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Die
Erfindung betrifft Linearaktuatoren, insbesondere Arretierungsaktuatoren
für Kupplungen
in Verbindung mit Drehmechanismen in Maschinen.
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Linearaktuatoren
erreichen eine Vorschub- und Rückzugsbewegung,
typischerweise in Abhängigkeit
von einer Druckbeaufschlagung oder Drucklosigkeit eines Fluids.
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Eine
Kupplung ist oft bei Maschinen vorgesehen, um Eingriff und Lösen eines
Antriebs zu ermöglichen,
typischerweise um nach Bedarf eine Drehmomentübertragung zu ermöglichen.
Eine solche Kupplung kann durch einen Linearaktuator betätigt werden.
In dieser Beschreibung umfasst "Kupplung" jede Art einer solchen
selektiv in Eingriff zu bringenden Vorrichtung, darunter solche,
die durch eine alternative Bezeichnung benannt sein können.
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Ein
Beispiel der Verwendung solcher Kupplungen stellt ein automatisches
Fahrzeuggetriebe des Hydraulik-/Planetengetriebetyps dar. Diese
Art von Getriebe umfasst eine Mehrzahl von verknüpften Planetengetriebesträngen, deren
relativ zueinander drehbaren Teile selektiv gegeneinander gesperrt werden,
um unterschiedliche Antriebs-/Abtriebsübersetzungsverhältnisse
vorzusehen. Diese Teile können
gegeneinander gesperrt werden oder am Getriebegehäuse gehalten
sein, und für
diesen Zweck werden lösbare
Kupplungen vorgesehen. Einige Kupplungen können in Form von Bremsbändern vorliegen, die
auf einem Außenrad
eines Planetengetriebstrangs einrückbar sind.
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Zum
Betätigen
solcher Kupplungen ist eine Hydraulikfluidquelle vorgesehen, die
von einer durch Motor oder Getriebe angetriebenen Pumpe unter Druck
gesetzt wird. Ein geeignetes Ventilsystem und ein Regler leiten
das Fluid zu ausgewählten
Kupplungen, um ein erforderliches Übersetzungsverhältnis zu
erhalten.
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Typischerweise
werden Kupplungen im drucklosen Zustand ausgerückt; das heißt, Fluiddruck
wird verwendet, um die Kupplung einzurücken und die Kupplung in Eingriff
zu halten. Drucklosigkeit des Fluids ermöglicht ein Lösen der
Kupplung und es kann eine geeignete Federrückholkraft vorgesehen sein,
um das Ausrücken
zu unterstützen.
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Ein
Problem bei einem solchen Getriebe ist, dass das Fluid in den eingerückten Kupplungen
zugeordneten Aktuatoren unter Druck gehalten werden muss, und dadurch
im Vergleich zu handbetätigten Anordnungen,
in denen bewegliche Elemente durch Sperrklinken verriegelt werden,
ein hoher Zusatzenergieverbrauch auftritt.
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Es
ist ein Mittel erforderlich, das solche Zusatzverluste vermindert
oder eliminiert, während
die Notwendigkeit zusätzlicher
Vorrichtungen oder Steuerelemente vermieden wird. Eine Lösung erreicht
bevorzugt eine automatische Verriegelung und Entriegelung, während im
Wesentlichen der gleiche Aktuator in im Wesentlichen der gleichen
Außenhülle verwendet
wird.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Fluidaktuator zur Verfügung
gestellt, umfassend ein Gehäuse,
eine Fluidkammer und ein Stellglied, das so ausgebildet ist, dass
es in Abhängigkeit
von einer Änderung
des Fluiddrucks in der Kammer im Gehäuse auf einer Achse vorrückt, wobei
der Aktuator ferner eine bistabile Sperre aufweist, die zwei sequentielle
Rückholpositionen
des Stellglieds definiert, wobei die Sperre bei Vorschubbewegung
zu einer vorgegebenen Position ihre Stellung wechselt.
