WO2018007164A1 - Kupplungseinheit und kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer solchen kupplungseinheit - Google Patents

Kupplungseinheit und kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer solchen kupplungseinheit Download PDF

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WO2018007164A1
WO2018007164A1 PCT/EP2017/065454 EP2017065454W WO2018007164A1 WO 2018007164 A1 WO2018007164 A1 WO 2018007164A1 EP 2017065454 W EP2017065454 W EP 2017065454W WO 2018007164 A1 WO2018007164 A1 WO 2018007164A1
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counter
drive train
unit
clutch
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PCT/EP2017/065454
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Thomas Eisl
Daniel Jäger
Mario Tigelhardt
Johannes Unterkofler
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Magna powertrain gmbh & co kg
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    • F16D2500/3041—Signal inputs from the clutch from the input shaft
    • F16D2500/30415—Speed of the input shaft

Definitions

  • the present invention relates to a coupling unit for a motor vehicle comprising a coupling, wherein the coupling has an axially fixed, rotatable movable coupling element with an axially extending toothing, and an axially displaceable, rotatable counter-element with an axially extending counter-toothing, wherein the counter-element in a first position, namely a position in which the counter element is not connected to the coupling element, and a second position, namely a position in which the counter element is positively connected to the coupling element, is displaceable, and a sensor unit. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle drive train comprising such a coupling unit.
  • Coupling units of the abovementioned type are widely used, in particular in motor vehicle technology.
  • Sensor units serve to determine coupling-relevant parameters, such as the clutch speed and / or the clutch position.
  • Known coupling units usually use two sensor units, wherein the one sensor unit, the rotational movement of a coupling member of the clutch, that is, the clutch speed, and the other sensor unit detects the axial position change of a coupling member of the clutch, ie the clutch state.
  • the detection of the rotational movement of a coupling member is usually via a at the periphery of the coupling limb specially trained tooth structure, which has alternately successive teeth and gaps in the direction of rotation. In each case, a tooth is separated by a tooth flank from each gap and vice versa.
  • the sensor unit forms a signal corresponding to the clutch rotational speed as a function of the detection of the tooth flanks.
  • the position determination of a coupling member by the second sensor unit is usually via a displacement sensor.
  • the known embodiments of the coupling unit are to be regarded as space-as well as expensive.
  • a coupling unit for a motor vehicle comprising a coupling, wherein the coupling has an axially fixed, rotatable coupling element with an axially extending toothing, and an axially displaceable, rotatable counter-element with an axially extending counter-toothing, wherein the counter-element in a first position, namely a position in which the counter element is not connected to the coupling element, and a second position, namely a position in which the counter element is positively connected to the coupling element, is displaceable, and a sensor unit, wherein the sensor unit with respect to the axial extent of the toothing of the coupling element is arranged radially such that it detects the toothing of the coupling element, wherein the sensor unit in both the first position and in the second position of the counter element a sensor signal detected via the rotational speed of the coupling element and the first position of the counter-element, the second position of the counter-element or a position of the counter-element between
  • the coupling unit has a coupling and a sensor unit.
  • the coupling is designed as a form-locking coupling and according to the invention comprises a coupling element and a counter element, wherein the coupling element with respect to a longitudinal axis of the coupling is axially fixed and rotatably movable and the counter element with respect to the longitudinal axis of the coupling is axially displaceable and rotatable ,
  • the coupling element has a toothing, wherein the toothing extends in an axial direction.
  • the counter-element has a counter-toothing, wherein the counter-toothing extends in an axial direction.
  • the coupling element and the counter element can be positively coupled according to the present invention - the counter element is axially displaceable in a first position and / or a second position.
  • the first position of the counter-element corresponds to a position in which the counter-element and the coupling element are not connected to one another in an effective manner, ie the clutch is in an opened coupling state.
  • the second position of the counter element corresponds to a position in which the counter element is drivingly connected to the coupling element, ie The coupling is in a closed coupling state. In the second position of the counter element torque between the coupling element and the counter element is transferable.
  • the sensor unit according to the invention is radially arranged with respect to the axial extent of the toothing of the coupling element, that it detects the toothing of the coupling element, wherein the sensor unit generates a sensor signal in the first position as well as in the second position of the counter element on the speed of the Coupling element and the first position of the Gegenele- element, the second position of the counter-element or a position between the first position of the counter-element and the second position of the counter-element can be determined.
  • radial describes a direction normal to the longitudinal axis of the coupling of the coupling unit.
  • the coupling unit By means of the coupling unit according to the invention, it is possible with only one sensor unit to easily detect the coupling position as well as the coupling speed, wherein the coupling speed in both the first position of the counter element, i. with the clutch open, as well as in the second position of the counter element, i. when the clutch is closed, can be determined. As a result, in particular the control of the coupling unit can be simplified. Furthermore, the coupling unit is characterized by a space and cost-reduced structure.
  • a motor vehicle drive train comprising a first partial drive train and a second partial drive train, wherein the second partial drive train is selectively connectable to the first partial drive train and the second partial drive train is selectively connectable.
  • strand is by means of a coupling unit according to the invention optionally at least partially silent.
  • the motor vehicle drive train according to the invention in particular a four-wheel drive train, comprises a first partial drive train and a second partial drive train, wherein the second partial drive train can be selectively connected with the first partial drive train in an effective manner.
  • the second and partial drive train can optionally be at least partially shut down via a coupling unit according to the invention.
  • the sensor signal is preferably a sequence of signal pulses which result in the first position as a function of structure transitions caused by the toothing and in the second position as a function of the form-fitting coupling of the toothing of the coupling element and the counter-toothing of the counter element.
  • the sensor unit comprises a sensor element.
  • the sensor element can be designed as a Hall sensor of any kind, inductive sensor, magnetoresistive sensor of any kind, optical sensor, etc. This listing is not exhaustive, but is merely intended to cite exemplary embodiments of the sensor element. Brief description of the drawings
  • Fig. 1 shows a coupling unit with a coupling whose counter-element is in a first position.
  • Fig. 2 shows a coupling unit with a coupling whose counter element is in a second position.
  • 3 a shows a sensor signal of a sensor unit of a coupling unit in the case of a clutch whose counter element is in a first position.
  • FIG. 3b shows a sensor signal of a sensor unit of a coupling unit in a clutch whose counter element is in a second position.
  • Fig. 3c shows a sensor signal of a sensor unit of a coupling unit in a clutch whose counter element is in a position between egg ner first position and a second position.
  • FIG. 4 shows an exemplary motor vehicle drive train.
  • Fig. 5 shows a detail of a motor vehicle drive train with a
  • FIG. 6 shows a diagram for the logic and synchronization logic of a motor vehicle drive train with an external sensor system
  • FIG. 7 shows a scheme for the connection logic and synchronization logic of FIG.
  • FIGS. 1 and 2 each show a schematic representation of an exemplary coupling unit 1 according to the invention.
  • the coupling unit 1 comprises a coupling 2 and a sensor unit 7.
  • the coupling 1 is designed as a dog clutch and has two coupling members, namely a coupling element 3 and a counter element 5, on.
  • the coupling element 3 and the counter element 5 are formed with each other positively coupled.
  • the toothing 4 and the counter toothing 6 each extend in opposite axial directions and each have a plurality of teeth 1, 1 1 'and gaps 12, 12'.
  • the respective tooth flank 13, 13 'between a respective tooth 1 1, 1 1' and a respective gap 12, 12 'and vice versa thus represents the structure transition between the structural elements tooth 1 1, 1 1' and gap 12, 12 '.
  • the term "axial" describes a direction along or parallel to a longitudinal axis 14 of the coupling 2 of the coupling unit 1.
  • the first position of the counter-element 5 corresponds to a position in which the counter-element 5 and the coupling element 3 are not connected to each other in a driving manner.
  • the second position of the counter element 5 corresponds to a position in which the counter element 5 is drivingly connected to the coupling element 3. In the second position of the counter element 5 torque between the coupling element 3 and the counter-element 5 is transferable.
