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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 1. Juni 2017 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der laufenden Nummer
62/513,567 .
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine reibungslose Überlauf-Radialkupplung und Steuerbaugruppen und schaltbare Linearaktuatoreinrichtungen zur Verwendung in solchen Baugruppen.
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Überblick
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Eine typische Freilaufkupplung (OWC - One-Way Clutch) besteht aus einem Innenring, einem Außenring und einer Sperreinrichtung zwischen den beiden Ringen. Die Freilaufkupplung ist so ausgelegt, dass sie in einer Richtung sperrt und eine freie Drehung in der anderen Richtung gestattet. Zwei Arten von Freilaufkupplungen, die oftmals in Kraftfahrzeugautomatikgetrieben verwendet werden, beinhalten:
- Walzentyp, der aus federbeaufschlagten Walzen zwischen dem Innen- und Außenring der Freilaufkupplung besteht. (Walzentyp wird auch ohne Federn bei einigen Anwendungen verwendet) ; und
- Hemmkeiltyp, der aus asymmetrisch geformten Keilen besteht, die sich zwischen dem Innen- und Außenring der Freilaufkupplung befinden.
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Die Freilaufkupplungen werden typischerweise in dem Getriebe verwendet, um eine Unterbrechung von Antriebsdrehmoment (d.h. dem Kraftfluss) während bestimmten Schaltvorgängen zu verhindern und ein Motorbremsen während des Fahrens im Freilauf zu gestatten.
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Steuerbare oder wählbare Freilaufkupplungen (d.h. OWCs) stellen eine Abweichung von traditionellen Freilaufkupplungsdesigns dar. Wählbare OWCs fügen einen zweiten Satz von Sperrgliedern in Kombination mit einer Gleitplatte hinzu. Der zusätzliche Satz von Sperrgliedern plus die Gleitplatte fügen mehrere Funktionen zu der OWC hinzu. Je nach den Anforderungen des Designs sind steuerbare OWCs in der Lage, eine mechanische Verbindung zwischen sich drehenden oder stationären Wellen in einer oder beiden Richtungen herzustellen. Außerdem sind OWCs je nach Design in der Lage, in eine oder beide Richtungen zu überholen. Eine steuerbare OWC enthält einen extern gesteuerten Wahl- oder Steuermechanismus. Eine Bewegung dieses Wahlmechanismus kann zwischen zwei oder mehr Positionen erfolgen, die verschiedenen Arbeitsmodi entsprechen.
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Aus der
US 5 927 455 A ist eine bidirektionale Überholkupplung vom Klinkentyp bekannt, die
US 6 244 965 B1 offenbart eine planare Überholkupplung und die
US 6 290 044 B1 offenbart eine wählbare Freilaufkupplungsbaugruppe zur Verwendung in einem Automatikgetriebe.
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Eine entsprechend ausgelegte steuerbare OWC kann in dem „Aus“-Zustand parasitäre Verluste nahe Null besitzen. Sie kann auch durch eine Elektromechanik aktiviert werden und besitzt weder die Komplexität noch die parasitären Verluste einer Hydraulikpumpe und von Ventilen.
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Ein Linearmotor ist ein Elektromotor, dessen Stator und Rotor „abgewickelt“ sind, so dass er, anstatt ein Drehmoment (Drehung) zu erzeugen, eine Linearkraft entlang seiner Länge erzeugt. Der üblichste Arbeitsmodus ist als ein Aktuator vom Lorentz-Typ, bei dem die aufgebrachte Kraft linear proportional zu dem Strom und dem Magnetfeld ist. Die veröffentlichte
US 2003/ 0 102 196 A1 offenbart einen bidirektionalen Linearmotor.
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Lineare Schrittmotoren werden zum Positionieren von Anwendungen verwendet, die schnelle Beschleunigung und schnelle Bewegungen mit Nutzlasten von geringer Masse erfordern. Mechanische Einfachheit und ein präziser Steuerkreisbetrieb sind zusätzliche Merkmale von Linearschrittmotorsystemen.
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Ein Linearschrittmotor arbeitet nach den gleichen elektromagnetischen Prinzipien wie ein Rotationsschrittmotor. Der stationäre Teil oder die stationäre Platte ist eine passive Zahn-Stahlstange, die sich über die gewünschte Bewegungsstrecke erstreckt. Permanentmagnete, Elektromagnete mit Zähnen und Lager sind in die sich bewegenden Elemente bzw. den sich bewegenden Forcer integriert. Der Forcer bewegt sich bidirektional entlang der Platte, was diskrete Orte als Reaktion auf den Zustand der Ströme in den Feldwicklungen sicherstellt. Im Allgemeinen ist der Motor ein zweiphasiger, doch kann eine größere Anzahl von Phasen verwendet werden.
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Der Linearschrittmotor ist im Stand der Technik wohlbekannt und arbeitet mit etablierten Prinzipien der magnetischen Theorie. Die Stator- oder Plattenkomponente des Linearschrittmotors besteht aus einer länglichen rechteckigen Stahlstange mit mehreren parallelen Zähnen, die sich über die zu durchquerende Distanz erstreckt und auf die Weise einer Bahn für die sogenannte Forcerkomponente des Motors fungiert.
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Die Platte ist während des Betriebs des Motors völlig passiv, und alle Magnete und Elektromagnete sind in die Forcer- oder Ankerkomponente integriert. Der Forcer bewegt sich bidirektional entlang der Platte unter Einnehmung von diskreten Orten als Reaktion auf den Zustand des elektrischen Stroms in seinen Feldwindungen.
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Einige der dem Zessionar der vorliegenden Anmeldung zugewiesenen verwandten Patentdokumente offenbaren einen 2-Positions-Linearmotor eCMD (Electrically Controllable Mechanical Diode). Diese Einrichtung ist eine dynamische Freilaufkupplung, da sich beide Ringe (d.h. Kerben- und Aussparungsplatte) drehen. Der Linearmotor oder -aktuator bewegt sich, was wiederum über ein durch einen Stator erzeugtes Magnetfeld an Streben gekoppelte Plunger bewegt. Der Aktuator besitzt einen Ring von Permanentmagneten, der die Kupplung in zwei Zustände, EIN und AUS, sperrt. Strom wird nur während des Übergangs von einem Zustand zum anderen verbraucht. Wenn er im gewünschten Zustand ist, sperrt der Magnet und der Strom wird unterbrochen.
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Die US-Patentdokumente
US 2015/ 0 000 442 A1 ;
US 2016/ 0 047 439 A1 und US-Patent
US 9 441 708 B2 offenbaren magnetisch sperrende 3-Positions-Linearmotor-2-Wege-CMDs.
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In der Druckschrift
DE 199 47 405 A1 ist ein Schaltgetriebe, insbesondere ein automatisiertes Schaltgetriebe, für ein Fahrzeug, beschrieben. Dieses Schaltgetriebe weist eine Anzahl drehfest gelagerter Zahnräder und eine Anzahl frei drehbarer Zahnräder auf, wobei frei drehbare Zahnräder mit drehfest gelagerten Zahnrädern kämmen. Ferner weist das in dieser Druckschrift offenbarte Schaltgetriebe wenigstens eine Synchronisiereinrichtung für die Zahnräder und wenigstens einen Aktuator auf, der zum Verschieben der wenigstens einen Synchronisiereinrichtung mit dieser zumindest zeitweilig verbunden ist. Der wenigstens eine Aktuator ist als elektrischer Schrittmotor, insbesondere als Linear-Schrittmotor, ausgebildet.
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Aus der Druckschrift
DE 293 328 A ist eine Überholungskupplung mit in entgegengesetzten Drehrichtungen wirksamen Mitnehmern, die durch Aufrichter in und außer Tätigkeit gebracht werden, bekannt. Für jede Drehrichtung sind sowohl besondere Mitnehmer als auch Aufrichter vorhanden, die unabhängig voneinander durch Stellzeuge derart beeinflusst werden können, dass die Mitnehmer nach Bedarf in der einen oder in der anderen Drehrichtung zur Wirkung, oder in beiden Richtungen außer Wirkung, oder in beiden Richtungen zur Wirkung gebracht werden können.
