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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen einer Klauenkupplung sowie eine Klauenkupplung zum geräuscharmen formschlüssigen Verbinden eines ersten drehbaren Bauteiles mit einem zweiten drehbaren Bauteil, wobei eine Schiebemuffe drehfest und axialverschiebbar an dem ersten drehbaren Bauteil angeordnet ist und ein Kupplungskörper drehfest an dem zweiten drehbaren Bauteil angeordnet ist. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in der Automobilindustrie, vorrangig der Elektro- oder Hybridfahrzeuge, insbesondere für die Geräuschminimierung beim Kupplungsvorgang im elektrischen Antriebsstrang bei Stillstand oder niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs.
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Aktuell werden im Stand der Technik der Elektro-oder Hybridfahrzeuge große Anstrengungen unternommen, um den Antriebsstrang von Fahrzeugen mit elektrischem oder Hybridantrieb immer leiser zu machen. Da die Fahrer und Insassen eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb viel empfindlicher gegenüber allen anormalen Geräuschen reagieren, die früher vom so genannten Verdeckungsgeräusch des Verbrennungsmotors geschluckt wurden, sind beim elektrischen Antriebskonzept insbesondere das Brems- und Kupplungssystem in das Visier der Entwickler gekommen, um eine Minderung mindestens der Spitzengeräuschpegel zu erzielen.
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Um die so genannte Zahn-auf-Zahn-Stellung aufzulösen, die beim Auftreffen und beim Auflösen von aufeinandertreffenden Zahnrädern oder Klauen das sog. NVH-Verhalten (noise vibration harshness - Geräusch-, Schwingungs- und Rauigkeitsverhalten) erheblich negativ beeinflusst, sind verschiedene Ansätze bekannt.
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Neben dem Ansatz, mit Hilfe unterschiedlicher Vorrichtungen und Verfahren eine Synchronisation der beteiligten Zahnräder oder Klauen so einzustellen, dass durch eine Differenzdrehzahl ein Einspuren gefördert wird, wurden auch bereits verschiedene Vorschläge gemacht, wie eine auftretende Zahn-auf-Zahn-Stellung möglichst schnell wieder aufgelöst werden kann, indem eine relative Drehung der beteiligten Zahnräder oder Klauen erfolgt.
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Neben sehr aufwendigen Lösungen mit eigenen Antrieben liegt es hier nahe, diese relative Rotation durch Drehung zumindest einer der Antriebs- oder Abtriebswellen bei eventuell gleichzeitig aufgehobenem oder zumindest verringertem Anpressdruck der beteiligten Zahnräder oder der beteiligten Klauen zu bewirken.
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Wenn die Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung auch bei stehendem Fahrzeug und damit stehender Abtriebswelle des Getriebes zuverlässig funktionieren soll und andererseits eine Abbremsung des Fahrzeugs zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung bei geringer Geschwindigkeit nicht erwünscht ist, wird in solchen Fällen bevorzugt die Fahrkupplung so weit geschlossen, dass sich eine Verdrehung der Antriebswelle des Getriebes ergibt und gleichzeitig oder unmittelbar anschließend ein erneuter Schaltversuch unternommen. Dabei muss aber nach gängiger Praxis die Fahrkupplung so weit geschlossen werden, dass auch unter ungünstigen Bedingungen, die ein hohes Drehmoment an der Antriebswelle zur Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung erfordern, dieses Drehmoment zumindest erreicht wird.
Dies hat jedoch zur Folge, dass bei weniger schwer aufzulösenden Zahn-auf-Zahn-Stellungen ebenfalls ein erhebliches Drehmoment anliegt und das Fahrzeug durch das nicht zur Auflösung benötigte Moment einen für die Insassen unangenehm hörbaren und oft sogar fühlbaren sowie für die auf einander prallenden Klauen oder Zähne stark belastenden Schlag erfährt.
