DE112021007293T5

DE112021007293T5 - Kupplungssystem

Info

Publication number: DE112021007293T5
Application number: DE112021007293.5T
Authority: DE
Inventors: Yuu Yaguchi; Takahiro Nagaoka; Ryuya Saito; Kazutaka Kawata
Original assignee: GKN Automotive Ltd
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2024-01-25
Also published as: JPWO2022195666A1; CN116981859A; US20230417294A1; WO2022195666A1

Abstract

Ein System zum Steuern einer Kupplung ist vorgesehen mit: einem um eine Achse drehbaren Betätigungselement; einem Motor, der mit dem Betätigungselement antriebsverbunden ist, um auf das Betätigungselement eine Drehbewegung um die Achse zu bewirken; einem Umwandlungsmechanismus, der mit dem Betätigungselement antriebsverbunden ist, um die Drehbewegung um die Achse in eine axiale Bewegung umzuwandeln; ein Kupplungselement, das die Kupplung bildet und mit dem Umwandlungsmechanismus antriebsverbunden ist, um durch die axiale Bewegung angetrieben zu werden, wobei das Kupplungselement axial bidirektional von einer ersten Position, in der die Kupplung getrennt ist, über eine zweite Position zu einer dritten Position, in der die Kupplung verbunden ist, bewegbar ist; und eine Steuerung, die ausgestaltet ist, um einen Drehwinkel des Motors zu messen und mit einem Referenzwert zu vergleichen, um zu bestimmen, in welcher der ersten Position, der zweiten Position und der dritten Position sich das Kupplungselement befindet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System zur Steuerung einer Kupplung und insbesondere auf ein Kupplungssystem, das eine inhärente Beziehung verwendet, bei der die Drehwinkel eines Motors zuverlässig die Positionen eines Kupplungselements widerspiegeln, um die Positionen des Kupplungselements zu bestimmen.
HINTERGRUND
Rotationseinrichtungen, die in Fahrzeugen eingesetzt werden, verwenden häufig Kupplungen, um ihre Funktionen selektiv ein- und auszuschalten. Ein sogenanntes Sperrdifferential hat beispielsweise eine eingebaute Klauenkupplung, die normalerweise getrennt wird, um die Differentialbewegung zwischen den Ausgangsachsen zu ermöglichen, und die, wenn sie durch einen externen Aktuator verbunden wird, die Differentialbewegung sperrt.
Auch wenn der Aktuator in Betrieb genommen wird, kann die Kupplung in einigen seltenen Fällen nicht eingekuppelt werden, z. B. wenn sich die Kupplungszähne zufällig in einer für den gegenseitigen Eingriff ungeeigneten Position befinden. Auch wenn der Aktuator in umgekehrter Richtung betätigt wird, kann eine vorübergehende Adhäsion zwischen den Kupplungszähnen, die durch die Viskosität des Schmieröls oder die Magnetisierung verursacht wird, das Auskuppeln der Kupplung verzögern. Insbesondere entspricht das Ein- bzw. Ausschalten nicht unbedingt dem Verbinden bzw. Trennen der Kupplung. Um unvorhersehbare Vorgänge zu vermeiden, ist es häufig notwendig, Vorrichtungen vorzusehen, die erkennen, ob die Kupplung verbunden ist oder nicht.
Die Patentliteratur 1 bis 3 offenbart Stand der Technik.
Zitierliste
Patentliteratur

PTL 1: Internationale Veröffentlichung WO 2018/109874 A1
PTL 2: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2004-208460
PTL 3: Internationale Veröffentlichung WO 2018/118912 A1

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ineinandergreifende Kupplungen wie eine Klauenkupplung haben im Gegensatz zu Reibungskupplungen kein Spiel zwischen den Kupplungselementen, wodurch Drehmoment im verbundenen Zustand fest übertragen wird und ferner im getrennten Zustand kein Energieverlust auftritt. Diese Kupplungen können jedoch häufig Geräusche, Vibrationen oder Rauheit (noise, vibrations or harshness, nach diesen Anfangsbuchstaben „NVH“ genannt) erzeugen, die durch Aneinanderstoßen der Klauenzähne in einem Übergangszustand zwischen geöffnetem und geschlossenem Zustand entstehen. Um den Komfort von Fahrzeugen zu verbessern, ist die Beherrschung des NVH ein Dauerthema in der Fahrzeugtechnik.
Die nachstehend beschriebene Vorrichtung wurde entwickelt, um ein Kupplungssystem zu schaffen, das eine bessere Lösung für die Probleme im Übergangszustand bietet.