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Mechanische Kräfte, die auf lokale oder distante magnetische Quellen zurückzuführen sind, d.h. elektrische Ströme und/oder Permanentmagnet(PM)-Materialien, können durch Untersuchung der Magnetfelder bestimmt werden, die durch die magnetischen Quellen erzeugt oder „erregt“ werden. Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das an einem beliebigen Punkt im Raum die Größe und Richtung der Einflussfähigkeit der lokalen oder abgesetzten magnetischen Quellen anzeigt. Die Stärke oder Größe des Magnetfelds an einem Punkt innerhalb eines beliebigen interessierenden Gebiets hängt von der Stärke, der Menge und dem relativen Ort der erregenden magnetischen Quellen und den magnetischen Eigenschaften der verschiedenen Medien zwischen den Orten der erregenden Quellen und dem gegebenen interessierenden Gebiet ab. Unter magnetischen Eigenschaften werden Materialcharakteristika verstanden, die bestimmen, „wie leicht“ es ist, oder „wie niedrig“ ein Erregungspegel sein muss, um ein Einheitsvolumen des Materials zu „magnetisieren“, das heißt, einen bestimmten Grad an magnetischer Feldstärke herzustellen. Im Allgemeinen können Gebiete, die Eisenmaterial enthalten, viel leichter „magnetisiert“ werden im Vergleich zu Gebieten, die Luft oder Kunststoffmaterial enthalten.
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Magnetfelder können als dreidimensionale Kraftlinien dargestellt oder beschrieben werden, die geschlossene Kurven sind, die Raumgebiete durchqueren und innerhalb von Materialstrukturen verlaufen. Wenn eine magnetische „Wirkung“ (Erzeugung von messbaren Graden an mechanischer Kraft) innerhalb einer magnetischen Struktur stattfindet, ist ersichtlich, dass diese Kraftlinien die magnetischen Quellen innerhalb der Struktur koppeln oder verknüpfen. Magnetische Kraftlinien sind mit einer Stromquelle gekoppelt/verknüpft, wenn sie den Strompfad in der Struktur ganz oder teilweise umgeben. Kraftlinien sind an eine PM-Quelle gekoppelt/mit ihr verknüpft, wenn sie das PM-Material, im Allgemeinen in der Richtung oder der Gegenrichtung der Permanentmagnetisierung, durchqueren. Individuelle Kraftlinien oder Feldlinien, die einander nicht kreuzen, weisen an jedem Punkt entlang der Linienerstreckung Grade an Zugbeanspruchung auf, ähnlich wie die Zugkraft in einem gedehnten „Gummiband“, das zu der Form der geschlossenen Feldlinienkurve gedehnt ist. Dies ist das primäre Verfahren der Krafterzeugung über Luftspalte in einer magnetischen Maschinenstruktur.
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Man kann allgemein die Richtung der Nettokrafterzeugung in Abschnitten einer magnetischen Maschine durch Untersuchen von Diagrammen von Magnetfeldlinien innerhalb der Struktur bestimmen. Je mehr Feldlinien (d.h. je mehr gedehnte Gummibänder) in einer beliebigen Richtung über einen Luftspalt, der Maschinenelemente trennt, umso mehr „Zugkraft“ zwischen Maschinenelementen in dieser gegebenen Richtung.
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Metallspritzguss (MIM - Metal Injection Molding) ist ein Metallbearbeitungsprozess, bei dem feinpulvriges Metall mit einer abgemessenen Länge an Bindematerial gemischt wird, um einen ,Rohstoff` zu umfassen, der durch ein Kunststoffverarbeitungsgerät durch einen als Spritzgussformen bekannten Prozess verarbeitet werden kann. Der Gießprozess gestattet das Formen komplexer Teile in einem einzelnen Arbeitsgang und in großer Menge. Endprodukte sind üblicherweise Komponentengegenstände, die in verschiedenen Industrien und Anwendungen verwendet werden. Die Natur eines MIM-Rohstoffflusses wird durch eine als Rheologie bezeichnete Physik definiert. Gegenwärtige Gerätefähigkeit erfordert, dass die Verarbeitung auf Produkte beschränkt bleibt, die unter Verwendung von typischen Volumina von 100 Gramm oder weniger pro „Schuss“ in die Form geformt werden können. Die Rheologie gestattet nicht, dass dieser „Schuss“ in mehrere Hohlräume verteilt wird, wodurch sie für kleine, komplizierte, hochvolumige Produkte kosteneffektiv wird, deren Herstellung durch alternative oder klassische Verfahren ansonsten recht aufwendig werden würde. Die Vielzahl von Metallen, die zur Umsetzung innerhalb eines MIM-Rohstoffs fähig sind, werden als Pulvermetallurgie bezeichnet, und diese enthalten die gleichen legierenden Bestandteile, die in Industriestandards für gewöhnliche und exotische Metallanwendungen anzutreffen sind. Nachfolgende Konditionierungsoperationen werden an der geformten Gestalt durchgeführt, wobei das Bindematerial entfernt wird und die Metallpartikel in den gewünschten Zustand für die Metalllegierung verschmolzen werden.
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Ein Mehrfachverhältnis(d.h. Stufenverhältnis)-Automatikgetriebe in einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang verstellt ein Übersetzungsverhältnis zwischen einer Drehmomentquelle und einer Antriebswelle, um Fahrbarkeitsanforderungen unter sich dynamisch ändernden Fahrbedingungen zu erfüllen. Übersetzungsänderungen werden erzielt durch Ineingriffnahme einer sogenannten „herankommenden Kupplung“ („OCC“ - On-Coming Clutch"), während eine sogenannte „abgehende Kupplung“ („OGC“ - Off-Going Clutch) gelöst wird. Die Kupplungen, die als Getriebereibungselemente oder Bremsen bezeichnet werden können, stellen Kraftflusspfade von einem Verbrennungsmotor zu Fahrzeugtraktionsrädern her oder bauen diese ab. Während der Beschleunigung des Fahrzeugs wird das Gesamtdrehzahlverhältnis, das das Verhältnis der Getriebeeingangswellendrehzahl zur Getriebeausgangswellendrehzahl ist, reduziert, während sich die Fahrzeuggeschwindigkeit für eine gegebene Motordrosseleinstellung erhöht. Dies ist ein Hochschalten.
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Im Fall eines synchronen Hochschaltens schaltet sich die OCC ein, um sowohl das Übersetzungsverhältnis (d.h. das Gesamtdrehzahlverhältnis) als auch das Drehmomentverhältnis (das Verhältnis von Ausgangsdrehmoment zu Eingangsdrehmoment) zu senken. Das synchrone Hochschaltereignis kann in drei Phasen unterteilt werden, die als vorbereitende Phase, eine Drehmomentphase und eine Trägheitsphase bezeichnet werden können. Die Drehmomentphase ist eine Zeitperiode, wenn das OCC-Drehmoment so gesteuert wird, dass es zu einem unsignifikanten Grad mit einer Absicht abnimmt, sich auszukuppeln. Gleichzeitig wird die OCC während der Drehmomentphase gesteuert, von einem unsignifikanten Grad aus zuzunehmen, wodurch das OCC-Einschalten gemäß einer herkömmlichen Hochschaltsteuerung initiiert wird.
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Die Kupplungseinschalt- und -ausschaltzeitsteuerung führt zu einer vorübergehenden Aktivierung von zwei Drehmomentflusspfaden durch die Übersetzung, wodurch bewirkt wird, dass die Drehmomentzufuhr vorübergehend an der Getriebeabtriebswelle abfällt. Dieser Zustand, der als ein „Drehmomentloch“ bezeichnet werden kann, tritt vor dem Ausschalten der OGC auf. Ein Fahrzeuginsasse kann ein großes Drehmomentloch als einen unangenehmen Schaltschock wahrnehmen. Die vorbereitende Phase ist eine Zeitperiode vor der Drehmomentphase. Die Trägheitsphase ist eine Zeitperiode, wenn die OGC aufgrund einer wesentlich reduzierten Haltekapazität zu schleifen beginnt, auf die Drehmomentphase folgend.
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Ein automatisiertes Schaltgetriebe (AMT -Automated Manual Transmission), eine Art von automatischem Schaltgetriebe, das in Kraftfahrzeugen verwendet wird, verbessert die mechanische Effizienz durch Entfernen des Drehmomentwandlers. Solche automatisierten Schaltgetriebe enthalten typischerweise mehrere kraftbetätigte Aktuatoren, die durch einen Getriebecontroller oder irgendeine Art von Elektroniksteuereinheit (ECU) gesteuert werden, um synchronisierte Kupplungen automatisch zu schalten, die die Eingriffnahme von traditioneller Weise in Schaltgetrieben angetroffenen kämmenden Zahnrädern steuern. Während einer Schaltung eines AMT wird das Motordrehmoment über eine Kupplung von dem Fahrzeug getrennt. Das Drehmoment wird unterbrochen, während das Getriebe die Übersetzung ändert. Nachdem die Übersetzung geändert ist, wird die Kupplung wieder eingerückt, wodurch der Motor wieder mit dem Antriebsstrang verbunden wird. Das Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass während der Drehmomentunterbrechung der Fahrer in der Kabine nach vorne geworfen wird und dann nach hinten geworfen wird, wenn sich der Motor wieder in den Antriebsstrang einhängt. Dieses Schaltereignis kann bis zu einer Sekunde betragen. Es ist ein unerwünschtes „Schaltgefühl“. Außerdem besitzt das Fahrzeug während dieses Übergangs keine Beschleunigung, was zu unerwünschten Fahrsituationen führt (Herausfahren in den Verkehr, Einfädeln usw.) .
