WO2018029241A1 - Aktuatoranordnung zur steuerung von schaltvorgängen in einem antriebsstrang eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Aktuatoranordnung zur steuerung von schaltvorgängen in einem antriebsstrang eines kraftfahrzeugs Download PDF

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WO2018029241A1
WO2018029241A1 PCT/EP2017/070166 EP2017070166W WO2018029241A1 WO 2018029241 A1 WO2018029241 A1 WO 2018029241A1 EP 2017070166 W EP2017070166 W EP 2017070166W WO 2018029241 A1 WO2018029241 A1 WO 2018029241A1
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switching
actuator
switching element
switching position
holding
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PCT/EP2017/070166
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Inventor
Wolfgang Schweiger
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Magna powertrain gmbh & co kg
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    • F16H63/00—Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism
    • F16H63/02—Final output mechanisms therefor; Actuating means for the final output mechanisms
    • F16H63/28—Final output mechanisms therefor; Actuating means for the final output mechanisms two or more final actuating mechanisms moving the same final output mechanism
    • 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
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    • F16D11/00—Clutches in which the members have interengaging parts
    • F16D11/14—Clutches in which the members have interengaging parts with clutching members movable only axially
    • 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
    • F16D23/12—Mechanical clutch-actuating mechanisms arranged outside the clutch as such
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    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D23/00—Details of mechanically-actuated clutches not specific for one distinct type
    • F16D23/12—Mechanical clutch-actuating mechanisms arranged outside the clutch as such
    • F16D2023/123—Clutch actuation by cams, ramps or ball-screw mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to an actuator arrangement for controlling switching operations in a drive train of a motor vehicle comprising a switching element, wherein the switching element rotationally, but axially movable, namely selectively in a first switching position and a second switching position movable, is arranged on a drive element, an electromagnetic first actuator, wherein via the first actuator, a first switching operation of the switching element, namely an axial movement of the switching element from the first switching position to the second switching position is actuated, an electromagnetic second actuator, wherein via the second actuator, a second switching operation, namely an axial movement of Switching element of the second switching position in the first switching position, is actuated, and a holding mechanism, wherein the switching element is mechanically held by the holding mechanism in the first switching position and in the second switching position ,
  • Actuator arrangements in a wide variety of structural designs are used in the field of motor vehicle technology in a motor vehicle drive train for the selective actuation of a drive-effective connection of a drive element to an output element.
  • actuator arrangements of the generic type are used in particular in all-wheel drive motor vehicles and in motor vehicles with hybrid drive. They serve, for example, the actuators the shutdown of parts of the drive train in order to prevent unnecessary turning and thus unnecessary energy consumption of the subordinate parts of the drive train to be shut down.
  • a reliable separation of the subregions of the drive train and a demand-driven and highly dynamic connection of the respective subregions of the drive train are desired without high energy expenditure.
  • the document DE 10 201 1 085 839 A1 describes, for example, a coupling device with two coupling parts which can be coupled by means of a sliding sleeve, namely a first coupling part and a second coupling part, which are positively coupled to one another in the engaged state via the sliding sleeve.
  • the sliding sleeve is non-rotatably mounted and axially displaceable on the first coupling part.
  • the sliding sleeve has on its peripheral surface at least a first step, which has a first step edge and extends with a first step profile on the peripheral surface of the sliding sleeve.
  • the first step profile also has an axial direction component in the direction of the axis of rotation of the first coupling part.
  • An adjusting means which is displaceable back and forth between a Stellstoff- coupling position and an actuating means decoupling, during the decoupling process of the two coupling parts in its actuating means decoupling in the first step edge of the sliding sleeve, so that the sliding sleeve in a rotation of the first Clutch axially moved away from the second coupling part in a sleeve Entkoppelungsposition.
  • the sliding sleeve is supported by means of an axially acting spring, so that a spring force holds the sliding sleeve in a first and the second coupling part mechanically coupling sleeve coupling position or pushes into this sleeve coupling position when the actuating means is in its actuating means coupling position ,
  • the sliding sleeve is in the described embodiment of the coupling device over held the adjusting means in its decoupling-decoupling position in the decoupling position, resulting in an increased energy expenditure.
  • an actuator arrangement for controlling switching operations in a drive train of a motor vehicle comprising a switching element, wherein the switching element rotationally, however, axially movable, namely selectively in a first switching position and a second switching position movable, is arranged on a drive element, said in the first switching position of the switching element, the drive element is drivingly connected to an output element and in the second switching position of the switching element, the drive element is not drivingly connected to the output element, an electromagnetic first actuator, wherein via the first actuator, a first switching operation of the switching element, namely an axial Movement of the
  • the actuator arrangement comprises a switching element, an electromagnetic first actuator, an electromagnetic second actuator and a holding mechanism.
  • the switching element is according to the invention rotationally fixed but axially movable on a drive element, for example a first shaft arranged.
  • axial describes a direction along or parallel to a rotational axis of the drive element.
  • the switching element is axially movable either in a first switching position and in a second switching position, wherein in the first switching position of the switching element, the drive element with a driven selement, for example a second shaft, drivingly connected, and in the second switching position of the switching element the drive element is not drivingly connected to the output element.
  • a driven selement for example a second shaft
  • a first switching operation of the switching element namely an axial movement of the switching element from the first switching position to the second switching position
  • a second switching operation namely an axial movement of the switching element from the second switching position to the first switching position
  • the actuator assembly further comprises a holding mechanism, wherein the switching element via the holding mechanism in the first switching position and in the second switching position is mechanically held and wherein the holding mechanism is designed such that the switching element upon actuation of the first switching operation via the first actuator and at Aktiebehie tion of the second switching operation via the second actuator is unlocked.
  • the inventive design of the actuator assembly it is possible in a simple manner to realize an efficient and highly dynamic circuit of the switching element and in particular an energy-optimized holding the desired switching position of the switching element. Electrical auxiliary power is needed only for the actuation of the first shift and the second shift, ie only to control the switching operations. The energy required for the movement of the switching element is taken substantially from the rotating drive train of the motor vehicle.
  • the switching element preferably has a first control geometry on its outer circumferential surface, wherein the first control geometry of the switching element has a first control section and a second control section.
  • the holding mechanism is designed such that the switching element is unlocked in the first switching position via an indirect or direct engagement of the first actuator in the first control geometry of the switching element.
  • the holding mechanism preferably comprises a second holding element, wherein the second holding element has on its outer peripheral surface a second control geometry and the holding mechanism is designed such that the switching element unlocks in the second switching position via an indirect or direct engagement of the second actuator in the second control geometry of the second holding element becomes.
  • the first actuator comprises a first pin movable along a first longitudinal axis, wherein the switching element is axially movable from the first switching position to the second switching position via the engagement of the first pin in the first control section of the first control geometry.
  • the first pin of the first actuator in the second switching position of the switching element automatically returns to a rest position via the second control section of the first control geometry.
  • FIG. 3 shows a longitudinal view of an actuator arrangement according to the invention as seen from point "X" in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a transverse view of an actuator arrangement according to the invention from the point of view "Y" in FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a transverse view of an actuator arrangement according to the invention as seen from point "Z" in FIG. 3.
  • FIG. 6 shows a sectional view of an actuator arrangement according to the invention along the sectional plane "H-H" in FIG. 4 with a switching element in a first switching position.
  • FIG. 7 shows a detail sectional view from the sectional view in FIG. 6.
  • Fig. 8 shows a further sectional view of an inventive
  • FIG. 3 shows a sectional view of an actuator arrangement according to the invention along the sectional plane "H-H" in FIG. 4 with a switching element in a second switching position.
  • FIG. 10 shows a detail sectional view from the sectional view in FIG.
  • Fig. 1 1 shows a sectional view of an actuator assembly according to the invention along the cutting plane "HH" in Fig. 4 during a first switching operation. shows a further sectional view of an actuator assembly according to the invention during a first switching operation. shows a detail sectional view from the sectional view in Fig. 12.
  • Fig. 12 shows a further sectional view of an actuator assembly according to the invention during a second switching operation shows a perspective view of a switching element
  • Fig. 1 shows a perspective view of a further embodiment of a switching element
  • Fig. 2 shows further detailed views of a switching element
  • Fig. 3 shows a perspective view of a second holding element.
