DE102022130689B3

DE102022130689B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung

Info

Publication number: DE102022130689B3
Application number: DE102022130689.5A
Authority: DE
Inventors: Jens-Werner Falkenstein
Original assignee: Univ Rostock Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Rostock Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Univ Rostock Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Rostock Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2042-11-22
Also published as: WO2024110399A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung (2,2') weist einen in Axialrichtung (x) verschieblichen Kolben (4,4') zur Beaufschlagung eines Elements (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') mit einer ersten Kraft (F1) mittels eines auf den Kolben (4,4') wirkenden Drucks (p) sowie ein in Axialrichtung (x) verschiebliches, zumindest mittelbar mit einer zweiten Kraft (F2) auf das Element (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') wirkendes Betätigungselement (9) auf, das dafür vorgesehen ist, den auf den Kolben (4,4') wirkenden Druck (p) zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung, mit einem in Axialrichtung verschieblichen Kolben zur Beaufschlagung eines Elements der Kupplungseinrichtung mit einer ersten Kraft mittels eines auf den Kolben wirkenden Drucks. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung, wobei mittels eines in Axialrichtung verschieblichen Kolbens ein Element der Kupplungseinrichtung mittels eines auf den Kolben wirkenden Drucks mit einer ersten Kraft beaufschlagt wird.
Elektrifizierte Fahrzeuge besitzen meist einen Zentralantrieb mit einer Elektromaschine und einem Differential oder Einzelradantriebe, bei denen jeweils eine elektrische Antriebsmaschine über ein Getriebe und eine Seitenwelle mit einem Rad verbunden ist. Elektrifizierte Fahrzeuge mit mehr als einer Gangstufe enthalten typischerweise schlupfend betreibbare Kupplungen im Getriebe. Erfolgt die Kupplungsbetätigung mit Hilfe eines hydraulischen Aktuators, der mit der Kupplung mitrotiert, so entstehen Leckage und Reibung an einem hydraulischen Drehübertrager, welcher den mitrotierenden Aktuator mit einer typischerweise am Getriebegehäuse angebrachten, nicht mitrotierenden Pumpe verbindet. Erfolgt die Kupplungsbetätigung über Ein- oder Ausrücklager, so entstehen Energieverluste durch Lagerreibung, insbesondere bei hochdrehenden Elektroantrieben.
Schaltvorgänge sollten aus Komfort- und Fahrsicherheitsgründen möglichst zugraftunterbrechungsfrei erfolgen. Auch in der allgemeinen Antriebstechnik sind für bestimmte Anwendungen entsprechende Lastschaltgetriebe erforderlich. Lastschaltvorgänge mit Überschneidungsschaltungen erfordern einen hohen Aufwand im Bereich der Aktuatorik, verbunden mit entsprechenden Energieverlusten. Wenn mehrere Kupplungen verbaut sind, ist typischerweise für jede ein eigener Aktuator vorgesehen.
In der DE 10 2021 118 203 B3 ist ein System zum Kuppeln einer Welle mit einem Kupplungspartner beschrieben, das einen Fliehkraftaktuator mit einem Fliehkraftzylinder und einem in demselben verlagerbar aufgenommenen Fliehkraftkolben, eine Kupplungseinrichtung mit zwei Kupplungsgliedern, von denen eines mit der Welle und das andere mit dem Kupplungspartner verbunden ist, und einen den Fliehkraftaktuator mit der Kupplungseinrichtung verbindenden Fluidkanal aufweist.
Die EP 0 738 836 B1 beschreibt ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Reibungskupplung in einer Antriebseinheit, umfassend eine Antriebsmaschine, wobei die Reibungskupplung wenigstens zwei zum Zwecke der Drehmomentübertragung aneinander anpressbare Kupplungsteile umfasst, nämlich ein erstes Kupplungsteil, welches wenigstens mittelbar mit der Antriebsmaschine gekoppelt ist, und ein zweites Kupplungsteil, welches über das erste Kupplungsteil mit der Antriebsmaschine koppelbar ist. Die zur Drehmomentübertragung erforderliche Anpresskraft für die Kupplungsteile kann hydraulisch bzw. wenigstens ab Erreichen der Leerlaufdrehzahl der Antriebsmaschine selbsttätig durch den Rotationsdruck eines rotierenden Ringes von Hydraulikflüssigkeit aufgebracht werden. Zur Drehzahlverstellung im Anfahrbereich der Antriebseinheit oder bei Schleichfahrt wird der zum Aufbringen der Anpresskraft erforderliche Druck durch aktive Einflussnahme von außen durch Füllungsgradänderung des rotierenden Ringes von Hydraulikflüssigkeit variiert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung zu schaffen, mit denen die Energieeffizienz und die Fahrsicherheit, insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie Bahn- und Schiffsantrieben, verbessert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung weist demnach einen in Axialrichtung verschieblichen Kolben zur Beaufschlagung eines Elements der Kupplungseinrichtung mit einer ersten Kraft mittels eines auf den Kolben wirkenden Drucks auf. Des Weiteren ist ein in Axialrichtung verschiebliches, zumindest mittelbar mit einer zweiten Kraft auf das Element der Kupplungseinrichtung wirkendes Betätigungselement vorgesehen, mit dem der auf den Kolben wirkende Druck gesteuert werden kann.
Durch das mit einer zweiten Kraft auf das Element der Kupplungseinrichtung wirkende Betätigungselement, das gleichzeitig in der Lage ist, den auf den Kolben wirkenden Druck zu steuern, ist es möglich, die zum Halten des Elements der Kupplungseinrichtung erforderliche Kraft durch das Betätigungselement nur kurzzeitig und nicht wie bislang dauerhaft aufzubringen. Dadurch kann demnach die Kupplungseinrichtung durch nur kurzzeitiges Aufbringen einer Kraft durch das Betätigungselement dauerhaft geschlossen gehalten werden, wodurch sich nicht nur eine erhebliche Energieeinsparung erzielen lässt, sondern es können auch die auf die einzelnen Bauteile wirkenden Belastungen deutlich verringert werden. Eine für die Praxis besonders relevante Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, dass das Betätigungselement als auf einer rotierbaren Welle angeordnetes, mittels eines Aktuators in Axialrichtung verschiebliches Ein- oder Ausrücklager ausgebildet ist. Das Ein- oder Ausrücklager koppelt den nicht rotierenden Aktuator mit dem rotierbaren Element der Kupplungseinrichtung, überträgt die Aktuatorkraft und wirkt zumindest mittelbar mit der zweiten Kraft auf das Element der Kupplungseinrichtung.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Betätigungselement über den Kolben mit der zweiten Kraft auf das Element der Kupplungseinrichtung wirkt. Auf diese Weise muss die auf das Element der Kupplungseinrichtung wirkende Kraft lediglich über den Kolben geleitet werden, wodurch auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass der auf den Kolben wirkende Druck mittels Fliehkraft durch ein in einem an den Kolben angrenzenden Druckraum rotierendes Druckmedium erzeugt wird. Die Erzeugung des auf den Kolben wirkenden Drucks mittels Fliehkraft ermöglicht die Nutzung eines ohnehin vorhandenen, in einem Druckraum rotierenden Druckmediums, wodurch ebenfalls auf zusätzliche Bauteile verzichtet und die erfindungsgemäße Vorrichtung vereinfacht werden kann. Dabei kann das Betätigungselement durch einen infolge von auf das Druckmedium wirkenden Fliehkräften entstehenden Rotationsdruck von einer Betätigungskraft entlastet werden, wobei das Betätigungselement zugleich in der Lage ist, den Rotationsdruck zu beeinflussen. Durch eine solche Entlastung des Betätigungselements reduzieren sich vorteilhafterweise Energieverluste, insbesondere bei höheren Drehzahlen.
