DE112017001897T5

DE112017001897T5 - Kupplungsbetätigungsmechanismus

Info

Publication number: DE112017001897T5
Application number: DE112017001897.8T
Authority: DE
Inventors: Sebastian Tiemeyer; Hagen Müller; Frank Bewermeyer
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-12-27
Also published as: EP3228894A1; US20190040918A1; CN108884879A; US10794431B2; CN108884879B; WO2017174562A1

Abstract

Ein Kupplungsbetätigungsmechanismus zur Betätigung eines Kupplungsbedienungsmittels (3) einer federbelasteten Reibungskupplung, der mindestens eine motorgetriebene Drehscheibe (10) zur Verbindung mit dem Kupplungsbedienungsmittel (3) umfasst, ermöglicht den Betrieb des Motors mit einem im Wesentlichen konstanten und reduzierten Drehmoment, wenn ein Stift (12) mit einem Versatz (r) von der Scheibendrehachse (11) an der Scheibe (10) befestigt ist und wenn ein Hebel (20) eine gekrümmte Kontaktfläche (22) aufweist und wenn eine Feder den Hebel (20) mit seiner Kontaktfläche (22) gegen den Stift (12) presst, um dadurch ein zusätzliches Drehmoment für die Scheibe (10) bereitzustellen. Somit bewegt sich der Stift (12) über die Kontaktfläche (22), wenn sich die Scheibe (10) dreht, um die federbelastete Kupplung über das Kupplungsbedienungsmittel zu öffnen oder zu schließen, und die Krümmung ermöglicht eine Anpassung des durch die Feder bereitgestellten Drehmoments an das zum Kompensieren der Kupplungsfeder erforderliche Drehmoment.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kupplungsbetätigungsmechanismus zur Betätigung eines Kupplungsbedienungsmittels einer federbelasteten Reibungskupplung. Der Kupplungsbetätigungsmechanismus weist eine motorgetriebene Drehscheibe zur Verbindung mit dem Kupplungsbedienungsmittel zwecks Betätigung des Kupplungsbedienungsmittels durch eine Drehung der Scheibe um die Scheibendrehachse auf.
Beschreibung der verwandten Technik
Eine Kupplung ist eine Vorrichtung zum selektiven Koppeln einer Eingangswelle mit einer Ausgangswelle, das heißt zum Zuschalten („Einrücken“) oder Abschalten („Ausrücken“) der Übertragung von Drehmoment und somit von Leistung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle. Es werden auch die Begriffe eine Kupplung schließen (= einrücken) oder öffnen (= ausrücken) verwendet. Im geschlossenen Zustand sind die Eingangswelle und die Ausgangswelle auf eine Drehmoment übertragende Weise gekoppelt (das heißt, die Kupplung überträgt jegliches Drehmoment, das unter ihrem vorgegebenen Maximaldrehmoment liegt). Im geöffneten Zustand sind die Wellen entkoppelt, und es findet keine Drehmomentübertragung zwischen den beiden Wellen statt. Mit anderen Worten, die Eingangswelle und die Ausgangswelle der Kupplung können sich unabhängig voneinander drehen. Zwischen diesen beiden Zuständen kann eine Reibungskupplung rutschen, was bedeutet, dass die Kupplung nur einen Bruchteil des der Eingangswelle zugeführten Drehmoments auf die Ausgangswelle übertragen kann. Rutschen ermöglicht zum Beispiel das sanfte Koppeln der beiden Wellen, wenn sie sich mit verschiedenen Drehzahlen drehen.
Insbesondere in Kraftfahrzeuganwendungen ermöglichen Reibungskupplungen das Verbinden oder Trennen der Kraftmaschinenausgangswelle (in der Regel der Kurbelwelle) mit bzw. von der Getriebeeingangswelle. Diese Reibungskupplungen weisen in der Regel eine Kupplungsscheibe (oder eine anders geformte Kupplungsvorrichtung) auf, die auf eine Drehmoment übertragende Weise mit einer der beiden Wellen (meistens mit einer Kupplungseingangswelle, die oftmals gleichzeitig die Kraftmaschinenausgangswelle ist) verbunden ist. Die Kupplungsscheibe ist mittels eines Kupplungsbedienungsmittels (zum Beispiel eines Kupplungshebels, einer Druckstange, einer Zugstange, eines Bowdenzugs oder dergleichen) axial beweglich, und eine Kupplungsfeder belastet die Kupplungsscheibe in Richtung eines Treibers. Der Treiber ist auf eine Drehmoment übertragende Weise mit der zweiten der Wellen, in der Regel der Getriebeeingangswelle (= Kupplungsausgangswelle), verbunden. Der Treiber wird gemeinhin als Kupplungsglocke bezeichnet, und diese Begriffe werden hier austauschbar verwendet. Aufgrund der Reibung zwischen der Kupplungsscheibe und der Kupplungsglocke kann ein Drehmoment zwischen der ersten und der zweiten Welle übertragen werden. Ein Kupplungsbedienungsmittel, wie zum Beispiel ein Kupplungshebel, ist mit der Kupplungsscheibe verbunden, wodurch ermöglicht wird, die Kupplungsscheibe von der Kupplungsglocke weg zu bewegen, wodurch die Kupplung geöffnet wird, das heißt, die beiden Wellen getrennt werden. Wenn der Hebel (das Kupplungsbedienungsmittel) gelöst wird, drückt die Feder die Kupplung gegen die Kupplungsglocke, und die beiden Wellen werden auf eine Drehmoment übertragende Weise verbunden. Das Kupplungsbedienungsmittel ist in der Regel mit einem Kupplungspedal mechanisch verbunden, wodurch einem Fahrer ermöglicht wird, den Kupplungshebel mit einem seiner Füße, in der Regel unter Verwendung des linken Fußes, zu betätigen.
