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Die Erfindung betrifft eine servoaktorische Betätigungseinrichtung für mechanische Schaltlasten, beispielsweise für Kupplungen in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Patentanspruch 1
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Gattungsgemäße Betätigungseinrichtungen mit Servoaktoren sind bekannt, beispielsweise zur Betätigung von Schaltlasten wie z.B. Kupplungen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen. Insbesondere bei Kraftfahrzeugkupplungen weist dabei die Schaltlast, hier also die zu betätigende Kupplung, üblicherweise einen nicht oder nicht ausschließlich linearen Zusammenhang zwischen Betätigungsweg (bei translatorischer Betätigung) bzw. Betätigungswinkel (bei rotatorischer Betätigung) bzw. Betätigungsvolumen (bei hydraulischer Betätigung) einerseits und Betätigungskraft/Betätigungsmoment/Betätigungsdruck andererseits auf. Die Betätigung derartiger Schaltlasten mit zumindest bereichsweise nichtlinearer Lastkennlinie, insbesondere im Fall von Fahrzeugkupplungen, erfolgt bei den gattungsgemäßen Betätigungseinrichtungen servogestützt, beispielsweise durch kleine Elektromotoren mit vorgeschaltetem Untersetzungsgetriebe.
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Derartige Servoaktoren besitzen zumeist eine über dem Betätigungsweg konstante Getriebeübersetzung. Es sind jedoch auch Servoaktoren bekannt, bei denen die Übersetzung zwischen Servomotor und Schaltlast wegbasiert (bei translatorischer Betätigung) bzw. winkelbasiert (bei rotatorischer Betätigung) bzw. volumenbasiert (bei hydraulischer Betätigung) variiert, um den Servoaktor auf diese Weise an einen entsprechend nichtlinearen Zusammenhang zwischen Betätigungskraft und Betätigungsweg auf Seiten der zu betätigenden Schaltlast anzupassen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Servoaktor im Bereich geringer Betätigungslast eine relativ hohe Betätigungsgeschwindigkeit mit relativ geringer Betätigungskraft bereitstellt, während im Bereich hoher Betätigungslast eine relativ geringe Betätigungsgeschwindigkeit mit einer relativ hohen Betätigungskraft seitens des Servoaktors einhergeht.
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Mittels einer dergestalt wegabhängig variablen Auslegung bzw. Übersetzung des Servoaktors wird es unter anderem möglich, deutlich kleinere, kompaktere und damit leichtere Servoaktoren, insbesondere kleinere Elektromotoren, zur Schaltlastbetätigung einzusetzen.
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Bekannte weg-, winkel- oder volumenabhängig nichtlineare Übersetzungen von Servoaktoren, beispielsweise Getriebe mit wegabhängigem Übersetzungsverhältnis, haben jedoch den Nachteil, dass die variable Übersetzung nicht ohne Zusatzmaßnahmen an eine veränderte Schaltlastkennlinie angepasst werden kann. Auch erfolgt bei den meisten Schaltlasten, insbesondere bei Fahrzeugkupplungen, mit der Zeit eine Veränderung der Schaltlastkennlinie durch Setz- und/oder Verschleißvorgänge. Dies bedeutet, dass sich (z.B. bei Kupplungen) der sogenannte Kupplungsdruckpunkt beispielsweise an eine andere Stelle des Kupplungs-Betätigungswegs verschiebt, oder die Kraft-Weg-Kurve der Kupplung insgesamt eine andere, beispielsweise flachere oder auch steilere Form annimmt.
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Solche Aktoren, beispielsweise zur fluiden Betätigung einer Kupplung sind aus der
DE 10 2014 214 203 A1 bekannt.
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Stufenlose Getriebe z.B. für die Verwendung in einem Fahrradgetriebe sind aus der
EP 1 925 544 A2 bekannt.
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Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine servoaktorische Betätigungseinrichtung mit variabler Übersetzung zu schaffen, bei der eine selbsttätige Anpassung der variablen Übersetzung an eine veränderte Schaltlastkennlinie erfolgt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Betätigungseinrichtung gemäß dem Patentanspruch 1.
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Die Betätigungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst dabei in zunächst bekannter Weise einen Servoaktor mit Aktormotor sowie mit einem zwischen Aktormotor und Schaltlast angeordneten Übersetzungsgetriebe.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich die Betätigungseinrichtung dadurch aus, dass das Übersetzungsgetriebe ein mittels einer Übersetzungsverstelleinrichtung verstellbares Übersetzungsverhältnis aufweist, wobei die Übersetzungsverstelleinrichtung in Abhängigkeit von der durch das Übersetzungsgetriebe auf die Schaltlast übertragenen Betätigungskraft automatisch betätigbar ist, wobei also mit anderen Worten das Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit der Betätigungskraft automatisch veränderbar ist. „Betätigungskraft“ ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass es sich dabei um die translatorisch, rotatorisch, hydraulisch oder auf andere Weise von der Betätigungseinrichtung auf die Schaltlast übertragene Kraft zur Betätigung der Schaltlast, beispielsweise Kupplung, handelt.