  • a position of the counter-element 5 between the first position and the second position of the counter-element 5 corresponds to a position in which a tooth 1 1 of the toothing 4 is displaced on a tooth 1 1 'when the counter-element 5 is displaced from the first position to the second position
  • Counter-toothing 6 meets or vice versa and so intervention of the counter-toothing 5 in the toothing 3 is not possible.
  • the sensor unit 7 is arranged such that it detects the toothing 4 of the coupling element 3 radially on the outside of the toothing 4 of the coupling element 3. With respect to the axial extent of the toothing 4 of the coupling element 3, the sensor unit 7 must be arranged in such a way that they are clearly detectable structural transitions of the toothing 4 of the coupling element 3 and, upon engagement of the counter teeth 6 of the counter element 5 in the toothing 4 of the coupling element 3, the counter teeth 6 of the counter element 5 and so both the speed the coupling element 3 and the counter element 5, as well as the position of the counter-element 5 can be detected.
  • the sensor unit 7 preferably scans the teeth 4 of the coupling element 3 and, depending on the position of the counter element 5, the counter teeth 6 of the counter element 5 with respect to the axial extent of the teeth 4 along a central region of the teeth 4. Under a structural transition, viewed in the direction of rotation about the longitudinal axis 14 of the coupling 2, the transition between two adjacent unequal structural elements of the toothing 4 of the coupling element 3 and / or the counter toothing 6 of the counter element 5, namely a tooth 1 1, 1 1 'and a gap 12, 12', understood.
  • radial describes a direction normal to the longitudinal axis 14 of the coupling 2.
  • the sensor unit 7 has a sensor element, wherein the sensor element as a Hall sensor, inductive sensor, magnetoresistive sensor of any kind, optical sensor, etc. is formed.
  • the sensor element as a Hall sensor, inductive sensor, magnetoresistive sensor of any kind, optical sensor, etc. is formed.
  • a sensor signal 17 is generated both in the first position and in the second position of the counter element 5, which provides information about the rotational speed of the coupling element 3 and / or the counter element 5 of the clutch 2 and the other information about the Position of the clutch 2 allows.
  • the sensor signal 17 is a sequence of signal pulses 18, which are in the first position of the counter element 5 in response to conditional by the teeth 4 of the coupling element 3 structural transitions and in the second position of the counter element 5 in response to the positive coupling of the teeth 4 of Coupling element 3 and the counter toothing 6 of the counter element 5 result.
  • Possible structural transitions which can be detected by means of the sensor unit 7 of the coupling unit 1 are, for example, the transitions tooth 1 1 gap 12 tooth 1 1 etc. in a first position of the counter element 5, tooth 1 1 tooth 1 1 depending on Tooth clearance possibly reduced gap 12, 12 'tooth 1 1 tooth 1 1' etc. ⁇ in a second position of the counter element 5 and> tooth 1 1 tooth 1 1 ' ⁇ or> gap 12 gap 12' ⁇ in one Position of the counter element 5 between the first position and the second position of the counter element. 5
  • FIGS. 3a, 3b and 3c show examples of a sensor signal 17 which generates the sensor unit 7 in different positions of the counter element 5 of the clutch 2, the respective respective ones being schematically shown in the upper area of FIGS. 3a to 3c > Tooth 1 1, 1 1 'gap 12, 12 ⁇ is schematically shown, which corresponds to the respective sensor signal 17 shown in the lower part of Fig. 3a to Fig. 3c.
  • FIG. 3a shows an exemplary sensor signal 17 which is generated by the sensor unit 7 when the clutch 2 is open, that is to say in the case of the counter element 5 in the first position.
  • FIG. 3 b shows an exemplary sensor signal 17 which is generated by the sensor unit 7 when the clutch 2 is not closed, with the counterelement 5 being in a position between the first position and the second position.
  • FIG. 3 c shows an exemplary sensor signal 17 which is generated by the sensor unit 7 when the clutch 2 is closed, ie in the counter-element 5 in the second position.
  • the time on the abscissa and the signal height of the sensor signal 17 of the sensor unit 7, more precisely the sensor element of the sensor unit 7, are plotted on the ordinate.
  • the height of the sensor signal 17 of the sensor unit 7 changes in a structural transition of tooth 1 1, 1 1 'on gap 12, 12' and vice versa. If a tooth 1 1, 1 1 'detected, the sensor signal 17 is high; if a gap 12, 12 'detected so the sensor signal 17 is low. That when detecting a tooth flank 13, 13 ', ie a structural transition between a tooth 1 1, 1 1' and a gap 12, 12 'and vice versa, the sensor signal 17 changes from high to low and vice versa.
  • a period 32 of the sensor signal 17 is the time sequence of a> tooth 1 1, 1 1 'gap 12, 12 ⁇ sequence.
  • a signal pulse 18 of the sensor signal 17 can be seen as a time-related tooth detection interval.
  • the period 32 of the sensor signal 17 is independent of the position of the counter element 5 of the clutch 2 and the rotational speed of the counter element 5 and / or coupling element 3rd
  • the tooth frequency is to be understood as> tooth 1 1, 1 1 'gap 12, 12' ⁇ change per unit time.
  • the rotational speed of the coupling element 3 can be determined via the tooth frequency sensed by the sensor unit 7.
  • the motor vehicle drive train 8 comprises a permanently driven first partial drive train 9 and a second partial drive train 10, which can be connected to the first part of the drive train 9 selectively via a main separating unit 19, such as a multi-plate clutch.
  • the arrow 20 shown in Fig. 4 indicates the forward direction of travel of the motor vehicle.
  • the drive unit 21 is permanently connected to a front axle differential 24 via a main transmission 23.
  • the Vorderachsdifferential 24 divides a front axle 25 in two front side axles 25 ', 25 ", each having a front side axle 25', 25" one end connected to one output of the Vorderachsdifferentials 24 drivingly connected and each other ends with a front wheel 26, 26 ' connected is. In this way, the front wheels 26, 26 'arranged on the front axle 25 become perma- nent. nent driven.
  • This subregion of the motor vehicle drive train 8 represents the first sub-drive train 9 of the motor vehicle drive train 8.
  • a rear axle 27 is arranged with a rear differential 28 and rear wheels 29, 29 '.
  • the rear axle differential 28 divides a rear axle 27 into two rear side axles 27, 27 ', wherein in each case a rear side axle 27, 27' is connected to one end, each with one output 31, 31 'of the rear axle differential 28, and in each case one rear side axle 27, 27'. other ends, each with a rear wheel 29, 29 'is connected.
  • the part of the motor vehicle drive train 8 starting from an output element of the main separating unit 19 up to the rear wheels 29, 29 ' essentially represents the second partial drive train 10 of the motor vehicle drive train 8.
  • the output element of the main separating unit 19 is connected to one end of a torque transmission element 30, here a cardan shaft, connected to the operating result. At its other end, the torque transmitting member 30 is drivingly connected to the rear differential 28.
  • an above-described inventive coupling unit 1 is arranged in the region of the second partial drive train 10.
  • the second partial drive train 10 of the motor vehicle drive train 8 can optionally be partially stopped - the second partial drive train 10 of the motor vehicle drive train 8 thus comprises a switch-off part and a non-disconnectable part.
  • 5 shows a section of the second partial drive train 10 of the exemplary motor vehicle drive train 8, specifically a rear side axle 27 ', 27 "of the rear axle 27.
  • the inventive coupling unit 1 is located in the present exemplary motor vehicle drive train 8 in the area of the rear axle 27 between the respective Output 31, 31 'of the rear differential 28 and the respective rear side axle 27', 27 "of the rear axle 27 are arranged.
  • the part of the second part of the drive train 10, starting from the output element of the main separation unit 19 to the coupling element 3 of the clutch 2 of the clutch unit 1 represents the disconnectable part of the second part of the drive train 10 of the motor vehicle drive train 8.