In Drive-by-Wire-Anwendungen ist das Kupplungspedal mit dem Kupplungsbedienungsmittel nicht mechanisch gekoppelt, stattdessen muss das Kupplungsbedienungsmittel als Reaktion auf ein Sensorsignal, zum Beispiel von einem Kupplungspedalauslenkungssensor, von einem Motor betätigt werden. Dies ist an sich leicht, aber ein Problem beim Antrieb des Kupplungshebels besteht darin, dass seine Kraft-/Auslenkungskurve nicht linear ist und zwischen den Stellen, an denen die Kupplung einrückt bzw. ausrückt, ein ausgeprägtes Maximum aufweist. Darüber hinaus kann die zum Öffnen einer Kupplung erforderliche Kraft erheblich sein und oftmals in dem Bereich von ein paar kN liegen.
In der DE 197 10 365 C2 ist vorgeschlagen worden, eine Kupplung mit einem Elektromotor zu betätigen, der über eine Reibungskupplung einen Schneckentrieb antreibt. Die Gewindespindel des Schneckentriebs nimmt ein Zahnrad in Eingriff. Das Zahnrad ist mit einem Drehnocken verbunden, wobei ein Stift von der Drehachse des Zahnrads versetzt ist. Der Stift nimmt eine Druckstange zur Betätigung einer Kupplungsscheibe in Eingriff. Somit kann die Druckstange in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Elektromotors vorgerückt oder zurückgezogen werden. Zur Reduzierung des zur Drehung der Gewindespindel erforderlichen Drehmoments ist eine Feder mit dem Drehnocken gekoppelt, um potentielle Energie beim Schließen der Kupplung zu speichern. Diese potentielle Energie wird zur Unterstützung des Motors beim Öffnen der Kupplung zu einem späteren Zeitpunkt verwendet.
Die DE 3501351 A schlägt einen Steuermechanismus für eine Kraftfahrzeugkupplung vor. Die Kupplung wird durch Schwenken eines Lösehebels betätigt. Der Lösehebel weist zwei Arme auf, einen an jeder Seite eines den Lösehebel bezüglich eines Gehäuses stützenden Schwenklagers. Der Antrieb zum Schwenken des Lösehebels umfasst einen zweiten Hebel, der bezüglich des Gehäuses schwenkbar gelagert ist und mit einem Stift in einen radialen Schlitz im zweiten Arm des Lösehebels eingreift. Das distale Ende des zweiten Hebels weist Zähne auf, in die ein motorgetriebenes Zahnrad eingreift.
Die GB 2 117 076 A schlägt auch einen Steuermechanismus für eine Kraftfahrzeugkupplung mit einem Lösehebel vor. Zwei Federn sind zur Vorbelastung des Lösehebels in Abhängigkeit von seiner Stellung mit dem Hebel verbunden. Die Überlagerung der Federlasten soll die Kupplungsfeder kompensieren, wodurch ermöglicht wird, dass ein vergleichsweise kleiner Elektromotor die Kupplung einrückt und ausrückt.
Kurzfassung der Erfindung
Das durch die Erfindung zu lösende Problem besteht in der Bereitstellung eines einfachen und zuverlässigen Kupplungsbetätigungsmechanismus.
Lösungen für das Problem werden in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Verbesserungen der Erfindung.
Der Kupplungsbetätigungsmechanismus zur Betätigung eines Kupplungsbedienungsmittels einer federbelasteten Reibungskupplung umfasst mindestens eine Drehscheibe zur Verbindung mit dem Kupplungsbedienungsmittel. Die Verbindung kann zum Beispiel dadurch bereitgestellt werden, dass eine Druckstange schwenkbar mit der Scheibe und dem Kupplungsbedienungsmittel verbunden ist. Es können auch andere Arten der Verbindung der Scheibe mit dem Kupplungsbedienungsmittel verwendet werden, wie zum Beispiel ein Bowdenzug, ein hydraulischer Aktuator oder dergleichen. Die Scheibe kann zum Beispiel einen Nocken bereitstellen (oder mit einer Nockenscheibe oder Nockenwelle verbunden sein), um ein Kupplungsbedienungsmittel gegen die durch die Kupplungsfeder bereitgestellte Kraft zu drücken. Die Scheibe muss keine vollständige Scheibe sein, sie kann auch ein Scheibensegment sein, um dadurch das Gewicht und die Größe des Kupplungsbetätigungsmechanismus zu reduzieren.
