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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors in eine translatorische Antriebsbewegung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung gemäß der im Patentanspruch 1 bzw. 13 näher definierten Art.
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Aus der
DE 10 2005 053 555 B3 ist eine Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs einer Antriebseinrichtung in eine translatorische Antriebsbewegung bekannt, die als ein sogenanntes Kugel-Rampe-System ausgeführt ist. Bei solchen Kugel-Rampe-Systemen werden üblicherweise jeweils eine rotatorische Drehbewegung einer ersten, mit einem Elektromotor verbundenen Einrichtung bzw. Rampenscheibe in eine axiale Verstellbewegung einer zweiten, nicht drehenden Einrichtung bzw. Rampenscheibe umgesetzt. Vorteilhafterweise stellen Kugel-Rampe-Systeme eine hohe Übersetzung bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf, insbesondere bei Anordnung um eine rotierende Achse herum, zur Verfügung.
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Aus
DE 101 12 570 B4 ist eine elektrisch angetriebene Scheibenbremse zum Erzeugen einer Bremskraft durch eine Drehkraft eines elektrischen Motors bekannt.
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Aus
DE 10 2008 051 450 B4 ist eine Drehmomentübertragungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb dazu dient, einen Teil des von einer Antriebseinheit bereitgestellten Antriebsmoments wahlweise auf eine Sekundärachse zu übertragen.
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Aus
DE 698 03 527 T2 ist eine Kugel-Rampen-Kupplungsbetätigungsvorrichtung eines Antriebsstranges mit unidirektioneller Betätigung bekannt.
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Auf ihren einander zugewandten Stirnflächen weisen die Rampenscheiben jeweils eine gleich große Anzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelbahnen auf, deren Kugelbahn mit variierender Steigung ausgeführt ist. Während einer Ansteuerung eines Kugel-Rampe-Systems wird durch Verdrehen der rotierenden Rampenscheibe als Regelziel entweder eine axiale Position oder eine axiale Kraft der nicht drehenden Rampenscheibe verwendet. Zur Einstellung der axialen Position der nicht drehenden Rampenscheibe wird in der Regel ein Verdrehwinkel des Elektromotors gemessen, von dem ausgehend möglichst exakt auf die axiale Position der nicht drehenden Rampenscheibe geschlossen werden kann.
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Alternativ hierzu sind auch Lösungen bekannt, bei welchen der axiale Stellweg eines Kugel-Rampe-Systems direkt durch ein geeignetes Messgerät, beispielsweise im Bereich der nicht drehenden Rampenscheibe, messtechnisch ermittelt wird. Die Regelung eines sogenannten DC-Elektromotors mit inkrementellem Verdrehwinkel-Sensor benötigt in Anwendung mit einer Positionierungsaufgabe eine Verdrehwinkelinitialisierung vor der ersten Umsetzung einer Positionsregelaufgabe und benötigt viel Bauraum und erhöht die Herstellkosten
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Des Weiteren sind aus der Praxis DC-Elektromotoren ohne Verdrehwinkel-Sensor bekannt. Hierbei erfolgt im Betrieb eines Kugel-Rampe-Systems eine Schätzung des Drehmomentes und der Drehzahl des Elektromotors gleichzeitig im laufenden Betrieb ohne Verdrehwinkel-Sensor unter Verwendung einer den Betriebszustand des Elektromotors abbildenden Elektromotor-Differentialgleichung und einer Auswertung der jeweils angelegten Elektromotor-Klemmenspannung und des Elektromotorstromes.
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Nachteilhafterweise ist diese Vorgehensweise jedoch sehr ungenau, da durch den stark veränderlichen und nicht messbaren Widerstand des Bürstenapparats des DC-Elektromotors eine hohe Messungenauigkeit entsteht.
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Bei einer Kombination mit einem Kugel-Rampe-System kann dadurch nur grob auf das abgegebene Drehmoment und die Drehzahl der drehenden Rampenscheibe geschlossen werden. Daher muss bei der Schätzung der Position durch Integration der Drehzahl das Kugel-Rampe-System möglichst oft initialisiert werden, um die Schätzung genau zu halten.
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Zum Erkennen eines Initialisierungspunktes bei DC-Elektromotoren ohne Verdrehwinkel-Sensorik oder inkrementalem Verdrehwinkelgeber in Verbindung mit einem Kugel-Rampe-System sind aus der Praxis verschiedene Vorgehensweisen bekannt. Bei den bekannten Vorgehensweisen wird der Elektromotor in eine Richtung angetrieben und die Wälzkörper werden dabei gegen Bereiche der Kugelbahnen geführt, bis der Elektromotor zum Stillstand kommt, wobei bei Erreichen des Stillstandes des Elektromotors ein Initialisierungspunkt ermittelt wird. Diese Art der Initialisierung ist jedoch unerwünschterweise zeitaufwändig. Des Weiteren sind Kugel-Rampe-Systeme in der Regel nur dann in gewünschtem Umfang mit mehreren Initialisierungspunkten ausführbar, wenn ausreichend Bauraum zur Verfügung steht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bauraum- und kostengünstige Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors in eine translatorische Antriebsbewegung sowie ein einfach durchführbares Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 13 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wandeln eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors in eine translatorische Antriebsbewegung mit einer ersten, mit dem Elektromotor koppelbaren und von diesem in Drehung versetzbaren Einrichtung und mit einer zweiten, drehfest ausgeführten Einrichtung, die über Wälzkörper miteinander in Wirkverbindung stehen, ist ein axialer Abstand zwischen den Einrichtungen über eine Relativdrehbewegung zwischen den Einrichtungen und den dabei auf Bahnbereichen mit definierten Steigungen in definierter Richtung abwälzenden Wälzkörpern variierbar.
