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Die Erfindung betrifft einen Aktor zum An- oder Abkoppeln eines Antriebsmoduls an einen bzw. von einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Ausgangselement, das in zwei Richtungen verstellbar ist und das dafür ausgelegt ist, ein zu schaltendes Koppelelement zu betätigen.
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Bei dem Antriebsmodul kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor handeln, der abhängig von Fahrbedingungen zu- oder abgeschaltet wird. Es kann sich aber auch um ein Differenzialgetriebe handeln, mit dem eine weitere Antriebsachse zu einer bereits betriebenen Antriebsachse hinzugeschaltet wird, beispielsweise um das Fahrzeug zeitweise in einem Modus mit Allradantrieb zu betreiben. Der Aktor kann auch dazu verwendet werden, eine Parksperre ein- oder auszulegen.
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Allen diesen Situationen gemeinsam ist, dass sowohl das Ankoppeln als auch das Abkoppeln sehr schnell möglich sein soll, insbesondere innerhalb einer Zeitspanne von etwa 100 ms. Zusätzlich wird gefordert, dass der Aktor bei einem eventuellen Defekt automatisch in einen vordefinierten Zustand zurückkehrt oder zuverlässig in diesem Zustand verbleibt, wenn er beim Auftreten des Defekts sich bereits in dem Zielzustand für diesen Fall befindet. Schließlich wird gefordert, dass der Aktor im Normalbetrieb wenig Energie verbraucht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aktor zu schaffen, der diese Anforderungen erfüllt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Aktor der eingangs genannten Art vorgesehen, bei dem ein in zwei Richtungen vorspannbarer Energiespeicher vorhanden ist, der mit dem Ausgangselement so gekoppelt ist, dass er abhängig von der Richtung, in der er vorgespannt ist, das Ausgangselement in die eine oder die andere Richtung beaufschlagt, wobei weiterhin eine Spannvorrichtung vorgesehen ist, die den Energiespeicher in die eine oder die andere Richtung vorspannen kann, und ein Sperrmechanismus, der zwischen einem Sperrzustand, in dem das Ausgangselement in seiner aktuellen Stellung gesperrt ist, und einer Freigabestellung schaltbar ist, in der das Ausgangselement freigegeben ist, um unter der Wirkung des Energiespeichers verstellt zu werden. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, den Vorgang des Schaltens des Aktors von einem Zustand in den anderen (also Ankoppeln zu Abkoppeln oder umgekehrt) von dem Vorgang des Bereitstellens der Energie für das Umschalten zu trennen. Dies ermöglicht es, mit einer vergleichsweise kleinen Spannvorrichtung über einen Zeitraum, der länger ist als der Umschaltvorgang, den Energiespeicher „aufzuladen“, sodass dann im Bedarfsfall die dort gespeicherte Energie zum Umschalten des Ausgangselements von der einen in die andere Stellung freigegeben werden kann. Es ist auch keine sehr hohe Energie erforderlich, um das Ausgangselement in der jeweiligen Stellung zu halten, da der Sperrmechanismus bei geeigneter Ausgestaltung nur sehr geringe Sperrkräfte aufbringen muss.
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Das Ausgangselement kann ein translatorisch verstellbarer Stößel sein, sodass die zum An- oder Abkoppeln des Antriebsmoduls erforderliche translatorische Bewegung unmittelbar bereitgestellt wird. Beispielsweise kann mit der translatorischen Bewegung des Ausgangselements eine Klauenkupplung oder Ähnliches ein- oder ausgerückt werden.
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Der Energiespeicher kann ein verstellbares Gehäuse aufweisen, in dem eine Feder aufgenommen ist. Das Gehäuse kann gleichzeitig als Schutz und zur Führung der Feder dienen.
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Der Energiespeicher weist vorzugsweise einen Schieber auf, auf den die Feder einwirkt. Der Schieber steht mit dem Ausgangselement in Verbindung und ermöglicht es, die Wirkung der Feder mit hohem Wirkungsgrad auf das Ausgangselement zu übertragen.