Wie oben angeführt, ist die Scheibe eine Drehscheibe. Dies bedeutet, dass sie drehbar gelagert ist, um eine Drehung der Scheibe um eine Scheibendrehachse zu ermöglichen, zum Beispiel durch ein Radiallager. Ein Motor ist zum Drehantrieb der Scheibe gekoppelt; mit anderen Worten, der Motor kann ein erstes Drehmoment M_M für die Scheibe bereitstellen, das zu einer Drehung der Scheibe beiträgt.
Die Scheibe umfasst einen Stift, der mit einem Versatz r von der Scheibendrehachse an der Scheibe befestigt ist. Wenn sich die Scheibe dreht, stellt der Stift eine kreisförmige Bahn mit einem Radius r bereit. Demgemäß definieren die Scheibendrehachse und der Stift einen Vektor von der Drehachse zu dem Stift, der als $\vec{r}$
bezeichnet wird (r wird zur Angabe des entsprechenden Skalars, das heißt der Länge des Vektors, verwendet).
Ein Hebel wird zum Schwenken um eine Hebelschwenkachse schwenkbar gestützt. Die Schwenkachse und die Scheibendrehachse sind zumindest im Wesentlichen parallel (±5°). Der Hebel weist eine Kontaktfläche auf, die gegen den Stift gedrückt wird, um dadurch ein zweites Drehmoment für die Scheibe bereitzustellen. Dazu presst eine Feder den Hebel mit seiner Kontaktfläche gegen den Stift. Bei Drehung der Scheibe zum Öffnen und Schließen der federbelasteten Kupplung über das Kupplungsbedienungsmittel bewegt sich der Stift über die Kontaktfläche. Der Hebelarm d_l des die Federkraft über den Stift auf die Scheibe übertragenden Hebels ändert sich somit während der Drehung und ermöglicht die Anpassung des für die Scheibe bereitgestellten zusätzlichen Drehmoments, um die zur Betätigung der Kupplung über das Kupplungsbedienungsmittel erforderliche nicht konstante Kraft zumindest teilweise zu kompensieren. Somit kann das Drehmoment, das von dem Motor bereitgestellt werden muss, niedrig und fast konstant gehalten werden. Dadurch können die von dem Motor benötigte Kraft und auch das Gewicht des Motors reduziert werden. Darüber hinaus kann ferner das den Motor mit der Scheibe koppelnde Getriebe leichter (und somit kostengünstiger) sein. Im einfachsten Fall weist die Motorwelle ein Ritzel auf, das mit Zahnradzähnen der Scheibe in Eingriff steht, es können aber auch andere komplexere Getriebe verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kontaktfläche gekrümmt. Dies ermöglicht eine sogar noch bessere Anpassung des über den Hebel für die Scheibe bereitgestellten Drehmoments M_l an das zur Bedienung des Kupplungsbedienungsmittels erforderliche Drehmoment. Wenn der Stift die Kontaktfläche an einer variierenden Stelle berührt, definiert dies eine so genannte ‚erste Tangente‘ der Kontaktfläche, oder mit anderen Worten, die erste Tangente ist die Tangente der Kontaktfläche an der Stelle, an der die Kontaktfläche den Stift berührt. Eine ‚zweite Tangente‘ wird durch die Bewegungsbahn des Stifts definiert, wieder an der Stelle, an der der Stift die Kontaktfläche berührt. Diese beiden Tangenten schneiden sich in einem Winkel δ an dem Punkt, an dem der Stift die Kontaktfläche berührt (wenn der Durchmesser des Stifts vernachlässigt wird). Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Kontaktfläche einen Abschnitt auf, an dem der Winkel δ folgender Gleichung folgt: $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} (φ) \sqrt{r^{2} {sin}^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - cos (φ)))}^{2}}}{r (F_{0} + k \cdot Δ l) d_{S}}) \pm Δ δ .$
Hier ist M_C(φ) (kurz M_C) das Drehmoment (±20%, vorzugsweise ±10% oder besonders bevorzugt ±5% oder sogar weniger), das zum Kompensieren der Kupplungsfeder als Funktion von φ erforderlich ist. φ ist der Winkel zwischen der durch die Mitte des Stifts definierten Radialrichtung und dem von der Drehachse ausgehenden und durch die Schwenkachse verlaufenden Strahl. d_min ist der Mindestabstand zwischen der Mitte des Stifts und der Schwenkachse, das heißt der Abstand zwischen der Mitte des Stifts und der Schwenkachse, wenn $\vec{r}$
zur Schwenkachse weist (Winkel zwischen (φ) und r(φ = 0). Δδ ist eine Grenze, die klein gehalten werden sollte, zum Beispiel Δδ ≤ 10°, vorzugsweise Δδ ≤ 5°, besonders bevorzugt Δδ ≤ 1°.
