DE102016222836A1

DE102016222836A1 - Einrichtung zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102016222836A1
Application number: DE102016222836.6A
Authority: DE
Inventors: Dieter Maier; Guenter Escher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zur Betätigung einer Kupplung (70) eines Fahrzeugs, umfassend eine Kurvenscheibe (2), die um eine Kurvenscheiben-Achse (3) drehbar ist; weiterhin umfassend einen sich entlang einer Längsachse (A) erstreckenden Stößel (4) mit einem der Kurvenscheibe (2) zugewandten ersten Ende (5) und einem der Kupplung (70) zugewandten zweiten Ende (6); weiterhin umfassend einen Gabelkopf (50), der zwischen der Kurvenscheibe (2) und dem Stößel (4) angeordnet ist; weiterhin umfassend ein mit dem Gabelkopf (50) verbundenes Rollenlager (7), welches um eine am Gabelkopf (50) befestigte Achse (8) drehbar ist und auf einer Stirnfläche (2a) der Kurvenscheibe (2) anliegt. Der Gabelkopf (50) weist entlang der Längsachse (A) betrachtet einen dem Stößel (4) zugewandten ersten Abschnitt (10) und einen der Kurvenscheibe (2) zugewandten zweiten Abschnitt (20) auf. Der Gabelkopf (50) ist im ersten Abschnitt (10) mit dem ersten Ende (5) des Stößels (4) gekoppelt. Der Gabelkopf (50) ist im zweiten Abschnitt (20) gabelförmig mit zwei in Richtung der Längsachse (A) abragenden Armen (21, 22) gestaltet. Die beiden Arme (21, 22) sind quer zur Längsachse (A) voneinander beabstandet. Die zwei Arme (21, 22) weisen einander gegenüberliegende Öffnungen (23, 24) zur Aufnahme der Achse (8) des Rollenlagers (7) auf. Der Gabelkopf (50) ist einstückig durch Metal-Injection-Molden aus einem ersten Material hergestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung bzw. einen Aktuator zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gabelkopf für eine Einrichtung beziehungsweise einen Aktuator zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Gabelkopfes.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Einrichtungen bzw. Aktuatoren zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs bekannt. In jüngerer Zeit wird zunehmend versucht, Kupplungen einzusetzen, bei denen der Kuppelvorgang durch einen elektromechanischen Aktuator bewirkt wird. In Automatikgetrieben sind derartige elektromechanisch aktivierte Kupplungen auch bereits bekannt. Derartige Kupplungen bzw. Einrichtungen zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs können auch als sogenannte „electronic clutch“ oder kurz als „eClutch“ bezeichnet werden.
In derartigen eClutch-Systemen wird häufig in einem Aktuator des eClutch-Systems eine drehende Bewegung eines Motors bzw. eines an den Motor gekoppelten Getriebes in eine lineare Bewegung umgesetzt, um einen hydraulischen Zylinder zu betätigen. Dieser hydraulische Zylinder kann dann einen weiteren hydraulischen Zylinder betätigen, über den eine mit dem weiteren hydraulischen Zylinder gekoppelte Kupplungsscheibe ausgerückt wird (offener Zustand), um eine Drehmomentübertragung zwischen der Kupplungsscheibe und einer Schwungscheibe zu unterbrechen. Die Schwungscheibe ist dabei mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden. Eine gegenläufig drehende Bewegung des Motors des Aktuators bzw. der Einrichtung führt z.B. aufgrund von Federn in der Kupplung zu einer gegenläufig linearen Bewegung, die den hydraulischen Zylinder und damit auch den weiteren hydraulischen Zylinder betätigt und so ein Einrücken der Kupplungsscheibe relativ zur Schwungscheibe bewirkt. Bei eingerückter Kupplung (geschlossener Zustand) erfolgt eine Drehmomentübertragung zwischen der Schwungscheibe und der Kupplungsscheibe.
Um die Umsetzung der drehenden Bewegung in die lineare Bewegung zu erreichen kann eine Kurvenscheibe und ein mit der Kurvenscheibe verbundener bzw. gekoppelter Stößel verwendet werden. Dabei ist die Kurvenscheibe fest mit einem Getriebe verbunden, welches seinerseits mit dem Motor verbunden ist. Auf diese Weise kann die Kurvenscheibe durch eine Drehung des Motors mittels des Getriebes gedreht werden. Durch eine Änderung des Radius' der Kurvenscheibe in Abhängigkeit vom Drehwinkel (zum Beispiel durch das Profil der Kurvenscheibe an ihrer Stirnseite) kann sich in bekannter Weise eine lineare Bewegung des Stößels ergeben.
Um eine reibungsarme Kopplung bzw. Wirkverbindung zwischen dem Stößel und der Kurvenscheibe zu bewirken ist bei derartigen Einrichtungen bzw. Aktuatoren zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeuges häufig vorgesehen, zwischen dem Stößel und der Kurvenscheibe ein Rollenlager anzuordnen. Dabei ist eine Achse des Rollenlagers im Wesentlichen parallel zu einer Kurvenscheiben-Achse der Kurvenscheibe ausgerichtet. Die Achse des Rollenlagers kann am Stößel befestigt werden.