In diesem Zusammenhang kann eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin bestehen, dass ein Speicher des Druckmediums durch einen Hohlraum einer rotierbaren Welle gebildet ist, wobei der Speicher des Druckmediums über wenigstens eine auf der Mantelfläche der Welle vorgesehene Zulaufbohrung mit dem Druckraum derart verbunden ist, dass das Druckmedium dem Druckraum mittels Fliehkraft zugeführt wird. Diese Ausgestaltung nutzt bereits vorhandene Bauteile, wobei lediglich eine Bohrung, vorzugsweise wenigstens eine Zulaufbohrung, in einer rotierbaren Welle vorgesehen ist. Durch die Fliehkraft gelangt das in der Welle rotierende Druckmedium durch die wenigstens eine Zulaufbohrung in den Druckraum, um dort einen Druck zu erzeugen, der auf den Kolben wirkt und diesen somit in Axialrichtung zu dem Element der Kupplungseinrichtung hin verschiebt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Kolben wenigstens eine Ablaufbohrung aufweist, die mittels des Betätigungselements verschließbar ist. Bei dieser Lösung beeinflusst eine aktuelle Position des Betätigungselements den wirksamen Querschnitt zumindest der wenigstens einen Ablaufbohrung und damit den Volumenstrom des Druckmediums durch die Ablaufbohrung. Damit kann der auf den Kolben wirkende Druck durch das Betätigungselement in konstruktiv einfacher Weise gesteuert werden, beispielsweise nach dem Prinzip eines Sitzventils.
Um den Volumenstrom des Druckmediums steuern zu können, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass innerhalb der wenigstens einen Ablaufbohrung eine Einrichtung zur Veränderung des Querschnitts derselben angeordnet ist.
Des Weiteren können die wirksamen Querschnitte der Zulaufbohrungen und/oder der Ablaufbohrungen auch durch eine aktuelle Drehzahl, einen aktuellen Rotationsdruck, ein aktuell in dem Druckraum enthaltenes Volumen des Druckmediums und/oder eine aktuelle Normalkraft auf das Element der Kupplungseinrichtung beeinflusst werden. Die Normalkraft kann sich aus der ersten Kraft infolge des auf den Kolben wirkenden Drucks und der zweiten Kraft aufgrund der Wirkung des Betätigungselementes zusammensetzen.
In Anspruch 7 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels eines in Axialrichtung verschieblichen Kolbens ein Element der Kupplungseinrichtung mittels eines auf den Kolben wirkenden Drucks mit einer ersten Kraft beaufschlagt. Des Weiteren wirkt ein in Axialrichtung verschiebliches Betätigungselement zumindest mittelbar mit einer zweiten Kraft auf das Element der Kupplungseinrichtung und ist dafür vorgesehen, den auf den Kolben wirkenden Druck zu steuern.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich eine Kupplungseinrichtung in einfacher und gleichermaßen energiesparender Weise betreiben.
Dabei ist die Kupplungseinrichtung Bestandteil eines Doppelkupplungsgetriebes und es ist vorgesehen, dass das in Axialrichtung verschiebliche Betätigungselement während einer Überschneidungsschaltung des Doppelkupplungsgetriebes zumindest mittelbar mit einer weiteren Kraft auf ein Element einer zweiten Kupplungseinrichtung wirkt. Auf diese Weise können sogenannte Überschneidungsschaltungen sehr einfach und energiesparend durchgeführt werden. Dabei gibt das Betätigungselement bzw. der Aktuator das zeitliche Verhalten einer zweiten schließenden Kupplung vor, während der zeitliche Verlauf des Rotationsdruckes bzw. des im Kolbenraum enthaltenes Druckmediums, beeinflusst durch die Zulaufbohrungen und/oder die Ablaufbohrungen, das zeitliche Verhalten einer ersten, öffnenden Kupplung bei dem Doppelkupplungsgetriebe vorgibt. Auf diese Weise lassen sich Lastschaltvorgänge mit Überschneidungsschaltungen kostengünstig mit nur einem Betätigungselement, z.B. einem Ein- oder Ausrücklager, bzw. nur einem Aktuator darstellen. Mit nur einem Betätigungselement reduzieren sich Energieverluste und ein gleichzeitiges vollständiges Schließen beider Kupplungen, welches zu einem sicherheitskritischen, fehlerhaften Blockieren des Getriebes führen könnte, wird zuverlässig ausgeschlossen.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Betätigungselement über den Kolben mit der zweiten Kraft auf das Element der Kupplungseinrichtung wirkt. Dadurch kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden, weil die auf das Element der Kupplungseinrichtung wirkende Kraft lediglich über den Kolben geleitet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich, wenn der auf den Kolben wirkende Druck mittels Fliehkraft durch ein rotierendes Druckmedium erzeugt wird, wobei das Druckmedium einem an den Kolben angrenzenden Druckraum mittels Fliehkraft aus einem Hohlraum einer rotierbaren Welle zugeführt wird. Auf diese Weise wird ein ohnehin vorhandenes, in einem Druckraum rotierendes Druckmedium durch die Ausnutzung der Fliehkraft als Hilfsenergie genutzt, was einen Verzicht auf zusätzliche Bauteile ermöglicht. Das Betätigungselement wird dabei durch einen Rotationsdruck, der sich durch auf das Druckmedium wirkende Fliehkräfte ergibt, von einer Betätigungskraft entlastet, wodurch sich Energieverluste, insbesondere bei höheren Drehzahlen, reduzieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich ebenfalls insbesondere für eine Überschneidungsschaltung bei einem Doppelkupplungsgetriebe eignet, kann darin bestehen, dass das in Axialrichtung verschiebliche Betätigungselement den zeitlichen Schließvorgang des Elements der zweiten Kupplungseinrichtung vorgibt und zeitgleich der Kolben den zeitlichen Öffnungsvorgang des Elements der ersten Kupplungseinrichtung vorgibt, indem der zeitliche Verlauf der axialen Position des Kolbens durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmediums über wenigstens eine Zulaufbohrung und/oder wenigstens eine Ablaufbohrung vorgegeben wird.
Bevorzugt kann der zeitliche Öffnungsvorgang des Elements der ersten, öffnenden Kupplungseinrichtung mit Hilfe eines dynamischen mathematischen Modells, basierend auf gemessenen Größen, in der Steuerung berechnet und basierend darauf der zeitliche Schließvorgang des Elements der zweiten, schließenden Kupplungseinrichtung vorgegeben werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind vielfach einsetzbar, insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb, jedoch z.B. auch bei Hybridfahrzeugen, Schiffsantrieben, Bahnantrieben und sonstigen Antriebssystemen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung in einem ersten Zustand;
2 die Vorrichtung aus 1 in einem zweiten Zustand;
3 eine weitere Darstellung der Vorrichtung aus 1;
4 eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 eine zweite Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine dritte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
7 ein Diagramm, in dem ein mit der Ausführungsform gemäß 6 durchführbares Verfahren veranschaulicht wird.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Steuerung einer in 1 sehr schematisch dargestellten Kupplungseinrichtung 2. Die Kupplungseinrichtung 2 ist Teil eines Getriebes, das wiederum Teil zum Beispiel eines Elektrofahrzeuges sein kann. Es ist jedoch auch möglich, die Kupplungseinrichtung 2 bei Getrieben von Hybridfahrzeugen, Schiffsantrieben, Bahnantrieben und sonstigen Antriebssystemen einzusetzen. Das Getriebe kann dabei von einer Elektromaschine, einer Verbrennungskraftmaschine, einer hydraulischen und/oder einer pneumatischen Maschine angetrieben werden.
Die mit „x“ bezeichnete Axialrichtung ist die Längsrichtung einer rotierbaren, rotationssymmetrischen Welle 5, welche gleichzeitig die Antriebswelle bzw. Getriebeeingangswelle des die Kupplungseinrichtung 2 umfassenden Getriebes darstellt. Die Rotation der Welle 5 wird von der Kupplungseinrichtung 2 auf ein Antriebszahnrad 7 und ein mit diesem kämmendes Abtriebszahnrad 6 übertragen.
Die Welle 5 kann von einer nicht dargestellten Elektromaschine ohne zwischengeschaltete Vorstufe angetrieben werden. Der Verzicht auf eine Untersetzungsvorstufe reduziert Verzahnungsverluste. Die Kupplungseinrichtung 2 kann dann auf kleinere Drehmomente ausgelegt werden, sie sollte jedoch für die Maximaldrehzahlen der Elektromaschine von typischerweise über 15000 U/min geeignet sein.
