 und 4 ist die Kupplungseinrichtung 6 vorgesehen, die ein der ersten Antriebswelle 3 zugeordnetes erstes unverschiebbares Kupplungselement 7 sowie ein der zweiten Antriebswelle 4 zugeordnetes verschiebbares Kupplungselement 8 umfasst. Die Kupplungseinrichtung 6 kann in eine geöffnete Schaltstellung geschaltet werden, in der die erste Antriebswelle 3 und die zweite Antriebswelle 4 nicht drehfest miteinander verbunden sind. Ferner kann die Kupplungseinrichtung 6 in eine geschlossene Schaltstellung geschaltet werden, in der die erste Antriebswelle 3 drehfest mit der zweiten Antriebswelle 4 verbunden ist. Die Steuerung der Kupplungseinrichtung 6 erfolgt mittels eines Steuerelements 9, das axial verschiebbar, also in Richtung der Rotationsachse 5, auf der zweiten Antriebswelle 4 gelagert ist.
-
Beim Schalten der Kupplungseinrichtung 6 von der geöffneten in die geschlossene Schaltstellung wird ein Antrieb 10, der beispielsweise eine Nockenwelle umfasst, durch einen Aktuator angetrieben, sodass diese um eine Rotationsachse 26 rotiert. Die Nocke des Antriebs 10 liegt an einer Steuerkontur 14 des Steuerelements 9 an, über das die Steuerkraft der Nockenwelle auf das Steuerelement 9 übertragen wird, so dass das Steuerelement 9 in einer linearen Bewegung bewegt wird. Die Bewegungsrichtung des Steuerelements 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel orthogonal zur der Rotationsachse 5 ausgerichtet. Der Antrieb 10 kann alternativ auch ein beliebiges anderes Exzenterelement umfassen oder einen Linearantrieb, der ebenfalls schematisch in 1 dargestellt ist.
-
1 zeigt die Schaltvorrichtung 1 mit einer Kupplungseinrichtung 6 in einer geschlossenen Schaltstellung und einem Steuerelement 9 in einer ersten Schaltposition.
-
Das Steuerelement 9 ist gegenüber dem Gehäuse 2 über ein zweites Federelement 12 gelagert, so dass es von dem Antrieb 10 entgegen einer Kraftrichtung 16 des zweiten Federelements 12 bewegt werden kann. Der Antrieb 10 drückt in der ersten Schaltposition das Steuerelement 9 nicht in Richtung der Rotationsachse 5, so dass ein Außengewinde 17 der verschiebbaren Kupplungseinrichtung 8 und ein Getriebeelement 18 des Steuerelements 9 nicht miteinander in Eingriff stehen.
-
Durch die Federkraft eines ersten Federelements 11, die in eine Richtung 15 wirkt, wird das verschiebbare Kupplungselement 8 somit in eine Richtung 22 hin zu dem unverschiebbaren Kupplungselement 7 gedrückt, so dass es in die geschlossene Schaltstellung gebracht und in dieser Position von der Federkraft gehalten wird.
-
Die 1 zeigt dabei die geschlossene Schaltstellung eines als Klauenkupplung ausgeführten Kupplungselements 6, in der dementsprechend die Klauen 24 der Kupplungselemente 7 und 8 miteinander in Eingriff stehen. Bei der Kupplungseinrichtung 6 in Form einer Klauenkupplung ist die geschlossene Schaltstellung der Kupplungseinrichtung 6 erst erreicht, wenn die Klauen 24 der jeweiligen Kupplungselemente 7 und 8 miteinander vollständig in Eingriff stehen. Durch die Federkraft des ersten Federelements 11 wird das verschiebbare Kupplungselement 8 mit einer vordefinierten Kraft gegen das unverschiebbare Kupplungselement 7 gedrückt. Wenn die Klauen 24 der beiden Kupplungselemente 7 und 8 nicht synchronisiert sind, ist ein Einrasten in die geschlossene Schaltstellung noch nicht möglich. Durch das erste Federelement 11 kann dennoch weiterhin eine Stellkraft in Form der Federkraft des ersten Federelements 11 auf das Steuerelement 9 wirken. Sobald dann durch eine Relativbewegung der ersten Antriebswelle 3 gegenüber der zweiten Antriebswelle 4 die Klauen 24 der beiden Kupplungseinrichtungen 7 und 8 synchronisiert sind, kann das erste Federelement 11 die gespeicherte Stellenergie an das verschiebbare Kupplungselement 8 abgeben, sodass dieses vollständig in die geschlossene Schaltposition verbracht wird. Der das Steuerelement 9 antreibende Aktuator muss daher nicht aufwendig gesteuert bzw. unter Zuhilfenahme von Sensoren geregelt werden.
-
2 zeigt die Schaltvorrichtung 1 mit der gleichen Schaltstellung der Kupplungseinrichtung 6 und Schaltposition des Steuerelements 9 wie in 1. Es wird nachfolgend nur auf die in dieser Darstellung besser ersichtlichen Merkmale eingegangen.