Aus der DE 10 2014 226 120 A1 ist eine derartige Einrichtung zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die unmittelbare Befestigung der Achse des Rollenlagers am Stößel zu einer Verkantung bei der Umsetzung der Drehbewegung des Motors in eine lineare Bewegung des Stößels führen könnte. Weiterhin kann es beim Einpressen der Achse des Rollenlagers in eine Aufnahme für die Achse im Stößel zu Problemen kommen, wenn das Material des Stößels eine größere Härte aufweist als das Material der Achse. Denn dadurch kann es zu einer unerwünschten Verformung der Achse beim Einpressvorgang kommen.
Es kann daher ein Bedarf bestehen, eine Einrichtung bzw. einen Aktuator zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs bereitzustellen, bei welcher bzw. bei welchem ein Verkanten des Stößels bei einer Linearbewegung des Stößels möglichst vermieden wird. Gleichzeitig soll beim Montieren bzw. Einpressen der Achse des Rollenlagers in eine zugeordnete Aufnahme für die Achse des Rollenlagers keine Verformung der Achse auftreten und dennoch eine hohe mechanische Stabilität der Achsaufnahmen gegeben sein.
Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung bzw. ein Aktuator zu Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs vorgeschlagen. Die Einrichtung bzw. der Aktuator umfasst eine Kurvenscheibe, die um eine Kurvenscheiben-Achse drehbar ist. Die Einrichtung bzw. der Aktuator kann beispielsweise einen Motor zum Drehen der Kurvenscheibe aufweisen. Die Einrichtung umfasst weiterhin einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Stößel mit einem der Kurvenscheibe zugewandten ersten Ende und einem der Kupplung zugewandten zweiten Ende. Die Einrichtung umfasst weiterhin einen Gabelkopf, der zwischen der Kurvenscheibe und dem Stößel angeordnet ist. Insbesondere ergibt sich diese Anordnungsbeziehung bei Betrachtung entlang der Längsachse. Die Einrichtung umfasst weiterhin ein mit dem Gabelkopf verbundenes Rollenlager, welches um eine am Gabelkopf befestigte Achse drehbar ist und auf einer Stirnfläche der Kurvenscheibe anliegt bzw. anlegbar ist. Der Gabelkopf weist entlang der Längsachse betrachtet einen dem Stößel zugewandten ersten Abschnitt und einen der Kurvenscheibe zugewandten zweiten Abschnitt auf. Der Gabelkopf ist im ersten Abschnitt mit dem ersten Ende des Stößels gekoppelt. Dabei kann das erste Ende des Gabelkopfes im Wesentlichen kugelförmig gestaltet sein. Der Gabelkopf ist im zweiten Abschnitt gabelförmig mit zwei in Richtung der Längsachse abragenden Armen gestaltet. Die beiden Arme sind quer zur Längsachse betrachtet voneinander beabstandet. Die zwei Arme weisen einander gegenüberliegende Öffnungen zur Aufnahme der Achse des Rollenlagers auf. Der Gabelkopf ist dabei einstückig durch ein Spritzgussverfahren in der Art des Metal-Injection-Molden hergestellt. Der Gabelkopf ist im fertig hergestellten Zustand („Endzustand“) aus einem ersten Material („Endmaterial“) hergestellt.
Das erste Material liegt somit in zwei Zuständen vor: einem ersten Material, zeitlich vor dem Spritzgießen (Material M1a bzw. „Vormaterial“) und einem ersten Material zeitlich nach der Fertigstellung des Gabelkopfes (Material M1b bzw. „Endmaterial“).
Entlang der Längsachse betrachtet kann der Gabelkopf derart ausgebildet sein, dass zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein Mittelabschnitt angeordnet ist.
Die Kurvenscheibe ist dazu ausgebildet, eine Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umzuwandeln, indem das Rollenlager auf der Stirnseite der Kurvenscheibe abrollt. Dazu kann die Kurvenscheibe in ihrem Profil jeweils unterschiedliche Radien aufweisen.
Die Längsachse des Stößels kann z.B. senkrecht zur Kurvenscheiben-Achse und damit auch senkrecht zur Achse des Rollenlagers verlaufen.
Die Achse des Rollenlagers kann z.B. in die Öffnungen der Arme eingepresst sein. Dabei können die Öffnungen der beiden Arme des Gabelkopfes derart ausgebildet sein, dass sie ringförmig geschlossen sind.
Unter einer im Wesentlichen kugelförmigen Gestaltung des ersten Abschnittes des Gabelkopfes kann beispielsweise eine Kugelform verstanden werden, welche an Stirnflächen senkrecht zur Längsachse Abflachungen bzw. abgeflachte Bereiche aufweist.
Durch das Vorsehen des Gabelkopfes wird vorteilhaft bewirkt, dass der Stößel nicht mehr unmittelbar mit dem Rollenlager verbunden ist. Vielmehr ist das Rollenlager mittels der Achse am Gabelkopf in dessen zweiten Abschnitt befestigt. Der erste Abschnitt des Gabelkopfes ist dann in mechanischem Kontakt mit dem Stößel und kann beispielsweise in der Art eines Kugelgelenkes mit dem Stößel mechanisch verbunden und/oder wirkverbunden sein. Dadurch kann eine Kraftübertragung in beide Richtungen der Längsachse erfolgen, wobei das erste Ende des Stößels in der Art einer Gelenkpfanne ausgebildet sein kann und der erste Abschnitt des Gabelkopfes eine Art Gelenkkopf bildet. Bei einer derartigen Ausgestaltung können sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen werden. Grundsätzlich sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen lediglich eine Druckkraft übertragen werden kann.