Gemäß einem Aspekt ist ein System zum Steuern einer Kupplung zur Regulierung der Übertragung von Drehmoment um eine Achse auf ein Fahrzeug vorgesehen, mit: einem um eine Achse drehbaren Betätigungselement; einem Motor, der antriebsmäßig mit dem Betätigungselement verbunden ist, um auf das Betätigungselement eine Drehbewegung um die Achse zu bewirken; einem Umwandlungsmechanismus, der antriebsmäßig mit dem Betätigungselement verbunden ist, um die Drehbewegung um die Achse in eine axiale Bewegung umzuwandeln ein Kupplungselement, das die Kupplung bildet und antriebsmäßig mit dem Umwandlungsmechanismus verbunden ist, um durch die axiale Bewegung angetrieben zu werden, wobei das Kupplungselement axial bidirektional von einer ersten Position, in der die Kupplung getrennt ist, über eine zweite Position zu einer dritten Position, in der die Kupplung verbunden ist, bewegbar ist; und eine Steuerung, die ausgestaltet ist, um einen Drehwinkel des Motors zu messen und mit einem Referenzwert zu vergleichen, um zu bestimmen, in welcher der ersten Position, der zweiten Position und der dritten Position sich das Kupplungselement befindet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs mit einem System zur Steuerung einer Kupplung.
2 ist eine perspektivische Teil-Explosionsansicht eines Differentials mit einem Kupplungssystem.
3 ist eine Schnittansicht des Differentials mit dem Kupplungssystem, gemäß der Linie III-III aus 2.
4 ist eine Schnittansicht des Kupplungssystems mit einem Umwandlungsmechanismus, der ein Schraubgewinde oder eine Spiralbahn verwendet.
5A ist eine schematische Schnittdarstellung der Kupplung, die einen geöffneten Zustand zeigt.
5B ist eine schematische Schnittdarstellung der Kupplung, die einen geschlossenen Zustand zeigt.
5C ist eine schematische Schnittdarstellung der Kupplung, die einen Übergangszustand zeigt, in dem die Kupplungszähne nicht ineinandergreifen können.
5D ist eine schematische Schnittdarstellung der Kupplung, die einen Übergangszustand zeigt, bei dem jeder Zahnkopf direkt gegenüber einem jeweiligen Zahngrund steht, so dass die Kupplungszähne ineinandergreifen können.
6 ist ein Diagramm, das schematisch die Beziehung zwischen den Drehwinkeln eines Rotors und den Positionen eines Druckelements zeigt.
7 ist ein schematisches Wellenformdiagramm für eine Phasendifferenz eines Stroms relativ zu einer Spannung, das den Einfluss der Position des Rotors relativ zu einem Stator auf die Phasendifferenz zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, mit dem anhand des Drehwinkels bestimmt wird, wo sich ein Kupplungselement befindet.
9 ist ein Flussdiagramm zur Steuerung eines an einen Motor anzulegenden Stroms in Abhängigkeit von der ermittelten Position des Kupplungselements.
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Steuerungsfluss mit zusätzlichen Funktionen zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Beschreibungen und den beigefügten Ansprüchen bedeutet eine Achse, sofern nicht anders beschrieben, eine zentrale Achse einer Kupplung, die normalerweise mit einer Drehachse einer Kraftübertragungsvorrichtung übereinstimmt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, und es wird daher besonders darauf hingewiesen, dass die Maßverhältnisse nicht auf die darin gezeichneten beschränkt sind.
Ein nachstehend offenbartes Kupplungssystem kann vorzugsweise mit einer Rotationseinrichtung kombiniert werden, die ein Fahrzeug dazu befähigt, eine Kraftübertragungsvorrichtung zu bilden, und kann insbesondere für den Zweck des Verbindens/Trennens einer Kupplung von außerhalb der Rotationseinrichtung verwendet werden, um deren Funktion zu steuern. Das Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs wird, wenn die Kupplung geschlossen wird, über die Kupplung übertragen und, in geöffnetem Zustand, unterbrochen.
Bezugnehmend auf 1 ist das Fahrzeug 100 mit einem Verbrennungsmotor oder Motor 61 ausgestattet, und das vom Verbrennungsmotor oder Motor 61 erzeugte Drehmoment wird über ein Getriebe 63, eine Übertragungseinrichtung 65 und eine Längsantriebswelle 67 auf ein Differential 3 übertragen und dadurch auf die Hinterräder 69 verteilt (im Falle eines FR-Fahrzeugs, das heißt eines Frontmotor-Hinterachsantrieb-Fahrzeugs). Alternativ kann die Übertragungseinrichtung 65 Drehmoment auch teilweise auf die Vorderräder 71 verteilen (bei einem 4WD-Fahrzeugs, das heißt Allradfahrzeugs), oder das Drehmoment kann vom Getriebe 63 über ein vorderes Differential nur auf die Vorderräder 69 verteilt werden (bei einem FF-Fahrzeug, das heißt eines Frontmotor-Vorderachsantrieb-Fahrzeugs). Das Differential 3 umfasst eine eingebaute Klauenkupplung 10 zur Steuerung dessen Betriebsweise, die von einem außerhalb des Gehäuses 15 installierten Aktuator 1 betätigt wird.
Für die Steuerung der Klauenkupplung 10 kann ein Kupplungssystem verwendet werden. In den 2 bis 4 ist ein Beispiel für das System in Kombination mit einem sogenannten Sperrdifferential dargestellt, während es auch mit einem sogenannten Freilaufdifferential kombiniert werden kann. Die Anwendungen des Systems sind natürlich nicht darauf beschränkt. Auf der Grundlage dieser Offenbarung kann das Kupplungssystem in einem breiten Spektrum von Rotationseinrichtungen mit Klauenkupplungen eingesetzt werden, und beispielhafte Ausführungsformen hiervon können ein Getriebe, eine Kraftübertragungseinheit (PTU) oder eine Kupplungsvorrichtung umfassen. Bei der Kupplung handelt es sich beispielsweise um eine sogenannte Klauenkupplung mit Klauenzähnen, wobei verschiedene Arten von Kupplungen allgemein anwendbar sind, solange die Kupplungen Strukturen aufweisen, die zur Übertragung von Drehmoment nicht Reibung, sondern Verbindung durch gegenseitiges Ineinandergreifen verwenden.
