DE19917215A1 - Electric motor control arrangement for vehicle automated gearbox-clutch unit has electronically commutated electric servomotor with electrical commutation device - Google Patents
Electric motor control arrangement for vehicle automated gearbox-clutch unit has electronically commutated electric servomotor with electrical commutation deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektromotorische Stellanordnung für eine automatisierte Getriebe-Kupplungs-Baugruppe eines Fahrzeugs, mit einem aus einem Bordnetz des Fahrzeugs gespeisten und abtriebsseitig mit einem zu betätigenden Organ der Getriebe-Kupplungs-Baugruppe gekoppelten oder koppelbaren elektrischen Stellmotor.The invention relates to an electromotive actuator arrangement for a Automated transmission-clutch assembly of a vehicle, with one fed from an on-board network of the vehicle and on the output side with a Coupled or actuated organ of the transmission-clutch assembly connectable electric servomotor.
In automatisierten Getriebe-Kupplungs-Baugruppen werden zunehmend elektromotorische Aktuatoren eingesetzt, da diese im Vergleich zu hydraulischen Aktuatoren einen geringeren Konstruktionsaufwand erfordern, damit preiswerter sind und auch höhere Wirkungsgrade ermöglichen. Problematisch sind jedoch bisher die mit elektromotorischen Aktuatoren erzielbaren Schaltgeschwindigkeiten bei Schaltgetrieben. Schnelle Schaltvorgänge sind erwünscht, um einen hohen Fahrkomfort zu bieten. Während mit hydraulischen Aktuatoren jedoch bereits Schaltzeiten von weniger als 200 ms für einen kompletten Schaltvorgang, also Auskuppeln, Gangwechseln und Einkuppeln, möglich sind, erlauben elektromotorische Aktuatoren bisher lediglich Schaltzeiten, die im bestmöglichen Fall bei etwa 500 ms liegen. Die Schwerfälligkeit der bisherigen elektromotorischen Aktuatoren hat folgenden Grund: Zur Betätigung der Schaltwelle eines Schaltgetriebes oder des Ausrückers einer Reibungskupplung müssen vergleichsweise hohe Stellkräfte aufgebracht werden. Beispielsweise kann die zur Verstellung der Schaltwelle erforderliche Kraft ohne weiteres im Bereich von 1200 Newton liegen, insbesondere wenn dabei der Widerstand eines Synchronisierungsmechanismus des Schaltgetriebes überwunden werden muß. Es wird daher ein entsprechend leistungsstarker Stellmotor benötigt. Um die gestellten Leistungsanforderungen zur erfüllen, wurden bisher ausschließlich Gleichstrombürstenmotoren eingesetzt, die jedoch durch ihr vergleichsweise hohes Trägheitsmoment und das bei den gegebenen Leistungsanforderungen relativ hohe Gewicht nur eine schlechte Dynamik bieten und zudem vergleichsweise großvolumig bauen. Nachteilig an Gleichstrombürstenmotoren ist zudem der durch Bürstenverschleiß bedingte Wartungsaufwand.In automated transmission-clutch assemblies are increasing Electromotive actuators are used, as compared to hydraulic actuators require less design effort, are therefore cheaper and also enable higher efficiencies. So far, however, those with electromotive actuators have been problematic achievable shift speeds in manual transmissions. Fast Shifting operations are desirable in order to offer a high level of driving comfort. While with hydraulic actuators switching times of less than 200 ms for a complete switching process, i.e. disengagement, Gear changes and clutch engagement are possible, allow electromotive Actuators so far only have switching times, which in the best possible case are around 500 ms lie. The clumsiness of the previous electromotive Actuators have the following reason: To actuate the selector shaft of a Manual gearbox or the release of a friction clutch must comparatively high actuating forces are applied. For example the force required to adjust the selector shaft easily in 1200 Newton range, especially if the resistance overcome a synchronization mechanism of the manual transmission must become. It therefore becomes a correspondingly powerful servomotor needed. In order to meet the performance requirements, So far, only DC brush motors have been used, however by their comparatively high moment of inertia and that with the given performance requirements relatively high weight just a bad one Offer dynamics and also build comparatively large volumes. Disadvantageous on DC brush motors is also due to brush wear conditional maintenance.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine elektromotorische Stellanordnung der eingangs bezeichneten Art so weiterzubilden, daß schnellere Schaltzeiten der Getriebe-Kupplungs-Baugruppe realisierbar sind.The object of the invention is therefore an electromotive Actuating arrangement of the type described in such a way that faster shift times of the gear-clutch assembly can be achieved.
Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß im modernen Fahrzeugbau zunehmend an höhere Bordnetzspannungen als die bisher üblichen 12 bzw. 24 V gedacht wird. Vorteile werden dabei insbesondere in verbesserten Wirkungsgraden der verschiedenen elektrischen und elektronischen Komponenten des Fahrzeugs gesehen. Speziell wird an Bordnetze gedacht, die verschiedene Bordnetzspannungen bereitstellen, von denen eine weiterhin 12 V beträgt, andere jedoch höher liegen, beispielsweise bei 42 V oder darüber. Diesbezüglich wird verwiesen auf einen Artikel "Zukünftige Energiebordnetze im Kraftfahrzeug" von R. Schöttle, D. Schramm, J. Schenk in VDI Berichte Nr. 1287, 1996, Seiten 295-317.In solving this problem, the invention is based on the consideration that in modern vehicle construction increasingly to higher electrical system voltages than the previously used 12 or 24 V is thought. There will be advantages especially in improved efficiencies of the various seen electrical and electronic components of the vehicle. Special attention is paid to on-board electrical systems, the different vehicle electrical system voltages supply, one of which is still 12V, but others higher lie, for example at 42 V or above. Please refer to this on an article "Future energy supply systems in motor vehicles" by R. Schöttle, D. Schramm, J. Schenk in VDI Report No. 1287, 1996, pages 295-317.
Zur Lösung der Aufgabenstellung schlägt die Erfindung nun vor, daß der Stellmotor als elektronisch kommutierter Servomotor ausgeführt ist und zur Kommutierung der Treiberströme des Stellmotors eine elektronische Kommutierungseinrichtung vorgesehen ist. Servomotoren sind so ausgelegt, daß sie ein niedriges Trägheitsmoment aufweisen und eine dementsprechend hohe Dynamik besitzen. Sie weisen sehr kurze Anlaufzeiten auf und ermöglichen entsprechend schnelle Stellvorgänge. Bei Auslegung auf höhere Betriebsspannungen als die bisher üblichen Bordnetzspannungen können nun auch genügend leistungsstarke Servomotoren bereitgestellt werden, die für den Einsatz in automatisierten Getriebe-Kupplungs-Baugruppen geeignet sind und die dort benötigten vergleichsweise hohen Stellkräfte aufbringen können. Durch eine erhöhte Betriebsspannung von mehr als 30 V, beispielsweise etwa 40 V, 80 V oder 100 V, kann eine Leistungssteigerung der Servomotoren erzielt werden, ohne ihre Stromaufnahme erhöhen zu müssen. Dies ermöglicht es, kleine Drahtquerschnitte der Wicklungsdrähte beizubehalten und die elektrischen Verluste, das Gesamtgewicht und die Baugröße entsprechend klein zu halten.To solve the problem, the invention now proposes that the Servomotor is designed as an electronically commutated servo motor and An electronic commutation of the driver currents of the servomotor Commutation device is provided. Servomotors are designed that they have a low moment of inertia and a accordingly have high dynamics. They show very short Start-up times and enable correspondingly quick adjustment processes. At Design for higher operating voltages than the usual ones Vehicle electrical system voltages can now also be sufficiently powerful Servomotors are provided that are designed for use in automated Gear coupling assemblies are suitable and the required there can apply comparatively high actuating forces. By an increased Operating voltage of more than 30 V, for example about 40 V, 80 V or 100 V, the performance of the servo motors can be increased, without having to increase their power consumption. This enables small Maintain wire cross sections of the winding wires and the electrical ones Losses, the total weight and the size are accordingly small hold.
Wegen der elektronischen Kommutierung fallen bei Gleichstrommotoren zudem mechanische Reibungsverluste weg, die an den Bürsten von Gleichstrombürstenmotoren auftreten. Auch dies fördert die hohe Dynamik des Servomotors und hilft, die gewünschten hohen Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen.Because of the electronic commutation fall in DC motors also mechanical friction losses away, which on the brushes from DC brush motors occur. This also promotes high dynamics of the servo motor and helps achieve the desired high switching speeds to reach.