  • the disconnectable part of the second partial drive train 10 can be shut down in terms of drive technology for energy-saving reasons.
  • the drive-side main separation unit 19 and the clutch 2 of the clutch unit 1 is opened in order to reduce the output-side losses or drag torques.
  • the propeller shaft 30 is shut down with connection parts as part of the disconnectable part of the second part of the drive train 10 and the drive system is driving technology in energy-saving 2WD mode with reduced drag losses. If, starting from the 2WD mode, the system then switches back to 4WD mode, the switchable part of the second partial drive train 10 must be switched on and thus prepared for the 4WD mode.
  • rotational speed synchronism between the disconnectable part of the second partial drive train 10 and the non-disconnectable part of the second partial drive train 10 must first be established.
  • the necessary drive is effected by actuation of the main separating unit 19, namely in the present case by closing a multi-plate clutch.
  • torque of the drive unit 21 is transmitted via the main gear 23 and the main separation unit 19 and thus transmitted to the synchronizing of the disengaged disconnectable part of the second part of the drive train 10 torque on the drive side main separation unit 19 to the propeller shaft 30.
  • the rotational acceleration takes place until there is no longer any slippage on the main separating unit 19, namely the multi-plate clutch, and the disconnectable part of the second partial drive train 10 thus occurs at synchronous speed is accelerated.
  • 4WD stands for "four wheel drive” and describes a motor vehicle drive via at least two motor vehicle axles, in the example shown in FIG. 4 a rear axle 27 and a front axle 25.
  • the 4WD mode essentially corresponds to a four-wheel drive of a motor vehicle.
  • the sensor unit 7 of the coupling unit 1 is metrologically used both for the synchronization of the propeller shaft 30, as well as for determining the coupling state of the clutch 2 of the coupling unit 1 and is therefore characterized by their multi-functionality with the simplest design.
  • the clutch 2 When the output 31, 31 'of the rear-axle differential 28 rotates, the clutch 2 is in the opened state via the sensor unit 7 on the coupling element 3, duration of the toothing 4 of the coupling element 3, a structural transition of the sequence> tooth 1 1 gap 12 tooth 1 1 etc. ⁇ detectable.
  • the closed state of the clutch 2 is on the coupling element 3 and the counter element 5, more precisely, the toothing 4 of the coupling element 3 and engaging in the toothing 4 of the Kop- pelelements 3 counter teeth 6 of the counter element 5, a structural transition of the sequence> tooth 1 1 - Tooth 1 1 '- depending on backlash possibly reduced gap 12, 12' tooth 1 1 etc. ⁇ detected.
  • the expected sensor signal 17 will be so different in the two states that the states after evaluation of the sensor signals 17 are easily distinguishable and the intermediate state> tooth 1 1 tooth 1 1 ' ⁇ or> gap 12 gap 12' ⁇ can be derived.
  • FIGS. 6 and 7 each show a diagram of the synchronization logic of the disconnectable part of the second drive train 10 and the non-disconnectable part of the second drive train 10 as well as the logic of the second drive train 10.
  • the synchronization and the connection are controlled, for example, by means of a control unit.
  • synchronicity describes a state in which the speed of the disconnectable portion of the second powertrain 10 of the motor vehicle driveline 8 and the speed of the non-disconnectable portion of the second powertrain 10 of the motor vehicle driveline 8 are the same or approximately the same the coupling unit 1, the tooth frequency of the coupling element 3 is sensed by means of the sensor unit 7 and from the associated speed of the turn-off portion of the second part of the drive train 10 is derived.
  • the determination of the synchronicity of disconnectable part of the second partial drive train and non-disconnectable part of the second partial drive train can take place firstly with the aid of an external sensor system or secondly by means of internal connection time determination, ie without an external sensor system.
  • the sensor unit 7 is always used to determine the rotational speed of the disconnectable part of the second drive train 10 and the position of the counter element 5 and thus the determination of the state of the clutch 2 of the clutch unit.
  • Fig. 6 shows a scheme for synchronization logic and Zuschaltlogik with an external sensor system.
  • About the determination of the speed of the counter-element 5 of the clutch 2 can be closed to the speed of the non-disconnectable part of the second part of the drive train 10. This speed is determined via the external sensor system, here for example via the rear wheel speed signals determined by means of wheel speed sensors.
  • an external sensor system that detects the shaft speed corresponding to the rotational speed of the counter element 5 can also be used. (Fig. 6)
  • the sensor unit 7 of the coupling unit 1 supplies the rotational speed of the disconnectable part of the second partial drive train 10, and the external sensor system supplies the rotational speed of the non-disconnectable part of the second partial drive train 10.
  • the counter element 5 of the clutch 2 of the clutch unit 1 from the first position be moved to the second position and the clutch 2 of the clutch unit 1 are closed.
  • the counter element 5 will only move from the first position to the second position. sen when the teeth 1 1 'of the counter teeth 6 of the counter element 5 come to lie exactly over the gaps 12 of the toothing 4 of the coupling element 3 or vice versa.
  • Closing the clutch 2 of the clutch unit 1 in the event of non-synchronism can lead to damage of the coupling element 3 and / or the counter element 5 and must be avoided in any case.
  • the state of the clutch 2 of the clutch unit 1 When changing from the 2 WD mode to the 4WD mode, the state of the clutch 2 of the clutch unit 1, ie the position of the counter element 5 of the clutch 2, is interrogated in the next step - the sensor signal 17 of the sensor unit 7 is now evaluated for this state. Does the evaluation deliver the state> clutch 2 closed «; , so is the turn-off part of the second Partial drive train 10 fully activated and it may be necessary for the 4WD mode high torques on the main separation unit 19 and the second part of the drive train 10 of the motor vehicle powertrain 8 are transmitted.
  • the sensor unit 7 of the coupling unit 1 By the sensor unit 7 of the coupling unit 1 and by the signals of the external sensor system thus a recognition system 2WD / 4WD is formed. Overall, this results in an increase in the detection reliability of the respective mode with minimal metrological effort. This makes the system very compact and cost-effective, whereby the connection dynamics and the comfort can be significantly improved.
  • the sensor unit 7 of the coupling unit 1 forms with its property as
  • FIG. 7 shows a diagram of the synchronization logic and connection logic without an external sensor system - the rotational speed synchronicity between the switch-off part of the second partial drive train 10 and the non-disconnectable part of the second partial drive train 10 is determined without involving an external sensor system.
  • a speed measurement takes place here only via the sensor unit 7 of the clutch unit 1 and thus on the disconnectable part of the second Operaantriebs- strand 10.
  • the state of the synchrony is thus not directly via a speed comparison, as described with reference to FIG. 6, detectable. It should be noted that the state of synchronicity can only be estimated in the following described strategies. On the one hand can be closed by the speed behavior of the turn-off portion of the second part of the drive train 10 during the spin on synchrony.
  • the disconnectable part of the second partial drive train 10 is greatly accelerated. Is the synchronous speed between the turn-off part of the second part of the drive train 10 and the non-disconnectable part of the second Partial drive train reaches 10, the measurable speed changes are only small and follow the relatively low speed change values of the rear wheels 29, 29 'of the motor vehicle. If this state is detected, then the connection of the clutch 2 of the clutch unit 1 can be initiated.
  • mixing strategies of the synchronization logics and synchronization logics described with reference to FIGS. 6 and 7 can be used, the logics being based on a wide variety of signals that are supplied in the vehicle, for example via a bus system, and from which useful information about the synchronization can be derived.

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Abstract

Kupplungseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Kupplung (2), wobei die Kupplung (2) ein axial feststehendes, drehbewegliches Koppelelement (3) mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung (4), und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement (5) mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung (6), aufweist, wobei das Gegenelement (5) in eine erste Position und eine zweite Position verschiebbar ist, sowie eine Sensoreinheit (7), wobei die Sensoreinheit (7) in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung (4) des Koppelements (3) radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung (4) des Koppelelements (3) erfasst, wobei die Sensoreinheit (7) sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements (5) ein Sensorsignal (17) detektiert über das die Drehzahl des Koppelelements (3) und die erste Position des Gegenelements (5), die zweite Position des Gegenelements (5) oder eine Position des Gegenelements (5) zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelbar sind sowie ein Kraftfahrzeugantriebsstrang umfassend eine solche Kupplungseinheit.

