DE102022213594A1 - Drivetrain with separating clutch unit with torque-limiting safety function - Google Patents
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Abstract
Antriebstrang (100) eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrischen Maschine (103) mit einer elektrisch angetriebenen Achse (101) des Antriebs, wobei die elektrische Maschine (103) über eine Klauenkupplung (102) mit der elektrisch angetriebenen Achse (101) verbindbar ist, wobei die Klauenkupplung (102) mit Betätigung eine integrierte Drehmomentbegrenzung enthält, indem die Klauen der Klauenkupplung (102) Zähne (110) mit positiv angewinkelten Zahnflanken aufweisen die dadurch hervorgerufene Öffnungskraft entgegen der über eine Aktuatoreinrichtung aufgebrachten Schließkraft wirkt.Drive train (100) of a vehicle with at least one electric machine (103) with an electrically driven axle (101) of the drive, wherein the electric machine (103) can be connected to the electrically driven axle (101) via a claw clutch (102), wherein the claw clutch (102) with actuation contains an integrated torque limitation in that the claws of the claw clutch (102) have teeth (110) with positively angled tooth flanks, the opening force caused thereby acts against the closing force applied via an actuator device.
Description
Die Erfindung betrifft einen Antriebstrang eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrischen Maschine mit einer Primär- und einer Sekundärachse des Antriebs, wobei die elektrische Maschine über eine Klauenkupplung mit einer Primär- oder einer Sekundärachse verbindbar ist.The invention relates to a drive train of a vehicle with at least one electric machine with a primary and a secondary axle of the drive, wherein the electric machine can be connected to a primary or a secondary axle via a claw coupling.
Stand der TechnikState of the art
Fahrzeuge mit einer hybriden Antriebsstruktur weisen mindestens zwei Antriebsaggregate auf. Meist sind dies ein Verbrennungsmotor und mindestens ein Elektromotor. So kann das Antriebsmoment während des Fahrbetriebes des Hybridfahrzeuges von beiden Antriebsaggregaten oder auch nur von einem einzelnen aufgebracht werden.Vehicles with a hybrid drive structure have at least two drive units. These are usually an internal combustion engine and at least one electric motor. This means that the drive torque can be generated by both drive units or just by one when the hybrid vehicle is in operation.
Durch gewisse Fahrmanöver kann es auch in rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu Drehmomenten im Antriebsstrang kommen, die das Nennmoment des Antriebs übersteigen.Certain driving maneuvers can result in torques in the drive train, even in purely electrically powered vehicles, that exceed the nominal torque of the drive.
Bei solchen Manövern wird eine hohe Beschleunigung des Rades über das Getriebe auf die elektrische Maschine übertragen, die eine hohe Trägheit aufweist. Das torsionssteife System, die Übersetzung des Getriebes und die Trägheit des Rotors der elektrischen Maschine führen zu sehr hohen Drehmomenten im Antriebsstrang.During such maneuvers, a high acceleration of the wheel is transferred via the transmission to the electric machine, which has a high inertia. The torsionally rigid system, the gear ratio of the transmission and the inertia of the rotor of the electric machine lead to very high torques in the drive train.
Diese Drehmomentüberhöhung muss bei der Auslegung von Getriebebauteilen wie Zahnrädern, Lagern, Wellen etc. berücksichtigt werden und kann zu größeren, schwereren und teureren Bauteilen führen.This torque increase must be taken into account when designing transmission components such as gears, bearings, shafts, etc. and can lead to larger, heavier and more expensive components.
Eine Begrenzung dieser Drehmomentüberhöhung kann durch Schlupf in reibschlüssige Verbindungen wie Reibungskupplungen verhindert werden.A limitation of this torque increase can be prevented by slipping in frictional connections such as friction clutches.
Bei eingängigen elektrischen Antriebseinheiten ist üblicherweise keine Reibkupplung oder ähnliches verbaut, denn diese würde zu Mehrkosten, einer höheren Komplexität und auch zu höheren Verlusten, bspw. infolge Kupplungsschlupf oder Planschen führen.Single-speed electric drive units usually do not have a friction clutch or similar installed, as this would lead to additional costs, greater complexity and also higher losses, e.g. due to clutch slip or splashing.
