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Die Erfindung betrifft Linearaktuatoren, insbesondere Arretierungsaktuatoren für Kupplungen in Verbindung mit Drehmechanismen in Maschinen.
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Linearaktuatoren erreichen eine Vorschub- und Rückzugsbewegung, typischerweise in Abhängigkeit von einer Druckbeaufschlagung oder Drucklosigkeit eines Fluids.
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Eine Kupplung ist oft bei Maschinen vorgesehen, um Eingriff und Lösen eines Antriebs zu ermöglichen, typischerweise um nach Bedarf eine Drehmomentübertragung zu ermöglichen. Eine solche Kupplung kann durch einen Linearaktuator betätigt werden. In dieser Beschreibung umfasst „Kupplung“ jede Art einer solchen selektiv in Eingriff zu bringenden Vorrichtung, darunter solche, die durch eine alternative Bezeichnung benannt sein können.
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Ein Beispiel der Verwendung solcher Kupplungen stellt ein automatisches Fahrzeuggetriebe des Hydraulik-/Planetengetriebetyps dar. Diese Art von Getriebe umfasst eine Mehrzahl von verknüpften Planetengetriebesträngen, deren relativ zueinander drehbaren Teile selektiv gegeneinander gesperrt werden, um unterschiedliche Antriebs-/Abtriebsübersetzungsverhältnisse vorzusehen. Diese Teile können gegeneinander gesperrt werden oder am Getriebegehäuse gehalten sein, und für diesen Zweck werden lösbare Kupplungen vorgesehen. Einige Kupplungen können in Form von Bremsbändern vorliegen, die auf einem Außenrad eines Planetengetriebstrangs einrückbar sind.
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Die
DE 102 05 411 A1 zeigt ein Getriebe, bei dem ein Lastschaltelement mit einer Getriebewelle rotiert. In einer ausgerückten Position, in der ein Druckraum nicht fluidbeaufschlagt ist, rotieren ausschließlich die fest mit einem Außenlamellenträger verbundenen Außenlamellen. Wird der Druckraum fluidbeaufschlagt, so wird ein Betätigungskolben verlagert. Über den Kolben werden die Außenlamellen mit Innenlamellen zu einem Lamellenpaket komprimiert, welches somit ein Drehmoment überträgt. Auf einer Außenfläche des Kolbens ist eine Kurvenbahn bestehend aus zwei profilierten Seitenwänden angeordnet. Das Gehäuse weist mehrere Ausnehmungen auf, die von Führungsbolzen durchdrungen sind. Die Führungsbolzen werden zur Anlage an die Kurvenbahn genutzt und stellen eine Sperreinrichtung des Getriebes dar, welche bei einer Drucklosschaltung eine Einrückposition aufrechterhält.
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Das
US-Patent 5,44525,8 beschreibt eine Kupplung mit einem Primärkolben und einem Sekundärkolben, zwischen denen eine Wellenfeder angeordnet ist. An dem Primärkolben ist eine Membran angeordnet. Ein Kupplungsring weist auf einer Innenseite eine Verzahnung auf, welche mit einer Außenverzahnung eines Innenzahnkranzes korrespondiert. Um die Kupplung in einen Einrückzustand zu überführen, wird ein luftdichter Raum in einem Inneren der Kupplung evakuiert. Die Verzahnung des Kupplungsrings wird dabei zu einer Drehmomentübertragung in Eingriff mit der Verzahnung des Innenzahnkranzes gebracht. Ein schraubenförmig innenverzahnter Indexring ist mit einer Nabe fest verbunden. Auf dem Primärkolben ist ein korrespondierender, schraubenförmig außenverzahnter Nockenring angeordnet. Die Verzahnungen des Indexrings und des Nockenglieds werden von einander abgehoben, wenn der Primärkolben in seine Einrücklage verfährt. Durch ein Verfahren des Primärkolbens entlang der axialen Achse der Kupplung kommen die Nocken des Nockenglieds in gleitenden Eingriff mit den Nocken des Indexrings. Durch die schraubenförmige Ausgestaltung der Nocken wird der Primärkolben dabei um eine Rotationsachse verdreht. Die Membran wirkt als Rückstellglied. Ist der Primärkolben soweit eingerückt, dass die Nocken des Nockenglieds und des Indexrings nicht mehr ineinandergreifen, wird der Primärkolben von der Rückstellkraft der Membran rotatorisch zurückgestellt.