  • Fig. 22 shows a perspective view of a third elastic
  • Element shows a perspective view of a first holding element. shows a perspective view of a first Garele- element in a further embodiment. shows a lift curve of a first control section of a first control geometry in dependence on a Winkelpo position.
  • (Axial stroke vs. rotation angle) shows a lift curve of a second control section of a first control geometry in dependence on a Winkelpo position.
  • (radial stroke vs. rotation angle) shows a motor vehicle architecture with an exemplary application of an actuator assembly according to the invention.
  • FIGS. 1 to 23 b show an exemplary embodiment of an actuator arrangement 1 according to the invention in different details, switching positions and perspectives.
  • FIG. 25 shows an exemplary motor vehicle architecture with an actuator arrangement 1 according to the invention.
  • the exemplary embodiment of the actuator assembly 1 according to the invention shown in FIG. 1 to FIG. 23b serves for the selective actuation of a switchable clutch between a drive element (not shown) and an output element (not shown), so that optionally torque of -lo
  • the drive element can be transmitted to the output element and / or vice versa.
  • the actuator assembly 1 includes a switching element 2, an electromagnetic first actuator 3, an electromagnetic second actuator 4, and a holding mechanism 5.
  • the switching element 2 is formed in the present embodiment as a shift sleeve, and has three substantially wood cylindrical sections, namely a first portion 20, a second portion 21 and a third portion 22, of different diameters.
  • the first section 20 adjoins the second section on one side and the second section 21 adjoins the third section 22 on one side.
  • the switching element 2 shown in FIG. 17 is step-shaped - the diameter of the first section 20 is smaller than the diameter of the second section 21 and the diameter of the second portion is smaller than the diameter of the third portion 22.
  • the switching element 2 is rotationally fixed but axially displaceably arranged on the drive element via a toothing toothing 23 formed on the inner circumferential surface of the switching element 2 in the region of the first portion 20 of the switching element 2.
  • axial describes a direction along or parallel to a rotation axis 14 drive element.
  • the switching element 2 has on its outer peripheral surface in the region of the first portion 20, a first control geometry 12, wherein the first control geometry 12 of a first control section 24 and a second control section 25 composed. Furthermore, the switching element 2 in its outer peripheral surface in the region of the second portion 21 a plurality of, in the present embodiment, four, circumferentially uniformly distributed passage openings 19. (Fig. 17) The switching element 2 is axially movable either in a first switching position and in a second switching position.
  • FIGS. 6, 7 and 8 show different illustrations of the actuator arrangement 1 in the first switching position of the switching element 2.
  • FIGS. 9 and 10 show different representations of the actuator arrangement 1 in the second switching position of the switching element 2.
  • Both the first actuator 3, as well as the second actuator 4 of the actuator assembly 1 is designed as an electromagnet.
  • a second switching operation of the switching element 2 namely an axial movement of the switching element 2 from the second switching position to the first switching position, triggered.
  • the holding mechanism 5 comprises a first elastic element 6, a first holding element 9 and a second holding element 10.
  • the first elastic element 6 is designed as a compression spring and arranged on the drive element, coaxial with the switching element 2, between a formed in the region of the first portion 20 of the switching element 2 stop 26 and a fixedly arranged on the drive element stop (not shown) (Fig. 6). By means of the force of the first elastic element 6, the switching element 2 is pressed axially into the first switching position and in the first
  • the first holding member 9 is annular and rotationally fixed and stationary on the drive element, coaxial with the switching element 2, respectively.
  • the switching element 2 surrounds the first holding element 9 and, in the region of the second section 21, can be displaced axially along the drive element relative to the first holding element 9.
  • the first holding element 9 has a plurality of uniformly distributed, along its outer circumference, four, in the present embodiment, four, second elastic elements 7.
  • the second elastic elements 7 are designed as spring tongues whose spring force acts radially in the direction of the inner jacket of the switching element 2. (FIG. 23 a)
  • the first retaining element 9 can also consist of an arrangement of several individual second elastic elements 7 (FIG. 23 b) or of spring-loaded pressure pieces.
  • the second holding element 10 is annular and rotatably, however, stationary, secured by a securing ring 27, arranged in the region of the second section 21 on the switching element 2.
  • the second holding element 10 conceals the passage openings 19 formed in the region of the second section 21 of the switching element 2.
  • the second holding element 10 has a holding geometry 11 and a second control geometry 13.
  • the holding geometry 1 1 is formed on the inside of the second holding element 10 and the second control geometry 13 is formed on the outside of the second holding element 10.
  • a chamfer 28 is formed on the inner circumferential surface of the second holding element 10. The inner peripheral surface of the second holding element is thus partially formed by the holding geometry 1 1 and partially by the chamfer 28.
  • the second control geometry 13 is formed as an outer circumferential lenticular toothing.
  • the holding geometry 1 1 is composed of an inner circumferential toothing and the inner circumferential groove 31 together, wherein the innenumflindliche toothing is divided by the groove 31 in a first toothing portion 32 and a second toothed portion 33.
  • the first toothing region 32 is bounded on the one hand by the inner peripheral bevel 28 and on the other hand by the inner circumferential groove 31.
  • the holding mechanism 5 comprises a third elastic element 8.
  • the third elastic element 8 is designed as a torsion spring and has a pawl geometry 29. By rotating the third elastic element 8 about a second axis of rotation 30, the pawl geometry 29 can be brought into engagement with the second control geometry 13. The rotation of the third elastic element 8 can be actuated via the second actuator 4. (FIG. 22)
  • the third elastic element 8 can also be designed in several parts, for example as a combination of a helical spring with a pawl pivotable about an axis of rotation.
  • the first switching operation namely the transition of the switching element 2 from the first switching position to the second switching position, is triggered by a change in state of the first actuator 3 (FIG. 1-FIG. 5; FIG. 11-FIG. 14).
  • the energy for the axial movement of the switching element 2 from the first switching position to the second switching position is provided via the rotating drive element.
  • Fig. 6, Fig. 7 and Fig. 8 show the switching element 2 in a first switching position.
  • the second elastic elements 7 of the first holding element 9 and the first elastic element 6 are in a relaxed end position.
  • the third elastic element 8 is stretched over the second actuator 4.
  • the second elastic elements 7 of the first holding element 9 each extend through the respective feedthrough opening 19 in the region of the second section 21 of the switching element 2 radially in the direction of the bevel 28 on the inner circumferential surface of the second holding element 10.
  • the first actuator 3 has a first coil, depending on the design, ie, depending on the desired behavior of the actuator assembly 1 in the de-energized state, a first spring or a first permanent magnetic armature and a first pin 17.
  • the first pin 17 starting from a rest position against the force of the first spring or against the force of the permanent magnetic field, performs a linear movement along a first longitudinal axis 15, namely the longitudinal axis of the first actuator 3, towards the switching element 2 and engages in its end position in the first control geometry 12 in the region of the first portion 20 of the switching element 2 a.
  • a corresponding design of the axially effective first control section 24 of the first control geometry 12 (FIG.
  • the switching element 2 undergoes an axial stroke movement when rotating about the first axis of rotation 14, namely the axis of rotation of the drive element.
  • the first pin 17 is reset by the radially active second control section 25 of the first control geometry 12 (FIG. 24b).
  • the first elastic element 6 is tensioned against its force.
  • the second elastic elements 7 of the first holding element 9 due to the axial movement of the switching element. 2 and thus of the second holding element 10 is overpressed by the second holding element 10.
  • the second elastic elements 7 of the first holding element 9 respectively engage in the holding geometry 11, more precisely in the groove 31 of the holding geometry 11 and in the second toothing region 33 of the holding geometry 11, whereby the switching element is held in the second switching position.
  • the second elastic elements 7 of the first holding element 9 lock at the end of the first switching operation, the end position of the first switching element 2, namely the second switching position of the switching element 2, against the axially acting spring force of the biased first elastic member 6.
  • the second holding member 10 is in the second Switching position of the switching element by the engagement of the second elastic elements 7 in the holding geometry 1 1 of the second holding member 10 rotationally with the switching element 2 moves - in the second switching position of the switching element 2 thus rotate the switching element 2 and the second holding member 10 uniformly around the first rotation axis 14.
  • the first pin 17 of the first actuator 3 can be made tapered.