Description

Kupplungseinheit und Kraftfahrzeuqantriebsstrang mit einer solchen Kupplunqseinheit
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Kupplung, wobei die Kupplung ein axial feststehendes, drehbe- wegliches Koppelelement mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung, und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung, aufweist, wobei das Gegenelement in eine erste Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement nicht mit dem Koppelelement verbunden ist, und eine zweite Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement formschlüssig mit dem Koppelelement verbunden ist, verschiebbar ist, sowie eine Sensoreinheit. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang umfassend eine solche Kupplungseinheit.
Stand der Technik
Kupplungseinheiten der oben genannten Art finden insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik eine breite Anwendung. Sensoreinheiten dienen dabei der Bestimmung von kupplungsrelevanten Parametern, wie der Kupplungsdrehzahl und/oder der Kupplungsposition. Bekannte Kupplungseinheiten bedienen sich in der Regel zweier Sensoreinheiten, wobei die eine Sensoreinheit die Drehbewegung eines Kupplungsgliedes der Kupplung, d.h die Kupplungsdrehzahl, und die andere Sensoreinheit die axiale Positionsänderung eines Kupplungsgliedes der Kupplung, d.h. den Kupplungszustand, detektiert. Die Detektion der Drehbewegung eines Kupplungsgliedes erfolgt in der Regel über eine an dem Umfang des Kupplungs- glieds eigens ausgebildete Zahnstruktur, die in Umlaufrichtung alternierend aufeinanderfolgende Zähne und Lücken aufweist. Dabei ist jeweils ein Zahn über eine Zahnflanke von jeweils einer Lücke getrennt und umgekehrt. Die Sensoreinheit bildet in Abhängigkeit von der Erfassung der Zahnflanken ein der Kupplungsdreh- zahl entsprechendes Signal. Die Positionsbestimmung eines Kupplungsglieds durch die zweite Sensoreinheit erfolgt in der Regel über einen Wegsensor. Die bekannten Ausbildungen der Kupplungseinheit sind als bauraum- wie auch kostenintensiv anzusehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Kupplungseinheit anzugeben, die sich im Vergleich zu den bekannten Kupplungseinheiten durch einen kompakten sowie kosten reduzierten Aufbau auszeichnet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung einen besonders energieeffizienten Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere einen Allradantriebsstrang, mit einer solchen Kupplungseinheit anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kupplungseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Kupplung, wobei die Kupplung ein axial feststehendes, drehbewegliches Koppelelement mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung, und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung, aufweist, wobei das Gegenelement in eine erste Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement nicht mit dem Kop- pelelement verbunden ist, und eine zweite Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement formschlüssig mit dem Koppelelement verbunden ist, verschiebbar ist, sowie eine Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung des Koppelements radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung des Koppelelements erfasst, wobei die Sensoreinheit sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements ein Sensorsignal detektiert über das die Drehzahl des Koppelelements und die erste Position des Gegenelements, die zweite Position des Gegenelements oder eine Position des Gegenelements zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelbar sind.
Erfindungsgemäß weist die Kupplungseinheit eine Kupplung und eine Sensoreinheit auf.
Die Kupplung ist als formschlüssige Kupplung ausgebildet und umfasst erfin- dungsgemäß ein Koppelelement und ein Gegenelement, wobei das Koppelelement in Bezug auf eine Längsachse der Kupplung axial feststehend und drehbeweglich ausgebildet ist und das Gegenelement in Bezug auf die Längsachse der Kupplung axial verschiebbar und drehbeweglich ausgebildet ist. Das Kopplungselement weist eine Verzahnung auf, wobei sich die Verzahnung in eine axiale Richtung erstreckt. Das Gegenelement weist eine Gegenverzahnung auf, wobei sich die Gegenverzahnung in eine axiale Richtung erstreckt.
Die Begrifflichkeit„axial* beischreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Längsachse der Kupplung der Kupplungseinheit.
Das Koppelelement und das Gegenelement sind gemäß der vorliegenden Erfindung formschlüssig koppelbar - das Gegenelement ist axial in eine erste Position und/oder eine zweite Position verschiebbar.
Die erste Position des Gegenelements entspricht erfindungsgemäß einer Position, in der Gegenelement und das Koppelelement nicht antriebswirksam miteinander verbunden sind, d.h. die Kupplung befindet sich in einem geöffneten Kupplungszustand. Die zweite Position des Gegenelements entspricht einer Position in der das Gegenelement mit dem Koppelelement antriebswirksam verbunden ist, d.h. die Kupplung befindet sich in einem geschlossenen Kupplungszustand . In der zweiten Position des Gegenelements ist Drehmoment zwischen dem Kopplungselement und dem Gegenelement übertragbar. Die Sensoreinheit ist erfindungsgemäß in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung des Koppelements radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung des Koppelelements erfasst, wobei die Sensoreinheit in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements ein Sensorsignal erzeugt über das die Drehzahl des Koppelelements und die erste Position des Gegenele- ments, die zweite Position des Gegenelements oder eine Position zwischen der ersten Position des Gegenelements und der zweiten Position des Gegenelements ermittelbar ist.
Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Längsachse der Kupplung der Kupplungseinheit.
Durch die erfindungsgemäße Kupplungseinheit ist es möglich mit nur einer Sensoreinheit auf einfache Art und Weise die Kupplungsposition sowie sie Kupplungsdrehzahl zu detektieren, wobei die Kupplungsdrehzahl sowohl in der ersten Position des Gegenelements, d.h. bei geöffneter Kupplung, wie auch in der zweiten Position des Gegenelements, d.h. bei geschlossener Kupplung, bestimmbar ist. Dadurch kann insbesondere die Steuerung der Kupplungseinheit vereinfacht werden. Weiterhin zeichnet sich die Kupplungseinheit durch einen Bauraum sowie kosten reduzierten Aufbau aus.
Die Lösung des zweiten Aspekts der Erfindung erfolgt durch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang umfassend einen ersten Teilantriebsstrang und einen zweiten Teilantriebsstrang, wobei der zweite Teilantriebstrang wahlweise mit dem ersten Teilantriebsstrang antriebswirksam verbindbar ist und wobei der zweite Teilantriebs- strang mittels einer erfindungsgemäßen Kupplungseinheit wahlweise zumindest teilweise stilllegbar ist.
Der erfindungsgemäße Kraftfahrzeugantriebsstrang , insbesondere ein Allradan- triebsstrang, umfasst einen ersten Teilantriebsstrang und einen zweiten Teilantriebsstrang, wobei der zweite Teilantriebstrang wahlweise mit dem ersten Teilantriebsstrang antriebswirksam verbindbar ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der zweite und Teilantriebsstrang über eine erfindungsgemäße Kupplungseinheit wahlweise zumindest teilweise stilllegbar.
Durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebsstrangs ist es möglich insbesondere einen energie- bzw. leistungsoptimierten Allradantriebsstrang zu realisieren, der sich durch eine reduzierte Sensorik auszeichnet.
Dadurch kann sowohl Bauraum wie auch Kosten gespart werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Das Sensorsignal ist bevorzugt eine Abfolge von Signalimpulsen, die sich in der ersten Position in Abhängigkeit von durch die Verzahnung bedingten Strukturübergängen und in der zweiten Position in Abhängigkeit von durch die form- schlüssige Kopplung der Verzahnung des Koppelelements und der Gegenverzahnung des Gegenelements ergeben. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit ein Sensorelement.