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Zu Zwecken dieser Anmeldung sollte der Ausdruck „Kopplung“ so ausgelegt werden, dass er Kupplungen oder Bremsen beinhaltet, wobei eine der Platten antreibbar mit einem Drehmomentlieferelement eines Getriebes verbunden ist und die andere Platte antreibbar mit einem anderen Drehmomentlieferelement verbunden ist oder bezüglich eines Getriebegehäuses verankert oder stationär gehalten ist. Die Ausdrücke „Kopplung“, „Kupplung“ und „Bremse“ können austauschbar verwendet werden.
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KURZE DARSTELLUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Eine Aufgabe mindestens einer Ausführungsform der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer schaltbaren Linearaktuatoreinrichtung und einer reibungslosen Überlauf-Radialkupplungs- und Steuerbaugruppe, von denen beide mehrere magnetische Quellen nutzen, um eine Translatorstruktur zu bewegen, um ein sequenziertes Schalten durchzuführen.
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Beim Ausführen der obigen Aufgabe und anderer Aufgaben mindestens einer Ausführungsform der Erfindung wird eine schaltbare Linearaktuatoreinrichtung zum Steuern der Arbeitsmodi einer reibungslosen Koppelbaugruppe bereitgestellt. Die Einrichtung besitzt mehrere magnetische Quellen, die entsprechende Magnetfelder erzeugen, um mehrere Nettotranslationskräfte zu erzeugen. Die Einrichtung enthält ein erstes Sperrglied, drehbar zwischen einer Entkoppelposition und einer Koppelposition, aufweisend eine Stirnineingriffnahme mit einer ersten lasttragenden Schulter der Koppelbaugruppe. Ein zweites Sperrglied ist zwischen einer Entkoppelposition und einer Koppelposition drehbar, aufweisend eine Stirnineingriffnahme mit einer zweiten lasttragenden Schulter der Koppelbaugruppe. Eine Statorstruktur enthält eine erste elektromagnetische Quelle, ausgebildet zum Erzeugen eines ersten elektronisch geschalteten Magnetfelds, und eine zweite elektromagnetische Quelle, ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten elektronisch geschalteten Magnetfelds. Eine Translatorstruktur enthält einen ersten Nocken mit einer Konturoberfläche, einen zweiten Nocken mit einer Konturoberfläche und eine magnetisch sperrende Permanentmagnetquelle, magnetisch an die Statorstruktur über einen radialen Luftspalt gekoppelt. Die Translatorstruktur wird für eine Translationsbewegung relativ zu der Statorstruktur entlang einer Achse zwischen mehreren vordefinierten, diskreten axialen Positionen gestützt, die verschiedenen Arbeitsmodi der Koppelbaugruppe entsprechen. Die Translatorstruktur parallelverschiebt entlang der Achse zwischen einer ersten und zweiten axialen Position beim Erleben einer ersten Nettotranslationskraft, um zu bewirken, dass das erste Sperrglied auf der Konturoberfläche des ersten Nockens gleitet, um zu bewirken, dass das erste Sperrglied zwischen seiner Koppel- und Entkoppelposition dreht, die verschiedenen Arbeitsmodi der Koppelbaugruppe entsprechen. Die Translatorstruktur parallelverschiebt entlang der Achse zwischen der zweiten axialen Position und einer dritten axialen Position beim Erleben einer zweiten Nettotranslationskraft, um zu bewirken, dass das zweite Sperrglied auf der Konturoberfläche des zweiten Nockens gleitet, um zu bewirken, dass das zweite Sperrglied zwischen seiner Koppel- und Entkoppelposition dreht, die verschiedenen Arbeitsmodi der Koppelbaugruppe entsprechen. Die erste Nettotranslationskraft umfasst eine erste Translationskraft, bewirkt durch Bestromen der ersten elektromagnetischen Quelle, und eine erste magnetische Sperrkraft auf Basis einer ersten linearen Position der Permanentmagnetquelle entlang der Achse. Die zweite Nettotranslationskraft umfasst eine zweite Translationskraft, bewirkt durch eine Bestromung der zweiten elektromagnetischen Quelle, und eine zweite magnetische Sperrkraft auf Basis einer zweiten linearen Position der Permanentmagnetquelle entlang der Achse.
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Das erste Sperrglied kann ein Vorwärtssperrglied umfassen.
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Das zweite Sperrglied kann ein Rückwärts- oder Freilaufsperrglied umfassen.
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Die erste axiale Position kann eine volle „Aus“-Position sein, die dritte axiale Position kann eine volle „Ein“-Position sein, und die zweite axiale Position kann eine axiale Position zwischen der vollen „Ein“- und der vollen „Aus“-Position sein.
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Die Translatorstruktur kann eine bidirektional bewegliche erste Stange (auch: Plunger), die den ersten Nocken stützt, um sich damit zu bewegen, und eine bidirektional bewegliche zweite Stange, die den zweiten Nocken stützt, um sich damit zu bewegen, enthalten.
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Die Koppelbaugruppe kann eine Radialkupplungsbaugruppe sein.
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Jeder der Nocken kann kegelförmig sein.
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Weiterhin wird beim Ausführen der obigen Aufgabe und anderer Aufgaben mindestens einer Ausführungsform der Erfindung eine schaltbare Linearaktuatoreinrichtung zum Steuern der Arbeitsmodi der ersten und zweiten reibungslosen Koppelbaugruppe bereitgestellt. Die Einrichtung besitzt mehrere magnetische Quellen, die entsprechende Magnetfelder erzeugen, um mehrere Nettotranslationskräfte zu erzeugen. Die Einrichtung enthält ein erstes Sperrglied, drehbar zwischen einer Entkoppelposition und einer Koppelposition, gekennzeichnet durch eine Stirnineingriffnahme mit einer ersten lasttragenden Schulter der ersten Koppelbaugruppe. Ein zweites Sperrglied ist zwischen einer Entkoppelposition und einer Koppelposition drehbar, gekennzeichnet durch eine Stirnineingriffnahme mit einer zweiten lasttragenden Schulter der ersten Koppelbaugruppe. Ein drittes Sperrglied ist zwischen einer Entkoppelposition und einer Koppelposition drehbar, gekennzeichnet durch eine Stirnineingriffnahme mit einer ersten lasttragenden Schulter der zweiten Koppelbaugruppe. Eine Statorstruktur enthält eine erste elektromagnetische Quelle, ausgebildet zum Erzeugen eines ersten elektronisch geschalteten Magnetfelds, eine zweite elektromagnetische Quelle, ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten elektronisch geschalteten Magnetfelds, und eine dritte elektromagnetische Quelle, die ausgebildet ist zum Erzeugen eines dritten elektronisch geschalteten Magnetfelds. Eine Translatorstruktur enthält einen ersten Nocken mit einer Konturoberfläche, einen zweiten Nocken mit einer Konturoberfläche, einen dritten Nocken mit einer Konturoberfläche und eine magnetisch sperrende Permanentmagnetquelle, magnetisch an die Statorstruktur über einen radialen Luftspalt gekoppelt. Die Translatorstruktur wird für eine Translationsbewegung relativ zu der Statorstruktur in der ersten und zweiten entgegengesetzten Richtung entlang einer Achse zwischen mehreren vordefinierten, diskreten axialen Positionen gestützt, die verschiedenen Arbeitsmodi der Koppelbaugruppen entsprechen. Die Translatorstruktur parallelverschiebt entlang der Achse in der ersten Richtung zwischen einer ersten und zweiten axialen Position beim Erleben einer ersten Nettotranslationskraft, um zu bewirken, dass das erste Sperrglied auf der Konturoberfläche des ersten Nockens gleitet, um zu bewirken, dass das erste Sperrglied zwischen seiner Koppel- und Entkoppelposition dreht, die verschiedenen Arbeitsmodi der ersten Koppelbaugruppe entsprechen. Die Translatorstruktur parallelverschiebt in der ersten Richtung entlang der Achse zwischen der zweiten axialen Position und einer dritten axialen Position beim Erleben einer zweiten Nettotranslationskraft, um zu bewirken, dass das zweite Sperrglied auf der Konturoberfläche des zweiten Nockens gleitet, um zu bewirken, dass das zweite Sperrglied zwischen seiner Koppel- und Entkoppelposition dreht, die verschiedenen Arbeitsmodi der ersten Koppelbaugruppe entsprechen. Die Translatorstruktur parallelverschiebt entlang der Achse in der zweiten Richtung zwischen der ersten axialen Position und einer vierten axialen Position beim Erleben einer dritten Nettotranslationskraft, um zu bewirken, dass das dritte Sperrglied auf der Konturoberfläche des dritten Nockens gleitet, um zu bewirken, dass das dritte Sperrglied zwischen seiner Koppel- und Entkoppelposition dreht, die verschiedenen Arbeitsmodi der zweiten Koppelbaugruppe entsprechen. Die dritte Nettotranslationskraft umfasst eine dritte Translationskraft, bewirkt durch eine Bestromung der dritten elektromagnetischen Quelle, und eine dritte magnetische Sperrkraft auf Basis einer dritten linearen Position der Permanentmagnetquelle entlang der Achse. Die erste Nettotranslationskraft umfasst eine erste Translationskraft, bewirkt durch Bestromen der ersten elektromagnetischen Quelle, und eine erste magnetische Sperrkraft auf Basis einer ersten linearen Position der Permanentmagnetquelle entlang der Achse. Die zweite Nettotranslationskraft umfasst eine zweite Translationskraft, bewirkt durch eine Bestromung der zweiten elektromagnetischen Quelle, und eine zweite magnetische Sperrkraft auf Basis einer zweiten linearen Position der Permanentmagnetquelle entlang der Achse.
