DE4140122C2 - Anordnung zur elektromotorischen Betätigung einer reibschlüssigen Verbindung zwischen zwei Getriebegliedern eines Zahnrädergetriebes eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Anordnung zur elektromotorischen Betätigung einer reibschlüssigen Verbindung zwischen zwei Getriebegliedern eines Zahnrädergetriebes eines Kraftfahrzeuges

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbe­ griff von Patentanspruch 1.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE-GM 90 07 320) ist eine Lamellenkupplung für das Zu- und Abschalten des Achsantriebes einer ersten Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges gegenüber dem Antriebsstrang einer permanent angetriebenen zweiten Antriebsachse verwendet. Eine variable Drehmomentverstärkung für den elektrischen Stellmotor ist bei dieser Anordnung nicht vorgesehen.
Gegenstand der EP 0 275 783 B1 ist ein Verfahren zur Betätigung eines Bremsmechanismus mit einer Schraube und einer Mutter, die auf diese Schraube geschraubt ist und dazu geeignet ist, sich in axialer Richtung auf einer Druckvorrichtung abzustützen, die auf Bremsbeläge wirkt, die so angeordnet sind, daß sie auf ein zu bremsendes Teil wirken, wobei die Schraube von einem Elektromotor mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird, so daß die Mutter und die Druckvorrichtung mit einer ersten linearen Geschwindigkeit entlang der Achse der Schraube verschoben werden, um die Beläge auf das zu bremsende Teil wirken zu lassen. Bei diesem bekannten Verfahren ist vorgesehen, daß die Mutter gleichzeitig mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird, die kleiner als die erste ist, so daß die Druckvorrichtung in axialer Richtung mit einer linearen Differentialgeschwindigkeit angetrieben wird, die propotional zum Unterschied dieser Winkelgeschwindigkeiten ist, wenn sich der durch die Wirkung der Beläge auf das zu bremsende Teil verursachte Druck in der Zunahmephase befindet. Weiterhin ist bei diesem Verfahren die Anordnung so getroffen, daß die Schraube mit einem koaxialen Zahnrad gekoppelt ist, das von einem Motor angetrieben wird, um die Schraube mit der ersten Winkelgeschwindigkeit zu drehen, daß der durch die Wirkung der Beläge auf das zu bremsende Teil verursachte Druck gemessen wird und das Zahnrad von der Schraube entkoppelt wird, wenn dieser Druck einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Das bekannte Verfahren arbeitet nun weiterhin so, daß die Mutter mit einem zweiten koaxialen Zahnrad gekoppelt ist, das von dem Motor angetrieben wird, um die Mutter mit der zweiten Winkelgeschwindigkeit zu drehen, daß der auf das zu bremsende Teil ausgeübte Druck gemessen wird und die Kopplung mit dem Motorantrieb verhindert wird, wenn das Antriebsdrehmoment des Motors aufgehoben wird, wenn dieser Druck im Verlauf einer Phase der vollständigen Lösung des Bremsmechanismus Null wird.
Aus der DE-PS 2 96 827 ist ein Triebwerk mit begrenzten Endlagen und einer Reibungskupplung für den Auslauf des Motors bekannt, bei dem die Reibungskupplung derart in das Getriebe eingebaut ist, daß ihr Übertragungsmoment während des Umlaufes mit zunehmender Belastung wächst und daß sie in den Endlagen auf die eingestellte Bremswirkung gebracht wird. Unter Verwendung einer Schnecke mit Schneckenrad ist bei diesem Triebwerk die Anordnung so getroffen, daß die mit der Schneckenwelle fest verbundene Kupplungsscheibe durch die bei der Drehung der Schnecke auftretenden Axialdrücke gegen eine Bremsscheibe gedrückt wird und so unmittelbar oder durch eine Feder die Kupplung dem Außenwiderstand entsprechend anspannt, während in den Endlagen ein auf dem Schneckenrad angebrachter Anschlag die Weiterdrehung der mit Anschlagnocken versehenen Schneckenwelle verhindert und so die Anspannung der Kupplung aufhebt.
