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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen
Aktuator für
eine Kupplung eines mit einem Roboter- oder Automatikgetriebe ausgestatteten
Kraftfahrzeugs. Bei einem Kraftfahrzeug dieses Typs ist kein Kupplungspedal
für die direkte
Betätigung
durch den Fahrer vorgesehen, sondern die Kupplung wird durch einen
oder mehrere Aktuatoren bedient, die von einer oder mehreren elektronischen
Steuereinheiten gesteuert werden, welche die Bedienung sowohl des
Getriebes als auch der Kupplung regeln. Im Allgemeinen sind ein
erster hydraulischer Aktuator zur direkten Bedienung der Kupplung
und ein zweiter elektrischer Aktuator, der den hydraulischen Aktuator
steuert, vorgesehen, wodurch ein Steuersystem mit Servowirkung gebildet wird.
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Wie
wohlbekannt ist, bestehen die Hauptfunktionen, die ein Kupplungsaktuator
zu erfüllen
hat, in der Steuerung des Ausrückens
und Einrückens
der Kupplung und in der dauerhaften Beibehaltung der ausgerückten Position.
Anhand der Ergebnisse von an Kraftfahrzeugen durchgeführten Tests
wurde festgestellt, dass jede der oben erwähnten Funktionen einer spezifischen
Betätigungszeit,
die einem akzeptablen Fahrkomfort entspricht, zugeordnet werden kann.
Die Werte dieser Betätigungszeiten
erwiesen sich als unterschiedlich und können nicht auf eine einzige
mathematische Funktion reduziert werden.
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Bei
den derzeit verwendeten elektromechanischen Aktuatoren werden Betriebsmechanismen (zum
Beispiel in der Art eines Pleuels und einer Kurbelwelle) angewandt,
welche die Erzielung eines einzigen Bewegungsgesetzes ermöglichen
und daher die Anforderung einer Umsetzung von spezifischen Bewegungsgesetzen
für jede
Stufe des Kupplungsbetätigungszyklus
nicht erfüllen.
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Ein
Beispiel eines elektromechanischen Aktuators zum Steuern eines hydraulischen
Aktuators für
die Bedienung einer Kupplung eines Kraftfahrzeugs ist aus der internationalen
Patentanmeldung
WO01/76905 bekannt.
Der in diesem Dokument des Stands der Technik beschriebene elektromechanische
Aktuator umfasst einen Mechanismus zum Umwandeln der Drehbewegung
eines Kurbelzapfens, der von einem Elektromotor oder einem Getriebemotor
um eine Rotationsachse, die sich von seiner eigenen Achse unterscheidet,
gedreht wird, in die Translationsbewegung eines Betätigungsglieds,
das einen Kolben eines hydraulischen Aktuators steuert. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus
umfasst eine verschiebbare Platte mit einem formangepassten Schlitz,
in den der Kurbelzapfen eingreift. Die Platte ist in einer Führung montiert,
die entlang einer zur Rotationsachse des Kurbelzapfens lotrechten Richtung
ausgerichtet ist und durch diese Achse hindurchgeht, und trägt an einem
Ende das besagte Betätigungsglied.
In der Platte ist eine Kerbe gebildet, welche eine dem eingerückten Kupplungszustand entsprechende,
stabile Ruhestellung definiert. Um die Kupplung vollständig auszurücken, muss
der Kurbelzapfen um 180° gedreht
werden.
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Entsprechend
dieser bekannten Lösung
ermöglicht
eine Abänderung
des Profils des formangepassten Schlitzes, in dem der Kurbelzapfen
gleitet, dass nur die Betätigungskraft
infolge der Veränderung
des Hebelarms variiert wird. Zusätzlich
ist die geradlinige Bewegung des Betätigungsglieds, welche durch
diesen Mechanismus erzielt wird, bei jedem Winkelintervall von 90
Grad zwangsläufig
symmetrisch. Diese beiden Einschränkungen begrenzen die Möglichkeit
einer Anpassung des Ausrückens und
Einrückens
der Kupplung in einer gänzlich
unabhängigen
Art und Weise.
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Bei
einem solchen Aktuator ist es weiters erforderlich, einen Elektromagneten
zu verwenden, um zu ermöglichen,
dass der Bewegungsumwandlungsmechanismus für lange Zeitspannen in der
Auskupplungsstellung stabil gehalten wird (z. B. wenn ein Gang eingelegt
wurde und die Kupplung ausgerückt ist,
während
das Fahrzeug steht). Dies ist der Fall, da die Auskupplungsstellung
sogar dann, wenn die Kupplungsbetätigungskraft in einer Richtung
wirkt, die zur Rotationsachse des Elektro- oder Getriebemotors orthogonal
ist und durch diese hindurch geht, nicht stabil ist, wenn das System
Belastungen (wie z. B. Vibrationen) ausgesetzt wird.