Das Sensorelement kann als Hallsensor jeglicher Art, induktiver Sensor, magne- toresistiver Sensor jeglicher Art, optischer Sensor, etc. ausgebildet sein. Diese Auflistung ist nicht abschließend, sondern soll lediglich beispielhafte Ausbildungen des Sensorelements nennen. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig .1 zeigt eine Kupplungseinheit mit einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer ersten Position befindet.
Fig. 2 zeigt eine Kupplungseinheit mit einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer zweiten Position befindet.
Fig. 3a zeigt ein Sensorsignal einer Sensoreinheit einer Kupplungseinheit bei einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer ersten Position befindet.
Fig. 3b zeigt ein Sensorsignal einer Sensoreinheit einer Kupplungseinheit bei einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer zweiten Position befindet.
Fig. 3c zeigt ein Sensorsignal einer Sensoreinheit einer Kupplungseinheit bei einer Kupplung deren Gegenelement sich in einer Position zwischen ei ner ersten Position und einer zweiten Position befindet.
Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrang.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs mit einer
Kupplungseinheit. Fig. 6 zeigt ein Schema zur Zuschaltlogik und Synchronisierungslogik eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs mit einem externen Sensorsystem
Fig.7 zeigte ein Schema zur Zuschaltlogik und Synchronisierungslogik eines
Kraftfahrzeugantriebsstrangs ohne ein externes Sensorsystem
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Kupplungseinheit 1 .
Die Kupplungseinheit 1 umfasst eine Kupplung 2 und eine Sensoreinheit 7. Die Kupplung 1 ist als Klauenkupplung ausgebildet und weist zwei Kupplungsglieder, nämlich ein Koppelelement 3 und ein Gegenelement 5, auf. Das Koppelelement 3 und das Gegenelement 5 sind miteinander formschlüssig koppelbar ausgebildet. Der Formschluss zwischen dem Koppelelement 3 und dem Gegenelement 5 erfolgt über eine an einer Stirnseite des Gegenelements 5 ausgebildete Gegenverzahnung 6, die in eine an einer der Gegenverzahnung 6 zugewandten Stirnseite des Koppelelements 3 ausgebildete Verzahnung 4 des Koppelelements 3 eingreift. Die Verzahnung 4 und die Gegenverzahnung 6 erstrecken sich jeweils in entgegengesetzte axiale Richtungen und weisen jeweils eine Vielzahl von Zähnen 1 , 1 1 ' und Lücken 12, 12' auf. Dabei ist jeweils ein Zahn 1 1 , 1 1 ' über eine Zahnflanke 13, 13' von jeweils einer Lücke 12, 12' getrennt und umgekehrt. Die jeweilige Zahnflanke 13, 13' zwischen einem jeweiligen Zahn 1 1 , 1 1 ' und einer jeweiligen Lücke 12, 12' und umgekehrt stellt somit den Strukturübergang zwischen den Strukturelementen Zahn 1 1 , 1 1 ' und Lücke 12, 12' dar. Die Begrifflichkeit„axial" beischreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer Längsachse 14 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 .
Durch axiale Verschiebung des Gegenelements 5 von einer erste Position in eine zweite Position wird die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geschlossen und ein Drehmoment kann von dem beispielsweise mit einer Kupplungseingangsseite 15 gekoppelten Koppelelement 3 auf das beispielsweise mit einer Kupplungsausgangsseite 16 gekoppelte Gegenelement 5 oder umgekehrt übertragen werden. In der ersten Position des Gegenelements 5, d.h. bei geöffneter Kupplung 2, wird kein Drehmoment von dem Koppelelement 3 auf das Gegenelement 5 oder umgekehrt übertragen.
D.h. die erste Position des Gegenelements 5 entspricht einer Position, in der das Gegenelement 5 und das Koppelelement 3 nicht antriebswirksam miteinander verbunden sind. Die zweite Position des Gegenelements 5 entspricht einer Position in der das Gegenelement 5 mit dem Koppelelement 3 antriebswirksam verbunden ist. In der zweiten Position des Gegenelements 5 ist Drehmoment zwischen dem Kopplungselement 3 und dem Gegenelement 5 übertragbar.
Eine Position des Gegenelements 5 zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Gegenelements 5 entspricht einer Position, in der bei einem Verschieben des Gegenelements 5 von der ersten Position in die zweite Position ein Zahn 1 1 der Verzahnung 4 auf einen Zahn 1 1 ' der Gegenverzahnung 6 trifft oder umgekehrt und so ein Eingreifen der Gegenverzahnung 5 in die Verzahnung 3 nicht möglich ist.
Die Sensoreinheit 7 ist so angeordnet, dass sie die Verzahnung 4 des Koppelelements 3 radial an der Außenseite der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 er- fasst. In Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 muss die Sensoreinheit 7 derart angeordnet sein, dass sie Strukturübergänge der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und, bei Eingriff der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 in die Verzahnung 4 des Koppelelements 3, der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 eindeutig erfassbar sind und derart sowohl die Drehzahl des Koppelelements 3 und des Gegenelements 5, wie auch die Position des Gegenelements 5 erfassbar sind. Bevorzugt tastet die Sensoreinheit 7 die Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und, je nach Position des Gegenelements 5, die Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 in Bezug auf die axiale Erstre- ckung der Verzahnung 4 entlang eines mittleren Bereichs der Verzahnung 4 ab. Dieser durch die Sensoreinheit 7 erfasste Bereich stellt den Erfassungsbereich der Sensoreinheit 7 dar. Unter einem Strukturübergang wird, in Umlaufrichtung um die Längsachse 14 der Kupplung 2 gesehen, der Übergang zwischen zwei benachbarten ungleichen Strukturelementen der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und/oder der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5, nämlich eines Zahns 1 1 , 1 1 ' und einer Lücke 12, 12', verstanden. Zur Detektion der Drehzahl des Koppelelements 3 und des Gegenelements 5 sowie zur Detektion der Position des Gegenelements 5 werden somit die Verzahnung 4 und die Gegenverzahnung 6 der formschlüssigen Kupplung 2 genutzt und eine Ausbildung einer eigens dafür vorgesehenen Messstruktur an dem Umfang des Koppelelements 3 und/oder des Gegenelements 5 ist nicht notwendig. Dies beeinflusst insbesondere die Herstellungskosten der Kupplungseinheit 1 in eine positive Richtung.
Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Längsachse 14 der Kupplung 2.
Die Sensoreinheit 7 weist ein Sensorelement auf, wobei das Sensorelement als ein Hallsensor, induktiver Sensor, magnetoresistiver Sensor jeglicher Art, optischer Sensor etc. ausgebildet ist. Verm ittels der Sensoreinheit 7 wird sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements 5 ein Sensorsignal 17 erzeugt, das zum einen Aufschluss über die Drehzahl des Koppelelements 3 und/oder des Gegenelements 5 der Kupplung 2 und zum anderen Aufschluss über die Position der Kupplung 2 ermöglicht.
Das Sensorsignal 17 ist eine Abfolge von Signalimpulsen 18, die sich in der ersten Position des Gegenelements 5 in Abhängigkeit von durch die Verzahnung 4 des Koppelelements 3 bedingten Strukturübergängen und in der zweiten Position des Gegenelements 5 in Abhängigkeit von durch die formschlüssige Kopplung der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 ergeben.
Unter der Begrifflichkeit Strukturübergänge sind die Zahnflanken 13, 13' der Ver- zahnung 4 und/oder der Gegenverzahnung 6 als Übergänge zwischen einem jeweiligen Zahn 1 1 , 1 1 ' zu einer jeweiligen Lücke 12, 12' oder umgekehrt der Verzahnung 4 und/oder der Gegenverzahnung 6 zu verstehen.
Mögliche vermittels der Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 erfassbare Struk- turübergänge sind beispielsweise die Übergänge >Zahn 1 1 -Lücke 12-Zahn 1 1 etc.< in einer ersten Position des Gegenelements 5, >Zahn 1 1 -Zahn 1 1 '-je nach Zahnspiel eventuell reduzierte Lücke 12, 12'-Zahn 1 1 -Zahn 1 1 ' etc.< in einer zweiten Position des Gegenelements 5 sowie >Zahn 1 1 -Zahn 1 1 '< bzw. >Lücke 12- Lücke 12'< in einer Position des Gegenelements 5 zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Gegenelements 5.