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Dank der Erfindung kann somit das Übersetzungsverhältnis automatisch lastabhängig insbesondere so verändert werden, dass bei zunehmender Betätigungskraft ein grö-ßeres Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsgetriebes gewählt wird, so dass die zunehmende Betätigungskraft vom Aktormotor entsprechend leichter überwunden werden kann. Dies hat zunächst einmal den Vorteil, dass auf diese Weise potenziell erheblich kleinere und damit leichtere, platzsparendere und kostengünstigere Servoaktoren eingesetzt werden können.
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Zudem stellt die automatische Anpassung des Übersetzungsverhältnisses an die Betätigungskraft sicher, dass auch bei Veränderungen der Lastkennlinie - beispielsweise infolge von Setzungserscheinungen oder Verschleiß an einer Fahrzeugkupplung - die variable Getriebeübersetzung des Servoaktors an die veränderte Lastkennlinie, z.B. an eine sich mit der Zeit verändernde Verschiebung des Kupplungsdruckpunkts bzw. Lastmaximums über den Betätigungsweg, selbsttätig angepasst wird. Auf diese Weise bleibt der Vorteil der an die Lastkennlinie angepassten variablen Übersetzung des Servoaktors über die gesamte Lebensdauer sowohl der Betätigungseinrichtung als auch der Schaltlast erhalten, ohne dass die Notwendigkeit etwa zu einer manuellen Nachstellung gegeben ist.
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Aufgrund der automatischen Einstellung bzw. automatisch lastabhängigen Regelung des Getriebe-Übersetzungsverhältnisses entfällt auch die Notwendigkeit für eine spezifische Auslegung bzw. Anpassung von Aktor und Getriebe an die jeweilige Kennlinie der zu betätigenden Schaltlast, wie sie bei bekannten, wegbasiert variablen Übersetzungen beispielsweise von entsprechenden Kupplungsaktoren, notwendig ist.
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Die Erfindung wird dabei so verwirklicht, dass das Übersetzungsgetriebe zur Drehmomentübertragung eine Wälzkörpereinrichtung mit Wälzkörpern und Wälzbahnen aufweist. Das Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsgetriebes ist dabei mittels einer Übersetzungsverstelleinrichtung veränderbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch ist das Übersetzungsgetriebe stufenlos verstellbar ausgebildet, wobei das Übersetzungsgetriebe zur variablen Drehzahluntersetzung und Drehmomenterhöhung vorzugsweise eine Wälzkörpereinrichtung mit Wälzkörpern und Wälzbahnen umfasst.
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Ein stufenlos verstellbares Übersetzungsgetriebe, insbesondere mit einer Wälzkörpereinrichtung zur Drehmomentübertragung ist besonders vorteilhaft aufgrund des vergleichsweise einfachen und robusten Aufbaus. Dank des dabei stufenlos wählbaren Übersetzungsverhältnisses ergibt sich hiermit eine besonders feine Anpassung der Getriebeübersetzung an den Verlauf der Betätigungslast über den Betätigungsweg in allen Betriebszuständen der Schaltlast, beispielsweise Fahrzeugkupplung.
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Erfindungsgemäß umfasst dabei die Wälzkörpereinrichtung des vorzugsweise stufenlosen Übersetzungsgetriebes einen koaxial mit einer zentralen Getriebedrehachse angeordneten Stützwälzbahnkörper mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Stützwälzbahn, ferner zwei um die Getriebeachse rotierbare Triebwälzbahnkörper mit jeweils im Wesentlichen kegelflächenabschnittsförmigen Wälzbahnen, sowie eine Mehrzahl entlang eines Kreisumfangs zwischen dem Stützwälzbahnkörper und den beiden Triebwälzbahnkörpern wälzbar angeordneter Wälzkugeln.
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Die Wälzkugeln sind in einer Käfigeinrichtung der Wälzkörpereinrichtung angeordnet, wobei jede Wälzkugel in der Käfigeinrichtung auf jeweils einer Wälzkugel-Lagerachse der Käfigeinrichtung drehbar gelagert ist. Die jeweilige Wälzkugel-Lagerachse ist dabei in der Käfigeinrichtung so angeordnet, dass sie gemeinsam mit der zentralen Getriebedrehachse des Übersetzungsgetriebes jeweils eine gedachte Ebene definiert, innerhalb welcher die Wälzkugel-Lagerachse zudem mittels der Übersetzungsverstelleinrichtung des Übersetzungsgetriebes verschwenkbar ist. Dabei erfolgt die Verschwenkung aller Wälzkugel-Lagerachsen mittels der Übersetzungsverstelleinrichtung sowohl gleichzeitig als auch winkelsynchron.
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Auf diese Weise ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau des Übersetzungsgetriebes als Wälzkörpergetriebe, bei dem die Übersetzung stufenlos durch synchrones Verschwenken der Wälzkugel-Lagerachsen innerhalb der jeweiligen Lagerachsen-Schwenkebene gewählt werden kann.