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Zum Betätigen solcher Kupplungen ist eine Hydraulikfluidquelle vorgesehen, die von einer durch Motor oder Getriebe angetriebenen Pumpe unter Druck gesetzt wird. Ein geeignetes Ventilsystem und ein Regler leiten das Fluid zu ausgewählten Kupplungen, um ein erforderliches Übersetzungsverhältnis zu erhalten.
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Typischerweise werden Kupplungen im drucklosen Zustand ausgerückt; das heißt, Fluiddruck wird verwendet, um die Kupplung einzurücken und die Kupplung in Eingriff zu halten. Drucklosigkeit des Fluids ermöglicht ein Lösen der Kupplung und es kann eine geeignete Federrückholkraft vorgesehen sein, um das Ausrücken zu unterstützen.
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Ein Problem bei einem solchen Getriebe ist, dass das Fluid in den eingerückten Kupplungen zugeordneten Aktuatoren unter Druck gehalten werden muss, und dadurch im Vergleich zu handbetätigten Anordnungen, in denen bewegliche Elemente durch Sperrklinken verriegelt werden, ein hoher Zusatzenergieverbrauch auftritt.
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Es ist ein Mittel erforderlich, das solche Zusatzverluste vermindert oder eliminiert, während die Notwendigkeit zusätzlicher Vorrichtungen oder Steuerelemente vermieden wird. Eine Lösung erreicht bevorzugt eine automatische Verriegelung und Entriegelung, während im Wesentlichen der gleiche Aktuator in im Wesentlichen der gleichen Außenhülle verwendet wird.
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Gemäß der Erfindung wird ein Fluidaktuator zur Verfügung gestellt, umfassend ein Gehäuse, eine Fluidkammer und ein Stellglied, das so ausgebildet ist, dass es in Abhängigkeit von einer Änderung des Fluiddrucks in der Kammer im Gehäuse auf einer Achse vorrückt, wobei der Aktuator ferner eine bistabile Sperre aufweist, die zwei sequentielle Rückholpositionen des Stellglieds definiert, wobei die Sperre bei Vorschubbewegung zu einer vorgegebenen Position ihre Stellung wechselt.
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Die bistabile Sperre umfasst ein Eingangselement und ein Ausgangselement, wobei das Eingangselement und das Ausgangselement ineinandergreifende Zähne aufweisen, die so ausgebildet sind, dass sie eine Relativdrehung durch Rastung in eine Richtung ermöglichen, wobei jeder Rastungsschritt einem der Zustände der bistabilen Sperre zugeordnet ist.
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Das Gehäuse ist um die Achse kreisförmig, und Eingangs- und Ausgangselement umfassen Ringe in dem Gehäuse, wobei die Ringe und das Gehäuse eine drehfeste Formation aufweisen und das Ausgangselement von der Formation an der vorgegebenen Position des Stellglieds gelöst wird.
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Die bistabile Sperre ermöglicht dem Stellglied, eine von zwei sequentiellen und axial beabstandeten Positionen einzunehmen, wenn es zum Ruhezustand zurückkehrt. Diese Positionen können aktiven und inaktiven Zuständen einer Komponente mit zwei Zuständen zugeordnet sein, wie einer Kupplung eines Getriebes. Das Stellglied kann zum Beispiel auf ein Anpresselement einer Kupplung wirken, wie einer Druckplatte für eine Mitnehmerscheibe. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator zur Rotationsachse der Kupplung koaxial.
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Eine Rastung in eine Richtung kann zum Beispiel durch in geeigneter Weise gewinkelte Flankenflächen der Zähne des Eingangs- und Ausgangselements vorgesehen sein, wobei diese Flächen sich direkt zugewandt sind, und die anderen Flächen der Zähne allgemein in radialen Ebenen um die Achse liegen.