  • the cone angle of the conically designed first pin 17 causes a force component acting in the direction of the first longitudinal axis 15 and against the magnetic force to protect against impermissibly high transverse forces on the first pin 17.
  • a change in the switching request during the first switching operation can be achieved by the conical design of the first pin 17 of the first actuator 3 thus at any time by transmission of a drive torque to the drive element, for example by appropriate torque input to a power flow in the drive element upstream transfer case 36, are forced (Fig. 25).
  • the first switching operation can be subdivided into two directly successive switching phases.
  • a first switching phase serves the switching movement of the switching element 2 in the direction of the axis of rotation 14 from a first switching position to a second switching position.
  • a second switching phase serves to return the first pin 17 of the first actuator 3 in the direction of the first longitudinal axis 15 in its rest position.
  • the first control section 24 of the first control geometry 12 on the outer circumferential surface in the region of the first section 20 of the switching element 2 serves to carry out the switching movement of the switching element 2 (switching stroke).
  • the second control section 25 of the first control geometry 12 on the outer peripheral surface in the region of the first section 20 of the switching element 2 is used to reset the first pin 17 of the first actuator 3 (return stroke).
  • the design of the first control section 24 and the second control section 25 can be derived in an advantageous manner from the kinematic variables of the components to be moved, namely the switching element 2 and the first pin 17 of the first actuator 3.
  • the optimization criteria are, for example, the maximum values for acceleration and jerk and the avoidance of discontinuities in the course of the jerk.
  • the optimum control contour for the first control section 24 and for the second control section 25 can be derived from a predetermined acceleration course and corresponding boundary conditions.
  • NASH stands for "noise, vibration, harshness "and is considered to be a collective term for vibrations that can be heard as noise in a car and / or as vibration in motor vehicles
  • the definition of the acceleration curve takes place, for example, as a function of the angle of rotation via functions that can be continuously differentiated twice, for example by specifying interpolation points of cubic spline functions.
  • Additional pilot cam areas A on the first control section 24 and pilot cam areas K, M on the second control section 25 also allow the tolerance and temperature and wear-changing play between the first pin 17 and the first control geometry 12 and system elasticities to be overcome at the start of the stroke (FIG 18 - Fig. 20, Fig. 24a, Fig. 24b).
  • the first pin 17 contacts the first control geometry 12 and the system is biased.
  • the acceleration phase of the second control section 25 until the maximum speed of the switching element 2 is reached.
  • the deceleration phase is initiated and the switching element 2 decelerated to a standstill - the entire acceleration curve of the first switching process is thus composed of several sub-areas. ( Figures 24a, 24b).
  • FIG. 24a shows the qualitative course of the lift curve of the first control section 24 of the first control geometry 12, shown over the angle of rotation, with a subdivision into a plurality of partial areas.
  • the region F corresponds to the first switching position
  • the region D corresponds to the second switching position of the switching element 2.
  • the transition from the first to the second switching position is described only by a main cam region E of the first control section 24.
  • FIG. 24b shows the qualitative course of the lift curve of the second control section 25 shown on the rotation angle.
  • the angle range K indicates the forward cam area (forward cam lift s r , v ) which is active in the forward direction of rotation (arrow direction FW ") of the shift element 2; subsequent main cam portion (shifting stroke s r, max) of the second control section 25.
  • M Vornocken Scheme
  • N the main cam portion of the second control section 25bei reverse rotation direction (direction of the arrow BW ") of the switching element 2.
  • FIGS. 17 to 20 A corresponding representation of the first control geometry 12 with first Control section 24 and second control section 25 of the switching element 2 can be seen from FIGS. 17 to 20.
  • the execution of the first control section 24 and of the second control section 25 of the first control geometry 12 further enables the evaluation of the ejection signal as the voltage induced in the first coil of the first actuator 3 during the return stroke of the first pin 17, whereby a successful switching from the first switching state in the second switching state can be confirmed by a control unit (angle range S).
  • the second switching operation namely the transition of the switching element 2 from the second switching position to the first switching position, is triggered by a change in the state of the first actuator 4 (FIGS. 15, 16).
  • the energy for the axial movement of the switching element 2 from the second switching position into the first switching position is provided via the first elastic element 6, which is prestressed in the second switching position of the switching element 2.
  • the second actuator 4 has a second coil, depending on the embodiment, a ferromagnetic or a permanent magnetic armature and a second pin 18.
  • a second coil depending on the embodiment, a ferromagnetic or a permanent magnetic armature and a second pin 18.
  • the second pin 18 starting from a rest position, leads against the force of the ferromagnetic or permanent magnet.
  • magnetic field a linear movement along a second longitudinal axis 16, namely the longitudinal axis of the second actuator 4, from.
  • Fig. 9 and Fig. 10 show the switching element 2 in a second switching position.
  • the third elastic element 8 is biased by means of the second pin 18 against the force of the third elastic element 8 in a position in which the pawl geometry 29 is free and does not engage in the second control geometry 13 on the outer circumferential surface of the second retaining element 10.
  • the electromagnetic coil of the second actuator 4 depending on the design of the second actuator 4, de-energized or counter-energized.
  • the second pin 18 of the second actuator 4 is moved from the rest position to an end position, and at the same time, the pawl geometry 29 of the third elastic member 8 is engaged with that on the outer peripheral surface of the second elastic member 8 via the energy stored in the third elastic member 8 second holding member 10 formed second control geometry 13 brought.
  • This causes a rotation of the second holding member 10 relative to the switching element 2, whereby the second elastic elements 7 of the first holding member 9 by means of the formed on the second holding member 10 retaining geometry 1 1 radially inward, toward the first axis of rotation 14, are pressed.
  • the energy stored in the first elastic element 6 the axial movement of the switching element 2 takes place from a second switching position to the first switching position.
  • FIG. 16 shows an exemplary motor vehicle architecture with an internal combustion engine 34 arranged along the direction of travel, which, in addition to the internal combustion engine 34, comprises a main transmission 35, a transfer case 36, a front axle transmission 39, a rear axle transmission 40, and front and rear side shafts 41, 42 includes.
  • 4WD In four-wheel drive mode, also referred to as "4WD” operation, distribution of the drive torque to the front side shafts 41 and the rear side shafts 42 takes place via the transfer case 36.
  • the term “4WD” stands for "four wheel drive” and describes a motor vehicle drive at least two motor vehicle axles, in the example shown in FIG. 25, a rear axle 46 and a front axle 45.
  • 2WD stands for "two wheel drive” and describes a motor vehicle drive via only one motor vehicle axle, in the example shown in FIG. 25 the rear axle 46 or the front axle 45.
  • Second longitudinal axis (longitudinal axis of the second actuator)

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Arrangement And Mounting Of Devices That Control Transmission Of Motive Force (AREA)

Abstract

Aktuatoranordnung (1) zur Steuerung von Schaltvorgängen in einem Antriebssträng eines Kraftfahrzeugs umfassend ein Schaltelement (2), wobei das Schaltelement (2) verdrehfest jedoch axial bewegbar, nämlich wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung bewegbar, auf einem Antriebselement angeordnet ist, einen elektromagnetischen ersten Aktuator (3), wobei über den ersten Aktuator (3) ein erster Schaltvorgang des Schaltelements (2), nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements (2) von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, aktuierbar ist, einen elektromagnetischen zweiten Aktuator (4), wobei über den zweiten Aktuator 4) ein zweiter Schaltvorgang, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements (2) von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar ist, und einen Haltemechanismus (5), wobei das Schaltelement (2) über den Haltemechanismus (5) in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten ist.

Description

Aktuatoranordnung zur Steuerung von Schaltvorgängen in einem
Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuatoranordnung zur Steuerung von Schaltvorgängen in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend ein Schaltelement, wobei das Schaltelement verdrehfest jedoch axial bewegbar, nämlich wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung bewegbar, auf einem Antriebselement angeordnet ist, einen elektromagnetischen ersten Aktuator, wobei über den ersten Aktuator ein erster Schaltvorgang des Schaltelements, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der ersten Schalt- Stellung in die zweite Schaltstellung, aktuierbar ist, einen elektromagnetischen zweiten Aktuator, wobei über den zweiten Aktuator ein zweiter Schaltvorgang, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar ist, und einen Haltemechanismus, wobei das Schaltelement über den Haltemechanismus in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten ist.