Bezugnehmend auf 1 und 2, ist eine Magnetspule 31 über ein Kabel 37 mit einem externen elektrischen Schaltkreis 81 elektrisch verbunden. Der elektrische Schaltkreis 81 kann alternativ ganz oder teilweise im Aktuator 1 untergebracht oder in einem der Steuergeräte (ECU) eingebaut sein, wie noch beschrieben wird. Das Fahrzeug ist normalerweise mit einer Vielzahl von elektronischen Steuereinheiten (ECU) ausgestattet, von denen jedes programmierbar ist, um verschiedene Teile des Fahrzeugs elektronisch zu steuern. Jede Steuereinheit ist mit einer Speichereinrichtung zum Speichern von Befehlen und Daten und einem Mikrocontroller ausgestattet, der in der Lage ist, diese aus dem Speicher auszulesen und die Befehle auszuführen. Die mehreren Steuereinheiten nutzen zum Beispiel ein sogenanntes „Controller Area Network“ (CAN), um miteinander zu kommunizieren und Informationen auszutauschen.
Eine der Steuereinheiten (ECU) 85 ist mit dem elektrischen Schaltkreis 81 verbunden, um dessen Funktionen zu steuern. Oder der elektrische Schaltkreis 81 ist in die ECU 85 eingebettet und läuft unter deren Steuerung. Der elektrische Schaltkreis 81 ist außerdem mit einer Stromquelle 83 verbunden und schaltet, unter der Steuerung der ECU 85, den Strom für die Magnetspule 31 zu oder ab. Die der Magnetspule 31 zugeführte Energie kann ein Gleichstrom, ein Wechselstrom, ein pulsierender Strom oder Pulse sein.
Im Wesentlichen bezugnehmend auf 3 in Kombination mit 2, ist das Differential 3 ein rotierender Körper, der in der Lage ist, eine Drehbewegung T um die Achse X zu erzeugen, und in dem die Kupplung 10 eingebaut ist. Das Differential 3 ist mit einem Differentialradsatz 21 versehen, der mit dessen Gehäuse 15 gekoppelt ist, und der Differentialradsatz 21 ist mit Seitenrädern 23, 25 versehen, die jeweils mit Achsen gekoppelt sind. Insbesondere fungiert der Differentialradsatz 21 als Mittel zur Verteilung des vom Gehäuse 15 aufgenommenen Drehmoments auf die Seitenräder 23, 25, wobei eine Differentialbewegung zwischen diesen ermöglicht wird. 3 zeigt ein Beispiel eines Kegelradgetriebes, aber es kann auch jedes andere Getriebe, wie z.B. ein Stirnradgetriebe oder ein Planetengetriebe, verwendet werden.
Im gezeigten Beispiel ist ein Kupplungselement 11, das Drehmoment vom Gehäuse 15 übertragen kann, axial beweglich, und das Seitenrad 23 ist mit einer Kupplungsverzahnung versehen und kann dadurch mit dem Kupplungselement 11 in Eingriff gebracht werden, wobei die Kombination aus dem Kupplungselement 11 und der Kupplungsverzahnung die Kupplung 10 bildet. Wenn der Aktuator 1 das Kupplungselement 11 betätigt, so dass die Kupplung 10 verbunden wird, wird das Seitenrad 23 temporär mit dem Gehäuse 15 verbunden, wodurch das Drehmoment übertragen wird. Da das andere Seitenrad 25 keine Differentialbewegung relativ zum Seitenrad 23 erzeugen kann, gerät das Differential 3 in einen sogenannten „Differentialsperrzustand“, in dem seine Differentialfunktion aufgehoben ist. Wenn der Aktuator 1 ein Trennen der Kupplung 10 bewirkt, verteilt das Differential 3 das vom Gehäuse 15 aufgenommene Drehmoment auf beide Achsen.
Der Aktuator 1 ist im Allgemeinen mit einem Motor 5, der eine Drehbewegung R um die Achse X erzeugt, und einem Umwandlungsmechanismus 7 zur Umwandlung der Drehbewegung R in eine lineare Bewegung in einer Richtung entlang der Achse X versehen. Der gesamte Körper des Aktuators 1 ist koaxial zu einer Rotationseinheit wie dem Differential 3, insbesondere seinem Nabenabschnitt 19, angeordnet und befindet sich neben oder in Kontakt mit einer Endfläche der Rotationseinheit.