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Die Feder ist vorzugsweise eine mechanische Feder, insbesondere eine Druckfeder. Es ist jedoch grundsätzlich auch denkbar, dass andere Arten von Federn verwendet werden, beispielsweise hydraulische bzw. pneumatische Federn, magnetische Abstoßungskräfte oder Ähnliches.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse zwei einander gegenüberliegende Widerlager für die Feder aufweist. Mit den Widerlagern kann zuverlässig die Verschiebung des Gehäuses dafür verwendet werden, die Feder vorzuspannen.
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Auf dem Schieber sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zwei Federteller verschiebbar gelagert, zwischen denen die Feder aufgenommen ist. Die Federteller dienen dazu, die Feder zuverlässig zu führen, sodass sie auch im vorgespannten Zustand nicht seitlich ausknicken kann.
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Der Schieber weist vorzugsweise zwei Anschläge für die Federteller auf, mit denen die Schubkraft der Feder über den entsprechenden Federteller unmittelbar auf den Schieber übertragen werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannvorrichtung einen Motor und ein Getriebe aufweist, das den Motor so mit dem Gehäuse koppelt, dass es in die eine oder andere Richtung vorgespannt werden kann. Mit dem Getriebe kann eine Untersetzungswirkung bereitgestellt werden, sodass ein Motor mit einem vergleichsweise niedrigen Drehmoment in der Lage ist, im Energiespeicher eine sehr hohe Vorspannkraft zu erzeugen.
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Das Getriebe ist vorzugsweise ein Koppelgetriebe, mit dem eine Drehbewegung des Motors in eine translatorische Bewegung des Gehäuses des Energiespeichers umgesetzt werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Rastelement vorgesehen, welches ein Ausgangsglied des Koppelgetriebes in zwei Stellungen arretieren kann, die dem in unterschiedlichen Richtungen vorgespannten Energiespeicher entsprechen. Mit dem Rastelement kann die gesamte Spannvorrichtung, wenn der Energiespeicher in die eine oder andere Richtung vorgespannt ist, im aktuellen Zustand festgelegt werden, ohne dass eine aktive Verriegelung oder Ähnliches erforderlich wäre.
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Das Ausgangsglied des Koppelgetriebes kann insbesondere eine rotatorisch verstellbare Kurbel oder eine Kurvenscheibe sein, sodass das Gehäuse des Energiespeichers in konstruktiv einfacher Weise translatorisch verstellt werden kann.
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Der Sperrmechanismus weist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung einen Sperrschieber auf, der mit Sperrausnehmungen des Ausgangselements zusammenwirkt. Der Sperrschieber ist dabei mit seiner Bewegungsrichtung vorzugsweise senkrecht zur Verstellrichtung des Ausgangselements angeordnet, sodass keine hohen Kräfte erforderlich sind, um den Sperrschieber in seiner jeweiligen Stellung zu halten.
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Der Sperrschieber kann von einer Feder beaufschlagt werden, um zu gewährleisten, dass der Sperrschieber im Falle eines Ausfalls in eine vordefinierte Stellung gebracht wird.
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Dem Sperrschieber kann ein Hubmagnet zugeordnet sein, um ihn aus einer Stellung beispielsweise entgegen der Kraft der Feder in die andere Stellung zu verstellen, wenn eine Verstellung des Ausgangselements freigegeben werden soll.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
- - 1 a einen Aktor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Zustand;
- - 1b den Aktor von 1a in einem zweiten Zustand;
- - 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktors; und
- - 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktors.
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In 1a ist ein Aktor 10 gezeigt, der dafür vorgesehen ist, ein Antriebsmodul an einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs anzukoppeln bzw. das Antriebsmodul von dem Antriebsstrang abzukoppeln. Beim Antriebsmodul kann es sich um einen Antriebsmotor handeln, beispielsweise einen Elektromotor, einen zweiten Verbrennungsmotor, ein Getriebe, eine Antriebsachse, etc.
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Um das Antriebsmodul an- oder abzukoppeln, kann beispielsweise eine Klauenkupplung vorgesehen sein. Grundsätzlich kann jede Art von schnelllösbarer und wiederaktivierbarer Verbindung vorgesehen sein.
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Um den Mechanismus schalten zu können, mit dem das Antriebsmodul an- oder abgekoppelt wird, weist der Aktor 10 ein Ausgangselement 12 auf. Dieses ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein translatorisch verstellbarer Stößel. Mit ihm kann beispielsweise eine Klauenkupplung geschaltet werden.