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Bevorzugt
beinhaltet der Aktuator federnde Mittel, so dass das Stellglied
auf eine Rückholposition
vorgespannt wird. Auf diese Weise rückt der Aktuator gegen eine
solche Vorspannung vor und steht bevorzugt unter einer anfänglichen
Vorbelastung.
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Die
bistabile Sperre ermöglicht
dem Stellglied, eine von zwei sequentiellen und axial beabstandeten
Positionen einzunehmen, wenn es zum Ruhezustand zurückkehrt.
Diese Positionen können aktiven
und inaktiven Zuständen
einer Komponente mit zwei Zuständen
zugeordnet sein, wie einer Kupplung eines Getriebes. Das Stellglied
kann zum Beispiel auf ein Anpresselement einer Kupplung wirken, wie
einer Druckplatte für
eine Mitnehmerscheibe. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator zur
Rotationsachse der Kupplung koaxial.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die bistabile Sperre ein Eingangselement, ein Ausgangselement
und eine weiche Feder, durch die das Eingangselement und das Ausgangselement
gegeneinander gedrückt
werden, wobei das Eingangselement und das Ausgangselement ineinandergreifende
Zähne aufweisen,
die so ausgebildet sind, dass sie eine Relativdrehung durch Rastung
in eine Richtung ermöglichen,
wobei jeder Rastungsschritt einem der Zustände der bistabilen Sperre zugeordnet
ist. Eine Rastung in eine Richtung kann zum Beispiel durch in geeigneter
Weise gewinkelte Flankenflächen
der Zähne
des Eingangs- und Ausgangselements vorgesehen sein, wobei diese
Flächen
sich direkt zugewandt sind, und die anderen Flächen der Zähne allgemein in radialen Ebenen
um die Achse liegen.
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Bevorzugt
ist das Gehäuse
um die Achse kreisförmig,
und Eingangs- und
Ausgangselement umfassen Ringe in dem Gehäuse, wobei die Ringe und das
Gehäuse
eine drehfeste Formation aufweisen und das Ausgangselement von der
Formation an der vorgegebenen Position des Stellglieds gelöst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gehäuse
eine offene Trommel mit Innenprofil, das mit äußeren Zähnen der Ringe in Eingriff
kommen kann, wobei die Profiltiefe der Hälfte des Rastenabstands der
Ringe entspricht. Das Profil ermöglicht axiale
Verschiebung der Ringe entlang der Achse und weist eine Länge auf,
die ein Lösen
des Ausgangsrings in der Weise erlaubt, dass eine rastende Relativdrehung
möglich
ist. Rastung um eine halbe Profiltiefe erlaubt, dass der Ausgangsring
abwechselnd in die Profile gedrückt
wird und am Ende der Profile in einem relativen Vorschubzustand
gehalten wird.
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Bevorzugt
wird in der am weitesten zurückgezogenen
der Rückholpositionen
das Stellglied durch das Eingangselement gegen das Gehäuse gedrückt, und
in der am weitesten vorgeschobenen der Rückholpositionen wird das Stellglied
durch das Ausgangselement gegen das Gehäuse gedrückt. Auf diese Weise wirkt
das Gehäuse
gegen die Rückhollast,
die vom federnden Mittel durch das Eingangs- oder Ausgangselement
ausgeübt
wird.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
dient eine Tellerfeder als das federnde Rückholmittel für das Stellglied,
während
das Ausgangselement durch eine relativ weiche Wendeldruckfeder gegen
das Eingangselement gedrückt
wird. Die Federn sind bevorzugt in einem wesentlichen Umfang axial
koextensiv.