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Bevorzugt ist dabei die Übersetzungsverstelleinrichtung zur Veränderung der axialen Position des Stützwälzbahnkörpers entlang der Getriebedrehachse eingerichtet, wobei gleichzeitig die Käfigeinrichtung der Wälzkörpereinrichtung mit der axialen Position des Stützwälzbahnkörpers kinematisch dergestalt zwangsgekoppelt ist, dass jede Veränderung der axialen Position des Stützwälzbahnkörpers den Schwenkwinkel der Wälzkugel-Lagerachsen auf kinematisch bestimmte Weise verändert.
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Dies bedeutet mit anderen Worten, dass mittels Veränderung der axialen Position des Stützwälzbahnkörpers entlang der Getriebedrehachse - anhand der kinematisch bestimmten Kopplung zwischen dem Stützwälzbahnkörper und dem Schwenkwinkel der Wälzkugel-Lagerachsen - auf einfache Weise das Übersetzungsverhältnis der Wälzkörpereinrichtung verändert werden kann. Der Stützwälzbahnkörper erhält somit eine vorteilhafte Doppelfunktion sowohl zur radialen Führung und Abstützung der Wälzkugeln als auch zur Steuerung des Übersetzungsgetriebes, mittels seiner Axialverschiebung entlang der Getriebedrehachse durch die Übersetzungsverstelleinrichtung. Die axiale Verschiebung des Stützwälzbahnkörpers kann dabei auf verhältnismäßig einfache Weise z.B. durch eine mit der Getriebedrehachse koaxiale Betätigungswelle erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stützwälzbahnkörper im Bereich radial innerhalb der (entlang des vorgenannten Kreisumfangs positionierten) Wälzkugeln angeordnet, wobei die Stützwälzbahn des Stützwälzbahnkörpers der Außenfläche eines Zylinders entspricht.
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Eine hierzu alternative Ausführungsform sieht vor, dass der Stützwälzbahnkörper im wesentlichen ringförmig ausgebildet und im Bereich radial außerhalb der Wälzkugeln angeordnet ist, wobei die Stützwälzbahn des Stützwälzbahnkörpers der Innenfläche eines Zylinders entspricht. Insbesondere letztere Ausführungsform führt zu einer axial besonders kompakt ausführbaren, scheibenförmigen Gestaltung der Wälzkörpereinrichtung bzw. des Übersetzungsgetriebes. Auch ergibt sich dabei eine hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit, aufgrund der in diesem Fall sowohl innerhalb des Stützwälzbahnkörpers als auch innerhalb der kreisförmigen Anordnung der Wälzkugeln anordenbaren Triebwälzbahnkörper, die somit dementsprechend kompakt und steif ausgeführt werden können. Überdies können bei dieser Ausführungsform die Triebwälzbahnkörper sowohl für den Antrieb als auch für den Abtrieb des Übersetzungsgetriebes direkt auf jeweils ggf. massiv ausführbaren Getriebeachsen angeordnet werden, da die Notwendigkeit für eine koaxiale Durchführung der Betätigung für die Übersetzungsverstelleinrichtung - aufgrund des hier radial außerhalb der Wälzkugeln angeordneten Stützwälzbahnkörpers - entfällt.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Übersetzungsgetriebe eine Anpressdruckvorrichtung zur Veränderung des Anpressdrucks zwischen Triebwälzbahnkörpern, Stützwälzbahnkörper und Wälzkugeln in Abhängigkeit der durch das Übersetzungsgetriebe auf die Schaltlast übertragenen Betätigungskraft aufweist. Auf diese Weise können Wirkungsgrad und Lebensdauer des Übersetzungsgetriebes entscheidend erhöht werden, wobei sich gleichzeitig die Möglichkeit zur Verkleinerung der Bauform und Reduzierung des Gewichts ergibt, da ein hoher Anpressdruck zwischen Triebwälzbahnkörpern, Stützwälzbahnkörper und Wälzkugeln der Wälzkörpereinrichtung (und damit ein erhöhter Verschleiß) nur bei tatsächlich hohen zu übertragenden Lasten auftritt, während bei geringen Lasten ein entsprechend geringer Anpressdruck für einen minimalen Verschleiß und gleichzeitig hohen Wirkungsgrad sorgt.
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Die Erfindung wird unabhängig davon verwirklicht, wie die Übersetzungsverstelleinrichtung und/oder die Anpressdruckvorrichtung angesteuert bzw. betätigt werden. So ist beispielsweise eine servomotorische Betätigung der Übersetzungsverstelleinrichtung und/oder der Anpressdruckvorrichtung vorstellbar.