Der Vorteil der relativen Beweglichkeit zwischen dem ersten Abschnitt des Gabelkopfes und dem ersten Ende des Stößels besteht in einer mechanischen Entkopplung. Dadurch kann z.B. ein das Risiko eines Verkantens des Stößels insbesondere bei schnellen Bewegungen der Einrichtung bzw. des Aktuator verringert werden. Das Vorsehen des Gabelkopfes ermöglicht außerdem die Anpassung der jeweiligen Werkstoffe bzw. Materialien für den Stößel bzw. für den Gabelkopf derart, dass die entsprechenden mechanischen Anforderungen berücksichtigt werden können. So ist beispielsweise durch das Herstellen des Gabelkopfes mittels des Metal-Injection-Moldens die Verwendung von Materialien möglich, die eine besonders leichte Bauweise des Gabelkopfes ermöglichen im Vergleich zu einer Herstellung des Gabelkopfes beispielsweise durch ein Vollmetall. Auf diese Weise kann die zu bewegende Masse deutlich reduziert werden. Das Herstellen mittels Metal-Injection-Molden erlaubt zudem eine nahezu beliebige Formgestaltung des Gabelkopfes, so dass eine Außenform (d.h. eine Außenkontur und eine Innenkontur) gewählt werden kann, die die wirkenden Kräfte möglichst ohne lokale Spannungsspitzen aufnehmen kann. Weiterhin kann der Gabelkopf durch das Metal-Injection-Molden in großen Stückzahlen mit nur geringen Toleranzen und außerdem besonders kostengünstig hergestellt werden. Schließlich kann der Spritzgussprozess als solcher derart bei erheblich geringeren Temperaturen als der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls durchgeführt werden, z.B. bei einer Werkzeugtemperatur von 20°C bis ca. 50°C und einer Temperatur des eingespritzten Materials von ca. 100°C bis 160°C, bevorzugt von 120°C bis 140°C. Der endgültige Materialverbund kann dann z.B. bei einem nachfolgenden Sinterprozess bei Temperaturen von z.B. mehr als 1200°C entstehen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein erstes Material des Gabelkopfes eine geringere erste Härte aufweist als eine zweite Härte eines zweiten Materials der Achse des Rollenlagers. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die erste Härte höchstens 70 % oder beispielsweise höchstens 50 % der zweiten Härte aufweist. Dadurch kann das Einpressen bzw. die Befestigung der Achse in den Öffnungen der beiden Arme des zweiten Abschnitts des Rollenlagers besonders einfach erfolgen. Einerseits wird durch das weichere Material des Gabelkopfes vermieden, dass beim Befestigen bzw. Einpressen der Achse Spannungsrisse an den als Aufnahmen für die Achse dienenden Öffnungen bzw. deren Rändern auftreten. Dies folgt daraus, dass das Material des Gabelkopfes duktiler ist als das Material der Achse. Gleichzeitig wird eine Verformung der Achse beim Einpressen vermieden. Schließlich kann das erste Material dennoch mechanisch stabiler und temperaturstabiler ausgebildet sein als beim Verwenden von Material eines Kunststoffspritzguss-Verfahrens.
Es versteht sich, dass die erste Härte des ersten Materials sich auf das Material im fertig hergestellten (gesinterten) Zustand des Gabelkopfes bezieht, dem „Endzustand“: es handelt sich dabei dann um das „Endmaterial“.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass an wenigstens einem der beiden Arme des Gabelkopfes wenigstens ein nach außen abragender Zapfen angeordnet ist. Dieser wenigstens eine nach außen abragender Zapfen ist dabei geeignet, durch Eingriff in eine Nut an einem Bauteil der Einrichtung eine axiale Führung des Gabelkopfes entlang der Längsachse zu bewirken. Das Bauelement der Einrichtung, welches eine derartige Nut bzw. Führungsnut aufweist, kann beispielsweise das Gehäuse der Einrichtung sein oder am Gehäuse der Einrichtung befestigt sein. Durch die nach außen abragenden Zapfen wird vorteilhaft bewirkt, dass der Gabelkopf zuverlässig eine lineare Bewegung entlang der Längsachse ausführt und nicht quer zur Längsachse ausbrechen kann, auch bei schnellen bzw. ruckartigen Bewegungen der Einrichtung bzw. der Kurvenscheibe der Einrichtung.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Außenkontur und/oder eine Innenkontur des Gabelkopfes entlang der Längsrichtung betrachtet bzw. in einem Schnitt entlang der Längsachse betrachtet derart gestaltet ist, dass die Außenkontur bzw. die Innenkontur in einem Mittelabschnitt und beim Übergang vom ersten Abschnitt zum Mittelabschnitt und beim Übergang vom Mittelabschnitt zum zweiten Abschnitt nur Winkel größer als 90°, bevorzugt nur Winkel größer als 105°, aufweist. Der Mittelabschnitt ist entlang der Längsachse betrachtet zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordnet.
In Ausführungsformen des Gabelkopfes ohne Mittelabschnitt gelten die Winkel für den Übergang vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt.
Unter Außenform ist dabei die von außen zugängliche Form des Gabelkopfes zu verstehen.
Unter einer Außenkontur ist die nach außen weisende Fläche des Gabelkopfes bzw. der Form des Gabelkopfes zu verstehen. Die Innenkontur ist entsprechend als die nach innen gewandte bzw. innen liegende Fläche der Form des Gabelkopfes bzw. der Außenform des Gabelkopfes zu verstehen.
Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft eine besonders leichte Bauweise des Gabelkopfes ermöglicht. Gleichzeitig wird durch diese Formgebung der Aufbau von Spannungsspitzen an spitzen Winkeln bzw. rechtwinkligen Übergängen zwischen verschiedenen Abschnitten des Gabelkopfes vermieden. Auf diese Weise kann der Gabelkopf besonders leicht und stabil ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Gabelkopf derart gestaltet ist, dass er axiale Kräfte entlang der Längsachse von wenigstens 5000 N aufnehmen kann. Dabei soll der Gabelkopf diesen Kräften standhalten, ohne dabei zerstört zu werden. Dadurch ist sichergestellt, dass der Gabelkopf den zur Betätigung der Kupplung notwendigen Kräften jederzeit, d.h. auch bei allen Temperaturen beispielsweise in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 150 °C, standhalten kann.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das erste Material vor dem SpritzgussProzess („Vormaterial“) bzw. vor dem Metal-Injection-Mold-Prozess einen Kunststoff, sowie Wachs- und Metallpulver umfasst. Bei dem Kunststoff kann es sich beispielsweise um Polyamid handeln. Durch diese Zusammensetzung des ersten Materials kann der Gabelkopf bei vergleichsweise geringen Temperaturen im Vergleich zum Schmelzpunkt des verwendeten Metalls spritzgegossen werden. Dadurch wird vorteilhaft das Spritzgussverfahren mit dem Metall bei relativ geringen Temperaturen ermöglicht, ohne dabei Negativformen bzw. eine Anlage verwenden zu müssen, die den Schmelztemperaturen des Metalls standhalten müssten. Auf diese Weise lässt sich besonders kostengünstig eine stabile Ausführung des Gabelkopfes bewerkstelligen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das erste Material nach einem Einspritzprozess und einem Sinterprozess („Endmaterial“) zu wenigstens 85 Gewichtsprozent (gew-%), bevorzugt zu wenigstens 93 gew-% oder zu wenigstens 97 gew-% und ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 99 gew-% aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das erste Material durch den Herstellungsprozess eine Veränderung der Zusammensetzung erfährt und im Endzustand der Gabelkopf besonders stabil ist und große Kräfte aufnehmen kann. Bevorzugt liegt ein Bauteil vor, welches einem Gussteil aus Metall nahezu oder vollständig entspricht bzw. einem metallischen Bauteil nahezu oder vollständig entspricht.
Es kann vorgesehen sein, dass das Metall oder die Metalllegierung des „Endmaterials“ aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom, Nickel, Stahl, Bronze. Mit diesen Materialien ist eine mechanisch besonders stabile und gegenüber korrosiven Medien besonders beständige Ausgestaltung des Gabelkopfes möglich.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gabelkopf für eine Einrichtung zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs vorgesehen. Dabei weist der Gabelkopf entlang einer Längsachse betrachtet einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf. Der Gabelkopf kann im ersten Abschnitt beispielsweise im Wesentlichen kugelförmig gestaltet sein. Der Gabelkopf ist im zweiten Abschnitt gabelförmig mit zwei in Richtung der Längsachse abragenden Armen gestaltet. Die beiden Arme sind quer zur Längsachse betrachtet voneinander beabstandet. Die zwei Arme weisen einander gegenüberliegende Öffnungen zur Aufnahme einer Achse eines Rollenlagers auf. Der Gabelkopf ist einstückig durch einen Spritzgussprozess in der Art von Metal-Injection-Molden hergestellt. Der Gabelkopf ist im fertig hergestellten Zustand („Endzustand“) aus einem ersten Material („Endmaterial“) hergestellt.
Durch diese Gestaltung des Gabelkopfes kann der Gabelkopf besonders leicht und mechanisch stabil ausgebildet sein. Im Vergleich zu einer Herstellung aus Vollmetall können bei gleicher Stabilität beispielsweise Gewichtseinsparungen von wenigstens 30 %, oder sogar wenigstens 40 %, bewirkt werden. Gleichzeitig lässt sich in einen derartigen Gabelkopf besonders einfach und beschädigungsfrei eine Achse eines Rollenlagers einpressen. Der Gabelkopf eignet sich daher besonders vorteilhaft für Einrichtungen bzw. Aktuatoren zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs, bei welchen hohe Kräfte in kurzen Zeiten, d.h. hohe Impulse, übertragen werden müssen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gabelkopfes für eine Einrichtung zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeuges vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

-- einen ersten Schritt: Bereitstellen einer Spritzgussform, die das Negativ einer Außenform des Gabelkopfes aufweist,
-- einen zweiten Schritt: Bereitstellen eines ersten Materials, wobei das erste Material wenigstens einen ersten Anteil an Kunststoff, wenigstens einen zweiten Anteil an Wachs und wenigstens einen dritten Anteil an einem Metallpulver umfasst,
-- einen dritten Schritt: Einspritzen des ersten Materials in die Form, so dass ein Gabelkopfrohling gebildet wird,
--einen vierten Schritt: Entfernen des zweiten Anteils an Wachs aus dem Gabelkopfrohling; dabei kann das Entformen beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Lösungsmittels erfolgen, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Aceton; es kann eine Temperatur von ca. 20°C bis 50°C, z.B. 40°C angewendet werden;
-- einen fünften Schritt: Entfernen von wenigstens 90 gew-% des zweiten Anteils des Kunststoffs; insbesondere kann z.B. wenigstens 99 gew-% des zweiten Anteils des Kunststoffes entfernt werden;
-- einen sechsten Schritt: Sintern des Gabelkopfrohlings.

