DE4413999B4

DE4413999B4 - Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung

Info

Publication number: DE4413999B4
Application number: DE4413999A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Wirth (Fh)
Original assignee: ZF Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2014-04-23
Also published as: DE4413999A1

Abstract

Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung, umfassend:
– ein Gehäuse (29),
– einen mit dem Gehäuse (29) zu einer Baueinheit verbundenen Elektromotor (31) mit einer um eine Drehachse (33) rotierenden Motorwelle,
– ein an dem Gehäuse (29) translatorisch geführtes Ausgangsglied (19) zur Betätigung der Reibungskupplung (1), auf das eine Kupplungsfeder (7) als Last wirkt,
– eine die Motorwelle unter Umsetzung ihrer Drehbewegung in eine Translationsbewegung mit dem Ausgangsglied (19) kuppelndes Getriebe (45),
– einen mit dem Gehäuse (29) verbundenen Arbeitszylinder (37), in welchem ein mit dem Ausgangsglied (19) gekuppelter Arbeitskolben (39) verschiebbar angeordnet ist, der zusammen mit dem Arbeitszylinder (37) einen Arbeitsraum (55) begrenzt,
– eine den Elektromotor (31) steuernde Steuerschaltung (47), die ein Stellglied einer den Fluiddruck in dem Arbeitsraum (55) bestimmenden Lastkompensations-Regelanordnung (65) bildet, dessen Regelgröße das von dem Elektromotor (31) erzeugte Drehmoment repräsentiert, und
– eine steuerbare Ventilanordnung (57, 63), durch die...

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung.

Es ist bekannt ( DE 39 35 438 A1 und DE 39 35 439 A1 ), eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung nicht über ein Kupplungspedal, sondern durch einen von einer elektronischen Steuerung gesteuerten Stellantrieb ein- und auszukuppeln. Die Steuerung des Stellantriebs spricht mit Hilfe von Sensoren auf Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs an und automatisiert den Kupplungsbetrieb sowohl beim Anfahren als auch beim Wechseln der Gänge eines Schaltgetriebes des Kraftfahrzeugs.

Es ist bekannt, Stellantriebe dieser Art auf der Basis eines Elektromotors aufzubauen. Da jedoch der Stellantrieb gegen die Kraft der Kupplungshauptfeder die Reibungskupplung auskuppeln muss und der Auskuppelvorgang vergleichsweise rasch zu erfolgen hat, ist ein leistungsfähiger und damit voluminöser und teurer Elektromotor erforderlich. Aus DE 37 06 849 A1 ist ebenso wie aus der DE 36 31 244 A1 bekannt, den Stellantrieb mit einer gegen die Kupplungshauptfeder arbeitenden Kompensationsfeder zu versehen, die während des Auskuppelvorgangs die Kraft der Kupplungshauptfeder zumindest teilweise kompensiert, so dass der Auskuppelvorgang auch mit einem schwächer dimensionierten Elektromotor rasch durchgeführt werden kann.

Aus DE 33 21 578 C2 ist schließlich ein pneumatischer Servoantrieb bekannt, bei welchem die Kupplungsbetätigungskraft ausschließlich durch die Hilfskraft eines Pneumatikzylinders aufgebracht wird. Die auf die Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs ansprechende Steuerung steuert hierbei über einen Elektromotor lediglich eine Ventilanordnung. Der Elektromotor steuert die Ventilanordnung über ein Schneckengetriebe, eine Nockenscheibe und eine Steuerstange. Spiel in diesem Steuersystem bewirkt Verzögerungszeiten, die sich auf die Regelgenauigkeit des Stellantriebs, insbesondere bei Verwendung in Positionier-Regelkreisen, nachteilig auswirken können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung zu schaffen, der mit einfachen konstruktiven Mitteln eine hohe Stellgenauigkeit erreicht.

Die Erfindung geht aus von einem Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung umfassend:
ein Gehäuse,
einen mit dem Gehäuse zu einer Baueinheit verbundenen Elektromotor mit einer um
eine Drehachse rotierenden Motorwelle,
ein an dem Gehäuse translatorisch geführtes Ausgangsglied zur Betätigung der Reibungskupplung, auf das eine Kupplungsfeder als Last wirkt,
eine die Motorwelle unter Umsetzung ihrer Drehbewegung in eine Translationsbewegung mit dem Ausgangsglied kuppelndes Getriebe,
einen mit dem Gehäuse verbundenen Arbeitszylinder, in welchem ein mit dem Ausgangsglied gekuppelter Arbeitskolben verschiebbar angeordnet ist, der zusammen mit dem Arbeitszylinder einen Arbeitsraum begrenzt,
eine steuerbare Ventilanordnung, durch die der Arbeitsraum mit einer Arbeitsfluidquelle zur Lastkompensation verbindbar ist und
eine den Elektromotor steuernde Steuerschaltung.