Über das Sensorsignal 17 sind die Drehzahl des Koppelelements 3 und die erste Position des Gegenelements 5, die zweite Position des Gegenelements 5 oder eine Position zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Gegen- elements 5 ermittelbar. ln Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 3c sind Beispiele eines Sensorsignals 17 dargestellt, die die Sensoreinheit 7 in unterschiedlichen Positionen des Gegenelements 5 der Kupplung 2 erzeugt, wobei jeweils im oberen Bereich der Fig. 3a bis Fig. 3c schematisch die jeweilige >Zahn 1 1 , 1 1 '-Lücke 12, 12 < schematisch gezeigt ist, die dem jeweiligen im unteren Bereich der Fig. 3a bis Fig. 3c dargestellten Sensorsignal 17 entspricht. Fig. 3a zeigt ein beispielhaftes Sensorsignal 17, das seitens der Sensoreinheit 7 bei geöffneter Kupplung 2, d.h. bei dem Gegenelement 5 in der ersten Position, erzeugt. Fig. 3b zeigt ein beispielhaftes Sensorsignal 17, das seitens der Sensoreinheit 7 bei einer nicht geschlossenen Kupplung 2 erzeugt, wobei sich hierbei das Gegenelement 5 in einer Position zwischen der ersten Position und der zweiten Position befindet. Fig. 3c zeigt ein beispielhaftes Sensorsignal 17, das seitens der Sensoreinheit 7 bei geschlossener Kupplung 2, d.h. bei dem Gegenelement 5 in der zweiten Position, erzeugt.
In Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 3c ist jeweils auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Signalhöhe des Sensorsignals 17 der Sensoreinheit 7, genauer des Sensorelements der Sensoreinheit 7 aufgetragen. Die Höhe des Sensorsignals 17 der Sensoreinheit 7 wechselt bei einem Strukturübergang von Zahn 1 1 , 1 1 ' auf Lücke 12, 12' und umgekehrt. Wird ein Zahn 1 1 , 1 1 ' detektiert, so ist das Sensorsignal 17 hoch; wird eine Lücke 12, 12' detektiert so ist das Sensorsignal 17 niedrig. D.h. bei der Erfassung einer Zahnflanke 13, 13', sprich eines Strukturübergangs zwischen einem Zahn 1 1 , 1 1 ' und einer Lücke 12, 12' und umgekehrt, verändert sich das Sensorsignal 17 von hoch auf niedrig und umgekehrt.
Als eine Periode 32 des Sensorsignals 17 ist die zeitliche Abfolge einer >Zahn 1 1 , 1 1 '-Lücke 12, 12 < Abfolge. Ein Signalimpuls 18 des Sensorsignals 17 ist als zeit- liches Zahn-Erfassungsintervall zu sehen. Die Periode 32 des Sensorsignals 17 ist unabhängig von den Position des Gegenelements 5 der Kupplung 2 und der Drehzahl des Gegenelements 5 und/oder Koppelelements 3.
Die Zahnfrequenz ist der als >Zahn 1 1 , 1 1 '-Lücke 12, 12'< Wechsel pro Zeiteinheit zu verstehen.
Die Drehzahl des Koppelelements 3 ist über die seitens der Sensoreinheit 7 sen- sierte Zahnfrequenz bestimmbar.
In Fig. 4 ist ein beispielhafter Kraftfahrzeugantriebsstrang 8, genauer ein Allradantriebsstrang, dargestellt. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang 8 umfasst einen permanent angetriebenen ersten Teilantriebsstrang 9 und einen wahlweise über eine Haupttrenneinheit 19, wie beispielsweise eine Lamellenkupplung, mit dem ersten Teilantriebsstrang 9 antriebswirksam verbindbaren zweiten Teilantriebsstrang 10.
Der in Fig. 4 dargestellte Pfeil 20 zeigt die Vorwärts-Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs an.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrang 8 ist im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs eine Antriebseinheit 21 , wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine und/oder eine elektrische Maschine, quer zu einer Längsachse 22 des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Antriebseinheit 21 ist über ein Hauptgetriebe 23 dauerhaft mit einem Vorderachsdifferenzial 24 verbunden. Das Vorderachsdifferential 24 teilt eine Vorderachse 25 in zwei vordere Seitenachsen 25', 25", wobei jeweils eine vordere Seitenachse 25', 25" einen Ends mit jeweils einem Abtrieb des Vorderachsdifferentials 24 antriebswirksam verbunden ist und jeweils anderen Ends mit einem Vorderrad 26, 26' verbunden ist. Der- art werden die auf der Vorderachse 25 angeordneten Vorderräder 26, 26' perma- nent angetrieben. Dieser Teilbereich des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 stellt den ersten Teilantriebsstrang 9 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar.
Im hinteren Bereich des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 ist eine Hinterachse 27 mit einem Hinterachsdifferential 28 und Hinterrädern 29, 29'angeordnet. Das Hinterachsdifferential 28 teilt eine Hinterachse 27 in zwei hintere Seitenachsen 27, 27', wobei jeweils eine hintere Seitenachse 27, 27' einen Ends mit jeweils einem Abtrieb 31 , 31 ' des Hinterachsdifferentials 28 antriebswirksam verbunden ist und jeweils eine hintere Seitenachse 27, 27' anderen Ends mit jeweils einem Hinterrad 29, 29' verbunden ist. Der Teil des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 ausgehend von einem Abtriebselement der Haupttrenneinheit 19 bis hin zu den Hinterrädern 29, 29' stellt im Wesentlichen den zweiten Teilantriebstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar. Das Abtriebselement der Haupttrenneinheit 19 ist mit einem Ende eines Drehmomentübertragungselements 30, hier eine Kardanwelle, an- triebswirksam verbunden. An seinem anderen Ende ist das Drehmomentübertragungselement 30 antriebswirksam mit dem Hinterachsdifferential 28 verbunden.
Weiterhin ist im Bereich des zweiten Teilantriebsstrangs 10 eine oben beschriebene erfindungsgemäße Kupplungseinheit 1 angeordnet. Vermittels der Kupplungs- einheit 1 ist der zweite Teilantriebsstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 wahlweise teilweise stilliegbar - der zweite Teilantriebsstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 umfasst somit einen abschaltbaren Teil und einen nicht abschaltbaren Teil. In Fig. 5 ist ein Abschnitt des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8, genauer eine hintere Seitenachse 27', 27" der Hinterachse 27, dargestellt. Die erfindungsgemäße Kupplungseinheit 1 ist in dem vorliegenden beispielhaften Kraftfahrzeugantriebsstrang 8 im Bereich der Hinterachse 27 zwischen dem jeweiligen Abtrieb 31 , 31 ' des Hinterachsdifferentials 28 und der jeweiligen hinteren Seitenachse 27', 27" der Hinterachse 27 angeordnet. Der Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 ausgehend von dem Abtriebselement der Hauptrenneinheit 19 bis hin zu dem Koppelelement 3 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 stellt den abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar. Der Teil des zweiten Teilantriebs- Strangs 10 ausgehend von dem Gegenelement 5 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 bis hin zu dem jeweiligen Hinterrad 29, 29' stellt den nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 dar.