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Erfindungsgemäß sind die Bahnbereiche jeweils mit wenigstens einem von den Wälzkörpern überfahrbaren Referenzsteigungsbereich ausgebildet, die beim Überfahren durch die Wälzkörper im Verlauf eines elektrischen Betätigungsstromes des Elektromotors ein Referenzsignal erzeugen.
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Mit anderen Worten weisen die Bahnbereiche jeweils wenigstens einen von den Wälzkörpern überfahrbaren Referenzsteigungsbereich auf, der so aufgeführt ist, dass er beim Überfahren durch die Wälzkörper im Verlauf eines elektrischen Betätigungsstromes des Elektromotors ein Referenzsignal bewirkt.
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Aufgrund der speziellen Bahngeometrie der Bahnbereiche mit wenigstens einem Referenzsteigungsbereich in Verbindung mit einem vorzugsweise als DC-Elektromotor ausgeführten Elektromotor ist eine Initialisierung der Vorrichtung während des Betriebes bzw. während der Bewegung der Einrichtungen bzw. Rampenscheiben der Vorrichtung auf einfache und bauraumgünstige Art und Weise ohne zusätzliche Verdrehwinkel-Sensorik oder ohne einen inkrementalen Verdrehwinkelgeber durchführbar.
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Beim Überfahren des Referenzsteigungsbereiches der Bahnbereiche durch die Wälzkörper wird die kinetische Energie des Elektromotors in potentielle Energie der nicht drehenden Einrichtung bzw. Rampenscheibe umgewandelt. Durch diese Umwandlung reduziert sich eine Drehzahl des Elektromotors bei großen Steigungen des Referenzsteigungsbereiches schnell bzw. schlagartig, ohne jedoch in den Stillstand überzugehen und einen elektromotorseitigen Antrieb des Kugel-Rampe-Systems zu unterbrechen. Aus der vorzugsweise schlagartigen Reduktion der Drehzahl des Elektromotors resultiert ein Abfall der aus der Drehzahl des Elektromotors induzierten Gegenspannung und somit ein wiederum damit korrespondierender schlagartiger Anstieg des Stroms des Elektromotors. Ein sprungartiger Anstieg des Stroms des Elektromotors tritt besonders ausgeprägt beim Überfahren eines Referenzsteigungsbereiches mit großer Steigung auf. Durch den Referenzsteigungsbereich kann in gewünschtem Umfang exakt auf den aktuell vorliegenden Verdrehwinkel der drehenden Einrichtung bzw. Rampenscheibe und somit auf den axialen Stellweg der nicht drehenden Rampenscheibe der Vorrichtung rückgeschlossen werden. Somit ist mittels der speziellen Geometrie der Bahnbereiche mit geringem Aufwand eine exakte Initialisierung bzw. Verdrehwinkelmessung während der Bewegung des Aktuators bzw. der Vorrichtung möglich.
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Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung der Vorrichtung mit den Referenzsteigungsbereichen der Bahnbereiche mit geringem konstruktivem Aufwand bei gleichzeitig niedrigem Bauraumbedarf die Einsparung eines Positionssensors und der damit korrespondierenden Verkabelung sowie den für den Betrieb eines Positionssensors erforderlichen konstruktiven Mehraufwand im Bereich der Kontaktierung und der mechanischen Integration in den Aktuator.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein positiver oder negativer Gradient der Steigung des Referenzsteigungsbereiches über dem Drehwinkel zwischen den Einrichtungen konstant, womit der Elektromotor in geringem Umfang belastet wird.
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Um die Initialisierung der Vorrichtung innerhalb geringer Betriebszeiten und kleiner Drehwinkelbereiche durchführen zu können, steigt ein Betrag des Gradienten der Steigung des Referenzsteigungsbereiches bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der definierten Wälzrichtung der Wälzkörper stetig an. Der stetige Anstieg des Betrags des Gradienten der Steigung des Referenzsteigungsbereiches führt dazu, dass eine am Elektromotor anliegende und aus dem Verlauf der Bahnbereiche resultierende Last bei einem positiven Gradienten über den Drehwinkel zunehmend ansteigt oder bei einem negativen Gradienten zunehmend abfällt, was über dem Drehwinkel bzw. der Relativdrehung zwischen den Einrichtungen der Vorrichtung zu einer schnelleren Änderung im Verlauf des Betätigungsstromes des Elektromotors führt, die dann entsprechend zur Initialisierung innerhalb kurzer Betriebszeiten zur Verfügung steht bzw. verwendet werden kann.