Der Motor 5 kann, wie in 2 gezeigt, oder auch der Umwandlungsmechanismus 7 kann, wie in 3 gezeigt, in dem Gehäuse 14 untergebracht sein, und das Gehäuse 14 wird von einem Träger an der Fahrzeugkarosserie befestigt, wodurch es am Drehen gehindert wird. Die Verdrehsicherung kann durch eine relativ einfache Struktur realisiert werden, wie z.B. die in 3 gezeigte Struktur, wobei eine am Außenumfang des Gehäuses 14 befestigte Lasche 55 mit dem Träger in Eingriff gebracht wird. Natürlich kann das Gehäuse 14 anstelle der Lasche mit einer beliebigen Struktur für den direkten Eingriff mit dem Träger versehen werden, und ein Gegenstück kann ein beliebiges anderes Element als der Träger sein.
Bezugnehmend auf 3 oder 4 in Kombination mit 2, ist der Motor 5 im Allgemeinen versehen mit der Magnetspule 31 zum Erzeugen eines magnetischen Flusses als Reaktion auf das Anlegen der elektrischen Leistung, einem Stator 33 zum Leiten des magnetischen Flusses und einem Rotor 35 zum Erzeugen der Drehbewegung R um die Achse X durch den empfangenen magnetischen Fluss. Der Stator 33 ist zusammen mit der Magnetspule 31 daran gehindert, relativ zum Gehäuse 14 um die Achse X zu drehen, und ist vorzugsweise in axialer Richtung unbeweglich ausgeführt.
Der Rotor 35 ist aus einem magnetischen Material hergestellt, um den magnetischen Fluss aufzunehmen und dadurch angetrieben bzw. bewegt zu werden. Um den durch den Stator 33 geleiteten magnetischen Fluss aufzunehmen, ist der Rotor 35 in Richtung der Achse X etwas vom Stator 33 entfernt und diesem gegenüberliegend angeordnet. Wie aus diesen Zeichnungen leicht ersichtlich ist, kann der Rotor 35 eine Hohlwelle sein und koaxial zum Gehäuse 15 angeordnet und um dessen Nabenabschnitt 19 drehbar sein. In Konkretisierung, in diesem Beispiel, ist der Rotor 35 in der Lage, die Drehbewegung R um die Achse X zu erzeugen.
Alternativ dazu kann der Rotor 35 exzentrisch zum Gehäuse 15 angeordnet sein. In diesem Fall kann der Rotor 35 nicht hohl sein, sondern es kann eine beliebige massive Getriebewelle aus diesem herausgeführt werden, die mit dem Umwandlungsmechanismus 7 im Zahneingriff steht und diesen antreibt.
Jedes der in 3, 4 dargestellten Beispiele zeigt einen Axialspaltmotor, bei dem der Rotor und der Stator in axialer Richtung ausgerichtet sind und der magnetische Fluss in einer Richtung parallel zur Achse herausgeführt wird. Anstelle des Axialspaltmotors kann natürlich auch ein so genannter Radialspaltmotor verwendet werden, bei dem der Rotor koaxial zu einem Stator und radial außen oder innen nah an diesem angeordnet ist. Alternativ kann aber auch jeder andere geeignete Motortyp verwendet werden.
Wie bereits beschrieben, ist die Magnetspule 31 über das Kabel 37 mit der externen elektrischen Schaltung 81 elektrisch verbunden, und die elektrische Schaltung 81 erzeugt Wechsel- oder Impulsströme mit Phasendifferenzen und leitet diese an die jeweiligen Spulen der Magnetspule, wodurch der Rotor 35 veranlasst wird, die Drehbewegung R zu erzeugen. Die Richtungen der Drehbewegung R können durch die Richtungen der Phasendifferenzen gesteuert werden, und insbesondere kann der Motor 5 die Drehbewegung R sowohl in positiver als auch negativer Richtung erzeugen. Zur Erzeugung der Wechsel- oder Impulsströme werden beliebige Schaltvorrichtungen verwendet, in denen beliebige Halbleiterbauelemente wie bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBT) zum Einsatz kommen, ohne darauf eingeschränkt zu sein. Die obigen Beschreibungen beziehen sich zwar auf einen so genannten Induktionsmotor, es können aber auch ein Synchronmotor, ein Permanentmagnetmotor, ein Kommutatormotor, ein Gleichstrommotor und andere Motoren verwendet werden.
Der Umwandlungsmechanismus 7 ist antriebsmäßig mit dem Rotor 35 gekoppelt und wandelt dessen Drehbewegung R in die lineare Bewegung um, wodurch die lineare Bewegung an ein Druckelement 41 abgegeben wird. Für eine solche Umwandlung ist beispielsweise ein Steuerkurvenmechanismus, ein Kugelrampenmechanismus, ein Schraubenmechanismus oder ein Rollenschraubenmechanismus geeignet. Während 2 ein Beispiel für den Steuerkurvenmechanismus zeigt, ist das Druckelement 41 ringförmig ausgebildet und weist auf einer dem Rotor 35 gegenüberliegenden Seite Kurvenschrägen 41c auf, die jeweils in Umfangsrichtung geneigt sind. Der Rotor 35 ist dementsprechend mit geeigneten Strukturen versehen, die auf den Kurvenschrägen 41c gleiten können. Wenn sich der Rotor 35 in der Drehbewegung R befindet, wird das an der Drehung gehinderte Druckelement 41 entlang der Kurvenschrägen 41c in axialer Richtung geschoben.