In der DE-PS 93 162 ist eine Reibungskupplung mit regelbarer und ablesbarer Anpressung beschrieben, bei der eine die Welle umgebende und die beiden Kupplungshälften anpressende Feder verwendet ist, die von außen durch ein Schneckengetriebe und eine Druckbüchse mehr oder weniger stark gespannt wird und dadurch die der zu übertragenden Arbeit entsprechende Reibung in der Kupplung erzeugt, wobei die Drehung des Schneckenrades durch eine Räderübersetzung auf ein drehbares, von außen ablesbares Zifferblatt übertragen wird.
Bei einer weiteren bekannten gattungsfremden Anordnung (DE-OS 35 18 868) ist der Antriebsmotor des Kraftfahrzeuges mit einem handgeschal­ teten Zahnräderwechselgetriebe durch eine Anfahrkupplung in Form einer Einscheiben-Reibungskupplung antriebsmäßig verbun­ den, welche durch eine Membranfeder ständig im Einrücksinne betätigt ist und durch den auf die Membranfeder arbeitenden Stellring ausgerückt wird. Das Wandlergetriebe besteht im wesentlichen aus einem zweiarmigen Schwinghebel, dessen einer Hebelarm direkt den Stellring betätigt, während der andere Hebelarm ein Zahnsegment trägt, welches mit einem vom elek­ trischen Stellmotor über eine Schnecke angetriebenen Zahnrad kämmt. Bei dieser bekannten Anordnung sind die Reibscheibe, die Membranfeder, der Stellring und der eine zugehörige He­ belarm des Wandlergetriebes hintereinander auf der Getriebe­ eingangswelle angeordnet, während der elektrische Stellmotor mit seiner Drehachse quer zur Getriebeeingangswelle liegt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht im wesent­ lichen darin, eine Anordnung zur elektromotorischen Betätigung einer unter Last ein- und ausrückbaren reibschlüssigen Verbin­ dung zu schaffen, welche insbesondere anstelle der bisherigen druckmittelbetriebenen Anordnungen mit hydraulischen Stellglie­ dern der Axialkolbenbauart zum Betätigen der Schaltkupplungen und -bremsen von selbsttätig schaltenden Gangwechselgetrieben insbesondere der Umlaufräderbauart eingesetzt werden kann, und deren Anwendung im Kraftfahrzeug bspw. zum Sperren eines Umlauf­ räder-Ausgleichsgetriebes oder als zuschaltbarer An- oder Ab­ trieb oder als Anfahrkupplung eines handgeschalteten Zahnräder­ wechselgetriebes ebenfalls ermöglicht sein soll.
Die erläuterte Aufgabe ist in vorteilhafter Weise mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Bei der Anordnung nach der Erfindung geht der Leistungsfluß vom Antrieb bspw. über ein Lamellenpaket zum Abtrieb. Auf das La­ mellenpaket wirkt eine Axialkraft, welche mit Hilfe eines Ge­ triebes aus dem Moment eines Elektronikstellmotores erzeugt wird.
Die Getriebefunktion besteht aus einer Kombination von konstanter und variabler Drehmoment­ verstärkung mit Drehmoment-Axialkraftwandlung.
Die variable Übersetzung ermöglicht es, den Elektronikstell­ motor während des Schließvorganges der Kupplung optimal aus­ zunutzen. Durch gezielte Reduktion der Gesamtübersetzung wird die auf die Motorwelle reduzierte Drehmasse erhöht, so daß der Stellmotor gezwungen wird, im Punkt maximaler Leistungsabgabe zu arbeiten. Somit kann dem System die maximale Energie zur Leerwegüberbrückung zugeführt werden.
Eine Verrastung ermöglicht es, nach geregeltem Drehmomentaufbau die reibschlüssige Verbindung geschlossen zu halten. Der Stell­ motor kann abgeschaltet werden und entnimmt somit dem Bordnetz nicht die relativ hohe Stillstandsleistung zur Haltekrafterzeu­ gung.