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Das erste und dritte Sperrglied können Vorwärtssperrglieder umfassen.
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Das zweite Sperrglied kann ein Rückwärts- oder Freilaufsperrglied umfassen.
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Die erste axiale Position kann eine volle „Aus“-Position sein, die dritte axiale Position kann eine volle „Ein“-Position sein, die zweite axiale Position kann eine axiale Position zwischen der vollen „Ein“- und der vollen „Aus“-Position sein und die vierte axiale Position kann eine volle „Ein“-Position sein.
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Die Translatorstruktur kann eine bidirektional bewegliche erste Stange, die den ersten und dritten Nocken stützt, um sich damit zu bewegen, und eine bidirektional bewegliche zweite Stange, die den zweiten Nocken stützt, um sich damit zu bewegen, enthalten.
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Die Koppelbaugruppe kann eine Radialkupplungsbaugruppe sein.
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Jeder der Nocken kann kegelförmig sein.
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Noch weiter beim Ausführen der obigen Aufgabe und anderer Aufgaben mindestens einer Ausführungsform der Erfindung wird eine reibungsfreie Überlauf-Radialkopplungs- und Steuerbaugruppe bereitgestellt. Die Baugruppe enthält eine reibungslose Koppelbaugruppe mit einem Paar von Koppelgliedern, die für eine Drehung relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse gestützt werden. Eine schaltbare Linearaktuatoreinrichtung steuert den Arbeitsmodus der Koppelbaugruppe. Die Einrichtung besitzt mehrere magnetische Quellen, die entsprechende Magnetfelder erzeugen, um mehrere Nettotranslationskräfte zu erzeugen. Die Einrichtung enthält ein erstes Sperrglied, das zwischen einer Entkoppelposition und einer Koppelposition drehbar ist, gekennzeichnet durch eine Stirnineingriffnahme mit einer ersten lasttragenden Schulter der Koppelbaugruppe. Ein zweites Sperrglied ist zwischen einer Entkoppelposition und einer Koppelposition drehbar, gekennzeichnet durch eine Stirnineingriffnahme mit einer zweiten lasttragenden Schulter der Koppelbaugruppe. Das erste und zweite Sperrglied koppeln selektiv mechanisch die Koppelglieder aneinander, um eine Relativdrehung der Koppelglieder zueinander in einer ersten beziehungsweise zweiten entgegengesetzten Richtung um die Achse zu verhindern. Eine Statorstruktur enthält eine erste elektromagnetische Quelle, ausgebildet zum Erzeugen eines ersten elektronisch geschalteten Magnetfelds, und eine zweite elektromagnetische Quelle, ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten elektronisch geschalteten Magnetfelds. Eine Translatorstruktur enthält einen ersten Nocken mit einer Konturoberfläche, einen zweiten Nocken mit einer Konturoberfläche und eine magnetisch sperrende Permanentmagnetquelle, magnetisch an die Statorstruktur über einen radialen Luftspalt gekoppelt. Die Translatorstruktur wird für eine Translationsbewegung relativ zu der Statorstruktur entlang der Achse zwischen mehreren vordefinierten, diskreten axialen Positionen gestützt, die verschiedenen Arbeitsmodi der Koppelbaugruppe entsprechen. Die Translatorstruktur parallelverschiebt entlang der Achse zwischen der ersten und zweiten axialen Position beim Erleben einer ersten Nettotranslationskraft, um zu bewirken, dass das erste Sperrglied auf der Konturoberfläche des ersten Nockens gleitet, um zu bewirken, dass das erste Sperrglied zwischen seiner Koppel- und Entkoppelposition dreht, die verschiedenen Arbeitsmodi der Koppelbaugruppe entsprechen. Die Translatorstruktur parallelverschiebt entlang der Achse zwischen der zweiten axialen Position und einer dritten axialen Position beim Erleben einer zweiten Nettotranslationskraft, um zu bewirken, dass das zweite Sperrglied auf der Konturoberfläche des zweiten Nockens gleitet, um zu bewirken, dass das zweite Sperrglied zwischen seiner Koppel- und Entkoppelposition dreht, die verschiedenen Arbeitsmodi der Koppelbaugruppe entsprechen. Die erste Nettotranslationskraft umfasst eine erste Translationskraft, bewirkt durch eine Bestromung der ersten elektromagnetischen Quelle, und eine erste magnetische Sperrkraft auf Basis einer ersten linearen Position der Permanentmagnetquelle entlang der Achse. Die zweite Nettotranslationskraft umfasst eine zweite Translationskraft, bewirkt durch eine Bestromung der zweiten elektromagnetischen Quelle, und eine zweite magnetische Sperrkraft auf Basis einer zweiten linearen Position der Permanentmagnetquelle entlang der Achse.
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Das erste Sperrglied kann ein Vorwärtssperrglied umfassen.
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Das zweite Sperrglied kann ein Rückwärts- oder Freilaufsperrglied umfassen.
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Die erste axiale Position kann eine volle „Aus“-Position sein, die dritte axiale Position kann eine volle „Ein“-Position sein, und die zweite axiale Position kann eine axiale Position zwischen der vollen „Ein“- und der vollen „Aus“-Position sein.
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Die Translatorstruktur kann eine bidirektional bewegliche erste Stange, die den ersten Nocken stützt, um sich damit zu bewegen, und eine bidirektional bewegliche zweite Stange, die den zweiten Nocken stützt, um sich damit zu bewegen, enthalten.
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Jeder der Nocken kann kegelförmig sein.
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Andere technische Vorteile ergeben sich dem Fachmann ohne Weiteres aus den folgenden Figuren, Beschreibungen und Ansprüchen. Zudem können, während spezifische Vorteile aufgezählt worden sind, verschiedene Ausführungsformen alle, einige oder keine der aufgezählten Vorteile enthalten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine schematische Seitenansicht, teilweise weggebrochen und im Querschnitt, einer schaltbaren Linearaktuatoreinrichtung mit einer Vorwärtsstange in ihrer vollen axialen „Aus“-Position (oder Position #3) und einer Radialkoppel- und Steuerbaugruppe, die die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruierte Einrichtung nutzt;
- 2 ist eine Ansicht ähnlich der Ansicht von 1, zeigt aber eine Freilaufstange anstatt der Vorwärtsstange von 1;
- 3 ist eine schematische Stirnansicht einer Teilbaugruppe der Baugruppe von 1 und 2 und zeigt Vorwärts- und Rückwärts- oder Freilauf-Sperrglieder in ihren Entkoppelpositionen, was dem entspricht, dass sich die Einrichtung in ihrer vollen „Aus“-Position befindet;
- 4 ist eine Ansicht ähnlich der Ansicht von 1 mit einer Translatorstruktur der Einrichtung in einer axialen Zwischenposition zwischen ihrer vollen „Aus“-Position und einer vollen „Ein“-Position;
- 5 ist eine Ansicht ähnlich der Ansicht von 4, zeigt aber die Freilaufstange und nicht die Vorwärtsstange von 4;
- 6 ist eine Ansicht ähnlich der Ansicht von 3 und zeigt ein Vorwärtssperrglied in seiner Koppelposition und ein Rückwärts- oder Freilaufsperrglied in seiner Entkoppelposition, was dem entspricht, dass sich die Einrichtung in ihrer axialen Zwischenposition befindet;
- 7 ist eine Ansicht ähnlich den Ansichten von 1 und 4 mit der Translatorstruktur der Einrichtung in ihrer vollen axialen „Ein“-Position;
- 8 ist eine Ansicht ähnlich der Ansicht von 7, zeigt aber die Freilaufstange und nicht die Vorwärtsstange von 7; und
- 9 ist eine Ansicht ähnlich den Ansichten von 3 und 6, die das Vorwärts- und Rückwärtssperrglied in ihren Koppelpositionen zeigen, was dem entspricht, dass sich die Einrichtung in ihrer vollen „Ein“-Position befindet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale sind möglicherweise übertrieben oder minimiert, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann beizubringen, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich verwenden kann.