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Gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung jedoch erfolgt die Betätigung der Übersetzungsverstelleinrichtung und/oder, vorzugsweise und, die Betätigung der Anpressdruckvorrichtung in Abhängigkeit der Schaltlast entweder mittels hydrostatischer oder mittels mechanischer Kopplung an die Schaltlast. Dies ist insbesondere dann von entscheidendem Vorteil, wenn die Betätigung der Schaltlast auf dieselbe Weise (also entweder hydraulisch oder mechanisch) wie die Betätigung der Übersetzungsverstelleinrichtung und/oder die Betätigung bzw. Regelung der Anpressdruckvorrichtung erfolgt, da dann lediglich ein Abzweig von der Schaltlastbetätigung gelegt werden muss, welcher sodann die Übersetzungsverstelleinrichtung und ggf. gleichzeitig auch die Anpressdruckvorrichtung steuert.
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Auf diese Weise ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des verstellbaren Übersetzungsgetriebes selbst dann, wenn es sich um ein stufenlos verstellbares Übersetzungsgetriebe mit zusätzlicher Anpressdruckregelung handelt.
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Beispielhaft für mögliche Ausführungsformen zeigen die Figuren jeweils erfindungsgemäße Vorrichtungen. Dabei zeigt
- 1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Betätigungseinrichtung mit innenliegendem Stützwälzbahnkörper;
- 2 in einer 1 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform mit außenliegendem Stützwälzbahnkörper;
- 3 in einer 1 und 2 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform mit hydrostatischer Betätigung; und
- 4 in einer 1 bis 3 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform mit mechanischer Betätigung.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine servoaktorische Betätigungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Man erkennt eine nur schematisch angedeutete Kupplung 1, bei der es sich beispielsweise um eine Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs handeln kann. Die Erfindung ist jedoch nicht etwa auf Fahrzeugkupplungen beschränkt, sondern lässt sich generell für mechanische Schaltlasten einsetzen.
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Die Kupplung 1 wird servoaktorisch betätigt durch einen Elektromotor 2, welcher mittels eines Eingangsdrehmoments M1 über ein stufenloses Übersetzungsgetriebe 3 mit einem Ausgangsdrehmoment M2, sowie über ein Aktor-Kopplungselement 4 auf die zu betätigende Kupplung 1 wirkt. Bei dem Aktor-Kopplungselement 4 kann es sich beispielsweise um eine Spindeleinrichtung handeln, welche das Ausgangsdrehmoment M2 am Ausgang 8 des stufenlosen Getriebes 3 in eine translatorische Bewegung zur Betätigung der Kupplung 1 mittels einer Betätigungskraft FK, die somit eine Funktion des Ausgangsdrehmoments M2 ist, umwandelt. Ebenso gut kann das Kopplungselement 4 beispielsweise ein hydrostatisches Übertragungselement zur hydraulischen Kupplungsbetätigung sein, wie dies auch bei dem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß 3 der Fall ist.
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Die Betätigungseinrichtung umfasst ferner ein Rückkopplungselement 5. Das Rückkopplungselement 5 ist mit dem Ausgang des Aktor-Kopplungselements 4 und/oder mit dem Betätigungseingang der Kupplung 1 verbunden, so dass die zwischen Aktor-Kopplungselement 4 und Kupplung wirkende Betätigungskraft FK auch das Rückkopplungselement 5 beaufschlagt. Bei zunehmender Beaufschlagung des Rückkopplungselements 5 durch die Betätigungskraft FK übt das Rückkopplungselement 5 eine zunehmende Verstellkraft Fi, deren Größe somit eine Funktion der Kupplungs-Betätigungskraft FK ist, auf eine Übersetzungsverstelleinrichtung 10, 9a des stufenlosen Übersetzungsgetriebes 3 aus.
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Das stufenlose Übersetzungsgetriebe 3 umfasst eine Wälzkörpereinrichtung mit einem koaxial bezüglich einer zentralen Getriebedrehachse angeordneten Stützwälzbahnkörper 10, zwei um die Getriebedrehachse rotierbaren Triebwälzbahnkörpern 7, 8 jeweils mit im Wesentlichen kegelflächenabschnittsförmigen Wälzbahnen W, sowie mit einer Anzahl entlang eines Kreisumfangs um die Getriebedrehachse sowie zwischen dem Stützwälzbahnkörper 10 und den Wälzbahnen W der beiden Triebwälzbahnkörper 7, 8 wälzbar angeordneter Wälzkugeln 9.
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Die Wälzkugeln 9 sind dabei in einer Käfigeinrichtung 9a mit schwenkbaren Lagerachsen 9b aufgenommen dergestalt, dass jede Wälzkugel 9 in der Käfigeinrichtung 9a auf jeweils einer Wälzkugel-Lagerachse 9b der Käfigeinrichtung 9a drehbar gelagert ist. Die Wälzkugel-Lagerachsen 9b aller Wälzkugeln 9 sind so angeordnet, dass jede der Wälzkugel-Lagerachsen 9b zusammen mit der zentralen Getriebedrehachse jeweils eine gedachte Aufnahmeebene definiert, wobei die jeweilige Wälzkugel-Lagerachse 9b innerhalb ihrer jeweiligen, gedachten Aufnahmeebene mittels der Übersetzungsverstelleinrichtung 5, 10, 9a winkelsynchron mit allen anderen Wälzkugel-Lagerachsen 9b verstellbar ist. Die winkelsynchrone Verstellung aller Wälzkugel-Lagerachsen 9b erfolgt bei der dargestellten Ausführungsform dergestalt, dass die Wälzkugel-Lagerachsen 9b jeweils über (in 1 schematisch angedeutete) Käfigeinrichtungen 9a kinematisch an die axiale Position des Stützwälzbahnkörpers 10 zwangsgekoppelt sind dergestalt, dass eine Veränderung der axialen Position des Stützwälzbahnkörpers 10 über den jeder Wälzkugel-Lagerachse 9b zugeordneten Teil der Käfigeinrichtung 9a zu einer entsprechenden Winkelverstellung aller Wälzkugel-Lagerachsen 9b innerhalb ihrer jeweiligen Aufnahmeebene führt.