Der Elektronikstellmotor wird entweder als komplette Einheit extern angebaut oder in die Kupplung- bzw. Bremsenkonstruktion integriert.
Der Aufbau eines als Stellmotor verwendeten elektronisch kom­ mutierten Gleichstrommotors kann bei der integrierten Lösung als Scheibenläufer oder als Doppelzylinderläufer erfolgen; bei der externen Lösung kann der Doppelzylinderläufer mit Berück­ sichtigung des Einbauraumes die günstigere Lösung sein.
Der Stellmotor hat drei Hauptfunktionen zu erfüllen, nämlich eine Schließfunktion mit Leerwegüberbrückung, eine Schaltfunk­ tion mit Drehmomentaufbau in der reibschlüssigen Verbindung und Haltefunktionen.
Die Schalt- bzw. Haltefunktion kann in Verbindung mit einer sehr großen Getriebeübersetzung (großes Massenträgheitsmoment) durch einen relativ kleinen Stellmotor erfüllt werden.
Die Schließfunktion erfordert eine Mindestenergiemenge, welche von dem Massenträgheitsmoment, der Motorcharakteristik und der Aufteilung konstante Getriebeübersetzung zu variabler Getrie­ beübersetzung abhängt und dem System zugeführt werden muß. Die­ se Energiemenge wird mit zunehmender Gesamtübersetzung als Fol­ ge größerer Drehmassen und Bauteilanzahl größer. Somit steigt auch die erforderliche Leistungsaufnahme des Stellmotors.
Die reine Haltefunktion kann entweder vom Elektronikstellmotor oder von einer Verrastung erfüllt werden. Es ist jedoch im Hin­ blick auf die Verlustleistung eines unter Last stillstehenden Elektronikstellmotors sinnvoll, die geschlossene reibschlüssige Verbindung mechanisch zu verrasten und den Stellmotor vom Bord­ netz zu trennen.
Die gegenläufige Tendenz bei Schließ- und Haltefunktion hin­ sichtlich Baugröße und Leistungsaufnahme des Stellmotors zeigt, daß es in Abhängigkeit der geforderten Leistungsdaten der Kupplung (Axialkraft, Lüftweg, Schließzeit), der Gesamtüber­ setzung des Getriebes und der Kennlinie des elektrischen Stell­ motores nur einen optimalen Motor mit minimaler Leistungsauf­ nahme gibt.
Der Betätigungsablauf wird von einer adaptiven Regelung, die einem Ankerstrom-Kennfeld überlagert ist, überwacht. Für die Anordnung nach der Erfindung sind bekannte reibschlüssige Ver­ bindungen wie Lamellenkupplungen, Lamellenbremsen oder Band­ bremsen geeignet.
Aus Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Auflage 1981, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, S. 448, Bild 4b und S. 449, Tabelle 2 ist ein stufenlos einstellbares Wälzge­ triebe in der Ausführung als Hohlkegel-Kugel-Getriebe bekannt, während Bild 3 auf Seite 1062 sowie Seite 1063 des Taschenbu­ ches Bauarten von Gleichstrom-Stellmotoren zeigen.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung nach der Erfindung zum Betätigen einer Lamellen­ kupplung, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Anordnung von Fig. 1.