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Eine reibungslose Überhol-Radialkopplungs- und Steuerbaugruppe, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert, ist allgemein in 1, 2, 4, 5, 7 und 8 bei 10 angegeben. Die Baugruppe 10 enthält bevorzugt eine oder mehrere radiale Kupplungsbaugruppen vom Klinkentyp mit Lagerträger.
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Die Baugruppe 10 enthält ein erstes Paar von Koppelgliedern 12 und 13. Das Koppelglied 12 ist eine Aussparungsplatte, und das Koppelglied 13 umfasst eine Kerbenplatte, die typischerweise mit einem nichtgezeigten Pulvermetallzahnrad integriert ist, das zur Drehung mit einer ebenfalls nicht gezeigten Welle montiert sein kann. Die Aussparungsplatte besitzt Aussparungen 16, und die Kerbenplatte besitzt Kerben 17. Die Koppelglieder 12 und 13 sind für eine Drehung relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse 15 einer Abtriebswelle 19 gelagert. Das Koppelglied 13 ist für eine Drehung auf der Welle 19 durch das Lager 21 gelagert. Das Koppelglied 12 ist über Keile 25 mit der Abtriebswelle 19 zur Drehung damit verkeilt.
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Erste Sperrglieder oder Klinken 23 (sowohl Vorwärtsals auch Rückwärts-) treiben frei in ihren Aussparungen 16 und koppeln selektiv mechanisch das erste Paar von Koppelgliedern 12 und 13 zusammen bei der Ineingriffnahme von Kerben 17, um eine relative Drehung des ersten Paars von Koppelgliedern 12 und 13 zueinander in mindestens einer Richtung um die Achse 15 zu verhindern.
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Die Baugruppe 10 enthält auch ein zweites Paar von Koppelgliedern 32 und 33, die für eine Drehung relativ zueinander um die gemeinsame Drehachse 15 gelagert sind, und zweite Sperrglieder oder Klinken 43, die frei in ihren Aussparungen 36 treiben zum selektiven mechanischen Koppeln des zweiten Paars von Koppelgliedern 32 und 33 zusammen, um eine Relativdrehung des zweiten Paars von Koppelgliedern 32 und 33 zueinander in mindestens einer Richtung um die Achse 15 zu verhindern. Ein nichtgezeigtes zweites Pulvermetallzahnrad ist typischerweise integral mit dem Koppelglied 33 ausgebildet und zur Drehung mit der Welle montiert (nicht gezeigt). Das Koppelglied 33 ist für eine Drehung auf der Welle 19 durch Lager 41 gelagert. Das Koppelglied 32 ist über Keile 45 an die Abtriebswelle 19 zur Drehung damit verkeilt.
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Die inneren plattenartigen Koppelglieder 12 und 32 besitzen Außenperipherieoberflächen 18 bzw. 38. Die äußeren plattengleichen Koppelglieder 13 und 33 besitzen Innenperipherieoberflächen 20 und 40 bei den Außenperipherieoberflächen 18 bzw. 38 in einer radial inneren und radial äußeren Beziehung. Jedes der Koppelglieder 12 und 32 enthält die Aussparungen 16 bzw. 36, winkelmäßig um die Achse 15 beabstandet. Jede der Aussparungen 16 und 36 besitzt ein geschlossenes Ende 22 bzw. 42 und ein offenes Ende, axial gegenüber ihrem geschlossenen Ende 22 oder 42 angeordnet.
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Jede der Klinken 23 und 43 befindet sich in ihrer jeweiligen Aussparung 16 oder 36 und ist so gelagert, dass sie zu der Innenperipherieoberfläche 20 oder 40 ihres Koppelglieds 13 oder 33 dreht. Die Klinken 23 und 43 werden innerhalb ihrer jeweiligen Aussparungen 16 und 36 durch plattenartige Buchsen oder Halterungen 27 und 47 gehalten, die über Sperr- oder Schnappringe 28 und 48 an ihrem jeweiligen Koppelglied 12 oder 32 gesichert sind. Die Halterungen 27 und 47 bedecken teilweise die offenen Enden der Aussparungen 16 bzw. 36.
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Die Innen- und Außenperipherieoberflächen 20 bzw. 18 definieren eine erste radiale Lagergrenzfläche bei dem geschlossenen Ende 22 jeder der Aussparungen 16. Die Halterung 27 besitzt eine Lageroberfläche, die eine Lagergrenzfläche bei dem offenen Ende jeder der Aussparungen 16 definiert.
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Die Innen- und Außenperipherieoberflächen 40 bzw. 38 definieren eine zweite radiale Lagergrenzfläche bei dem geschlossenen Ende 42 jeder der Aussparungen 36. Die Halterung 47 besitzt eine Lageroberfläche, die eine Lagergrenzfläche bei dem offenen Ende jeder der Aussparungen 36 definiert.
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Wie am besten in 3, 6 und 9 gezeigt, enthält die Baugruppe 10 Sätze von Aktuatoren, allgemein bei 51 angezeigt, einschließlich Vorspanngliedern wie etwa Federn 50. Jeder Aktuator 51 enthält einen Gleitstift 52 mit einem Kopf 53, der innerhalb einer in der unteren Oberfläche eines Endabschnitts 54 seiner jeweiligen Klinke 23 ausgebildeten Öffnung aufgenommen ist. Ein entgegengesetzter Stirnabschnitt 55 jeder Klinke 23 ist dafür ausgebildet, die Kerben 17 in Eingriff zu nehmen. Jedes der Vorspannglieder 50 drückt seinen jeweiligen Stift 52, um seine jeweilige Klinke 23 zu der Peripherieoberfläche 20 des Koppelglieds 13 zu bewegen.
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Wieder unter Bezugnahme auf 1, 2, 4, 5, 7 und 8 enthält die Baugruppe 10 auch einen 5-Positions-Linearschrittmotor, allgemein bei 144 angezeigt. Der Schrittmotor 144 wird typischerweise durch einen Controller gesteuert und enthält die Statorstruktur oder Teilbaugruppe 135 mit mindestens einer Spule 166 (fünf gezeigt), um ein elektromagnetisch geschaltetes Magnetfeld zu erzeugen und einen Magnetfluss zu erzeugen, wenn die mindestens eine Spule 166 bestromt wird.
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Der Schrittmotor 144 enthält weiterhin eine magnetisch sperrende Translatorstruktur- oder Aktuatorteilbaugruppe, allgemein bei 170 angezeigt, mit mindestens einer bidirektional beweglichen Verbindungsstruktur wie etwa einer federbeaufschlagten Vorwärtsstange 172, allgemein in 1, 4 und 7 angezeigt. Eine ähnliche federvorgespannte Freilaufstange ist allgemein in 2, 5 und 8 als 172` angezeigt. Die Stange 172` ist hinsichtlich der Teile identisch mit der Stange 172, eine Länge der Stangen 172, 172` unterscheidet sich. Folglich besitzen die Teile der Stange 172` die gleiche Referenzzahl wie die Teile der Stange 172, aber mit einer Beistrich-Bezeichnung. Jede Stange 172 (oder 172') enthält ein Paar von beabstandeten kegelförmigen Nocken 174 und 176, von denen jeder eine Konturoberfläche 175 bzw. 177 besitzt, um zu bewirken, dass das erste und zweite Sperrglied 23 bzw. 43 auf ihren jeweiligen Konturoberflächen 175 und 177 gleiten, um eine Sperrglied-Drehbewegung mit kleiner Auslenkung zwischen Koppel- und Entkoppelpositionen zu bewirken, allgemein wie in 6 und 9 gezeigt.