-
Das erste Federelement 11 liegt mit seinem ersten Ende an einer Anlagefläche 25 der zweiten Antriebswelle 4 an; die Anlagefläche 25 ist dabei durch eine Abstufung gebildet, die durch eine Querschnittsveränderung der zweiten Antriebswelle 4 gebildet ist. Mit dem zweiten Ende liegt das erste Federelement 11 an der Stirnseite des verschiebbaren Kupplungselements 8 an, das der Anlagefläche 25 zugewandt ist.
-
3 zeigt die Schaltvorrichtung 1 in der geöffneten Schaltstellung, bei der jedoch die Endposition des verschiebbaren Kupplungselements 7 noch nicht erreicht ist. Dementsprechend befindet sich das verschiebbare Kupplungselement 8 noch in der Verschiebebewegung in eine Richtung 23 weg von dem unverschiebbaren Kupplungselement 7.
-
Die Stellkraft auf das verschiebbare Kupplungselement 7 wird erreicht, indem das Getriebeelement 18 des Steuerelements 9 durch den Antrieb 10 entgegen der Kraftrichtung 16 des zweiten Federelements 12 in Richtung des Außengewindes 17 des verschiebbaren Kupplungselements 8 bewegt wird; das Steuerelement 9 befindet sich dann in der zweien Schaltposition. Das Außengewinde 17 und das Getriebeelement 18 wirken dabei derart zusammen, dass eine Rotationsbewegung des verschiebbaren Kupplungselements 8 in eine translatorische Verstellbewegung umgewandelt wird.
-
Hierzu weist das Außengewinde 17 eine Steigung auf, die eine solche Bewegungsumwandlung im Zusammenwirkdung mit dem Getriebeelement 18 erlaubt. Dabei muss selbstverständlich die im Betriebszustand vorherrschende bevorzugte Rotationsrichtung der ersten und zweiten Antriebswelle 3 und 4 berücksichtigt werden. Das Getriebeelement 18 weist einen Teilabschnitt eines Innengewindes nach Art einer Schraubenmutter auf. Vorteilhafterweise kann so die ohnehin vorhandene Rotationsenergie der Kupplungseinrichtung genutzt werden, um die Kupplungseinrichtung 6 in die geöffnete Schaltstellung zu schalten. Es muss daher nur die Energie zur Bewegung des Steuerelements 9 für den Steuervorgang bereitgestellt werden. Dies funktioniert unabhängig davon, ob die erste oder die zweite Antriebswelle 3 oder 4 durch ein Drehmoment angetrieben wird, da in der geschlossene Schaltstellung ohnehin beide Kupplungselemente 7 und 8 rotieren.
-
4 zeigt die Schaltvorrichtung 1 in der geöffneten Schaltstellung, bei der das verschiebbare Kupplungselement 8 in einer Endposition der geöffneten Schaltstellung angelangt ist.
-
Das Außengewinde 17 bewirkt zusammen mit dem Getriebeelement 18 in der zweiten Schaltposition des Steuerelements 9 hinsichtlich einer Bewegung in eine der Richtungen 22 und 23 eine Sicherungsfunktion, da das verschiebbare Kupplungselement 8 nicht gegen das Gewinde in Richtung der Rotationsachse 5 verschiebbar ist.
-
Um darüber hinaus eine Sicherung des verschiebbaren Kupplungselements 8 in einer vordefinierten Endposition zu gewährleisten, kann das Steuerelement 9 in eine dritte Schaltposition geschaltet werden. In dieser dritten Schaltposition liegt eine Stirnseite 13 des Steuerelements 9 an einer stirnseitigen Fläche des verschiebbaren Kupplungselements 8 an, so dass dies entgegen der Federkraft des ersten Federelements 11 in der Endposition gehalten wird. Die Stirnfläche 13 bildet dann für das verschiebbare Kupplungselement 8 ein Axiallager. In der dritten Schaltposition des Steuerelements 9 steht das Getriebeelement 18 mit dem Außengewinde 17 nicht in Wirkverbindung, so dass das verschiebbaren Kupplungselements 18 auch bei einer Rotation desselben in der Endposition hinsichtlich einer Bewegung in die Richtung 22 gesichert ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schaltvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- erste Antriebswelle
- 4
- zweite Antriebswelle
- 5
- Rotationsachse (der Antriebswelle)
- 6
- Kupplungseinrichtung
- 7
- unverschiebbares Kupplungselement
- 8
- verschiebbares Kupplungselement
- 9
- Steuerelement
- 10
- Antrieb
- 11
- Erstes Federelement
- 12
- Zweites Federelement
- 13
- Stirnseite
- 14
- Steuerkontur
- 15
- Kraftrichtung (des ersten Federelements)
- 16
- Kraftrichtung (des zweiten Federelements)
- 17
- Außengewinde
- 18
- Getriebeelement
- 19
- Aufnahme
- 20
- Kugellager
- 21
- Kugellager
- 22
- Richtung (in die geschlossene Schaltstellung)
- 23
- Richtung (in die geöffnete Schaltstellung)
- 24
- Klauen
- 25
- Anlagefläche
- 26
- Rotationsachse (des Exzenterelements)