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Obwohl der breite Arbeitsbereich eines Elektromotors, der ein maximales Drehmoment in einem weiten Drehzahlbereich aufweist, nur eine geringe Anzahl von Gängen erfordert, sind Mehrganggetriebe durchaus üblich und auch beim Stillstand sind Kupplungs- und Trennprozesse erforderlich, die einen geringen Geräuschpegel aufweisen sollen. So ist aus der
DE 10 2019 203 255 A1 eine Klauenkupplung zum formschlüssigen Verbinden von zwei drehbaren Bauteilen bekannt, bei der eine Schiebemuffe drehfest und axialverschiebbar am ersten Bauteil und ein Kupplungskörper drehfest am zweiten Bauteil angeordnet sind, wobei die Schiebemuffe mittels eines federbelasteten drehfest gekoppelten und axial relativ zur Schiebemuffe verschiebbaren Schaltrings einen bei der axialen Relativbewegung gebildeten Dämpfungsraum zur Verzögerung ihrer Axialbewegung ausnutzt, wodurch die axiale Relativbewegung zwischen Schaltring und Schiebemuffe bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung stattfindet und nach deren Auflösung beim passenden Eingriff die Relativbewegung abgebremst wird und aufgrund der gedämpften Axialbewegung zu einem reduzierten Geräuschpegel führt.
Leider sind dabei die bei Zahn-auf-Zahn-Stellung auftretenden Schaltgeräusche immer noch störend. Insbesondere ist das Verbinden der Kupplungsklauen bei niedrigen Geschwindigkeiten oder beim Stillstand eine große Herausforderung, weil es praktisch kaum ein Verdeckungsgeräusch gibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Betätigen einer Klauenkupplung für einen Elektroantrieb beim Stillstand des Fahrzeugs zu finden, die ein zuverlässig schnelles formschlüssiges Verbinden der Klauenkupplung mit geringen akustischen Störgeräuschen gestattet.
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Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betätigen einer Klauenkupplung zum geräuscharmen formschlüssigen Verbinden eines ersten drehbaren Bauteiles mit einem zweiten drehbaren Bauteil, wobei eine Schiebemuffe drehfest und axial verschiebbar an dem ersten drehbaren Bauteil angeordnet ist und ein Kupplungskörper drehfest an dem zweiten drehbaren Bauteil angeordnet ist, wobei die Schiebemuffe zur Formschlussverbindung mit dem Kupplungskörper zum Verbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil axial bewegbar ist und an der Schiebemuffe ein drehfester Schaltring axial federbelastet relativ zur Schiebemuffe mittels einer Schaltgabel einer Aktorik bewegbar ist, wobei die Aktorik über Schaltgabel und Schaltring eine Bewegung der Schiebemuffe derart bewirkt, dass die Schaltgabel mit modulierter Geschwindigkeit axial bewegt wird, wobei die Aktorik in mindestens drei Phasen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gesteuert wird.
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Vorteilhaft bewirkt die Aktorik das Verbinden der zwei drehbaren Bauteile der Klauenkupplung mit den folgenden Schritten:
- a) Beschleunigen des Bauteils der Klauenkupplung mittels einer elektrischen Antriebseinheit des elektrischen Antriebsstrangs, bis das Bauteil eine vorgegebene Differenzgeschwindigkeit im Verhältnis zum zweiten Bauteil erreicht,
- b) Bewegen der Klauenkupplung mittels der Aktorik, wenn die vorgegebene Differenzgeschwindigkeit erreicht ist, mit einer reduzierten Geschwindigkeit bis zu einem vorgegebenen Zwischenzustand, in dem die Klauenkupplung verbunden, aber noch nicht voll in Eingriff steht,
- c) Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer,
- d) Fortsetzen der Bewegung der Aktorik mit höherer Geschwindigkeit, um die Klauenkupplung zu einem vorbestimmten verbundenen Zustand zu bewegen, und
- e) Abschalten der Aktorik beim Erreichen des verbundenen Zustands und Freigabe der Drehmomentverbindung für den Anwender.
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Zweckmäßig kann auch eine größere Anzahl von Schritten mit Phasen unterschiedlicher Geschwindigkeiten in der Aktorik programmiert werden.
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Bevorzugt werden die Geschwindigkeiten des Vortriebs der Schaltgabel in der Aktorik durch Programmierung einer an den Schaltvorgang angepassten Funktion moduliert.