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sind in einem bei 16 angedeuteten Getriebegehäuse zwei Getriebewellen 3 und 4 fluchtend bzw. ko­ axial zu einer Zentralachse 1-1 angeordnet bzw. drehbar gela­ gert und durch eine Lamellenkupplung 2 miteinander verbunden. Die Getriebewelle 3 ist mit einem Innenlamellenträger 17 be­ wegungsfest verbunden, auf welchem Innenlamellen 8 der Lamel­ lenkupplung 2 drehfest und axial verschiebbar gehaltert sind. Die Innenlamellen 8 sind in wechselnder Reihenfolge mit Außen­ lamellen 9 der Lamellenkupplung 2 angeordnet, welche an einem mit der Getriebewelle 4 bewegungsfest verbundenen Außenlamel­ lenträger 18 drehfest und axial beweglich gehaltert sind. Das Lamellenpaket 8, 9 der Lamellenkupplung 2 stützt sich in der einen Richtung der Zentralachse 1-1 an einem zum Innenlamel­ lenträger 17 bewegungsfesten Widerlager 19 und in der entge­ gengesetzten Richtung über eine Tellerfeder 20 an einer ring­ förmigen Druckplatte 21 eines zur Zentralachse 1-1 zentrisch und axial beweglichen Stellringes 5 ab. Zur Erzielung einer Kraftverstärkung greift die Tellerfeder 20 mit ihrem radial mittleren Bereich an zur Zentralachse 1-1 einen kleineren Ab­ stand aufweisenden Nocken 22 der benachbarten Innenlamelle 8 und mit ihrem radial äußeren Bereich an einen größeren Abstand zur Zentralachse 1-1 aufweisenden Nocken 23 der Druckplatte 21 an. Die Reaktionskräfte bei der Kraftverstärkung werden vom radial inneren Rand der Tellerfeder 20 über einen in eine Um­ fangsnut des Innenlamellenträgers 17 eingesetzten Sicherungs­ ring 24 abgestützt. Um Relativdrehungen zwischen der Druck­ platte 21 und der Tellerfeder 20 bzw. der benachbarten Innen­ lamelle 8 zu vermeiden, ist zwischen Stellring 5 und Innenla­ mellenträger 17 eine Verdrehsicherung 25 vorgesehen, welche jedoch axialen Bewegungen beider Teile relativ zueinander zu­ läßt.
Der Stellring 5 wird durch eine Getriebemutter 27 eines zur Zentralachse 1-1 zentrisch angeordneten Schraubgetriebes 7 be­ tätigt, dessen Schraubenspindel 28 hülsenförmig ausgebildet und an einem Stirnende mit einem Stirnzahnrad 29 eines Stirnräder­ getriebes 12 bewegungsfest verbunden ist. An dem zum Stirnzahn­ rad 29 entgegengesetzten Ende der Schraubenspindel 28 ist ein radialer Verbindungssteg 33 des Innenlamellenträgers 17 ange­ ordnet, welcher an einen Bund der die Schraubenspindel 28 durchsetzenden Getriebewelle 3 angeschweißt ist.
Der Schraubeingriff zwischen Getriebemutter 27 und Schrauben­ spindel 28 erfolgt unter Vermittlung eines reibungsarmen Ku­ gelumlaufes 35. Der Stellring 5 ist über ein Kegelrollenlager 31 auf der Getriebemutter 27 drehbar abgestützt, dessen Innen­ ring so angestellt ist, daß im Einrücksinne der Lamellenkupp­ lung 2 wirksame Betätigungskräfte (Axialkräfte) von der Getrie­ bemutter 27 auf den Stellring 5 bzw. auf die Druckplatte 21 übertragen werden. Um die Spielfreiheit des Kegelrollenlagers 31 auch dann zu gewährleisten, wenn die Lamellenkupplung 2 aus­ gerückt wird, stützt sich eine Rückdruckfeder 36 zwischen Stell­ ring 5 und Innenlamellenträger 17 so ab, daß der Außenring des Kegelrollenlagers 31 in Anlage an den Kegelrollen gehalten wird.
An ihrem dem Verbindungssteg 33 des Innenlamellenträger 17 ent­ gegengesetzten Stirnende ist die Getriebemutter 27 bewegungs­ fest mit einem zur Zentralachse 1-1 zentrischen und radialen Haltesteg 26 bewegungsfest verbunden, welcher an seinem Außen­ umfang durch korrespondierende axiale Keilnutenverzahnungen 37 gegenüber dem Getriebegehäuse 16 undrehbar, jedoch axial ver­ schiebbar festgelegt ist.