Wird aufgrund der Fahrsituation kein Allradantrieb benötigt, so kann der abschalt- bare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 aus Energiespargründen antriebstechnisch stillgelegt werden. Dabei wird die antriebsseitige Haupttrenneinheit 19 sowie die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geöffnet um die abtriebsseitigen Verluste bzw. Schleppmomente zu reduzieren. Damit wird die Kardanwelle 30 mit Anschlussteilen als Teil des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 stillgelegt und das Antriebssystem befindet sich antriebstechnisch im energiesparenden 2WD Modus mit reduzierten Schleppverlusten. Wird nun ausgehend von dem 2WD Modus wieder in den 4WD Modus übergegangen, muss der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 zugeschaltet werden und damit für den 4WD Modus vorbereitet werden. Dabei ist zunächst Drehzahlsynchronität zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und dem nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 herzustellen. Der hierzu notwendige Antrieb wird durch Betätigung der Haupttrenneinheit 19, nämlich im vorliegenden Fall durch Schließen einer Lamellenkupplung, bewirkt. Dabei wird Drehmoment der Antriebseinheit 21 über das Hauptgetriebe 23 und die Haupttrenneinheit 19 übertragen und somit das für die Synchronisierung des stillgelegten abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 notwendige Drehmoment über die antriebsseitige Haupttrenneinheit 19 auf die Kardanwelle 30 übertragen. Die Drehbeschleunigung erfolgt so lange, bis kein Schlupf mehr an der Haupttrenneinheit 19, nämlich der Lamellenkupplung, auftritt und der ab- schaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 damit auf Synchrondrehzahl beschleunigt ist. Bei erreichter Synchrondrehzahl zwischen der jeweiligen hinteren Seitenachse 27', 27" und dem Abtrieb 31 , 31 ' des Hinterachsdifferentials 28 wird die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geschlossen. Die Begrifflichkeit„2WD" steht für„two wheel drive" und beschreibt einen Kraftfahrzeugantrieb über lediglich eine Kraftfahrzeugachse, in dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel die Hinterachse 27 oder die Vorderachse 25.
Die Begrifflichkeit„4WD" steht für„four wheel drive" und beschreibt einen Kraft- fahrzeugantrieb über zumindest zwei Kraftfahrzeugachsen, in dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel eine Hinterachse 27 und eine Vorderachse 25. Der 4WD Modus entspricht im Wesentlichen einem Allradantrieb eines Kraftfahrzeugs.
Die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 wird messtechnisch sowohl für die Synchronisation der Kardanwelle 30, wie auch für die Feststellung des Kupplungszustandes der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 verwendet und zeichnet sich demnach durch ihre Multifunktionalität bei einfachster Bauweise aus.
Während bei der Synchronisierung die Bestimmung der Zahnfrequenz, d.h. die Anzahl eines >Zahn1 1 , 1 1 '-Lücke 12, 12'< Strukturübergangswechsels pro Zeiteinheit, und somit der Kupplungsdrehzahl, genauer der Drehzahl des Koppelelements 3 und der Drehzahl des Gegenelements 5, im Vordergrund steht, ist bei der Erkennung des Schaltzustandes der Kupplung 2 die unterschiedliche Signalform bei geschlossener Kupplung 2 im Vergleich zur offenen Kupplung 2 von aus- schlaggebender Bedeutung. Dies beruht einzig auf der Sensoreinheit 7, die über der Verzahnung 4 des feststehenden, d.h. des axial nicht verschiebbaren Koppelelements 3 der Kupplung 2 aufgebaut ist.
Bei drehendem Abtrieb 31 , 31 ' des Hinterachsdifferentials 28 ist im geöffneten Zustand der Kupplung 2 über die Sensoreinheit 7 an dem Koppelelement 3, ge- nauer der Verzahnung 4 des Koppelelements 3, ein Strukturübergang der Abfolge >Zahn 1 1 -Lücke 12-Zahn 1 1 etc.< detektierbar. Im geschlossenen Zustand der Kupplung 2 wird an dem Koppelement 3 und dem Gegenelement 5, genauer der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 und der in die Verzahnung 4 des Kop- pelelements 3 eingreifenden Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5, ein Strukturübergang der Abfolge >Zahn 1 1 -Zahn 1 1 '-je nach Zahnspiel eventuell reduzierte Lücke 12, 12'-Zahn 1 1 etc.< detektiert. Das zu erwartende Sensorsignal 17 wird in den beiden Zuständen so unterschiedlich sein, dass die Zustände nach Auswertung der Sensorsignale 17 leicht unterscheidbar werden sowie der Zwi- schenzustand >Zahn 1 1 -Zahn 1 1 '< bzw. >Lücke 12-Lücke 12'< abgeleitet werden kann.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen jeweils ein Schema zur Synchronisierungslogik von abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und nicht abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 sowie zur Zuschaltlogik des zweiten Teilantriebsstrangs 10. Die Steuerung der Synchronisierung sowie der Zuschaltung erfolgt beispielsweise vermittels einer Kontrolleinheit.
Die Begrifflichkeit„Synchronität" beschreibt einen Zustand in dem die Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 und die Drehzahl des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 gleich oder annähernd gleich sind. In der Synchronisierungsphase zur Schließung der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 wird die Zahnfrequenz des Koppelelements 3 mittels der Sensoreinheit 7 sensiert und daraus wird die zugehörige Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 abgeleitet. Die Bestimmung der Synchronität von abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs und nicht abschaltbarem Teil des zweiten Teilantriebsstrangs kann zum einen unter zu Hilfenahme eines externen Sensorsystems oder zum anderen mittels interner Zuschaltzeitpunktsbestimmung, d.h. ohne externes Sensorsystem erfolgen. Die Sensoreinheit 7 dient stets der Bestimmung der Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 sowie der Positionsbestimmung des Gegenelements 5 und somit der Bestimmung des Zustands der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 . Fig. 6 zeigt ein Schema zur Synchronisierungslogik und Zuschaltlogik mit einem externen Sensorsystem. Über die Bestimmung der Drehzahl des Gegenelements 5 der Kupplung 2 kann auf die Drehzahl des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 geschlossen werden. Diese Drehzahl wird über das externe Sensorsystem, hier beispielsweise über die vermittels Raddrehzahlsensoren er- mittelten Hinterraddrehzahlsignale, bestimmt. Weiterhin kann beispielsweise auch ein externes Sensorsystem, das die der Drehzahl des Gegenelements 5 entsprechende Wellendrehzahl erfasst, verwendet werden. (Fig. 6)
Die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 liefert die Drehzahl des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und das externe Sensorsystem liefert die Drehzahl des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10.
Wenn die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 und das externe Sensorsystem, hier die Raddrehzahlsensoren im Bereich des Hinterrads 29, 29', Drehzahlen detektieren, die auf Synchronität der Drehzahlen schließen lassen, dann kann das Gegenelement 5 der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 von der ersten Position in die zweite Position bewegt werden und die Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 geschlossen werden. Im rotierenden Zustand des Gegenelements 5 der Kupplungseinheit 1 , d.h. bei drehender hinterer Seitenachse 27', 27", wird sich das Gegenelement 5 erst von der ersten Position in die zweite Position bewegen las- sen, wenn die Zähne 1 1 ' der Gegenverzahnung 6 des Gegenelements 5 genau über den Lücken 12 der Verzahnung 4 des Koppelelements 3 zu liegen kommen oder umgekehrt. Im fahrenden Zustand des Kraftfahrzeugs ist bei Synchronität von Koppelelement 3 und Gegenelement 5 eine Drehbewegung beider Elemente gegeben. Kommen zunächst die Zähne 1 1 ' des Gegenelements 5 nicht genau über den Lücken 12 des Koppelelements 3, oder umgekehrt, zu liegen, so wird dieser Zustand durch leichte Drehzahlunterschiede von dem abschaltbaten Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 zu dem nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und damit des Koppelelements 3 und des Gegenelements 5 erreicht und das Schalten des Gegenelements 5 von der ersten Position in die zweite Position kann erfolgen.
Nehmen die beiden Drehzahlen, d.h die Drehzahl des Koppelelements 3 (bei geschlossener Haupttrenneinheit 19) und die Drehzahl des Gegenelements 5, dieselbe Größe ein, ist Synchronität erreicht und der Befehl zum Schließen der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 wird gesetzt - das Gegenelement 5 verfährt von der ersten Position in die zweite Position. Das Schalten der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 von der zweiten Position in die erste Position ist im lastlosen Zustand, d.h. in einem Zustand ohne Kraftübertragung bei geöffneter Hauptt- renneinheit 19, immer möglich.