Die Kupplungseinrichtung 2 kann beispielsweise als nasslaufende Lamellenkupplung mit ein Element bzw. mehrere Elemente 3 der Kupplungseinrichtung 2 darstellenden Stahl- und Reiblamellen ausgebildet sein. Die Innenlamellen werden von einer nicht näher bezeichneten Verzahnung auf der Welle 5 geführt und angetrieben. Es wäre auch ein Innenlamellenträger als separates Bauteil möglich, welches mit der Welle 5 verbunden ist. Die Außenlamellen sind in einer Verzahnung eines Au-ßenlamellenträgers 2a der Kupplungseinrichtung 2 geführt, welcher einstückig mit dem Antriebszahnrad 7 verbunden ist. Das Antriebszahnrad 7 ist über als Nadellager ausgebildete Lagerelemente 8 auf der Welle 5 gelagert und kämmt mit dem Abtriebszahnrad 6, welches in nicht dargestellter Weise über ein Differentialgetriebe und Seitenwellen die Antriebsräder des Fahrzeugs antreibt.
Die Außen- und Innenlamellen werden in dem in 1 dargestellten, als „offen“ bezeichneten Zustand der Kupplungseinrichtung 2 mit Hilfe von nicht dargestellten Spreizfedern voneinander getrennt. Es kann ein vordefiniertes Lüftspiel eingestellt werden, um ein Schleppmoment infolge von Scherkräften innerhalb eines zwischen den Lamellen befindlichen Getriebeöls oder allgemein eines Druckmediums bei einer Differenzdrehzahl zwischen den Außen- und Innenlamellen gering zu halten. Es erfolgt keine nennenswerte Drehmomentübertragung, die Außen- und Innenlamellen befinden sich nicht in direktem Reibkontakt, das Antriebszahnrad 7 kann sich gegen die Welle 5 frei drehen.
Von der Kupplungseinrichtung 2 sind wie oben beschrieben mehrere als Kupplungslamellen ausgebildete Elemente 3 dargestellt. In dem Zustand von 1 weisen die Elemente 3 der Kupplungseinrichtung 2 einen Abstand voneinander auf. Dieser Zustand der Kupplungseinrichtung 2 wird, wie bereits erwähnt, als „offen“ bezeichnet. Demgegenüber weisen die Elemente 3 der Kupplungseinrichtung 2 in dem Zustand von 2 keinen Abstand auf, sondern liegen vielmehr aneinander an. Dieser Zustand der Kupplungseinrichtung 2 wird als „geschlossen“ bezeichnet. Die Vorrichtung 1 dient wie nachfolgend beschrieben dazu, die Kupplungseinrichtung 2 von ihrem offenen in ihren geschlossenen Zustand zu bringen und umgekehrt.
Hierzu weist die Vorrichtung 1 einen in der mit „x“ bezeichneten Axialrichtung verschieblichen, rotationssymmetrischen Kolben 4 auf, mit dem das Element 3 zumindest mittelbar mit einer in 3 bezeichneten ersten Kraft F1 beaufschlagt wird, um letztendlich die Kupplungseinrichtung 2 von ihrem offenen in ihren geschlossenen Zustand zu bringen. Als das vom dem verschieblichen Kolben 4 beaufschlagte Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 kann auch ein aus mehreren Lamellen gebildetes Lamellenpaket angesehen werden. Die erste Kraft F1 wird mittels eines auf den Kolben 4 wirkenden, in den 2 und 3 bezeichneten Drucks p erzeugt, wodurch der Kolben 4 in der Darstellung der 1 und 2 nach links bewegt wird. Um die Kupplungseinrichtung 2 zurück in die in 1 dargestellte offene Position bzw. Ruheposition zu bringen, können eine oder mehrere nicht dargestellte Federn oder Spreizfedern vorgesehen sein, die den Kolben 4 in der Darstellung der Figuren nach rechts bewegen.
Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren ein ebenfalls in Axialrichtung x verschiebliches, zumindest mittelbar mit einer zweiten, ebenfalls in 3 angedeuteten Kraft F2 auf das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 wirkendes Betätigungselement 9 auf. Die Kupplungseinrichtung 2 bzw. das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 kann demnach sowohl von dem Kolben 4 mit der ersten Kraft F1 als auch von dem Betätigungselement 9 mit der zweiten Kraft F2 beaufschlagt werden. Wie nachfolgend näher beschrieben, ist das Betätigungselement 9 des Weiteren dafür vorgesehen, den auf den Kolben 4 wirkenden Druck p zu steuern. Dabei wirkt das Betätigungselement 9 über den Kolben 4 mit der zweiten Kraft F2 auf das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2.
Im allgemeinen Fall verbindet das Betätigungselement 9 einen mit der Welle 5 rotierbaren oder einen nicht rotierenden elektromechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Aktuator zumindest mittelbar mit dem Element 3 der Kupplungseinrichtung 2.
Das Betätigungselement 9 ist im vorliegenden Fall als auf der rotierbaren Welle 5 angeordnetes, mittels eines nicht dargestellten, elektromechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Aktuators in Axialrichtung x verschiebliches Ein- bzw. Ausrücklager ausgebildet. Die Betätigung der Kupplungseinrichtung 2 erfolgt demnach mit Hilfe des Aktuators, der nicht mit der Welle 5 bzw. der Kupplungseinrichtung 2 mitrotiert. Damit entfallen beispielsweise Leckage und Reibung eines ansonsten notwendigen hydraulischen Drehübertragers. Das Betätigungselement 9 wird also von dem Aktuator in Axialrichtung x verschoben und bringt die zweite Kraft bzw. die axiale Aktuatorkraft F2 auf. Zusammen mit der ersten Kraft bzw. der Kolbenkraft F1 entsteht die Axialkraft bzw. Normalkraft F3 auf das Element 3 bzw. das Lamellenpaket der Kupplungseinrichtung 2, bestehend aus den Außen- und Innenlamellen, wie in 3 dargestellt.
Das im vorliegenden Fall als Einrücklager ausgebildete Betätigungselement 9 weist einen Innenring 9a auf, der mit der Welle 5 rotiert, während ein Außenring 9b des Betätigungselements 9 mit dem Aktuator verbunden ist und nicht mitrotiert. Das Einrücklager ist in den Figuren der Einfachheit halber als Rillenkugellager dargestellt, wobei auch jede andere Lagerbauart möglich ist, insbesondere ein Axial-Rillenkugellager. Im Ausführungsbeispiel wird die axiale Aktuatorkraft F2 von einem Lager 10 der Welle 5 aufgenommen, welches die Welle 5 führt und beispielsweise die Zahnkräfte des Abtriebszahnrades 6 aufnimmt. Zusätzlich wirkende Axialkräfte, beispielsweise infolge einer Schrägverzahnung des Abtriebszahnrades 6, sind der einfacheren Darstellung halber in 3 nicht berücksichtigt. Es ist auch möglich, ein zusätzliches Lager einzusetzen, welches die axiale Aktuatorkraft F2 abstützt. Im Einrücklager sowie dem Lager 10 bzw. dem zusätzlichen Lager entstehen Reibmomente infolge der axialen Aktuatorkraft F2, die zu Wirkungsgradverlusten führen. Ziel ist daher, die axiale Aktuatorkraft F2 zu reduzieren und zum Ausgleich die Kolbenkraft F1 bzw. den auf den Kolben 4 wirkenden Druck p zu erhöhen, um weiterhin eine im Betrieb erforderliche Normalkraft F3 auf das Element 3 bzw. Lamellenpaket der Kupplungseinrichtung 2 zu erzeugen.