Ein mit seiner Drehachse 11-11 parallel zur Zentralachse 1-1 am Getriebegehäuse 16 gehalterter elektronischer Stellmotor 6 ist durch ein in seinem Übersetzungsverhältnis stufenlos regelbares Wälzgetriebe in der Ausführung als Hohlkegel-Kugel-Wälzgetriebe 10 mit dem anderen Stirnzahnrad 30 des Stirnrädergetriebes 12 antriebsmäßig verbunden. Die Wälzkugel 32 dieses Getriebes 10 ist in bekannter Weise in den Radialrichtungen durch ein elek­ tromagnetisches Stellglied 15 zur Änderung der Getriebeüber­ setzung verlagerbar.
Um den Stellring 5 in einer dem eingerückten Zustand der Lamel­ lenkupplung 2 entsprechenden Stellung festlegen zu können, ist eine federnde Rastenvorrichtung 13 vorgesehen, welche im we­ sentlichen aus einer Raste 38 an einer Stirnseite des Stirn­ zahnrades 29, einer Rastenkugel 39 und einer Aufnahme mit einem federnden Widerlager 40 für die Rastenkugel 39 am Gehäuse 16 besteht.
Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um eine elektromotorisch/mechanische Lamellen(lastschalt)kupplung 2 mit einem konstanten und einem stufenlosen, hubmagnetbetätigten Übersetzungsanteil 12 und 10, welche von dem extern angebauten Stellmotor 6 geöffnet oder geschlossen wird.
Das Drehmoment der Getriebewelle 3 wird vom Innenlamellenträger 17 über das Lamellenpaket 8, 9 auf den Außenlamellenträger 18 und die Getriebewelle 4 übertragen. Der Betätigungsmechanismus der Kupplung 2 besteht im wesentlichen aus dem Stellmotor 6, dem stufenlos verstellbaren Wälzgetriebe 10 mit dem Hubmagnet 15 zur Übersetzungsänderung, der Getriebemutter/Schraubspin­ del-Anordnung 27, 28, der Verrastung 13, der Stirnradstufe 12 und der Hebelverstärkung 20 bis 24.
Der Stellmotor 6 treibt über das Wälzgetriebe 10 und die Stirn­ radgetriebestufe 12 die auf der Getriebewelle 3 gelagerte Schraubspindel 28 an. Die Getriebemutter 27 ist im Gehäuse 16 axial beweglich angeordnet. Damit keine Relativdrehzahl zwi­ schen Druckplatte 21 und Innenlamellenträger 17 auftritt, wird diese im Innenlamellenträger 17 verdrehgesichert. Die Rück­ druckfeder 36 verhindert ein Entlasten des Kegelrollenlagers 31 beim Öffnen der Kupplung 2.
Eine federbelastete Verrastung 13 kann entweder zwischen Ge­ häuse 16 und Stirnzahnrad 29, Gehäuse 16 und Getriebemutter 27 oder zwischen Wälzgetriebe 10 und Stellmotor 6 vorgesehen werden. Die erforderliche Federkraft ist um so kleiner, je näher sich die Verrastung 13 im Kraftfluß am Stellmotor 6 befindet.
Bei geöffneter und geschlossener Kupplung 2 ist die Übersetzung des Wälzgetriebes 10 maximal. Somit ist das Massenträgheitsmo­ ment, bezogen auf die Motorwelle, minimal. Im Anschluß an die Hochlaufphase des Stellmotors 6 wird die Übersetzung reduziert. Somit erhöht sich das reduzierte Massenträgheitsmoment, der Stellmotor 6 wird gezwungen, im Punkt maximaler Leistungsabgabe zu arbeiten und führt dem System im Zeitintervall die maximal mögliche Energiemenge zu. Demzufolge legt auch die Druckplatte 21 den maximalen Weg zurück. Zu Beginn der Bremsphase des Stellmotors 6, am Ende der Leerwegüberbrückung, wird zuerst die Übersetzung wieder auf den Maximalwert gestellt und danach der Stellmotor 6 zum Stillstand abgebremst.