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Bevorzugt ist das Gehäuse eine offene Trommel mit Innenprofil, das mit äußeren Zähnen der Ringe in Eingriff kommen kann, wobei die Profiltiefe der Hälfte des Rastenabstands der Ringe entspricht. Das Profil ermöglicht axiale Verschiebung der Ringe entlang der Achse und weist eine Länge auf, die ein Lösen des Ausgangsrings in der Weise erlaubt, dass eine rastende Relativdrehung möglich ist. Rastung um eine halbe Profiltiefe erlaubt, dass der Ausgangsring abwechselnd in die Profile gedrückt wird und am Ende der Profile in einem relativen Vorschubzustand gehalten wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die bistabile Sperre eine weiche Feder, durch die das Eingangselement und das Ausgangselement gegeneinander gedrückt werden.
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Bevorzugt beinhaltet der Aktuator federnde Mittel, so dass das Stellglied auf eine Rückholposition vorgespannt wird. Auf diese Weise rückt der Aktuator gegen eine solche Vorspannung vor und steht bevorzugt unter einer anfänglichen Vorbelastung.
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Bevorzugt wird in der am weitesten zurückgezogenen der Rückholpositionen das Stellglied durch das Eingangselement gegen das Gehäuse gedrückt, und in der am weitesten vorgeschobenen der Rückholpositionen wird das Stellglied durch das Ausgangselement gegen das Gehäuse gedrückt. Auf diese Weise wirkt das Gehäuse gegen die Rückhollast, die vom federnden Mittel durch das Eingangs- oder Ausgangselement ausgeübt wird.
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In der bevorzugten Ausführungsform dient eine Tellerfeder als das federnde Rückholmittel für das Stellglied, während das Ausgangselement durch eine relativ weiche Wendeldruckfeder gegen das Eingangselement gedrückt wird. Die Federn sind bevorzugt in einem wesentlichen Umfang axial koextensiv.
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Das trommelförmige Gehäuse kann ferner eine Kupplungsmitnehmerscheibe darin aufweisen, die für einen Abtrieb an der Achse geeignet ist. Die Kupplung kann eine Mehrscheibenkupplung sein, die Schwungscheiben und Mitnehmerscheiben miteinander in der Trommel und durch einen geeigneten Sicherungsring in ihrer Öffnung gehalten aufweist. Die Schwungscheiben können zum Beispiel zur Innenfläche der Trommel profiliert sein, so dass eine axiale relative Spannbewegung zur Öffnung ermöglicht ist.
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In der bevorzugten Ausführungsform definiert das trommelförmige Gehäuse die Seitenwand der Fluidkammer und ein Kolben oder eine Membran ist in der Kammer so vorgesehen, dass eine Axialbewegung auf das Stellglied übertragen wird. Ein Kolben kann so ausgebildet sein, dass er direkt auf das Eingangselement der bistabilen Verriegelung wirkt.
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Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung eine wiederholte Anwendung von Druckimpulsen zum sequentiellen Einrücken und Ausrücken einer Komponente wie einer Kupplung. Im Vergleich zu Kupplungen bei automatischen Fahrzeugantrieben, sind Energieverluste eliminiert, da ein Spanndruck in einem der bistabilen Zustände gehalten werden kann, ohne dass Fluiddruck beaufschlagt ist. Darüber hinaus können die Komponenten in einem typischen Kupplungsgehäuse aufgenommen sein, und dadurch sind externe Verriegelungen und dergleichen vermieden.
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Die Erfindung ist in hohem Maße für Modulationsmechanismen geeignet, in denen keine Zwischenaktuatorstellung erforderlich ist. Ein besonders bedeutendes Merkmal liegt darin, dass wiederholte Bewegungen in eine Richtung dazu führen, dass der Aktuator zwischen den bistabilen Zuständen wechselt.
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Ein Merkmal der Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, die nur als Beispiel in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, in denen:
- 1 ein axialer Teilschnitt durch eine Kupplung ist, die einen Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung im ausgerückten Zustand enthält,
- 2 zu 1 entsprechend ist und den Aktuator im eingerückten Zustand zeigt,
- 3 eine Reihe von schematisch entwickelten Ansichten von ineinandergreifenden Formationen umfasst, die bistabile Zustände des Aktuators der 1 und 2 definieren.