Der Stellmotor kann als bürstenloser Gleichstrommotor ausgeführt sein. Alternativ kann er als Wechselstrommotor ausgeführt sein. Im letzteren Fall kommt sowohl eine Ausbildung als Synchronmotor in Frage als auch eine Ausbildung als Asynchronmotor.The servomotor can be designed as a brushless DC motor. Alternatively, it can be designed as an AC motor. In the latter case training as a synchronous motor is also possible Training as an asynchronous motor.
Die erfindungsgemäße Stellanordnung kann selbstverständlich auch in Verbindung mit Bordnetzen eingesetzt werden, deren Spannungsniveau sich im bisher üblichen Rahmen von 12 bzw. 24 V bewegt. Um dennoch die oben angesprochenen Vorteile höherer Motorbetriebsspannungen nutzen zu können, empfiehlt es sich dann, daß der Kommutierungseinrichtung ein Spannungswandler vorgeschaltet ist, welcher eine niedrigere Bordnetzspannung auf eine höhere Motorbetriebsspannung wandelt. Für den Einbau im Fahrzeug ist es montagetechnisch günstig, wenn der Spannungswandler mit der Kommutierungseinrichtung oder/und dem Stellmotor zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist.The actuating arrangement according to the invention can of course also in Connection to electrical systems are used, the voltage level moved in the usual range of 12 or 24 V. To nevertheless the to benefit from the advantages of higher motor operating voltages mentioned above , it is then recommended that the commutation device Upstream voltage converter, which is a lower one Converts the vehicle electrical system voltage to a higher engine operating voltage. For the Installation in the vehicle, it is assembly technology favorable if the Voltage converter with the commutation device and / or the Actuator is combined into a structural unit.
Das zu betätigende Organ der Getriebe-Kupplungs-Baugruppe kann insbesondere eine Getriebeschaltwelle oder ein Kupplungsausrücker sein.The organ of the gear-clutch assembly to be actuated can in particular be a gear shift shaft or a clutch release.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:The invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained. They represent:
Fig. 1 schematisch eine automatisierte Getriebe-Kupplungs- Baugruppe in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit den zu ihrer Betätigung benötigten mechanischen und elektrischen Komponenten, Fig. 1 shows schematically an automated gear-clutch assembly in a drive train of a vehicle having the required mechanical and electrical components for its actuation,
Fig. 2a eine erste Variante einer Aktuatoranordnung zur Betätigung einer Getriebeschaltwelle, Fig. 2a shows a first variant of an actuator for actuating a transmission shift shaft,
Fig. 2b eine Ansicht in Richtung des Pfeils 11 der Fig. 2a, Fig. 2b is a view in the direction of arrow 11 of FIG. 2a,
Fig. 3 eine zweite Variante einer Aktuatoranordnung zur Betätigung einer Getriebeschaltwelle, Fig. 3 shows a second variant of an actuator for actuating a transmission shift shaft,
Fig. 4 eine dritte Variante einer Aktuatoranordnung zur Betätigung einer Getriebeschaltwelle, Fig. 4 shows a third variant of an actuator for actuating a transmission shift shaft,
Fig. 5a eine vierte Variante einer Aktuatoranordnung zur Betätigung einer Getriebeschaltwelle und Fig. 5a shows a fourth variant of an actuator for actuating a transmission shift shaft, and
Fig. 5b eine Ansicht in Richtung des Pfeils V der Fig. 5a. Fig. 5b is a view in the direction of arrow V of Fig. 5a.