Unter einem ersten Aspekt ist die Erfindung gemäß einer ersten Lösung dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung ein Stellglied einer den Fluiddruck in dem Arbeitsraum bestimmenden Lastkompensations-Regelanordnung bildet, deren Regelgröße das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment repräsentiert. Bei der Regelgröße im vorstehenden Sinn handelt es sich um diejenige Messgröße, deren Ist-Wert mit einer Führungsgröße (Soll-Wert) indem geschlossenen Regelkreis zur Bestimmung der Regelabweichung verglichen wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Drehmomentanforderung, die im Kupplungsbetrieb, insbesondere beim Auskuppeln an den Elektromotor gestellt wird, die Größe des Fluiddruck im Arbeitsraum des Arbeitszylinders bestimmt. Übersteigt im Kupplungsbetrieb beispielsweise die von der Kupplungshauptfeder herrührende Drehmomentanforderung das vorn Elektromotor gelieferte Drehmoment, so wird durch Nachführen des Fluiddrucks im Arbeitsraum die Kompensationskraft erhöht. Auf diese Weise kann der Elektromotor für eine beträchtlich geringere Leistung und geringeres Drehmoment bemessen werden. Von Vorteil ist auch, dass die Kompensation selbstregelnd ist, ohne dass an die Regelgüte hohe Anforderungen gestellt werden müssten. Insbesondere können einfache Ventile für die Ventilanordnung verwendet werden.

Es versteht sich, dass unter einem Druckfluid im vorstehenden Sinn sowohl gasförmiges als auch flüssiges Medium verstanden werden kann, und es versteht sich ferner, dass bei pneumatischen Stellantrieben der Fluiddruck bezogen auf Atmosphärendruck sowohl Überdruck als auch Unterdruck sein kann. Die Ventilanordnung kann analog arbeitende Ventile umfassen; die verringerten Anforderungen an die Regelgüte erlauben es aber auch, Ventile mit definierten Schaltstellungen, beispielsweise Ein-Aus-Ventile oder Umschaltventile, einzusetzen.

Von Vorteil ist ferner, dass der Elektromotor und der Arbeitszylinder zu einer Baueinheit verbunden sind, deren Platzbedarf aufgrund der geringen Leistungsanforderungen an den Elektromotor gering ist und es im Einzelfall sogar erlaubt, die Baueinheit direkt an der die Reibungskupplung üblicherweise umschließenden Kupplungsglocke des Schaltgetriebes anzuflanschen.

Die Lastkompensations-Regelanordnung kann als elektrischer Regelkreis ausgebildet sein, wobei die den Fluiddruck im Arbeitsraum bestimmende Ventilanordnung hierbei zweckmäßigerweise gleichfalls elektrisch steuerbar ist. Eine solche Lastkompensations-Regelanordnung umfasst Drehmoment-Istwert-Erfassungsmittel, die ein die Größe des Drehmoments repräsentierendes Ist-Signal für den Vergleich mit einer Führungsgröße der Regelanordnung liefern. Bei den Drehmoment-Istwert-Erfassungsmitteln kann es sich um herkömmliche Drehmomentsensoren handeln, die das aktuell von dem Elektromotor gelieferte Drehmoment messen. Bei Verwendung von Elektromotoren, beispielsweise Gleichstrommotoren, bei welchen die Größe des Treiberstroms ein Maß für das vom Elektromotor erzeugte Drehmoment ist, kann aus der Stromamplitude und gegebenenfalls der Stromrichtung das Ist-Signal unmittelbar abgeleitet werden. Auf diese Weise können in der Steuerung des Stellantriebs ohnehin verfügbare Signalparameter zur Gewinnung der Regelgröße der Lastkompensations-Regelanordnung ausgenutzt werden. Alternativ, gegebenenfalls auch zusätzlich zur Unterstützung der vom Treiberstrom des Elektromotors abhängigen Regelung, können auch andere direkt oder indirekt ein Maß für das Drehmoment des Elektromotors bildende Betriebsparameter der Steuerung ausgenutzt werden. Beispielsweise kann die den Stellantrieb steuernde Steuerung ihrerseits Bestandteil eines Positionier-Regelkreises sein, dessen Regelgröße die Kupplungsposition oder die Position einer sonstigen, die Kupplungsposition repräsentierenden Komponente ist. Da große Regelabweichungen eines solchen Positionier-Regelkreises eine rasche Nachführung erfordern und damit indirekt ein hohes Drehmoment bedingen, kann gegebenenfalls auch ein die Positionierabweichung repräsentieren des Positionsfehlersignal des Positionierregelkreises zur Bestimmung einer Drehmomentanforderung ausgenutzt oder mitausgenutzt werden.

Vorteil einer elektrischen Lastkompensations-Regelanordnung mit elektrisch steuerbaren Ventilen ist jedoch, dass sie eine Überkompensation erlaubt, was den Vorteil hat, dass gewisse Hysterese-Eigenschaften, die sich beispielsweise durch Spiel oder Reibung im Kraftübertragungsweg zwischen dem Elektromotor und der Reibungskupplung ergeben können, ausgeglichen werden können. Der Elektromotor wird bei Überkompensation auch im Bremsbetrieb betrieben, so dass sich auch Getriebe mit vergleichsweise niedrigem Wirkungsgrad einsetzen lassen.