$\vec{F_{0}}$
ist die durch die Feder an einem Hebelarm $\vec{d_{S}}$
von der Schwenkachse für den Hebel bereitgestellte Kraft (wie immer wird die Vektorlänge durch Weglassen des Pfeils dargestellt), $\vec{k}$
ist die Federkonstante und Δ $\vec{l}$
die Ausdehnung der Feder bezüglich der Länge l₀, wobei die Feder $\vec{F_{0}}$
bereitstellt. Nur der Einfachheit halber sollten $\vec{F_{0}}, \vec{k}$
und Δl zumindest annähernd parallel (±10°) sein und zumindest ungefähr orthogonal (±10°) zu $\vec{d_{S}}$
sein. Abweichungen von der Orthogonalität können durch Ersetzen von (F₀ + k · Δl ) d_S durch (F₀ + k · Δl) d_S sin γ kompensiert werden, wobei y der Winkel zwischen der durch die Feder bereitgestellten Kraft $\vec{F_{S}}$
und dem Hebelarm $\vec{d_{S}}$
ist. In diesem Fall kann die Beschränkung für die Orthogonalität vernachlässigt werden, und δ beträgt: $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} \sqrt{r^{2} {sin}^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - cos (φ)))}^{2}}}{r (F_{0} + k \cdot Δ l) \cdot d_{S} \cdot sin (γ)}) \pm Δ δ .$
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stift durch die Scheibe drehbar gestützt, wodurch Reibung reduziert wird, und somit ist die Reaktion der Kupplung auf (zum Beispiel über eine Steuereinheit) dem Motor zugeführte Steuerungen direkter, da Losbrechmoment reduziert ist.
Vorzugsweise umfasst der Kupplungsbetätigungsmechanismus eine Stützstruktur, die mindestens das (Radial-)Lager der Scheibe, den schwenkbaren Stützmechanismus des Hebels und den Motor stützt. Die Zwangskräfte werden somit durch die Stützstruktur so weit wie möglich aufgenommen. Die Stützstruktur kann an dem Kupplungsgehäuse, einem Kupplungsträger oder dergleichen befestigt sein, um dadurch eine geschlossene Gelenkverbindung der Komponenten bereitzustellen.
Vorzugsweise ist der Motor ein Elektromotor, der über ein Untersetzungsgetriebe mit der Scheibe gekoppelt ist.
Wenn die Kontaktfläche zum Beispiel ein erstes Segment aufweist, wo der Winkel δ null (±5°) ist, wird das Drehmoment des Motors durch die Feder nicht verstärkt, dies ist zum Beispiel bei Winkeln φ, bei denen M_C(φ) ziemlich klein ist oder im Wesentlichen verschwindet (das heißt M_C(φ)) von Vorteil. Ziemlich klein bedeutet hier, dass $M_{C} (φ) \leq \frac{1}{3} M a x (M_{C}),$
vorzugsweise $M_{C} (φ) \leq \frac{1}{10} M a x (M_{C}),$
wobei Max(M_C(φ)) das Maximum von M_C zum Kompensieren der Kupplungsfeder ist.
Bei einem bevorzugten Beispiel wird δ zum Überkompensieren des zum Kompensieren der Kupplungsfeder erforderlichen Drehmoments ausgewählt, wenn sich die Kupplungsbedienungsmittel in einer Stellung befinden, in der die Kupplung geöffnet und/oder geschlossen ist. Dies ermöglicht ein Ausschalten des Motors in den jeweiligen Endstellungen, und die entsprechende Endstellung (Kupplung geöffnet oder geschlossen) wird aufrechterhalten. Mit anderen Worten, der Kupplungsbetätigungsmechanismus macht die Kupplung bistabil. Es wird keine Energie verschwendet, um die Kupplung geöffnet bzw. geschlossen zu halten.
Die Auswahl von δ, wie vorgeschlagen, ist einfach, einfach M_C(φ_geöffnet) und/oder M_C(φ_geschlossen) (bei Vernachlässigung eines potentiellen Vorzeichens) durch einen etwas größeren Wert für die Winkel M_C(φ_geöffnet) oder M_C(φ_geschlossen), was der geöffneten bzw. geschlossenen Stellung entspricht, ersetzen. In ‚pseudo C‘ kann dies als M_C(φ_geöffnet): = c_o · M_C(φ_geöffnet) M_C(φ_gesechlossen): = c_c · M_C (φ_geschlossen) ausgedrückt werden, wobei c_o und c_c größer als 1, zum Beispiel 1,1 oder 1,2, sind.
Im Grunde könnte die Scheibe auf einen drehbar gelagerten Hebel reduziert werden. Aber der Begriff ‚Hebel‘ ist für eine andere Komponente des Kupplungsbetätigungsmechanismus, die von der Scheibe verschieden ist, erforderlich. Der Begriff ‚Scheibe‘ ist nur zur leichteren Verständlichkeit gewählt worden. Der Begriff Scheibe könnte auch durch ‚erster Hebel‘ und der Begriff Hebel durch ‚zweiter Hebel‘ ersetzt werden.