Die Trennung der elektrischen Maschine von der antreibbaren Achse erfolgt durch eine Klauenkupplung. Notwendige Synchronisationen beim Einkuppeln werden mittels der elektrischen Maschine durchgeführt. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass eine robuste, wartungs- und verschleißfreie und preisgünstige Bauart als Kupplung einsetzbar wird. In verschiedenen Fahrsituationen eines Hybridfahrzeugs ist es vorteilhaft, die elektrische Maschine von der Hinterachse zu trennen. Beispielsweise kann eine elektrische Maschine bei hohen Drehzahlen kein nennenswertes Drehmoment abgeben. Wenn zwischen elektrischer Maschine und der antreibbaren Achse kein Getriebe angeordnet ist, beispielweise aus Platz- oder Kostengründen, so ist es energetisch vorteilhaft, die elektrische Maschine bei hohen Drehzahlen von der Antriebsachse abzukoppeln, um ein verlustbehaftetes Mitdrehen der elektrischen Maschine zu vermeiden. Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, beim freien Rollen des Fahrzeugs, die elektrische Maschine von der angetriebenen Achse zu trennen.The electric machine is separated from the driven axle by a claw clutch. Any synchronization required when engaging the clutch is carried out by the electric machine. The advantage of this design is that a robust, maintenance- and wear-free and inexpensive design can be used as the clutch. In various driving situations in a hybrid vehicle, it is advantageous to separate the electric machine from the rear axle. For example, an electric machine cannot deliver any significant torque at high speeds. If there is no gearbox between the electric machine and the driven axle, for example for space or cost reasons, it is energetically advantageous to decouple the electric machine from the drive axle at high speeds in order to avoid the electric machine rotating with its losses. For the same reason, it is advantageous to separate the electric machine from the driven axle when the vehicle is rolling freely.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein übermäßiges Drehmoment im Antriebsstrang zu begrenzen damit dieser leichter und somit kostengünstiger ausgelegt werden kann.The object of the invention is to limit excessive torque in the drive train so that it can be designed to be lighter and therefore more cost-effective.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Antriebstrang eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrischen Maschine mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse, wobei die elektrische Maschine über eine Klauenkupplung mit der elektrisch angetriebenen Achse verbindbar ist, wobei die Klauenkupplung mit Betätigung eine integrierte Drehmomentbegrenzung enthält, indem die Klauen der Klauenkupplung Flanken mit einem in axialer Richtung abweisenden Winkel aufweisen.The task is solved with a drive train of a vehicle with at least one electric electrical machine with at least one electrically driven axle, wherein the electrical machine can be connected to the electrically driven axle via a claw coupling, wherein the claw coupling with actuation contains an integrated torque limitation in that the claws of the claw coupling have flanks with an angle deflecting in the axial direction.
Der Begriff Klauenkupplung ist dabei breit zu verstehen und umfasst allgemein eine formschlüssige trennbare Kupplung oder eine formschlüssige trennbare Mitnahmeverzahnung.The term claw coupling is to be understood broadly and generally includes a positive-locking, separable coupling or a positive-locking, separable driving toothing.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Funktionsintegration eines Antriebsstrangs mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse und einer zwischen der elektrischen Maschine und der angetriebenen Achse angeordneten schaltbare formschlüssige Trennkupplung.The invention relates to a functional integration of a drive train with at least one electrically driven axle and a switchable positive-locking separating clutch arranged between the electric machine and the driven axle.
Die Klauenkupplung weist eine Betätigung auf, die die Klauenkupplung bis zu einem Nenndrehmoment geschlossen hält.The claw clutch has an actuation that keeps the claw clutch closed up to a rated torque.
Die Betätigung enthält einen bistabilen elektromagnetisch betätigbaren Schaltaktuator und/oder eine Verriegelung, um die Schließkraft bis zum Nenndrehmoment aufzubringen.The actuator includes a bistable electromagnetically actuated switching actuator and/or a locking device to apply the closing force up to the nominal torque.
Die Klauenkupplung ist in einer Ausführungsform mit einem Federmechanismus versehen, sodass sie auch im stromlosen Zustand geschlossen bleiben kannThe claw coupling is provided in one embodiment with a spring mechanism so that it can remain closed even when de-energized
Die Drehmomentbegrenzung ist in die Klauenkupplung als Entkopplungseinheit integriert, so dass keine weiteren Bauteile verbaut werden müssen. Es handelt sich um eine formschlüssige Verbindung, welche keine zusätzlichen Verluste hervorruft.The torque limiter is integrated into the claw coupling as a decoupling unit, so that no additional components need to be installed. It is a positive connection that does not cause any additional losses.
Durch die Begrenzung unzulässig hoher Drehmomente im Antriebsstrang sind kleinere Lager, schmalere Zahnräder und ein leichteres, günstigeres und effizienteres System verbaubar.By limiting excessive torques in the drive train, smaller bearings, narrower gears and a lighter, cheaper and more efficient system can be installed.