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Das
trommelförmige
Gehäuse
kann ferner eine Kupplungsmitnehmerscheibe darin aufweisen, die
für einen
Abtrieb an der Achse geeignet ist. Die Kupplung kann eine Mehrscheibenkupplung
sein, die Schwungscheiben und Mitnehmerscheiben miteinander in der
Trommel und durch einen geeigneten Sicherungsring in ihrer Öffnung gehalten
aufweist. Die Schwungscheiben können
zum Beispiel zur Innenfläche
der Trommel profiliert sein, so dass eine axiale relative Spannbewegung
zur Öffnung
ermöglicht
ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
definiert das trommelförmige
Gehäuse
die Seitenwand der Fluidkammer und ein Kolben oder eine Membran ist
in der Kammer so vorgesehen, dass eine Axialbewegung auf das Stellglied übertragen
wird. Ein Kolben kann so ausgebildet sein, dass er direkt auf das Eingangselement
der bistabilen Verriegelung wirkt.
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Auf
diese Weise ermöglicht
die Erfindung eine wiederholte Anwendung von Druckimpulsen zum sequentiellen
Einrücken
und Ausrücken
einer Komponente wie einer Kupplung. Im Vergleich zu Kupplungen
bei automatischen Fahrzeugantrieben, sind Energieverluste eliminiert,
da ein Spanndruck in einem der bistabilen Zustände gehalten werden kann, ohne
dass Fluiddruck beaufschlagt ist. Darüber hinaus können die
Komponenten in einem typischen Kupplungsgehäuse aufgenommen sein, und dadurch sind
externe Verriegelungen und dergleichen vermieden.
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Die
Erfindung ist in hohem Maße
für Modulationsmechanismen
geeignet, in denen keine Zwischenaktuatorstellung erforderlich ist.
Ein besonders bedeutendes Merkmal liegt darin, dass wiederholte Bewegungen
in eine Richtung dazu führen,
dass der Aktuator zwischen den bistabilen Zuständen wechselt.
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Ein
Merkmal der Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
ersichtlich, die nur als Beispiel in den begleitenden Zeichnungen
gezeigt ist, in denen:
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1 ein
axialer Teilschnitt durch eine Kupplung ist, die einen Aktuator
gemäß der vorliegenden Erfindung
im ausgerückten
Zustand enthält,
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2 zu 1 entsprechend
ist und den Aktuator im eingerückten
Zustand zeigt,
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3 eine Reihe von schematisch entwickelten
Ansichten von ineinandergreifenden Formationen umfasst, die bistabile
Zustände
des Aktuators der 1 und 2 definieren.
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Die 1 und 2 stellen
einen Halbschnitt durch eine Nasskupplung/Aktuator-Anordnung dar,
die um eine Rotationsachse 1 symmetrisch ist.
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Die
Kupplung umfasst ein rundes schalenförmiges Gehäuse 2, das zur Drehung
um die Symmetrieachse 1 durch geeignete Lager (nicht gezeigt)
gelagert ist. Das Gehäuse
definiert axial gerichtete innere Profile 3 zum Eingriff
mit äußeren Profilen
(oder Zähnen) 4 mehrerer
axial beabstandeter ringförmiger Schwungscheiben 5.
Zwischen die Schwungscheiben 5 sind ringförmige Mitnehmerscheiben 6 gesetzt, die
innere Profile (oder Zähne) 7 zum
Eingriff mit Profilen 8 eines runden Mitnehmerelements 9 aufweisen,
das auch um Achse 1 drehbar ist.
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Ein
Stopelement 10 (zum Beispiel ein Sicherungsring oder Sprengring)
ist in der Öffnung
des Gehäuses 2 gelegen
und verhindert dadurch eine Bewegung der Scheiben 5, 6 nach
links. Es ist erkennbar, dass das Gehäuse 2 und ein Antriebselement 9 Eingangs-/Ausgangselemente
zur Verbindung mit geeigneten Getriebekomponenten umfasst, zwischen denen
ein Antrieb ausgebildet werden soll. Die Antriebsrichtung kann selbstverständlich umgekehrt werden,
so dass die Schwungscheiben Mitnehmerscheiben werden und umgekehrt.