Während im obigen Beispiel der Rotor 35 als Betätigungselement dient, um das Druckelement 41 direkt anzutreiben, kann stattdessen, wie in 4 gezeigt, ein unabhängiges Betätigungselement 45 antriebsmäßig mit dem Rotor 35 gekoppelt werden, und das Betätigungselement 45 kann in die Drehbewegung R versetzt werden, um das Druckelement 41 anzutreiben. Die Kurvenschrägen 41c können auch nicht auf dem Druckelement 41 vorgesehen sein, sondern der Rotor 35 oder das Betätigungselement 45 können die Kurvenschrägen aufweisen. Oder es kann ein anderes Zwischenglied damit versehen werden.
Die Kopplung zwischen dem Rotor 35 und dem Betätigungselement 45 kann, wie in 4 dargestellt, durch Kraftschluss erfolgen, oder es kann eine Keilwellen- oder Passfederverbindung verwendet werden, oder es kann ein Verzahnungseingriff zur Übertragung der Drehbewegung verwendet werden. Wie bereits beschrieben, kann in einem Fall, in dem der Rotor 35 und der Umwandlungsmechanismus 7 keine gemeinsame Achse haben, ein Verzahnungseingriff ohne weiteres verwendet werden.
Um die Gleitbewegung des Rotors 35 oder des Betätigungselements 45 auf den Kurvenschrägen 41c zu glätten, können dazwischen Rollen 53 angeordnet sein. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist der Rotor 35 mit Taschen 35c zur Aufnahme der Rollen 53 versehen, so dass die Rollen 53 der Drehung des Rotors 35 folgen und über die Kurvenschrägen 41c rollen, wodurch das Druckelement 41 in axialer Richtung angetrieben wird. Jede Rolle 53 kann zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein. Es kann auch eine Kugelform verwendet werden, und dann kann der Umwandlungsmechanismus 7 ein Kugelkurvenmechanismus sein.
Vorsprünge des Kupplungselements 11 erstrecken sich durch eine Stirnwand 15E, beispielsweise, des Gehäuses 15 und werden so nach außen geführt, und das Druckelement 41 steht mit diesen in Kontakt, um das Kupplungselement anzutreiben. Oder, wie in 4 beispielhaft gezeigt, können das Druckelement 41 und das Kupplungselement 11 auf Basis einer geeigneten Verbindungsstruktur in eine einheitliche Bewegung versetzt werden. Alternativ kann anstelle des Eingriffs auch eine Kopplung durch Bolzen oder dergleichen verwendet werden. Die Vorsprünge des Kupplungselements 11 können ggf. nicht aus dem Gehäuse 15 nach außen geführt sein, und können stattdessen mit dem Druckelement 41 durch beliebige Öffnungen in Seitenwänden des Gehäuses 15 verbunden werden. Ferner kann, wie bereits beschrieben, das Antreiben des Druckelements 41 durch eine beliebige Spiralbahn oder Schraubenstruktur 47 erfolgen, die beispielhaft in 4 dargestellt ist, anstelle der Kurvenschrägen.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, treibt der Umwandlungsmechanismus 7 über das Druckelement 41 das Kupplungselement 11 in axialer Richtung an, wenn der Rotor 35 die Drehbewegung R erzeugt. Wie in einem Beispiel in 5A gezeigt, sind die Kupplungszähne 13 des Kupplungselements 11 von den Kupplungszähnen 17 des Seitenrads 23 entfernt, wenn sich das Druckelement 41 in einer Anfangsposition x₁ befindet, d.h. die Kupplung 10 ist getrennt. Wie in einem Beispiel in 5B gezeigt, sind, wenn das Druckelement 41 in eine Endposition x3 bewegt wird und sich das Kupplungselement 11 entsprechend bewegt, die Kupplungszähne 13 und die Kupplungszähne 17 miteinander im Eingriff, d.h. die Kupplung 10 ist verbunden. Demgegenüber, bei Drehung in umgekehrter Richtung, bewegt der Umwandlungsmechanismus 7 das Kupplungselement 11 von der Position, in der die Kupplung 10 verbunden ist, in die Position, in der sie getrennt wird. Um das Trennen der Kupplung 10 zu unterstützen, kann ein abstoßender Körper, wie z. B. eine Feder, verwendet werden. Im Gegensatz dazu kann der abstoßende Körper in einer Richtung verwendet werden, die ein Einkuppeln bewirkt. Der abstoßende Körper ist bei diesen Ausführungsformen natürlich weder notwendig noch zwangsläufig vorhanden. In jedem Fall spiegeln die Drehwinkel des Rotors 35 um die Achse X die Positionen des Druckelements 41 wider. In der Zwischenzeit dient die Unterscheidung zwischen der Anfangsposition x₁ und der Endposition x₃ nur zu beschreibenden Zwecken und bedeutet nicht, dass irgendeine von ihnen eine Position in einem stabilen Zustand ist.