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Die Aktuatorteilbaugruppe 170 enthält weiterhin einen magnetischen Aktuator, allgemein bei 171 angezeigt, an jede Stange 172 (oder 172') gekoppelt und für eine gesteuerte Pendelbewegung entlang der Drehachse 15 relativ zu dem ersten und zweiten Paar von Koppelgliedern 12 und 13 bzw. 32 und 33 zwischen einer ersten ausgefahrenen Position (entspricht Position #1) montiert, die einem ersten Modus des ersten Paars von Koppelgliedern 12 und 13 entspricht, und einer zweiten ausgefahrenen Position (entspricht Position #5), die einem zweiten Modus des zweiten Paars von Koppelgliedern 32 und 33 entspricht. Der Nocken 174 betätigt das erste Sperrglied 23 in seiner ausgefahrenen Position, so dass das erste Sperrglied 23 das erste Paar von Koppelgliedern 12 und 13 zur Drehung miteinander in mindestens eine Richtung um die Drehachse 15 koppelt.
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Position #3 ist eine Neutralposition, in der sich sowohl die Vorwärts- als auch Rückwärts- oder Freilaufschaltwippen in ihren „Aus“-Positionen befinden, wie in 1-3 gezeigt. Position #2 ist eine Zwischenposition zwischen der Neutralposition von 1-3 und Position #1 von 7-9. In Position #2 sind die Vorwärtsschaltwippen „Ein“ und die Freilaufschaltwippen sind „Aus“, wie in 6 gezeigt. In Position #1 sind die Vorwärtsschaltwippen „Ein“, und die Freilaufschaltwippen sind „Ein“, wie in 9 gezeigt.
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Der Nocken 176 betätigt das zweite Sperrglied 43, um das zweite Paar von Koppelgliedern 32 und 33 für eine Drehung miteinander in mindestens eine Richtung um die Drehachse 15 zu koppeln. Der magnetische Aktuator 171 vervollständigt einen Pfad des Magnetflusses, um magnetisch in den ausgefahrenen Positionen (d.h. Positionen 1, 2, 4 und 5) zu sperren. Eine durch den Magnetfluss bewirkte Steuerkraft wird ausgeübt, um den magnetischen Aktuator 171 linear zwischen den ausgefahrenen Positionen entlang der Drehachse 15 zu bewegen.
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Der magnetische Aktuator 171 enthält bevorzugt eine Permanentmagnetquelle 178, die zwischen ein Paar von ringförmigen Feldumlenkringen 179 geschichtet ist. Die magnetische Quelle 178 ist bevorzugt ein ringförmiger Seltenerdmagnet, der axial magnetisiert ist.
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Mit anderen Worten steuert die elektromechanische Vorrichtung bzw. der elektromechanische Motor 144 den Arbeitsmodus eines Paars von Koppelvorrichtungen, die jeweils Antriebs- und angetriebene Koppelglieder besitzt, die für eine Drehung relativ zueinander um die gemeinsame Drehachse 15 der Abtriebswelle 19 gelagert sind. Jedes angetriebene Koppelglied kann die Aussparungsplatte der Koppelglieder 12 oder 32 sein, und das Antriebskoppelglied kann die Kerbenplatte der Koppelglieder 13 oder 33 sein. Jede Koppelvorrichtung oder Koppelbaugruppe kann zwei oder mehr Schaltwippen oder Klinken 23 oder 43 enthalten, um die Koppelglieder jeder Koppelbaugruppe selektiv mechanisch aneinander zu koppeln und den Arbeitsmodus jeder Koppelbaugruppe zu ändern. Bevorzugt sind die Schaltwippen oder Klinken 23 und 43 mit Intervallen um die Achse 15 beabstandet (d.h. 3, 6 und 9).
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Die Aktuatorteilbaugruppe 170 ist ausgelegt oder angepasst zum Koppeln mit den Koppelgliedern oder Platten von beiden der Koppelvorrichtung, um sich damit zu drehen. Die Teilbaugruppe 170 ist auf der Abtriebswelle 19 zur Drehung relativ zu den Spulen 166 um die Drehachse 15 gelagert. Die Teilbaugruppe 170 enthält typischerweise zwei oder mehrere bidirektional bewegliche Stangen oder Wellen 172. Jeder Stielabschnitt 180 oder 182 seines kegelförmigen Nockens 174 bzw. 176 ist ausgelegt zum Gleiten innerhalb einer Öffnung 184 oder 186 in seinem jeweiligen Koppelglied während der selektiven Sperrglied-Drehbewegung mit kleiner Auslenkung. Eine Buchse 188 oder 190 kann die Stielabschnitte 180 bzw. 182 gleitend innerhalb der Öffnungen 184 und 186 lagern.
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Der Aktuator 171 ist operativ mit den Stangen 172 für eine selektive bidirektionale Verschiebebewegung entlang der Drehachse 15 zwischen einer ersten Position (d.h. Position #1) des Aktuators 171, die einem Modus der ersten Koppelvorrichtung (Platte 12 und Platte 13) entspricht, und einer zweiten Position (d.h. Position #5) des Aktuators 171, die einem anderen Modus der Koppelvorrichtung entspricht (Platte 32 und Platte 33) verbunden. Zwei oder mehr Stangen 172 können voneinander beabstandet sein, wie in 3, 6 und 9 gezeigt. Die verschiedenen Modi können gesperrte und entsperrte (d.h. freilaufende) Modi sein und können in einer oder beiden Richtungen der Drehbewegung um die Achse 15 sperren.
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Eine erste magnetische Steuerkraft wird auf den Aktuator 171 aufgebracht, wenn die mindestens eine Spule 166 bestromt wird, um zu bewirken, dass sich der Aktuator 171 zwischen seiner ersten, zweiten, dritten (d.h. Neutral-), vierten und fünften Position entlang der Achse 15 bewegt.
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Der Aktuator 171 enthält ein Paar von beabstandeten vorspannenden Federgliedern 192 und 194 für jede Stange 172, um entsprechende Vorspannkräfte auf eine I-förmige Nabe oder Stütze 196 in entgegengesetzten Richtungen entlang der Achse 15 auszuüben, wenn sich die Nabe 196 zwischen ihren ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Positionen entlang der Achse 15 bewegt. Die Nabe 196 besitzt Löcher zum gleitenden Aufnehmen und Lagern der Verbindungsstangen oder -wellen 172. Wenn sich die Stütze 196 bewegt, drückt/zieht sie ihre jeweiligen Federn 192 und 194 zwischen entgegengesetzten Flächen der Stütze 196 und zylindrischen Abschnitten der kegelförmigen Nocken 174 und 176.
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Die Nabe 196 dreht sich mit der Welle 19 um die Drehachse 15. Die Nabe 196 lagert gleitend verbindende Stangenabschnitte der Stangen 172 während einer entsprechenden Verschiebebewegung entlang der Drehachse 15 über innerhalb der Löcher in der Nabe 196 montierte Buchsen.
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Das Koppelglied kann beabstandete Anschläge enthalten, um die ausgefahrenen Positionen des Aktuators 171 zu definieren.
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Der Aktuator 171 enthält bevorzugt auch einen Satz von nicht gezeigten beabstandeten Führungsstiften, die zwischen einer Innenoberfläche des Koppelglieds 12 und einer Außenoberfläche der Nabe 196 geschichtet sind und sich entlang der Drehachse 15 erstrecken. Die Innenoberfläche und die Außenoberfläche können darin ausgebildete nicht gezeigte V-förmige Nuten oder Kerben besitzen, um die Führungsstifte zu halten. Die Nabe 196 gleitet während einer Verschiebebewegung der Nabe 196 entlang der Drehachse 15 auf den Führungsstiften. Die Führungsstifte lotsen die Nabe 196 auf dem Koppelglied 12. Die Nabe 196 kann auch Öl zu den Führungsstiften verteilen.
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Die Statorteilbaugruppe 135 enthält ein ferromagnetisches Gehäuse 167 mit beabstandeten Fingern 168 und die zwischen benachbarten Fingern 168 untergebrachten elektromagnetisch induktiven Spulen 166.
