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Die Erfindung betrifft ein Kupplungssystem, mit dessen Hilfe eine Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors mit mindestens einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes oder einem Rotor einer elektrischen Maschine eines Hybridkraftfahrzeug gekuppelt werden kann.
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Aus
WO 2011/050773 A1 ist ein Kupplungssystem in der Art einer sogenannten Booster-Kupplung bekannt, bei dem eine als Trennkupplung ausgestaltete Reibungskupplung mit Hilfe eines Rampensystems betätigt werden kann. Zum Schließen der Reibungskupplung kann das Rampensystem mit Hilfe einer Tellerfeder durch eine relativ zu einer Eingangsrampe verdrehbare Ausgangsrampe seine axiale Erstreckung ändern und dadurch eine Anpressplatte der Reibungskupplung axial verlagern. Dadurch kann zwischen der Anpressplatte und einer Gegenplatte der Reibungskupplung eine Kupplungsscheibe reibschlüssig verpresst werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen aufzuzeigen, die eine leichte und effiziente Anpassung einer Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, an verschiedene Fahrstrategien mit einer geringen Energieaufnahme ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kupplungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Genauer gesagt ist ein Kupplungssystem zum Kuppeln einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors mit mindestens einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes oder einem Rotor einer elektrischen Maschine eines Hybridkraftfahrzeugs, vorgesehen mit einer, insbesondere als Lamellenkupplung ausgestalteten, Reibungskupplung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einem Drehmomenteinleitungselement, insbesondere Antriebswelle des Kraftfahrzeugmotors, und einem Drehmomentausleitungselement, insbesondere Getriebeeingangswelle des Kraftfahrzeuggetriebes oder Rotor der elektrischen Maschine, und einer Magnetkupplung zum Betätigen, insbesondere über ein Rampensystem, der Reibungskupplung, vorzugsweise infolge einer Differenzdrehzahl zwischen dem Drehmomenteinleitungselement und dem Drehmomentausleitungselement, wobei die Magnetkupplung einen Elektromagnet und eine von dem Elektromagnet zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung der Magnetkupplung axial verlagerbaren Permanentmagnet aufweist, wobei der Permanentmagnet sowohl in der Schließstellung und als auch in der Öffnungsstellung der Magnetkupplung bei ausgeschaltetem Elektromagnet magnetisch haftend festgehalten ist.
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Im regulären Zugbetrieb kann ein Drehmomentfluss von dem Drehmomenteinleitungselement zu dem Drehmomentausleitungselement im Wesentlichen über die Reibungskupplung erfolgen. Dadurch kann ein in einem als Brennkraftmaschine ausgestalteten Kraftfahrzeugmotor erzeugtes Drehmoment an eine Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes übertragen werden, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Zudem ist es möglich, eine elektrische Maschine über ein Ausgangsteil der Reibungskupplung oder das Drehmomentausleitungselement anzubinden, so dass das Kraftfahrzeug in einem Booster-Betrieb zusätzlich von der im Motorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine angetrieben werden kann. Für einen rein elektrischen Betrieb des Kraftfahrzeugs bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine kann die Reibungskupplung geöffnet werden, indem durch ein Bestromen des Elektromagnets die als Vorsteuerkupplung wirkende Magnetkupplung geöffnet wird. Ein Drehmomentfluss zwischen dem Drehmomentausleitungselement und dem Drehmomenteinleitungselement ist dadurch unterbrochen, so dass das Schleppmoment der Brennkraftmaschine die von der elektrischen Maschine eingeleitete Leistung nicht schmälert. Bei einem Segelbetrieb, bei dem das Kraftfahrzeug im Wesentlichen ohne Leistungseintrag aufgrund seiner Massenträgheit kraftstoffsparend vorwärtsrollt, kann der Kraftfahrzeugmotor abgekoppelt sein, damit das Schleppmoment des Kraftfahrzeugmotors nicht das Kraftfahrzeug abbremst. Hierzu kann mit Hilfe der geöffneten Magnetkupplung die Reibungskupplung geöffnet werden. In einem Schubbetrieb kann die elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben werden und elektrische Energie rekuperieren, während durch die geöffnete Magnetkupplung und die geöffnete Reibungskupplung die Brennkraftmaschine und ihr Schleppmoment abgekoppelt bleibt. Bei einer stärker gewünschten Bremsleistung kann der Elektromagnet geeignet bestromt werden, so dass die schließende Magnetkupplung die Reibungskupplung schließt und die Brennkraftmaschine mit ihrem Schleppmoment als zusätzliche Motorbremse wirken kann. Ferner ist es möglich, bei geschlossener Reibungskupplung mit Hilfe der elektrischen Maschine ein Startmoment zum Starten der Brennkraftmaschine einzuleiten. Um zwischen den einzelnen Betriebsmodi zu wechseln, ist es ausreichend durch das Bestromen des Elektromagnets die Magnetkupplung zu schalten und die Brennkraftmaschine abzukoppeln beziehungsweise anzukoppeln.