In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Verbrennungsmotor, dessen Kurbelwelle mit dem Rotor einer elektrischen Maschine 3 drehfest verbunden ist, der seinerseits über eine Reibungskupplung 5 mit einem Schaltgetriebe 7 verbunden ist. Das letztere, bei dem es sich um ein automatisiertes Schaltgetriebe handelt, steht in drehmomentübertragender Antriebsverbindung mit nicht näher dargestellten angetriebenen Rädern eines Fahrzeugs. Die elektrische Maschine 3 arbeitet im Fahrbetrieb des Fahrzeugs permanent als Generator. Zum Starten des Verbrennungsmotors 1 ist sie zudem motorisch betreibbar. Ein von einer zentralen Steuereinheit 9 gesteuerter Stromrichter 11 kommutiert die gegebenenfalls mehrphasigen Treiber- bzw. Generatorströme der elektrischen Maschine 3 und speist die im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 3 erzeugten Generatorströme in eine Speicherbatterie 13 eines allgemein mit 15 bezeichneten Gleichspannungs-Bordnetzes des Fahrzeugs ein. Dieses Bordnetz 15 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zwei Zweige unterschiedlichen Spannungsniveaus auf, nämlich einen Niederspannungszweig 17 sowie einen Mittelspannungszweig 19. Das Spannungsniveau des Niederspannungszweigs 17 beträgt beispielsweise 12 V. Der Niederspannungszweig 17 dient zur Energieversorgung elektrischer Kleinverbraucher, die eine Niederspannungsversorgung benötigen, etwa Glühlampen eines Fahrzeugbeleuchtungssystems. Das Spannungsniveau des Mittelspannungszweigs 19 liegt höher und beträgt beispielsweise etwa 40 V, etwa 80 V oder sogar über 100 V. An den Mittelspannungszweig 19 sind elektrische Verbraucher 23 angeschlossen, die bei höheren Versorgungsspannungen Wirkungsgrad- oder Geschwindigkeitsvorteile bieten. Beispielsweise kann ein elektrisches Bremssystem oder eine elektromechanische Ventilsteuerung aus dem Mittelspannungszweig 19 versorgt werden.In Fig. 1, 1 designates an internal combustion engine having a crankshaft rotatably connected to the rotor of an electrical machine 3, which is in turn connected via a friction clutch 5 having a power shift gear 7. The latter, which is an automated manual transmission, is in a torque-transmitting drive connection with driven wheels of a vehicle, not shown. The electric machine 3 works permanently as a generator when the vehicle is in motion. To start the internal combustion engine 1 , it can also be operated by a motor. A converter 11 controlled by a central control unit 9 commutates the possibly multi-phase driver or generator currents of the electrical machine 3 and feeds the generator currents generated in the generator mode of the electrical machine 3 into a storage battery 13 of a DC vehicle electrical system, generally designated 15 . In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, this electrical system 15 has two branches of different voltage levels, namely a low-voltage branch 17 and a medium-voltage branch 19 . The voltage level of the low-voltage branch 17 is, for example, 12 V. The low-voltage branch 17 serves to supply energy to small electrical consumers who need a low-voltage supply, for example incandescent lamps of a vehicle lighting system. The voltage level of the medium voltage branch 19 is higher and is, for example, about 40 V, about 80 V or even over 100 V. Electrical consumers 23 are connected to the medium voltage branch 19 and offer efficiency or speed advantages at higher supply voltages. For example, an electrical brake system or an electromechanical valve control can be supplied from the medium-voltage branch 19 .
Aus dem Mittelspannungszweig 19 wird zudem ein elektrischer Stellmotor 25 versorgt, der als antreibender Teil eines an einem Kupplungsausrücker 27 angreifenden Kupplungsaktuators 29 dient. Der Elektromotor 25 ist ein elektronisch kommutierter Servomotor und kann als bürstenloser Gleichstrommotor, aber auch als Wechselstrommotor ausgeführt sein. Seine Treiberströme werden von einer elektronischen Kommutierungseinrichtung 31 kommutiert, deren elektrische Ventile ebenfalls von der Steuereinheit 9 gesteuert werden.An electric servomotor 25 is also supplied from the medium-voltage branch 19 and serves as the driving part of a clutch actuator 29 engaging a clutch release mechanism 27 . The electric motor 25 is an electronically commutated servo motor and can be designed as a brushless DC motor, but also as an AC motor. Its driver currents are commutated by an electronic commutation device 31 , the electrical valves of which are also controlled by the control unit 9 .