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Die Zeit des Abwartens im Zwischenzustand des Verbindens der Klauenkupplung liegt vorzugsweise im Millisekundenbereich.
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Des Weiteren wird die Aufgabe bei einer Klauenkupplung zum geräuscharmen formschlüssigen Verbinden eines ersten drehbaren Bauteiles mit einem zweiten drehbaren Bauteil, wobei eine Schiebemuffe drehfest und axialverschiebbar an dem ersten drehbaren Bauteil angeordnet ist und ein Kupplungskörper drehfest an dem zweiten drehbaren Bauteil angeordnet ist, wobei die Schiebemuffe zur Formschlussverbindung mit dem Kupplungskörper zum Verbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil axial bewegbar ist und an der Schiebemuffe ein drehfester Schaltring axial federbelastet relativ zur Schiebemuffe mittels einer Schaltgabel einer Aktorik bewegbar ist, wobei die Aktorik über Schaltgabel und Schaltring eine Bewegung der Schiebemuffe bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorik zum Bewegen der Schaltgabel eine modulierbare Geschwindigkeitssteuerung aufweist.
Vorteilhaft ist die Aktorik mit einer an den Schaltvorgang beim Verbinden der Klauenkupplung angepassten Funktion zur Geschwindigkeitssteuerung programmierbar.
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Die Aktorik ist zweckmäßig mit einem Gewindetrieb zum axialen Bewegen der Schaltgabel ausgestattet.
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Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, dass während des Verbindungsvorgangs der Klauenkupplung mit der oben geschilderten Lösung des Standes der Technik lediglich die nach dem Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung erfolgende weitere axiale Verschiebung der Schiebemuffe gedämpft wird, während beim Aufeinandertreffen des antriebsseitigen Bauteils und des abtriebseitigen Bauteils der Klauenkupplung das Geräuschproblem weiterhin besteht. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung mit einem Verbindungsvorgang, der eine Mehrschritt-Annäherung mit mindestens drei Phasen unterschiedlicher Geschwindigkeit beinhaltet, durch wenigstens eine definierte Zäsur im Bewegungsablauf der aktuierten axialen Bewegung von Schaltring und Schiebemuffe vermindert. Eine erste Phase beinhaltet das Bewegen bis zu einer ersten Verbindungsposition, eine zweite Phase dann das Warten in einer Zwischenposition, bis die Zahn-auf-Zahn-Stellung aufgelöst ist, und eine dritte Phase umfasst das schnellere Bewegen in eine finale Verbindungsposition, womit eine signifikante Reduzierung der NVH-Störungen bei einer akzeptablen Verbindungszeit erreicht wird.
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Durch die Erfindung wird eine neue Möglichkeit zum Betätigen einer Klauenkupplung für einen Elektroantrieb realisiert, die beim formschlüssigen Verbinden den auftretenden Geräuschpegel verringert und ein zuverlässig schnelles Verbinden durch besseres Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung der Kupplungsbauteile gestattet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer geöffneten Klauenkupplung, bei der das erfindungsgemäße geräuscharme Kupplungsverfahrens zum Verbinden des Antriebsstrangs mit dem Elektroantrieb einsetzbar ist,
- 2: eine schematische Darstellung der geschlossenen Klauenkupplung von 1.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Klauenkupplung 20 zum Verbinden des Antriebsstrangs mit dem Elektroantrieb, die sich im geöffneten Zustand befindet, wie er beispielsweise beim Stillstand des Fahrzeugs auftritt. Im getrennten Zustand der Klauenkupplung 20 ist das erste drehbare Bauteil 1 von dem zweiten drehbaren Bauteil 2 und somit von der Drehmomentübertragung getrennt.