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Der mit dem Elektromagnet zusammenwirkbare Permanentmagnet kann Teil einer Ankerscheibe sein, die von dem Elektromagnet zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung der Magnetkupplung verlagert werden kann, um in der Schließstellung der Magnetkupplung die Reibungskupplung mit dem Drehmomenteinleitungselement zu koppeln. Durch die sowohl in der Öffnungsstellung als auch in der Schließstellung magnetisch festgehaltene Ankerscheibe ist die Magnetkupplung bistabil ausgestaltet. Die Magnetkupplung kann dadurch sowohl in der Öffnungsstellung als auch in der Schließstellung ihren Zustand beibehalten, ohne dass hierzu der Elektromagnet bestromt werden muss. Tatsächlich ist es möglich, nur zum Schalten der Magnetkupplung den Elektromagnet zu bestromen, um zum Wechsel zwischen der Schließstellung und Öffnungsstellung auf das Ankerteil eine anziehende oder abstoßende Magnetkraft auszuüben. Hierbei ist es bei der Magnetkupplung ausreichend, nur in der Ankerscheibe mindestens einen Permanentmagnet vorzusehen, so dass es nicht erforderlich ist, in den von der Ankerscheibe magnetisch kontaktierten Bauteilen einen Permanentmagnet vorzusehen. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass ein Ankoppeln und Abkoppeln eines Kraftfahrzeugmotors in einem Zeitintervall üblicherweise mit einer so geringen Häufigkeit erfolgt, dass der Energieeinsatz des Elektromagnets, die Magnetkraft des Permanentmagnet in der Öffnungsstellung und in der Schließstellung zu überwinden, im zeitlichen Mittel geringer ist, als in Öffnungsstellung oder in der Schließstellung permanent bestromt zu werden, um den jeweiligen Schaltzustand der Magnetkupplung zu halten. Der Energiebedarf für die Magnetkupplung kann dadurch reduziert werden. Da der Elektromagnet für den Wechsel des Schaltzustands der Magnetkupplung nur kurzzeitig bestromt wird, kann ferner ein Erwärmen der Leitungswindungen des Elektromagnets vermieden werden. Das Bestromen des Elektromagnets kann hierbei über einen Zeitraum von 1 ms bis 100 ms erfolgen. Ein Nachlassen des Wirkungsgrads der Magnetkupplung durch einen sich erwärmenden Elektromagnet kann dadurch vermieden werden, so dass es möglich ist, eine bewusste Überdimensionierung des Elektromagnets zu reduzieren ohne den ordnungsgemäßen Betrieb des Kupplungssystems zu gefährden. Für den Wechsel der Betriebsmodi ist es lediglich erforderlich, den Elektromagnet kurzzeitig zu bestromen, um die bistabil ausgestaltete Magnetkupplung zu schalten, so dass mit einem geringem Energieeinsatz eine leichte und effiziente Anpassung einer Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, an verschiedene Fahrstrategien ermöglicht ist.