Durch das vorgeschlagene Verfahren kann der Gabelkopf bei gegenüber der Schmelztemperatur des Metalls bei vergleichsweise geringen Temperaturen in einer Spritzgussform hergestellt werden. Seine endgültige Härte und mechanische Stabilität erhält der Gabelkopf dann durch das Sintern. Die im ersten Material („Vormaterial“) zunächst vorhandenen Materialien Kunststoff und Wachs werden spätestens beim Sinterschritt ausgetrieben. Dadurch wird durch das Verfahren ein Gabelkopf bereitgestellt, der nahezu identisch zu einem metallischen Gussteil ist - der Gabelkopf kann unter Umständen eine sehr geringe Porosität aufweisen. Somit wird ermöglicht, dem Gabelkopf im Wesentlichen die Stabilität des verwendeten Metalls aus dem „Vormaterial“ zu verleihen. Auf diese Weise ist ein besonders leichter und mechanisch stabiler Gabelkopf herstellbar. Schließlich kann die Härte des Gabelkopfes im fertigen, d.h. ausgesinterten, Zustand derartig beschaffen sein, dass die Härte einer in den Gabelkopf einzupressenden Achse eines Rollenlagers höher ist als die Härte des Gabelkopfes. Dadurch lässt sich die Achse besonders einfach und beschädigungsfrei in den Gabelkopf einpressen bzw. an dem Gabelkopf montieren.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1: eine teilweise geschnittene Ansicht einer Einrichtung bzw. eines Aktuators zu Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs;
2: eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des Gabelkopfes
3a: eine perspektivische Ansicht eines Gabelkopfes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3b: den Gabelkopf aus 3a in einer anderen Perspektive;
3c: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gabelkopfes in einer perspektivischen Ansicht.

1 zeigt eine Einrichtung 1 bzw. einen Aktuator 1 zu Betätigung einer Kupplung 70 eines Fahrzeugs. Die Einrichtung 1 umfasst eine Kurvenscheibe 2, die um eine Kurvenscheiben-Achse 3 drehbar ist. Die Einrichtung 1 umfasst weiterhin einen sich entlang einer Längsachse A erstreckenden Stößel 4 mit einem der Kurvenscheibe 2 zugewandten ersten Ende 5 und einem der Kupplung 70 zugewandten zweiten Ende 6. Weiterhin umfasst die Einrichtung einen Gabelkopf 50, welcher zwischen der Kurvenscheibe 2 und dem Stößel 4 angeordnet ist. Der Gabelkopf 50 kann mit dem Stößel 4 unmittelbar in mechanischem Kontakt stehen bzw. gelenkartig am Stößel 4 festgelegt sein. Die Einrichtung 1 umfasst schließlich ein mit dem Gabelkopf 50 verbundenes Rollenlager 7, welches um eine am Gabelkopf 50 befestigte Achse 8 drehbar ist und auf einer Stirnfläche 2a der Kurvenscheibe 2 anliegt. Das Rollenlager 7 kann auf der Stirnfläche 2a der Kurvenscheibe 2 abrollen, wenn die Kurvenscheibe 2 durch einen Motor 9 der Einrichtung 1 gedreht wird.
Der Gabelkopf 50 weist entlang der Längsachse A betrachtet einen dem Stößel 4 zugewandten ersten Abschnitt 10 und einen der Kurvenscheibe 2 zugewandten zweiten Abschnitt 20 auf. Dabei ist der Gabelkopf 50 im ersten Abschnitt 10 mit dem ersten Ende 5 des Stößels 4 gekoppelt. Der Gabelkopf 50 kann im ersten Abschnitt 10 im Wesentlichen kugelförmig gestaltet sein. Dabei ist unter einer im Wesentlichen kugelförmigen Gestalt zu verstehen, dass der erste Abschnitt 10 überwiegend die Form einer Kugel aufweist. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass diese Kugel an ihrer Außenfläche abgeflachte Bereiche aufweist. Der Gabelkopf 50 ist im zweiten Abschnitt 20 gabelförmig mit zwei in Richtung der Längsachse A abragenden Armen 21, 22 gestaltet. Dabei sind die beiden Arme 21, 22 quer zur Längsachse A voneinander beabstandet. Die zwei Arme 21, 22 weisen einander gegenüberliegende Öffnungen 23, 24 zur Aufnahme der Achse 8 des Rollenlagers 7 auf. Der Gabelkopf 50 ist einstückig durch Metal-Injection-Molden aus einem ersten Material M1 hergestellt. Wie oben dargestellt handelt es sich hierbei um das erste Material im „Endzustand“, also das „Endmaterial“ M1b.
Unter dem Verfahren des Metal-Injection-Molden ist hierbei ein Spritzgussprozess zu verstehen.