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Der Aktuator 171 ist ein ringförmiges Teil mit dem magnetischen ringförmigen Ring 178, der zwischen dem Paar von ferromagnetischen Feldumlenkringen (Unterstützungsringen) 179 geschichtet ist. Die magnetischen Steuerkräfte spannen die Finger 168 und ihre entsprechenden Feldumlenkringe 179 bei Spulenbestromung magnetisch in Ausrichtung. Diese Kräfte sperren den Aktuator 171 in den beiden „Ein“- oder ausgefahrenen Positionen, den beiden „Zwischen“-Positionen und der „Aus“- oder Neutralposition. Auf die Feldumlenkringe 179 wird durch die Statorteilbaugruppe 135 eingewirkt, um den Aktuator 171 zu bewegen.
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Axialtranslations-Sperrkraft in dem Permanentmagnet(PM)-Linearmotor (der veröffentlichten US-Anmeldung Nr. 2015/0014116 entnommen)
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Wir betrachten das Magnetfeldliniendiagramm, auch als ein Magnetflussliniendiagramm bezeichnet, in der Querschnittsansicht der betreffenden Linearmotorstruktur in
13 der veröffentlichten
US-Anmeldung Nr. 2015/0014116 gezeigt. Dies ist eine kreissymmetrische Maschinenstruktur, wobei die Translatoraxialbewegungsrichtung in der x-Richtung gezeigt ist und die Radialrichtung in der y-Richtung gezeigt ist. Der Querschnitt des Stators 24,28 ist eine Struktur mit drei Eisenzähnen 72, zwei Schlitzen/Spulen 26, wobei die Schlitzöffnungen über einen radialen Luftspalt dem sich bewegenden Element oder Translator zugewandt sind. Die Translatorstruktur enthält einen einzelnen, axial magnetisierten Seltenerd-PM-Ring 78, der zwischen zwei Eisenfeldumlenkringe 80 geschichtet sind. Die Dimensionierung der verschiedenen Komponenten kann anhand der Skalierung, in Metern gegeben, auf der x- und y-Achse geschätzt werden. Die Magnetfeldlinien sind durch ein kommerzielles Softwarepackage zur magnetischen Finite-Element-Analyse (MFEA) bestimmt worden. Die in
13 gezeigte Lösung ist für den Fall von keinem Spulenstrom in den Statorwicklungen und einer Translatoraxialposition etwas vorbei an, rechts von, der „neutralen“ oder Mittelposition. Es kann gesehen werden, dass die Magnetfeldlinien nur aufgrund des Translatormagnetrings 78 in geschlossenen Pfaden „fließen“, wobei der größte Teil der Linien in einem kreisförmigen Pfad Statoreisen - Luftspalt - Translatoreisen/Magnet „fließen“.
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Im Allgemeinen sind die Kraftlinien aufgrund der Leichtigkeit der Felderzeugung innerhalb des Eisenmaterials auf Pfade mit einem Großteil von Eisengehalt beschränkt. Bei Untersuchung dieser Feldlinien, die den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Translator kreuzen, folgt ein Großteil von ihnen einem Pfad von den Translatoreisenumlenkringen nach oben und nach rechts zu den Eisenzahngliedern in dem Stator. Wenn man sich die Feldlinien als gedehnte Gummibänder vorstellt, würde man dann eine Nettokraft erwarten, die den ganzen Translator nach rechts zieht. Die tatsächliche reine Kraftdichte oder x-gerichtete reine Beanspruchung, wieder anhand einer MFEA-Analyse bestimmt, an der axial gerichteten Linie in der Mitte des Luftspalts für diesen Fall ist in 14A der oben erwähnten veröffentlichten Anmeldung gegeben. Eine Scherbeanspruchung sowohl nach rechts als auch nach links ist in 14A zu sehen, was an die Verteilung von Luftspaltfeldlinien angepasst werden kann, die entlang des Luftspalts sowohl nach rechts als auch nach links „lehnen“, aber die Gesamtkraft (die integrierte Scherung über der x-gerichteten Luftspalterstreckung) zeigt eine Nettokraft auf den Translator nach rechts, für diese bestimmte Translatorposition.
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Wenn man die Translatorposition von links nach rechts „durchläuft“ und die Feldlinien an jeder Position neu berechnet, kann man eine „Diashow“ der Magnetfeldlinienproduktion aufgrund der Translatorposition erhalten. Wenn sich die Translatorstruktur links von der mittleren oder Neutralposition befindet, fließt der Großteil der Flusslinien radial nach oben und nach links von der Translatorposition, weshalb eine nach links gerichtete Kraft auf den Translatorkörper erwartet wird. Wenn umgekehrt, wie ebenfalls in 13 gezeigt, sich die Translatorstruktur rechts von der Mittelposition befindet, fließt der Großteil der Flusslinien radial nach oben und nach rechts, weshalb eine nach rechts gerichtete Kraft auf den Translatorkörper erwartet wird. Ein Diagramm der tatsächlichen Gesamtaxialkraft auf den Translatorkörper als eine Funktion der axialen Position, in Newton angegeben, ist in 15A der oben erwähnten veröffentlichten Anmeldung gezeigt. Falls sich der Translator rechts von der Mitte befindet, wird er aufgrund seines eigenen Magnetfelds nach rechts gedrückt, und falls er sich links von der Mitte befindet, wird er weiter nach links gedrückt. Dies wird als die „sperrende“ Wirkung der Baugruppe bezeichnet. Die genaue Mittelposition, wo sich die Links-Rechts-Druckkraft genau auf Null ausgleicht, ist ein instabiler Gleichgewichtspunkt, an dem sogar kleinste Bewegungen zu Kräften führen, die dazu neigen, den Translator von der Mittelposition wegzudrücken. Die beiden anderen gezeigten Punkte nahe den beiden axialen Enden der Statorstruktur, wo die Nettotranslationskraft ebenfalls durch einen Nullwert hindurchgeht, sind stabile Gleichgewichtspunkte, wo kleinste Bewegungen zur Erzeugung einer positionswiederherstellenden Kraft führen.
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Axialtranslationskraft in dem Permanentmagnet-Linearmotor für den Fall eines Spulenstroms (der veröffentlichten US-Anmeldung Nr. 2015/0014116 entnommen)
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Wir betrachten die gleiche Maschinenstruktur, wie in 13 gegeben, aber mit dem Zusatz eines eingeschwungenen elektrischen Stroms in den beiden Statorwicklungen. Die Lösung für die Magnetfeldlinien für diese Situation ist in 16 der oben erwähnten Anmeldung gezeigt. Ein eingeschwungener Strom, in den Wicklungsquerschnitten als gleichförmig verteilt angenommen, wird als aus der Seite herausfließend zu dem Betrachter in den Drähten der Spule in dem Schlitz auf der rechten Seite des Stators angenommen. Die axiale Magnetisierungsrichtung des Ringmagneten spielte bei der Situation mit der reinen Sperrkraft in 13 keine Rolle, spielt aber eine sehr große Rolle in diesem Fall einer „doppelten“ magnetischen Erregung. Für den gezeigten Fall wird vereinbart, dass sich die Magnet-axiale Magnetisierung in der positiven x-Richtung rechts befindet, und deshalb würde die Richtung oder Polarität der Magnetkraftlinien mit einem geschlossenen „Flusspfad“ allein aufgrund des Magneten eine Zirkulation entgegen dem Uhrzeigersinn sein. Die Polaritätsrichtung der zirkulierenden Magnetkraftlinien aufgrund eines elektrischen Stroms ist durch die „Rechte-Hand-Regel“ gegeben. Falls der Daumen der eigenen rechten Hand in die Richtung des Stromflusses in einem Draht oder einer Spule von Drähten gehalten wird, wobei die Finger den Querschnitt des Drahtes oder der Spule umkreisen, umkreisen auch die Magnetfeldlinien oder Flusslinien den Draht oder den Spulenquerschnitt und besitzen eine Zirkulationsrichtung in der gleichen Richtung wie die sich krümmenden Finger.
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In 16 umkreisen die Magnetlinien aufgrund des Stroms in der linken Spule alleine dann diese Spule entgegen dem Uhrzeigersinn, während die Magnetlinien aufgrund des Stroms in der rechten Spule diese Spule im Uhrzeigersinn umkreisen. Die Netto- oder Totalerzeugung von Magnetfeldlinien, wie in 16 gezeigt, ist auf alle drei Magnetquellen, den Strom in beiden Spulen und den Translatormagneten zurückzuführen, weshalb es offensichtlich Gebiete in der Maschinenstruktur gibt, wo die individuellen Quellen von magnetischer Erregung einander erzwingen und miteinander addieren, und es Gebiete in der Maschinenstruktur gibt, wo die individuellen Quellen von magnetischer Erregung gegensteuern oder voneinander subtrahieren. Da der Spulenstrom reversibel ist (plus oder minus) können die Doppel-Quellen-Erzwingungs- und Gegensteuergebiete innerhalb der Maschinenstruktur und, was am wichtigsten ist, innerhalb des Maschinenluftspalts, relativ zueinander beseitigt werden. Dies ist die Basis für den hierin offenbarten steuerbaren/eine reversible Richtung aufweisenden Linearmotor.