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Die Magnetkupplung und die Reibungskupplung können zusammen mit einem zwischengeschalteten Rampensystem eine sogenannte Booster-Kupplung ausbilden. Im geschlossenen Zustand der Reibungskupplung weisen das Drehmomenteinleitungselement und das Drehmomentausleitungselement im schlupffreien Betrieb im Wesentlichen die gleiche Drehzahl auf. Im geöffneten Zustand der Reibungskupplung können das Drehmomenteinleitungselement und das Drehmomentausleitungselement mit einer unterschiedlichen Drehzahl drehen, so dass sich eine Drehzahldifferenz zwischen dem Drehmomenteinleitungselement und dem Drehmomentausleitungselement einstellt. Das über das Drehmomenteinleitungselement und die Reibungskupplung fließende Drehmoment kann zumindest teilweise über die geschlossene Magnetkupplung fließen, so dass im geschlossenen Zustand der Magnetkupplung zumindest zeitweise eine Drehmomentübertragung von der Magnetkupplung über das Rampensystem an die Reibungskupplung erfolgen kann, wodurch Bauteilbelastungen reduziert werden können. Insbesondere führt die Magnetkupplung beim Verdrehen der Eingangsrampe relativ zur Ausgangsrampe einen gegebenenfalls schlupfenden Reibschluss zwischen dem Drehmomenteinleitungselement und dem Drehmomentausleitungselement herbei. Wenn bei geschlossener Magnetkupplung eine Drehzahlangleichung zwischen dem Drehmomenteinleitungselement und dem Drehmomentausleitungselement noch nicht erfolgt ist, kann die Magnetkupplung über eine geeignete Koppelung des Rampensystems mit der Magnetkupplung die Drehzahldifferenz in eine Relativdrehung der Eingangsrampe zur Ausgangsrampe umsetzen. Dadurch kann sich die axiale Erstreckung des Rampensystems infolge der Drehzahldifferenz innerhalb der Magnetkupplung und somit infolge der Drehzahldifferenz des Drehmomenteinleitungselements zum Drehmomentausleitungselement ändern. Gleichzeitig kann auch ein Drehmoment übertragen werden, das an das Rampensystem weitergeleitet werden kann, um eine entsprechend hohe Anpresskraft für eine von dem Rampensystem verlagerbare Anpressplatte der Reibungskupplung bereit zu stellen. Durch die sich ändernde Erstreckung des Rampensystems kann die Anpressplatte zum Schließen der Reibungskupplung verlagert werden, wobei eine Verlagerungskraft zum Verlagern der Anpressplatte aus dem über die Magnetkupplung übertragenen Drehmoment abgezweigt werden kann. Wenn sich die Erstreckung des Rampensystems soweit geändert hat, dass beispielsweise die Anpressplatte eine Kupplungsscheibe und/oder Lamellen einer Lamellenkupplung verpresst, sind nach einer Beendigung des Schlupfbetriebs die Drehzahlen des Drehmomenteinleitungselements und des Drehmomentausleitungselement miteinander synchronisiert, so dass eine Drehzahldifferenz nicht mehr vorliegt. Das Rampensystem kann dann in der erreichten Stellung verharren.
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In der geschlossenen Stellung der Reibungskupplung kann der überwiegende Teil des zu übertragenen Drehmoments über die Reibpaarung(en) der Reibungskupplung erfolgen, wobei ein kleinerer Anteil des zu übertragenen Drehmoments über die Magnetkupplung übertragen werden kann. Dadurch kann über die Magnetkupplung eine entsprechend hohe Anpresskraft in die Reibungskupplung eingeleitet werden, so dass ein entsprechend höheres Drehmoment sicher und ohne Durchrutschen übertragen werden kann. Hierbei kann über eine geeignete Wahl der Rampensteigung des Rampensystems eine Kraftübersetzung erreicht werden, so dass bei einer geringen Betätigungskraft zum Betätigen der Magnetkupplung eine erhöhte übersetzte Anpresskraft erreicht werden kann. Ferner kann ein Teil des zu übertragenen Drehmoments zur Bereitstellung der Anpresskraft genutzt werden, so dass aus einer weiteren Energiequelle die Anpresskraft gespeist werden kann. Durch die nur mittelbar über die Magnetkupplung an der Anpressplatte angreifende Betätigungskraft kann über die Magnetkupplung eine Kraftverstärkung und/oder eine Drehmomentabzweigung aus dem zu übertragenen Drehmoment zum Schließen der Reibungskupplung erreicht werden, so dass die Reibungskupplung mit einer deutlich erhöhten Anpresskraft reibschlüssig geschlossen werden kann, wodurch ein sicheres Schließen der Reibungskupplung mit geringem konstruktivem Aufwand ermöglicht ist.
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Die Ankerscheibe kann den Permanentmagnet kontaktierende Ankerteile aufweisen, die aus einem für Magnetkräfte empfänglichen Material, beispielweise einem ferromagnetischen, vorzugsweise weichmagnetischen oder hartmagnetischen, Material, hergestellt sein. In der Schließstellung und in der Öffnungsstellung kann die Ankerscheibe mit einer durch den Permanentmagnet erzeugten Magnetkraft an einem ferromagnetischen Bauteil mit einer Anpresskraft angedrückt sein, so dass sich ein magnetisch haftendes Festhalten ergibt. Diese Anpresskraft kann von dem Elektromagnet durch eine anziehende oder abstoßende Magnetkraft überwunden werden, um die Magnetkupplung zu schalten. Der Elektromagnet kann eine stromdurchfließbare Spule aufweisen, die insbesondere um einen Eisenkern gewickelt ist. Der Permanentmagnet ist beispielsweise drehfest mit den Ankerteilen befestigt. Die Reibungskupplung kann insbesondere für ein Handschaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Durch die Reibungskupplung kann ein „Clutch-by-Wire“-System umgesetzt werden, bei dem die Betätigung der Reibungskupplung nicht durch mechanische, hydraulische oder pneumatische Mittel, sondern elektrisch erfolgt. Die Reibungskupplung kann dadurch als eine „E-Clutch“ ausgestaltet sein.