Die Erfindung ist gemäß einer zweiten Lösung wiederum dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung ein Stellglied einer den Fluiddruck in dem Arbeitsraum bestimmenden Lastkompensations-Regelanordnung bildet, deren Regelgröße das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment repräsentiert. Anders als bei der ersten Lösung ist jetzt allerdings eine mechanische Lastkompensations-Regelanordnung vorgesehen, bei der wird das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment zur mechanischen Betätigung der Ventilanordnung ausgenutzt wird. Beispielsweise kann die Regelanordnung ein von dem Drehmoment des Elektromotors gegen die Kraft einer Federanordnung bewegbares Ventilbetätigungsorgan umfassen. Eine mechanische Regelanordnung dieser Art lässt sich realisieren, wenn das von dem Elektromotor relativ zu dem Gehäuse bzw. dem Arbeitszylinder ausgeübte Reaktionsdrehmoment zur Betätigung der Ventilanordnung ausgenutzt wird.

Unter dem vorstehend erläuterten Aspekt der Erfindung wird das von dem Elektromotor geforderte Drehmoment als Regelgröße eines geschlossenen Regelkreises zur Erzeugung einer die Last des Stellglieds kompensierenden Kraft ausgenutzt. Die Lastkompensationskraft lässt sich aber auch mit vergleichsweise geringem konstruktiven Aufwand in einem offenen Regelkreis durch Steuerung der den Fluiddruck im Arbeitsraum des Arbeitszylinders bestimmenden Ventilanordnung erreichen. Hierzu ist unter einem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass der Ventilanordnung elektrische Ventilsteuermittel zugeordnet sind, die auf wenigstens eine die Antriebsbewegung des Elektromotors steuernde Steuergröße der Steuerschaltung ansprechen und die Ventilanordnung in der Weise steuern, dass die Arbeitsfluidquelle mit dem Arbeitsraum verbunden ist, wenn die Steuergröße einen den Elektromotor in Auskuppeldrehrichtung steuernden Wert hat und die Arbeitsfluidquelle vom Arbeitsraum abtrennen, wenn die Steuergröße einen zumindest angenähert dem Stillstand des Elektromotors repräsentierenden Wert hat. Die Stellbewegung des Elektromotors wird auf diese Weise unterstützt, wenn der Motor gegen die Last der Kupplungshauptfeder in Auskuppelrichtung arbeitet. Hat die Kupplung ihre gewünschte Position erreicht, so wird die Arbeitsfluidquelle vorn Arbeitsraum abgetrennt. Da unter dem zweiten Aspekt der Erfindung zur Steuerung der Ventilanordnung wiederum auf eine ohnehin in der Steuerschaltung des Elektromotors verfügbare Steuergröße zurückgegriffen wird, beispielsweise ein die Drehrichtung des Elektromotors repräsentierendes Signal oder die Amplitude und gegebenenfalls die Richtung des Treiberstroms des Elektromotors, lässt sich die Steuerung der Ventilanordnung mit geringem Aufwand erreichen. Von Vorteil ist, wenn auch hier die Steuerschaltung einen Positionsregelkreis umfasst und die zur Steuerung der Ventilanordnung ausgenutzte Steuergröße die Differenz eines Soll-Positionssignals und eines Ist-Positionssignals dieses Positionsregelkreises repräsentiert. Auch hier versteht es sich, dass gegebenenfalls mehrere der vorstehend genannten Steuergrößen gemeinsam zur Steuerung der Ventilanordnung herangezogen werden können.

Unter beiden Aspekten der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass das Getriebe die Motorwelle in beiden Drehrichtungen spielfrei mit dem Ausgangsglied formschlüssig kuppelt, wodurch Steuertotzeiten und mechanisches Spiel vermieden werden und im Falle einer Lastkompensationsregelung die Regelgenauigkeit erhöht wird. Der Stellantrieb kann besonders kompakt und einfach aufgebaut werden, wenn das Getriebe als Gewindetrieb mit einer zur Motorwelle gleichachsig angeordneten Gewindespindel und einer mit der Gewindespindel verschraubenden Spindelmutter ausgebildet ist, wobei ein erstes dieser beiden Gewindetriebteile drehfest mit der Motorwelle verbunden ist und ein zweites dieser beiden Gewindetriebteile drehfest, jedoch verschiebbar an dem Gehäuse geführt und mit dem Ausgangsglied verbunden ist. Der mechanische Aufbau wird hierbei besonders einfach, wenn die Gewindespindel das erste Gewindetriebteil bildet. Speziell kann der Arbeitskolben einteilig mit dem zweiten Gewindetriebteil zu einer Einheit verbunden sein.

Das Getriebe kann von der Reibungskupplung her gesehen selbsthemmend sein. Dies hat den Vorteil, daß die Reibungskupplung unabhängig von der Druckbelastung des Arbeitszylinders oder der Erregung des Elektromotors in einer durch die momentane Stellung des Getriebes bestimmten Position gehalten werden kann. Eine nicht selbsthemmende Ausgestaltung des Getriebes ermöglicht jedoch gleichfalls zweckmäßige Ausgestaltungen. Beispielsweise kann erreicht werden, daß der Stellantrieb bei einem Ausfall seiner Steuerung von der Kupplungshauptfeder selbsttätig in eine vorbestimmte Endstellung, zumeist die Einkuppelstellung, bewegt wird. Um das letztgenannte Ziel zu erreichen, ist die Ventilanordnung zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß sie bei abgeschaltetem oder/und bei in Einkuppelrichtung eingeschaltetem Elektromotor den Arbeitsraum mit einer Fluidentlastungsöffnung verbindet. Die vorstehend erwähnten Vorteile selbsthemmender Eigenschaften lassen sich aber, wie in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen ist, nicht nur durch selbsthemmende Eigenschaften des Getriebes erreichen, sondern auch dadurch, daß die Ventilanordnung so ausgebildet wird, daß sie bei abgeschaltetem Elektromotor den Arbeitsraum sowohl zur Arbeitsfluidquelle als auch zur Fluidentlastungsöffnung hin absperrt. Dies hat einerseits den Vorteil, daß aufgrund der Fluidhilfskraft die Reibungskupplung unabhängig vom Antrieb durch den Elektromotor in einer festgelegten Position stationär gehalten werden kann, bei einem Defekt des Elektromotors oder der Steuerung aber dennoch die Reibungskupplung in eine festgelegte Endlage gesteuert werden kann bzw. eine nachfolgend noch näher erläuterte Notfahrfunktion erreicht werden kann.

