WO2012048842A1 - Kopplungsanordnung - Google Patents

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WO2012048842A1
WO2012048842A1 PCT/EP2011/005055 EP2011005055W WO2012048842A1 WO 2012048842 A1 WO2012048842 A1 WO 2012048842A1 EP 2011005055 W EP2011005055 W EP 2011005055W WO 2012048842 A1 WO2012048842 A1 WO 2012048842A1
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coupling
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coupling arrangement
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PCT/EP2011/005055
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Herbert Steinwender
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
Original Assignee
Magna Powertrain GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D27/00—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor
    • F16D27/10—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings
    • F16D27/118—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings with interengaging jaws or gear teeth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D23/00—Details of mechanically-actuated clutches not specific for one distinct type
    • F16D23/02—Arrangements for synchronisation, also for power-operated clutches
    • F16D23/04—Arrangements for synchronisation, also for power-operated clutches with an additional friction clutch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16D23/02—Arrangements for synchronisation, also for power-operated clutches
    • F16D23/04—Arrangements for synchronisation, also for power-operated clutches with an additional friction clutch
    • F16D23/06—Arrangements for synchronisation, also for power-operated clutches with an additional friction clutch and a blocking mechanism preventing the engagement of the main clutch prior to synchronisation
    • F16D2023/0687—Clutches with electrical actuation

Definitions

  • the present invention relates to a coupling arrangement, in particular for a drive train of a motor vehicle, having at least one coupling which is arranged on a rotating shaft to selectively couple the rotating shaft with a drive element, wherein for coupling the rotating shaft with the drive element, a first Kupp - Releasing part by displacement along the axis of the rotating shaft relative to a second coupling part in a form-locking engagement with the second coupling part, and a Hubmagnetan whatsoever for actuating the clutch, wherein the Hubmagnetan kann an excitation coil for generating a magnetic field and by the magnetic field of the excitation coil comprises armature which can be attracted along a stroke direction.
  • the drive element to be coupled to the rotating shaft may be a further shaft or a transmission element.
  • a positive connection between the rotating shaft on the one hand and an input shaft, an output shaft, a housing or a crown wheel of a differential gear, or a gear of an angular gear on the other hand can be provided.
  • Such devices can be used for example in the form of so-called disconnect systems for decoupling of parts of a drive train in a motor vehicle with switchable four-wheel drive, so that in two-wheel drive, the connection between the primary axis or the drive unit on the one hand and the secondary axis on the other hand can be at least partially shut down.
  • CONFIRMATION COPY called drive element as the starting element, or in the reverse direction.
  • the directional indications "axial” and “radial” always refer to the axis of the rotating shaft.
  • a solenoid for actuating the clutch allows for a hydraulic or pneumatic actuator a particularly simple and inexpensive construction.
  • the excitation coil of the lifting magnet can be wound around a yoke or a core of magnetizable material. Between the armature and the exciter coil or a front abutment surface of the yoke there is generally an air gap through which the maximum Verstellhub is given.
  • the armature and the first coupling part to be displaced are movable apart from each other and there is provided an effective between the armature and the first coupling part in the stroke direction spring device, which faces the first coupling part biases the anchor in the stroke direction.
  • the armature and the first coupling part to be displaced are therefore not rigidly coupled with each other, but flexible via a spring.
  • the first coupling part is preferably coupled to the armature via a driver device in such a way that, when the armature moves counter to the stroke direction, the armature entrains the first coupling part.
  • the driver can be in particular a Schugreifung.
  • the spring device is preferably effective on pressure. For example, can be arranged between a front end face of the armature seen in the stroke direction and a rear end face of the first coupling part, a compression spring. This is compressed in an axial movement of the armature in the stroke direction, provided that the first coupling part is prevented from axial movement.
  • the spring device is effective between the first coupling part and a component rotationally coupled to the armature or between the armature and a component rotationally coupled to the first coupling part.
  • the spring device can be connected to the first coupling part and be supported on the anchor via at least one thrust bearing.
  • the armature is rotationally coupled by the first coupling part through the axial bearing and can be fixedly mounted in the housing.
  • a return spring acting in particular between the excitation coil and the armature can be provided, which biases the two coupling parts, preferably in the opening direction, relative to one another.
  • a return spring makes it possible, for example, to open the clutch only to interrupt the power supply of Hubmagnetaniser.
  • the first coupling part as a coaxial to the rotating shaft sliding sleeve, in particular with frontal claws, executed.
  • the first coupling part is coupled to a synchronization element, which is axially movable relative to the first coupling part and can be latched in a basic position with the first coupling part. In the latched position, the actuating force is thus transmitted from the first coupling part to the synchronization element, which thus comes into operation and sets the synchronization of the two coupling parts in motion.
  • the latching between the synchronization element and the first coupling part can be released, so that the synchronization element is decoupled axially from the first coupling part and thus losses are minimized.
  • the synchronization element may have a friction cone, which cooperates in the basic position with a friction cone of the second coupling part when the armature is tightened.
  • the course of the synchronization force can be controlled by driving the Hubmagnetaniser, i. be adjusted by the height and duration of the magnetic force, according to the application.
  • the latching mechanism ensures that, when a maximum force acting in the stroke direction is exceeded, the axial coupling between the synchronization element and the first coupling part is released.
  • a ball mounted in the synchronization element and spring-biased in the radial direction can be provided, which in one Recess of the first coupling part snaps or vice versa.
  • the first coupling part can form an outer sleeve and the synchronization element can form an inner sleeve of a cylinder-like sliding component. It can thus be provided, so to speak, a two-part sliding sleeve in the radial direction, which equally provides the synchronization effect and causes the positive engagement.
  • the Hubmagnetan ist in a closed position of the coupling to a vanishing air gap.