Der auf den Kolben 4 wirkende Druck p wird im vorliegenden Fall mittels Fliehkraft durch ein Druckmedium erzeugt, das in einem an den Kolben 4 angrenzenden Druckraum 11 rotiert. Der Druckraum 11 ist dabei über wenigstens eine auf einer Mantelfläche der Welle 5 vorgesehene Zulaufbohrung 12 mit einem Speicher 13 für das Druckmedium verbunden. Der Speicher 13 für das Druckmedium wird im vorliegenden Fall durch einen rotationssymmetrischen Hohlraum der rotierbaren Welle 5 gebildet. Durch die Rotation der Welle 5 wird das Druckmedium an die Umfangswand des Hohlraums bzw. des Speichers 13 gefördert und gelangt von dort über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 in den Druckraum 11. Dort erzeugt das Druckmedium den oben beschriebenen Druck p, der die erste Kraft bzw. Kolbenkraft F1 zur Beaufschlagung des Elements 3 der Kupplungseinrichtung 2 erzeugt.
Bevorzugt ist der Querschnitt des Hohlraums der rotierbaren Welle 5 am offenen Ende reduziert, um ein Abfließen des Druckmediums entgegen der mit „x“ bezeichnete Axialrichtung bzw. Längsrichtung zu vermeiden, wie in 6 dargestellt.
Bei dem Druckmedium kann es sich um Getriebeöl handeln, das dem Hohlraum bzw. dem Speicher 13 beispielsweise über eine nicht dargestellte Ölpumpe oder durch Auffangen von im Inneren des Getriebes umherschleuderndem Getriebeöl und Zuführen über Kanäle zugeführt wird. Das Getriebeöl wird infolge der Fliehkraft bei rotierender Welle 5 außerdem über weitere Bohrungen 14 zur Schmierung bzw. zur Kühlung an die Lagerelemente 8 des Antriebszahnrads 7 sowie zwischen die Außen- und Innenlamellen der Kupplungseinrichtung 2, d.h. die mit der ersten Kraft bzw. Kolbenkraft F1 und der zweiten Kraft bzw. axialen Aktuatorkraft F2 beaufschlagten Elemente 3 derselben, geleitet.
Wie oben beschrieben zeigt 2 die Vorrichtung 1 aus 1 im geschlossenen Zustand der Kupplungseinrichtung 2. Der nicht dargestellte Aktuator verschiebt das als Einrücklager ausgebildete Betätigungselement 9 in axialer Richtung nach links, der Aktuator bzw. das Betätigungselement 9 ändert seine axiale Position x von zuvor x = 0 bei geöffneter Kupplungseinrichtung 2 entsprechend 1 auf x = x₁ entsprechend 2, wodurch das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 bzw. das Lamellenpaket zusammengepresst wird und Reibkontakt zwischen Außen- und Innenlamellen entsteht. An dem Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 bzw. an dem Lamellenpaket entsteht die Normalkraft F3. In den Friktionskontakten tritt dann Reibung auf, welche maximal zur Übertragung eines Drehmomentes M_K1 der in 2 dargestellten geschlossenen Kupplungseinrichtung 2 führt: $M_{K 1} = n \cdot μ \cdot r_{m} \cdot F 3$
Dabei bezeichnen n die Anzahl der Reibflächen, µ den Reibwert der Reibpaarung von Außen- und Innenlamellen und r_m den mittleren Reibradius.
Ohne weitere Maßnahmen wäre hierbei nachteilig, dass sowohl der Aktuator als auch das Betätigungselement 9 die Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket bei geschlossener Kupplungseinrichtung 2 aufrecht halten müssten. Im rotierenden Betätigungselement 9 entsteht ein drehzahl- und belastungsabhängiges Reibmoment. Aufgrund der hohen Maximaldrehzahlen der Elektromaschine von typischerweise über 15000 U/min und damit der Welle 5 entsteht eine hohe Verlustleistung, mit negativen Auswirkungen auf die Energieeffizienz bzw. den Wirkungsgrad. Bei Dauerbetrieb kann die entstehende Verlustleistung evtl. nicht aus dem Betätigungselement 9 abgeführt werden, verbunden mit einer Schädigung. Das Lager 10 der Welle 5 wird ebenfalls zusätzlich belastet. Die hierin beschriebene Vorrichtung 1 mit dem verschieblichen Kolben 4 zur Beaufschlagung des Elements 3 der Kupplungseinrichtung 2 mit der ersten Kraft bzw. Kolbenkraft F1 mittels des auf den Kolben 4 wirkenden Drucks p sowie dem in Axialrichtung x verschieblichen, zumindest mittelbar mit der zweiten Kraft bzw. axialen Aktuatorkraft F2 auf das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 wirkenden Betätigungselement 9, das dafür vorgesehen ist, den auf den Kolben 4 wirkenden Druck p zu steuern, schafft hier Abhilfe.
Dies gilt auch für ein Verfahren zur Steuerung der Kupplungseinrichtung 2, bei dem mittels des in Axialrichtung x verschieblichen Kolbens 4 das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 mittels des auf den Kolben 4 wirkenden Drucks p mit der ersten Kraft bzw. Kolbenkraft F1 beaufschlagt wird, bei dem des Weiteren das in Axialrichtung x verschiebliche Betätigungselement 9 zumindest mittelbar mit der zweiten Kraft bzw. axialen Aktuatorkraft F2 auf das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 wirkt, und bei dem das Betätigungselement 9 dafür vorgesehen ist, den auf den Kolben 4 wirkenden Druck p zu steuern. Dabei wirkt das Betätigungselement 9 über den Kolben 4 mit der zweiten Kraft bzw. axialen Aktuatorkraft F2 auf das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2.
Wie bereits unter Bezugnahme auf die Vorrichtung 1 beschrieben, wird der auf den Kolben 4 wirkende Druck p mittels Fliehkraft durch das rotierende Druckmedium erzeugt, wobei das Druckmedium dem an den Kolben 4 angrenzenden Druckraum 11 mittels Fliehkraft aus dem Hohlraum der rotierbaren Welle 5 zugeführt wird.
Wie beschrieben wirkt das Betätigungselement 9 über den auf der Welle 5 axial verschieblichen Kolben 4 auf das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2, d.h. auf das Lamellenpaket. Der Kolben 4 bildet zusammen mit der Welle 5 bzw. einem mit der Welle 5 einstückig verbundenen Flansch 15 den Kolbenraum bzw. Druckraum 11. Der Flansch 15 nimmt eine Kolbendichtung 16 auf, welche eine axiale Verschiebung des Kolbens 4 ermöglicht, den Druckraum 11 jedoch abdichtet. Wie beschrieben weist die Welle 5 die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 von dem Speicher 13 im Innenraum der Welle 5 zu dem Druckraum 11 auf, wodurch das Druckmedium infolge der Fliehkraft bei rotierender Welle 5 über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 in den Druckraum 11 gelangt. Eine weitere, nicht dargestellte Kolbendichtung zwischen der Welle 5 und dem Innenbereich des axial verschieblichen, rotationssymmetrischen Kolbens 4 nahe der wenigstens einen Zulaufbohrung 12 ist ebenfalls möglich.
Der Kolben 4 weist zudem wenigstens eine Ablaufbohrung 17 auf, die, wie in den 1 und 2 zu erkennen ist, mittels des Betätigungselements 9 geöffnet und verschlossen werden kann. Über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 kann das über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 zugeführte Druckmedium bei geöffneter Kupplungseinrichtung 2 vollständig wieder ablaufen. Die Querschnitte und Anzahl der Zulauf- und Ablaufbohrungen können entsprechend den Erfordernissen ausgelegt sein.
Das Betätigungselement 9 verschließt in dem in den 2 und 3 dargestellten Zustand mit seinem rotierenden Innenring 9a bzw. einem damit gekoppelten Flansch bei geschlossener Kupplungseinrichtung die wenigstens eine Ablaufbohrung 17. Der Innenring 9a oder der Flansch kann hierzu Dichtelemente, beispielsweise aus Elastomermaterial enthalten. In dem Druckraum 11 sammelt sich dann das Druckmedium, welches aufgrund der Fliehkräfte bei rotierender Welle 5 einen Flüssigkeitsring bildet. Der dabei entstehende Rotationsdruck p wirkt auf den Kolben 4 und erzeugt die Kolbenkraft F1. Die auf das Element 3 der Kupplungseinrichtung 2 bzw. das Lamellenpaket wirkende Normalkraft F3 ergibt sich dann in Summe aus der Kolbenkraft F1 infolge des Rotationsdrucks p und der axialen Aktuatorkraft F2: $F 3 = F 1 + F 2$
Der Rotationsdruck p bzw. die Kolbenkraft F1 entlastet das Betätigungselement 9 von der Normalkraft F3. D.h. mit ansteigender Kolbenkraft F1 kann die axiale Aktuatorkraft F2 reduziert werden.