Bei einem Ausfall der dem Elektromotor zugeordneten Steuerung oder des Elektromotors selbst, ist es insbesondere bei Lastkraftwagen wünschenswert, daß die Kupplung, wenn auch unter erheblichen Komforteinbußen, manuell betätigt werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Arbeitsraum zusätzlich über eine für Notbetriebszwecke manuell steuerbare Ventilanordnung mit der Arbeitsfluidquelle oder/und einer Druckentlastungsöffnung verbindbar ist. Die manuell steuerbare Ventilanordnung kann analog arbeitende, d.h. graduell betätigbare, Ventile umfassen, um die Kupplungsstellgeschwindigkeit variieren zu können; prinzipiell genügen aber auch einfache Schaltventile.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Kupplungsbetätigungsanlage mit einem Teilaxiallängsschnitt eines erfindungsgemäßen Stellantriebs;
2 eine Variante eines in der Kupplungsbetätigungsanlage nach 1 verwendbaren Stellantriebs und 3 eine Seitenansicht des Stellantriebs, gesehen in Richtung eines Pfeils III in 2.
1 zeigt schematisch eine Anlage zur automatisierten Betätigung einer Reibungskupplung 1 eines Kraftfahrzeugs. Die Reibungskupplung kann herkömmlich ausgebildet sein und umfaßt eine mit einer Eingangswelle 3 eines Schaltgetriebes des Kraftfahrzeugs drehfest verbundene Kupplungsscheibe 5, die von einer Kupplungshauptfeder 7 zwischen einer Anpreßplatte 9 und einer mit einer Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs drehfest verbundenen, beispielsweise als Schwungrad ausgebildeten Gegenanpreßplatte 13 einspannbar ist. Die Reibungskupp lung 1 ist mittels eines Ausrückersystems 15 gegen die Kraft der Kupplungshauptfeder 7 auskuppelbar.
Für die Betätigung des Ausrückersystems 15 ist ein elektromotorischer Stellantrieb 17 vorgesehen, dessen im wesentlichen translatorisch beweglich angetriebenes Ausgangsglied, hier ein Stößel 19, einen Geberzylinder 21 einer hydraulischen Kupplungsbetätigungsanlage bewegt. Der Geberzylinder 21 ist über eine Hydraulikleitung 23 mit einem auf das Ausrückersystem 15 wirkenden Nehmerzylinder 25 verbunden. Bei Druckbelastung des Geberzylinders 21 durch den Stößel 19 wird die Reibungskupplung 1 gegen die Kraft ihrer Kupplungshauptfeder 7 ausgerückt. Es versteht sich, daß anstelle der hydraulischen Kupplungsbetätigungsanlage auch andere Kraftübertragungsmittel vorgesehen sein können, wie zum Beispiel mechanische Kraftübertragungsmittel. Insbesondere kann das Ausgangsglied des Stellantriebs 17 unmittelbar zur Betätigung des Ausrücksystems 15 herangezogen werden, nachdem der erfindungsgemäße Stellantrieb 17 sehr kompakt aufgebaut ist und gegebenenfalls direkt an eine die Reibungskupplung 1 überdeckende, von dem Gehäuse des Schaltgetriebes gebildete Kupplungsglocke angeflanscht sein kann.
Der Stellantrieb 17 ist als kompakte Baueinheit ausgebildet und umfaßt ein mit einem Befestigungsflansch 27 für die kraftfahrzeugseitige Befestigung der Baueinheit versehenes Gehäuse 29, an welchem ein Elektromotor 31 seinerseits angeflanscht ist. Das Gehäuse 29 bildet gleichachsig zur Drehachse 33 einer als Gewindespindel 35 ausgebildeten oder drehfest mit einer Gewindespindel verbundenen Motorwelle einen Arbeitszylinder 37, in welchem ein Arbeitskolben 39 abgedichtet in Richtung der Drehachse 33 verschiebbar geführt ist. Der Arbeitskolben 39 ist über Drehsicherungsorgane 41 drehfest an dem Gehäuse 29 geführt und mit einer mit der Gewindespindel 35 verschraubenden Spindelmutter 43 versehen. Die Gewindespindel 35 und die Spindelmutter 43 bilden einen allgemein mit 45 bezeichneten Spindeltrieb, der die Drehbewegung der Motorwelle des Elektromotors 31 im wesentlichen spielfrei in die Translationsbewegung des mit dem Arbeitskolben 39 verbundenen Ausgangsglieds, hier des Stöpsels 19, umsetzt. Die Umsetzung der Drehbewegung erfolgt in beiden Drehrichtungen formschlüssig, so daß die Drehstellung des Elektromotors 31 die Position des Ausrückersystems 15 der Reibungskupplung 1 repräsentiert.
Der Elektromotor 31 wird von einer elektronischen Steuerung 47 abhängig von gemessenen Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs gesteuert, wie dies beispielsweise in den bereits erwähnten Schriften DE 39 35 438 A1 und 39 35 439 A1 erläutert ist. Der Stellantrieb 17 ist hierzu Bestandteil eines Positionsregelkreises, der die Betätigungsposition der Reibungskupplung abhängig von einem Positions-Sollsignal einstellt. Die Steuerung 47 erzeugt das Positions-Sollsignal ihrerseits abhängig von den gemessenen Betriebsparametern und vergleicht, wie bei 49 angedeutet, das Positions-Sollsignal mit einem von einem Positionsgeber, beispielsweise einem auf die Drehung der Motorwelle ansprechenden Inkrementalgeber 51 erzeugten Positions-Istsignal. Das der Differenz dieser Signale entsprechende Fehlersignal ist nach Amplitude und Vorzeichen ein Maß für die Annäherung an die gewünschte Sollposition und bestimmt nach Amplitude und Richtung die Größe des bei 53 dem Elektromotor 31 zugeführten Treiberstroms.