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Die 1 und 2 stellen einen Halbschnitt durch eine Nasskupplung/Aktuator-Anordnung dar, die um eine Rotationsachse 1 symmetrisch ist.
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Die Kupplung umfasst ein rundes schalenförmiges Gehäuse 2, das zur Drehung um die Symmetrieachse 1 durch geeignete Lager (nicht gezeigt) gelagert ist. Das Gehäuse definiert axial gerichtete innere Profile 3 zum Eingriff mit äußeren Profilen (oder Zähnen) 4 mehrerer axial beabstandeter ringförmiger Schwungscheiben 5. Zwischen die Schwungscheiben 5 sind ringförmige Mitnehmerscheiben 6 gesetzt, die innere Profile (oder Zähne) 7 zum Eingriff mit Profilen 8 eines runden Mitnehmerelements 9 aufweisen, das auch um Achse 1 drehbar ist.
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Ein Stopelement 10 (zum Beispiel ein Sicherungsring oder Sprengring) ist in der Öffnung des Gehäuses 2 gelegen und verhindert dadurch eine Bewegung der Scheiben 5, 6 nach links. Es ist erkennbar, dass das Gehäuse 2 und ein Antriebselement 9 Eingangs-/Ausgangselemente zur Verbindung mit geeigneten Getriebekomponenten umfasst, zwischen denen ein Antrieb ausgebildet werden soll. Die Antriebsrichtung kann selbstverständlich umgekehrt werden, so dass die Schwungscheiben Mitnehmerscheiben werden und umgekehrt.
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Typischerweise umfasssen die Mitnehmerscheiben 6 ein geeignetes Reibmaterial zum Eingriff mit glatten Stahlschwungscheiben 5. Es ist jedoch jegliche geeignete Kombination von Materialien möglich, vorausgesetzt, dass eine geeignete Drehmomentkapazität gewährleistet ist.
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Die Stirnwand 11 des Gehäueses 2 definiert eine ringförmige Kammer 14, in der ein ringförmiger Kolben 12 entlang der Achse 1 wechselseitig beweglich ist. Der Kolben 12 weist die üblichen elastomeren Dichtungen 13 auf und die Stirnwand 11 ist relativ dick, so dass sie einen Fluidkanal 16 für die Kammer 14 definiert.
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Ein Arretiermechanismus ist zwischen dem Kolben 12 und den eingesetzten Scheiben 5, 6 vorgesehen. Dieser Mechanismus umfasst einen Antriebsring 18 und einen axial beabstandeten Sperrring 20 mit einem Zahneingriff 22, 24, der so ausgebildet ist, dass er einen bistabilen Zustand ergibt, wie unten genauer beschrieben wird. Es ist zu sehen, dass die Ringe 18, 20 äußere Zähne 32 zum Eingriff mit Profilen 34 aufweisen, die um das Innere des Gehäuses 2 angeordnet sind. Die Ringe 18, 20 werden auf diese Weise gegen Drehung gesperrt, außer unter den noch zu beschreibenden Bedingungen.
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Der Arretier- oder Sperrring 20 wird durch eine kegelstumpfförmige Wendeldruckfeder 38 nach rechts gedrückt (wie gezeigt), die gegen einen Stop wirkt, der am inneren Ende der Profile 3 vorgesehen ist.
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Der Antriebsring 18 erstreckt sich im Innenumfang nach links, so dass er auf einen Stellring 26 anliegt, der einen Sitz für eine Tellerfeder 28 definiert, die andere Seite der Feder 28 liegt auf der äußersten der eingesetzten Scheiben 5, 6 an der ungefähren radialen Mittellinie an.
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Wie zu erkennen ist, werden die Komponenten sequentiell über die Öffnung des Gehäuses 2 eingebaut und werden durch die Tellerfeder so auseinandergedrückt, dass der Kolben 12 im Rückholzustand sitzt. In der Anordnung von 1 sind der Antriebsring 18 und der Sperrring 20 in einem ersten bistabilen Zustand und relativ nahe beieinander, die eingesetzten Platten 5, 6 sind in einem weichen rüttelfreien Kontakt, aber nicht in der Lage, ein signifikantes Moment zu übertragen. Die Reaktionskraft der Tellerfeder 28 wird über Antriebsring 18 und Kolben 12 zum Gehäuse 2 übertragen.