Unter Bezugnahme auf 5C und 5D kann ein Problem auftreten, wenn sich das Druckelement 41 in einer Übergangsposition x₂ zwischen der Anfangsposition x₁ und der Endposition x₃ befindet. Wie in 5C beispielhaft gezeigt, wäre die Verbindung der Kupplung 10 unterbrochen, wenn die Kupplungszähne 13 so angeordnet sind, dass sie mit den Kupplungszähnen 17 aneinanderstoßen, und es würde auch NVH auftreten, wenn sich das Kupplungselement 11 noch in diesem Zustand relativ zum Seitenrad 23 dreht. NVH könnte unterdrückt werden, wenn irgendeine Steuerung vorgenommen werden könnte, um zu warten, bis die Kupplungszähne 13 dahin kommen, wo sie in Eingriff mit den Kupplungszähnen 17 sein könnten, wie beispielhaft in 5D gezeigt. In Konkretisierung, wenn das Kupplungssystem bestimmen könnte, in welcher der Ausgangspositionen x₁, der Übergangsposition x₂ und der Endposition x₃ sich das Kupplungselement 11 befindet, würde das System verschiedene Vorteile bieten.
Bezugnehmend auf 6 kann das System, unter Ausnutzung der Eigenschaft, dass der Drehwinkel θ des Rotors 35 die Position des Druckelements 41 und dementsprechend die Position des Kupplungselements 11 widerspiegelt, die Position des Kupplungselements 11 erkennen, und zwar nicht durch direkte Erfassung seiner Position, sondern durch Messung des Drehwinkels θ. Wenn die Drehwinkel θ₁, θ₂ und θ₃ jeweils den Positionen x₁, x₂ und x₃ entsprechen, kann das Kupplungssystem den Zustand der Kupplung 10 durch Vergleich des Drehwinkels θ mit beliebigen geeigneten Referenzwerten θ_a und θ_b beurteilen. Die Referenzwerte θ_a und θ_b können im Voraus unter Berücksichtigung eines etwaigen strukturellen Spiels oder dergleichen im Umwandlungsmechanismus 7 und den anderen Elementen festgelegt werden, und diese Werte können im Speicher der ECU 85 gespeichert werden.
Für die Messung des Drehwinkels θ des Rotors 35 kann die Induktivität oder eine ähnliche Größe des elektrischen Schalkreises 81 verwendet werden. Die Magnetspule 31 hat beispielsweise eine charakteristische Induktivität, und wenn auf den daran angelegten Antriebsstrom ein Wechselstrom gelegt wird, kann deren durch die Drehung des Rotors 35 verursachte Induktivitätsänderung ausgelesen werden, und dementsprechend kann der Drehwinkel θ ausgelesen werden. In diesem Beispiel ist der elektrische Schaltkreis 81 mit einem Oszillator ausgestattet, um einen Wechselstrom mit einer charakteristischen Frequenz zu erzeugen, und überlagert diese dem Strom zum Antreiben des Aktuators 1. Die überlagerte elektrische Leistung kann im Vergleich zur Antriebsleistung hinreichend klein sein, um das Verhalten des Rotors 35 nicht zu beeinflussen. Die Frequenz kann so gewählt werden, dass das Verhalten des Rotors 35 nicht beeinträchtigt wird, und zwar unter Berücksichtigung der Möglichkeit, die überlagerte Komponente von der elektrischen Antriebsleistung zu trennen.
Bezugnehmend auf 7, hat der Strom I₁ im überlagerten elektrischen Wechselstrom eine Phasendifferenz Δϕ_ref relativ zur Spannung V. Wenn sich der Rotor 35 von einer ersten Position zu einer zweiten Position relativ zum Stator 33 bewegt, ändert sich als Reaktion auf die Positionsänderung auch die Induktivität der Magnetspule 31, und infolgedessen ändert sich die Phasendifferenz Δϕ des Stroms I₂ relativ zur Spannung V. Andererseits ist die Phasendifferenz Δϕ auch leicht zu erkennen, da durch die Verwendung eines geeigneten Bandpassfilters der überlagerte Wechselstrom problemlos vom Antriebsstrom getrennt werden kann. Die ECU 85 könnte die Phasendifferenz Δϕ über den elektrischen Schaltkreis 81 auslesen, um den Drehwinkel θ zu berechnen.
Anstelle des Rotors 35 kann natürlich auch die Bewegung eines beliebigen anderen Elements erfasst werden, um dessen Induktivitätsänderung abzulesen. Das Kupplungssystem kann alternativ mit einer zusätzlichen, von der Magnetspule 31 unabhängigen elektromagnetischen Spule ausgestattet sein, deren Induktivitätsänderung abgelesen werden kann. Ferner kann anstelle der Induktivitätsänderung eine Kapazitätsänderung verwendet werden.
Das Kupplungssystem kann mit Mitteln zum Ablesen des Drehwinkels θ des Rotors 35 ausgestattet sein. Ein Beispiel für ein solches Mittel ist ein Encoder, der am Rotor 35, am Betätigungselement 45 oder an einem anderen Element, das sich mit diesen Elementen dreht, angebracht ist, sowie ein Näherungssensor, der mit dem Encoder verbunden ist. Beispielsweise gibt der Sensor jedes Mal, wenn auf dem Encoder gebildete Schnitte vor dem Näherungssensor vorbeilaufen, entsprechende Impulse aus, und dann kann die ECU 85 oder eine andere ECU durch Zählen der Impulse den Drehwinkel θ auslesen.