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Hierdurch ergeben sich im Bereich der kegelflächenabschnittsförmigen Wälzbahnen W, mit denen die Triebwälzbahnkörper 7, 8 auf die Oberflächen der Wälzkugeln 9 gepresst werden, bezogen auf die Wälzkugel-Lagerachsen 9b unterschiedliche effektive Kugelabschnitts-Wirkradien, so dass sich in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel der Wälzkugel-Lagerachsen 9b stufenlos unterschiedlichste Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antriebs-Triebwälzbahnkörper 7 und dem Abtriebs-Triebwälzbahnkörper 8 einstellen lassen. Bei der in 1 dargestellten Position des Stützwälzbahnkörpers 10 zeichnungsbezogen an einem (nicht gezeichneten) linken Anschlag ist der effektive Wirkradius der kegelflächenabschnittsförmigen Wälzbahn W des Antriebs-Triebwälzbahnkörpers 7 auf den Wälzkugeln 9, bezogen auf die Wälzkugel-Lagerachsen 9b, vergleichsweise klein, während der effektive Wirkradius der kegelflächenabschnittsförmigen Wälzbahn W des Abtriebs-Triebwälzbahnkörpers 8 auf den Wälzkugeln 9 vergleichsweise groß ist. Dies bedeutet, dass der Abtriebs-Triebwälzbahnkörper 8 sich bei der dargestellten Axialposition des Stützwälzbahnkörpers 10 schneller dreht als der Antriebs-Triebwälzbahnkörper 7.
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Wird der Stützwälzbahnkörper 10 (insbesondere bei zunehmender Betätigungskraft der Kupplung 1) mittels des Rückkopplungselements 5 zeichnungsbezogen weiter nach rechts verschoben, so verändert sich das Übersetzungsverhältnis zunächst in Richtung übereinstimmender Drehzahlen zwischen den beiden Triebwälzbahnkörpern 7, 8 (bei Horizontalstellung der Wälzkugel-Lagerachsen 9b), und bei weiterer Rechtsverschiebung des Stützwälzbahnkörpers 10 allmählich in Richtung Untersetzung, bei der sich also der Antriebs-Triebwälzbahnkörper 7 schneller dreht als der Abtriebs-Triebwälzbahnkörper 8, mit entsprechender Erhöhung des Ausgangsdrehmoments M2 am Abtriebs-Triebwälzbahnkörper 8.
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In jeder Schwenkwinkelposition der Wälzkugel-Lagerachsen 9b werden die Wälzkugeln 9 dabei von dem Stützwälzbahnkörper 10 gestützt und am Ausweichen in radialer Richtung nach innen gehindert, so dass der zur Drehmomentübertragung erforderliche Anpressdruck zwischen den kegelflächenabschnittsförmigen Wälzbahnen W der Triebwälzbahnkörper 7, 8 und den Wälzkugeln 9 stets gewährleistet ist.
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Zur Drehmomentübertragung ist es dabei erforderlich, entweder den Stützwälzbahnkörper 10, oder die Käfigeinrichtung 9a mit den Wälzkugel-Lagerachsen 9b und den Wälzkugeln 9, rotatorisch bezüglich eines Gehäuses (in den Figuren nicht dargestellt) des Übersetzungsgetriebes zu fixieren.
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Da das Rückkopplungselement 5 mit dem Ausgang des Aktor-Kopplungselements 4 bzw. mit dem Betätigungseingang der Kupplung 1 verbunden ist, so dass die zwischen Aktor-Kopplungselement 4 und Kupplung wirkende Betätigungskraft FK auch das Rückkopplungselement 5 beaufschlagt, bedeutet dies, dass bei zunehmender, vom Aktor-Kopplungselement 4 auf die Kupplung übertragener Betätigungskraft auch das Rückkopplungselement 5 an seinem Eingang mit einer zunehmenden Kraft beaufschlagt wird.
