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Die
Erfindung betrifft eine Parksperre für ein Kraftfahrzeug nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei
einer Parksperre, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift
DE 35 37 091 C1 bekannt
ist, wird bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem Automatikgetriebe,
ein Sperrelement, hier eine Parkklinke, in Parkstellung mit einem
Gegenelement, hier ein Park-Zahnrad, das mit einem drehmomentleitenden
Element des Antriebsstrangs verbunden ist, über einen Formschluss in sperrende
Wirkverbindung gebracht.
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Das
Verblocken bzw. Lösen
von Sperrelement und Gegenelement erfolgt dabei manuell durch den
Fahrer über
den Handwählhebel
des Automatikgetriebes, so dass zur Kraftübertragung zwischen Handwählhebel
und Parksperre vergleichsweise groß dimensionierte mechanische
Bauteile wie Stangen o.ä.
notwendig sind, die das Fahrzeuggewicht erhöhen und kostbaren Bauraum beanspruchen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Parksperre so zu gestalten,
dass eine Betätigung
der Parksperre auf einfache Art und Weise erfolgen kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Parksperre mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen.
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Beim
Gegenstand des Anspruchs 1 ist erfindungsgemäß zum Herstellen bzw. Lösen der
Wirkverbindung zwischen Sperrelement und Gegenelement ein Kniehebelmechanismus
eingesetzt. Die Eigenschaften eines Kniehebels ermöglichen
es, bei kompakten Abmessungen im Vergleich zu einem einfachen Hebel,
einen kleinen Initialhub in einen großen Arbeitshub oder, was zur
Betätigung
einer Parksperre wünschenswert
ist, eine kleine Initialkraft in eine sehr große Hubkraft zu übersetzen,
je nach konstruktiver Auslegung. Somit entfallen beim Sperren bzw.
Lösen der
Parksperre die Notwendigkeit einer Übertragung großer Betätigungskräfte und
dafür notwendige,
vergleichsweise schwere mechanische Bauteile.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Parksperre handelt es sich bei
dem Sperrelement um ein gehäusefest
angeordnetes Zahnrad oder eine Sperrklinke und bei dem Gegenelement
um ein auf einer Welle des Getriebes sitzendes Zahnrad. Das gehäusefest
angeordnete Zahnrad bzw. die Sperrklinke und das auf einer Welle
sitzende Zahnrad können
an einer günstigen
Stelle, beispielsweise außerhalb
oder innerhalb des Getriebegehäuses,
entlang bzw. auf der Kardanwelle oder an einem anderen drehmomentleitenden
Element des Antriebsstranges, angeordnet werden, ohne dass weiterer
Bauraum gebraucht oder gar geschaffen werden muss.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einsatz eines Kniehebelmechanismus
zum Betätigen der
Parksperre durch seine selbstsperrende Eigenschaft. Dadurch müssen die
Zähne der
Zahnräder bzw.
der Sperrklinke keinen selbstsperrenden Flankenwinkel aufweisen,
sondern können
mit einem Vorderschnitt von ca. 5,6° so ausgelegt sein, dass der Flankenwinkel
we nigstens ungefähr
dem Reibwinkel entspricht und die Verschiebekraft zwischen den Flanken
somit unabhängig
von Größe und Richtung eines
Verspannungsmoments sehr klein und nahe Null ist. Die Parksperre
kann dadurch mit sehr kleinen Kräften
aktiviert und deaktiviert werden, und selbst unter Verspannung sind
beim Öffnen
der Parksperre die Zahnräder
bzw. die Sperrklinke und das Zahnrad leicht voneinander zu lösen.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, den Hub des Kniehebelmechanismus mittels eines
Hydraulikzylinders zu verstellen. Diese Art der Betätigung ermöglicht ein
schnelles Öffnen
bzw. Schließen
der Parksperre mit schneller Hubänderung.
Für einen
Einsatz in Automatikgetrieben kann zum Verstellen des Kniehebelmechanismus
eine ohnehin vorhandene Hydraulikeinrichtung, insbesondere mit vorhandenen Steuerschiebern,
Einsatz finden.