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Die Klauenkupplung 20 umfasst eine Schiebemuffe 3, die in der Ausführung von 1 z.B. an dem ersten drehbaren Bauteil 1 (hier als Stirnrad gezeichnet) drehfest und axial verschiebbar angeordnet ist. Zu diesem Zweck können an der Schiebemuffe 3 und an dem Bauteil 1 miteinander in Eingriff stehende Verzahnungen 3a, 1 a oder ähnliche Strukturen in Form von komplementär eingreifenden radialen Profilen vorgesehen sein. Ferner umfasst die Klauenkupplung 20 einen Kupplungskörper 4, der drehfest an dem zweiten drehbaren Bauteil 2 (hier als Welle ausgeführt) angeordnet ist. Die Schiebemuffe 3 ist zur formschlüssigen Verbindung mit dem Kupplungskörper 4 zum drehfesten Verbinden des ersten Bauteils 1 mit dem zweiten Bauteil 2 axial beweglich. Die Schiebemuffe 3 und der Kupplungskörper 4 weisen dazu entsprechende gegenseitig in Eingriff zu bringende Verzahnungen 3a, 4a auf.
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Im verbundenen Zustand der Klauenkupplung 20, wie in 2 dargestellt, ist das erste drehbare Bauteil 1 mit dem zweiten drehbaren Bauteil 2 zur Drehmomentübertragung verbunden. Der entsprechende Kraftfluss ist in 2 durch eine gepunktete Linie angedeutet. Demzufolge kann das Drehmoment zwischen der Welle als dem zweiten drehbaren Bauteil 2 und dem Stirnrad als dem ersten drehbaren Bauteil 1 übertragen werden.
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Um eine möglichst schnelle und geräuschlose Kopplung der beiden Bauteile 1, 2 über die Klauenkupplung 20 zu realisieren, ist an der Schiebemuffe 3 ein federbelasteter Schaltring 5 drehfest und axial relativ zur Schiebemuffe 3 bewegbar gelagert. Der Schaltring 5 wird durch eine Aktorik 9 mittels einer Schaltgabel 8 axial bewegt, wobei die Schaltgabel 8 vorzugsweise über einen Gewindetrieb parallel zur Welle des zweiten Bauteils 2 angetrieben wird.
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Da die Schiebemuffe 3 mit dem Schaltring 5 über ein Federelement 7, beispielsweise eine Schraubendruckfeder, Tellerfeder o.Ä., gekoppelt ist, um Relativbewegungen bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung zu ermöglichen, werden einerseits Relativbewegungen zwischen der Schiebemuffe 3 und dem Schaltring 5 und andererseits Verzögerungen der Axialbewegungen bei den Schaltbewegungen der Klauenkupplung 20 realisiert, sodass über das Federelement 7 auch bei einer Zahn-auf Zahn-Stellung weiterhin Schaltkraft auf die Schiebemuffe 3 aufgebracht wird und dabei nur geringe unerwünschten Schaltgeräusche erzeugt werden. Dadurch kann ein schnelles Auflöseverhalten der Zahn-auf-Zahn-Stellung ermöglicht werden, da die Schaltkraft stetig ansteigt und die Aktorik 9 gleichzeitig nicht blockieren kann. Nach dem Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung kann der Schaltring 5 noch gebremst auf die Schiebemuffe 3 auftreffen, wenn er durch ein Dämpfungsmedium, zum Beispiel ein Luft-Öl-Polster, abgebremst wird.
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Insbesondere bei einem stehenden Fahrzeug und somit bei stehender Abtriebswelle kann es dazu kommen, dass entweder die Stirnflächen zweier Zähne bzw. Klauen von in Eingriff zu bringenden Bauteilen einer zu schließenden Klauenkupplung mit ihren jeweils erhabenen Teilen aufeinander stehen, und der gewünschte Gang damit nicht geschaltet werden kann.
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Zum Ausführen der Schaltbewegungen bzw. zum formschlüssigen Verbinden der Bauteile 1 und 2 bei der Klauenkupplung 20 ist es erforderlich, dass eine entsprechende Aktuierung zum axialen Bewegen einer Schiebemuffe 3 erfolgt. Diese Aktuierung kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder dergleichen erfolgen. Unabhängig von der Aktuierungsart wird diese in axialer Richtung linear mit einem Schaltring 5 gekoppelt, um eine Schiebemuffe 3 entsprechend zu betätigen, wie in Gegenüberstellung der Darstellungen von 1 und 2 zu erkennen.
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Bei der vorstehend beschriebenen Klauenkupplung 20 können unerwünschte Schaltgeräusche gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch vermindert werden, indem der Schaltvorgang als Mehrschritt-Prozess organisiert wird. Dabei sind mindestens drei Phasen mit unterschiedlichen Schaltgeschwindigkeiten im Ablauf des Kupplungsvorgangs vorgesehen.