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Sind jeweils zwei in Umfangsrichtung der Einrichtungen aufeinander folgende Bahnbereiche für die Wälzkörper vorgesehen, die bei gleichsinniger Drehrichtung der Relativdrehbewegung zwischen den Einrichtungen jeweils nacheinander von den Wälzkörpern durchfahrbar sind, wobei der axiale Abstand zwischen den Einrichtungen beim Durchfahren der Bahnbereiche ausgehend vom Beginn des ersten Bahnbereiches bis zum Ende des ersten Bahnbereiches von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt und daran anschließend vom Beginn des zweiten Bahnbereiches, der direkt an das Ende des ersten Bahnbereiches anschließt, bis zum Ende des zweiten Bahnbereiches, an den sich wiederum ein Beginn des weiteren ersten Bahnbereiches anschließt, vom zweiten Wert wieder zurück auf den ersten Wert abnimmt, ist eine mit einer Verringerung des axialen Abstandes zwischen den Einrichtungen einhergehende translatorische Antriebsbewegung unabhängig von einer zu einer Vergrößerung des Abstandes äquivalenten translatorischen Betätigungsbewegung einstellbar, da hierfür zwei unterschiedliche Bahnbereiche durchfahren werden, die für die jeweils andere Stellbewegung nicht benötigt werden. Diese Lösung bietet auf konstruktiv einfache Art und Weise die Möglichkeit, eine Vergrößerung und eine Verkleinerung des axialen Abstandes zwischen den Einrichtungen über dem Drehwinkel mit unterschiedlichen Weg- und Kraftverläufen flexibel zu gestalten und an den jeweils vorliegenden Anwendungsfall anpassen zu können.
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Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Einrichtungen lediglich in eine Drehrichtung betätigt wird, ist der Elektromotor vorteilhafterweise klein dimensionierbar und damit bauraum- sowie kostengünstig ausführbar.
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Die Bahnbereiche sind bei vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der ersten Einrichtung und/oder im Bereich der zweiten Einrichtung ausgebildet. Dabei sind die Bahnbereiche bei kostengünstigeren Ausführungen lediglich im Bereich einer der Einrichtungen vorgesehen, während beide Einrichtungen mit Bahnbereichen ausgebildet sind, wenn über dem Drehwinkel der Einrichtungen zueinander größere translatorische Betätigungsbewegungen darzustellen sind.
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Um ein Betätigungsprofil einer mit der Vorrichtung zusammenwirkenden Baugruppe über einer Drehbewegung der Einrichtungen zueinander in gewünschtem Umfang einstellen zu können, weist wenigstens einer der Bahnbereiche mindestens zwei Bahnabschnitte mit unterschiedlicher Steigung auf.
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Weist wenigstens einer der Bahnbereiche einen als Rastbereich ausgebildeten Bahnabschnitt auf, mittels dem die Einrichtungen in einer zu einem definierten axialen Abstand zwischen den Einrichtungen äquivalenten Stellung zueinander haltbar sind, ist eine mit der Vorrichtung zusammenwirkende Baugruppe ohne wesentliche im Bereich des Elektromotors aufzubringende Haltekräfte in einem bevorzugten Betriebszustand haltbar.
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Die Wälzkörper sind bei weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kugeln, Rollen, Walzen, Zahnräder oder dergleichen und die Bahnbereiche jeweils daran angepasst ausgebildet, wobei die jeweiligen Ausführungen beispielsweise in Abhängigkeit der jeweils im Bereich der Vorrichtung wirkenden Kräfte auswählbar sind.
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Sind die Einrichtungen über eine Axialkraft erzeugende Einheit gegeneinander gedrückt, ist eine translatorische Stellbewegung beim Durchfahren der Wälzkörper des zweiten Bahnbereiches unter Umständen ohne Antriebsleistung der Antriebseinrichtung realisierbar.
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Bei einer konstruktiv einfachen und mit geringem Aufwand betreibbaren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Axialkraft erzeugende Einheit eine mit zunehmendem axialem Abstand zwischen den Einrichtungen sich vorspannende Federeinrichtung.
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Greift die Federkraft der Federeinrichtung in einem den axialen Abstand zwischen den Einrichtungen verringernden Umfang an den Einrichtungen an, wird ein den axialen Abstand verringernder Antrieb der Antriebseinrichtung auf einfache Art und Weise unterstützt.