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Eine
optimale Betätigung
der Parksperre erfolgt gemäß einer
alternativen Ausgestaltung der Parksperre dann, wenn das Kniegelenk
als Spindelmutter ausgebildet und zum Verstellen des Hubs des Kniehebelmechanismus
ein Spindeltrieb eingesetzt ist. Je nach konstruktiver Auslegung
des Spindeltriebs kann somit die Parksperre für einen freilaufenden, deshalb
schnellen und energiesparenden Betrieb oder für einen selbstsperrenden und
dadurch eigensicheren Betrieb ausgelegt werden. Da sich durch den
Spindeltrieb eine weitere Untersetzung ergibt, sind noch kleinere
Initialkräfte
bzw. -momente zum Betätigen
der Parksperre möglich.
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Wenn
zudem, wie als weitere vorteilhafte Ausgestaltung vorgeschlagen,
die Gewindespindel des Spindeltriebs von einem Elektromotor angetrieben
ist, kann das Betätigen
der Parksperre automatisiert erfolgen. Die damit automatisierte
Parksperre kann dann noch in anderen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs
Verwendung finden, beispielsweise zur Verbrauchsreduzierung und
zur Schonung von Anfahrelementen als Hillholder-Einrichtung (Bergstütze).
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Beim
Schließen
der Parksperre kann der Fall auftreten, dass das beispielsweise
als Sperrklinke oder als gehäusefest
angeordnetes Zahnrad ausgebildete Sperrelement und das Gegenelement
nicht korrekt miteinander verblockt werden können, weil aufgrund deren Stellung
zueinander ein formschlüssiger
Eingriff nicht möglich
ist. Daher wird vorgeschlagen, dass das Schließen der Parksperre unter Zwischenschaltung
eines Federelementes, beispielsweise einer Druckfeder, erfolgt,
so dass die Druckfeder in Parkstellung das Sperrelement und das
Gegenelement bei einer geringfügigen
Drehung des Gegenelements in Eingriff bringt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Figuren angegeben.
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Die
Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme
der Zeichnung erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1a eine schematische Darstellung
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die Parksperre
ein gehäusefestes
und ein auf einer Welle sitzendes Zahnrad aufweist und der Kniehebelmechanismus
mittels eines Spindeltriebs und eines Elektromotors verstellt wird,
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1b eine schematische Darstellung
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die Parksperre
ein gehäusefestes
und ein auf einer Welle sitzendes Zahnrad aufweist und der Kniehebelmechanismus
mittels eines Hydraulikzylinders verstellt wird,
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2a eine schematische Darstellung
einer dritten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die Parksperre
eine Sperrklinke und ein auf einer Welle sitzendes Zahnrad aufweist
und der Kniehebelmechanismus mittels eines Spindeltriebs und eines Elektromotors
verstellt wird und
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2b eine schematische Darstellung
einer vierten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die Parksperre
eine Sperrklinke und ein auf einer Welle sitzendes Zahnrad aufweist
und der Kniehebelmechanismus mittels eines Spindeltriebs und eines Elektromotors
verstellt wird.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Automatikgetriebe.
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1a zeigt eine Parksperre 1,
die über
ein Sperrelement 2, ein mit dem Sperrelement 2 in
Parkstellung in Wirkverbindung tretendes und mit einem drehmomentleitenden
Element 4 des Antriebsstrangs verbundenes Gegenelement 3 und über einen
Kniehebelmechanismus 5 verfügt, wobei der Kniehebelmechanismus 5 zum
Herstellen bzw. Lösen
der Wirkverbindung zwischen dem Sperrelement 2 und Gegenelement 3 eingesetzt
ist. In Parkstellung bringt der Kniehebelmechanismus 5 das
Sperrelement 2 und das Gegenelement 3 über einen
Formschluss oder Reibschluss in sperrende Wirkverbindung.
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Als
Sperrelement 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes stirnverzahntes
Zahnrad 6 eingesetzt und als Gegenelement 3 ein
zweites stirnverzahntes Zahnrad 7, wobei das erste Zahnrad 6 beispielsweise
mit einem Gehäuse 8 fest
verbunden, d.h. gehäusefest
ist, und das zweite Zahnrad 7 drehfest und axial verschiebbar
auf dem drehmomentleitenden Element 4, beispielsweise einer
Abtriebswelle 9, einer Eingangs-, Vorgelege- oder Hauptwelle
eines (nur angedeuteten) Getriebes 10, angeordnet ist. Der
Fuß des
zweiten Zahnrads 7 weist eine Außenringnut 22 auf,
in die eine mittels einer Pendelaufhängung 23 gehäusefest
gelagerte Gabel 24 eingreift.