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Der Fluss des Großteils der durch den Translatormagneten allein erzeugten Flusslinien führte zu einer Nettokraft auf den Translator zur Rechten für die in 13 gezeigte gegebene Translatorposition. Für die gleiche Translatorposition aber hat sich mit der Hinzufügung der Spulenströme für den in 16 gezeigten Fall der Fluss des Großteils der Flusslinien zu einer Nettoeinkreisung der linken Spule und der Translatorstruktur verschoben. Dass der Großteil der Flusslinien nun den Luftspalt nach oben und nach links bezüglich des Falls kreuzt, bestätigt dies und ist in dem Diagramm von 17A der oben erwähnten veröffentlichten Anmeldung gezeigt. Falls der Translator mit Hilfe eines „Anschlags“ vor der Einführung zu dem Translatormagneten war, würde eine Einführung von Spulenstrom wie in 16 dann die Sperrkraft auf der Rechten überwältigen und eine Nettoantriebskraft nach links erzeugen, wodurch der Translator in eine nach links gerichtete Bewegung induziert würde. Falls sich der Translator bewegt und danach die Mittel- oder Neutralposition überquert, kann der Antriebs- oder Schaltstrom dann sogar beseitigt werden, da die nun nach links gerichtete Rastkraft alleine wegen des Magneten die verbleibende Linksbewegung zu einer ähnlichen Aus-Zustands-Rastposition zur Linken der Mittel- oder Neutralposition erzwingt. Die Nettoaxialtrennung zwischen den beiden gerasteten Positionen zur Linken und Rechten der Mittelposition wird dann als die „Hub“-Länge der Maschine bezeichnet.
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Ein Diashowsatz von Lösungen für die Gesamtmagnetfeldlinien innerhalb der Linearmotorstruktur mit dem gleichen Spulenstromantrieb wie in dem in 16 gezeigten Fall, als Funktion der axialen Position des Translators, ähnlich zu der für den vorausgegangenen Fall nur einer Magneterregung gegeben, zeigt, dass für den angenommenen Grad an Spulenstrom die Nettokraft auf die Translatorstruktur immer nach links ist, ungeachtet des angenommenen Werts der Translatorposition.
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Schließlich sind die Magnetfeld- und Axialscherbeanspruchungslösungen für den Fall eines den Antrieb unterstützenden Spulenstroms, das heißt Antrieb in der Richtung der Magnetrastkraft, in 18 bzw. 19A der oben erwähnten veröffentlichten Anmeldung gegeben. Die Polarität der Spulenströme für den Fall von 18 und 19A ist einfach gegenüber der des in 16 und 17A gezeigten Falls umgekehrt, die Translatorposition ist die Gleiche wie in dem Fall von 16 und 17A. In diesem Fall treibt Spulenstrom in der Richtung der Magnetrastkraft, wenn sich die Translatorposition zur Linken der Mittelposition bewegt hat.
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Jede Ausführungsform eines gemäß der Erfindung konstruierten Antriebssystems oder Antriebsstrangs kann einen Hauptcontroller oder eine Elektroniksteuereinheit (nicht gezeigt) und einen oder mehrere Controller, wie durch die Controller in 1 und 14 gezeigt, nutzen. Die Controller werden bevorzugt durch die Steuereinheit gesteuert.
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Im Allgemeinen liefert und regelt die Steuereinheit die Leistung zum Antreiben des Linearmotors durch einen oder mehrere Controller. Jeder Controller besitzt typischerweise einen Mikrocontroller (d.h. MCU) einschließlich einer Schaltungsanordnung. Ein Controller empfängt typischerweise Befehlssignale von der abgesetzten Elektroniksteuereinheit über oder durch einen fahrzeugbasierten Bus.
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Bevorzugt wird die durch die Steuereinheit und/oder den Controller verwendete Steuerlogik primär in Software umgesetzt, die durch einen Mikroprozessor-basierten Controller oder den Mikrocontroller (d.h. MCU) ausgeführt wird. Natürlich kann die Steuerlogik in Software, Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware abhängig von der bestimmten Anwendung umgesetzt werden. Bei Umsetzung in Software wird die Steuerlogik bevorzugt in einem computerlesbaren Ablagemedium mit gespeicherten Daten bereitgestellt, die Anweisungen darstellen, die durch einen Computer ausgeführt werden. Bei dem computerlesbaren Ablagemedium oder den computerlesbaren Ablagemedien kann es sich um beliebige einer Anzahl von bekannten physischen Einrichtungen handeln, die elektrische, magnetische und/oder optische Einrichtungen nutzen, um ausführbare Anweisungen und assoziierte Kalibrierungsinformationen, Arbeitsvariablen und dergleichen vorübergehend oder persistent zu speichern.
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Die Steuereinheit und der Controller sind über einen Fahrzeugbus wie etwa eine LIN- oder CAN-(Local Interconnect Network)Leitung oder einen entsprechenden Bus verbunden, die zu Zweiwegekommunikationen in der Lage sind. LIN ist eines von vielen möglichen fahrzeuginternen LAN(Local Area Network)-Kommunikationsprotokollen. Eine Stromleitung und eine Masseleitung können zwischen der Steuereinheit und dem Controller vorgesehen sein. Jeder Controller enthält typischerweise eine Sendeempfängerschnittstelle innerhalb der MCU, einen Mikroprozessor und seine Steuerlogik innerhalb der MCU, und einen Motorantrieb oder -treiber und eine elektrische Stromquelle. Jeder Controller kann innerhalb des Gehäuses integriert oder physisch damit gekoppelt sein, während die Steuereinheit in einem gewissen Abstand weg von dem Gehäuse vorgesehen ist.
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Die MCU des Motorcontrollers enthält typischerweise einen Speicher und kann als ein herkömmlicher Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und dergleichen oder als eine hartverdrahtete Logikschaltung ausgebildet sein.
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Sequenziertes Schalten (AUS, FWD, Freilauf) ist oben in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die Weise, wie ein Umschalten von der vollen „Aus“-Position zu der vollen „Ein“-Position funktioniert, ist wie folgt:
- 1. Die Vorwärtskupplung wird derart synchronisiert, dass sich die Vorwärts-Schaltwippe in einem Überholzustand befindet mit Ziel 10 bis 50 min-1
- 2. Wenn in diesem Zustand, wird der Linearmotor von Position 3 zu Position 2 umgeschaltet (AUS zu EIN)
- 3. Der E-Motor oder die E-Motoren landen dann auf der Schaltwippe unter Verriegelung und Übertragung von Drehmoment in der Vorwärtsrichtung.
- 4. Während die Vorwärts-Schaltwippe Last überträgt, wird die Freilauf-Schaltwippe synchronisiert und eingeschaltet.
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Der Vorteil eines Umschaltens von 0-0 auf 1-0 auf 1-1 im Gegensatz zu einem Umschalten von 0-0 auf 1-1 ist eine bessere Umschaltqualität. Die Auswirkung und das NVH eines sequenzierten Umschaltens ist vernachlässigbar. Ein sequenziertes Umschalten ist nachsichtiger beim Synchronisieren. Ein Zustand 0-0 zu 1-1 ist die gleiche Umschaltung, die eine Klauenkupplung ausführt und kann historisch aufgrund der Bedingung, wenn die Ringe der Kupplung (in einer Position) synchronisiert werden müssen, um eingeschaltet zu werden, eine Herausforderung darstellen.
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Das sequenzierte Umschalten (AUS, FWD, Freilauf) ist unten bezüglich Tabelle 1 beschrieben.
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Position 4 und 5 auf der zweiten Kupplung sind die gleichen wie 2 und 1 auf der ersten Kupplung. Tabelle 1
| Position | 1. Vorwärts | 1. Freilauf | 2. Vorwärts | 2. Freilauf |
| 1 | × | × | | |
| 2 | × | | | |
| 3 | | | | |
| 4 | | | × | |
| 5 | | | × | × |
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Eine 4-Positions-Einrichtung wird durch Tabelle 2 beschrieben. Tabelle 2
| Position | 1. Vorwärts | 1. Freilauf | 2. Vorwärts | 2. Freilauf |
| 1 | X | X | | |
| 2 | X | | | |
| 3 | | | | |
| 4 | | | X | X |
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Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale von verschiedenen umsetzenden Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