Beim Auskuppeln muß die Reibungskupplung 1 sehr rasch gegen die Kraft der Kupplungshauptfeder 7 verstellt werden, während beim Einkuppeln die Stellgeschwindigkeit vergleichsweise gering sein kann, um komfortables, ruck freies Einkuppeln zu ermöglichen. Um die Kraft der auf das Ausgangsglied des Stellantriebs 17 wirkenden Last der Kupplungshauptfeder 7 zumindest teilweise kompensieren zu können und dementsprechend den Elektromotor 31 für ein geringeres Drehmoment und eine geringere Leistung dimensionieren zu können, bildet der Arbeitszylinder 37 und der darin verschiebbare Arbeitskolben 39 einen Hilfskraftantrieb, dessen Arbeitsraum 55 über ein Steuerventil 57 an eine Druckfluidquelle 59 angeschlossen ist. Bei der Druckfluidquelle 59 kann es sich um eine Hydraulikdruckquelle handeln, vorzugsweise insbesondere bei Verwendung in einem Lastkraftwagen handelt es sich um eine dort ohnehin verfügbare Druckluftquelle. Unter einer Druckluftquelle soll hierbei nicht nur eine Quelle verstanden werden, die, bezogen auf Atmosphärendruck einen Überdruck erzeugt, sondern auch einen Unterdruck. Das den Arbeitsraum 55 mit der Druckfluidquelle 59 verbindende Steuerventil 57 wird ebenso wie ein den Arbeitsraum 55 mit einer Druckentlastungsöffnung 61 verbindendes Steuerventil 63 von einer Ventilsteuerung 65 gesteuert. Die Ventilsteuerung 65 kann, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, entweder in einem geschlossenen Regelkreis oder einem offenen Regelkreis arbeiten und öffnet die Steuerventile 57, 63 wechselseitig abhängig von Betriebsparametern des Elektromotors 31.
1 zeigt die Ventilsteuerung 65 in einem geschlossenen Regelkreis, in welchem das von dem Elektromotor 31 lastabhängig geforderte Drehmoment die Regelgröße des Regelkreises bildet. Die in diesem Fall als Regler arbeitende Steuerung 65 vergleicht, wie bei 67 angedeutet ist, ein vom Strom des Elektromotors und damit von dessen Drehmoment abhängiges Ist-Signal mit einem eine Führungsgröße des Regelkreises bildenden, bei 69 verfügbaren Soll-Signal und steuert die Steuerventile 57, 63 so, daß das von dem Elektromotor 31 aufzubringende Drehmoment der Führungsgröße entspricht. Der Elektromotor 31 kann auf diese Weise beträchtlich kleiner dimensioniert werden, da bei Belastung seiner Motorwelle die Hilfskraft der Druckfluidquelle 59 unterstützend eingreift.
Zwar kann es sich bei den Steuerventilen 57, 63 um Analogventile handeln, doch genügen in aller Regel einfache Schaltventile, da die Regelgenauigkeit, mit der der Fluiddruck im Arbeitsraum 55 geregelt werden muß, gering sein kann. Der konstruktive Aufwand ist gleichfalls gering, da für die Regelung auf ohnehin in der Steuerung 47 bereits verfügbare Signale zurückgegriffen werden kann. Die Regelgenauigkeit kann auf der Grundlage weiterer in der Steuerung 47 bereits verfügbarer Signale weiterhin verbessert werden, beispielsweise indem auf Signale, die die Annäherung der Reibungskupplung an die Soll-Position repräsentieren, zurückgegriffen wird. Solche Signale liegen beispielsweise in Form des die Differenz zwischen der Soll-Position und der Ist-Position repräsentierenden Positions-Fehlersignals des Vergleichers 49 zur Verfügung. Auch sind gegebenenfalls Signale verfügbar, die die Drehrichtungsänderung des Elektromotors 31 repräsentieren und die als Indikator für die Annäherung an die Soll-Position oder zur Unterstützung des Steuerungsbetriebs der Ventilsteuerung 65 ausgenutzt werden können.
Bei Verwendung der Steuerung 65 in einem offenen Regelkreis entfallen die bei 67 angedeuteten Vergleichermittel. Die Steuerung 65 kann hier die Steuerventile 67, 63 unmittelbar abhängig von einem das von dem Elektromotor 31 geforderte Drehmoment repräsentierenden Betriebsparameter, beispielsweise seinem Treiberstrom, steuern; sie kann aber auch andere Indikatoren, die die Größe des geforderten Drehmoments repräsentieren, ausnutzen. Beispielsweise kann die Steuerung 65 auf das bereits vorstehend angesprochene Positionsfehlersignal des Vergleichers 49 zurückgreifen, da bei einem großen Positionsfehlersignal der Elektromotor 31 zur größeren Beschleunigung mit hohem Motorstrom betrieben wird, während bei Annäherung an die Soll-Position das Positionsfehlersignal klein ist und der Elektromotor 31 mit geringen Treiberströmen betrieben wird. Auch hier kann die Ventilsteuerung 65 auf bereits in der Steuerung 47 verfügbare Signale zurückgreifen und gegebenenfalls die Drehrichtung oder die Drehrichtungsumkehr des Elektromotors 31 repräsentierende Signale unterstützend auswerten.