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Das Ausgangselement ist mit einem Energiespeicher 14 gekoppelt, der in zwei Richtungen so vorgespannt werden kann, dass das Ausgangselement im Sinne einer Verstellung in der einen oder anderen Richtung beaufschlagt wird.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicher 14 durch einen Schieber 16 mit dem Ausgangselement 12 verbunden. Es ist grundsätzlich auch denkbar, den Energiespeicher 14 ohne Zwischenelement mit dem Ausgangselement 12 zu koppeln bzw. den Energiespeicher 14 auf dem Ausgangselement 12 anzuordnen.
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Der Energiespeicher weist ein Gehäuse 18 auf, das translatorisch parallel zur Erstreckungsrichtung des Schiebers 16 verschiebbar ist.
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Um das Gehäuse 18 des Energiespeichers 14 zu verstellen, ist eine Spannvorrichtung 20 vorgesehen.
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Die Spannvorrichtung 20 weist einen Motor 22, ein Untersetzungsgetriebe 24 und ein Koppelgetriebe 26 auf, sodass eine Rotationsbewegung am Ausgang des Motors 22 in eine translatorische Bewegung des Gehäuses 18 des Energiespeichers 14 umgesetzt werden kann.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Koppelgetriebe 26 eine rotatorisch um eine Rotationsachse R verstellbare Kurbel 28 auf, die mit einem Kurbelzapfen 30 in eine Schiebeführung 32 eingreift, die fest mit dem Gehäuse 18 verbunden ist.
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Wenn die Kurbel 28 um die Rotationsachse M gedreht wird, wird das Gehäuse 18 zwischen einer ersten Endstellung (gezeigt in 1a; maximal nach rechts verstellt) und einer zweiten Endstellung (siehe 1b; maximal nach links verstellt) verschoben.
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Der Kurbel 28 ist ein federbelastetes Rastelement 34 zugeordnet, das gegen den Außenumfang der Kurbel gedrückt wird und dort in eine Nut oder Vertiefung eingreifen kann. Diese Vertiefungen entsprechen den beiden Rotationsstellungen mit in die eine oder andere Richtung vorgespanntem Energiespeicher 14. Auf diese Weise kann die Kurbel 28 in den beiden Rotationsstellungen arretiert werden kann, die den maximal verschobenen Endstellungen des Gehäuses 18 des Energiespeichers 14 entsprechen. Das Rastelement 34 kann auch so angeordnet werden, dass es auf eine Seitenfläche der Kurbel 28 gedrückt wird und dort in Vertiefungen einrastet.
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Als Energiespeichermedium des Energiespeichers ist eine Feder 15 vorgesehen, die hier als Druckfeder ausgeführt ist.
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Die Feder 15 ist zwischen zwei Federtellern 36 aufgenommen. Die beiden Federteller 36 sind verschiebbar auf dem Schieber 16 angeordnet, wobei für jeden Federteller 36 ein Anschlag 38 auf dem Schieber 16 vorgesehen ist.
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Die Anschläge 38 sind hier durch Absätze zwischen einem Bereich des Schiebers 16 ausgeführt, der einen Ausgangsdurchmesser aufweist, und einem mittleren Bereich, der einen verringerten Durchmesser aufweist; auf dem Bereich mit vermindertem Durchmesser sind die Federteller 36 verschiebbar.
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Jeder Federteller 36 kann mit einem Widerlager 40 im Gehäuse 18 zusammenwirken, wobei die beiden Widerlager 40 hier als die stirnseitigen Begrenzungsflächen des Innenraums des Gehäuses 18 ausgebildet sind, in welchem die Feder 15 und die Federteller 36 angeordnet sind.
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Dem Ausgangselement 12 ist ein Sperrmechanismus 42 zugeordnet, der in der Lage ist, das Ausgangselement 12 in seiner jeweiligen Stellung festzulegen.
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Der Sperrmechanismus 42 weist hier einen Sperrschieber 44 auf, der senkrecht zur Verstellrichtung des Ausgangselements 12 translatorisch verschiebbar ist. Dem Sperrschieber 44 ist dabei ein Betätigungselement 46 zugeordnet, das hier als Hubmagnet ausgeführt ist. Auf der dem Betätigungselement 46 gegenüberliegenden Seite ist eine Rückstellfeder 48 angeordnet, die den Sperrschieber 44 entgegengesetzt zu der Richtung beaufschlagt, in der er vom Betätigungselement 46 beaufschlagt wird.