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Ebenso
ist bekannt, dass ein Kupplungsaktuator fähig sein muss, Komforteigenschaften
zu bieten, die entsprechend den Anforderungen des Benutzers und
auch gemäß den Sicherheitsanforderungen des
Fahrzeugs (z. B. im Falle einer Notbremsung) unterschiedlich sind.
Um die Erzielung dieser Komforteigenschaften zu ermöglichen,
muss der Elektromotor geeignet konstruiert sein, und zwar mit einer Toleranz
hinsichtlich der Trägheitsmassen
des Motors selbst und der Bestandteile der Reduktionseinheit. Die
erforderlichen Komforteigenschaften werden somit durch eine Steuerstrategie
erhalten, welche mit den Eigenschaften des Elektromotors nicht vollständig kompatibel
ist, da ständige
Polarisationsumkehrungen kontrolliert werden müssen und der Motor daher überdimensional
sein muss, wodurch der Energieverbrauch und der von der Batterie des
Kraftfahrzeugs geforderte Losbrech-Anlaufstrom erhöht werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines elektromechanischen Aktuators für eine Kupplung eines Kraftfahrzeugs,
welcher die Überwindung
der obenstehend besprochenen Nachteile ermöglicht.
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Diese
und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen elektromechanischen
Aktuator erfüllt,
der die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definierten charakteristischen
Eigenschaften aufweist. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Mit
Hilfe eines erfindungsgemäßen elektromechanischen
Aktuators kann die ausgerückte Kupplungsposition
durch eine Drehung um weniger als 180° erreicht werden. Die Phasen
des Ausrückens
und Einrückens
der Kupplung können
weiters in einer völlig
asymmetrischen Art und Weise angepasst werden, anders ausgedrückt, indem
dafür gesorgt
wird, dass die Zeiten zum Ausrücken
und Einrücken
ausschließlich
von der Kennlinie der Kupplung (dem Drehmoment, das abhängig von
der Position übertragen
wird) abhängen.
Ebenso ist es möglich,
auf einen Elektromagneten oder eine ähnliche Vorrichtung, um die
Kupplung für
lange Zeitspannen ausgerückt
zu halten, zu verzichten.
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Die
charakteristischen Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, welche
rein anhand eines nicht einschränkend
gedachten Beispiels dargelegt ist, und zwar unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug ist, an
dem ein hydraulischer Aktuator gemäß dem Stand der Technik für die Bedienung
der Kupplung montiert ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht ist, welche eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen elektromechanischen
Aktuators zum Steuern eines hydraulischen Aktuators für eine Kupplung
des in 1 dargestellten Typs zeigt;
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3 ein
Diagramm ist, welches eine mögliche
Betriebseigenschaft zeigt, die mit einem erfindungsgemäßen elektromechanischen
Aktuator erhalten werden kann; und
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4 das
Profil eines nockenartigen Betätigungsglieds
für den
elektromechanischen Aktuator der 2 zeigt,
welches solcherart konstruiert ist, um die in 3 gezeigte
Betriebseigenschaft zu liefern.
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1 zeigt
ein im Allgemeinen mit 10 bezeichnetes Getriebe eines Kraftfahrzeugs,
an dem ein hydraulischer Aktuator 11 für die Bedienung der (nicht
dargestellten) Kupplung montiert ist. Der hydraulische Aktuator 11 besitzt
in einer bekannten Art und Weise eine mechanische Schnittstelle 12 (wie
z. B. eine Kolbenstange), die an einem Kupplungsbetätigungshebel 13 angeschlossen
ist, und eine hydraulische Schnittstelle 14, an der ein
Schlauch 15 angeschlossen ist, welcher dem Aktuator die
notwendige hydraulische Kraft in Form einer Druckflüssigkeit
zuführt.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektromechanischen
Aktuators, der dazu bestimmt ist, die Bedienung des hydraulischen
Aktuators 11 zu regeln, indem er die Flüssigkeitsmenge, die diesem
zugeführt wird,
festlegt.