Die Ventilsteuerung 65 arbeitet normalerweise so, daß das den Arbeitsraum 55 mit der Druckfluidquelle 59 verbindende Steuerventil 57 eingeschaltet ist, wenn der Elektromotor 31 von der Steuerung 47 in Auskuppelrichtung eingeschaltet ist. Die Ventilsteuerung 65 kann jedoch auch so ausgelegt sein, daß sie eine Überkompensation des von dem Elektromotor 31 geforderten Drehmoments ermöglicht. In einem solchen Fall übersteigt die vom Fluiddruck im Arbeitsraum 55 erzeugte Betätigungskraft die auf das Ausgangsglied des Stellantriebs 17 wirkende Last der Reibungskupplung 1, so daß der Elektromotor 31 auch während des Auskuppelvorgangs bremsend wirksam wird. Dies hat den Vorteil, daß Hysterese-Effekte, die sich insbesondere bei niedrigem Wirkungsgrad des Spindeltriebs 45 ergeben könnten, besser ausgeglichen werden können.
Der Spindeltrieb 45 ist nicht selbsthemmend ausgebildet, d.h. er kann durch die Last der Kupplungshauptfeder 7 in die eingekuppelte Stellung selbsttätig zurückgestellt werden. Dies ermöglicht Maßnahmen zur manuellen Notbetätigung der Reibungskupplung 1 allein unter Zuhilfenahme der Hilfskraft der Fluiddruckquelle 59. Die Fluiddruckquelle 59 ist hierbei in einem Nebenschlußweg über ein manuell betätigbares Umschaltventil 73 mit dem Arbeitsraum 55 verbunden. Das Umschaltventil 73 sperrt in seiner dargestellten Ruhelage den Nebenschlußweg 71 und verbindet in einer ersten Arbeitsstellung den Arbeitsraum 55 mit der Fluiddruckquelle 59 und in einer zweiten Arbeitsstellung mit einer Druckentlastungsöffnung 75. In der ersten Arbeitsstellung wird die Reibungskupplung 1 ausgekuppelt und in der zweiten Arbeitsstellung eingekuppelt. Die Reibungskupplung 1 kann damit selbst bei einem Ausfall des Elektromotors 31 oder einer der Steuerungen 47, 65 manuell betätigt werden, was insbesondere für den Betrieb von Lastkraftwagen wünschenswert ist. Das Umschaltventil 73 kann als Analogventil ausgebildet sein, wenn eine graduelle Steuerung der Kupplungsstellgeschwindigkeit erwünscht ist; bei einer reinen Schaltfunktion des Ventils sorgen Strömungsdrosseln für eine festgelegte Stellgeschwindigkeit.
Die 2 und 3 zeigen eine Variante eines in der automatisierten Kupplungsbetätigungsanlage der 1 verwendbaren Stellantriebs. Im Unterschied zur 1 wird zur Regelung der Lastkompensation abhängig vom Drehmoment des Elektromotors ein mechanischer Regelkreis benutzt. Einander entsprechende Komponenten sind mit Bezugszahlen der 1 bezeichnet und zur Unterscheidung mit dem Buchstaben a versehen. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise insbesondere auch der in den 2 und 3 nicht dargestellten Kupplungsbetätigungsanlage wird auf die Beschreibung der 1 Bezug genommen.
Während bei der Ausführungsform gemäß 1 die Regelgröße aus einem das vom Elektromotor geforderte Drehmoment repräsentierenden elektrischen Signal abgeleitet wird und dementsprechend die Steuerventile als elektrisch steuerbare Ventile ausgebildet sind, wird bei dem Stellantrieb 17a der 2 und 3 das von dem Elektromotor 31a erzeugte Drehmoment unmittelbar zur Betätigung der den Fluiddruck im Arbeitsraum 55a bestimmenden Steuerventile 57a, 63a ausgenutzt. Der Elektromotor 31a ist hierzu um seine Drehachse 33a geringfügig schwenkbar mittels eines Lagers 77 an dem Gehäuse 29a gelagert und wird durch Federn 79 in einer Ruhestellung gehalten, aus der sein den Stator haltendes Gehäuse 81 durch das bei der Drehmomentabgabe des mit der Motorwelle verbundenen Ankers auftretende Reaktionsdrehmoment herausgedreht wird. Die Reaktionsdrehung des Gehäuses 81 wird zur Betätigung der Steuerventile 57a, 63a ausgenutzt. Mit dem Gehäuse 81a sind hierbei Ventilbetätigungsorgane, hier in Form von Steuerarmen 83, vorgesehen, die, abhängig von der Drehrichtung des Elektromotors 31a, je eines der beiden Steuerventile 57a, 63a betätigen. Die von den Federn 79 ausgeübte Gegenkraft bestimmt hierbei die Größe des Drehmoments, bei welchem die Hilfskraftunterstützung des Elektromotors 31a einsetzt. Es versteht sich, daß alternativ auch die Steuerventile 57a, 63a an dem Gehäuse 81 angeordnet sein können, während die Ventilbetätigungsorgane 83 an dem Gehäuse 29a vorgesehen sind.
2 zeigt den zur Positionsregelung benutzten Inkrementalgeber 51a als am Gehäuse 81 angeordnet. Aufgrund der Drehung des Gehäuses 81 des Elektromotors 31a relativ zum Gehäuse 29a kann es zu geringfügigen Ist-Positionsfehlern kommen. Fehler dieser Art können vermieden werden, wenn der Inkrementalgeber, wie bei 51a' angedeutet, fest mit dem Gehäuse 29a verbunden ist, so daß er die Winkelstellung der Motorwelle relativ zu dem stationären Gehäuse 29a erfaßt.