Je nach Auslegung und Drehzahl der Welle 5 bzw. der entstehenden Fliehkraft kann die Normalkraft F3 vollständig durch die Kolbenkraft F1 aufgebracht werden oder die Kolbenkraft F1 und die axiale Aktuatorkraft F2 wirken gemeinsam. Vorteilhafterweise werden durch die wie oben beschrieben ausgebildete Vorrichtung 1 die axiale Aktuatorkraft F2 und die axiale Kraft des Betätigungselements 9 reduziert. Dies kann anhand der gemessenen oder abgeschätzten Kolbenkraft F1 oder des in dem Druckraum 11 enthaltenen Volumens des Druckmediums oder der aktuellen Drehzahl der Welle 5 oder des Rotationsdrucks p erfolgen. Insbesondere bei hohen Drehzahlen, bei denen sonst eine hohe Verlustleistung in dem Betätigungselement 9 entstehen würde, kann die die axiale Aktuatorkraft F2 bzw. die axiale Kraft des Betätigungselements 9 und damit auch die Verlustleistung stark reduziert werden. Zudem wird das Lager 10 der Welle 5, welches die axiale Aktuatorkraft F2 abstützt, ebenfalls entlastet und dessen Verlustleistung wird reduziert.
Um auch bei kleineren Drehzahlen einen ausreichend hohen Rotationsdruck p zu erzeugen, kann der Außendurchmesser des Kolbens 4 größer gewählt werden als der Außendurchmesser des Außenlamellenträgers 2a der Kupplungseinrichtung 2. Alternativ oder ergänzend können in nicht dargestellter Weise mehrere Kolben axial nebeneinander angebracht und damit in Reihe geschaltet werden, deren Kolbenkräfte sich dann zu der Summen-Kolbenkraft F1 addieren. Jeder der Kolben kann in diesem Fall über eigene Zulauf- und Ablaufbohrungen verfügen. Auch ein Kolben mit mehreren voneinander getrennten Druckräumen ist möglich, wobei sich die von den Kolbenräumen aufgebrachten Einzelkräfte zur Summen-Kolbenkraft F1 addieren.
Meist sind innerhalb des Lamellenpakets Elastizitäten vorhanden, beispielsweise bei Sinuslamellen oder zusätzlichen in axialer Richtung wirkenden Federelementen. In diesem Fall hängen die aktuelle axiale Lage des Kolbens 4 und die Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket über eine Federkennlinie zusammen. Die Vorrichtung 1 bietet auch in diesem Fall Vorteile. Bei ausreichender Drehzahl der Welle 5 bzw. ausreichender Fliehkraft wird sich an dem Kolben 4 ein Kräftegleichgewicht derart einstellen, dass die auf das Lamellenpaket wirkende Normalkraft F3 sich nahezu vollständig aus der Kolbenkraft F1 infolge des Rotationsdruckes p ergibt: $F 3 = F 1$
Der Kolben 4 hebt bei stationärem Betrieb dann so weit mit der wenigstens einen Ablaufbohrung 17 von dem Betätigungselement 9 bzw. dem darauf angebrachten Dichtelement ab, bis der Volumenstrom des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 dem Volumenstrom des Druckmediums über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 entspricht und das Volumen des Druckmediums in dem Druckraum 11 konstant bleibt. Bei konstanter Drehzahl der Welle 5 bleiben dann auch der Rotationsdruck p bzw. die Kolbenkraft F1 konstant. Dann wird nur eine geringe axiale Aktuatorkraft F2 von dem Betätigungselement 9 auf den Kolben 4 übertragen und das Betätigungselement 9 ist nahezu vollständig entlastet. In diesem Zusammenhang bildet die Vorrichtung 1 bzw. das mit derselben durchgeführte Verfahren eine hydraulische Positionsregelung des Kolbens 4, wobei die axiale Position des Kolbens 4 als Istwert von der axialen Position x des Betätigungselements 9 bzw. des Aktuators als Sollwert vorgegeben wird. Es lassen sich auch Zwischenpositionen einstellen, die weder mit einer vollständig geöffneten Kupplungseinrichtung 2 noch mit einer vollständig geschlossenen Kupplungseinrichtung 2 einhergehen, um eine reduzierte Normalkraft F3 einzustellen. Entsprechend Gleichung (1) ergibt sich ein reduziertes Schlupfdrehmoment M_K1, bei dem die Kupplungseinrichtung 2 vom nicht schlupfenden Zustand, d.h. einer Differenzdrehzahl gleich Null zwischen den Au-ßen- und Innenlamellen, in den schlupfenden Zustand übergeht, d.h. zu einer Differenzdrehzahl ungleich Null. Dies kann beispielsweise eingesetzt werden, um äußere Stöße auf das Antriebssystem durch kurzzeitigen schlupfenden Zustand abzubauen. Typischerweise wird das Schlupfdrehmoment M_K1 etwas höher gewählt als das aktuell von der Elektromaschine auf die Welle 5 wirkende Antriebsdrehmoment.
Beim Schließvorgang der Kupplungseinrichtung 2 entsteht die Kolbenkraft F1 nicht sofort, sondern erst verzögert durch die Füllung des Druckraums 11 mit dem Druckmedium und den dadurch verzögerten Aufbau des Rotationsdrucks p. Somit lässt sich der zeitliche Aufbau der Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket der Kupplungseinrichtung 2 zunächst sehr präzise durch die axiale Aktuatorkraft F2 bzw. die axiale Aktuatorposition x vorgeben. Der zeitliche Verlauf kann beispielsweise an den aktuellen Betriebszustand des Fahrzeuges angepasst werden. Insbesondere bei Lastschaltvorgängen bei Doppelkupplungsgetrieben mit Überschneidungsschaltung zweier Kupplungseinrichtungen 2 ist dies von Vorteil.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die aktuelle Drehzahl der Welle 5, die aktuelle Temperatur und somit die Viskosität des Druckmediums sowie die aktuelle axiale Aktuatorposition x und/oder die aktuelle Position des Kolbens 4 ermittelt und einer Getriebesteuerung zur Verfügung gestellt werden. Diese Größen beeinflussen den Volumenstrom des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und den Volumenstrom des Druckmediums über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 und somit die Füllung des Druckraums 11 bzw. das darin enthaltene Volumen des Druckmediums und damit den Rotationsdruck p bzw. die Kolbenkraft F1. Bevorzugt wird ein dynamisches mathematisches Modell in der Steuerung hinterlegt, welches aus den zeitlichen Verläufen der ermittelten Größen das aktuell in dem Druckraum 11 enthaltene Volumen des Druckmediums bzw. den Rotationsdruck p bzw. die Kolbenkraft F1 schätzt bzw. beobachtet. Mit dieser Information kann der Aktuator verbessert angesteuert werden.
Zudem wird vorgeschlagen, die Querschnitte der wenigstens einen Zulaufbohrung 12 und/oder der wenigstens einen Ablaufbohrung 17 und damit die Volumenströme des Druckmediums über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 und/oder die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 abhängig von der aktuellen axialen Aktuatorposition x, der axialen Position des Kolbens 4, der aktuellen Aktuatorkraft F2, der Kolbenkraft F1, der aktuellen Drehzahl der Welle 5, dem aktuellen Rotationsdruck p, dem aktuell in dem Druckraum 11 enthaltenen Druckmedienvolumen, der aktuellen Temperatur und somit der Viskosität des Druckmediums und/oder der aktuellen Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket zu beeinflussen. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 bei einer Normalkraft F3 gleich Null, entsprechend einer geöffneten Kupplungseinrichtung 2 nach 1, verschlossen wird, während die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 geöffnet wird. Damit wird eine Durchströmung des Druckmediums durch den Druckraum 11 unterbunden, was Wirkungsgradverluste infolge von Strömungsverlusten minimiert.