Weiterhin werden aus dem Mittelspannungszweig 19 des Bordnetzes 15 zwei elektrische Stellmotoren 33 und 35 über eine weitere elektronische Kommutierungseinrichtung 37 versorgt, von denen der Stellmotor 33 den antreibenden Teil eines ersten Getriebeaktuators 39 bildet und der Stellmotor 35 als antreibender Teil eines zweiten Getriebeaktuators 41 dient. Die beiden Getriebeaktuatoren 39, 41 greifen an einer Schaltwelle 43 des Getriebes 7 an und ermöglichen eine Längsverstellung der Schaltwelle 43 längs eines sogenannten Schaltwegs und eine Drehverstellung der Schaltwelle 43 um deren Längsachse längs eines sogenannten Wählwegs. Durch geeignete gegenseitige Abstimmung von Längs- und Drehverstellung der Schaltwelle 43 können beliebige Gangwechsel des Schaltgetriebes 7 mit oder ohne Gassenwechsel bewirkt werden. Die Kommutierungseinrichtung 37 erlaubt hierzu eine voneinander unabhängige Ansteuerung der Elektromotore 33, 35. Auch die Elektromotoren 33, 35 sind als elektronisch kommutierte Servomotoren ausgeführt, wobei wiederum bürstenlose Gleichstrommotoren, aber auch Wechselstrommotoren in Frage kommen.Furthermore, two electrical servomotors 33 and 35 are supplied from the medium-voltage branch 19 of the vehicle electrical system 15 via a further electronic commutation device 37 , of which the servomotor 33 forms the driving part of a first gear actuator 39 and the servomotor 35 serves as the driving part of a second gear actuator 41 . The two transmission actuators 39, 41 engage on a shift shaft 43 of the transmission 7 and enable a longitudinal adjustment of the control shaft 43 along a so-called switching path and a rotational displacement of the control shaft 43 about its longitudinal axis along a so-called Wählwegs. By suitable mutual coordination of the longitudinal and rotary adjustment of the selector shaft 43 , any gear changes of the manual transmission 7 can be effected with or without a gate change. For this purpose, the commutation device 37 allows the electric motors 33 , 35 to be controlled independently of one another. The electric motors 33 , 35 are also designed as electronically commutated servomotors, with brushless direct current motors as well as alternating current motors also being suitable.
Will der Fahrer des Fahrzeugs einen Gangwechsel herbeiführen, so betätigt er mit der Hand einen Schaltknüppel 45, dessen Betätigung von einem Sensor 47 erfaßt und als elektrisches Signal an die Steuereinheit 9 gemeldet wird. Diese steuert daraufhin den Stellmotor 25 des Kupplungsaktuators 29 an und bewirkt ein Auskuppeln der Reibungskupplung 5. Anschließend führt die Steuereinheit 9 durch geeignete Ansteuerung der Getriebeaktuatoren 39, 41 den gewünschten Gangwechsel herbei, woraufhin die Reibungskupplung 5 mittels des Kupplungsaktuators 29 wieder eingekuppelt wird. Durch die Verwendung hochdynamischer Servomotoren für die Stellmotoren 25, 33, 35 läßt sich der gesamte Schaltvorgang ohne weiteres in 150 ms oder sogar noch schneller durchführen.If the driver of the vehicle wants to change gear, he actuates a shift stick 45 by hand , the actuation of which is detected by a sensor 47 and reported to the control unit 9 as an electrical signal. This then controls the servomotor 25 of the clutch actuator 29 and causes the friction clutch 5 to be disengaged. The control unit 9 then brings about the desired gear change by suitable actuation of the transmission actuators 39 , 41 , whereupon the friction clutch 5 is engaged again by means of the clutch actuator 29 . By using highly dynamic servomotors for the servomotors 25 , 33 , 35 , the entire switching process can easily be carried out in 150 ms or even faster.
Für den Fall, daß das Bordnetz 15 keine unterschiedlichen Spannungsniveaus bereitstellt und nur für eine Spannung von 12 V ausgelegt ist oder daß mindestens ein Teil der Stellmotoren 25, 33, 35 mit einer noch höheren Spannung als derjenigen des Mittelspannungszweigs 19 betrieben werden soll, kann der betreffenden Kommutierungseinrichtung (in Fig. 1 der Kommutierungseinrichtung 31) ein Gleichspannungswandler 49 vorgeschaltet werden, der die Gleichspannung des Mittelspannungszweigs 19 auf das gewünschte Niveau transformiert.In the event that the vehicle electrical system 15 does not provide different voltage levels and is only designed for a voltage of 12 V or that at least some of the servomotors 25 , 33 , 35 are to be operated with an even higher voltage than that of the medium-voltage branch 19 , the a commutation device (in FIG. 1 the commutation device 31 ) can be connected upstream of a direct voltage converter 49 which transforms the direct voltage of the medium voltage branch 19 to the desired level.