Ein Schließen der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 bei Nicht-Synchronität kann zur Beschädigung des Koppelelements 3 und/oder des Gegenelements 5 führen und ist in jedem Fall zu vermeiden.
Bei einem Wechsel von dem 2 WD Modus in den 4WD Modus wird im nächsten Schritt der Zustand der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 , d.h. die Position des Gegenelements 5 der Kupplung 2, abgefragt - das Sensorsignal 17 der Sensoreinheit 7 wird nun auf diesen Zustand ausgewertet. Liefert die Auswertung den Zustand >Kupplung 2 geschlossen«;, so ist der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 vollständig aktiviert und es können die für den 4WD Modus erforderlichen hohen Drehmomente über die Haupttrenneinheit 19 und den zweiten Teilantriebsstrang 10 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs 8 übertragen werden. Durch die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 und durch die Signale des externen Sensorsystems wird somit ein Erkennungssystem 2WD/4WD gebildet. Insgesamt ergibt sich damit eine Steigerung der Erkennungssicherheit des jeweiligen Modus bei minimalem messtechnischen Aufwand. Damit wird das System sehr kompakt und kostengünstig, wobei die Zuschaltdynamik sowie der Komfort wesentlich verbessert werden können. Die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 bildet mit seiner Eigenschaft als Drehzahlmesssystem im Zusammenhang mit dem externen Sensorsystem eine Synchronisiereinheit.
Fig. 7 zeigt ein Schema zur Synchronisierungslogik und Zuschaltlogik ohne ein externes Sensorsystem - die Drehzahlsynchronität zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und dem nicht abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 wird ohne Einbindung eines externen Sensorsystems bestimmt. Eine Drehzahlmessung erfolgt hierbei nur über die Sensoreinheit 7 der Kupplungseinheit 1 und damit am abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebs- Strangs 10. Der Zustand der Synchronität ist damit nicht unmittelbar über einen Drehzahlvergleich, wie anhand von Fig. 6 beschrieben, feststellbar. Zu bemerken ist, dass der Zustand der Synchronität bei den folgenden beschriebenen Strategien nur geschätzt werden kann. Zum einen kann durch das Drehzahlverhalten des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 während der Drehbeschleunigung auf Synchronität geschlossen werden. Durch das über die Haupttrenneinheit 19 übertragene Drehmoment wird der abschaltbare Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 stark beschleunigt. Wird die Synchrondrehzahl zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und des nicht abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 erreicht, sind die messbaren Drehzahländerungen nur noch gering und folgen den vergleichsweise niedrigen Drehzahländerungswerten der Hinterräder 29, 29' des Kraftfahrzeugs. Wird dieser Zustand detektiert, so kann die Zuschaltung der Kupplung 2 der Kupplungseinheit 1 eingeleitet werden.
Zum anderen kann durch Berechnungen die Zeit der Drehbeschleunigung bis zur Synchrondrehzahl abgeschätzt werden. Über das von der Haupttrenneinheit 19 übertragene Drehmoment und das Widerstandsmoment der Beschleunigung des abschaltbaren Teils des zweiten Teilantriebsstrangs 10 kann die Zeit bestimmt werden, die der Antriebsstrang für die Drehbeschleunigung bis zur Synchrondrehzahl maximal benötigt. Entsprechende Sicherheitsfaktoren, die ungünstige Umgebungsbedingungen wiederspiegeln, sind zu berücksichtigen und verlängern die Zeit bis zur Synchronität. Nach der ermittelten Zeit kann Synchron ität zwischen dem abschaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 und des nicht ab- schaltbaren Teil des zweiten Teilantriebsstrangs 10 angenommen werden und der Befehl zum Schließen der Klauenkupplung gesetzt werden.
Weiterhin können Mischstrategien der gemäß Fig. 6 und Fig. 7 beschriebenen Synchronisierungslogiken und Zuschaltlogiken angewandt werden, wobei die Logiken auf unterschiedlichsten Signalen, die im Fahrzeug beispielsweise über ein Bussystem geliefert werden, und aus denen verwertbare Informationen über die Synchronisierung ableitbar sind, basieren können.
Bezugszeichenliste
1 Kupplungseinheit
2 Kupplung
3 Koppelelement
4 Verzahnung
5 Gegenelement
6 Gegenverzahnung
7 Sensoreinheit
8 Kraftfahrzeugantriebsstrang
9 Erster Teilantriebsstrang
10 Zweiter Teilantriebsstrang
1 1 Zahn (der Verzahnung)
i r Zahn (der Gegenverzahnung)
12 Lücke (der Verzahnung)
12' Lücke (der Gegenverzahnung)
13 Zahnflanke (der Verzahnung)
13' Zahnflanke (der Gegenverzahnung)
14 Längsachse (der Kupplung der Kupplungseinheit)
15 Kupplungseingangsseite
16 Kupplungsausgangsseite
17 Sensorsignal
18 Signalimpuls
19 Haupttrenneinheit (Lamellenkupplung)
20 Vorwärts-Fahrtrichtung
21 Antriebseinheit
22 Längsachse (des Kraftfahrzeugs)
23 Hauptgetriebe
24 Vorderachsdifferential 25 Vorderachse
25', 25" Vordere Seitenachse
26, 26' Vorderrad
27 Hinterachse
27', 27" Hintere Seitenachse
28 Hinterachsdifferential
29, 29' Hinterrad
30 Drehmomentübertragungselement (Kardanwelle)
31 , 31 ' Abtrieb (des Hinterachsdifferentials)
32 Periode (des Sensorsignals)

Claims

Patentansprüche
Kupplungseinheit (1 ) für ein Kraftfahrzeug umfassend
- eine Kupplung (2), wobei die Kupplung (2) ein axial feststehendes, drehbewegliches Koppelelement (3) mit einer sich axial erstreckenden Verzahnung (4), und ein axial verschiebbares, drehbewegliches Gegenelement (5) mit einer sich axial erstreckenden Gegenverzahnung (6), aufweist, wobei das Gegenelement (5) in eine erste Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement (5) nicht mit dem Koppelelement (3) verbunden ist, und eine zweite Position, nämlich eine Position in der das Gegenelement (5) formschlüssig mit dem Koppelelement (3) verbunden ist, verschiebbar ist, sowie
- eine Sensoreinheit (7),
wobei die Sensoreinheit (7) in Bezug auf die axiale Erstreckung der Verzahnung (4) des Koppelements (3) radial derart angeordnet ist, dass sie die Verzahnung (4) des Koppelelements (3) erfasst, wobei die Sensoreinheit (7) sowohl in der ersten Position wie auch in der zweiten Position des Gegenelements (5) ein Sensorsignal (17) detektiert über das die Drehzahl des Koppelelements (3) und die erste Position des Gegenelements (5), die zweite Position des Gegenelements (5) oder eine Position des Gegenelements (5) zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelbar sind.
2. Kupplungseinheit (1 ) nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorsignal (17) eine Abfolge von Signalimpulsen (18) ist, die sich in der ersten Position des Gegenelements (5) in Abhängigkeit von durch die Verzahnung (4) des Koppelelements (3) bedingten Strukturübergängen und in der zweiten Position des Gegenelements (5) in Abhängigkeit von durch die formschlüssige Kopplung der Verzahnung (4) des Koppelelements (3) und der Gegenverzahnung (6) des Gegenelements (5) ergeben.
3. Kupplungseinheit (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sensoreinheit (7) ein Sensorelement umfasst.
4. Kraftfahrzeugantriebsstrang (8) umfassend einen ersten Teilantriebsstrang (9) und einen zweiten Teilantriebsstrang (10), wobei der zweite Teilantriebstrang (10) wahlweise mit dem ersten Teilantriebsstrang (9) antriebswirksam verbindbar ist und wobei der zweite Teilantriebsstrang (10) über eine Kupplungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wahlweise zumindest teilweise stilliegbar ist.
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