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Insbesondere ist der Permanentmagnet in axialer Richtung zumindest teilweise zwischen einem weichmagnetischen ersten Ankerteil und einem weichmagnetischen zweiten Ankerteil magnetisch gekoppelt angeordnet. Durch das Ankerteil kann das magnetische Feld des Permanentmagnets leicht an eine gewünschte Stelle geleitet werden. Hierbei kann der in der Regel eher spröde und schlecht zu bearbeitende Permanentmagnet eine einfache Formgestaltung aufweisen, während das einfacher zu bearbeitende Ankerteil eine für das gewünschte magnetische Feld entsprechend kompliziertere Geometrie aufweisen kann. Beispielsweise ist der Permanentmagnet als Ring oder Ringsegment mit nach radial innen und nach radial außen weisenden Polen ausgestaltet, während das mindestens eine Ankerteil das Magnetfeld im Wesentlichen in axiale Richtung umlenkt.
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Vorzugsweise sind sowohl das erste Ankerteil als auch das zweite Ankerteil in der Schließstellung und/oder in der Öffnungsstellung magnetisch haftend festgehalten. Ein magnetischer Fluss des Permanentmagnets kann durch die Ankerteile verlaufen, so dass ein direkter Kontakt des Permanentmagnets mit den magnetisch anhaftenden Bauteilen vermieden ist. Der Permanentmagnet ist dadurch gegen Beschädigungen durch Anschlagen geschützt, während die Ankerteile aus einem im Vergleich zum Permanentmagnet duktileren Material hergestellt sein können. Zudem können die Ankerteile zusammen mit dem Permanentmagnet einen definierten Feldlinienverlauf ermöglichen, der beispielsweise eine bewusste Ausrichtung des Nordpols und des Südpols der Ankerscheibe ermöglicht, so dass die Ankerscheibe je nach Stromrichtung des dem Elektromagnet zugeführten Stroms von dem Elektromagnet angezogen oder abgestoßen werden kann.
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Besonders bevorzugt ist der Permanentmagnet mit dem ersten Ankerteil und/oder mit dem zweiten Ankerteil verklebt und/oder vergossen. Dadurch kann die Relativlage des Permanentmagnets zu dem Ankerteil leicht fixiert werden. Insbesondere ist es möglich, einen direkten Kontakt des Permanentmagnets zu dem Ankerteil vorzusehen und das zur Fixierung verwendete Material außerhalb der Kontaktfläche in der Art einer zumindest teilweisen Ummantelung der aus dem Permanentmagnet und dem Ankerteil bestehenden Gesamtheit vorzusehen. Eine Beeinträchtigung des Magnetfelds beim Übergang des Permanentmagnets zu dem Ankerteil durch ein zusätzliches Dielektrikum kann dadurch vermieden werden.
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Insbesondere ist eine, insbesondere als Blattfeder ausgestaltete, Rückstellfeder zum automatischen Bewegen des Permanentmagnets in eine definierte, insbesondere der Öffnungsstellung entsprechenden, Ausgangsstellung bei ausgeschaltetem Elektromagnet vorgesehen, wobei insbesondere die Rückstellfeder mittelbar oder unmittelbar mit dem Drehmomenteinleitungselement drehmomentübertragend befestigt ist. Die Rückstellfeder kann in der Ausgangsstellung eine gewisse Anpresskraft vorgeben, insbesondere um in der Schließstellung ein ausreichend großes Drehmoment übertragen zu können. Dadurch ist eine entsprechend geringere Magnetkraft des Permanentmagnets ausreichend. In der von der Ausgangsstellung verschiedenen Endlage der Ankerscheibe, insbesondere in der Öffnungsstellung, kann die Magnetkraft des Permanentmagnets ausreichend hoch sein, um die Federkraft der Rückstellfeder zu kompensieren. Durch die Ausgestaltung der Rückstellfeder als Blattfeder ist eine axiale Relativbewegung der Ankerscheibe ermöglicht, während gleichzeitig die Rückstellfeder in der Schließstellung das zum Betätigen der Reibungskupplung erforderliche Drehmoment übertragen kann. Der Drehmomentfluss kann hierbei von dem Drehmomenteinleitungselement über die Rückstellfeder und die Ankerscheibe erfolgen.