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Nach herkömmlicher Betriebsart der Klauenkupplung 20 wird der Betätigungsvorgang des Verbindens des Bauteils 1 (Stirnrad) mit dem Bauteil 2 (Welle) so ausgeführt, dass
- 1. die elektrische Maschine beschleunigt wird, bis das Bauteil 1 der Klauenkupplung 20 eine gegebene Differenzgeschwindigkeit im Verhältnis zum zweiten Bauteil 2 erreicht,
- 2. die Aktorik 9 die Klauenkupplung 20 schließt, wenn die vorgegebene Differenzgeschwindigkeit erreicht ist, während sich die die Aktorik 9 bei höheren Geschwindigkeiten bis zum verbundenen Zustand weiterbewegt, und
- 3. Abschalten der Aktorik 9 beim Erreichen des verbundenen Zustands und Freigabe der Drehmomentverbindung für den Anwender.
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Im Stillstand des Fahrzeugs hat die Anwendung der vorstehend beschriebenen Art und Weise der Betätigung der Klauenkupplung 20 einen negativen Einfluss auf das NVH-Verhalten des elektrischen Antriebsstrangs. Deshalb wird der Ablauf so geändert, dass:
- i) die elektrische Maschine beschleunigt wird, bis das Bauteil 1 der Klauenkupplung 20 eine gegebene Differenzgeschwindigkeit im Verhältnis zum zweiten Bauteil 2 erreicht,
- ii) die Aktorik 9 die Klauenkupplung 20 bewegt, wenn die vorgegebene Differenzgeschwindigkeit erreicht ist, mit reduzierter Geschwindigkeiten bis zu einem vorgegebenen Zwischenzustand, in dem die Klauenkupplung 20 verbunden, aber noch nicht voll im Eingriff steht,
- iii) Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer im Millisekundenbereich,
- iv) die Aktorik 9 mit höherer Geschwindigkeit weiterbewegt wird, um die Klauenkupplung 20 zu einem vorbestimmten verbundenen Zustand zu bewegen, und
- v) beim Erreichen des verbundenen Zustands die Drehmomentverbindung für den Anwender zur Verfügung steht.
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Die Aktorik 9 kann in mindestens drei Phasen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Vortriebs der Schaltgabel 8 bewegt werden. Es kann aber auch eine größere Anzahl von Schritten mit Phasen unterschiedlicher Geschwindigkeit in der Aktorik 9 programmiert werden, wobei die Geschwindigkeiten des Vortriebs der Schaltgabel 8 der am besten durch Programmierung einer an den Schaltvorgang angepassten Funktion moduliert werden kann.
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Wesentliche Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Aktorik 9 der Klauenkupplung 20 in ihrer Geschwindigkeit moduliert werden kann, wobei diese Modulation mit beliebigen vorgegebenen Funktionen programmierbar ist, um eine beliebige Anzahl von Schritten einfügen zu können für die Ausführung der Verbindung des elektrischen Antriebstrangs bei Stillstand oder sehr langsamer Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
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Die Aktorik 9 ist mit einem Gewindetrieb zur Bewegung der Schaltgabel 8 ausgestattet, wodurch die axiale Geschwindigkeitsmodulation der Schaltgabel 8 sehr einfach über die Drehzahl eines Antriebsmotors für den Gewindetrieb gesteuert oder als Funktion der Drehgeschwindigkeit moduliert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes drehbares Bauteil (Stirnrad)
- 1a
- Verzahnung
- 2
- zweites drehbares Bauteil (Welle)
- 3
- Schiebemuffe
- 3a
- Verzahnung
- 3b
- zylindrischer Abschnitt
- 3c
- Radialflansch
- 3d
- Ringfortsatz
- 4
- Kupplungskörper
- 4a
- Verzahnung
- 5
- Schaltring
- 5a
- Endabschnitt
- 7
- Federelement
- 8
- Schaltgabel
- 9
- Aktorik
- 20
- Klauenkupplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019203255 A1 [0007]