Hohe Lastspitzen führen zu größeren Lagern und damit zu einem schwereren und weniger effizienten System. Insbesondere die nicht lastabhängigen Drehmomentverluste werden maßgeblich durch die Lagergröße beeinflusst. Unter diesem Gesichtspunkt führt eine Reduzierung dieser maximal auftretenden Lastspitzen zu einem kleineren, kostengünstigeren und effizienteren System.High load peaks lead to larger bearings and thus to a heavier and less efficient system. In particular, the non-load-dependent torque losses are significantly influenced by the bearing size. From this point of view, reducing these maximum load peaks leads to a smaller, more cost-effective and more efficient system.
Beschreibung der FigurenDescription of the characters
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1 zeigt eine Ausführungsform einer Klauenkupplung aus dem Stand der Technik,1 shows an embodiment of a claw coupling from the prior art, -
2 zeigt ein Detail eines Kupplungszahns, nach1 ,2 shows a detail of a clutch tooth, after1 , -
3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Klauenkupplung,3 shows a second embodiment of a claw coupling, -
4 zeigt ein Detail eines Kupplungszahns,4 shows a detail of a clutch tooth, -
5 und6 stellen die Betätigung der Klauenkupplung dar,5 and6 represent the operation of the claw clutch, -
7 Prinzipdarstellung,7 Principle representation, -
8 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Regelstrategie zur Bestromung des Aktuators.8th shows an example of the control strategy for supplying current to the actuator.
Ein solche Klauenkupplung 102 ist in den
Kern der Erfindung ist eine konstruktive Änderung der bestehenden axialen Klauenkupplung 102.The core of the invention is a structural modification of the existing
Die Zähne 110 der Klauenkupplung sind - wie in den
Sekundäre elektrische Antriebe werden häufig an der Vorderachse 101 eines Fahrzeugs montiert. Aufgrund der Bremskraftverteilung des Fahrzeugs können an der Vorderachse bei gewissen Fahrmanövern höhere Fehlbedienungsmomente, nämlich Drehmomentspitzen auftreten.Secondary electric drives are often mounted on the front axle 101 of a vehicle. Due to the vehicle's braking force distribution, higher operating errors, namely torque peaks, can occur on the front axle during certain driving maneuvers.
Die Erfindung besteht darin, die Zähne so zu gestalten, dass sie unter Last F_t eine Öffnungskraft F_a erzeugen. In
Eine positiv angewinkelte Klauenaufnahme in der Kupplungsscheibe 102a ist einfacher herzustellen als ein Zahnprofil mit Hinterschnitt und ermöglicht schnellere und kostengünstigere Fertigungsverfahren wie Sintern oder Feinschmieden. Das Zahnprofil ist ein Zahnprofil, dessen Flanken einen in axialer Richtung abweisenden Winkel aufweisen.A positively angled claw receptacle in the
Neben der Änderung der Zahnform muss auch die Betätigung 106 der Klauenkupplung 102 angepasst werden, um die Klauenkupplung 102 aktiv zu öffnen und zu schließen.In addition to changing the tooth shape, the
Die Betätigung 106 muss in der Lage sein, eine Schließkraft zu erzeugen, die größer ist als die resultierende Öffnungskraft der Zähne 110 bei Nenndrehmoment. Beim Überschreiten dieses Nenndrehmoments übersteigen die axialen Kräfte der Zähne 110 die Betätigungskraft und die Klauenkupplung öffnet. Aufgrund des Zahnprofils, dessen Flanken einen in axialer Richtung abweisenden Winkel aufweisen kann eine Rückstellfeder in der Aktuatoranordnung entfallen. Die Öffnungskraft der Zähne muss also bei Nenn- und kleineren Drehmomenten mit der Schließkraft des Antriebs 107 der Betätigung 106 ausgeglichen werden.The
Dies kann realisiert werden durch einen bistabilen elektromagnetisch betätigbaren Aktuator nach
Die Verriegelung 109 in der Betätigung 106 mit der Klauenkupplung 102 wird durch ein federbelastetes Kugel-Druckstück realisiert, welches die Stange 108 des Antriebs 107 des Aktuators in der Position „Klauenkupplung geschlossen“ verriegelt. In der verriegelten Stellung kann der Antrieb 107 deaktiviert werden. Der Antrieb muss die Kraft der Verriegelung 109 überwinden könnenThe locking 109 in the
Die axiale Öffnungskraft F_a ist eine Funktion von Kupplungsdurchmesser, Reibungsparametern wie Reibungskoeffizient µ und Zahnwinkel a.The axial opening force F_a is a function of coupling diameter, friction parameters such as friction coefficient µ and tooth angle a.