  • a zero air gap there is a relatively low magnetic resistance, so that the electric power to hold this position is minimal.
  • the holding of the clutch in the closed position can thus be particularly energy-efficient.
  • Fig. 1 is a sectional view of a coupling arrangement according to an embodiment of the invention, wherein a coupling of the coupling arrangement is shown in an open position.
  • FIG. 2 shows the coupling arrangement according to Fig. 1 at the beginning of a synchronization process.
  • FIG. 3 shows the coupling arrangement according to FIG. 1 at a first time during a synchronization process.
  • FIG. 4 shows the coupling arrangement according to FIG. 1 at a second, later point in time during a synchronization process.
  • FIG. 5 shows the coupling arrangement according to FIG. 1 after completion of a synchronization process.
  • FIG. 6 shows the coupling arrangement according to FIG. 1 with a clutch in the closed position.
  • FIG. 7 is a force-displacement diagram illustrating the force curves on the coupling arrangement of FIG. 1 during various operating conditions.
  • Fig. 8 is a sectional view of a coupling assembly according to an alternative embodiment of the invention, showing a coupling of the coupling assembly in an open position.
  • FIG. 9 shows the coupling arrangement according to FIG. 8 at a first time during an engagement process.
  • FIG. 10 shows the coupling arrangement according to FIG. 8 at a second, later point in time during an engagement process.
  • FIG. 11 shows the coupling arrangement according to FIG. 8 with a coupling in the closed position.
  • a coupling arrangement according to a first embodiment of the invention is shown, which can be used at different positions within a drive train of a motor vehicle to selectively couple two components of the drive train with each other.
  • the coupling arrangement can form a longitudinal or a transverse disconnect system in a motor vehicle with manually or automatically connectable four-wheel drive.
  • the coupling assembly may be used to decouple the electric motor from the driveline when it is not needed or when excessive speed increase is to be prevented.
  • the coupling arrangement comprises a dog clutch 11, which is arranged on an input half-shaft 23 rotating about an axis of rotation R.
  • the dog clutch 11 comprises a first coupling part 20 and a second coupling part 21, which each have end-side jaws 22 and which can be brought together for closing the dog clutch 11 in a form-locking engagement.
  • the first coupling part 20 is coupled to the input half-wave 23, which is for example coupled to a front axle differential of the motor vehicle.
  • the second coupling ment part 21 is coupled to an output half-wave 25, which in turn is coupled, for example with a rear differential of the motor vehicle.
  • the dog clutch 11 When the two coupling parts 20, 21 are in positive engagement, the dog clutch 11 is engaged or closed and there is a torque transmission from the input half-shaft 23 to the output half-shaft 25, so for example from the front to the rear axle of the drive train instead ,
  • the dog clutch 11 is opened and the input half-shaft 23 is disconnected from the output half-shaft 25.
  • the opening and closing of the dog clutch 11 takes place by the first coupling part 20 being displaced along the axis of rotation R relative to the second coupling part 21.
  • a Hubmagnetan angel 27 which comprises an excitation coil 29 for generating a magnetic field and an attractable by the magnetic field of the excitation coil 29 along a stroke direction H anchor 31.
  • the excitation coil 29 can be controlled by means of a control device, not shown, so as to attract the armature 31 with a predetermined actuating force of predetermined duration.
  • the armature 31 and the first coupling part 20 are movable separately from one another in the direction of the rotation axis R, but are coupled to one another via a storage spring 33 on the one hand and a rear engagement 35 on the other hand.
  • the pressure-effective accumulator spring 33 is supported on the one hand on a viewed in the stroke direction H rear end 38 of the first coupling part 20 and on the other hand on a transmission ring 36, which in turn is supported via a thrust bearing 37 on the armature 31 fixed to the housing.
  • the accumulator spring 33 thus biases the first coupling part 20 with respect to the transmission ring 36 and consequently with respect to the armature 31 in the stroke direction H.
  • the thrust bearing 37 causes a rotary Decoupling between the transmission ring 36 and the armature 31.
  • a acting between the transmission ring 36 and the input half-wave 23 return spring 39 biases the jaw clutch 11 in the opening direction.
  • the return spring 39 could alternatively be arranged between the exciter coil 29 and the armature 31.
  • Rear engagement 35 in conjunction with the restoring spring 39, ensures that, when the armature 31 moves counter to the stroke direction H, the armature 31 carries along the first coupling part 20 via the transmission ring 36.
  • the sleeve-shaped first coupling part 20 encloses a radially inwardly located, likewise sleeve-shaped synchronization ring 40, whereby a two-part sliding sleeve is formed overall.
  • the synchronizing ring 40 is axially movable relative to the first coupling part 20, but can be latched via a latching device 43 in a basic position with this.
  • the latching device 43 is formed by a ball 45 mounted in the synchronization ring 40 and prestressed in the radial direction by a detent spring 47, which in the basic position snaps into a groove 49 of the first coupling part 20.
  • the ball could also be mounted in the first coupling part 20 and snap into a groove of the synchronization ring 40.
  • a projecting frictional cone 53 is formed, which is able to cooperate with a frictional cone 55 of the second coupling part 21. Since the first friction cone 53 and the second friction cone 55 are arranged projecting with respect to the claws 22, when the synchronization ring 40 is in the home position, the first friction cone 53 and the second friction cone 55 arrive during tightening of the armature 31 before the claws 22 of the coupling parts 20, 21 come into engagement.
  • the exciting coil 29 is supplied with an electric current and the armature 31 is attracted by the corresponding magnetic force.
  • the armature 31 pushes the transmission ring 36 and, via the storage spring 33, the first coupling part 20 in the stroke direction H.
  • the first friction cone 53 and the second friction cone 55 come into contact (FIG ).