Stand der Technik Aktuatoranordnungen in unterschiedlichsten konstruktiven Ausführungen dienen im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik in einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang der wahlweisen Aktuierung einer antriebswirksamen Verbindung eines Antriebselements mit einem Abtriebselement. So finden Aktuatoranordnungen der gattungsgemäßen Art insbesondere in allradgetriebenen Kraftfahrzeugen und in Kraftfahr- zeugen mit Hybridantrieb Anwendung. Sie dienen dabei beispielsweise der Aktuie- rung der Stillegung von Teilbereichen des Antriebsstranges, um derart ein unnötiges Mitdrehen und somit einen unnötigen Energieverbrauch der stillzulegenden Teilbereiche des Antriebsstrangs zu verhindern. Insbesondere in dem Anwendungsbereich der allradgetriebenen Kraftfahrzeuge werden eine zuverlässige Trennung der Teilbereiche des Antriebsstranges sowie eine bedarfsgerechte und hochdynamische Zuschaltung der jeweiligen Teilbereiche des Antriebsstranges ohne hohen Energieaufwand gewünscht. Das Dokument DE 10 201 1 085 839 A1 beschreibt beispielsweise eine Kupplungsvorrichtung mit zwei mittels einer Schiebemuffe koppelbaren Kupplungsteilen, nämlich ein erstes Kupplungsteil und ein zweites Kupplungsteil, die im eingekuppelten Zustand über die Schiebemuffe formschlüssig miteinander gekoppelt sind. Die Schiebemuffe ist drehfest und axial verschiebbar am ersten Kupplungs- teil angebracht. Die Schiebemuffe weist an ihrer Umfangsfläche mindestens eine erste Stufe auf, die eine erste Stufenflanke hat und sich mit einem ersten Stufenverlauf an der Umfangsfläche der Schiebemuffe erstreckt. Der erste Stufenverlauf weist auch eine axiale Richtungskomponente in Richtung der Drehachse des ersten Kupplungsteils auf. Ein Stellmittel, das zwischen einer Stellmittel- Kopplungsposition und einer Stellmittel-Entkopplungsposition hin und her verschiebbar ist, liegt während des Entkopplungsvorgangs der beiden Kupplungsteile in seiner Stellmittel-Entkopplungsposition in der ersten Stufenflanke der Schiebemuffe an, so dass sich die Schiebemuffe bei einer Rotation des ersten Kupplungsteils axial vom zweiten Kupplungsteil weg in eine Muffen- Entkoppelungsposition bewegt. Weiterhin ist die Schiebemuffe mittels einer axial wirkenden Feder abgestützt, so dass eine Federkraft die Schiebemuffe in einer das erste und das zweite Kupplungsteil mechanisch miteinander koppelnden Muffen-Kopplungsposition hält oder in diese Muffen-Kopplungsposition schiebt, wenn sich das Stellmittel in seiner Stellmittel-Kopplungsposition befindet. Die Schie- bemuffe wird bei der beschriebenen Ausführung der Kopplungsvorrichtung über das Stellmittel in seiner Stellmittel-Entkopplungsposition in der Entkopplungsposition gehalten, wodurch sich ein erhöhter Energieaufwand ergibt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine alternative Aktuatoranordnung zur wahlweisen Aktuierung eines Schaltvorgangs anzugeben, die bei einem minimalen konstruktiven Aufwand einen energieoptimierten Betrieb gewährleistet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Aktuatoranordnung zur Steuerung von Schaltvorgängen in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend ein Schaltelement, wobei das Schaltelement verdrehfest jedoch axial bewegbar, nämlich wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung beweg- bar, auf einem Antriebselement angeordnet ist, wobei in der ersten Schaltstellung des Schaltelements das Antriebselement antriebswirksam mit einem Abtriebselement verbunden ist und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements das Antriebselement nicht antriebswirksam mit dem Abtriebselement verbunden ist, einen elektromagnetischen ersten Aktuator, wobei über den ersten Aktuator ein erster Schaltvorgang des Schaltelements, nämlich eine axiale Bewegung des
Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, aktuier- bar ist, einen elektromagnetischen zweiten Aktuator, wobei über den zweiten Aktuator ein zweiter Schaltvorgang, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar ist, und einen Haltemechanismus, wobei das Schaltelement über den Haltemechanismus in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten ist und wobei der Haltemechanismus derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement bei Aktuierung des ersten Schaltvorgangs über den ersten Aktuator und bei Aktuierung des zweiten Schaltvorgangs über den zweiten Aktua- tor entriegelt wird. Erfindungsgemäß umfasst die Aktuatoranordnung ein Schaltelement, einen elektromagnetischen ersten Aktuator, einen elektromagnetischen zweiten Aktuator sowie einen Haltemechanismus.
Das Schaltelement ist erfindungsgemäß verdrehfest jedoch axial bewegbar auf einem Antriebselement, beispielsweise einer ersten Welle, angeordnet.
Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer Drehachse des Antriebselements.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Schaltelement axial wahlweise in eine erste Schaltstellung und in eine zweite Schaltstellung bewegbar, wobei in der ersten Schaltstellung des Schaltelements das Antriebselement mit einem Abtrieb- selement, beispielsweise einer zweiten Welle, antriebswirksam verbunden ist und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements das Antriebselement mit dem Abtriebselement nicht antriebswirksam verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist über den ersten Aktuator ein erster Schaltvorgang des Schaltelements, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, und über den zweiten Aktuator ein zweiter Schaltvorgang, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar. Die erfindungsgemäße Aktuatoranordnung umfasst weiterhin einen Haltemechanismus, wobei das Schaltelement über den Haltemechanismus in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten ist und wobei der Haltemechanismus derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement bei Aktuierung des ersten Schaltvorgangs über den ersten Aktuator und bei Aktuie- rung des zweiten Schaltvorgangs über den zweiten Aktuator entriegelt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Aktuatoranordnung ist es möglich auf einfache Art und Weise eine effiziente und hochdynamische Schaltung des Schaltelements und insbesondere ein energieoptimiertes Halten der erwünschten Schaltstellung des Schaltelements zu realisieren. Elektrische Hilfsenergie wird lediglich für die Aktuierung des ersten Schaltvorgangs und des zweiten Schaltvorgangs benötigt, d.h. lediglich zur Steuerung der Schaltvorgänge. Die für die Bewegung des Schaltelements notwendige Energie wird zum wesentlichen Teil dem rotierenden Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs entnommen.
Durch entsprechende Ausführung der elektromagnetischen Aktuatoren ist je nach Ausfall-Anforderung ein bistabiles Verhalten („stay silent") oder ein stromlos geschlossenes Verhalten („normally closed") der erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung darstellbar.
Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße Aufbau der Aktuatoranordnung, insbesondere des Haltemechanismus, durch einen konstruktiv einfachen Aufbau aus. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Bevorzugt weist das Schaltelement an seiner Außenumfangsfläche eine erste Steuergeometrie auf, wobei die erste Steuergeometrie des Schaltelements einen ersten Steuerabschnitt und einen zweiten Steuerabschnitt aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Haltemechanismus derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement in der ersten Schaltstellung über einen mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff des ersten Aktua- tors in die erste Steuergeometrie des Schaltelements entriegelt wird. Der Haltemechanismus umfasst vorzugsweise ein zweites Halteelement, wobei das zweite Halteelement an seiner Außenumfangsfläche eine zweite Steuergeometrie aufweist und der Haltemechanismus derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement in der zweiten Schaltstellung über einen mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff des zweiten Aktuators in die zweite Steuergeometrie des zweiten Halteelements entriegelt wird.
Vorzugsweise umfasst der erste Aktuator einen entlang einer ersten Längsachse bewegbaren ersten Pin, wobei das Schaltelement über den Eingriff des ersten Pins in den ersten Steuerabschnitt der ersten Steuergeometrie axial von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegbar ist.
Weiterhin stellt sich der erste Pin des ersten Aktuators in der zweiten Schaltstel- lung des Schaltelements über den zweiten Steuerabschnitt der ersten Steuergeometrie selbstständig in eine Ruhestellung zurück.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeich nungen beschrieben. zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung während einem ersten Schaltvorgang. zeigt eine weitere perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung gemäß Fig. 1 während einem ersten Schaltvorgang. Fig. 3 zeigt eine Längsansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung aus Sicht von Punkt„X" in Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Queransicht einer erfindungsgemäßen Aktua- toranordnung aus Sicht von Punkt„Y" in Fig. 3.