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Typischerweise
umfasssen die Mitnehmerscheiben 6 ein geeignetes Reibmaterial
zum Eingriff mit glatten Stahlschwungscheiben 5. Es ist
jedoch jegliche geeignete Kombination von Materialien möglich, vorausgesetzt,
dass eine geeignete Drehmomentkapazität gewährleistet ist.
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Die
Stirnwand 11 des Gehäueses 2 definiert eine
ringförmige
Kammer 14, in der ein ringförmiger Kolben 12 entlang
der Achse 1 wechselseitig beweglich ist. Der Kolben 12 weist
die üblichen
elastomeren Dichtungen 13 auf und die Stirnwand 11 ist
relativ dick, so dass sie einen Fluidkanal 16 für die Kammer 14 definiert.
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Ein
Arretiermechanismus ist zwischen dem Kolben 12 und den
eingesetzten Scheiben 5, 6 vorgesehen. Dieser
Mechanismus umfasst einen Antriebsring 18 und einen axial
beabstandeten Sperrring 20 mit einem Zahneingriff 22, 24,
der so ausgebildet ist, dass er einen bistabilen Zustand ergibt,
wie unten genauer beschrieben wird. Es ist zu sehen, dass die Ringe 18, 20 äußere Zähne 32 zum
Eingirff mit Profilen 34 aufweisen, die um das Innere des
Gehäuses 2 angeordnet
sind. Die Ringe 18, 20 werden auf diese Weise
gegen Drehung gesperrt, außer
unter den noch zu beschreibenden Bedingungen.
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Der
Arretier- oder Sperrring 20 wird durch eine kegelstumpfförmige Wendeldruckfeder 38 nach rechts
gedrückt
(wie gezeigt), die gegen einen Stop wirkt, der am inneren Ende der
Profile 3 vorgesehen ist.
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Der
Antriebsring 18 erstreckt sich im Innenumfang nach links,
so dass er auf einen Stellring 26 anliegt, der einen Sitz
für eine
Tefferfeder 28 definiert, die andere Seite der Feder 28 liegt
auf der äußersten der
eingesetzten Scheiben 5, 6 an der ungefähren radialen
Mittellinie an.
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Wie
zu erkennen ist, werden die Komponenten sequentiell über die Öffnung des
Gehäuses 2 eingebaut
und werden durch die Tellerfeder so auseinandergedrückt, dass
der Kolben 12 im Rückholzustand
sitzt. In der Anordnung von 1 sind der
Antriebsring 18 und der Sperrring 20 in einem
ersten bistabilen Zustand und relativ nahe beieinander, die eingesetzten
Platten 5, 6 sind in einem weichen rüttelfreien
Kontakt, aber nicht in der Lage, ein signifikantes Moment zu übertragen.
Die Reaktionskraft der Tellerfeder 28 wird über Antriebsring 18 und
Kolben 12 zum Gehäuse 2 übertragen.
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Die
Anordnung von 2 zeigt einen zweiten bistabilen
Zustand, in dem die Ringe 18, 20 weiter links
liegen (wie gezeigt). Die Tellerfeder 28 be aufschlagt daher
eine signifikante Spannkraft und die Scheiben 5, 6 können ein
signifikantes Moment dazwischen übertragen.
Die Reaktionskraft der Feder 28 wird nun über den
Verriegelungssring 20 zum Gehäuse übertragen. Der Antriebsring 18 und
der Kolben 12 sind nicht unter Last, aber Reibung von den Dichtungen 13 kann
sie in einer linken Position halten.
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3 stellt in Draufsicht die Zahnform 22, 24 der
Ringe 18, 20 dar. Es wird angenommen, dass die Komponenten
zu Beginn im Zustand von 1 vorliegen (d. h. Kupplung
ausgerückt).
Die relativen Zahnformen 22, 24 sind in 3(a) dargestellt.