Verwendet man eine monostabile Betätigung 106 mit einem Federmechanismus im rotierenden System kann man die Klauenkupplung als normal geschlossen auslegen, so dass die Schaltgabel unbelastet ist. Dazu muss die Schließfeder im rotierenden System, zwischen Schaltmuffe und Schaltklaue angeordnet sein.If a
Das über die formschlüssige Mitnahmeverzahnung übertragene Drehmoment ruft infolge des Zahnprofils eine in axialer Richtung wirkende Reaktionskraft hervor. Es gilt ein direkt proportionaler Zusammenhang zwischen dem über die Mitnahmeverzahnung augenblicklich übertragenen Drehmoment und der in Öffnungsrichtung wirkenden Axialkraftkomponente, welche neben den Geometrie-Parametern vom Reibwert beeinflusst wird. In Kombination mit einer geeigneten, hinsichtlich ihrer maximalen Aktuierungs- bzw. Rastierkraft begrenzten, Aktuatoranordnung lässt sich eine drehmomentbegrenzende Funktion darstellen.The torque transmitted via the positive drive teeth causes a reaction force acting in the axial direction due to the tooth profile. There is a directly proportional relationship between the torque transmitted instantly via the drive teeth and the axial force component acting in the opening direction, which is influenced by the coefficient of friction in addition to the geometry parameters. In combination with a suitable actuator arrangement limited in terms of its maximum actuation or locking force, a torque-limiting function can be achieved.
Dabei ist der Aktuatorstrom mit I bezeichnet, das Drehmoment mit T und die Position des Schaltelementes mit s. Indizes „ist“, „soll“ und „max“ stehen für die jeweiligen aktuellen Werte, Sollwerte und MaximalwerteThe actuator current is designated by I, the torque by T and the position of the switching element by s. Indices “actual”, “desired” and “max” stand for the respective current values, target values and maximum values.
Dabei wird im Schritt S1 eine aktuelle Drehmomentanforderung Tsoll festgestellt. In Schritt S2 wird der proportionaler Aktuatorstrom Isoll ~ |Tsoll| ermittelt und die Position des Schaltelements beispielsweise mittels eines Positionssensors überwacht. Schritt S3 stellt fest, ob das Schaltelement in Endlage ist, Sist < Ssoll.In step S1, a current torque requirement T soll is determined. In step S2, the proportional actuator current I soll ~ |T soll | is determined and the position of the switching element is monitored, for example using a position sensor. Step S3 determines whether the switching element is in the end position, S ist < S soll .
Schritt S4 prüft, ob der Aktuatorstrom unter dem zulässigen Grenzwert liegt oder nicht, Iist < Imax. Sollte das nicht der Fall sein wird eine Überlast O diagnostiziert und der Ablauf springt zum Schritt S8.Step S4 checks whether the actuator current is below the permissible limit or not, I is < I max . If this is not the case, an overload O is diagnosed and the process jumps to step S8.
Schritt S5 prüft, ob der Aktuatorstrom unter einem Sollwert liegt, Iist < Isoll. Je nach Ergebnis der Abfrage folgt Schritt S6 oder S7 mit einer Erhöhung des Aktuatorstroms Isoll = list + ΔI oder einer Reduzierung des Aktuatorstroms
Im Schritt S8 wird die Position des Schaltelements abgefragt.In step S8, the position of the switching element is queried.
Auf Positionsänderungen kann mit einer Stromänderung reagiert werden.Position changes can be responded to with a current change.
In Kombination mit einer hinreichend präzisen Lagebestimmung, bspw. durch einen in der Aktuatoranordnung integrierten Positionssensor, und einer geeigneten Regelstrategie kann das über die Mitnahmeverzahnung augenblicklich übertragene Drehmoment über den Zusammenhang von Aktuatorkraft und Aktuatorposition ermittelt werden. Somit lässt sich, zusätzlich oder alternativ zur drehmomentbegrenzenden Funktion, eine drehmomentsensierende Funktion realisieren.In combination with a sufficiently precise position determination, e.g. by means of a position sensor integrated in the actuator arrangement, and a suitable control strategy, the torque transmitted instantaneously via the drive gearing can be determined via the relationship between actuator force and actuator position. In this way, a torque-sensing function can be implemented in addition to or as an alternative to the torque-limiting function.
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