Der Stift wird vorzugsweise zum Beispiel durch ein Radiallager bezüglich der Drehscheibe drehbar gelagert. Das Radiallager kann ein Gleitlager, ein Kugellager, ein Nadellager, ein magnetisches Lager, ein hydrostatisches Lager oder dergleichen sein. Alternativ kann der Stift vorzugsweise einen an der Drehscheibe befestigten Kern umfassen. Der Kern kann ein Radiallager stützen, wobei das Radiallager einen Ring oder ein Ringsegment, der bzw. das die Kontaktfläche des Hebels berührt, umfasst oder stützt. Beim Antrieb der Drehscheibe bewegt sich der Ring (das Ringsegment) somit über die Kontaktfläche des Hebels.
Die Kontaktfläche des Hebels kann mehrere benachbarte erste Vorsprünge mit ersten Ausnehmungen dazwischen aufweisen. Der Stift kann wiederum mehrere benachbarte zweite Vorsprünge mit zweiten Ausnehmungen dazwischen aufweisen, wobei mindestens einer der ersten Vorsprünge in mindestens eine der zweiten Ausnehmungen eingreift und mindestens einer der zweiten Vorsprünge in mindestens eine der ersten Ausnehmungen eingreift. Durch den Eingriff der Vorsprünge mit ihren komplementären Ausnehmungen wird gewährleistet, dass sich der Stift dreht, während er sich über die Kontaktfläche des Hebels bewegt. Diese Drehung verbessert die Lebensdauer des Kupplungsbetätigungsmechanismus und reduziert Herstellungskosten. Ein Grund besteht darin, dass sie Verschleiß des Hebels und des Stifts reduziert. Ferner wird das anfängliche Losbrechmoment reduziert, wodurch der Motor zum Antrieb der Drehscheibe (und des entsprechenden Getriebes) kleiner dimensioniert werden kann und somit Kosten, Gewicht und Energieverbrauch reduziert werden.
Das oben genannte Radiallager kann zum Beispiel einen Ring stützen, der die zweiten Vorsprünge und die zweiten Ausnehmungen aufweist.
Der Ring kann zum Beispiel ein Zahnrad sein, das durch mindestens ein Radiallager bezüglich der Drehscheibe drehbar gelagert wird. Mit anderen Worten, der Stift kann ein Zahnrad umfassen, das bezüglich der Drehscheibe drehbar gelagert wird. Der Hebel kann somit eine Zahnstange sein. Wie oben ausführlicher erläutert wurde, kann die Zahnstange gekrümmt sein.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft ohne Einschränkung des allgemeinen erfinderischen Konzepts anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt ein Beispiel für einen Kupplungsbetätigungsmechanismus,
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Hebelmechanismus von 1 und
3 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Hebelmechanismus.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Kupplungsbetätigungsmechanismus.

In 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Kupplungsbetätigungsmechanismus gezeigt. Der Kupplungsbetätigungsmechanismus weist einen Träger 80 auf, der durch einen Rahmen symbolisch dargestellt wird. Der Träger 80 stützt einen Motor 30, der eine Scheibe 10 über ein symbolisch dargestelltes Untersetzungsgetriebe 40 antreibt. Der Motor 30 könnte die Scheibe 10 auch über eine Welle oder direkt antreiben, aber das Untersetzungsgetriebe 40 ist eine bevorzugte Alternative. Der Motor ist vorzugsweise ein Elektromotor.
Nur der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass die Scheibe 10 bezüglich des Trägers drehbar gelagert ist, wodurch eine Drehung der Scheibe 10 um ihre Drehachse 11 ermöglicht wird. In dem gezeigten Beispiel wird die Scheibe 10 durch ein Scheibensegment 10 mit einer Scheibenverlängerung 19 dargestellt. Die Scheibenverlängerung 19 und die Scheibe 10 können aus einem einzigen Teil hergestellt sein, das heißt, ein einstückiges Teil bilden. Ein Kupplungsbedienungsmittel 3, hier in Form einer Druckstange, ist in einem Abstand d_o mit der Scheibe 10 verbunden in, wodurch der Hebelarm $\vec{d_{S}}$
ist. Durch ein Vorrücken oder Zurückziehen des Kupplungsbedienungsmittels 3 wird ein Öffnen oder Schließen der Kupplung 90 ermöglicht. Das Kupplungsbedienungsmittel 3 überträgt eine zum Öffnen der Kupplung erforderliche Kraft $\vec{F_{C}} .$
Wie gewöhnlich weist die Kupplung 90 eine Eingangswelle 91 und eine Ausgangswelle 92 auf, die unter Ermöglichung einer Drehmomentübertragung zwischen den beiden Wellen 91, 92 verbunden werden können. Federbelastete Reibungskupplungen 90 sind im Stand der Technik bekannt, weshalb sie durch einen gestrichelten Kasten nur symbolisch dargestellt wird. Zusammengefasst: eine Drehung des Motors 30 wird über das Untersetzungsgetriebe in eine Drehung der Scheibe 10 umgewandelt und ermöglicht somit im Grunde das Vorrücken oder Zurückziehen des Kupplungsbedienungsmittels 3, wenn das durch den Motor über das Untersetzungsgetriebe bereitgestellte Drehmoment dazu ausreicht, die Kraft $\vec{F_{C}}$
oder genauer das Drehmoment zu kompensieren $\vec{M_{C}} = \vec{F_{C}} \times \vec{d_{0}} .$
Um das Motordrehmoment niedrig zu halten, wird durch eine Feder 4 über einen Hebel 20 ein zusätzliches Drehmoment bereitgestellt. Der Hebel 20 wird durch den Träger 80 schwenkbar gelagert. Die Hebelschwenkachse 21 verläuft zumindest im Wesentlichen parallel (±5°) zu der Drehachse 11 der Scheibe 10. Die Feder 4 drückt eine gekrümmte Kontaktfläche 22 des Hebels 20 gegen einen Stift 12, der in einem Abstand r von der Drehachse 11 mit der Scheibe 10 verbunden ist. Somit stellt der Hebel 20 ein zusätzliches Drehmoment $\vec{M_{t}}$
für die Scheibe bereit, wodurch der Motor 30 unterstützt wird. Das für die Scheibe 10 bereitgestellte zusätzliche Drehmoment $\vec{M_{l}}$
hängt von der Kraft ${\vec{F}}_{S},$
die durch die Feder für den Hebel 20 am Hebelarm ${\vec{d}}_{S}$
bereitgestellt wird, dem Angriffswinkel des Hebels 20 am Stift 12 und dem Hebelarm ${\vec{d}}_{l}$
des Hebels 20 bezüglich des Stifts 12 ab.