Das Steuergerät (ECU) 85 bestimmt auf der Grundlage des gemessenen Drehwinkels θ und in Übereinstimmung mit einem Algorithmus wie dem in 8 beispielhaft dargestellten Flussdiagramm, ob die Kupplung 10 getrennt oder verbunden ist.
Die ECU 85 prüft zunächst, ob die Mittel zur Erkennung des Drehwinkels und das System normal arbeiten können. Als Nächstes verwendet die ECU 85 die Mittel zur Erfassung des Drehwinkels, um den Drehwinkel θ auszulesen und auch die zur Bestimmung geeigneten Referenzwerte θ_a und θ_b aus dem Speicher auszulesen.
Die ECU 85 vergleicht als nächstes den gemessenen Drehwinkel θ mit den Referenzwerten θ_a und θ_b. Wenn der Drehwinkel θ im Bereich von θ₁ (Ausgangsposition) bis θ_a liegt, kann festgestellt werden, dass die Kupplung 10 getrennt ist. Wenn der Drehwinkel θ im Bereich von θ_b bis θ₃ (Endstellung) liegt, kann festgestellt werden, dass die Kupplung 10 verbunden ist.
Das Steuergerät 85 kann die Ergebnisse der Bestimmung im Speicher ablegen, um sie für andere Steuerungen zu verwenden, und überträgt die Ergebnisse der Bestimmung über die CAN-Kommunikation an andere Steuergeräte.
Die ECU 85 kann auch die Ergebnisse der Bestimmung verwenden, um die Steuerung des Aktuators 1 durchzuführen. Unter Bezugnahme auf 9 beurteilt die ECU 85, ob die Bedingungen für die Fortsetzung der Steuerung erfüllt sind oder nicht, und steuert in einem Fall, in dem die Steuerung fortgesetzt werden sollte, den elektrischen Schaltkreis 81 an, um die Kupplung 10 zu verbinden (oder zu trennen) und die Magnetspule 31 mit dem erforderlichen Strom zu versorgen. Das Steuergerät 85 stellt als nächstes fest, ob sich das Kupplungselement 11 gemäß dem bereits beschriebenen Algorithmus in einer erforderlichen Position (geschlossene oder geöffnete Position) befindet. Wenn es feststellt, dass das Kupplungselement 11 die erforderliche Position erreicht hat, wird der an die Magnetspule 31 angelegte Strom auf einen Wert geändert, der erforderlich ist, um den Zustand zu erhalten (normalerweise ein Energiesparmodus). Wenn die Position des Kupplungselements 11 die erforderliche Position nicht erreicht, veranlasst die ECU die elektrische Schaltung 81, einen ausreichenden Strom auszugeben, um das Element in die erforderliche Position zu bringen. Wenn die Bedingungen für die Beendigung der Steuerung erfüllt sind oder eine Anomalie erkannt wird, veranlasst die ECU 85 den elektrischen Schaltkreis 81, einen ausreichenden Strom auszugeben, um das Kupplungselement 11 in die getrennte Position zu bringen, und beendet dann die Steuerung. Dann kann es ein Signal, das die Erkennung der Anomalie meldet, zum Beispiel über die CAN-Kommunikation an andere Steuergeräte senden.
Die ECU kann eine zusätzliche Steuerung ausführen (Zeichen „a“ in 9), wenn sie feststellt, dass sich das Kupplungselement 11 in der Übergangsposition befindet. Wie in 10 beispielhaft dargestellt, kann die ECU 85 beurteilen, ob das Kupplungselement 11 weiter in der Übergangsposition ist oder nicht. Diese Beurteilung kann natürlich dadurch erfolgen, dass beurteilt wird, ob sich der Drehwinkel θ ändert oder nicht, oder dadurch, dass beurteilt wird, ob die Änderung des Drehwinkels θ mit dem angelegten Strom übereinstimmt. Die ECU 85 kann, wenn sie feststellt, dass das Kupplungselement 11 durchläuft, eine geeignete Steuerung für das Ineinandergreifen der Klauenzähne ausführen. Wenn stattdessen festgestellt wird, dass das Kupplungselement 11 nicht durchläuft, kann die ECU 85 weiter beurteilen, ob ein Zustand vorliegt, in dem NVH auftreten kann oder nicht. Wenn festgestellt wird, dass NVH auftreten würde, kann die ECU 85 ein beliebiges Verfahren zur Entlastung des NVH ausführen. Dieser Prozess kann zum Beispiel ein vorübergehendes Anhalten des Kupplungselements 11 oder eine Verlangsamung seiner Bewegung beinhalten. Wenn festgestellt wird, dass NVH nicht auftritt, kann die in 9 gezeigte Steuerung fortgesetzt werden.
Außerdem kann der zusätzliche Prozess, der von der ECU 85 ausgeführt werden soll, stattdessen von jeder anderen ECU ausgeführt werden. Die ECU 85 kann beispielsweise ein Signal, das anzeigt, dass sich die Kupplung 11 noch in der Übergangsposition befindet, über die CAN-Kommunikation an die andere ECU übertragen. Das andere Steuergerät, das das Signal empfängt, kann eine Steuerung zur Unterdrückung der Leistung des Motors oder der Maschine 61 bis zu einem bestimmten Niveau ausführen, wodurch NVH vermindert wird.