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Der
im Allgemeinen mit 20 bezeichnete elektromechanische Aktuator
umfasst im Wesentlichen einen Elektromotor 21 (eines bekannten
Typs), eine Reduktionseinheit 22 (ebenfalls eines bekannten Typs,
zum Beispiel mit einer Kaskade von Gängen) und ein nockenartiges
Betätigungsglied 23,
das an einer Abtriebswelle 24 der Reduktionseinheit 22 angebracht
ist. Die Betätigungsnocke 23 hat
die Funktion, die kontinuierliche Drehbewegung, die ihr vom Motor 21 durch
die Reduktionseinheit 22 mitgeteilt wird, in die geradlinige
Hin- und Herbewegung eines angetriebenen Bauglieds 25 umzuwandeln,
welches in Form eines zylindrischen Elements gestaltet ist, das
in Richtung seiner eigenen Achse verschiebbar ist. Das angetriebene
Bauglied 25 überträgt die Bewegung
wiederum zu einem Schieber oder Plunger 26, der in einer
hydraulischen Kartusche 27 untergebracht ist, die durch
ein Verbindungsstück 28 mit
dem den hydraulischen Aktuator 11 versorgenden Schlauch 15 verbunden
ist. Die Bewegung des Schiebers 26 bewirkt eine entsprechende
Verdrängung
von Flüssigkeit
im Schlauch 15 und infolgedessen einen Austausch von hydraulischer
Energie mit dem Aktuator 11.
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Ein
Drehzahlfühler 29 eines
bekannten Typs ist zum Überwachen
der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 21 vorgesehen.
Ein (nicht dargestellter) elektronischer Absolutsensor ist ebenfalls
vorgesehen, um die ausgerückte
Position der Kupplung festzustellen. Dieser Sensor kann ein am angetriebenen
Bauglied 25 angekoppelter linearer Sensor oder ein an der
Betätigungsnocke 23 angekoppelter
Rotationssensor sein. Der Elektromotor ist gemäß bekannten Methoden (PWM oder
lineare Modulation) drehzahlgeregelt. Diese Drehzahl wird mit Hilfe
des Drehzahlfühlers 29 oder
durch Berechnung der Abweichung der dem angetriebenen Bauglied 25 zugeordneten
linearen Verschiebung gemessen. Da das kinematische Gesetz bekannt
ist, welches die Drehbewegung der Nocke oder die Hin- und Herbewegung
des angetriebenen Bauglieds mit dem Auskupplungs/Einkupplungshub
in Beziehung setzt, kann anhand der von den beiden oben erwähnten Sensoren
gelieferten Informationen zu jedem Zeitpunkt die Position der Kupplung
ermittelt werden.
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Der
elektromechanische Aktuator 20 ist in einer bekannten Art
und Weise auch an einer (nicht dargestellten) elektronischen Steuereinheit
angeschlossen, welche die Stromzufuhr zum Elektromotor 21 regelt
und mit dem Kraftfahrzeug-Flächennetzwerk
eine Schnittstelle bildet.
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Die
Verwendung eines nockenartigen Betätigungsglieds ermöglicht das
Erhalten von verschiedenen Bewegungsgesetzen, die nach Wunsch ausgewählt werden
können,
für die
verschiedenen Phasen des Kupplungsbetätigungszyklus.
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3 zeigt
ein Beispiel einer Betriebseigenschaft, die mit einem erfindungsgemäßen Aktuator, dessen
Betätigungsnocke
das in 4 gezeigte Profil aufweist, erzielt werden kann.
Die Betriebseigenschaft zeigt die Verschiebung des angetriebenen Bauglieds 25 (proportional
zur Verschiebung des Kupplungsbetätigungshebels 13)
als Funktion des Drehwinkels des nockenartigen Betätigungsglieds 23.
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Unter
Bezugnahme auf 3 kann der Arbeitszyklus des
Aktuators in die untenstehend aufgelisteten Phasen unterteilt werden,
wobei jede mit einem entsprechenden Abschnitt des Profils der Nocke 23 übereinstimmt
(dargestellt in 4).
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In
einer mit A1 bezeichneten ersten Phase wird die Kupplung für die ersten
46° der
Rotation der Nocke 23 in der eingerückten Position gehalten. Das Vorhandensein
dieser Nicht-Betriebsphase ermöglicht
den vorübergehenden
Betrieb des Elektromotors 21, da dies dem Motor kein zusätzliches
festes Drehmoment auferlegt (abgesehen von jenem aufgrund von Trägheit und
Reibung). Diese Phase stimmt mit einem Abschnitt des Nockenprofils
in Form eines Umfangsbogens überein,
der zwischen den Punkten 0 und 1 liegt.
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In
der nächsten,
mit A2 bezeichneten Phase erfolgt das Ausrücken der Kupplung, und dies
ist knapp vor einer 180°-Drehung
der Nocke beendet. Diese zweite Phase stimmt mit dem zwischen den Punkten 1 und 2 liegenden
Abschnitt des Nockenprofils überein.