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Der
Kniehebelmechanismus 5 weist zwei einarmige, durch ein
gemeinsames Kniegelenk 11 in einem Endbereich miteinander
verbundene Hebel bzw. Schenkel 12 und 13 auf,
die im gegenüberliegenden
Endbereich über
ein jeweiliges Gelenk 14, 15 mit einem an der
Gabel 24 angeordneten Lager 16 bzw. einem gehäusefesten
Lager 17 verbunden sind. Die Schenkel 12 und 13 spannen
einen veränderbaren
Winkel auf. Bei einem stumpfem Winkel können beim Verstellen des Kniehebelmechanismus 5 sehr große Hubkräfte bzw.
-momente bewirkt werden. Eine günstige
Einstellung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 20° und 5° vor oder
nach Erreichen der Totpunktstellung (180°) vor.
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Das
Kniegelenk 11 des Kniehebelmechanismus 5 ist gleichzeitig
als axialverschiebliche und nicht drehbare Spindelmutter und somit
als Teil eines Spindeltriebes 18 mit einer drehbaren, nicht
axialverschieblichen Gewindespindel 19 ausgebildet. Die Drehanbindung
des Kniegelenks 11 erfolgt durch Anbindung an die Schenkel 12, 13 und/oder
durch eine separate Führung
gegenüber
dem Gehäuse 8.
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Der
Spindeltrieb 18 kann – je
nach Anforderung – freilaufende
oder selbstsperrende Eigenschaften und eine große oder kleine Gewindesteigung
aufweisen. Die Gewindespindel 19 wird von einem Elektromotor 20 angetrieben,
wozu sie mit dessen Abtriebswelle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines
Getriebes, drehfest verbunden ist. Der Elektromotor 20 ist
beispielsweise mittels einer Pendelaufhängung 21 gegenüber dem
Gehäuse 8 gelagert.
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Ein
Schließvorgang
der Parksperre 1 wird beispielsweise hervorgerufen, wenn
der Fahrer eine Parkstellung wünscht
und hierzu einen Wählhebel entsprechend
einstellt, oder wenn beispielsweise beim Halten an einer Steigung
durch ein Steuergerät eine
sogenannte „Hillholder"-Funktion (Bergstütze) aktiviert
wird, um Anfahr- und/oder Schaltungselemente zu entlasten.
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Hierzu
wird der Elektromotor 20 mit einem Strom beaufschlagt,
wodurch seine Abtriebswelle die Gewindespindel 19 in Rotation
versetzt und die Spindelmutter bzw. das Kniegelenk 11 dadurch
die Schenkel 12, 13 des Kniehebelmechanismus 5 aufspreizt.
In Folge dessen wird die Gabel 24 um die Pendelaufhängung 23 verschwenkt
und das Zahnrad 7 (Gegenelement 3) axial auf der
Abtriebswelle 9 in Richtung auf das gehäusefest gelagerte Zahnrad 6 (Sperrelement 2)
verschoben.
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Sobald
die beiden Zahnräder 6 und 7 ineinander
greifen, sind sie verblockt und die Parksperre 1 ist geschlossen;
das Kraftfahrzeug ist zuverlässig gegen
Wegrollen gesichert. Zusätzlich
kann der Kniehebelmechanismus 5 bei aktivierter Parksperre 1 eine
Totpunkt- oder Übertotpunktstellung
einnehmen, die nur durch Bestromen des Elektromotors 20 wieder
verlassen werden kann.
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Durch
die selbstsperrende Eigenschaft des Kniehebelmechanismus 5 müssen die
Zähne der Zahnräder 6, 7 keinen
selbstsperrenden Flankenwinkel aufweisen, sondern können mit
einem Vorderschnitt von ca. 5,6° so
ausgelegt sein, dass der Flankenwinkel ungefähr dem Reibwinkel eintspricht
und die Verschiebekraft zwischen den Flanken unabhängig von
Größe und Richtung
eines Verspannungsmoments somit sehr klein und nahe Null ist. Die
Parksperre 1 kann dadurch mit sehr kleinen Kräften aktiviert
und deaktiviert werden und auch unter Verspannung beim Öffnen der
Parksperre 1 sind die Zahnräder 6, 7 leicht
voneinander zu lösen.