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Die zunehmende Kraftbeaufschlagung des Rückkopplungselements 5 durch die Kupplungs- Betätigungskraft FK führt somit zu einer zunehmenden Verstellkraft Fi und somit zu einer Verschiebung des Stützwälzbahnkörpers 10 durch das Rückkopplungselement 5 nach zeichnungsbezogen rechts, gegen die Rückstellkraft einer Rückstellfeder 19. Auf diese Weise wird somit das Übersetzungsverhältnis des stufenlosen Getriebes 3 bei zunehmender Kupplungs-Betätigungskraft FK immer weiter verkleinert, wodurch sich dessen Ausgangsdrehzahl immer weiter reduziert und gleichzeitig dessen Ausgangsdrehmoment M2 immer weiter erhöht so lange, bis beispielsweise der Kupplungsdruckpunkt mit einhergehender erhöhter Betätigungskraft FK überwunden ist, und die Betätigungskraft FK an der Kupplung somit wieder abfällt.
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Nach dem Abfall der Betätigungskraft FK an der Kupplung erfolgt über die Kraftrückkopplung der Kupplungs-Betätigungskraft FK via Rückkopplungselement 5 auf den Verstellweg des Stützwälzbahnkörpers 10 anhand der Rückstellfeder 19 wieder eine entsprechende Rückverstellung des Übersetzungsverhältnisses am Übersetzungsgetriebe 3, indem der Stützwälzbahnkörper 10 sich aufgrund der Kraft der Rückstellfeder 19 zeichnungsbezogen wieder nach links bewegt, wodurch sich die Ausgangsdrehzahl des Übersetzungsgetriebes 3 wieder erhöht und das Ausgangsdrehmoment M2 entsprechend reduziert.
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Insgesamt führt dies zu einer selbsttätigen Regelung des dargestellten, erfindungsgemäßen Kupplungsaktors 2, 3, 4 dergestalt, dass bei geringer Kupplungs-Betätigungskraft FK automatisch ein schnelles Verfahren der Kupplungsbetätigung mit geringer Kraft erfolgt, während bei auftretender hoher Kupplungs-Betätigungskraft die Verfahrgeschwindigkeit der Kupplungsbetätigung automatisch verringert und die Betätigungskraft entsprechend erhöht wird. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, bezüglich des Eingangsdrehmoments M1 minimal dimensionierte Motoren 2 für den Kupplungsaktor zu verwenden, mit entsprechend vorteilhaften Folgen bezüglich Bauraum, Masse, Energiebedarf und Kosten.
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Aufgrund der automatischen Einstellung bzw. automatisch lastabhängigen Regelung des Getriebe-Übersetzungsverhältnisses entfällt auch die Notwendigkeit für eine spezifische Auslegung bzw. Anpassung des Servoaktors 2, 3 an die jeweilige Kennlinie der zu betätigenden Kupplung bzw. Schaltlast 1, wie sie bei anderen bekannten, beispielsweise wegbasiert variablen Übersetzungen von entsprechenden Kupplungsaktoren notwendig ist, ebenso wie die Notwendigkeit zu einer entsprechenden Nachstellung der Übersetzung im Fall von Setzungserscheinungen oder Verschleiß auf Seiten der betätigten Kupplung 1.
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Zusätzlich besitzt der in 1 dargestellte Kupplungsaktor noch eine Anpressdruckvorrichtung zur Optimierung des Wirkungsgrads und zur Minimierung des Verschlei-ßes im Übersetzungsgetriebe 3. Hierzu ist der abtriebsseitige Triebwälzbahnkörper 8 so angeordnet und gelagert, dass die auf die Kupplung 1 übertragene Betätigungskraft über das zwischen Getriebe 3 und Kupplung 1 angeordnete Aktor-Kopplungselement 4, das beispielsweise in Form einer Gewindespindeleinrichtung vorliegen kann, zusätzlich zur Betätigung des Aktor-Kopplungselements 4 auch wieder auf den abtriebsseitigen Triebwälzbahnkörper 8 - in Form einer mit zunehmendem Ausgangsdrehmoment M2 und entsprechend zunehmender Kupplungs-Betätigungskraft FK zunehmenden Andruckkraft - zurückwirkt. Dies bewirkt mit anderen Worten eine zunehmende Anpresskraft zwischen dem abtriebsseitigen Triebwälzbahnkörper 8, dem antriebsseitigen Triebwälzbahnkörper 7, und den dazwischen angeordneten Wälzkugeln 9, sobald das Ausgangsdrehmoment M2 am Getriebe, bzw. die Kupplungs-Betätigungskraft FK zunimmt.
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Auf diese Weise lässt sich - für die Dauer der auftretenden hohen Kupplungs-Betätigungskraft FK - dem Getriebe 3 ein vergleichsweise großes Ausgangsdrehmoment M2 entnehmen, während bei auftretender geringerer Kupplungs-Betätigungskraft FK ein entsprechend geringerer Anpressdruck zwischen den Triebwälzbahnkörpern 7, 8 und den Wälzkugeln 9 vorliegt, mit entsprechend vorteilhaften Folgen bezüglich Wirkungsgrad, Reibungsverlusten und Lebensdauer des Übersetzungsgetriebes 3.