Zum besseren Verständnis des Kupplungsbetätigungsmechanismus zeigt 2 ein vereinfachtes Bild eines ähnlichen Kupplungsbetätigungsmechanismus, der das gleiche Prinzip verwendet. Ein Hebel 20 mit einem ersten Hebelarm ${\vec{d}}_{S}$
wird durch eine Federkraft ${\vec{F}}_{S}$
gegen einen Stift 12 gepresst, der bezüglich einer Drehachse 11 drehbar ist. Der Stift 12 kann sich somit entlang einer kreisförmigen Bahn 13 bewegen. Der Vektor $\vec{r}$
zeigt den Hebelarm des Stifts 12 an. Somit dreht sich der Vektor $\vec{r}$
um die Drehachse 11 und bildet mit einem Strahl der Drehachse 11 durch die Schwenkachse 21 einen Winkel φ $(\vec{r} (φ = 0)) .$
Wie zu sehen ist, bewegt sich der Stift 12 über die Kontaktfläche 22, wenn sich die Scheibe 10 und somit der Vektor $\vec{r}$
dreht. Somit ist der Hebelarm eine Funktion des Winkels φ, der Länge r des Vektors $\vec{r}$
und des Abstands zwischen dem Stift 12 bei φ = 0 und der Schwenkachse 21. Der Abstand wird als d_min bezeichnet. Wenn sich der Stift 12 über die Kontaktfläche 22 bewegt, ändert sich der Winkel zwischen der Normalen der Kontaktfläche an der Stelle, an der der Stift 12 die Kontaktfläche berührt, als Funktion von φ. Dieser Winkel kann durch den Winkel δ der Tangenten t₁ und t₂ reflektiert werden, wobei t₁ die Tangente der Kontaktfläche 22 an der Stelle des Stifts 12 ist und t₂ die Tangente der kreisförmigen Bahn 13 an der entsprechenden Stelle des Stifts 12 ist. Es ist somit möglich, das über das Kupplungsbedienungsmittel 3 für die Scheibe 10 bereitgestellte Drehmoment M_C durch Einstellung des Winkels δ des Hebels als Funktion von φ, d_min, r und ${\vec{F}}_{S},$
wobei ${\vec{F}}_{S} = {\vec{F}}_{0} + \vec{k} \cdot Δ l,$
zu kompensieren. ${\vec{F}}_{0}$
ist die Kraft der Feder 4 bei einer Anfangslänge l₀, $\vec{k}$
die Federkonstante und Δl eine Änderung der Länge der Feder 4 bezüglich l₀. Ein Kompensieren des Drehmoments ${\vec{M}}_{C}$
kann durch Einstellung von δ erhalten werden: $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} \sqrt{r^{2} {sin}^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - cos (φ)))}^{2}}}{r (F_{0} + k \cdot Δ l) d_{S}}),$
vorausgesetzt, ${\vec{F}}_{S}$
ist im Wesentlichen orthogonal zum Hebelarm ${\vec{d}}_{S} .$
Wenn die Orthogonalität nicht gegeben ist, kann dieser Tatsache durch Auswahl von δ : $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} \sqrt{r^{2} {sin}^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - cos (φ)))}^{2}}}{r (F_{0} + k \cdot Δ l) d_{S} \cdot sin γ}),$
Rechnung getragen werden, wobei y der Winkel zwischen $\vec{F_{S}} und \vec{d_{S}}$
ist.