  • a rotational speed equalization of the two coupling parts 20, 21 takes place, wherein the magnetic force can be increased stepwise, as illustrated by the field lines in FIGS. 2 to 6.
  • the course of the synchronization can be adjusted as desired both via the control of the exciter coil 29 and on the characteristic of the storage spring 33.
  • the storage spring 33 is tensioned during the synchronization process.
  • the armature 31 Due to the flexible coupling of the first coupling part 20 with the armature 31 via the storage spring 33, however, the armature 31 can move under further tensioning of the storage spring 33 into its end position shown in FIG. 5 with a vanishing air gap.
  • the exciter coil 29 must be supplied in this end position only with a minimum holding current, since due to the vanishing air gap, the magnetic resistance of the Hubmagnetan- order 27 is low.
  • the accumulator spring 33 remains taut and has sufficient power reserves to cause the dog clutch 11 to shift into the final closed position as soon as the claws 22 have reached a suitable "tooth gap” position.
  • the accumulator spring 33 relaxes by the clearance of the dog clutch 11.
  • the armature 31 remains rigidly in its end position during the final through-connection.
  • the accumulator spring 33 is designed so that it relaxes during the passage through the dog clutch 11 to a predetermined minimum force, which prevents accidental opening of the dog clutch 11 straight.
  • the current is turned off to the exciter coil 29, whereupon the return spring 39, the first coupling member 20 pushes back into the starting position.
  • the synchronization ring 40 locks again in its basic position with the first coupling part 20th
  • forces F occurring during the closing and during the opening of the dog clutch 11 are shown in a simplified manner as a function of the travel s of the armature 31.
  • the tightening force of the lifting magnet arrangement 27 is shown as a dashed line 57, the tightening force reduced by the spring force of the return spring 39 as a solid line 59.
  • the line 61 characterizes the spring force of the storage spring 33. In the region 63, the storage spring 33 is tensioned or relaxed. At 65 is the point at which it comes to a "tooth on tooth" position.
  • FIGS. 8 to 11 show a coupling arrangement according to an alternative embodiment of the invention, wherein identical or equivalent components are denoted by the same reference numerals as in the embodiment according to FIGS. 1 to 6.
  • the first coupling part 20 ' is here by a one-piece sliding sleeve formed, ie no synchronizing ring is provided.
  • This variant does not offer a synchronization function, but is less expensive than the embodiment according to FIGS. 1 to 6. In particular, fewer components and components that are easier to manufacture are required.
  • a modular system can be realized in a simple way. That Optionally, a synchronized dog clutch 11 or a less expensive, non-synchronized dog clutch 11 'may be provided using many of the same or similar components.
  • An important advantage of the invention is that the exciter coil 29 and the armature 31 are fixed to the housing and do not have to transmit any mechanical power.
  • the magnetically conductive parts are therefore of the mechanically clean parts separated clean, which is advantageous in that a high magnetic conductivity is basically associated with a low mechanical strength and vice versa.
  • components which have to transmit a torque do not conduct or magnetically insulate a magnetic field and can therefore be produced from high-strength standard materials.
  • all magnetic field leading parts do not require high mechanical strength and can thus be advantageously made of soft iron.
  • the invention enables a simple and inexpensive to implement claw clutch 11, 1 ⁇ , which manages without a complicated lock synchronization.

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Abstract

Eine Kopplungsanordnung umfasst eine Kupplung, die an einer rotierenden Welle (2, 3) angeordnet ist, um die rotierende Welle wahlweise mit einem Antriebselement zu koppeln, wobei zur Kopplung der rotierenden Welle mit dem Antriebselement (25) ein erstes Kupplungsteil (20) durch Versetzen entlang der Achse der rotierenden Welle relativ zu einem zweiten Kupplungsteil (21) in einen formschlüssigen Eingriff mit dem zweiten Kupplungsteil bringbar ist, und eine Hubmagnetanordnung (27) zur Betätigung der Kupplung, wobei die Hubmagnetanordnung eine Erregerspule (29) zur Erzeugung eines Magnetfelds und einen durch das Magnetfeld der Erregerspule entlang einer Hubrichtung anziehbaren Anker (31). Der Anker und das zu versetzende erste Kupplungsteil sind getrennt voneinander beweglich und es ist eine zwischen dem Anker und dem ersten Kupplungsteil in Hubrichtung wirksame Federeinrichtung (33) vorgesehen, welche das erste Kupplungsteil gegenüber dem Anker in Hubrichtung (H) vorspannt.

Description

KOPPLUNGSANORDNUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungsanordnung, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Kupplung, die an einer rotierenden Welle angeordnet ist, um die rotierende Welle wahlweise mit einem Antriebselement zu koppeln, wobei zur Kopplung der rotierenden Welle mit dem Antriebselement ein erstes Kupp- lungsteil durch Versetzen entlang der Achse der rotierende Welle relativ zu einem zweiten Kupplungsteil in einen formschlüssigen Eingriff mit dem zweiten Kupplungsteil bringbar ist, und einer Hubmagnetanordnung zur Betätigung der Kupplung, wobei die Hubmagnetanordnung eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds und einen durch das Magnetfeld der Erregerspule entlang einer Hubrichtung anziehbaren Anker umfasst.
Das an die rotierende Welle anzukoppelnde Antriebselement kann eine weitere Welle oder ein Getriebeelement sein. Beispielsweise kann bei einer Betätigung der Kupplung eine formschlüssige Verbindung zwischen der rotierenden Welle einerseits und einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle, einem Gehäuse oder einem Tellerrad eines Differentialgetriebes, oder einem Zahnrad eines Winkelgetriebes andererseits bereitgestellt werden. Derartige Vorrichtungen können beispielsweise in Form so genannter Disconnect-Systeme zur Entkopplung von Teilen eines Antriebsstrangs bei einem Kraftfahrzeug mit zuschaltbarem Allradantrieb eingesetzt werden, sodass bei Zweiradantrieb die Verbindung zwischen der Primärachse oder der Antriebseinheit einerseits und der Sekundärachse andererseits zumindest teilweise stillgelegt werden kann. Generell kann die Drehmomentübertragung von der rotierenden Welle als Eingangselement zu dem ge-
BESTÄTIGUNGSKOPIE nannten Antriebselement als Ausgangselement, oder in umgekehrter Richtung erfolgen.