2 zeigt das Verfahren zur Herstellung des Gabelkopfes 50. Es umfasst dabei folgende Schritte:

-- einen ersten Schritt 100: Bereitstellen einer Spritzgussform, die das Negativ einer Außenform des Gabelkopfes 50 aufweist,
-- einen zweiten Schritt 200: Bereitstellen eines ersten Materials M1 - es handelt sich dabei um das „Vormaterial“ M1a; dabei umfasst das erste Material M1 (Vormaterial M1a) wenigstens einen ersten Anteil an Kunststoff, wenigstens einen zweien Anteil an Wachs und wenigstens einen dritten Anteil an einem Metallpulver; erster Anteil, zweiter Anteil und dritter Anteil sind in diesem Stadium des Verfahrens beispielsweise größer als Null;
-- einen dritten Schritt 300: Einspritzen des ersten Materials M1 in die Form, so dass ein Gabelkopfrohling gebildet wird;
-- einen vierten Schritt 400: Entfernen des zweiten Anteils an Wachs aus dem Gabelkopfrohling; dabei kann das Entformen beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Lösungsmittels erfolgen, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Aceton; es kann eine Temperatur von ca. 20°C bis 50°C, z.B. 40°C angewendet werden;
-- einen fünften Schritt: Entfernen von wenigstens 90 gew-% des zweiten Anteils des Kunststoffs; insbesondere kann z.B. wenigstens 99 gew-% des zweiten Anteils des Kunststoffes entfernt werden;
-- einen sechsten Schritt 600: Sintern des Gabelkopfrohlings - nach dem Sintern liegt das erste Material als „Endmaterial“ M1b im Endzustand vor.

Vor oder nach dem vierten Schritt 400 kann ein weiterer Schritt vorgesehen sein: Entformen des Gabelkopfrohlings aus der Spritzgussform.
Spätestens durch das Sintern des Gabelkopfrohlings werden der Kunststoff und das Wachs zum größten Teil aus dem Gabelkopfrohling entfernt und es entsteht ein Gabelkopf 50, der aus dem ersten Material M1 („Endmaterial“ M1b) nach Sintern, d.h. überwiegend aus Metall mit einer gewissen Porosität besteht.
Dabei kann der Spritzgussprozess als solcher bei relativ geringen Temperaturen erfolgen, z.B. bei einer Werkzeugtemperatur von 20°C bis ca. 50°C und einer Temperatur des eingespritzten Materials M1 („Vormaterial“ M1a) von ca. 100°C bis 160°C, bevorzugt von 120°C bis 140°C. Der endgültige Materialverbund kann dann z.B. bei einem nachfolgenden Sinterprozess bei Temperaturen von z.B. mehr als 1200°C, z.B. bei 1300°C entstehen - der Gabelkopf besteht dann aus dem ersten Material („Endmaterial“ M1b), welches z.B. zu mehr als 95 gew-%, bevorzugt zu mehr als 99 gew-% metallisch ist.
In diesem Zusammenhang ist erneut darauf hinzuweisen, dass das erste Material vor dem Spritzgussprozess bzw. vor dem Sintern („Vormaterial“ M1a) sich von dem ersten Material („Endmaterial“ M1b) des Gabelkopfes 50 in seiner finalen Ausgestaltung unterscheidet.
3a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gabelkopfes 50 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Gabelkopf 50 weist entlang der Längsachse A, die sich aus der linearen Bewegung des Stößels 4 ergibt, einen ersten Abschnitt 10 sowie einen zweiten Abschnitt 20 auf. Zwischen dem ersten Abschnitt 10 und dem zweiten Abschnitt 20 ist hier ein halsartiger Mittelabschnitt 30 angeordnet. Je nach Ausführungsform kann jedoch auch der erste Abschnitt 10 unmittelbar an den zweiten Abschnitt 20 angrenzen. Der Gabelkopf 50 weist eine Außenform auf. Mit der Außenform ist die gesamte von außen sichtbare bzw. erkennbare Form gemeint. Die Außenform kann in eine Außenkontur 51 und eine Innenkontur 52 unterteilt werden. Dabei ist unter der Außenkontur 51 die nach außen weisende Fläche des Gabelkopfes 50 zu verstehen. Im Unterschied dazu sind unter der Innenkontur 52 z.B. diejenigen Flächen zu verstehen, welche auf anderen Flächen des Gabelkopfes 50 zugewandt sind.
Der Gabelkopf 50 weist in seinem ersten Abschnitt 10 eine kugelförmige Gestalt auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dazu angrenzend an den Mittelabschnitt 30 der erste Abschnitt 10 in Form einer Kugel 11 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist der Mittelabschnitt 30 somit halsförmig ausgebildet, der erste Abschnitt 10 kopfförmig. Die Kugel 11 weist lediglich beispielhaft quer zur Längsachse A abgeflachte Stirnseiten 12 auf. Die Kugel 11 kann beispielsweise als Kopplungselement zum ersten Ende des Stößels 4 verwendet werden. Wenn das erste Ende 5 des Stößels 4 in der Art einer Gelenkpfanne ausgebildet ist kann die Kugel 11 zumindest Druckkräfte auf den Stößel 4 übertragen, wobei durch die relative Beweglichkeit zwischen Gabelkopf 50 und Stößel 4 ein Verkanten des Stößels 4 bei seiner Bewegung entlang der Längsachse A vermieden wird.
Der Gelenkkopf 50 weist in seinem zweiten Abschnitt 20 einen ersten Arm 21 und einen zweiten Arm 22 auf. Beide Arme 21, 22 ragen entlang der Längsrichtung A vom Gabelkopf 50 ab. Der erste Arm 21 und der zweite Arm 22 sind quer zur Längsachse A voneinander beabstandet. Der erste Arm A weist eine erste Öffnung 23 auf und der zweite Arm 22 weist eine zweite Öffnung 24 auf. Die erste Öffnung 23 und die zweite Öffnung 24 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig geschlossen in ihren jeweiligen Armen 21, 22 vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform ist auch denkbar, dass die Öffnungen 23, 24 die Form eines geöffneten Rings haben, so dass sie wie die Enden einer Fahrradgabel ausgebildet sein können. Die beiden Öffnungen 23, 24 sind quer zur Längsachse A betrachtet, also in einer Richtung B (siehe Zeichnung), einander koaxial fluchtend gegenüberliegend ausgebildet.