Im Anschluß an den ankerstromgeregelten Drehmomentaufbau (Schaltfunktion) wird die Anordnung verrastet. Das Motor­ moment wird kurzzeitig gesteigert und die Tellerfeder 20 im waagerechten Ast der Kraft-/Weg-Kennlinie überdrückt. Somit kann sich das Stirnzahnrad 29 um einige Winkelgrade weiter­ bewegen, bis die federbelastete Kugel 39 in die Haltestel­ lung gesprungen ist. Nun kann der Stellmotor 6 vom Bordnetz getrennt werden.
Die beschriebene Anordnung mit fixer und variabler Übersetzung kann in eine Anordnung mit fixer Gesamtübersetzung überführt werden, indem das Wälzgetriebe 10 und der Hubmagnet 15 entfal­ len und der Stellmotor 6 durch einen Getriebeelektronikstell­ motor (z. B. mit einer Planetenräderstufe mit imax = 4) ersetzt wird, um die Gesamtübersetzung konstant zu halten.
Anstelle der Lamellenkupplung 2 kann eine Bremse verwendet wer­ den, wobei die Getriebewelle 4 entfällt und der Außenlamellen­ träger 18 mit dem Gehäuse 16 verbunden wird.
Die Fig. 2 gibt die Anordnung nach Fig. 1 in einem Block­ schaltbild wieder. Danach werden der Stellmotor 6 und das elektromagnetische Stellglied 15 des stufenlosen Wälzgetrie­ bes 10 von einer elektronischen Steuereinheit 14 gesteuert. Der Stellmotor 6 ist über die Getriebeanordnung Wälzgetriebe 10 - Stirnrädergetriebe 12 - Schraubgetriebe 7 mit dem Stell­ ring 5 der Lamellenkupplung 2 antriebsmäßig verbunden, welche im Kraftfluß zwischen den Getriebewellen 3 und 4 liegt.
In der kinematischen Kette zwischen dem Stellmotor 6 und dem Stellring 5 ist eine Verrastung 13 für den Ausrückzustand der Lamellenkupplung 2 vorgesehen.

Claims (5)

1. Anordnung zur elektromotorischen Betätigung einer ein- und ausrückbaren reibschlüssigen Verbindung (Kupplung oder Bremse) zwischen einem zu einer Zentralachse rotatorisch angeordneten Getriebeglied und einem weiteren Getriebeglied eines Zahnrädergetriebes eines Kraftfahrzeuges, bei der ein die Verbindung ein- und ausrückender Stellring in bezug auf die Zentralachse zentrisch und axial beweglich angeordnet sowie mit einem elek­ trischen Stellmotor durch ein Wandlergetriebe verbunden ist, welches vom Stellmotor ausgehende Drehbewegungen in Axialbewe­ gungen des Stellringes umwandelt und zur Zentralachse zentrisch angeordnet ist, und bei der der Stellmotor mit seiner Drehachse parallel zur Zentralachse angeordnet und über ein Stirnrädergetriebe mit dem Wandlergetriebe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfluß zwischen Stirnrädergetriebe (12) und Stellmotor (6) ein drehmomentwandelndes Übersetzungsgetriebe (10) angeordnet ist, dessen Übersetzungsverhältnis während des Betätigungsvorganges veränderlich ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Übersetzungsgetriebe ein stufenlos einstellbares Hohlkegel-Kugel-Wälzgetriebe (10) verwendet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (5) durch wenigstens ein Wälzlager (31) auf auf dem axial beweglichen Getriebeglied (Getriebemutter 27) des Wandlergetriebes (7) drehbeweglich abgestützt ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Stellring (5) und ein Innenlamellenträger (17) der reibschlüssigen Verbindung zueinander drehfest angeordnet sind (Verdrehsicherung 25).
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (5) in seiner dem eingerückten Zustand der reibschlüssigen Verbindung (Lamellenkupplung 2) entsprechenden Stellung durch eine federnde Rastvorrichtung (13) festlegbar ist.
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