Fig. 5 zeigt eine Queransicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung aus Sicht von Punkt„Z" in Fig. 3. Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung entlang der Schnittebene„H-H" in Fig. 4 mit einem Schaltelement in einer ersten Schaltstellung.
Fig. 7 zeigt ein Detailschnittansicht aus der Schnittansicht in Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine weitere Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Aktuatoranordnung entlang der Schnittebene„G-G" in Fig. 3 mit einem Schaltelement in einer ersten Schaltstellung. Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung entlang der Schnittebene„H-H" in Fig. 4 mit einem Schaltelement in einer zweiten Schaltstellung.
Fig. 10 zeigt eine Detailschnittansicht aus der Schnittansicht in Fig.
9.
Fig. 1 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung entlang der Schnittebene„H-H" in Fig. 4 während einem ersten Schaltvorgang. zeigt eine weitere Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung während einem ersten Schaltvorgang. zeigt eine Detailschnittansicht aus der Schnittansicht in Fig. 12. zeigt eine weitere Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung entlang der Schnittebene„G-G" in Fig. 3 während einem ersten Schaltvorgang. zeigt eine Detailschnittansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung während einem zweiten Schaltvorgang. zeigt eine Detailschnittansicht einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung nach Abschluss eines zweiten Schaltvorgangs. zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schaltelements. zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schaltelements. zeigen weitere Detailansichten eines Schaltelements. zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Halteelements.
Fig. 22 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dritten elastischen
Elements. zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Halteele- ments. zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Halteele- ments in einer weiteren Ausführungsform. zeigt eine Hubkurve eines ersten Steuerabschnitts einer ersten Steuergeometrie in Abhängigkeit von einer Winkelpo sition. (axialer Hub vs. Drehwinkel) zeigt eine Hubkurve eines zweiten Steuerabschnitts einer ersten Steuergeometrie in Abhängigkeit von einer Winkelpo sition. (radialer Hub vs. Drehwinkel) zeigt eine Kraftfahrzeugarchitektur mit einer beispielhaften Applikation einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In Fig. 1 bis Fig. 23b ist eine beispielhafte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung 1 in unterschiedlichen Detaillierungen, Schaltstellungen sowie Perspektiven dargestellt. Fig. 25 zeigt eine beispielhafte Kraftfahrzeugarchitektur mit einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung 1 .
Die in Fig. 1 bis Fig. 23b dargestellte beispielhafte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung 1 dient der wahlweisen Betätigung einer schaltbaren Kupplung zwischen einem Antriebselement (nicht dargestellt) und einem Abtriebselement (nicht dargestellt), so dass wahlweise Drehmoment von -l o
dern Antriebselement auf das Abtriebselement und/oder umgekehrt übertragen werden kann.
Die Aktuatoranordnung 1 umfasst ein Schaltelement 2, einen elektromagnetischen ersten Aktuator 3, einen elektromagnetischen zweiten Aktuator 4 sowie einen Haltemechanismus 5.
Das Schaltelement 2 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schaltmuffe, ausgebildet und weist drei im Wesentlichen holzylindrische Abschnitte, nämlich einen ersten Abschnitt 20, einen zweiten Abschnitt 21 sowie einen dritten Abschnitt 22, unterschiedlichen Durchmessers auf. Der erste Abschnitt 20 grenzt einseitig an den zweiten Abschnitt und der zweite Abschnitt 21 grenzt einseitig an den dritten Abschnitt 22. Das in Fig. 17 dargestellte Schaltelement 2 ist stufenförmig ausgebildet - der Durchmesser des ersten Abschnitts 20 kleiner ist als der Durchmesser des zweiten Abschnitts 21 und der Durchmesser des zweiten Abschnitts kleiner ist als der Durchmesser des dritten Abschnitts 22.
Das Schaltelement 2 ist über eine an der Innenumfangsfläche des Schaltelements 2 im Bereich des ersten Abschnitts 20 des Schaltelements 2 ausgebildete Mit- nahmeverzahnung 23 verdrehfest jedoch axial verschiebbar auf dem Antriebselement angeordnet.
Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer Drehachse 14 Antriebselements.
Das Schaltelement 2 weist an seiner Außenumfangsfläche im Bereich des ersten Abschnitts 20 eine erste Steuergeometrie 12 auf, wobei sich die erste Steuergeometrie 12 aus einem ersten Steuerabschnitt 24 und einem zweiten Steuerabschnitt 25 zusammensetzt. Weiterhin weist das Schaltelement 2 in seiner Außenumfangsfläche im Bereich des zweiten Abschnitts 21 mehrere, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vier, umfänglich gleichmäßig verteilte Durchführungsöffnungen 19 auf. (Fig. 17) Das Schaltelement 2 ist axial wahlweise in eine erste Schaltstellung und in eine zweite Schaltstellung bewegbar.
In der ersten Schaltstellung des Schaltelements 2 ist das Antriebselement mit dem Abtriebselement antriebswirksam verbunden. Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 zeigen un- terschiedliche Darstellungen der Aktuatoranordnung 1 in der ersten Schaltstellung des Schaltelements 2.
In der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2 ist das Antriebselement mit dem Abtriebselement nicht antriebswirksam verbunden. Fig. 9 und Fig. 10 zeigen unterschiedliche Darstellungen der Aktuatoranordnung 1 in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2.
Sowohl der erste Aktuator 3, wie auch der zweite Aktuator 4 der Aktuatoranordnung 1 ist als Elektromagnet ausgeführt.
Über den ersten Aktuator 3 wird ein erster Schaltvorgang des Schaltelements 2, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements 2 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, ausgelöst. (Fig. 1 - Fig. 5; Fig. 1 1 -Fig. 14)
Über den zweiten Aktuator 4 wird ein zweiter Schaltvorgang des Schaltelements 2, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements 2 von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, ausgelöst. (Fig. 15, Fig. 16) Über den Haltemechanismus 5 der Aktuatoranordnung 1 wird das Schaltelement 2 in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten. Der Haltemechanismus 5 umfasst ein erstes elastisches Element 6, ein erstes Halteelement 9 und ein zweites Halteelement 10. (Fig. 6)
Das erste elastische Element 6 ist als Druckfeder ausgebildet und auf dem Antriebselement, koaxial zu dem Schaltelement 2, zwischen einem im Bereich des ersten Abschnitts 20 des Schaltelements 2 ausgebildeten Anschlag 26 und einem fest auf dem Antriebselement angeordneten Anschlag (nicht dargestellt) angeordnet (Fig. 6). Vermittels der Kraft des ersten elastischen Elements 6 wird das Schaltelement 2 axial in die erste Schaltstellung gedrückt und in der ersten
Schaltstellung mechanisch gehalten.
Das erste Halteelement 9 ist ringförmig ausgebildet und verdrehfest sowie ortsfest auf dem Antriebselement, koaxial zu dem Schaltelement 2, angeordnet. Das Schaltelement 2 umgibt das erste Halteelement 9 und ist im Bereich des zweiten Abschnitts 21 relativ zu dem ersten Halteelement 9 axial entlang dem Antrieb- selement verschiebbar. Das erste Halteelement 9 weist entlang seines Außenum- fangs gleichmäßig verteilt mehrere, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vier, zweite elastische Elemente 7 auf. Die zweiten elastischen Elemente 7 sind als Federzungen ausgebildet, deren Federkraft radial in Richtung zu dem Innenmantel des Schaltelements 2 wirkt. (Fig. 23a) Alternativ dazu kann das erste Halteele- ment 9 auch aus einer Anordnung mehrerer einzelner zweiter elastischer Elemente 7 (Fig. 23b) oder aus federbelasteten Druckstücken bestehen.