Darüber hinaus kann die Möglichkeit der genauen Bestimmung der Position des Kupplungselements eine weitere Unterdrückung von NVH ermöglichen. Wieder bezugnehmend auf 6, wenn sich das Kupplungselement 11 über die Ausgangsposition x₁ hinaus zurückbewegt und seine Rückseite mit der Stirnwand 15E in Kontakt ist (Kontaktposition x₀), wie in den 3 und 4 gezeigt, kann das Differential 3 auch ein Geräusch erzeugen. Ferner, wie sich unter Bezugnehme auf 5B versteht, wenn sich das Kupplungselement 11 über die Endposition x₃ hinaus nach vorne bewegt und die Zahnköpfe der Kupplungszähne 17 in Kontakt mit den Zahnböden der Kupplungszähne 13 sind (Kontaktposition x₄), kann das Differential 3 ebenfalls ein Geräusch erzeugen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das System durch die Bestimmung, ob der Drehwinkel θ des Rotors 35 die Winkel θ₀ bzw. θ₄ erreicht, die den Kontaktpositionen x₀ und x₄ entsprechen, feststellen, ob das Geräusch erzeugt werden könnte, oder die Geräuscherzeugung vorhersagen. Durch die Einstellung geeigneter Schwellenwerte und die damit verbundene Steuerung des Motors 61 können diese unerwünschten Situationen vermieden werden, oder die NVH-Geräusche können unterdrückt werden, indem die Drehung des Motors 61 im Voraus verlangsamt wird.
Wie sich aus der obigen Beschreibung versteht, kann das Kupplungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform ohne Hinzufügen besonderer Vorrichtungen die Position des Kupplungselements bestimmen und insbesondere unterscheiden, ob es sich in einem Übergangszustand befindet oder nicht. Anhand der Feststellungen kann das Kupplungssystem selbst oder in Zusammenarbeit mit den anderen Systemen eine Steuerung zur Verminderung von NVH durchführen.
Obwohl bestimmte beispielhafte Ausführungsformen oben beschrieben sind, werden Modifikationen und Variationen der Ausführungsformen in Anbetracht der obigen Lehren den Fachleuten geläufig sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018109874 A1 [0004]
JP 2004208460 [0004]
WO 2018118912 A1 [0004]

Claims

System zum Steuern einer Kupplung zur Regelung der Übertragung von Drehmoment um eine Achse auf ein Fahrzeug, umfassend: ein Betätigungselement, das um die Achse drehbar ist; einen Motor, der antriebsmäßig mit dem Betätigungselement verbunden ist, um auf das Betätigungselement eine Drehbewegung um die Achse zu bewirken; einen Umwandlungsmechanismus, der antriebsmäßig mit dem Betätigungselement verbunden ist, um die Drehbewegung um die Achse in eine axiale Bewegung umzuwandeln; ein Kupplungselement, das die Kupplung bildet und antriebsmäßig mit dem Umwandlungsmechanismus verbunden ist, so dass es durch die axiale Bewegung bewegt wird, wobei das Kupplungselement axial bidirektional von einer ersten Position, in der die Kupplung getrennt ist, über eine zweite Position zu einer dritten Position, in der die Kupplung verbunden ist, beweglich ist; und eine Steuerung, die so ausgestaltet ist, um einen Drehwinkel des Motors zu messen und mit einem Referenzwert zu vergleichen, um zu bestimmen, in welcher von der ersten, zweiten und dritten Position sich das Kupplungselement befindet.
System nach Anspruch 1, wobei das Kupplungselement Klauenzähne aufweist, um in ein gegenüberliegendes Element einzugreifen, so dass die Kupplung eine Klauenkupplung bildet, und wobei die zweite Position dort ist, wo die Klauenzähne ein Aneinanderstoßen mit dem gegenüberliegenden Element verursachen.
System nach Anspruch 1, wobei der Umwandlungsmechanismus ein Druckelement, das mit dem Kupplungselement in Kontakt steht oder mit diesem verbunden ist, um das Kupplungselement zu bewegen, und eine Steuerfläche, ein Schraubengewinde oder eine spiralförmige Spur umfasst, die sich um die Achse herum erstreckt und relativ zu einer Achsrichtung geneigt ist, um das Druckelement in Reaktion auf die Drehbewegung axial zu drücken, wodurch der Umwandlungsmechanismus das Kupplungselement in eine Position bringt, die den Drehwinkel widerspiegelt.
System nach Anspruch 1, bei dem eines oder mehrere von dem Betätigungselement, dem Motor und der Steuerung Mittel zum Messen des Drehwinkels umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ausgestaltet ist, um zu ermitteln, ob die ermittelte Position des Kupplungselements mit einer angeforderten Position übereinstimmt, und, falls eine Übereinstimmung festgestellt wird, dem Motor einen Strom zuführt, um das Kupplungselement in der ermittelten Position zu halten.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ausgestaltet ist, um zu ermitteln, ob die ermittelte Position des Kupplungselements mit einer angeforderten Position übereinstimmt, und, falls keine Übereinstimmung festgestellt wird, dem Motor einen Strom zuführt, um das Kupplungselement in die angeforderte Position zu bringen.