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Weist die zweite Einrichtung eine Drehentkopplungseinheit auf, in deren Bereich eine Differenzdrehzahl zwischen der zweiten Einrichtung und einer von der zweiten Einrichtung translatorisch betätigbaren Baugruppe ausgleichbar ist, sind Reibungsverluste und Verschleiß auf einfache Art und Weise reduziert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine beliebige Zahl an Wälzkörpern aufweisen, wobei insbesondere zwei oder drei Wälzkörper vorteilhaft sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es nun ein Schaltelement bzw. eine Kupplung vorzugsweise langsam zu schließen und schnell zu öffnen. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die erste Einrichtung immer in der gleichen Drehrichtung anzutreiben, um ein Öffnen und auch ein Schließen des Schaltelementes über eine axiale Antriebsbewegung zu realisieren. Dabei befinden sich alle Wälzkörper in einer gemeinsamen und umlaufenden Bahn. Durch ständiges Weiterdrehen der ersten Einrichtung werden die Wälzkörper so nach jeder Schaltung in das nächste Bahnsystem verschoben. Nach zwei Umdrehungen der rotierenden Einrichtung haben die Wälzkörper eine Umdrehung ausgeführt. Bei vier Wälzkörpern sind dann hierbei vier aufeinanderfolgende Schaltungen durchführbar.
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Um ein über die erfindungsgemäße Vorrichtung darstellbares asymmetrisches Kräfteverhältnis zwischen einem Schließ- und Öffnungsvorgang eines Schaltelementes auf einfache Art und Weise nutzen zu können, kann ein umlaufendes Kugel-Rampe-System mit Connect-Feder eingesetzt werden. Durch einen Elektromotor wird eine Kugelrampenscheibe oder dergleichen verdreht, die bei hoher Übersetzung und daraus resultierendem langsamen axialen Verschieben die Connect-Feder vorspannt. Ist die Feder vorgespannt, wird eine Antriebsbewegung des Elektromotors bei sich in einem mit geringer Steigung ausgeführten Bahnabschnitt eines Bahnbereiches befindlichen Wälzkörpern im Wesentlichen auf null reduziert, womit die Vorrichtung ohne zusätzlichen Energieaufwand in vorgespanntem Betriebszustand haltbar ist. Zum axialen Betätigen einer Baugruppe, wie einer Muffe, wird die Einrichtung der Vorrichtung weiter verdreht und es erfolgt bei entsprechender Ausführung der Bahnbereiche ein Übergang der Wälzkörper in einen geringen Übersetzungsbereich der Vorrichtung mit gleichzeitigem Freigeben der Federkraft und Reduzierung des axialen Abstandes zwischen den Einrichtungen. Dabei wirkt die gespeicherte Federkraft, und eine Schiebemuffe oder dergleichen ist in gewünschtem Umfang schnell und kraftvoll verschiebbar.
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Die von der Vorrichtung betätigbare Schaltelementeinrichtung kann entweder als form- oder reibschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein. Um eine Übertragungsfähigkeit eines reibschlüssigen Schaltelementes in Richtung größerer oder kleinerer Werte variieren und flexible Drehmomentübertragungseigenschaften im Bereich einer solchen Schaltelementeinrichtung einstellen zu können, ist die erste Einrichtung von der Antriebseinrichtung in beide Drehrichtungen zu betätigen. Wird die Vorrichtung beispielsweise in Torque-Vectoring-Systemen eingesetzt, kann das als Reibkupplung oder Lamellenkupplung ausgebildete Schaltelement auch in einem Rutschzustand betrieben werden, in welchem eine gezielte Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes über die Vorrichtung einstellbar ist.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gegenstandes angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt:
- 1 eine schematisierte Darstellung eines Getriebes mit einer Vorrichtung zum Betätigen eines formschlüssigen Schaltelementes, über das eine Welle eines Differentials mit einer Welle eines Rads eines Kraftfahrzeugs drehfest verbindbar ist;
- 2 eine dreidimensionale Alleindarstellung einer ersten Rampenscheibe der Vorrichtung gemäß 1;
- 3 eine schematisierte Darstellung einer Abwicklung eines Bahnbereiches der Rampenscheibe gemäß 2; und
- 4 mehrere Verläufe verschiedener Betriebsgrößen der Vorrichtung gemäß 1 während eines rotatorischen Antriebs eines Elektromotors der Vorrichtung.
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1 zeigt einen Teil eines Getriebes 1 eines Kraftfahrzeugs in stark schematisierter Darstellung, das eine mit einem Differential koppelbare Differentialwelle 2 und eine mit einem Rad in Wirkverbindung bringbare Radwelle 3 aufweist. Statt der Rad- und Differentialwelle 2, 3 können beliebige andere drehbare Wellen vorgesehen sein, die miteinander drehgekoppelt und drehentkoppelt werden sollen. Die Differentialwelle 2 und die Radwelle 3 sind über ein formschlüssiges Schaltelement 4 einer Schaltelementeinrichtung 5 drehfest miteinander in Eingriff bringbar. Das innerhalb eines Gehäuses 6 des Getriebes 1 angeordnete Schaltelement 4 weist eine als Schiebemuffe ausgebildete erste Schaltelementhälfte 7 und eine zweite Schaltelementhälfte 8 auf, welche einstückig mit der Radwelle 3 ausgebildet ist.