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Da
der Kniehebelmechanismus 5 beim Strecken einen sehr großen Druck
aufbauen kann, können
bei entsprechender konstruktiver Auslegung statt der beiden Zahnräder 6, 7 auch
zwei Reibscheiben zum Einsatz kommen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gemäß 1b wird – bei im übrigen der 1a entsprechender Gestaltung – der Kniehebelmechanismus 5 mittels
einer mit einem Kolben 31 eines Hydraulikzylinders 26 verbundenen
Kolbenstange 27 verstellt. Da die Energiedichte des Hydraulikzylinders 26 größer ist
als die des Elektromotors 20 der 1a, kann für den von den Schenkeln 12 und 13 aufgespannten
Winkel auch ein anderer Bereich sinnvoll sein, beispielsweise 20° bis 30° vor oder nach
der Totpunktstellung (180°).
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Für den Fall,
dass die Zahnräder 6, 7 aufgrund
ihrer Stellung zueinander nicht formschlüssig ineinander greifen können, ist
zwischen die Kolbenstange 27 und das Kniegelenk 11 eine
erste Druckfeder 28 geschaltet, welche in Parkstellung
die Zahnrä der 6, 7 bei
einer geringfügigen
Drehung des Zahnrades 7 in Eingriff bringt.
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Eine
zweite Druckfeder 29 ist zudem zwischen die Gabel 24 und
einen (gehäusefesten)
Anschlag 30 geschaltet. Die Druckfeder 29 wird
beim Aktivieren der Parksperre 25 gespannt und unterstützt das
spätere
Lösen.
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Wie
im Ausführungsbeispiel
der 1a bereits beschrieben,
kann der Kniehebelmechanismus 5, falls konstruktiv vorgesehen,
in der Parkstellung eine Totpunkt- oder Übertotpunktstellung einnehmen. Zweckmäßigerweise
ist dann eine weitere, hier nicht dargestellte Druckfeder zwischen
einem gehäusefesten
Anschlag und dem Kniegelenk 11 angeordnet, so dass sie
beim Lösen
der Parksperre 25 das Kniegelenk 11 aus der Totpunkt-
oder Übertotpunktstellung heraus
drückt.
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Denkbar
sind auch andere Lösungen,
beispielsweise dass an Stelle der Druckfeder 28 dort eine
beispielsweise gehäusefest
verankerte Zugfeder eingesetzt ist, die beim Lösen der Parksperre 25 das
Kniegelenk 11 aus der Totpunkt- oder Übertotpunktstellung heraus
zieht.
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2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Parksperre 35, bei der – wie im Ausführungsbeispiel
der 1a – der Kniehebelmechanismus 5 mittels
des Spindeltriebes 18 verstellt wird. Jedoch ist hier als
Sperrelement 2 eine Sperrklinke 36 eingesetzt,
die um eine Achse 37 in der Rotationsebene eines außenverzahnten
Zahnrads 38 drehbar ist und mittels einer Nase oder eines
Zahns 41 in eine dazu passende Verzahnung 42 des
außenverzahnten
Zahnrads 38 formschlüssig
eingreift. Die Sperrklinke 36' kann auch mehrere Zähne 41 aufweisen. Das
Zahnrad 38 ist drehfest und axial nicht ver schieblich wiederum
auf einem drehmomentleitenden Element 4, beispielsweise
der Getriebeabtriebswelle 9, angeordnet.
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Wie
bei den Ausführungsbeispielen
der 1a, b müssen auch
hier wegen der selbstsperrenden Eigenschaft des Kniehebelmechanismus 5 der
Zahn 31 der Sperrklinke 36 bzw. die Verzahnung 42 des
Zahnrades 38 keinen selbstsperrenden Flankenwinkel aufweisen.