Im zweiten Abschnitt 20 ist weiterhin ein Rollenlager 7 zwischen den beiden Armen 21, 22 angeordnet. Das Rollenlager 7 wird durch eine Achse 8 am Gabelkopf 50 befestigt. Dabei erstreckt sich die Achse 8 entlang der Richtung B, also senkrecht zur Längsachse A. Die Achse 8 kann z.B. in die beiden Öffnungen 23, 24 der beiden Arme 21, 22 eingepresst sein. Jedoch sind auch andere Montagemöglichkeiten denkbar. Die Achse 8 ist dabei aus einem zweiten Material M2 gebildet. Das zweite Material M2 kann beispielsweise eine größere Härte aufweisen als das erste Material M1 („Endmaterial“ M1b im Endzustand) des Gabelkopfes 50. Beispielsweise kann das erste Material M1 des Gabelkopfes 50 eine erste Härte H1 aufweisen, welche maximal 70 %, bevorzugt maximal 50 % einer zweiten Härte H2 des zweiten Materials M2 der Achse 8 des Rollenlagers 7 aufweist.
Das Metall, aus welchem das erste Material M1 („Endmaterial“ M1b im Endzustand) des Gabelkopfes 50 gebildet ist, kann beispielsweise Titan, Aluminium, Chrom, Nickel, Stahl oder Bronze umfassen.
3b zeigt den Gabelkopf aus 3a in einer anderen perspektivischen Ansicht. In 3b sind das Rollenlager 7 und die Achse 8 des Rollenlagers 7 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. 3b ermöglicht einen besonders guten Blick auf die Innenkontur 52 des Gabelkopfes 50.
Aus den 3a und 3b wird ersichtlich, dass bei Schnitten entlang der Längsachse A durch den Gabelkopf 50 keine Winkel kleiner 90° oder gleich 90° auftreten. Durch diese Formgebung wird bevorzugt bei einer Kraftausübung entlang der Längsachse A auf den Gabelkopf 50 eine besonders gleichmäßige Verteilung von mechanischen Spannungen im Körper des Gabelkopfes 50 bewirkt. Mit anderen Worten: Der derart geformte Gabelkopf 50 weist nur geringe Spannungsspitzen auf, so dass der Gabelkopf 50 trotz seiner leichten Bauweise mechanisch stark belastbar und gleichzeitig stabil ist.
3c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind an den beiden Armen 21, 22 jeweils zwei entlang der Richtung der Längsachse A voneinander beabstandete Zapfen 25a, 25b angeordnet. Dabei befindet sich jeweils ein erster Zapfen 25a am äußersten Ende des jeweiligen Arms 21, 22, also in Richtung des Rollenlagers 7. Der jeweils zweite Zapfen 25b befindet sich näher am zweiten Abschnitt 20 des Gabelkopfes 50. Im dargestellten Ausführungsbeispiel grenzt der erste Abschnitt 10 unmittelbar an den zweiten Abschnitt 20 an, der Mittelabschnitt 30 entfällt. Dennoch ist auch eine hier nicht dargestellte Ausführungsform mit Mittelabschnitt 30 und den Zapfen 25a, 25b denkbar.
Durch das Vorsehen derartiger Zapfen 25a, 25b kann eine axiale Führung entlang der Längsachse A des Gabelkopfes 50 besonders einfach bewirkt werden. Dazu kann die Einrichtung 1 bzw. der Aktuator 1 zur Betätigung einer Kupplung 70 eines Fahrzeuges ein zu den Zapfen 25a, 25b komplementäres Bauteil, beispielsweise das Gehäuse der Einrichtung 1, aufweisen. Dieses komplementäre Bauteil kann also beispielsweise eine Führungsnut sein bzw. eine Führungsnut bereitstellen, die im Wesentlichen parallel zur Richtung der Längsachse A verläuft. Die Zapfen 25a, 25b können dann in die Nut bzw. Führungsnut eingreifen. Bei einer starken und/oder plötzlichen Krafteinwirkung auf den Gabelkopf 50 kann somit ein Ausbrechen des Gabelkopfes quer zur Richtung der Längsachse A vorteilhaft vermieden werden. Derartige plötzliche Krafteinwirkungen können beispielsweise durch ein plötzliches Drehen der Kurvenscheibe 2 und die Übertragung der Rotationsbewegung von der Kurvenscheibe 2 über das Rollenlager 7 auf den Gabelkopf 50 bewirkt sein.