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Die Schiebemuffe 7 ist vorliegend über eine Keilwellenverbindung drehfest mit der Differentialwelle 2 verbunden. Des Weiteren ist die Schiebemuffe 7 in Richtung einer Achse 9 verschiebbar gegenüber der Radwelle 3 und der Differentialwelle 2 ausgeführt, wobei die Radwelle 3 und die Differentialwelle 2 koaxial zueinander angeordnet sind.
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Des Weiteren ist die Schiebemuffe 7 über eine Druckübertragungseinrichtung 10 und eine zugeordnete Vorrichtung 11 mit einer axialen Betätigungskraft beaufschlagbar. Dabei ist die Schiebemuffe 7 in einer ersten axialen Stellung gegenüber der Radwelle 3 drehbar und in einer zweiten axialen Endstellung drehfest mit der Radwelle 3 gekoppelt. Ausgehend von der in 1 dargestellten axialen Position wird die Schiebemuffe 7 bei einer axialen Verschiebung gegenüber der Radwelle 3 mit zunehmendem Verschiebeweg X in Richtung der Differentialwelle 2 drehfest mit der Radwelle 3 verbunden. Hierbei werden jeweils miteinander korrespondierende Zahnreihen 12 und 13 der Schiebemuffe 7 und der zweiten Schaltelementhälfte 8 im Bereich von Zähnen 12A bis 12C der Schiebemuffe 7 und von Zähnen 13A, 13B der zweiten Schaltelementhälfte 8 miteinander in Überdeckung gebracht, so dass im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes 4 ein Formschluss zwischen den Schaltelementhälften 7 und 8 hergestellt wird.
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Im Bereich der Vorrichtung 11 ist ein rotatorischer Antriebs eines Elektromotors 14 in eine translatorische Antriebsbewegung des formschlüssigen Schaltelements 4 umwandelbar, um das formschlüssige Schaltelement 4 in der nachfolgend näher beschriebenen Art und Weise betätigen zu können. Der in dem Gehäuse 6 gelagerte Elektromotor 14, der vorliegend insbesondere ein Wechselstrommotor bzw. ein DC-Elektromotor ist, steht über eine als einstufige Stirnradverzahnung ausgeführte Getriebeeinrichtung 15 mit einem ebenfalls im Gehäuse 6 gelagerten und gegenüber diesem abgedichteten Kugel-Rampe-System 16 der Vorrichtung 11 in Wirkverbindung. In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles kann es auch vorgesehen sein, dass die Getriebeeinrichtung 15 als mehrstufige Zahnradübersetzung oder als anderes Übersetzungselement, wie eine Zahnkette, ein Riemen oder dergleichen, ausgeführt ist.
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Das Kugel-Rampe-System 16 ist konzentrisch zur Achse 9 angeordnet und mit einer ersten Einrichtung 17 ausgebildet, die mit einem Zahnrad der Getriebeeinrichtung 15 kämmt. Des Weiteren umfasst die erste Einrichtung 17 eine axial fest im Gehäuse 6 gelagerte und drehbare Rampenscheibe 18, die mit einer drehfest und axial beweglich im Gehäuse 6 gelagerten zweiten Rampenscheibe 19 einer zweiten Einrichtung 20 gekoppelt ist. Zwischen der ersten verdrehbaren Rampenscheibe 18 und der zweiten verdrehfest ausgeführten Rampenscheibe 19 sind vorliegend als Kugelelemente ausgeführte Wälzkörper 21 angeordnet, die bei elektromotorseitiger Betätigung der ersten verdrehbaren Rampenscheibe 18 zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 abrollen. Die Wälzkörper 21 sind dabei in umlaufenden, jeweils mehrere Bahnabschnitte bzw. Kugelbahnabschnitte aufweisenden Bahnbereichen bzw. Kugelbahnen gelagert, wobei bei einer Verlagerung der Wälzkörper 21 in den Kugelbahnen ein axialer Abstand zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 in Abhängigkeit der jeweils vorgesehenen Steigungen der Kugelbahnen variiert.
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Bei einer axialen Verlagerung der zweiten Rampenscheibe 19 wird auch die damit in Wirkverbindung stehende Druckübertragungseinrichtung 10 axial verstellt, die einen hülsenförmigen Mittelbereich 22 aufweist. Der Mittelbereich 22 ist konzentrisch zur Achse 9 angeordnet und erstreckt sich in radialer Richtung zwischen dem Gehäuse 6 und einer Federeinrichtung 23. An den Mittelbereich 22 der Druckübertragungseinrichtung 10 schließt sich in einem der Radwelle 3 abgewandten Seitenbereich ein sich an der zweiten Rampenscheibe 19 abstützender, ausgehend vom Mittelbereich 22 vertikal nach außen verlaufender erster Endbereich 24 an, in dessen Bereich eine Verlagerungsbewegung der zweiten Rampenscheibe 19 auf die Druckübertragungseinrichtung 10 übertragen wird. Auf der zum ersten Endbereich 24 gegenüberliegenden Seite des Mittelbereichs 22 ist ein zweiter, sich ausgehend vom Mittelbereich 22 vertikal nach innen erstreckender Endbereich 25 der Druckübertragungseinrichtung 10 vorgesehen, der in axialer Richtung fest mit der Schiebemuffe 7 verbunden ist. Zusätzlich ist zwischen dem zweiten Endbereich 25 und einem vertikal nach innen gerichteten Teil des Gehäuses 6 eine Anschlagdämpfungseinrichtung 26 vorgesehen.