Die Richtungsangaben "axial" und "radial" beziehen sich im Zusammen- hang mit der vorliegenden Erfindung stets auf die Achse der rotierenden Welle.
Ein Hubmagnet zur Betätigung der Kupplung ermöglicht gegenüber einem hydraulischen oder pneumatischen Aktuator einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau. Zur Verstärkung der Magnetkraft kann die Erregerspule des Hubmagneten um ein Joch oder einen Kern aus magne- tisierbarem Material gewickelt sein. Zwischen dem Anker und der Erregerspule bzw. einer vorderen Anschlagfläche des Jochs besteht im Allgemeinen ein Luftspalt, durch den auch der maximale Verstellhub gegeben ist.
Um eine formschlüssige Kupplung wie beispielsweise eine Klauenkupplung vollständig einrücken zu können, müssen die beiden mit unterschiedlicher Drehzahl rotierenden Kupplungsteile zunächst synchronisiert werden. Dies kann beispielsweise mittels einer Sperrsynchronisierung erfolgen. Derartige Sperrsynchronisierungen sind jedoch relativ aufwändig und kostspielig. Außerdem kann das vollständige Einrücken der Kupplung auch bei erfolgter Synchronisierung verhindert sein, wenn beispielsweise eine "Zahn auf Zahn"-Stellung vorliegt. Die Betätigungskraft muss dann solange aufrechterhalten werden, bis die beiden Kupplungsteile aufgrund einer Rest-Drehzahldifferenz in eine "Zahn auf Lücke"-Stellung gelangt sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei Kopplungsanordnungen der genannten Art ein einfacheres, effektiveres und kostengünstigeres Betätigen der Kupplung zu ermöglichen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kopplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß sind der Anker und das zu versetzende erste Kupplungsteil getrennt voneinander beweglich und es ist eine zwischen dem Anker und dem ersten Kupplungsteil in Hubrichtung wirksame Federeinrichtung vorgesehen, welche das erste Kupplungsteil gegenüber dem Anker in Hubrichtung vorspannt. Der Anker und das zu versetzende erste Kupplungsteil sind also nicht starr miteinander gekoppelt, sondern flexibel über eine Feder. Wenn nun eine Bewegung des ersten Kupplungsteils entlang der Hubrichtung aufgrund einer "Zahn auf Zahn" -Stellung der Kupplungsteile gestoppt worden ist, wird eine weitere Bewegung des Ankers entlang der Hubrichtung unter Spannen der Feder gestattet. In der gespannten Feder wird die Kraft zum endgültigen Einrücken oder Durchschalten der Kupplung gespeichert, bis die Klauen der beiden Kupplungsteile die korrekte Lage zueinander eingenommen haben. Der Anker der Hubmagnetanordnung muss zum Durchschalten nicht mehr bewegt werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, eine Klauenkupplung mit einer einfachen und kostengünstigen Hubmagnetanordnung zu einem beliebigen Zeitpunkt durchzuschalten.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Vorzugsweise ist das erste Kupplungsteil über eine Mitnehmereinrichtung derart mit dem Anker gekoppelt, dass bei einer Bewegung des Ankers entgegen der Hubrichtung der Anker das erste Kupplungsteil mitnimmt. Durch den Mitnehmer ist gewährleistet, dass trotz der flexiblen Kopplung des ersten Kupplungsteils mit dem Anker über die Federeinrichtung eine effektive Rückstellbewegung des ersten Kupplungsteils beim öffnen der Kupplung erfolgt. Der Mitnehmer kann insbesondere eine Hintergreifung sein. Die Federeinrichtung ist vorzugsweise auf Druck wirksam. Beispielsweise kann zwischen einer in Hubrichtung gesehen vorderen Stirnfläche des Ankers und einer hinteren Stirnfläche des ersten Kupplungsteils eine Druckfeder angeordnet sein. Diese wird bei einer axialen Bewegung des Ankers in Hubrichtung zusammengedrückt, sofern das erste Kupplungs- teil an einer axialen Bewegung gehindert ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Federeinrichtung zwischen dem ersten Kupplungsteil und einem von dem Anker drehentkoppelten Bauteil oder zwischen dem Anker und einem von dem ersten Kupplungsteil drehentkoppelten Bauteil wirksam. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, die Hubmagnetanordnung gehäusefest auszuführen. Insbesondere kann die Federeinrichtung mit dem ersten Kupplungsteil verbunden sein und sich über wenigstens ein Axiallager am Anker abstützen. Durch das Axiallager wird der Anker von dem ersten Kupp- lungsteil drehentkoppelt und kann fest im Gehäuse gelagert werden.