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2 zeigt eine servoaktorische Kupplungs-Betätigungseinrichtung, deren Funktionsprinzip - einschließlich stufenloser Verstellbarkeit, automatischer Anpassung des Übersetzungsverhältnisses sowie des Anpressdrucks zwischen Triebwälzbahnkörpern 7, 8 und Wälzkugeln 9 - mit der in 1 dargestellten Betätigungseinrichtung übereinstimmt. Der einzige wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Betätigungseinrichtung gemäß 2 der Stützwälzbahnkörper 12 nicht - wie bei der Betätigungseinrichtung gemäß 1 - als Zylinder ausgebildet und im Bereich radial innerhalb der Wälzkugeln 9 angeordnet, sondern ringförmig ausgebildet und im Bereich radial außerhalb der Wälzkugeln 9 positioniert ist.
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Auch bei dem Übersetzungsgetriebe 3 gemäß 2 erfolgt somit die Änderung des Übersetzungsverhältnisses durch Veränderung der axialen Position des Stützwälzbahnkörpers 12, so dass sämtliche Wälzkugel-Lagerachsen 9b (mittels der kinematisch an die Axialposition des Stützwälzbahnkörpers 12 zwangsgekoppelten Käfigeinrichtung 9a mit den darin aufgenommenen Wälzkugel-Lagerachsen) mit der Axialposition des Stützwälzbahnkörpers 12 synchron winkelverschwenkt werden. Die Veränderung der axialen Position des Stützwälzbahnkörpers 12 erfolgt dabei - genau wie bei der Betätigungseinrichtung gemäß 1 - in Abhängigkeit der auf die Kupplung 1 übertragenen Betätigungskraft, ebenso wie der Anpressdruck zwischen den Triebwälzbahnkörpern 7, 8 und den Wälzkugeln 9, rückgekoppelt über das Aktor-Kopplungselement 4 zwischen Getriebe und Kupplung, hier ebenfalls wieder lastabhängig reguliert wird.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer servoaktorischen Kupplungs-Betätigungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform gemäß 3 stimmt bezüglich des Wirkprinzips mit der Ausführungsform gemäß 1 vollständig überein. Der Unterschied zwischen den Ausführungsformen gemäß 1 und 3 besteht lediglich darin, dass 3 ein allgemeines Prinzip einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung (mit innenliegender Getriebe-Verstelleinrichtung) zeigt, während in 3 ein konkreteres Beispiel dargestellt ist, bei dem die - in 1 allgemein gehaltenen Wirkzusammenhänge - konkret mittels einer hydrostatischen Schaltung verwirklicht sind.
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Man erkennt in 3 insbesondere das dort als Geberkolben 15 ausgeführte Aktor-Kopplungselement zwischen Getriebe 3 und Kupplung 1, wobei der Geberkolben 15 über eine hydrostatische Kopplungsstrecke 13 auf einen an der Kupplung 1 angeordneten Nehmerkolben 14 wirkt.
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Ausgehend vom Getriebe 3 erfolgt die Betätigung des Geberkolbens 15 dabei über ein (hier nur schematisch angedeutetes) Rotations-/Translationsgetriebe, beispielsweise über einen Spindeltrieb. Die Verstellung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 3 erfolgt - ebenso wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 schematisch dargestellt - über ein an die Wirkverbindung 13 zwischen Aktorausgang 15 und Kupplungseingang 14 angeschlossenes Rückkopplungselement 16, welches bei der Ausführungsform gemäß 3 als hydraulischer Aktor 16 ausgeführt und zur Rückstellung in seine Ausgangsposition bei nachlassendem Hydraulikdruck FK mit einer Rückstellfeder 19 versehen ist.
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Demzufolge führt eine erhöhte Betätigungskraft FK an der Kupplung, beispielsweise vor dem Erreichen des Kupplungsdruckpunkts, zu einer entsprechenden Erhöhung des Hydraulikdrucks in der hydrostatischen Kopplungsstrecke 13 zwischen Geberkolben 15 und Nehmerkolben 14, und teilt sich über die strichliert gezeichnete Abzweigung auch dem Aktor-Verstellkolben 16 mit. Dieser ändert daraufhin das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 3 dergestalt, dass sich die Getriebe-Ausgangsdrehzahl verringert, und das Ausgangsdrehmoment bzw. die auf den Geberkolben 15 wirkende Ausgangskraft entsprechend erhöht in derselben Weise, wie bereits detailliert oben hinsichtlich 1 beschrieben.
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Über das Prinzip „Actio = Reactio“ teilt sich bei der dargestellten Ausführungsform die erhöhte Betätigungskraft FK auf die Kupplung 1 rückwirkend auch wieder dem abtriebsseitigen Triebwälzbahnkörper 8 mit, so dass dieser umso stärker gegen die Wälzkugeln 9, und diese entsprechend umso stärker gegen den antriebsseitigen Triebwälzbahnkörper 7 gepresst werden, umso höher die momentane Betätigungskraft der Kupplung ist. Wie oben hinsichtlich 1 beschrieben, kommt dies insbesondere dem Wirkungsgrad, der optimalen Dimensionierung und der Verschleißreduzierung des Übersetzungsgetriebes 3 zugute.