Das zweite Halteelement 10 ist ringförmig ausgebildet und verdrehbar jedoch ortsfest, über einen Sicherungsring 27 gesichert, im Bereich des zweiten Ab- Schnitts 21 auf dem Schaltelement 2 angeordnet. Das zweite Halteelement 10 verdeckt die im Bereich des zweiten Abschnitts 21 des Schaltelements 2 ausgebildeten Durchführungsöffnungen 19. Das zweite Halteelement 10 weist eine Haltegeometrie 1 1 sowie eine zweite Steuergeometrie 13 auf. Die Haltegeometrie 1 1 ist an dem zweiten Halteelement 10 innenumfänglich ausgebildet und die zweite Steuergeometrie 13 ist an dem zweiten Halteelement 10 außenumfänglich ausgebildet. Weiterhin ist an der Innenumfangsfläche des zweiten Halteelements 10 eine Abschrägung 28 ausgebildet. Die Innenumfangsfläche des zweiten Halteelements ist somit teilweise durch die Haltegeometrie 1 1 und teilweise durch die Abschrägung 28 ausgebildet. Die zweite Steuergeometrie 13 ist als außenumfäng- lieh verlaufende Verzahnung ausgebildet. Die Haltegeometrie 1 1 setzt sich aus einer innenumfänglich verlaufenden Verzahnung und der innenumfänglich verlaufenden Nut 31 zusammen, wobei die innenumfängliche Verzahnung durch die Nut 31 in einen ersten Verzahnungsbereich 32 und einen zweiten Verzahnungsbereich 33 geteilt wird. Der erste Verzahnungsbereich 32 ist dabei einerseits durch die innenumfängliche Abschrägung 28 und andererseits durch die innenumfängliche Nut 31 begrenzt. (Fig. 21 )
Weiterhin umfasst der Haltemechanismus 5 ein drittes elastisches Element 8. Das dritte elastische Element 8 ist als eine Drehfeder ausgebildet und weist eine Klin- kengeometrie 29 auf. Durch Verdrehen des dritten elastischen Elements 8 um eine zweite Drehachse 30 kann die Klinkengeometrie 29 mit der zweiten Steuergeometrie 13 in Eingriff gebracht werden. Die Verdrehung des dritten elastischen Elements 8 ist über den zweiten Aktuator 4 aktuierbar. (Fig. 22) Alternativ dazu kann das dritte elastische Element 8 auch mehrteilig, beispielsweise als Kombina- tion einer Schraubenfeder mit einer um eine Drehachse schwenkbaren Klinke, ausgeführt werden.
Der erste Schaltvorgang, nämlich der Übergang des Schaltelements 2 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, wird durch eine Zustandsände- rung des ersten Aktuators 3 ausgelöst (Fig. 1 -Fig. 5; Fig. 1 1 -Fig. 14). Die Energie für die axiale Bewegung des Schaltelements 2 aus der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wird über das drehende Antriebselement bereitgestellt.
Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 zeigen das Schaltelement 2 in einer ersten Schaltstellung. In der ersten Schaltstellung des Schaltelements 2 befinden sich die zweiten elastischen Elemente 7 des ersten Halteelements 9 und das erste elastische Element 6 in einer entspannten Endlage. Das dritte elastische Element 8 ist über den zweiten Aktuator 4 gespannt. Die zweiten elastischen Elemente 7 des ersten Halteelements 9 erstrecken sich jeweils durch die jeweilige Durchführungsöffnung 19 im Bereich des zweiten Abschnitts 21 des Schaltelements 2 radial in Richtung zu der Abschrägung 28 an der Innenumfangsfläche des zweiten Halteelements 10.
Der erste Aktuator 3 weist eine erste Spule, je nach Ausführung, d.h. je nach gewünschtem Verhalten der Aktuatoranordnung 1 im stromlosen Zustand, eine erste Feder oder einen ersten permanentmagnetischen Anker sowie einen ersten Pin 17 auf. Bei Bestromung der ersten Spule führt der erste Pin 17 ausgehend von einer Ruheposition entgegen der Kraft der ersten Feder oder entgegen der Kraftwirkung des permanentmagnetischen Feldes eine lineare Bewegung entlang einer ersten Längsachse 15, nämlich der Längsachse des ersten Aktuators 3, in Richtung zu dem Schaltelement 2 aus und greift in seiner Endposition in die erste Steuergeometrie 12 im Bereich des ersten Abschnitts 20 der Schaltelements 2 ein. Durch eine entsprechende Gestaltung des axial wirksamen ersten Steuerabschnitts 24 der ersten Steuergeometrie 12 (Fig. 24a) erfährt das Schaltelement 2 bei Drehung um die erste Drehachse 14, nämlich die Drehachse des Antriebselements, eine axiale Hubbewegung. Am Ende der axialen Hubbewegung erfolgt eine Rückstellung des ersten Pins 17 durch den radial wirksamen zweiten Steuerabschnitt 25 der ersten Steuergeometrie 12 (Fig. 24b). Während des ersten Schaltvorganges wird das erste elastische Element 6 entgegen seiner Kraft gespannt. Weiterhin werden während des ersten Schaltvorgangs die zweiten elastischen Elemente 7 des ersten Halteelements 9 aufgrund der axialen Bewegung des Schaltelements 2 und somit des zweiten Halteelements 10 von dem zweiten Halteelement 10 überdrückt. In der zweiten Schaltstellung des Schaltelements greifen die zweiten elastischen Elemente 7 des ersten Halteelements 9 jeweils in die Haltegeometrie 1 1 , genauer in die Nut 31 der Haltegeometrie 1 1 und in den zweiten Verzahnungsbe- reich 33 der Haltegeometrie 1 1 , ein, wodurch das Schaltelement in der zweiten Schaltstellung gehalten wird. Die zweiten elastischen Elemente 7 des ersten Halteelements 9 arretieren am Ende des ersten Schaltvorganges die Endlage des ersten Schaltelements 2, nämlich die zweite Schaltstellung des Schaltelements 2, entgegen der axial wirkenden Federkraft des vorgespannten ersten elastischen Elements 6. Das zweite Halteelement 10 wird in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements durch den Eingriff der zweiten elastischen Elemente 7 in die Haltegeometrie 1 1 des zweiten Halteelements 10 rotatorisch mit dem Schaltelement 2 mitbewegt - in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2 rotieren somit das Schaltelement 2 und das zweite Halteelement 10 gleichförmig um die erste Dreh- achse 14.