Weiterhin kann eine, insbesondere zwischen der Erregerspule und dem Anker wirksame, Rückstellfeder vorgesehen sein, welche die beiden Kupplungsteile, vorzugsweise in Öffnungsrichtung, relativ zueinander vor- spannt. Eine derartige Rückstellfeder ermöglicht es, beispielsweise zum öffnen der Kupplung lediglich die Stromversorgung der Hubmagnetanordnung zu unterbrechen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Kupplungsteil als zu der rotierenden Welle koaxiale Schiebemuffe, insbesondere mit stirnseitigen Klauen, ausgeführt. Dies ermöglicht einen einfachen, zylindrischen Aufbau der Kopplungsanordnung. Insbesondere sind keinerlei Hebel notwendig, welche im Gehäuse gelagert werden müssen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das erste Kupplungsteil mit einem Synchronisierungselement gekoppelt, welches relativ zu dem ersten Kupplungsteil axial beweglich und in einer Grundstellung mit dem ersten Kupplungsteil verrastbar ist. In der verrasteten Stellung wird die Betätigungskraft von dem ersten Kupplungsteil somit auf das Synchronisierungselement übertragen, welches folglich in Funktion tritt und die Synchronisierung der beiden Kupplungsteile in Gang setzt. Nach erfolgter Synchronisierung der Kupplungsteile kann die Verrastung zwischen dem Synchronisierungselement und dem ersten Kupplungsteil gelöst werden, sodass das Synchronisierungselement axial von dem ersten Kupplungsteil entkoppelt ist und somit Verluste minimiert werden.
Insbesondere kann das Synchronisierungselement einen Reibungskonus aufweisen, welcher in der Grundstellung mit einem Reibungskonus des zweiten Kupplungsteils zusammenwirkt, wenn der Anker angezogen wird. Der Verlauf der Synchronisierungskraft kann durch Ansteuerung der Hubmagnetanordnung, d.h. durch die Höhe und die Dauer der Magnetkraft, anwendungsgemäß angepasst werden. Der Rastmechanismus sorgt dafür, dass bei einem Überschreiten einer in Hubrichtung wirkenden Maximalkraft die axiale Kopplung zwischen dem Synchronisierungselement und dem ersten Kupplungsteil gelöst wird.
Zum Verrasten des ersten Kupplungsteils und des Synchronisierungsele- ments kann eine in dem Synchronisierungselement gelagerte und in radialer Richtung federvorgespannte Kugel vorgesehen sein, welche in eine Aussparung des ersten Kupplungsteils einschnappt oder umgekehrt.
Hierdurch wird eine besonders einfache Konstruktion ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das erste Kupp- lungsteil eine Außenhülse und das Synchronisierungselement eine Innenhülse einer zylinderartigen Schiebekomponente bilden. Es kann also gewissermaßen eine in radialer Richtung zweigeteilte Schiebemuffe vorgesehen sein, welche gleichermaßen die Synchronisierungswirkung bereitstellt und den formschlüssigen Eingriff bewirkt.
Vorzugsweise weist die Hubmagnetanordnung in einer Schließstellung der Kupplung einen verschwindenden Luftspalt auf. Bei einem Luftspalt von Null ergibt sich ein relativ geringer magnetischer Widerstand, so dass die elektrische Leistung zum Halten dieser Position minimal ist. Das Halten der Kupplung in der Schließstellung kann somit besonders energiesparend erfolgen.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Kopplungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Kupplung der Kopplungsanordnung in einer Öffnungsstellung gezeigt ist.
Fig. 2 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 1 zu Beginn eines Synchronisierungsvorgangs. Fig. 3 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 1 zu einem ersten Zeitpunkt während eines Synchronisierungs- vorgangs. Fig. 4 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 1 zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt während eines Synchroni- sierungsvorgangs.
Fig. 5 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 1 nach Ab- schluss eines Synchronisierungsvorgangs.
Fig. 6 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 1 mit einer in Schließstellung befindlichen Kupplung. Fig. 7 ist ein Kraft- Weg-Diagramm, welches die Kraftverläufe an der Kopplungsanordnung gemäß Fig. 1 während verschiedener Betriebszustände veranschaulicht.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer Kopplungsanordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, welche eine Kupplung der Kopplungsanordnung in einer Öffnungsstellung zeigt.
Fig. 9 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 8 zu einem ersten Zeitpunkt während eines Einrückvorgangs.
Fig. 10 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 8 zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt während eines Einrückvorgangs. Fig. 11 zeigt die Kopplungsanordnung gemäß Fig. 8 mit einer in Schließstellung befindlichen Kupplung.
In den Fig. 1 bis 6 ist eine Kopplungsanordnung gemäß einer ersten Aus- führungsform der Erfindung dargestellt, welche an verschiedenen Positionen innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann, um zwei Komponenten des Antriebsstrangs wahlweise miteinander zu koppeln. Insbesondere kann die Kopplungsanordnung ein lon- gitudinales oder ein transversales Disconnect-System bei einem Kraftfahr- zeug mit manuell oder automatisch zuschaltbarem Allradantrieb bilden.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, mittels der Kopplungsanordnung einen Verbrennungsmotor vom Primärantriebsstrang zu entkoppeln, um Verluste zu verringern, die sich aus einem Weiterdrehen von Antriebs- Strangkomponenten wie Handschalt- oder Automatikgetriebe bei rollendem Fahrzeug oder bei einem Antrieb durch einen Elektromotor an der Sekundärachse ergeben. Ebenso kann die Kopplungsanordnung bei einem Hybridfahrzeug mit Antrieb durch einen Elektromotor an der Sekundärachse dazu verwendet werden, den Elektromotor vom Antriebsstrang zu entkoppeln, wenn dieser nicht benötigt wird oder wenn eine übermäßige Geschwindigkeitserhöhung zu verhindern ist.