Ebenso kann die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 bei einer zweiten geöffneten Kupplungseinrichtung 2' gemäß der Ausführungsform von 6 in der dargestellten axialen Ruheposition des Kolbens 4' verschlossen werden. Dann entsteht kein Volumenstrom über den Druckraum 11 und zugehörige Strömungsverluste entfallen. Bei zu hoher Normalkraft F3 können die Querschnitte der wenigstens einen Zulaufbohrung 12 reduziert werden, während die Querschnitte der wenigstens einen Ablaufbohrung 17 erhöht werden, um das in dem Druckraum 11 enthaltene Volumen des Druckmediums sowie den Rotationsdruck p zu reduzieren. Damit lassen sich beispielsweise zu hohe Flächenpressungen an den Reibbelägen der Lamellen vermeiden. Auch Überdruckventile, die den Rotationsdruck p begrenzen, sind möglich. Da der zeitliche Verlauf des Auf- und Abbaus des Rotationsdrucks p stark von der aktuellen Drehzahl der Welle 5 abhängt, ist eine drehzahlabhängige Beeinflussung der Querschnitte der wenigstens einen Zulaufbohrung 12 und/oder der wenigstens einen Ablaufbohrung 17 ebenfalls sinnvoll, beispielsweise um das zeitliche Verhalten der Volumenströme des Druckmediums über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 und/oder die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und somit des Auf- und Abbaus des Rotationsdrucks p oder der axialen Position des Kolbens 4 bei unterschiedlichen Drehzahlen anzugleichen. Eine Berücksichtigung der aktuellen Temperatur und somit der Viskosität des Druckmediums ist ebenfalls möglich, beispielsweise durch Veränderung der wirksamen Querschnitte mittels eines Thermobimetalls, um das zeitliche Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen anzugleichen Eine Abhängigkeit der wirksamen Querschnitte der wenigstens einen Ablaufbohrung 17 von dem aktuell in dem Druckraum 11 enthaltenen Druckmedienvolumen kann beispielsweise mit Hilfe von zusätzlichen Überlaufbohrungen erzielt werden.
4 zeigt eine Möglichkeit zur Beeinflussung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17, abhängig von der aktuellen Drehzahl der Welle 5, mittels einer Einrichtung 18 zur Veränderung des Querschnitts derselben. Dabei ist innerhalb der Ablaufbohrung 17 ein Schieber 19 vorgesehen, der durch ein Federelement 20 in die Richtung zu dem Druckraum 11 gepresst wird. Auf den Schieber 19 wirken gegen die Kraft des Federelement 20 drehzahlabhängige Fliehkräfte und verändern die Position des Schiebers 19, was eine Querschnittsveränderung der wenigstens einen Ablaufbohrung 17 zur Folge hat. Der Schieber 19 ist hierzu im vorliegenden Fall als Hohlzylinder ausgeführt, dessen Zylinderwände mehrere über den Umfang verteilte Bohrungen in radialer Richtung aufweisen.
5 zeigt eine Möglichkeit für Beeinflussung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 abhängig von der aktuellen Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket der Kupplungseinrichtung 2. Der Kolben 4 wirkt dabei nicht direkt auf die Kupplungslamellen bzw. Elemente 3 der Kupplungseinrichtung 2, sondern überträgt die Normalkraft F3 über einen Schieber 21, der mittels eines beispielsweise als Schraubenfeder oder Tellerfeder ausgebildeten Federelements 22 belastet ist. Bei einer Veränderung der Normalkraft F3 ändert sich die Position des Schiebers 21 und damit der Querschnitt der Ablaufbohrung 17. Der Schieber 21 ist im vorliegenden Fall zum Teil als Hohlzylinder ausgeführt, dessen Zylinderwände mehrere über den Umfang verteilte Bohrungen in radialer Richtung aufweisen. Dem Schieber 21 zugeordnete Dichtelemente 23 sorgen für die Abdichtung zwischen dem Kolben 4 und dem Schieber 21, ermöglichen jedoch eine Änderung der Position des Schiebers 21 innerhalb des Kolbens 4. In ähnlicher Weise können federbelastete Schieber auch von dem Kolben 4 auf das Betätigungselement 9 wirken und den Volumenstrom des Druckmediums über Zulauf- oder Ablaufbohrungen abhängig von der aktuellen axialen Aktuatorkraft F2 beeinflussen.
Zudem wird vorgeschlagen, den Querschnitt mindestens einer weiteren Bohrung 14 zur Schmierung bzw. zur Kühlung der Lagerelemente 8 des Antriebszahnrads 7 und/oder der Außen- und Innenlamellen der Kupplungseinrichtung 2 und damit die Volumenströme des Druckmediums über die mindestens eine weitere Bohrung 14 abhängig von der aktuellen axialen Aktuatorposition x, der axialen Position des Kolbens 4, der aktuellen Aktuatorkraft F2, der Kolbenkraft F1, der aktuellen Drehzahl der Welle 5, dem aktuellen Rotationsdruck p, dem aktuell in dem Druckraum 11 enthaltenen Druckmedienvolumen, der aktuellen Temperatur und somit der Viskosität des Druckmediums und/oder der aktuellen Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket zu beeinflussen. Damit wird eine Durchströmung des Druckmediums durch die Lagerelemente 8 oder/oder durch die Räume zwischen den Außen- und Innenlamellen der Kupplungseinrichtung 2 reduziert. Somit lassen sich Wirkungsgradverluste infolge von viskoser Reibung bei geringer Belastung der Lagerelemente 8 und/oder der Kupplungseinrichtung 2 minimieren, insbesondere bei einer geöffneten Kupplungseinrichtung 2 nach 1. Hierzu können die 4 und 5 dargestellten Möglichkeiten zur Beeinflussung der Volumenströme des Druckmediums eingesetzt werden.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung 1 kann der Aktuator entsprechend 6 die zwei Kupplungseinrichtungen 2 und 2' eines Doppelkupplungsgetriebes betätigen. Bei einer axialen Position des Betätigungselements 9 bzw. einer axialen Aktuatorposition x = x₁ ist die erste Kupplungseinrichtung 2 vollständig geschlossen und die zweite Kupplungseinrichtung 2' ist vollständig geöffnet, während bei einer axialen Aktuatorposition x = x₂ (mit negativem x₂) die zweite Kupplungseinrichtung 2' vollständig geschlossen und die erste Kupplungseinrichtung 2 vollständig geöffnet ist. Jedes der beiden Antriebszahnräder 7 und 7' bildet mit dem zugehörigen Abtriebszahnrad 6 bzw. 6' die Übersetzung eines Ganges. Die beiden Abtriebszahnräder 6 und 6' befinden sich auf einer gemeinsamen, nicht dargestellten Abtriebswelle, welche in nicht dargestellter Weise über ein Differentialgetriebe und Seitenwellen die Antriebsräder des Fahrzeugs antreibt.
Durch Schließen der ersten Kupplungseinrichtung 2 und bei geöffneter zweiter Kupplungseinrichtung 2' wird der erste Gang eingelegt. Durch Schließen der zweiten Kupplungseinrichtung 2' und bei geöffneter erster Kupplungseinrichtung 2 wird der zweite Gang eingelegt. Beide Kupplungseinrichtungen 2 und 2' dürfen nicht gleichzeitig vollständig schlie-ßen, da sonst das Getriebe blockiert.
Bei einer dem zugkraftunterbrechungsfreien Schalten dienenden Überschneidungsschaltung sind kurzzeitig beide Kupplungseinrichtungen 2 und 2' teilweise geschlossen bzw. befinden sich im schlupfenden Betrieb. Somit kann auch während der Schaltung ein Antriebsdrehmoment an die Antriebsräder geleitet werden. Im Folgenden wird beispielhaft ein Gangwechsel vom ersten in den zweiten Gang, d.h. bei zunächst geschlossener erster Kupplungseinrichtung 2 und geöffneter zweiter Kupplungseinrichtung 2' beschrieben. Während der überschneidenden Schaltung wird die erste Kupplungseinrichtung 2 geöffnet und die zweite Kupplungseinrichtung 2' geschlossen.