Die obigen Formeln lassen sich leicht als von dem Erfordernis ausgehend begreifen, dass das über den Hebel 20 für die Scheibe 10 bereitgestellte zusätzliche Drehmoment M_l das Drehmoment M_c kompensiert, das heißt M_l = -M_C. M_l ist gleich dem durch die Feder 4 bereitgestellten Drehmoment M_S, das heißt M_l = M_S. Dadurch kann die durch den Hebel an dem Kontaktpunkt über die Kontaktfläche 22 für den Stift 12 bereitgestellte Kraft F_l berechnet werden: $F_{l} = \frac{F_{S} \cdot d_{S} s i n (γ)}{d_{l}} .$
d_l kann als eine Funktion von φ ausgedrückt werden, da $d_{l} = {(r^{2} s i n^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - c o s (φ)))}^{2})}^{\frac{1}{2}} .$
Da das Drehmoment M_l als M_l = F_l · r sin(δ) gegeben wird, beträgt -M_C: $- M_{C} = s i n (δ) \frac{r \cdot F_{S} \cdot d_{S} s i n (γ)}{d_{l}},$
die Gleichung kann als: $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} \cdot d_{l}}{r \cdot F_{S} \cdot d_{S} s i n (γ)})$
gelöst werden. Durch Ausdrücken von d_l als Funktion von φ und F_S als Funktion von Δl ergibt sich: $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} \sqrt{r^{2} {sin}^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - cos (φ)))}^{2}}}{r (F_{0} + k \cdot Δ l) \cdot d_{S} \cdot sin (γ)})$
Die Beschreibung von 2 kann gleichermaßen unter Bezugnahme auf 3 angeführt werden, aber die Winkel φ δ sind anders ausgewählt worden. Ferner ist die Krümmung des Hebelarms verschieden, um einem verschiedenen zu kompensierenden Drehmoment ${\vec{M}}_{C}$
Rechnung zu tragen.
4 zeigt einen Kupplungsbetätigungsmechanismus. Der Mechanismus ähnelt dem in 1 gezeigten Mechanismus, und die Beschreibung von 1 kann allgemein auch für 4 angeführt werden. Der Unterschied besteht darin, dass der Stift 12 einen an der Scheibe 10 befestigten Kern 14 umfasst. Der Kern stützt drehbar einen Zahnring 15, das heißt ein Zahnrad 15. Der Hebel 20 ist wiederum eine Zahnstange, und das Zahnrad 15 kämmt mit dem Hebel 20. Durch dieses Kämmen wird gewährleistet, dass sich der Ring 15 am Kern 14 dreht, und Reibung und Verschleiß werden reduziert, wenn sich der Stift über die Kontaktfläche 22 des Hebels bewegt. Der Kern 14 und der Ring 15 stellen Gleitlagerflächen bereit, es können aber auch andere Lager verwendet werden. Ferner kann die Beschreibung von 1 auch bei 4 angeführt werden.
Bezugszeichenliste

3: Kupplungsbedienungsmittel (zum Beispiel eine Druckstange)
4: Feder
10: Scheibe
11: Drehachse
12: Stift
13: Bewegungsbahn des Stifts (Weg)
14: Kern
15: Zahnrad /Ring
19: Scheibenverlängerung
20: Hebel
21: Schwenkachse
22: Kontaktfläche des Hebels 20
30: Motor
40: Untersetzungsgetriebe
80: Träger
90: Kupplung
91: Eingangswelle
92: Ausgangswelle
δ: Winkel zwischen den Tangenten der Kontaktfläche 22 und der Bewegungsbahn des Stifts 12 an ihrem Kontaktpunkt
φ: Winkel zwischen den durch die Drehachse und die Mitte des Stifts und die Drehachse und die Schwenkachse definierten Strahlen
: Vektor von der Drehachse 11 zu der Mitte des Stifts
d_min: Mindestabstand zwischen der Mitte des Stifts und der Schwenkachse 21
: Hebelarm dort, wo die Kraft der Feder auf den Hebel einwirkt
: Vektor von der Drehachse des Stifts 12 zu der Verbindung des Kupplungsbedienungsmittels
: durch die Feder 4 für den Hebel 20 am Hebelarm ${\vec{d}}_{S}$
bereitgestellte Kraft
: durch die Kupplungsfeder über das Kupplungsbedienungsmittel 3 für die Scheibe 12/19 am Hebelarm ${\vec{d}}_{o}$
bereitgestellte Kraft
t₁: erste Tangente (Tangente der Kontaktfläche 22)
t₂: zweite Tangente (Tangente der Bewegungsbahn 13 des Stifts)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19710365 C2 [0005]
DE 3501351 A [0006]
GB 2117076 A [0007]

Claims

Kupplungsbetätigungsmechanismus zur Betätigung eines Kupplungsbedienungsmittels (3) einer federbelasteten Reibungskupplung, wobei der Kupplungsbetätigungsmechanismus mindestens eine Drehscheibe (10) zur Verbindung mit dem Kupplungsbedienungsmittel (3) umfasst, wobei die Scheibe (10) durch ein Radiallager gelagert wird, das die Drehachse (11) der Scheibe definiert, und mit einem Motor zur Bereitstellung eines ersten Drehmoments für die Scheibe (10) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Stift (12) mit einem Versatz (r) von der Scheibendrehachse (11) an der Scheibe (10) befestigt ist, - ein Hebel (20) eine Kontaktfläche (22) aufweist und zum Schwenken um eine Hebelschwenkachse (21) schwenkbar gelagert wird, wobei die Schwenkachse (21) und die Drehachse (11) parallel (±5°) verlaufen, - eine Feder (4) den Hebel (20) mit seiner Kontaktfläche (22) gegen den Stift (12) presst, um dadurch ein zusätzliches Drehmoment auf die Scheibe (10) aufzubringen, wobei sich der Stift (12) über die Kontaktfläche (22) bewegt, wenn sich die Scheibe (10) dreht, um die federbelastete Kupplung mittels des Kupplungsbedienungsmittels zu öffnen oder zu schließen.