Die Kopplungsanordnung umfasst eine Klauenkupplung 11, welche an einer um eine Rotationsachse R drehenden Eingangs-Halbwelle 23 ange- ordnet ist. Die Klauenkupplung 11 umfasst ein erstes Kupplungsteil 20 und ein zweites Kupplungsteil 21 , welche jeweils stirnseitige Klauen 22 aufweisen und welche zum Schließen der Klauenkupplung 11 in einen formschlüssigen Eingriff miteinander bringbar sind. Das erste Kupplungsteil 20 ist mit der Eingangs-Halbwelle 23 gekoppelt, welche z.B. mit einem Vorderachsdifferential des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Das zweite Kupp- lungsteil 21 ist mit einer Ausgangs-Halbwelle 25 gekoppelt, welche ihrerseits z.B. mit einem Hinterachsdifferential des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Wenn sich die beiden Kupplungsteile 20, 21 in formschlüssigem Eingriff befinden, ist die Klauenkupplung 11 eingerückt oder geschlossen und es findet eine Drehmomentübertragung von der Eingangs-Halbwelle 23 zu der Ausgangs-Halbwelle 25, also z.B. von der Vorderachse zu der Hinterachse des Antriebsstrangs, statt. Wenn sich die beiden Kupplungsteile 20, 21 hingegen nicht miteinander in Eingriff befinden, ist die Klauenkupplung 11 geöffnet und die Eingangs-Halbwelle 23 ist von der Ausgangs- Halbwelle 25 getrennt. Das öffnen und Schließen der Klauenkupplung 11 erfolgt, indem das erste Kupplungsteil 20 entlang der Rotationsachse R relativ zu dem zweiten Kupplungsteil 21 versetzt wird.
Zu diesem Zweck ist eine Hubmagnetanordnung 27 vorgesehen, welche eine Erregerspule 29 zur Erzeugung eines Magnetfelds und einen durch das Magnetfeld der Erregerspule 29 entlang einer Hubrichtung H anziehbaren Anker 31 umfasst. Die Erregerspule 29 ist mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung ansteuerbar, um so den Anker 31 mit einer vorgegebenen Betatigungskraft von vorgegebener Dauer anzuziehen.
Der Anker 31 und das erste Kupplungsteil 20 sind in Richtung der Rotationsachse R getrennt voneinander beweglich, jedoch über eine Speicherfeder 33 einerseits sowie eine Hintergreifung 35 andererseits miteinander gekoppelt. Die auf Druck wirksame Speicherfeder 33 stützt sich einerseits an einer in Hubrichtung H gesehen hinteren Stirnseite 38 des ersten Kupplungsteils 20 und andererseits an einem Übertragungsring 36 ab, welcher seinerseits über ein Axiallager 37 an dem gehäusefesten Anker 31 abgestützt ist. Die Speicherfeder 33 spannt somit das erste Kupplungsteil 20 gegenüber dem Übertragungsring 36 und folglich gegenüber dem An- ker 31 in Hubrichtung H vor. Das Axiallager 37 bewirkt dabei eine Dreh- entkopplung zwischen dem Übertragungsring 36 und dem Anker 31. Eine zwischen dem Übertragungsring 36 und der Eingangs-Halbwelle 23 wirkende Rückstellfeder 39 spannt die Klauenkupplung 11 in Öffnungsrichtung vor. Die Rückstellfeder 39 könnte alternativ auch zwischen der Erre- gerspule 29 und dem Anker 31 angeordnet sein. Die zwischen dem ersten Kupplungsteil 20 und dem Übertragungsring 36 ausgebildete
Hintergreifung 35 sorgt in Verbindung mit der Rückstellfeder 39 dafür, dass bei einer Bewegung des Ankers 31 entgegen der Hubrichtung H der Anker 31 über den Übertragungsring 36 das erste Kupplungsteil 20 mit- nimmt.
Wie aus Fig. 1-6 hervorgeht, umhüllt das hülsenförmige erste Kupplungsteil 20 einen radial innen gelegenen, ebenfalls hülsenförmigen Synchroni- sierungsring 40, wodurch insgesamt eine zweiteilige Schiebemuffe gebildet wird. Der Synchronisierungsring 40 ist axial relativ zu dem ersten Kupplungsteil 20 bewegbar, jedoch über eine Rastvorrichtung 43 in einer Grundstellung mit diesem verrastbar. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Rastvorrichtung 43 durch eine in dem Synchronisierungsring 40 gelagerte und mittels einer Rastfeder 47 in radialer Richtung vorge- spannte Kugel 45 gebildet, welche in der Grundstellung in eine Nut 49 des ersten Kupplungsteils 20 einschnappt. Ebenso könnte die Kugel auch in dem ersten Kupplungsteil 20 gelagert sein und in eine Nut des Synchroni- sierungsrings 40 einschnappen. An der in Hubrichtung H gesehen vorderen Stirnseite 51 des Synchronisierungsrings 40 ist ein vorspringender Reibungskonus 53 ausgebildet, welcher in der Lage ist, mit einem Reibungskonus 55 des zweiten Kupplungsteils 21 zusammenzuwirken. Da der erste Reibungskonus 53 und der zweite Reibungskonus 55 in Bezug auf die Klauen 22 vorspringend angeordnet sind, gelangen bei in der Grundstellung befindlichem Synchronisierungsring 40 der erste Rei- bungskonus 53 und der zweite Reibungskonus 55 während des Anziehens des Ankers 31 in Kontakt, bevor die Klauen 22 der Kupplungsteile 20, 21 in Eingriff geraten.
In der in Fig. 1 dargestellten Öffnungsstellung der Klauenkupplung 11 befinden sich weder die Klauen 22 des ersten Kupplungsteils 20 und des zweiten Kupplungsteils 21 in formschlüssigem Eingriff noch der erste Reibungskonus 53 und der zweite Reibungskonus 55 in Reibungseingriff. Durch die Rückstellfeder 39 wird die Klauenkupplung 11 in dieser Öffnungsstellung gehalten, wobei die Stromzufuhr zu der Erregerspule 29 unterbrochen ist, sodass keine elektrische Energie verbraucht wird.