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In
einer mit A3 bezeichneten dritten Phase wird die Kupplung in der
ausgerückten
Position gehalten, und zwar für
ein kurzes, sich über
180° erstreckendes
Winkelintervall, wodurch ein Wechseln des Gangs ermöglicht wird,
oder für
ein längeres
Intervall, wenn das Fahrzeug steht und ein Gang eingelegt ist, in
welchem Fall der Mechanismus in der Mitte der Phase A3 gestoppt
wird. Diese dritte Phase stimmt mit dem Abschnitt des Nockenprofils
in Form eines Umfangsbogens überein,
der zwischen den Punkten 2 und 3 liegt.
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Der
dritten Phase A3 folgt das Einrücken
der Kupplung, was im dargestellten Beispiel in drei verschiedenen
Phasen erfolgt:
eine vierte Phase A4, in der ein rasches teilweises Einrücken der
Kupplung stattfindet, da es während dieser
Phase nicht zu einer Drehmomentübertragung zur
Transmissionswelle kommt;
eine fünfte Phase A5, in der das Einrücken der
Kupplung angepasst wird, und
eine sechste Phase A6, in der
das Einrücken
der Kupplung rasch beendet wird, wobei die Geschwindigkeit des Einrückens die
erforderlichen Komforteigenschaften nicht mehr beeinflusst.
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In
diesem Fall erfolgt die Phase A5 zum Anpassen des Einrückens mit
einer linearen Abweichung. Die drei Phasen A4, A5 und A6 stimmen
mit den zwischen den Punkten 3 und 4, 4 und 5 bzw. 5 und 0 liegenden
Abschnitten des Nockenprofils überein.
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Durch
passendes Gestalten des Profils der Betätigungsnocke 23 ist
es jedoch eindeutig möglich, jegliche
gewünschte
Betriebseigenschaft des Aktuators zu erhalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Aktuator 20 mit einer Hilfsvorrichtung 30 zum
Erhöhen
der Geschwindigkeit des Ausrückens
der Kupplung (des Abschnitts A2 der obenstehend beschriebenen Betriebseigenschaft) versehen.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die Hilfsvorrichtung 30 eine
Hilfsnocke 31, die auf ein von einer kalibrierten Feder 33 belastetes
Kappenglied 32 einwirkt. Die Hilfsnocke 31 ist
durch eine Welle 33 mit der Betätigungsnocke 23 solcherart
verbunden, dass sie zur Drehung mit letzterer befestigt ist.
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Das
Profil der Hilfsnocke 31 ist passend geformt, so dass die
Feder 33 zusammengedrückt
wird, wobei sie während
der Phase des Einrückens
der Kupplung elastische Energie speichert, und sich ausdehnt und
somit während
der Phase des Ausrückens der
Kupplung die gespeicherte elastische Energie abgibt. Auf diese Art
und Weise wird die Geschwindigkeit des Ausrückens der Kupplung für die gleiche Leistung
des Elektromotors des Aktuators erhöht, oder alternativ kann ein
weniger starker Elektromotor verwendet werden, ohne die Geschwindigkeit
des Ausrückens
zu verringern.
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Das
Profil der Hilfsnocke 31 ist vorzugsweise auch solcherart
geformt, dass die Feder 33 während der letzten Phase A6
des Einrückens
der Kupplung wieder belastet wird. Auf diese Art und Weise beeinträchtigt die
Tätigkeit
des erneuten Belastens der Feder eigentlich nicht die Phasen A3,
A4 und A5 des Kupplungsbetätigungszyklus.
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Es
sollte auch verdeutlicht werden, dass eine solche Hilfsvorrichtung
eingebaut und entfernt werden kann, ohne die kinematische Kette
vom Motor zur Kupplung zu verändern.
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Letztendlich
ist der elektromechanische Aktuator 20 fähig, die
Funktionen des Aufnehmens der Installation und des selbsteinstellenden
Spielraums nach einer Abnutzung der Kupplungsscheibe durchzuführen. Diese
Funktionen werden in einer bekannten Art und Weise von der hydraulischen
Kartusche 27 durchgeführt,
da die Veränderungen
des Flüssigkeitsvolumens
im hydraulischen Aktuator 11 sowohl aufgrund der Installation
als auch der Abnutzung der Kupplungsscheibe durch die Kartusche
selbst ausgeglichen werden, und zwar durch Absorption oder Ergänzung der
Flüssigkeit.
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Natürlich können die
Ausführungsformen und
Konstruktionsdetails in Bezug auf jene, die rein anhand eines nicht
einschränkend
gedachten Beispiels beschrieben und veranschaulicht wurden, weitgehend
abgewandelt werden, wobei das Prinzip der Erfindung unverändert bleibt.