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Vorzugsweise ist ein Rampensystem zum axialen Verlagern einer Anpressplatte der Reibungskupplung vorgesehen, wobei das Rampensystem eine Eingangsrampe und eine relativ zur Eingangsrampe zur Veränderung einer axialen Erstreckung des Rampensystems verdrehbare Ausgangsrampe aufweist, wobei die Ausgangsrampe mit dem Drehmomenteinleitungselement gekoppelt ist und die Eingangsrampe über die Magnetkupplung mit dem Drehmomentausleitungselement koppelbar ist oder die Ausgangsrampe mit dem Drehmomentausleitungselement gekoppelt ist und die Eingangsrampe über die Magnetkupplung mit dem Drehmomenteinleitungselement koppelbar ist. Über die Rampensteigung der Rampen des Rampensystems kann eine Kraftverstärkung erfolgen, so dass im Vergleich zu der an der Anpressplatte erreichbaren Anpresskraft eine deutlich geringere Betätigungskraft zum Schließen der Magnetkupplung aufgebracht werden braucht. Dadurch kann der Elektromagnet deutlich kleiner und bauraumsparender dimensioniert werden, als wenn der Elektromagnet die Anpressplatte direkt verlagern würde. Ferner ist es möglich, die Magnetkupplung aus dem Bereich der Anpressplatte heraus zu verlagern. Die Ausgangsrampe kann drehfest aber axial beweglich mit dem Drehmomentausleitungselement gekoppelt sein. Dadurch kann die mit dem Drehmomentausleitungselement gekoppelte Ausgangsrampe und die über die Magnetkupplung mit dem Drehmomenteinleitungselement koppelbare Eingangsrampe bei einer Differenzdrehzahl zwischen dem Drehmomentausleitungselement und dem Drehmomenteinleitungselement relativ zueinander verdreht werden. Alternativ kann die Ausgangsrampe axial verlagerbar aber drehmomentübertragend mit dem Drehmomenteinleitungselement gekoppelt sein, während die Eingangsrampe drehfest mit dem Ausgangsteil der Reibungskupplung und/oder dem Drehmomentausleitungselement koppelbar ist. Die Rampen des Rampensystems können direkt aufeinander abgleiten oder über mindestens eine Kugel, einen Zylinder oder sonstiges drehbares Element relativ zueinander verdreht werden, so dass ein Kugel-Rampen-System ausgebildet werden kann. Durch das Verdrehen der Rampen relativ zueinander kann sich der Abstand der von der jeweils anderen gegenüberliegenden Rampe wegweisenden Rückseiten der Eingangsrampe und der Ausgangsrampe verändern, so dass sich entsprechend die axiale Erstreckung des Rampensystems verringern beziehungsweise vergrößern kann. Besonders bevorzugt ist der maximale relative Verdrehwinkel der Eingangsrampe zu der Ausgangsrampe beispielsweise durch mindestens einen Anschlag begrenzt, wodurch beispielsweise eine Überschreitung eines maximalen Verschleißbereichs von Reibbelägen der Reibungskupplung vermieden werden kann.
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Besonders bevorzugt ist die Eingangsrampe drehfest mit einem aus einem ferromagnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Material hergestellten Mitnehmer befestigt, wobei der Permanentmagnet in der Schließstellung der Magnetkupplung bei ausgeschaltetem Elektromagnet an dem Mitnehmer magnetisch haftet. Das Rampensystem kann dadurch beabstandet zur Magnetkupplung vorgesehen sein. Der Mitnehmer kann beispielsweise über eine Steckverzahnung drehmomentübertragend mit der Eingangsrampe gekoppelt sein. Der ferromagnetische Mitnehmer kann hierbei die magnetisch haftende Koppelung mit der Ankerscheibe sicherstellen, während die Eingangsrampe aus einem anderen Material hergestellt sein kann. Insbesondere ist der Mitnehmer über ein, insbesondere als Wälzkörperlager ausgestaltetes, Radiallager an dem Drehmomenteinleitungselement gelagert, wobei das Radiallager durch die Magnetkupplung überbrückbar ist. Der Mitnehmer kann dadurch an dem Drehmomenteinleitungselement abgestützt sein, so dass ein Verkippen des Mitnehmers gegen eine Radialebene durch die magnetisch anhaftenden Ankerscheibe in der Schließstellung vermieden werden kann.