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Bei
Beaufschlagen eines Drucks über
Leitung 16, wird der Antriebsring 18 nach links
gedrückt (wie
gezeigt), so dass er die Zahnform 32 über die Profile 34 hebt,
wie es in 3(b) gezeigt ist. Bei dieser
axialen Auslenkung ist der Sperrring 20 frei drehbar und
dreht sich in Richtung des Pfeils 21, bis er mit dem Antriebsring 18 vollständig in
Eingirff ist, wie es in 3(c) gezeigt
ist. Die Drehung erfolgt aufgrund der Neigung des Kontaktpunkts 50 und
der durch die Spiralfeder 38 ausgeübten Kraft.
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Bei
Nachlassen des Drucks in der Leitung 16 drückt die
Tellerfeder 28 den Stellring nach hinten und der Sperrring 20 wiederum
bewegt sich nach rechts, bis die Sperrringprofile 32 mit
dem Profil 34 in Eingriff sind, wie es in 2 gezeigt
ist. An diesem Punkt ist weitere Bewegung des Sperrrings 20 nach rechts
verhindert und die Kupplungsscheiben 5, 6 werden
in einem Eingriffszustand gehalten, wie es in 2 gezeigt
ist.
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Es
ist zu erkennen, dass die Kraft-/Vorschubcharakteristiken einer
Tellerfeder mit Vorteil angewendet werden können, um unter den Bedingungen von 3(b) die Last auf den Kupplungssatz zu
reduzieren, wobei der Sperrring 20 in den am weitesten links
gelegenen Zustand gedrückt
wird. Wenn der Sperrring sich nach rechts bewegt, nimmt die von der Tellerfeder 28 ausgeübte Kraft
zu und es kann so ausgebildet sein, dass eine graduelle Zunahme
der Spannkraft gewährleistet
ist, wenn der Kupplungssatz Verschleiß erfährt.
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Zum
Ausrücken
der Kupplung wird erneut über
die Leitung 16 (3e) ein
Druck beaufschlagt. Der Sperrring 20 wird erneut von den
Profilen 34 (3f) abgehoben und dreht sich
in Richtung des Pfeils 21 (3g),
bis die Sperrringprofile 32 mit den Profilen 34 ausgerichtet
sind. Dies ermöglicht
dem Sperrring eine Rückkehr
in die Ruheposition (3h), in der der Kupplungssatz
ausgerückt
ist und die Tellerfeder 28 im Wesentlichen entspannt ist.
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Durch
Vergleich der 3(a) und 3(h) ist
ersichtlich, dass die relativen axialen Positionen gleich sind,
dass aber der Sperrring 20 in Bezug auf den Antriebsring 18 indexiert
ist. Die symmetrische kontinuierliche Anordnung der Zahnformen 22, 24 erleichtert einen
endlosen Druckkreislauf in der Leitung 16 und in der Folge
wiederholtes Einrücken
und Ausrücken des
Kupplungssatzes 5, 6.
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Es
ist erkennbar, dass eine Indexierung durch wiederholtes Beaufschlagen
mit Druck erreicht wird, und dass keine zusätzlichen Richtmechanismen erforderlich
sind, um sequentielle Funktion zu gewährleisten. Darüber hinaus
kann die äußere Umhüllung der
Kupplung im Wesentlichen unverändert bleiben.
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Zusammenfassung
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Ein
Linearaktuator, der für
eine Kupplung (5, 6) eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug
geeignet ist, weist einen bistabilen Sperrmechnismus (18, 20)
auf, der geeignet ist, ein Stellglied (26) in einer von
zwei Positionen auf der Abtriebsachse zu halten. Durch wiederholte
Beaufschlagung mit Fluiddruck wechselt der Aktuator zwischen den
bistabilen Zuständen
und kann bewirken, dass die Kupplung zwischen eingerücktem und
ausgerücktem
Zustand umschaltet.