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Die Anordnung von 2 zeigt einen zweiten bistabilen Zustand, in dem die Ringe 18, 20 weiter links liegen (wie gezeigt). Die Tellerfeder 28 beaufschlagt daher eine signifikante Spannkraft und die Scheiben 5, 6 können ein signifikantes Moment dazwischen übertragen. Die Reaktionskraft der Feder 28 wird nun über den Verriegelungssring 20 zum Gehäuse übertragen. Der Antriebsring 18 und der Kolben 12 sind nicht unter Last, aber Reibung von den Dichtungen 13 kann sie in einer linken Position halten.
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3 stellt in Draufsicht die Zahnform 22, 24 der Ringe 18, 20 dar. Es wird angenommen, dass die Komponenten zu Beginn im Zustand von 1 vorliegen (d. h. Kupplung ausgerückt). Die relativen Zahnformen 22, 24 sind in 3(a) dargestellt.
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Bei Beaufschlagen eines Drucks über Leitung 16, wird der Antriebsring 18 nach links gedrückt (wie gezeigt), so dass er die Zahnform 32 über die Profile 34 hebt, wie es in 3(b) gezeigt ist. Bei dieser axialen Auslenkung ist der Sperrring 20 frei drehbar und dreht sich in Richtung des Pfeils 21, bis er mit dem Antriebsring 18 vollständig in Eingriff ist, wie es in 3(c) gezeigt ist. Die Drehung erfolgt aufgrund der Neigung des Kontaktpunkts 50 und der durch die Spiralfeder 38 ausgeübten Kraft.
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Bei Nachlassen des Drucks in der Leitung 16 drückt die Tellerfeder 28 den Stellring nach hinten und der Sperrring 20 wiederum bewegt sich nach rechts, bis die Sperrringprofile 32 mit dem Profil 34 in Eingriff sind, wie es in 2 gezeigt ist. An diesem Punkt ist weitere Bewegung des Sperrrings 20 nach rechts verhindert und die Kupplungsscheiben 5, 6 werden in einem Eingriffszustand gehalten, wie es in 2 gezeigt ist.
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Es ist zu erkennen, dass die Kraft-A/orschubcharakteristiken einer Tellerfeder mit Vorteil angewendet werden können, um unter den Bedingungen von 3(b) die Last auf den Kupplungssatz zu reduzieren, wobei der Sperrring 20 in den am weitesten links gelegenen Zustand gedrückt wird. Wenn der Sperrring sich nach rechts bewegt, nimmt die von der Tellerfeder 28 ausgeübte Kraft zu und es kann so ausgebildet sein, dass eine graduelle Zunahme der Spannkraft gewährleistet ist, wenn der Kupplungssatz Verschleiß erfährt.
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Zum Ausrücken der Kupplung wird erneut über die Leitung 16 (3e) ein Druck beaufschlagt. Der Sperrring 20 wird erneut von den Profilen 34 (3f) abgehoben und dreht sich in Richtung des Pfeils 21 ( 3g), bis die Sperrringprofile 32 mit den Profilen 34 ausgerichtet sind. Dies ermöglicht dem Sperrring eine Rückkehr in die Ruheposition ( 3h), in der der Kupplungssatz ausgerückt ist und die Tellerfeder 28 im Wesentlichen entspannt ist.
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Durch Vergleich der 3(a) und 3(h) ist ersichtlich, dass die relativen axialen Positionen gleich sind, dass aber der Sperrring 20 in Bezug auf den Antriebsring 18 indexiert ist. Die symmetrische kontinuierliche Anordnung der Zahnformen 22, 24 erleichtert einen endlosen Druckkreislauf in der Leitung 16 und in der Folge wiederholtes Einrücken und Ausrücken des Kupplungssatzes 5, 6.
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Es ist erkennbar, dass eine Indexierung durch wiederholtes Beaufschlagen mit Druck erreicht wird, und dass keine zusätzlichen Richtmechanismen erforderlich sind, um sequentielle Funktion zu gewährleisten. Darüber hinaus kann die äußere Umhüllung der Kupplung im Wesentlichen unverändert bleiben.