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Der Sperrschieber 44 weist zwei Sperrbolzen 50 auf, die mit Sperrausnehmungen 52 zusammenwirken, die im Ausgangselement 12 ausgebildet sind.
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In 1a befindet sich der Aktor 10 in einem Zustand, der einem angekoppelten Antriebsmodul entspricht. Das Ausgangselement 12 ist hier maximal nach links verschoben. Gedanklich kann es als mit einer eingerückten Schiebemuffe einer Klauenkupplung verstanden werden.
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In diesem Zustand ist das Betätigungselement 46 aktiviert, sodass der Sperrschieber 44 entgegen der Wirkung der Rückstellfeder 48 in 1a nach unten gedrückt wird, sodass der obenliegende Sperrbolzen 50 in die obenliegende Sperrausnehmung 52 eingreift. Solange das Betätigungselement 46 aktiviert ist, verbleibt der Sperrschieber 44 in seiner Position, und das Ausgangselement 12 kann nicht translatorisch verstellt werden.
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Der Energiespeicher 14 befindet sich in einem „aufgeladenen“ Zustand, der dadurch herbeigeführt wurde, dass das Gehäuse 18 vom Motor 22 über das Untersetzungsgetriebe 24 und das Koppelgetriebe 26 maximal nach rechts verstellt wurde. Hierdurch wird der linke Federteller 36, der am linken Widerlager 40 im Gehäuse 18 anliegt, nach rechts verstellt, während der rechte Federteller 36, da er am Anschlag 38 auf dem Schieber 16 anliegt, sich nicht nach rechts verstellen kann. Die Feder 15 wird daher vorgespannt.
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In dem in 1a gezeigten Zustand verbleibt das Gehäuse 18, da das Rastelement 34 die Kurbel 28 in diesem Zustand arretiert. Da es sich um ein labiles Gleichgewicht handelt, sind keine großen Rastkräfte erforderlich.
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Wenn das Antriebsmodul vom Antriebsstrang abgekoppelt werden soll, wird das Betätigungselement 46 abgeschaltet. Beispielsweise wird, wenn das Betätigungselement 46 ein Hubmagnet ist, dieser nicht weiter bestromt. Dadurch wird der Sperrschieber 44 unter der Wirkung der Rückstellfeder 48 nach oben bewegt, wodurch der Sperrbolzen 50 die Sperrausnehmung 52 verlässt. Dadurch kann das Ausgangselement 12 nach rechts verstellt werden, und zwar unter der Wirkung der Feder 15, die auf den rechten Federteller 36 drückt, der wiederum über den Anschlag 38 auf den Schieber 16 drückt. Die Verstellung des Ausgangselements 12 kann aufgrund der hohen Vorspannkraft der Feder 15 innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgen. So sind Reaktionszeiten von unter 100 ms möglich.
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Im abgekoppelten Zustand befindet sich das Ausgangselement 12 in der in 1b gezeigten Stellung. Es ist zu sehen, dass das Ausgangselement 12 um einen Betätigungshub s nach rechts verstellt ist.
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Wenn ausgehend von dem in 1a gezeigten Zustand das Ausgangselement 12 um den Betätigungshub s nach rechts verstellt ist, ist die Feder 15 etwas entspannt worden, da auch der Federteller 36 um diesen Weg s nach rechts verstellt ist.
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Das Ausgangselement 12 wird im nach rechts verstellten Zustand automatisch dadurch arretiert, dass der Sperrschieber 44 unter der Wirkung der Rückstellfeder 48 nach oben verstellt wird, sodass der untere Sperrbolzen 50 in die untere Sperrausnehmung 52 eingreift. In diesem Zustand kann der Motor 22 aktiviert werden, der über das Untersetzungsgetriebe 24 die Kurbel 28 um 180° in die in 1b gezeigte Position verstellt, wodurch das Gehäuse 18 des Energiespeichers 14 nach links verschoben wird. Dadurch wird die Feder 15 erneut vorgespannt, da der rechte Federteller 36 vom Widerlage 40 nach rechts verschoben wird, während der linke Federteller 36, da er am linken Anschlag 38 anliegt, nicht ausweichen kann. Es wird schließlich der in 1b gezeigte Zustand erreicht, in welchem der Energiespeicher 14 wieder „aufgeladen“ ist, die Kurbel 28 vom Rastelement 34 in der zweiten labilen Gleichgewichtslage gehalten wird und das Ausgangselement 12 nach links in Richtung des Ankoppelns des Antriebsmoduls von der gespannten Feder 15 beaufschlagt wird, jedoch aufgrund des Sperrschiebers 44 in der ausgekoppelten Position verbleibt.