Zum Schließen der Klauenkupplung 11 wird der Erregerspule 29 ein elektrischer Strom zugeführt und der Anker 31 wird durch die entsprechende Magnetkraft angezogen. Der Anker 31 schiebt seinerseits den Übertragungsring 36 und über die Speicherfeder 33 auch das erste Kupplungsteil 20 in Hubrichtung H. Zunächst wird dabei lediglich das Lüftspiel der Klauenkupplung 11 durchfahren, bis der erste Reibungskonus 53 und der zweite Reibungskonus 55 in Kontakt gelangen (Fig. 2). Während des in Fig. 3 und 4 dargestellten weiteren Anziehens des Ankers 31 erfolgt eine Drehzahlangleichung der beiden Kupplungsteile 20, 21, wobei die Magnetkraft schrittweise gesteigert werden kann, wie durch die Feldlinien in den Fig. 2 bis 6 veranschaulicht ist. Im Einzelnen kann der Verlauf der Synchronisierung sowohl über die Ansteuerung der Erregerspule 29 als auch über die Kennlinie der Speicherfeder 33 wunschgemäß eingestellt werden. Die Speicherfeder 33 wird während des Synchronisierungsvor- gangs gespannt.
Wenn gemäß Fig. 5 der Synchronisiervorgang abgeschlossen ist, kommt es durch ein weiteres Erhöhen der Magnetkraft zum Lösen der Rastvorrich- tung 43. Die Federkraft der Speicherfeder 33 wird dann nicht mehr über die Kugel 45 auf den Synchronisierungsring 40 übertragen, sodass die durch den ersten Reibungskonus 53 und den zweiten Reibungskonus 55 gebildete Synchronisierungseinrichtung im Wesentlichen kräftefrei ist. Die Klauen 22 des ersten Kupplungsteils 20 und des zweiten Kupplungsteils 21 werden in vielen Fällen zunächst in einer "Zahn auf Zahn" -Stellung in Kontakt miteinander geraten. Die Bewegung des ersten Kupplungsteils 20 in Hubrichtung H wird somit gestoppt, bevor ein vollständiges Schließen der Klauenkupplung 11 erfolgt ist. Aufgrund der flexiblen Kopplung des ersten Kupplungsteils 20 mit dem Anker 31 über die Speicherfeder 33 kann sich der Anker 31 jedoch unter weiterem Spannen der Speicherfeder 33 in seine in Fig. 5 dargestellte Endstellung mit verschwindendem Luftspalt bewegen. Die Erregerspule 29 muss in dieser Endstellung lediglich mit einem minimalen Haltestrom versorgt werden, da aufgrund des verschwindenden Luftspalts der magnetische Widerstand der Hubmagnetan- Ordnung 27 gering ist.
Die Speicherfeder 33 bleibt gespannt und verfügt über ausreichende Kraftreserven, um ein Durchschalten der Klauenkupplung 11 in die endgültige Schließstellung zu bewirken, sobald die Klauen 22 in eine passen- de "Zahn auf Lücke"-Stellung gelangt sind. Beim Durchschalten entspannt sich die Speicherfeder 33 um das Lüftspiel der Klauenkupplung 11. Der Anker 31 bleibt während des endgültigen Durchschaltens jedoch starr in seiner Endstellung. Die Speicherfeder 33 ist derart ausgelegt, dass sie sich während des Durchschaltens der Klauenkupplung 11 bis auf eine vorgegebene Mindestkraft entspannt, welche ein ungewolltes öffnen der Klauenkupplung 11 gerade verhindert. Zum erneuten öffnen der Klauenkupplung 11 wird der Strom zu der Erregerspule 29 abgestellt, woraufhin die Rückstellfeder 39 das erste Kupplungsteil 20 wieder in die Ausgangsstellung schiebt. Der Synchronisierungsring 40 verrastet wieder in seiner Grundstellung mit dem ersten Kupplungsteil 20. In dem Kraft-Weg-Diagramm gemäß Fig. 7 sind während des Schließens und während des Öffnens der Klauenkupplung 11 auftretende Kräfte F in Abhängigkeit vom Weg s des Ankers 31 vereinfacht dargestellt. Die An- zugskraft der Hubmagnetanordnung 27 ist als gestrichelte Linie 57 dargestellt, die um die Federkraft der Rückstellfeder 39 reduzierte Anzugskraft als durchgezogene Linie 59. Die Linie 61 kennzeichnet die Federkraft der Speicherfeder 33. In dem Bereich 63 wird die Speicherfeder 33 gespannt oder entspannt. Bei 65 ist der Punkt angegeben, an welchem es zu einer "Zahn auf Zahn"-Stellung kommt.
Die Fig. 8 bis 11 zeigen eine Kopplungsanordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder äquivalente Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind wie bei der Aus- fuhrungsform gemäß den Fig. 1 bis 6. Das erste Kupplungsteil 20' ist hier durch eine einteilige Schiebemuffe gebildet, d.h. es ist kein Synchronisie- rungsring vorgesehen. Diese Variante bietet keine Synchronisierungsfunk- tion, ist jedoch kostengünstiger als die Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 6. Insbesondere sind weniger und einfacher zu fertigende Bauteile erfor- derlich. Durch das Ersetzen der geteilten Schiebemuffe - mit Synchroni- sierungsfunktion - durch eine einteilige Schiebemuffe - ohne Synchroni- sierungsfunktion - kann auf einfache Weise ein Baukastensystem realisiert werden. D.h. es kann unter Verwendung vieler gleicher oder ähnlicher Bauteile wahlweise eine synchronisierte Klauenkupplung 11 oder eine kostengünstigere nicht synchronisierte Klauenkupplung 11' bereitgestellt werden.