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Insbesondere ist in axialer Richtung zwischen dem Permanentmagnet und dem Elektromagnet eine mit dem Drehmomenteinleitungselement drehmomentübertragend gekoppelte Reibscheibe zur Herstellung eines Magnetkontakts mit dem Permanentmagnet vorgesehen, wobei der Permanentmagnet in der Öffnungsstellung der Magnetkupplung bei ausgeschaltetem Elektromagnet an der Reibscheibe magnetisch haftet. Die Ankerscheibe kann von dem Permanentmagnet gegen die Reibscheibe gepresst werden, um einen haftenden Magnetkontakt herbeizuführen. Ein schlupfender Reibkontakt mit dem Elektromagnet ist dadurch vermieden. Stattdessen können die Ankerscheibe und die Reibscheibe mit der gleichen Drehzahl ohne Relativdrehung in der Öffnungsstellung mitdrehen.
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Vorzugsweise ist der Elektromagnet mit einer Gleichstromquelle verbunden, wobei von der Gleichstromquelle ein Gleichstrom in eine erste Stromrichtung und ein Gleichstrom in eine zur ersten Stromrichtung entgegengesetzten zweiten Stromrichtung bereitstellbar ist, wobei insbesondere die Stromstärke des Gleichstroms variabel einstellbar ist. Je nach Stromrichtung kann eine für Permanentmagnete abstoßende oder auch anziehende Magnetkraft von dem Elektromagnet erzeugt werden. Bei der anziehenden Magnetkraft kann die Magnetkupplung geöffnet werden. Bei der abstoßenden Magnetkraft kann die Magnetkupplung geschlossen werden.
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Besonders bevorzugt ist mit einem Ausgangsteil der Reibungskupplung und/oder mit dem Drehmomentausleitungselement ein Rotor einer elektrischen Maschine verbunden. Das Kupplungssystem kann dadurch leicht als Hybridmodul für ein Hybrid-Kraftfahrzeug genutzt werden, um eine Leistung zwischen der elektrischen Maschine und dem Drehmomentausleitungselement auszutauschen. Der Rotor weist insbesondere Permanentmagnete auf, die mit Elektromagneten eines Stators der elektrischen Maschine zusammenwirken können, um je nach gewünschten Betriebsmodus einen Motorbetrieb und einen Generatorbetrieb zu realisieren.
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Insbesondere weist ein Ausgangsteil der Reibungskupplung und/oder das Drehmomentausleitungselement einen integrierten Radialversatzausgleich, insbesondere einen Momentenfühler, auf. Das Öffnen und Schließen der Reibungskupplung durch eine an der Magnetkupplung anliegende Drehzahldifferenz kann dadurch sanfter erfolgen. Zudem kann eine zum Betätigen der Reibungskupplung auftretende Relativdrehung von beteiligten Bauteilen der Magnetkupplung und der Reibungskupplung automatisch ausgeglichen werden. Insbesondere kann in dem Radialversatzausgleich bei dem Schließen der Reibungskupplung durch das angreifende Drehmoment ein Federelement vorgespannt werden, so dass bei einem Wegfallen des anliegenden Drehmoments das vorgespannte Federelement die Reibungskupplung automatisch öffnen kann. Ein Wechsel zwischen Schubbetrieb und Zugbetrieb kann dadurch einfach realisiert werden, ohne dass durch eine externe Steuerung auf die Reibungskupplung oder die Magnetkupplung eingewirkt werden muss.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Drehmomenteinleitungselement, insbesondere eine Antriebswelle des Kraftfahrzeugmotors, einem Drehmomentausleitungselement, insbesondere eine Getriebeeingangswelle des Kraftfahrzeuggetriebes, einem Kupplungssystem, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Drehmomenteinleitungselement und dem Drehmomentausleitungselement und einer elektrischen Maschine zur Übertragung eines Drehmoments zwischen der elektrischen Maschine und dem Drehmomentausleitungselement. Für den Wechsel der Betriebsmodi ist es lediglich erforderlich den Elektromagnet kurzzeitig zu bestromen, um die bistabil ausgestaltete Magnetkupplung zu schalten, so dass mit einem geringem Energieeinsatz eine leichte und effiziente Anpassung einer Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, an verschiedene Fahrstrategien ermöglicht ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht eines Kupplungssystems,
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2: eine schematische perspektivische Schnittansicht des Kupplungssystems aus 1,
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3: eine schematische Detailansicht einer Magnetkupplung des Kupplungssystems aus 1,
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4: eine schematische Detailansicht der Magnetkupplung auf 3 im geöffneten Zustand und
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5: eine schematische Detailansicht der Magnetkupplung aus 3 im geschlossenen Zustand.