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Wenn in diesem Zustand das Antriebsmodul angekoppelt werden soll, wird das Betätigungselement 46 aktiviert, sodass der Sperrschieber 44 entgegen der Wirkung der Rückstellfeder 48 nach unten verstellt wird. Hierdurch wird das Ausgangselement 12 freigegeben, sodass es von der Feder 15 um den Betätigungshub s nach links verstellt wird. Das Antriebsmodul kann somit sehr schnell angekoppelt werden.
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Im nach links verstellten Zustand wird das Ausgangselement 12 vom Sperrschieber 44 arretiert, der unter der Wirkung des aktivierten Betätigungselements 46 in der nach unten verschobenen Stellung gehalten wird.
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In diesem angekoppelten Zustand wird wieder der Energiespeicher 14 aufgeladen, in dem das Gehäuse 18 aus der nach links verstellten Stellung von 1b in die nach rechts verschobene Stellung von 1a verstellt wird. Dies erfolgt wieder mittels des Motors 22, der über das Untersetzungsgetriebe 24 und die Kurbel 28 das Gehäuse 18 nach rechts verschiebt. Hierdurch wird wieder der in 1a gezeigte Zustand erreicht, in welchem der Aktor 10 so vorgespannt ist, dass er, sobald das Betätigungselement 46 nicht mehr aktiviert ist, das Ausgangselement 12 unter der Wirkung der Feder 15 um den Betätigungshub s zurückzieht.
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Der besondere Vorteil des gezeigten Aktors 10 besteht darin, dass das Ausgangselement 12 von der Feder 15 in sehr kurzer Zeit verstellt werden kann, jedoch nur ein vergleichsweise kleindimensionierter Motor 22 notwendig ist, um nach einem Betätigungshub des Ausgangselements 12 den Federspeicher 14 wieder „aufzuladen“. Hierfür können mehrere Zehntelsekunden oder gar eine Zeitspanne im Sekundenbereich vorgesehen werden, da üblicherweise nach dem Ankoppeln oder Abkoppeln des Antriebsmoduls nicht sehr kurzfristig wieder abgekoppelt bzw. angekoppelt werden muss.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einem Defekt, beispielsweise einem Stromausfall, das System automatisch in den ausgekoppelten Zustand zurückehrt, falls es aktuell angekoppelt ist. Sobald nämlich das Betätigungselement 46 nicht weiter aktiviert wird, wird der Sperrschieber 44 unter der Wirkung der Rückstellfeder 48 in eine Stellung verstellt, in der das Ausgangselement 12 von der Feder 15 in die zurückgezogene Position überführt werden kann.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insofern auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform die beiden Sperrausnehmungen 52 auf derselben Seite angeordnet sind, nämlich auf der zur Rückstellfeder 48 entgegengesetzten Seite. Hieraus resultiert, dass der Sperrschieber 44 mittels des Betätigungselements 46 aktiv in beiden Stellungen verriegelt werden muss, also sowohl in der Stellung des Ausgangselements 12, die einem angekoppelten Zustand des Antriebsmoduls entspricht, als auch der Stellung, in der die Stellung des Ausgangselements 12 einem abgekoppelten Antriebsmodul entspricht.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der dritten Ausführungsform die beiden Sperrausnehmungen 52 auf der Seite des Ausgangselements 12 angeordnet sind, auf der sich auch die Rückstellfeder 48 befindet. Hieraus resultiert, dass der Sperrschieber 44 passiv von der Rückstellfeder 48 in die verriegelte Stellung beaufschlagt wird. Es ist also für jeden Schaltvorgang erforderlich, dass das Betätigungselement 46 aktiv angesteuert wird.