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Während einer translatorischen Verlagerung der zweiten Rampenscheibe 19 gegenüber der ersten Rampenscheibe 18 wird neben der über die Druckübertragungseinrichtung 10 verursachten axialen Verschiebung der Schiebemuffe 7 auch die Federeinrichtung 23 zwischen einem vorgespannten und einem entspannten Betriebszustand betätigt. Hierfür ist die Federeinrichtung 23 in axialer Richtung zwischen dem zweiten Endbereich 25 der Druckübertragungseinrichtung 10 und einer Halteplatte 27 und in radialer Richtung zwischen dem Mittelbereich 22 der Druckübertragungseinrichtung 10 und der Schiebemuffe 7 angeordnet. Zudem ist eine weitere Federeinrichtung 28 zum Vorspannen des Kugel-Rampe-Systems 16 vorgesehen, welche zwischen der zweiten Einrichtung 20 des Kugel-Rampe-Systems 16 und der Halteplatte 27 angeordnet ist und mit einer Federstärke ausgeführt ist, die kleiner als eine Federstärke der Federeinrichtung 23 ist.
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2 zeigt eine vereinfachte dreidimensionale Ansicht der ersten Rampenscheibe 18 mit mehreren Bahnbereichen 18A1, 18A2, 18B1, 18B2, 18C1 und 18C2. Die Rampenscheibe 18 umfasst jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Bahnbereiche 18A1 und 18A2, 18B1 und 18B2 ,18C1 und 18C2 für die Wälzkörper 21, die bei gleichsinniger Drehrichtung der Relativdrehbewegung zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 jeweils nacheinander von den Wälzkörpern 21 überfahren werden. Dabei schließt sich an den zweiten Bahnbereich 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2 jeweils der erste Bahnbereich 18B1 bzw. 18C1 bzw. 18A1 an. Der axiale Abstand zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 steigt beim Durchfahren der Bahnbereiche 18A1 bis 18C2 ausgehend vom Beginn des ersten Bahnbereiches 18A1 bzw. 18B1 bzw. 18C1 bis zum Ende des ersten Bahnbereiches von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert an. Daran anschließend nimmt der axiale Abstand vom Beginn des zweiten Bahnbereiches 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2, der sich jeweils direkt an das Ende des ersten Bahnbereiches 18A1 bzw. 18B1 bzw. 18C1 anschließt, bis zum Ende des zweiten Bahnbereiches 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2, an den sich wiederum jeweils ein Beginn eines weiteren ersten Bahnbereiches 18B1 bzw. 18C1 bzw. 18A1 anschließt, wieder zurück auf den ersten Wert ab.
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3 zeigt einen Teil der Rampenscheibe 18 als Abwicklung, wobei der in 3 dargestellte Teil der Rampenscheibe 18 den ersten Bahnbereich 18A1 und den zweiten Bahnbereich 18A2 exemplarisch wiedergibt. Da die weiteren Bahnbereiche 18B1 und 18C1 identisch zum Bahnbereich 18A1 ausgeführt sind und die zweiten Bahnbereiche 18B2 und 18C2 dem zweiten Bahnbereich 18A2 entsprechen, wird in der nachfolgenden Beschreibung der Funktionsweise im Wesentlichen lediglich auf die Bahnbereiche 18A1 und 18A2 Bezug genommen.
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Der erste Bahnbereich 18A1 ist vorliegend mit einem ersten Bahnabschnitt 18A11, einem zweiten Bahnabschnitt 18A12, einem dritten Bahnabschnitt 18A13 und einem sich wiederum daran anschließenden vierten Bahnabschnitt 18A14 ausgebildet. Eine Steigung des ersten Bahnabschnittes 18A11 ist im Wesentlichen gleich null und entspricht einem unteren Haltepunkt der Vorrichtung 11. Zu diesem Betriebszustand des Kugel-Rampe-Systems 16 ist der axiale Abstand zwischen den beiden Rampenscheiben 18 und 19 minimal und das formschlüssige Schaltelement 4 ist vollständig geschlossen. Bei Vorliegen einer Anforderung zum Öffnen des formschlüssigen Schaltelementes 4 wird der Elektromotor 14 bestromt und die Rampenscheibe 18 in Rotation versetzt. Der Wälzkörper 21 wälzt auf dem Bahnbereich 18A1 ab und wird aus dem ersten Bahnabschnitt 18A11 in Richtung des zweiten Bahnabschnitts 18A12 geführt, wo er die flache Steigung des zweiten Bahnabschnittes 18A12 hinauffährt. Dabei wird der axiale Abstand zwischen den beiden Rampenscheiben 18 und 19 vergrößert und das formschlüssige Schaltelement 4 zunehmend in seinen geöffneten Betriebszustand überführt.