Der Stellweg der Aktuatoren 29, 39, 41 kann mit Hilfe von in die Elektromotoren 25, 33, 35 integrierten Rotorlagegebern und gegebenenfalls zusätzlichen Drehzahlgebern ermittelt werden.The travel of the actuators 29 , 39 , 41 can be determined with the aid of rotor position sensors integrated in the electric motors 25 , 33 , 35 and, if necessary, additional speed sensors.
In den weiteren Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Komponenten wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch ergänzt um einen Kleinbuchstaben. Soweit sich aus dem Nachstehenden nichts anderes ergibt, wird zur Erläuterung dieser Komponenten auf die vorstehenden Ausführungen zur Fig. 1 verwiesen.In the other figures, the same or equivalent components as in FIG. 1 are provided with the same reference numerals, but supplemented by a lower case letter. Unless otherwise stated below, reference is made to the above explanations for FIG. 1 for the explanation of these components.
In den Fig. 2a und 2b erkennt man eine Aktuatoranordnung für die Schaltwelle 43a des in Fig. 1 gezeigten Schaltgetriebes, bei dem der Schaltweg (dargestellt durch einen Pfeil 51a) und der Wählweg (dargestellt durch einen Pfeil 53a) der Schaltwelle 43a unabhängig voneinander von jeweils einem der Aktuatoren 39a, 41a eingeleitet werden können. Die den beiden Aktuatoren 39a, 41a zugeordneten Stellmotoren sind in den Fig. 2a und 2b nicht gezeigt. Jeder der Aktuatoren 39a, 41a weist einen Linearschlitten 55a bzw. 57a auf, von denen der Linearschlitten 55a in Richtung eines Pfeils 59a linear beweglich an einer fahrzeugfesten ersten Führungseinrichtung 61a, beispielsweise unter Vermittlung von Wälzkörpern, geführt ist. Der andere Linearschlitten 57a ist auf den Linearschlitten 55a aufgesattelt und mittels einer an dem Linearschlitten 55a fest angebrachten zweiten Führungseinrichtung 63a, wiederum beispielsweise unter Vermittlung von Wälzkörpern, linear beweglich geführt, und zwar in einer zur Führungsrichtung 59a des Linearschlittens 55a orthogonalen Richtung, die in Fig. 2b durch einen Pfeil 65a angedeutet ist. Die beiden Linearschlitten 55a, 57a bilden somit ein Kreuzschlittensystem. In FIGS. 2a and 2b can be seen an actuator arrangement for the switching shaft 43 a of the FIG. Gearbox shown 1, wherein the switching path (shown by an arrow 51 a) and the selection path (shown by an arrow 53 a) of the shift shaft 43 a can be introduced independently of each other by one of the actuators 39 a, 41 a. The servomotors assigned to the two actuators 39 a, 41 a are not shown in FIGS. 2a and 2b. Each of the actuators 39 a, 41 a has a linear slide 55 a or 57 a, of which the linear slide 55 a is linearly movable in the direction of an arrow 59 a on a first guide device 61 a fixed to the vehicle, for example by means of rolling elements. The other linear slide 57 a is saddled on the linear slide 55 a and guided in a linearly movable manner by means of a second guide device 63 a fixedly attached to the linear slide 55 a, again, for example, by means of rolling elements, namely in a direction 59 a of the linear slide 55 a orthogonal direction, which is indicated in Fig. 2b by an arrow 65 a. The two linear slides 55 a, 57 a thus form a cross slide system.
Im oberen Schlitten 57a ist ein mit der Schaltwelle 43a fest verbundenes Hebelstück 67a gelenkig gelagert. Hierzu greift das Hebelstück 67a mit einem Kugelgelenkkopf 69a in eine Aussparung 71a in dem oberen Schlitten 57a ein.In the upper carriage 57 a with the switching shaft 43 a fixedly connected lever piece 67 a is articulated. For this purpose, the lever piece 67 a engages with a ball joint head 69 a in a recess 71 a in the upper carriage 57 a.