Claims

Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung, umfassend: – ein Gehäuse (29), – einen mit dem Gehäuse (29) zu einer Baueinheit verbundenen Elektromotor (31) mit einer um eine Drehachse (33) rotierenden Motorwelle, – ein an dem Gehäuse (29) translatorisch geführtes Ausgangsglied (19) zur Betätigung der Reibungskupplung (1), auf das eine Kupplungsfeder (7) als Last wirkt, – eine die Motorwelle unter Umsetzung ihrer Drehbewegung in eine Translationsbewegung mit dem Ausgangsglied (19) kuppelndes Getriebe (45), – einen mit dem Gehäuse (29) verbundenen Arbeitszylinder (37), in welchem ein mit dem Ausgangsglied (19) gekuppelter Arbeitskolben (39) verschiebbar angeordnet ist, der zusammen mit dem Arbeitszylinder (37) einen Arbeitsraum (55) begrenzt, – eine den Elektromotor (31) steuernde Steuerschaltung (47), die ein Stellglied einer den Fluiddruck in dem Arbeitsraum (55) bestimmenden Lastkompensations-Regelanordnung (65) bildet, dessen Regelgröße das von dem Elektromotor (31) erzeugte Drehmoment repräsentiert, und – eine steuerbare Ventilanordnung (57, 63), durch die der Arbeitsraum (55) mit einer Arbeitsfluidquelle (59) zur Lastkompensation verbindbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastkompensations-Regelanordnung (65) ein Drehmoment-Istwerterfassungsmittel (53) umfasst, die ein die Größe des Drehmoments repräsentierendes Ist-Signal für den Vergleich (67) mit einer Führungsgröße (69) der Regelanordnung (65) liefert.
Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment-Istwerterfassungsmittel (53) ein vom Strom des Elektromotors abhängiges Ist-Signal liefert.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilanordnung (57, 63) elektrische Ventilsteuermittel (65) zugeordnet sind, die auf wenigstens eine die Antriebsbewegung des Elektromotors (31) steuernde Steuergröße der Steuerschaltung (47) ansprechen und die Ventilanordnung (57, 63) ferner in der Weise steuern, dass die Arbeitsfluidquelle (59) mit dem Arbeitsraum (55) verbunden ist, wenn die Steuergröße einen den Elektromotor (31) in Auskuppelrichtung steuernden Wert hat, und die Arbeitsfluidquelle (59) vom Arbeitsraum (55) abtrennen, wenn die Steuergröße einen zumindest angenähert den Stillstand des Elektromotors (31) repräsentierenden Wert hat.
Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung, umfassend: – ein Gehäuse (29), – einen mit dem Gehäuse (29) zu einer Baueinheit verbundenen Elektromotor (31) mit einer um eine Drehachse (33) rotierenden Motorwelle, – ein an dem Gehäuse (29) translatorisch geführtes Ausgangsglied (19) zur Betätigung der Reibungskupplung (1) , auf das eine Kupplungsfeder (7) als Last wirkt, – eine die Motorwelle unter Umsetzung ihrer Drehbewegung in eine Translationsbewegung mit dem Ausgangsglied (19) kuppelndes Getriebe (45), – einen mit dem Gehäuse (29) verbundenen Arbeitszylinder (37), in welchem ein mit dem Ausgangsglied (19) gekuppelter Arbeitskolben (39) verschiebbar angeordnet ist, der zusammen mit dem Arbeitszylinder (37) einen Arbeitsraum (55) begrenzt, – eine den Elektromotor (31) steuernde Steuerschaltung (47a), – eine Lastkompensations-Regelanordnung, die als mechanische Regelanordnung (77, 83) ausgebildet ist, die das von dem Elektromotor (31a) erzeugte Drehmoment zur mechanischen Betätigung der Ventilanordnung (57a, 63a) ausnutzt, und – eine steuerbare Ventilanordnung (57a, 63a), durch die der Arbeitsraum (55a) mit einer Arbeitsfluidquelle (59a) zur Lastkompensation verbindbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung das von dem Elektromotor (31a) relativ zu dem Gehäuse (29a) ausgeübte Reaktionsdrehmoment zur Betätigung der Ventilanordnung (57a, 63a) ausnutzt.
Stellantrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung ein von dem Drehmoment des Elektromotors (31a) gegen die Kraft einer Federanordnung (79) relativ zur Ventilanordnung (57a, 63a) bewegbares Ventilbetätigungsorgan (83) umfasst.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (31a) ein mit begrenztem Drehspiel am Gehäuse (29a) gelagertes Motorgehäuse (81) aufweist und dass die Ventilanordnung (57a, 63a) wenigstens ein durch mechanische Steuermittel (83) bei einer Relativdrehung zwischen den Gehäusen (29a bzw. 81) steuerbares Ventil umfasst.