Der Gabelkopf 50 ist dabei insbesondere derart gestaltet, dass er Kräfte entlang der Längsachse A von wenigstens 5000 N aufnehmen kann, ohne dabei zerstört zu werden. Die Aufnahme der Kräfte von 5000 N über wenigstens 3.500.000 Schaltzyklen (3,5 Millionen) wird durch den vorgestellten Gabelkopf ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014226120 A1 [0006]

Claims

Einrichtung zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs, umfassend -- eine Kurvenscheibe (2), die um eine Kurvenscheiben-Achse (3) drehbar ist, -- einen sich entlang einer Längsachse (A) erstreckenden Stößel (4) mit einem der Kurvenscheibe (2) zugewandten ersten Ende (5) und einem der Kupplung (70) zugewandten zweiten Ende (6), -- einen Gabelkopf (50), der zwischen der Kurvenscheibe (2) und dem Stößel (4) angeordnet ist, -- ein mit dem Gabelkopf (50) verbundenes Rollenlager (7), welches um eine am Gabelkopf (50) befestigte Achse (8) drehbar ist und auf einer Stirnfläche (2a) der Kurvenscheibe (2) anliegt, wobei der Gabelkopf (50) entlang der Längsachse (A) betrachtet einen dem Stößel (4) zugewandten ersten Abschnitt (10) und einen der Kurvenscheibe (2) zugewandten zweiten Abschnitt (20) aufweist, wobei der Gabelkopf (50) im ersten Abschnitt (10) mit dem ersten Ende (5) des Stößels (4) gekoppelt ist und insbesondere im Wesentlichen kugelförmig gestaltet ist, wobei der Gabelkopf (50) im zweiten Abschnitt (20) gabelförmig mit zwei in Richtung der Längsachse (A) abragenden Armen (21, 22) gestaltet ist, wobei die beiden Arme (21, 22) quer zur Längsachse (A) voneinander beabstandet sind, wobei die zwei Arme (21, 22) einander gegenüberliegende Öffnungen (23, 24) zur Aufnahme der Achse (8) des Rollenlagers (7) aufweisen, wobei der Gabelkopf (50) einstückig durch Metal-Injection-Molden aus einem ersten Material hergestellt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Material (M1) des Gabelkopfes (50) eine geringere erste Härte (H1) aufweist als eine zweite Härte (H2) eines zweiten Materials (M2) der Achse (8) des Rollenlagers (7), wobei insbesondere die erste Härte (H1) höchstens 70% der zweiten Härte (H2) aufweist.
Einrichtung nach einem de vorhergehenden Ansprüche, wobei an wenigstens einem der beiden Arme (21, 22) des Gabelkopfes (50) wenigstens ein nach außen abragender Zapfen (25a, 25b) angeordnet ist, der geeignet ist, durch Eingriff in eine Nut an einem Bauelement der Einrichtung (1) eine axiale Führung des Gabelkopfes (50) entlang der Längsachse (A) zu bewirken.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Außenkontur (51) und/oder einer Innenkontur (52) des Gabelkopfes (50) entlang der Längsrichtung (A) betrachtet derart gestaltet ist, dass die Außenkontur (51) im Mittelabschnitt (30) und beim Übergang vom ersten Abschnitt (10) zum Mittelabschnitt (30) und beim Übergang vom Mittelabschnitt (30) zum zweiten Abschnitt (20) nur Winkel größer als 90°, bevorzugt größer als 105°, aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gabelkopf (50) derart gestaltet ist, dass er axiale Kräfte entlang der Längsachse (A) von wenigstens 5000N aufnehmen kann.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material (M1) vor dem Moldprozess einen Kunststoff, insbesondere Polyamid (PA), sowie Wachs und Metallpulver umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material (M1) nach einem Einspritzprozess und einem Sinterprozess zu wenigstens 85 gew-%, bevorzugt zu wenigstens 93 gew-% aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei das Metall oder die Metalllegierung aus der Gruppe gewählt ist bestehend aus Titan, Aluminium, Chrom, Nickel, Stahl, Bronze.
Gabelkopf für eine Einrichtung zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs, wobei der Gabelkopf (50) entlang einer Längsachse (A) betrachtet einen ersten Abschnitt (10) und zweiten Abschnitt (20) aufweist, wobei der Gabelkopf (50) im ersten Abschnitt (10) insbesondere im Wesentlichen kugelförmig gestaltet ist, wobei der Gabelkopf (50) im zweiten Abschnitt (20) gabelförmig mit zwei in Richtung der Längsachse (A) abragenden Armen (21, 22) gestaltet ist, wobei die beiden Arme (21, 22) quer zur Längsachse (A) voneinander beabstandet sind, wobei die zwei Arme (21, 22) einander gegenüberliegende Öffnungen (23, 24) zur Aufnahme einer Achse (8) eines Rollenlagers (7) aufweisen, wobei der Gabelkopf (50) einstückig durch Metal-Injection-Molden aus einem ersten Material (M1) hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gabelkopfes nach Anspruch 9, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: -- einen ersten Schritt (100): Bereitstellen einer Spritzgussform, die das Negativ einer Außenform des Gabelkopfes (50) aufweist, -- einen zweiten Schritt (200): Bereitstellen eines ersten Materials (M1), wobei das erste Material (M1) wenigstens einen ersten Anteil an Kunststoff, wenigstens einen zweiten Anteil an Wachs und wenigstens einen dritten Anteil an einem Metallpulver umfasst, -- einen dritten Schritt (300): Einspritzen des ersten Materials (M1) in die Form, so dass ein Gabelkopfrohling gebildet wird; -- einen vierten Schritt (400): Entformen des Gabelkopfrohlings, insbesondere unter Zuhilfenahme eines Lösungsmittels; -- einen fünften Schritt (500): Entfernen von wenigstens 90% des zweiten Anteils des Kunststoffes; -- einen sechsten Schritt (600): Sintern des Gabelkopfrohlings.