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Kurz vor dem Ende des zweiten Bahnabschnittes 18A12 ist die Überdeckung im Bereich der Zahnreihen 12 und 13 aufgehoben und die im Bereich der Klauenverzahnung des formschlüssigen Schaltelementes 4 angreifenden Schleppmomente beeinflussen das System nicht mehr. Dadurch kann das System ohne Anhalten und ohne den Einfluss unterschiedlicher Schleppmomente, die bei verschiedenen Temperaturen und Fahrsituationen auftreten können, in Richtung des dritten Bahnabschnittes 18A13 weiter verstellt werden. Dies führt wiederum dazu, dass die Rampenscheiben 18 und 19 mit reproduzierbaren Betätigungsströmen des Elektromotors 14 weiterbewegbar sind.
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Da eine Steigung des dritten Bahnabschnittes 18A13 des ersten Bahnbereiches 18A1 wesentlich größer ist als die Steigung des zweiten Bahnabschnittes 18A12, ergibt sich wie in 4 dargestellt eine charakteristische Änderung im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 beim Überfahren des dritten Bahnabschnittes 18A13. Dabei ist die charakteristische Änderung des Verlaufes des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 über die Steigung des dritten Bahnabschnittes 18A13 und letztendlich die Höhe des im dritten Bahnabschnitt 18A13 überfahrenen Bereiches der ersten Rampenscheibe 18 beeinflussbar. Der dritte Bahnabschnitt 18A13 stellt einen von den Wälzkörpern 21 überfahrbaren Referenzsteigungsbereich der Vorrichtung 11 dar, der beim Überfahren durch die Wälzkörper 21 im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 ein in gewünschtem Umfang detektierbares Referenzsignal erzeugt, mittels dem eine Initialisierung der Vorrichtung 11 auf einfache Art und Weise möglich ist.
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Die Initialisierung der Vorrichtung 11 ist erforderlich, da die Vorrichtung 11 ohne einen Verdrehwinkel-Sensor und auch ohne einen inkrementalen Verdrehwinkelgeber im Bereich des Elektromotors 14 ausgebildet ist. Um die Vorrichtung 11 in gewünschtem Umfang betreiben zu können, wird der jeweils aktuelle Betriebszustand der Vorrichtung 11 über ein Modell abgebildet und geschätzt. Damit durch Messungenauigkeiten und dergleichen auftretende Abweichungen zwischen dem theoretisch ermittelten aktuellen Betriebszustand der Vorrichtung 11 und dem tatsächlich vorliegenden Betriebszustand der Vorrichtung 11 möglichst gering gehalten werden können, wird die beim Überfahren des Referenzsteigungsbereiches bzw. des dritten Bahnabschnittes 18A13 auftretende Änderung im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 zum Feststellen des aktuellen Betriebszustands der Vorrichtung 11 verwendet und dem theoretisch ermittelten Betriebszustand der Vorrichtung 11 gegenübergestellt. Bei Vorliegen einer Abweichung zwischen dem theoretisch ermittelten Betriebszustand und dem anhand des Referenzsignals des Verlaufes des Betätigungsstromes i14 ermittelten Betriebszustand der Vorrichtung 11 größer als ein Schwellwert, wird der theoretisch ermittelte Betriebszustand gleich dem anhand des Referenzsignals ermittelten Betriebszustand gesetzt. Anschließend wird der aktuelle Betriebszustand der Vorrichtung 11 wieder über das Modell bestimmt, bis die Wälzkörper 21 erneut den dritten Bahnabschnitt 18A13 überfahren.
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An den dritten Bahnabschnitt 18A13 schließt sich der vierte Bahnabschnitt 18A14 des ersten Bahnbereiches 18A1 an, dessen Steigung wiederum im Wesentlichen gleich null ist und daher wiederum eine stabile Endlage des Kugel-Rampe-Systems 16 in Form eines oberen Plateaus darstellt.
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In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles kann die Steigung des dritten Bahnabschnittes 18A13 über dem Verdrehwinkel der Rampenscheibe 18 konstant sein oder ein positiver Gradient der Steigung über dem Verdrehwinkel der Rampenscheibe 18 ansteigen. Abweichend hierzu besteht auch die Möglichkeit, dass der dritte Bahnbereich 18A13 mit einer konstanten negativen Steigung ausgeführt ist oder der Gradient der negativen Steigung über den Verdrehwinkel ansteigt, um im Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 ein zum Initialisieren der Vorrichtung 11 erforderliches Referenzsignal erzeugen zu können.