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4 zeigt eine servoaktorische Betätigungseinrichtung für eine Kupplung, welche mit dem generellen Funktionsprinzip gemäß 1 ebenfalls weitestgehend übereinstimmt. Die Betätigungseinrichtung gemäß 4 ist im Unterschied zu der Betätigungseinrichtung gemäß 3 jedoch als rein mechanische Umsetzung des Funktionsprinzips gemäß 1 ausgelegt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Betätigungseinrichtung gemäß 4 eine ziehende Kupplungsbetätigung über die Betätigungskraft FK zeigt.
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Hierzu besitzt die Betätigungseinrichtung gemäß 4 eine schematisch angedeutete Gewindespindel 25, welche in einer Spindelmutter 24 aufgenommen und - zur rotatorischen Festlegung - mittels einer axial frei beweglichen, jedoch rotatorisch fixen Verbindung 22 rotatorisch an die (hier rotatorisch ebenfall feste) Käfigeinrichtung 9a für die Wälzkugeln 9 gekoppelt ist. Die Spindelmutter 24 ist fixiert in einer Hülse 23, welche über eine Verbindung 20 axial frei beweglich, jedoch rotatorisch fest mit dem abtriebsseitigen Triebwälzbahnkörper 8 verbunden ist.
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Rotation des abtriebsseitigen Triebwälzbahnkörpers 8 führt somit zu entsprechender Rotation der Hülse 23 und der darin angeordneten Spindelmutter 24, und somit zu entsprechender Verlagerung der rotatorisch fixierten Spindel 25 entlang der Axialrichtung des Übersetzungsgetriebes 3. Auf diese Weise lässt sich durch die Spindel 25 beispielsweise eine (hier nicht dargestellte) Fahrzeugkupplung betätigen.
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Dabei führt eine zunehmende Kupplungs-Betätigungskraft (die hier ziehend über die Spindel 25 erfolgt) über die Spindelmutter 24 rückwirkend zu einer Verlagerung der Hülse 23 in Axialrichtung des Übersetzungsgetriebes 3 zeichnungsbezogen nach rechts. Über eine axial feste, rotatorisch jedoch frei bewegliche Lagerverbindung 21 ist die - zusammen mit dem abtriebsseitigen Triebwälzbahnkörper 8 rotierende - Hülse 23 mit dem Stützwälzbahnkörper 10 verbunden, welcher bei Bewegung entlang der Axialrichtung (wie bei den vorstehenden Ausführungsformen) über eine am Stützwälzbahnkörper 10 kinematisch zwangsgeführte Käfigeinrichtung 9a die Wälzkugel-Lagerachsen 9b synchron verschwenkt, so dass sich wieder eine entsprechende Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 3 ergibt.
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Die axiale Relativposition des Stützwälzbahnkörpers 10 verändert sich somit - bei zunehmender Betätigungs-Zugkraft FK in der Spindel 25 in Richtung der Kupplung, sowie entgegen der Rückstellkraft der Zugfeder 19 - dergestalt zeichnungsbezogen nach rechts, dass sich ein abnehmendes Übersetzungsverhältnis, eine abnehmende Ausgangsdrehzahl und damit die gewünschte Erhöhung des Ausgangsdrehmoments M2 am Getriebe 3 ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplung
- 2
- Aktorantrieb, Elektromotor
- 3
- stufenloses Übersetzungsgetriebe
- 2+3
- Kupplungsaktor
- 4
- Aktor-Kopplungselement zwischen Getriebe und Kupplung
- 5
- Rückkopplungselement, Übersetzungsverstellung
- 6
- Antriebselement, z.B. Zahnradgetriebe
- 7
- antriebsseitiger Triebwälzbahnkörper
- 8
- abtriebsseitiger Triebwälzbahnkörper
- 9
- Wälzkugel
- 9a
- schwenkbare Wälzkugel-Käfigeinrichtung
- 9b
- Wälzkugel-Lagerachse
- 10
- Stützwälzbahnkörper, innere Verstellanordnung
- 11
- Lastrückkopplung für Anpresskraft
- 12
- Stützwälzbahnkörper, äußere Verstellanordnung
- 13
- hydrostatische Kopplungsstrecke
- 14
- Nehmerkolben Kupplung
- 15
- Geberkolben Aktor
- 16
- Verstellkolben Aktor
- 17
- Ausgleichsbehälter
- 18
- Rotations-/Translationsgetriebe, z. B. Spindeltrieb
- 19
- Feder
- 20
- Momentenmitnahme
- 21
- Axiallager
- 22
- Verdrehsicherung
- 23
- Hülse
- 24
- Mutter
- 25
- Spindel
- FK
- Schaltlast, Kupplungskraft
- Fi
- Verstellkraft
- M1
- Getriebe-Eingangsdrehmoment
- M2
- Getriebe-Ausgangsdrehmoment
- W
- Wälzbahn