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche gekrümmt ist.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stift (12) die Kontaktfläche (20) an einer ersten Stelle berührt, wobei die erste Stelle eine erste Tangente (t₁) der Kontaktfläche definiert, - die Bahn (13) des Stifts (12) bei Drehung der Scheibe (10) eine zweite Tangente (t₂) an der ersten Stelle definiert, - sich die erste und die zweite Tangente (t₁, t₂) in einem Winkel δ schneiden, - die Kontaktfläche (22) gekrümmt ist, um einen Winkel δ mit $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} \sqrt{r^{2} {sin}^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - cos (φ)))}^{2}}}{r (F_{0} + k \cdot Δ l) d_{S}}) \pm Δ δ,$
bereitzustellen, wobei M_C das Drehmoment (±20%, vorzugsweise ±10%) ist, das zum Kompensieren der Kupplungsfeder erforderlich ist, φ der Winkel zwischen der von der Drehachse (11) zu der Mitte des Stifts (12) weisenden Radialrichtung $(\vec{r})$
und dem von der Drehachse (11) ausgehenden und durch die Schwenkachse (21) verlaufenden Strahl ist, und d_min der Mindestabstand zwischen der Mitte des Stifts (12) und der Schwenkachse (22) ist, F₀ die durch die Feder mit einer Länge l₀ auf den Hebel aufgebrachte Kraft bei einem Abstand d_S von der Schwenkachse (21) ist, k die Federkonstante ist und Δl die Auslenkung der Feder (3) bezüglich l₀ ist, wobei angenommen wird, dass % und $\vec{k}$
orthogonal (±10°) zu $\vec{d_{S}}$
verlaufen und Δδ ≤ 10°.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass $δ = A r c s i n (\frac{- M_{C} \sqrt{r^{2} {sin}^{2} (φ) + {(d_{m i n} + r (1 - cos (φ)))}^{2}}}{r (F_{0} + k \cdot Δ l) \cdot d_{S} \cdot sin (γ)}) \pm Δ δ,$
wobei y der Winkel zwischen $\vec{F_{0}} und \vec{k} bei \vec{d_{S}}$
ist und dass die Beschränkung der Orthogonalität zwischen $\vec{F_{0}}, \vec{k} und \vec{d_{S}}$
nicht vorhanden ist.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (12) durch die Scheibe (10) drehbar gelagert wird.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Stützstruktur umfasst, die das Radiallager der Scheibe (10) und den schwenkbaren Stützmechanismus des Hebels (20) und den Motor (30) stützt.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (30) ein Elektromotor ist, der über ein Untersetzungsgetriebe mit der Scheibe (10) gekoppelt ist.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche mindestens ein erstes Segment aufweist, bei dem der Winkel δ null (±5°) ist.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment den Stift (12) berührt, wenn M_C < M_min, wobei M_min kleiner als 10% des zum Kompensieren der Kupplungsfeder beim Öffnen oder Schließen der Kupplung erforderlichen maximalen Drehmoments ist.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe ein Scheibensegment oder eine Welle ist.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (12) bezüglich der Drehscheibe (10) drehbar gelagert ist.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (12) einen Kern (14) umfasst, der an der Drehscheibe (10) befestigt ist, wobei der Kern (14) ein Radiallager trägt, wobei das Radiallager einen Ring (15) oder ein Ringsegment, der bzw. das mit der Kontaktfläche des Hebels in Kontakt ist, umfasst oder lagert.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (22) des Hebels mehrere benachbarte erste Vorsprünge mit Ausnehmungen dazwischen aufweist und dass der Stift (12) mehrere benachbarte zweite Vorsprünge mit zweiten Ausnehmungen dazwischen aufweist, wobei mindestens einer der ersten Vorsprünge in mindestens eine der zweiten Ausnehmungen eingreift und mindestens einer der zweiten Vorsprünge in mindestens eine der ersten Ausnehmungen eingreift.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radiallager einen Ring (15) mit den zweiten Vorsprüngen und den zweiten Ausnehmungen trägt.
Kupplungsbetätigungsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (12) ein Zahnrad (15) umfasst, das durch mindestens ein Radiallager bezüglich der Drehscheibe (10) drehbar gelagert wird, und dass der Hebel (20) eine Zahnstange ist, wobei die Zahnstange mit dem Zahnrad (15) kämmt.