Als mechanische Schutzfunktion gegen unzulässiges Schalten unter Last, d.h. bei Einleitung des ersten Schaltvorganges bei Betriebszuständen mit unzulässig hohem am Schaltelement 2 anliegenden Drehmoment, kann der erste Pin 17 des ersten Aktuators 3 kegelig ausgeführt werden. Der Kegelwinkel des kegelig ausgeführten ersten Pins 17 bewirkt eine in Richtung der ersten Längsachse 15 und entgegen der Magnetkraft wirkende Kraftkomponente als Schutz gegen unzulässig hohe Querkräfte auf den ersten Pin 17. Eine Änderung des Schaltwunsches während dem ersten Schaltvorgang kann durch die kegelige Ausführung des ersten Pins 17 des ersten Aktuators 3 somit jederzeit durch Übertragung eines Antriebsdrehmoments auf das Antriebselement, beispielsweise durch entsprechende Drehmomentvorgabe an einem im Kraftfluss dem Antriebselement vorgelagerten Verteilergetriebe 36, erzwungen werden (Fig. 25). Der erste Schaltvorgang kann in zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Schaltphasen unterteilt werden. Eine erste Schaltphase dient der Schaltbewegung des Schaltelements 2 in Richtung der Drehachse 14 von einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung. Eine zweite Schaltphase dient der Rückstellung des ersten Pins 17 des ersten Aktuators 3 in Richtung der ersten Längsachse 15 in seine Ruheposition. Der erste Steuerabschnitt 24 der ersten Steuergeometrie 12 an der Außenumfangsfläche im Bereich des ersten Abschnitts 20 des Schaltelements 2 dient der Durchführung der Schaltbewegung des Schaltelements 2 (Schalthub). Der zweite Steuerabschnitt 25 der ersten Steuergeometrie 12 an der Außenumfangsfläche im Bereich des ersten Abschnitts 20 des Schaltelements 2 dient der Rückstellung des ersten Pins 17 des ersten Aktuators 3 (Rückstellhub). Die Ausbildung des ersten Steuerabschnitts 24 und des zweiten Steuerabschnitts 25 lässt sich in vorteilhafter Weise aus den kinematischen Größen der zu bewegenden Komponenten, nämlich des Schaltelements 2 und des ersten Pins 17 des ersten Aktuators 3, ableiten. Durch Vorgabe der relativen Beschleunigungsverläufe und Berücksichtigung von Randbedingungen für Beschleunigung, Geschwindigkeit und Hub entlang der jeweiligen Richtungen für die Schaltbewegung des Schaltelements 2 und für die Rückstellbewegung des ersten Pins 17 in seine Ruheposition lässt sich auf die Kontur des ersten Steuerabschnitts 24 sowie des zweiten Steuerabschnitts 25 schließen. Als Optimierungskriterien dienen beispielsweise die Maximalwerte für Beschleunigung und Ruck sowie die Vermeidung von Unstetigkeiten im Ruckverlauf. Somit kann die optimale Steuerkontur für den ersten Steuerabschnitt 24 und für den zweiten Steuerabschnitt 25 aus einem vorgegebenen Beschleunigungsverlauf und entsprechenden Randbedingungen abgeleitet werden. Daraus ergibt sich eine für eine hohe Schaltdynamik optimal geeignete Steuerkontur des ersten Steuerabschnitts 24 und des zweiten Steuerabschnitts mit geringer dynamischer Beanspruchung der Bauteile, geringem Verschleiß und günstigem„NVH"-Verhalten der Aktuatoranordnung 1 .„NVH" hat steht für„noise, Vibration, harshness" und gilt als Sammelbegriff für als Geräusch hörba- re und/oder als Vibration spürbare Schwingungen in Kraftfahrzeugen. Konkret erfolgt die Definition des Beschleunigungsverlaufs (Schalthub, Rückstellhub) beispielsweise in Abhängigkeit vom Drehwinkel über zweimal stetig differenzierbare Funktionen, beispielsweise durch Vorgabe von Stützstellen kubischer Spline- Funktionen. Zusätzliche Vornockenbereiche A am ersten Steuerabschnitt 24 und Vornockenbereiche K, M am zweiten Steuerabschnitt 25 ermöglichen zudem das abhängig von Toleranzen und sich mit der Temperatur und dem Verschleiß ändernde Spiel zwischen dem ersten Pin 17 und der ersten Steuergeometrie 12 sowie Systemelastizitäten zu Hubbeginn zu überwinden (Fig. 18 - Fig. 20; Fig. 24a, Fig. 24b). In diesem Bereich des Steuervorganges kommt der erste Pin 17 mit der ersten Steuergeometrie 12 in Kontakt und das System wird vorgespannt. Anschließend erfolgt die Beschleunigungsphase des zweiten Steuerabschnitts 25 bis die maximale Geschwindigkeit des Schaltelements 2 erreicht ist. Im Anschluss daran wird die Verzögerungsphase eingeleitet und das Schaltelement 2 bis zum Stillstand abgebremst - der gesamte Beschleunigungsverlauf des ersten Schalt- Vorganges setzt sich somit aus mehreren Teilbereichen zusammen. (Fig. 24a, Fig. 24b).
Fig. 24a zeigt den qualitativen Verlauf der über den Drehwinkel dargestellten Hubkurve des ersten Steuerabschnittes 24 der ersten Steuergeometrie 12 mit Unter- teilung in mehrere Teilbereiche. Der Bereich F entspricht dabei der ersten Schaltstellung, der Bereich D entspricht der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2. Der Übergangsbereich von erster zu zweiter Schaltstellung wird in Vorwärts- Drehrichtung (Pfeilrichtung FW) durch einen Vornockenbereich A (Vornockenhub sa,v) des ersten Steuerabschnitts 24 und einen Hauptnockenbereich B (Schalthub Sa.max) des ersten Steuerabschnitts 24beschrieben. In Rückwärts-Drehrichtung (Pfeilrichtung BW) wird der Übergang von der ersten in die zweite Schalstellung lediglich durch einen Hauptnockenbereich E des ersten Steuerabschnitts 24 beschrieben. Zufolge der in Rückwärts-Drehrichtung im Allgemeinen geringeren Drehzahlen wird in dieser Drehrichtung auf einen Vornockenbereich verzichtet und die Steigung des Hauptnockenbereichs E steiler ausgeführt. Fig. 24b zeigt den qualitativen Verlauf der über den Drehwinkel dargestellten Hubkurve des zweiten Steuerabschnittes 25. Der Winkelbereich K kennzeichnet den bei Vorwärts-Drehrichtung (Pfeilrichtung FW") des Schaltelements 2 wirksamen Vornockenbereich (Vornockenhub sr,v), der Winkelbereich L kennzeichnet den darauf folgenden Hauptnockenbereich (Schalthub sr,max) des zweiten Steuerabschnitts 25. Analog dazu kennzeichnet M den Vornockenbereich und N den Hauptnockenbereich des zweiten Steuerabschnitts 25bei Rückwärts-Drehrichtung (Pfeilrichtung BW") des Schaltelements 2. Eine entsprechende Darstellung der ersten Steuergeometrie 12 mit erstem Steuerabschnitt 24 und zweitem Steuerabschnitt 25 des Schaltelements 2 ist aus den Figuren 17 bis 20 ersichtlich.
Die Ausführung des ersten Steuerabschnitts 24 und des zweiten Steuerabschnitts 25 der ersten Steuergeometrie 12 ermöglicht weiterhin die Auswertung des Aus- wurfsignals als die in der ersten Spule des ersten Aktuators 3 während des Rückstellhubs des ersten Pins 17 induzierte Spannung, wodurch eine erfolgreiche Schaltung vom ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand von einem Steuergerät rückgemeldet werden kann (Winkelbereich S). Der zweite Schaltvorgang, nämlich der Übergang des Schaltelements 2 von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, wird durch eine Zustandsände- rung des ersten Aktuators 4 ausgelöst (Fig. 15, Fig. 16). Die Energie für die axiale Bewegung des Schaltelements 2 aus der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung wird über das in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements 2 vorgespannte erste elastische Element 6 bereitgestellt.
Der zweite Aktuator 4 weist eine zweite Spule, je nach Ausführung einen ferro- magnetischen oder einen permanentmagnetischen Anker sowie einen zweiten Pin 18 auf. Bei Bestromung der zweiten Spule führt der zweite Pin 18 ausgehend von einer Ruheposition entgegen der Kraft des ferromagnetischen oder permanent- magnetischen Feldes eine lineare Bewegung entlang einer zweiten Längsachse 16, nämlich der Längsachse des zweiten Aktuators 4, aus.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen das Schaltelement 2 in einer zweiten Schaltstellung. Das dritte elastische Element 8 ist vermittels des zweiten Pins 18 entgegen der Kraft des dritten elastischen Elements 8 in eine Position vorgespannt, in der die Klinkengeometrie 29 frei ist und nicht in die zweite Steuergeometrie 13 an der Außen- umfangsfläche des zweiten Halteelements 10 eingreift. (Fig. 16) Für die Auslösung des zweiten Schaltvorganges wird die Elektromagnetspule des zweiten Aktuators 4, je nach Ausführung des zweiten Aktuators 4, stromlos geschaltet oder gegenbestromt. In der Folge wird der zweite Pin 18 des zweiten Aktuators 4 von der Ruheposition in eine Endposition bewegt und gleichzeitig wird die Klinkengeometrie 29 des dritten elastischen Elements 8 über die in dem dritten elastischen Element 8 gespeicherte Energie in Eingriff mit der an der Außenum- fangsfläche des zweiten Halteelements 10 ausgebildeten zweiten Steuergeometrie 13 gebracht. Dies bewirkt eine Verdrehung des zweiten Halteelements 10 relativ zum Schaltelement 2, wodurch die zweiten elastischen Elemente 7 des ersten Halteelements 9 vermittels der an dem zweiten Halteelement 10 ausgebildeten Haltegeometrie 1 1 radial nach innen, in Richtung zu der ersten Drehachse 14, gedrückt werden. Vermittels der im ersten elastischen Element 6 gespeicherte Energie erfolgt die axiale Bewegung des Schaltelements 2 von einer zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung. Am Ende des zweiten Schaltvorganges, nämlich in der ersten Schaltstellung des Schaltelements 2, befinden sich die zwei- ten elastischen Elemente 7 des ersten Halteelements 9 und das erste elastische Element 6 in einer entspannten Endlage. Das dritte elastische Element 8 wird durch eine erneute Zustandsänderung des zweiten Aktuators 4 wieder gespannt, womit der zweite Schaltvorgang abgeschlossen ist. (Fig. 16) Fig. 25 zeigt eine beispielhafte Kraftfahrzeugarchitektur mit einer längs zur Fahrtrichtung angeordneten Verbrennungskraftmaschine 34, welche, neben der Verbrennungskraftmaschine 34, als wesentliche leistungsübertragende Komponenten ein Hauptgetriebe 35, ein Verteilergetriebe 36, ein Vorderachsgetriebe 39, ein Hinterachsgetriebe 40 sowie vordere und hintere Seitenwellen 41 , 42 umfasst. Im Allradbetrieb, auch als„4WD"-Betrieb bezeichnet, erfolgt über das Verteilergetriebe 36 eine bedarfsgerechte Verteilung des Antriebsmomentes auf die vorderen Seitenwellen 41 und die hinteren Seitenwellen 42. Die Begrifflichkeit„4WD" steht für„four wheel drive" und beschreibt einen Kraftfahrzeugantrieb über zumindest zwei Kraftfahrzeugachsen, in dem in Fig. 25 gezeigten Beispiel eine Hinterachse 46 und eine Vorderachse 45.