7 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Ablauf einer Überschneidungsschaltung des Doppelkupplungsgetriebes, bei der das in Axialrichtung x verschiebliche Betätigungselement 9 zumindest mittelbar mit einer weiteren Kraft auf das Element 3' der zweiten Kupplungseinrichtung 2' wirkt. Dargestellt sind die axiale Position 24 des Betätigungselements 9 bzw. des Aktuators sowie die axiale Position 25 des Kolbens 4 und die axiale Position 26 des Kolbens 4' über der Zeit t. Aufgrund von Elastizitäten im Lamellenpaket der jeweiligen Kupplungseinrichtungen 2 bzw. 2' oder zusätzlichen in axialer Richtung wirkenden Federelementen hängen die axiale Position des Kolbens 4 und die Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket 3 der ersten Kupplungseinrichtung 2 sowie die axiale Position des Kolbens 4' und die Normalkraft F3' auf das Lamellenpaket 3' der zweiten Kupplungseinrichtung 2' über Federkennlinien zusammen. Zum Zeitpunkt t₁ ist die erste Kupplungseinrichtung 2 bei einer axialen Aktuatorposition x = x₁ noch vollständig geschlossen, der Kolben 4 befindet sich auf derselben Position x₁. Der Kolben 4' befindet sich, wie in 6 dargestellt, in der linken Ruheposition x₂₀. Zu Beginn der Überschneidungsschaltung bewegt sich der Aktuator schnell auf den Kolben 4' zu und kommt zum Zeitpunkt t₂ mit dem Kolben 4' in Kontakt und verschließt dessen Ablaufbohrung 17. Hier reduziert der Aktuator seine Geschwindigkeit und verschiebt den Kolben 4' nach rechts, wodurch das Lüftspiel des Lamellenpaketes 3' der zweiten Kupplungseinrichtung 2' überwunden wird. Ab dem Zeitpunkt t₃ beginnt die zweite Kupplungseinrichtung 2' im schlupfenden Betrieb Drehmoment zu übertragen. Zu Beginn des Schließvorgangs der zweiten Kupplungseinrichtung 2' ist deren Druckraum 11 noch nicht mit dem Druckmedium gefüllt, dies erfolgt erst verzögert durch die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 nach dem Verschließen der wenigstens einen Ablaufbohrung 17 durch das Betätigungselement 9. Zu Beginn des Schließvorgangs der zweiten Kupplungseinrichtung 2' sind der auf den Kolben 4' wirkenden Druck p' und eine sich daraus ergebende Kolbenkraft F1' noch nahe Null. Somit wird der zeitliche Schließvorgang der zweiten Kupplungseinrichtung 2' ausschließlich und sehr präzise durch das Betätigungselement 9 bzw. den Aktuator bzw. durch den zeitlichen Verlauf der axialen Position des Betätigungselements 9 bzw. des Aktuators vorgegeben. Zum Zeitpunkt t₅ ist die zweite Kupplungseinrichtung 2' bei einer axialen Aktuatorposition x = x₂ dann vollständig geschlossen, der Kolben 4' befindet sich auf derselben Position x₂.
Während des gesamten Vorgangs öffnet die erste Kupplungseinrichtung 2. Dies beginnt zu dem Zeitpunkt t₁, zu dem sich der Aktuator bzw. das Betätigungselement 9 von dem Kolben 4 wegbewegt und dessen wenigstens eine Ablaufbohrung 17 öffnet. Der Kolben 4 wird dann von einer oder mehreren nicht dargestellten Federn oder Spreizfedern in Richtung seiner rechten Ruheposition x₁₀ bewegt. Der zeitliche Verlauf der Position des Kolbens 4 wird dabei durch den Volumenstrom des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder den Volumenstrom des Druckmediums über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 vorgegeben. Diese können, wie oben dargestellt, abhängig von der aktuellen Drehzahl der Welle 5, dem aktuellen Rotationsdruck p, dem aktuell in dem Druckraum 11 enthaltenen Volumen des Druckmediums und/oder der aktuellen Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket usw. beeinflusst werden, um den Öffnungsvorgang günstig zu gestalten und an den aktuellen Fahrzustand anzupassen. Auch der Einsatz von Magnetventilen zur Beeinflussung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12, welche von der Getriebesteuerung angesteuert werden, ist möglich. Diese können im drehenden Systemteil oder unter Nutzung von Drehübertragern auch im nichtdrehenden Systemteil angebracht sein. Der Kolben 4 erreicht zum Zeitpunkt t₄ eine Position, bei der die erste Kupplungseinrichtung 2 kein Drehmoment mehr überträgt und zum Zeitpunkt t₅ seine rechte Ruheposition x₁₀ entsprechend 1. Somit wird der zeitliche Öffnungsvorgang der ersten Kupplungseinrichtung 2 bzw. der zeitliche Verlauf der axialen Position des Kolbens 4 durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 vorgegeben. Die Volumenströme des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 beeinflussen die Füllung des Druckraums 11 bzw. das darin enthaltene Volumen des Druckmediums und damit den zeitlichen Verlauf des Rotationsdrucks p bzw. der Kolbenkraft F1 des Kolbens 4 und damit der Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket 3 der ersten Kupplungseinrichtung 2. Wie oben beschrieben, hängen die axiale Position des Kolbens 4 und die Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket 3 der ersten Kupplungseinrichtung 2 aufgrund von Elastizitäten im Lamellenpaket 3 der Kupplungseinrichtung 2 oder zusätzlichen in axialer Richtung wirkenden Federelementen über Federkennlinien zusammen.
Wie oben beschrieben erfolgt der Öffnungsvorgang der ersten Kupplungseinrichtung 2, d.h. die zeitliche Vorgabe der axialen Position des Kolbens 4 und/oder der Normalkraft F3 auf das Lamellenpaket der ersten Kupplungseinrichtung 2 gesteuert durch den Volumenstrom des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder die wenigstens eine Zulaufbohrung 12. D.h. der zeitliche Verlauf der axialen Position des Kolbens 4 wird durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 vorgegeben. Der Schließvorgang der zweiten Kupplungseinrichtung 2', d.h. die zeitliche Vorgabe der axialen Position des Kolbens 4' und/oder einer Normalkraft F3' auf ein Element bzw. Lamellenpaket 3' der zweiten Kupplungseinrichtung 2' wird durch das Betätigungselement 9 bzw. den Aktuator vorgegeben. Mit anderen Worten gibt das in Axialrichtung x verschiebliche Betätigungselement 9 den zeitlichen Schließvorgang des Elements 3 der zweiten Kupplungseinrichtung 2' vor und zeitgleich gibt der Kolben 4 den zeitlichen Öffnungsvorgang des Elements 3 der ersten Kupplungseinrichtung 2 vor, indem der zeitliche Verlauf der axialen Position des Kolbens 4 durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 und/oder die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 vorgegeben wird.
Somit ist nur ein Aktuator erforderlich und sowohl die Vorrichtung 1 zur Steuerung der Kupplungseinrichtung 2 als auch das Verfahren zur Steuerung der Kupplungseinrichtung 2 können kostengünstiger dargestellt werden. Das Betätigungselement 9 bzw. der Aktuator wirkt dabei derart auf die beiden Kupplungseinrichtungen 2 und 2`, dass ein gleichzeitiges vollständiges Schließen beider Kupplungseinrichtungen 2 und 2' ausgeschlossen wird. Ein Blockieren des Getriebes ist somit ausgeschlossen, was mit einer hohen Fahrsicherheit verbunden ist.
In einer Weiterbildung dieses Verfahrens kann sich ab dem Zeitpunkt t₁ das Betätigungselement 9 bzw. der Aktuator zunächst langsam nach rechts bewegen, sodass der Kolben 4 folgen kann und sich gemeinsam mit dem Aktuator bewegt. Der Aktuator trennt sich von dem Kolben 4 bei einer Aktuatorposition x mit x₁₀ < x < x₁, kurz bevor die öffnende erste Kupplungseinrichtung 2 in den Schlupf gerät. Diese Aktuatorposition hängt vom aktuellen Antriebsdrehmoment ab und ist so gewählt, dass der Aktuator die schließende zweite Kupplungseinrichtung 2' zu einem Zeitpunkt in den schlupfenden Betrieb bringt, bei dem dann auch die öffnende erste Kupplungseinrichtung 2 in den Schlupf gerät, deren Öffnungsverhalten bzw. zeitlicher Verlauf der Position des Kolbens 4 dann durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 vorgegeben wird. Damit lässt sich die Überschneidungsschaltung noch besser koordinieren.