Stellantrieb für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung, umfassend: – ein Gehäuse (29), – einen mit dem Gehäuse (29) zu einer Baueinheit verbundenen Elektromotor (31) mit einer um eine Drehachse (33) rotierenden Motorwelle, – ein an dem Gehäuse (29) translatorisch geführtes Ausgangsglied (19) zur Betätigung der Reibungskupplung (1), auf das eine Kupplungsfeder als Last wirkt, – ein die Motorwelle unter Umsetzung ihrer Drehbewegung in eine Translationsbewegung mit dem Ausgangsglied (19) kuppelndes Getriebe (45), – einen mit dem Gehäuse (29) verbundenen Arbeitszylinder (35), in welchem ein mit dem Ausgangsglied (19) gekuppelter Arbeitskolben (39) verschiebbar angeordnet ist, der zusammen mit dem Arbeitszylinder (35) einen Arbeitsraum (55) begrenzt, – eine steuerbare Ventilanordnung (57, 63), durch die der Arbeitsraum (55) mit einer Arbeitsfluidquelle (59) zur Lastkompensation verbindbar ist, und – eine den Elektromotor (31) steuernde Steuerschaltung (47), über die der Elektromotor (31) zumindest in seiner die Reibungskupplung (1) auskuppelnden Drehrichtung seiner Motorwelle einschaltbar ist, wobei der Ventilanordnung (57, 63) elektrische Ventilsteuermittel (65) zugeordnet sind, die auf wenigstens eine die Antriebsbewegung des Elektromotors (31) steuernde Steuergröße der Steuerschaltung (47) ansprechen und die Ventilanordnung (57, 63) in der Weise steuern, dass die Arbeitsfluidquelle (59) mit dem Arbeitsraum (59) verbunden ist, wenn die Steuergröße einen den Elektromotor (31) in Auskuppeldrehrichtung steuernden Wert hat, und die Arbeitsfluidquelle (59) vom Arbeitsraum abtrennen, wenn die Steuergröße einen zumindest angenähert dem Stillstand des Elektromotors (31) repräsentierenden Wert hat.
Stellantrieb nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (47) einen Positionsregelkreis (49) umfasst und die Steuergröße die Differenz eines Sollpositionssignals und eines Istpositionssignals repräsentiert.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße die Drehrichtung des Elektromotors (31) repräsentiert oder/und dass die Steuergröße die Amplitude oder/und die Richtung des Stroms des Elektromotors (31) repräsentiert.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (45) die Motorwelle in beiden Drehrichtungen spielfrei mit dem Ausgangsglied (19) kuppelt.
Stellantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Gewindetrieb (45) mit einer zur Motorwelle gleichachsig angeordneten Gewindespindel (35) und einer mit der Gewindespindel (35) verschraubenden Spindelmutter (43) ausgebildet ist, wobei ein erstes (35) dieser beiden Gewindetriebteile drehfest mit der Motorwelle verbunden ist und ein zweites (43) dieser beiden Gewindetriebteile drehfest, jedoch verschiebbar an dem Gehäuse (29) geführt und mit dem Ausgangsglied (19) verbunden ist.
Stellantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gewindetriebteil die Gewindespindel (35) ist.
Stellantrieb nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (39) mit dem zweiten Gewindetriebteil einteilig zu einer Einheit verbunden ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (57, 63) so ausgebildet ist, dass sie bei abgeschaltetem oder/und bei in Einkuppelrichtung eingeschaltetem Elektromotor (31) den Arbeitsraum (55) mit einer Fluidentlastungsöffnung (61) verbindet.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (57, 63) so ausgebildet ist, dass sie bei abgeschaltetem Elektromotor (31) den Arbeitsraum (55) sowohl zur Arbeitsfluidquelle (59) als auch zu einer Fluidentlastungsöffnung (61) hin absperrt.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfluidquelle (59) eine Druckluftquelle oder eine Luft-Unterdruckquelle ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (55) zusätzlich über eine für Notbetriebszwecke manuell steuerbare Ventilanordnung (73) mit der Arbeitsfluidquelle (59) oder/und einer Druckentlastungsöffnung (75) verbindbar ist.