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Das in 1 und 2 dargestellte Kupplungssystem 10 weist ein Drehmomenteinleitungselement 12 in Form einer als Kurbelwelle ausgestalteten Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors auf, das beispielsweise mit einem Drehmomentausleitungselement 14 in Form einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes gekoppelt werden kann. An dem Drehmomentausleitungselement 14 kann auch eine elektrische Maschine angreifen, um ein Drehmoment auszutauschen. Die elektrische Maschine weist hierzu einen stromdurchfließbaren Stator auf, der mit einem mit dem Drehmomentausleitungselement 14 gekoppelten Rotor zusammenwirken kann. Gegebenenfalls kann das Drehmomentausleitungselement mit dem Stator zusammenwirkende Magnete aufweisen und dadurch den Rotor der elektrischen Maschine ausbilden. Zwischen dem Drehmomenteinleitungselement 12 und dem Kraftfahrzeugmotor und/oder zwischen dem Drehmomentausleitungselement 14 und dem Kraftfahrzeuggetriebe kann eine Trennkupplung vorgesehen sein, um bei laufendem Kraftfahrzeugmotor in dem Kraftfahrzeuggetriebe Gänge schalten zu können.
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Das Drehmomenteinleitungselement 12 kann über eine als Lamellenkupplung ausgestaltete Reibungskupplung 16 mit dem Drehmomentausleitungselement 14 gekoppelt werden. Hierzu weist die Reibungskupplung 16 ein als Außenlamellenträger ausgestaltetes Ausgangsteil 18 auf, das über ein Ausgleichselement 20 zum Ausgleich eines Versatzes in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung mit dem Drehmomentausleitungselement 14 gekoppelt ist. Insbesondere kann das Ausgangsteil 18 radial außen einen Stator der elektrischen Maschine tragen und zur Ausbildung des Stators mit Stator-Permanentmagneten versehen sein. Zudem weist die Reibungskupplung 16 ein mit dem Drehmomenteinleitungselement 12 vernietetes als Innenlamellenträger ausgestaltetes Eingangsteil 22 auf. Die Reibungskupplung 16 kann mit Hilfe eines Rampensystems 24 betätigt werden. Hierzu weist das Rampensystem 24 eine über ein Axiallager 26 axial unbeweglich abgestützte Eingangsrampe 28 auf, die über eine Kugel 30 zu einer Ausgangsrampe 32 verdreht werden kann. Die Ausgangsrampe 32 kann dadurch axial verlagert werden, um als eine Anpressplatte der Reibungskupplung 16 die Reib- und/oder Stahllamellen der Reibungskupplung 16 bei einem Schließen der Reibungskupplung 16 zu verpressen.
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An der Eingangsrampe 28 greift ein topfartiger Mitnehmer 34 an, mit dessen Hilfe die Eingangsrampe 28 verdreht werden kann. Der Mitnehmer 34 ist über ein Radiallager 36 drehbar an dem Drehmomenteinleitungselement 12 gelagert. Mit Hilfe einer Magnetkupplung 38 kann das Radiallager 36 überbrückt und der Mitnehmer 34 mit dem Drehmomenteinleitungselement 14 gekoppelt werden. Bei geöffneter Reibungskupplung 16 und geschlossener Magnetkupplung 38 ist die Eingangsrampe 28 über den Mitnehmer 34 mit dem Drehmomenteinleitungselement 12 gekoppelt, während die Ausgangsrampe 32 über das Ausgangsteil 18 mit dem Drehmomentausleitungselement 14 gekoppelt ist, so dass aufgrund einer Drehzahldifferenz zwischen dem Drehmomenteinleitungselement 12 und dem Drehmomentausleitungselement 14 die Eingangsrampe 28 relativ zur Ausgangsrampe 32 verdreht werden kann. Insbesondere bei überholendem Drehmomenteinleitungselement 12 kann sich hierbei die axiale Erstreckung des Rampensystems 24 erhöhen und die Reibungskupplung 16 geschlossen werden. Wenn die Magnetkupplung 38 geöffnet ist, ist die Eingangsrampe 28 über den relativ drehbar gelagerte Mitnehmer 34 nicht mehr abgestützt. Die Reibungskupplung 16 kann sich dadurch infolge von vorgespannten, beispielsweise als Wellfedern ausgestalteten, Rückstellfederelementen 40 automatisch öffnen und die axiale Erstreckung des Rampensystems 24 reduzieren.
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Die in 3 in Detail dargestellte Magnetkupplung 38 weist einen feststehenden Elektromagnet 42 auf, an dem über ein radial inneres Wellenlager 44 das Drehmomenteinleitungselement 12 gelagert ist. Der Elektromagnet 42 kann ein elektrisches Feld erzeugen, das auf eine axial verlagerbare Ankerscheibe 46 wirken kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Ankerscheibe 46 einen Permanentmagnet 48 auf, der magnetisch an einem weichmagnetischen ersten Ankerteil 50 und einem weichmagnetischen zweiten Ankerteil 52 angebunden ist.