Im„2WD"-Betrieb, hier dem Antrieb über eine Hinterachse 46, erfolgt die Leis- tungsübertragung durch das Verteilergetriebe 36 zur Gänze über die hintere Kardanwelle 37 auf die Hinterräder des Kraftfahrzeuges. Die als Koppelelement ausgeführte„Disconnecf'-Einheit 43 ermöglicht in diesem Betriebszustand - mit Hilfe der erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung 1 - eine gänzliche Stillegung des Winkeltriebs im Vorderachsgetriebe 39 sowie der vorderen Kardanwelle 38, wodurch ein ökonomischer„2WD"-Betrieb durch Reduktion unnötiger Schleppverluste gewährleistet wird.
Die Begrifflichkeit„2WD" steht für„two wheel drive" und beschreibt einen Kraftfahrzeugantrieb über lediglich eine Kraftfahrzeugachse, in dem in Fig. 25 gezeig- ten Beispiel die Hinterachse 46 oder die Vorderachse 45.
Die Steuerung der„Disconnecf'-Einheit 43 und somit der erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung 1 erfolgt durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt) über eine elektrische Steuerleitung 44. Bezugszeichenliste
1 Aktuatoranordnung
2 Schaltelement
3 Erster Aktuator
4 Zweiter Aktuator
5 Haltemechanismus
6 Erstes elastisches Element
7 Zweites elastisches Element
8 Drittes elastisches Element
9 Erstes Halteelement
10 Zweites Halteelement
1 1 Haltegeometrie
12 Erste Steuergeometrie
13 Zweite Steuergeometrie
14 Erste Drehachse (Drehachse des Antriebselements)
15 Erste Längsachse (Längsachse des ersten Aktuators)
16 Zweite Längsachse (Längsachse des zweiten Aktuators)
17 Erster Pin
18 Zweiter Pin
19 Durchführungsöffnung
20 Erster Abschnitt
21 Zweiter Abschnitt
22 Dritter Abschnitt
23 Mitnahmeverzahnung
24 Erster Steuerabschnitt
25 Zweiter Steuerabschnitt
26 Anschlag
27 Sicherungsring 28 Abschrägung
29 Klinkengeometrie
30 Zweite Drehachse (Drehachse des dritten elastischen Elements)
31 Nut
32 Erster Verzahnungsbereich
33 Zweiter Verzahnungsbereich
34 Verbrennungskraftmaschine
35 Hauptgetriebe
36 Verteilergetriebe
37 Kardanwelle zur Hinterachse
38 Kardanwelle zur Vorderachse
39 Vorderachsgetriebe
40 Hinterachsgetriebe
41 Vordere Seitenwelle
42 Hintere Seitenwelle
43 „Disconnecf'-Einheit
44 Elektrische Steuerleitung
45 Vorderachse
46 Hinterachse
FW Schalthub bei Drehrichtung vorwärts
BW Schalthub bei Drehrichtung rückwärts
FW" Rückstellhub bei Drehrichtung vorwärts
BW" Rückstellhub bei Drehrichtung rückwärts
A Vornockenbereich des ersten Steuerabschnitts für den Schalthub bei
Vorwärts-Drehrichtung
B Hauptnockenbereich des ersten Steuerabschnitts für den Schalthub bei
Vorwärts-Drehrichtung D Neutrale Winkelposition (s = smax) des ersten Steuerabschnitts und/oder des zweiten Steuerabschnitts
E Hauptnockenbereich des ersten Steuerabschnitts für den Schalthub bei
Rückwärts-Drehrichtung
F Neutrale Winkelposition (s = smin) des ersten Steuerabschnitts und/oder des zweiten Steuerabschnitts
K Vornockenbereich des zweiten Steuerabschnitts für den Rückstellhub bei
Vorwärts-Drehrichtung
L Hauptnockenbereich des zweiten Steuerabschnitts für den Rückstellhub bei Vorwärts-Drehrichtung
M Vornockenbereich des zweiten Steuerabschnitts für den Rückstellhub bei
Rückwärts-Drehrichtung
N Hauptnockenbereich des zweiten Steuerabschnitts für den Rückstellhub bei Rückwärts-Drehrichtung
S Winkelbereich für die Auswertung des Rückstellsignals

Claims

Patentansprüche
Aktuatoranordnung (1 ) zur Steuerung von Schaltvorgängen in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend
- ein Schaltelement (2), wobei das Schaltelement (2) verdrehfest jedoch axial bewegbar, nämlich wahlweise in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung bewegbar, auf einem Antriebselement angeordnet ist, wobei in der ersten Schaltstellung des Schaltelements (2) das Antriebselement antriebswirksam mit einem Abtriebselement verbunden ist und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements (2) das Antriebselement nicht antriebswirksam mit dem Abtriebselement verbunden ist,
- einen elektromagnetischen ersten Aktuator (3), wobei über den ersten Aktuator (3) ein erster Schaltvorgang des Schaltelements (2), nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements (2) von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung, aktuierbar ist,
- einen elektromagnetischen zweiten Aktuator (4), wobei über den zweiten Aktuator (4) ein zweiter Schaltvorgang, nämlich eine axiale Bewegung des Schaltelements (2) von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung, aktuierbar ist, und
- einen Haltemechanismus (5), wobei das Schaltelement (2) über den Haltemechanismus (5) in der ersten Schaltstellung sowie in der zweiten Schaltstellung mechanisch gehalten ist und wobei der Haltemechanismus derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement (2) bei Aktuierung des ersten Schaltvorgangs über den ersten Aktuator (3) und bei Aktuierung des zweiten Schaltvorgangs über den zweiten Aktuator (4) entriegelt wird.
2. Aktuatoranordnung (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 , das das Schaltelement (2) an seiner Außenumfangsfläche eine erste Steuergeometrie (12) aufweist, wobei die erste Steuergeometrie (12) des Schaltelements (2) einen ersten Steuerabschnitt (24) und einen zweiten Steuerabschnitt (25) aufweist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Haltemechanismus (5) derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement (2) in der ersten Schaltstellung über einen mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff des ersten Aktuators in die erste Steuergeometrie (12) des Schaltelements (2) entriegelt wird.
Aktuatoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Haltemechanismus (5) ein zweites Halteelement (10) aufweist, wobei das zweite Halteelement (10) an seiner Außenumfangsfläche eine zweite Steuergeometrie (13) aufweist und der Haltemechanismus (5) derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement (2) in der zweiten Schaltstellung über einen mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff des zweiten Aktuators (4) in die zweite Steuergeometrie (13) des zweiten Halteelements (10) entriegelt wird.
Aktuatoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Aktu- ator (3) einen entlang einer ersten Längsachse (15) bewegbaren ersten Pin (17) aufweist, wobei das Schaltelement (2) über den Eingriff des ersten Pins (17) in den ersten Steuerabschnitt (24) der ersten Steuergeometrie (12) axial von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegbar ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der erste Pin (17) des ersten Aktuators (3) in der zweiten Schaltstellung des Schalt- elements (2) über den zweiten Steuerabschnitt (25) der ersten Steuergeometrie (12) selbstständig rückstellt.
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