Bei einem Vorderschnitt von ca. 5,6°, entsprechend ungefähr dem Reibwinkel,
ist die Verschiebekraft zwischen den Flanken unabhängig von
Größe und Richtung
eines Verspannungsmoments sehr klein, so dass die Parksperre 45 mit
sehr kleinen Kräften
aktiviert und deaktiviert werden und die Sperrklinke 36 auch
unter Verspannung beim Öffnen
der Parksperre 45 leicht vom Zahnrad 38 gelöst werden
kann.
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Die
Druckfeder 28 ist hier zwischen das Gelenk 14 des
Schenkels 12 und ein Gelenk 40 der Sperrklinke 36 geschaltet,
damit das Schließen
der Parksperre 35 in Parkstellung auch dann erfolgen kann,
wenn die Nase 41 genau einem Zahn der Verzahnung 42 gegenüber steht
und ein formschlüssiger Eingriff
erst nach geringfügiger
Drehung des Zahnrads 38 möglich ist.
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Eine
um die Achse 37 umlaufende Rückholfeder 39, welche
an einem Federfußpunkt
an einer gehäusefesten
Abstützung 43 und
am anderen Federfußpunkt
an der Sperrklinke 36 abgestützt ist, sorgt dafür, dass
bei nicht aktivierter Parksperre 35 die Sperrklinke 36 und
das Zahnrad 38 nicht reib- oder formschlüssig in
Wirkverbindung treten können.
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In 2b ist eine weitere Parksperre 45 dargestellt,
mit einem gegenüber
den bisherigen Ausführungsbeispielen
abgewandelten Kniehebelmechanismus 46 und einem ebenfalls
abgewan delten Spindeltrieb 47. Der Kniehebelmechanismus 46 weist
zwei Schenkel 48, 49 auf, die über ein gemeinsames Kniegelenk 50 miteinander
verbunden sind. Jeder Schenkel 48 bzw. 49 weist
ein weiteres Gelenk 51 bzw. 52 auf.
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Der
Elektromotor 20 treibt eine Gewindespindel 53 an,
die zwei gegenläufige,
aber ansonsten geometrisch gleiche Gewinde 54, 55 aufweist.
Mit jedem Gewinde 54 bzw. 55 steht eine zugehörige Spindelmutter 56 bzw. 57 in
Eingriff; zudem ist die Spindelmutter 56 über das
Gelenk 51 mit dem Schenkel 48 und die Spindelmutter 57 über das
Gelenk 52 mit dem Schenkel 49 des Kniehebelmechanismus 46 verbunden.
Die Gewindespindel 53 kann, um eine genügend große Gegenkraft aufbringen zu
können, mittels
eines zusätzlichen
Drehlagers 58 abgestützt sein.
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Um
die Parksperre 45 zu aktivieren bzw. zu lösen, wird
der Elektromotor 20 bestromt, wodurch er die Gewindespindel 53 in
Rotation versetzt. Die nicht drehbaren Spindelmuttern 56 und 57 entfernen
sich dadurch von einander bzw. bewegen sich auf einander zu, je
nach Drehrichtung der Gewindespindel 53. Infolge der Umlenkung
durch den Kniehebelmechanismus 46 wird zum Schließen de Parksperre 45 über das
Kniegelenk 50 und die Druckfeder 28 die Sperrklinke 36 mit
ihrer Nase 41 und die Verzahnung 42 des Zahnrads 38 in
Eingriff gebracht bzw. – bei
entgegen gesetzter Drehrichtung der Gewindespindel 46 zum Öffnen der
Parksperre 45 – die
Sperrklinke 36 vom Zahnrad 38 weggezogen.
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Da
hier die Anlenkung der Sperrklinke 36 über die Druckfeder 28 über das
Kniegelenk 50 erfolgt, ergeben sich um so größere Hubkräfte bzw. -momente,
je größere Werte
der von den Schenkeln 48 und 49 aufgespannte Winkel
annimmt. Eine günstige Einstellung
liegt beispielsweise dann vor, wenn dieser Winkel Werte im Bereich
zwischen 20° und
5° vor Erreichen
der Totpunktstellung (180°)
annimmt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Die besonderen Merkmale jedes gezeigten Ausführungsbeispiels können selbstverständlich in
sinnvoller Weise mit den Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels kombiniert
werden.