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In der in 4 dargestellten Öffnungsstellung der Magnetkupplung 38 ist die Ankerscheibe 46 gegen eine drehfest mit dem Drehmomenteinleitungselement 12 verbundene Reibscheibe 54 gedrückt. Der Permanentmagnet 48 weist hierbei einen magnetischen Fluss auf, der durch das weichmagnetische Material der Reibscheibe 54 und gegebenenfalls durch ein weichmagnetisches Gehäuse 58 für den Elektromagnet 42 verläuft. Das erste Ankerteil 50 und das zweite Ankerteil 52 kontaktieren die Reibscheibe 54 direkt, so dass die Ankerscheibe 46 an der Reibscheibe 54 magnetisch anhaftet und dadurch an der Reibscheibe 54 magnetisch festgehalten ist. Hierbei kann die von dem Permanentmagnet 48 aufgebrachte Magnetkraft groß genug sein, um eine von einer als Blattfeder ausgestalteten Rückstellfeder 58 aufgebrachte Federkraft kompensieren zu können, welche die Ankerscheibe 46 von der Reibscheibe 54 weg in Richtung des Mitnehmers 34 zieht.
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Um die Magnetkupplung 38 von der in 4 dargestellten Öffnungsstellung in die in 5 dargestellte Schließstellung zu schalten, muss der Elektromagnet 42 lediglich kurzzeitig eine abstoßende Magnetkraft auf den Permanentmagnet 48 der Ankerscheibe 46 ausüben. Die Ankerscheibe 46 kann dadurch von der Reibscheibe 54 abheben und von der abstoßenden Magnetkraft des Elektromagnets 42 und der Federkraft der Rückstellfeder 58 gegen den Mitnehmer 34 gepresst werden. Der Permanentmagnet 48 weist hierbei einen magnetischen Fluss auf, der durch das weichmagnetische Material des Mitnehmers 34 verläuft. Das erste Ankerteil 50 und das zweite Ankerteil 52 kontaktieren den Mitnehmer 34 direkt, so dass die Ankerscheibe 46 auch bei ausgeschalteten Elektromagnet 42 an dem Mitnehmer 34 magnetisch anhaftet und dadurch an dem Mitnehmer 34 magnetisch festgehalten ist. Über die Rückstellfeder 58 und die Ankerscheibe 46 kann dann ein Drehmoment an den Mitnehmer 34 übertragen werden, um die axiale Erstreckung des Rampensystems 24 zu erhöhen und die Reibungskupplung 16 zu schließen. Spätestens nach einer Synchronisierung des Drehmomentausleitungselements 14 mit dem Drehmomenteinleitungselement 12 kann der Elektromagnet 42 ausgeschaltet werden. Insbesondere kann der Elektromagnet 42 bereits ausgeschaltet werden, wenn die Ankerscheibe 46 den Mitnehmer kontaktiert hat oder aufgrund der Axiallage der Ankerscheibe 46 ein ungewolltes Zurückschalten in die Öffnungsstellung aufgrund der vorherrschenden Magnetkräfte ausgeschlossen werden kann.
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Um die Magnetkupplung 38 von der in 5 dargestellten Schließstellung wieder in die in 4 dargestellte Öffnungsstellung zu schalten, muss der Elektromagnet 42 lediglich kurzzeitig eine anziehende Magnetkraft auf den Permanentmagnet 48 der Ankerscheibe 46 ausüben. Die Ankerscheibe 46 kann dadurch von dem Mitnehmer 34 abheben und von der anziehenden Magnetkraft des Elektromagnets 42 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 58 gegen die Reibscheibe 54 gepresst werden, wo die Ankerscheibe 46 auch bei ausgeschalteten Elektromagnet 42 magnetisch haftend festgehalten ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kupplungssystem
- 12
- Drehmomenteinleitungselement
- 14
- Drehmomentausleitungselement
- 16
- Reibungskupplung
- 18
- Ausgangsteil
- 20
- Ausgleichselement
- 22
- Eingangsteil
- 24
- Rampensystems
- 26
- Axiallager
- 28
- Eingangsrampe
- 30
- Kugel
- 32
- Ausgangsrampe
- 34
- Mitnehmer
- 36
- Radiallager
- 38
- Magnetkupplung
- 40
- Rückstellfederelement
- 42
- Elektromagnet
- 44
- Wellenlager
- 46
- Ankerscheibe
- 48
- Permanentmagnet
- 50
- erstes Ankerteil
- 52
- zweites Ankerteil
- 54
- Reibscheibe
- 56
- Gehäuse
- 58
- Rückstellfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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