In einer anderen Weiterbildung dieses Verfahrens wird das Betätigungselement 9 bzw. der Aktuator abhängig vom Öffnungsvorgang der öffnenden Kupplungseinrichtung 2 beeinflusst. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Zeitpunkt t₃, bei dem die zweite Kupplungseinrichtung 2' beginnt, im schlupfenden Betrieb Drehmoment zu übertragen, so gewählt wird, dass zu demselben Zeitpunkt die öffnende erste Kupplungseinrichtung 2 in den Schlupf gerät. Zudem kann es günstig sein, wenn zu dem Zeitpunkt t₄, bei dem die öffnende erste Kupplungseinrichtung 2 kein Drehmoment mehr überträgt, die schließende zweite Kupplungseinrichtung 2' das Fahrerwunschmoment an den Antriebsrädern erzeugt. Das Antriebsdrehmoment der Elektromaschine kann weitere Drehmomentanteile enthalten, um eine Drehbeschleunigung bzw. Synchronisierung durch Angleichung der Drehzahlen zwischen Außen- und Innenlamellen der schließenden zweiten Kupplungseinrichtung 2' durchzuführen.
Der Öffnungsvorgang der öffnenden Kupplungseinrichtung 2 bzw. 2' kann mit Hilfe eines dynamischen mathematischen Modells in der Steuerung berechnet werden und basierend darauf der Aktuator für den Schließvorgang der schließenden Kupplungseinrichtung 2 bzw. 2' angesteuert werden. Das mathematische Modell erhält beispielsweise die ermittelte aktuelle Drehzahl der Welle 5, die aktuelle Temperatur des Druckmediums und somit dessen Viskosität sowie die aktuelle axiale Aktuatorposition x. Zudem können die aktuellen Rotationsdrücke, die Kolbenpositionen sowie die Differenzdrehzahlen zwischen Außen- und Innenlamellen der beiden Kupplungseinrichtungen 2 bzw. 2' sowie das Antriebsdrehmoment ermittelt werden. Das dynamische mathematischen Modell kann das aktuell in dem Druckraum 11 enthaltene Volumen des Druckmediums abschätzen bzw. beobachten. Mit diesen Informationen kann der Aktuator verbessert angesteuert werden.
Eine andere Weiterbildung dieses Verfahrens ist für eine Zugrückschaltung vom zweiten Gang in den ersten Gang vorgesehen. Dies erfolgt durch Öffnen der zweiten Kupplungseinrichtung 2' und Schließen der ersten Kupplungseinrichtung 2. Hierbei ist möglich, dass das Betätigungselement 9 bzw. der Aktuator sich von dem Kolben 4' der zweiten Kupplungseinrichtung 2' bei einer Aktuatorposition x mit x₂ < x < x₂₀, trennt, bei der sich die öffnende zweite Kupplungseinrichtung 2' bereits im Schlupf befindet. Damit kann der Aktuator das im schlupfenden Zustand der zweiten Kupplungseinrichtung 2' übertragene Drehmoment genau vorgeben, während die Elektromaschine eine Synchronisierung durch Angleichung der Drehzahlen zwischen Außen- und Innenlamellen der schließenden ersten Kupplungseinrichtung 2 durchführt. Nach Drehzahlangleich erfolgt die Trennung des Aktuators von dem Kolben 4' der zweiten Kupplungseinrichtung 2', danach wird das Öffnungsverhalten bzw. der zeitliche Verlauf der Position des Kolbens 4' durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmediums über die wenigstens eine Ablaufbohrung 17 und/oder über die wenigstens eine Zulaufbohrung 12 vorgegeben und der Aktuator gibt dann den Schließprozess der ersten Kupplungseinrichtung 2, d.h. die zeitliche Vorgabe der axialen Position des Kolbens 4 vor. Eine entsprechendes Verfahren lässt sich auch bei Schubhochschaltungen einsetzen.
In einer anderen Weiterbildung dieses Verfahrens ist das Betätigungselement 9 bzw. der Aktuator dazu vorgesehen, zusätzlich eine Parksperre zu betätigen.

Claims

Vorrichtung (1) zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung (2,2'), mit einem in Axialrichtung (x) verschieblichen Kolben (4,4') zur Beaufschlagung eines Elements (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') mit einer ersten Kraft (F1) mittels eines auf den Kolben (4,4') wirkenden Drucks (p), und mit einem in Axialrichtung (x) verschieblichen, zumindest mittelbar mit einer zweiten Kraft (F2) auf das Element (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') wirkenden Betätigungselement (9), wobei das Betätigungselement (9) dafür vorgesehen ist, den auf den Kolben (4,4') wirkenden Druck (p) zu steuern, und wobei das Betätigungselement (9) als auf einer rotierbaren Welle (5) angeordnetes, mittels eines Aktuators in Axialrichtung (x) verschiebliches Ein- oder Ausrücklager ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (9) über den Kolben (4,4') mit der zweiten Kraft (F2) auf das Element (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') wirkt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Kolben (4,4') wirkende Druck (p) mittels Fliehkraft durch ein in einem an den Kolben (4,4') angrenzenden Druckraum (11) rotierendes Druckmedium erzeugt wird.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (13) des Druckmediums durch einen Hohlraum einer rotierbaren Welle (5) gebildet ist, wobei der Speicher (13) des Druckmediums über wenigstens eine auf der Mantelfläche der Welle (5) vorgesehene Zulaufbohrung (12) mit dem Druckraum (11) derart verbunden ist, dass das Druckmedium dem Druckraum (11) mittels Fliehkraft zugeführt wird.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4,4') wenigstens eine Ablaufbohrung (17) aufweist, die mittels des Betätigungselements (9) verschließbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Ablaufbohrung (17) eine Einrichtung (18) zur Veränderung des Querschnitts derselben angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung (2,2'), die Bestandteil eines Doppelkupplungsgetriebes ist, wobei mittels eines in Axialrichtung (x) verschieblichen Kolbens (4,4') ein Element (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') mittels eines auf den Kolben (4,4') wirkenden Drucks (p) mit einer ersten Kraft (F1) beaufschlagt wird, wobei ein in Axialrichtung (x) verschiebliches Betätigungselement (9) zumindest mittelbar mit einer zweiten Kraft (F2) auf das Element (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') wirkt, wobei das Betätigungselement (9) dafür vorgesehen ist, den auf den Kolben (4,4') wirkenden Druck (p) zu steuern, und wobei das in Axialrichtung (x) verschiebliche Betätigungselement (9) während einer Überschneidungsschaltung des Doppelkupplungsgetriebes zumindest mittelbar mit einer weiteren Kraft auf ein Element (3) einer zweiten Kupplungseinrichtung (2,2') wirkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (9) über den Kolben (4,4') mit der zweiten Kraft (F2) auf das Element (3) der Kupplungseinrichtung (2,2') wirkt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Kolben (4,4') wirkende Druck (p) mittels Fliehkraft durch ein rotierendes Druckmedium erzeugt wird, wobei das Druckmedium einem an den Kolben (4,4') angrenzenden Druckraum (11) mittels Fliehkraft aus einem Hohlraum einer rotierbaren Welle (5) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in Axialrichtung (x) verschiebliche Betätigungselement (9) den zeitlichen Schließvorgang des Elements (3) der zweiten Kupplungseinrichtung (2,2') vorgibt und zeitgleich der Kolben (4,4') den zeitlichen Öffnungsvorgang des Elements (3) der ersten Kupplungseinrichtung (2,2') vorgibt, indem der zeitliche Verlauf der axialen Position des Kolbens (4,4') durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmediums über wenigstens eine Zulaufbohrung (12) und/oder wenigstens eine Ablaufbohrung (17) vorgegeben wird.