Ein bedeutender Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Erregerspule 29 und der Anker 31 gehäusefest sind und keinerlei mechanische Leis- tung übertragen müssen. Die magnetisch leitenden Teile sind also von den mechanisch belasteten Teilen sauber getrennt, was insofern vorteilhaft ist, als eine hohe magnetische Leitfähigkeit grundsätzlich mit einer geringen mechanischen Festigkeit einhergeht und umgekehrt. Bei einer erfindungsgemäßen Konstruktion müssen Bauteile, die ein Drehmoment zu übertra- gen haben, kein magnetisches Feld leiten oder magnetisch isolieren und können daher aus hochfesten Standardwerkstoffen hergestellt werden. Alle Magnetfeld führenden Teile benötigen umgekehrt keine hohe mechanische Festigkeit und können somit in vorteilhafter Weise aus Weicheisen hergestellt werden.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine einfach und kostengünstig zu realisierende Klauenkupplung 11, 1 Γ, welche ohne eine aufwändige Sperrsynchronisierung auskommt.
Bezugszeichenliste
11, 11 ' Klauenkupplung
20, 20' erstes Kupplungsteil
21 zweites Kupplungsteil
22 Klaue
23 Eingangs-Halbwelle
25 Ausgangs-Halbwelle
27 Hubmagnetanordnung
29 Erregerspule
31 Anker
33 Speicherfeder
35 Hintergreifung
36 Übertragungsring
37 Axiallager
38 hintere Stirnseite
39 Rückstellfeder
40 Synchronisierungsring
43 Rastvorrichtung
45 Kugel
47 Rastfeder
49 Nut
51 vordere Stirnseite
53 erster Reibungskonus
55 zweiter Reibungskonus
57 Anzugskraft
59 reduzierte Anzugskraft
61 Federkraft
63 Spann- /Entspannbereich
65 Punkt einer "Zahn auf Zahn"-Stellung R Rotationsachse
H Hubrichtung F Kraft
s Weg

Claims

Patentansprüche
Kopplungsanordnung, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit
wenigstens einer Kupplung (11, 1 Γ), die an einer rotierenden Welle (23) angeordnet ist, um die rotierende Welle (23) wahlweise mit einem Antriebselement (25) zu koppeln, wobei zur Kopplung der rotierenden Welle (23) mit dem Antriebselement (25) ein erstes Kupplungsteil (20, 20') durch Versetzen entlang der Achse (R) der rotierenden Welle (23) relativ zu einem zweiten Kupplungsteil (21) in einen formschlüssigen Eingriff mit dem zweiten Kupplungsteil (21) bringbar ist, und
einer Hubmagnetanordnung (27) zur Betätigung der Kupplung (11, 1 Γ), wobei die Hubmagnetanordnung (27) eine Erregerspule (29) zur Erzeugung eines Magnetfelds und einen durch das Magnetfeld der Erregerspule (29) entlang einer Hubrichtung (H) anziehbaren Anker (31) umfasst,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Anker (31) und das zu versetzende erste Kupplungsteil (20, 20') getrennt voneinander beweglich sind und eine zwischen dem Anker (31) und dem ersten Kupplungsteil (20, 20') in Hubrichtung (H) wirksame Federeinrichtung (33) vorgesehen ist, welche das erste Kupplungsteil (20, 20') gegenüber dem Anker (31) in Hubrichtung (H) vorspannt.
Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Kupplungsteil (20, 20') über eine Mitnehmereinrichtung (35) derart mit dem Anker (31) gekoppelt ist, dass bei einer Bewegung des Ankers (31) entgegen der Hubrichtung (H) der Anker (31) das erste Kupplungsteil (20, 20') mitnimmt.
3. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Federeinrichtung (33) auf Druck wirksam ist.
4. Kopplungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Federeinrichtung (33) zwischen dem ersten Kupplungsteil (20, 20') und einem von dem Anker (31) drehentkoppelten Bauteil (36) oder zwischen dem Anker (31) und einem von dem ersten Kupplungsteil (20, 20') drehentkoppelten Bauteil wirksam ist.
5. Kopplungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Federeinrichtung (33) mit dem ersten Kupplungsteil (20, 20') verbunden ist und sich über wenigstens ein Axiallager (37) am Anker (31) abstützt.
6. Kopplungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine, insbesondere zwischen der Erregerspule (29) und dem Anker (31) wirksame, Rückstellfeder (39) vorgesehen ist, welche die beiden Kupplungsteile (20, 20', 21), vorzugsweise in Öffnungsrichtung, relativ zueinander vorspannt.
Kopplungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Kupplungsteil (20, 20') als zu der rotierenden Welle (23) koaxiale Schiebemuffe, insbesondere mit stirnseitigen Klauen (22), ausgeführt ist.
Kopplungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Kupplungsteil (20) mit einem Synchronisierungselement (40) gekoppelt ist, welches relativ zu dem ersten Kupplungsteil (20) axial beweglich und in einer Grundstellung mit dem ersten Kupplungsteil (20) verrastbar ist.
Kopplungsanordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Synchronisierungselement (40) einen Reibungskonus (53) aufweist, welcher in der Grundstellung mit einem Reibungskonus (55) des zweiten Kupplungsteils (21) zusammenwirkt, wenn der Anker (31) angezogen wird.
Kopplungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Verrasten des ersten Kupplungsteils (20) und des Synchroni- sierungselements (40) eine in dem Synchronisierungselement (40) gelagerte und in radialer Richtung federvorgespannte Kugel (45) vorgesehen ist, welche in eine Aussparung (49) des ersten Kupplungsteils (20) einschnappt oder umgekehrt.
Kopplungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Kupplungsteil (20) eine Außenhülse und das Synchroni- sierungselement (40) eine Innenhülse einer zylinderartigen Schiebekomponente bilden.
Kopplungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hubmagnetanordnung (27) in einer Schließstellung der Kupplung (11, 1 Γ) einen verschwindenden Luftspalt aufweist.
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