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4 zeigt neben dem Verlauf des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14 einen Verlauf des Verschiebewegs X und den Verlauf des ersten Bahnabschnittes 18A1, der von den Wälzkörpern 21 mit zunehmendem Drehwinkel der Rampenscheibe 18 über der Zeit t überfahren wird.
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Wiederum an den vierten Bahnabschnitt 18A14 schließt sich der zweite Bahnbereich 18A2 an, der mit einer großen Steigung ausgeführt ist und in dessen Bereich die Wälzkörper 21 vom Niveau des vierten Bahnabschnittes 18A14 auf das Niveau des ersten Bahnabschnittes 18A11 zurückgeführt werden. Damit ist das formschlüssige Schaltelement 4 während dem Überfahren des zweiten Bahnbereiches 18A2 und während eines kleinen Drehwinkels der Rampenscheibe 18 gegenüber der Rampenscheibe 19 innerhalb kurzer Betriebszeiten in gewünschtem Umfang in seinen geschlossenen Betriebszustand überführbar.
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Das Beschleunigen der Wälzkörper 21 im Bereich des ersten Bahnabschnittes 18A11 führt ab einem Zeitpunkt TO zu einem steilen Anstieg des Verlaufs des Betätigungsstromes i14 des Elektromotors 14. Mit zunehmender Betriebszeit t sinkt der Verlauf des Betätigungsstromes i14 auf ein konstantes Niveau ab und verbleibt bis zum Zeitpunkt T1 auf diesem, zu dem die Wälzkörper 21 ausgehend vom zweiten Bahnabschnitt 18A12 den dritten Bahnabschnitt 18A13 bzw. den Referenzsteigungsbereich des ersten Bahnbereiches 18A1 erreichen. Ab dem Zeitpunkt T1 steigt der Verlauf des Betätigungsstromes i14 zunächst steil an und fällt kurze Zeit später stark ab, um anschließend wieder auf das Nullniveau zurückzugehen, wenn die Wälzkörper den vierten Bahnabschnitt 18A14 erreicht haben und eine Anforderung zum Halten des formschlüssigen Schaltelementes 4 in vollständig geöffnetem Betriebszustand vorliegt. Bei einer solchen Anforderung wird die Bestromung des Elektromotors 14 abgeschaltet, womit eine weitere Betätigung des Kugel-Rampe-Systems 16 durch den Elektromotor 14 unterbleibt.
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Liegt dagegen eine Anforderung zum Schließen des formschlüssigen Schaltelementes 4 vor, wird der Elektromotor 14 in nicht näher gezeigtem Umfang bestromt, um die Wälzkörper 21 aus den vierten Bahnabschnitten 18A14 in die zweiten Bahnbereiche 18A2 bzw. 18B2 bzw. 18C2 zu überführen, wobei der axiale Abstand zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 wiederum reduziert wird. Während der Reduktion des axialen Abstandes zwischen den Rampenscheiben 18 und 19 kommen die beiden Schaltelementhälften 7 und 8 im vorbeschriebenen Umfang zunehmend formschlüssig miteinander in Eingriff, bis die Wälzkörper 21 die ersten Bahnabschnitte 18A11 der ersten Bahnbereiche 18A1, 18B1 und 18C1 erreichen, wobei das Schaltelement 4 dann vollständig geschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 2
- Differentialwelle
- 3
- Radwelle
- 4
- formschlüssiges Schaltelement
- 5
- Schaltelementeinrichtung
- 6
- Gehäuse
- 7
- erste Schaltelementhälfte, Schiebemuffe
- 8
- zweite Schaltelementhälfte
- 9
- Achse
- 10
- Druckübertragungseinrichtung
- 11
- Vorrichtung
- 12
- Zahnreihe
- 12A bis 12C
- Zahn
- 13
- Zahnreihe
- 13A, 13B
- Zahn
- 14
- Elektromotor
- 15
- Getriebeeinrichtung
- 16
- Kugel-Rampe-System
- 17
- erste Einrichtung
- 18 18A1, 18B1,
- erste Rampenscheibe
- 18C1 18A2, 18B2,
- erster Bahnbereich
- 18C2
- zweiter Bahnbereich
- 18A11
- erster Bahnabschnitt
- 18A12
- zweiter Bahnabschnitt
- 18A13
- dritter Bahnabschnitt, Referenzsteigungsbereich
- 18A14
- vierter Bahnabschnitt
- 19
- zweite Rampenscheibe
- 20
- zweite Einrichtung
- 21
- Wälzkörper
- 22
- hülsenförmiger Mittelbereich der Druckübertragungseinrichtung
- 23
- Federeinrichtung
- 24
- erster Endbereich der Druckübertragungseinrichtung
- 25
- zweiter Endbereich der Druckübertragungseinrichtung
- 26
- Anschlagdämpfungseinrichtung
- 27
- Halteplatte
- 28
- weitere Federeinrichtung
- i14
- Betätigungsstrom des Elektromotors
- t
- Zeit
- T0, T1
- diskreter Zeitpunkt
- X
- Verschiebeweg