Der Schaltweg der Schaltwelle 43a kann durch eine Verstellung des Schlittens 55a in Pfeilrichtung 59a realisiert werden. Unabhängig hiervon kann der Wählweg der Schaltwelle 43a durch eine Bewegung des Schlittens 57a relativ zu dem Schlitten 55a in Pfeilrichtung 65a herbeigeführt werden. Bei dieser Verstellung des Schlittens 57a erfolgt eine Verschwenkung des Hebelstücks 67a in der in Fig. 2b gezeigten Weise, was in einer Drehverstellung der Schaltwelle 43a resultiert.The switching path of the switching shaft 43 a can be realized by adjusting the slide 55 a in the direction of arrow 59 a. Independently of this, the selection path of the control shaft 43 a can be brought about by moving the carriage 57 a relative to the carriage 55 a in the direction of the arrow 65 a. During this adjustment of the slide 57 a, the lever piece 67 a is pivoted in the manner shown in FIG. 2 b, which results in a rotary adjustment of the control shaft 43 a.
Es versteht sich, daß zwischen die Schlitten 55a, 57a und die in den Fig. 2a und 2b nicht dargestellten Stellmotoren geeignete Getriebe, z. B. Spindeltriebe, montiert sein werden, um die Drehbewegung der Abtriebswellen der Stellmotoren in eine Linearbewegung der Schlitten 55a, 57a umzusetzen.It is understood that between the carriage 55 a, 57 a and the servo motors, not shown in FIGS . 2a and 2b, suitable gears, e.g. B. spindle drives will be mounted to implement the rotary movement of the output shafts of the servomotors in a linear movement of the carriage 55 a, 57 a.
Die Schaltwelle 43a ist in einem Aktuatorgehäuse 73a längs- und drehbeweglich geführt, beispielsweise mittels einer Kugelführungsbuchse.The control shaft 43 a is guided in an actuator housing 73 a longitudinally and rotatably, for example by means of a ball guide bush.
Die in den Fig. 2a und 2b gezeigte Aktuatoranordnung zeichnet sich dadurch aus, daß sie sehr hohe Positioniergenauigkeiten erlaubt und durch das Linearschlittenprinzip hohe Beschleunigungen und kurze Positionierzeiten erreicht werden können. Zudem läßt sich die Aktuatoranordnung in kompakter Bauweise ausführen.The actuator arrangement shown in FIGS. 2a and 2b is characterized in that it allows very high positioning accuracies and that high accelerations and short positioning times can be achieved by the linear slide principle. In addition, the actuator arrangement can be designed in a compact design.
Bei der Aktuatoranordnung der Fig. 3 erfolgt die Einleitung des Schaltwegs der Schaltwelle 43b (in Pfeilrichtung 51b) über den Stellmotor 33b des Aktuators 39b. Der letztere umfaßt eine auf einer Motorabtriebswelle 75b fest angebrachte Schnecke 77b, die in kämmendem Eingriff mit einem Schneckenrad 79b (oder einem Schneckenradsegment) steht, das seinerseits koaxial und drehfest mit einem Stirnrad 81b (oder einem Stirnradsegment) verbunden ist. Dieses Stirnrad 81b kämmt mit einem umlaufenden Zahnstangenprofil 83b, das am Außenumfang eines drehfest mit der Schaltwelle 43b verbundenen Wellenstücks 85b ausgebildet ist. Das Wellenstück 85b weist an seinem dem Stellmotor 35b zugekehrten Ende eine Axialausnehmung 87b auf, in die eine Abtriebswelle 89b des Stellmotors 35b hineinragt. Das Wellenstück 85b ist relativ zu der Motorabtriebswelle 89b längsverschieblich, ist jedoch drehfest mit der Motorabtriebswelle 89b gekuppelt. Zur drehfesten Kupplung kann zwischen das Wellenstück 85b und die Motorabtriebswelle 89b beispielsweise eine Paßfeder 91b eingesetzt werden. Denkbar ist auch, den in die Axialausnehmung 87b hineinragenden Abschnitt der Motorabtriebswelle 89b mit einem Vielkeilprofil auszuführen und die Axialausnehmung 87b mit einem entsprechenden Gegenkeilprofil zu gestalten.In the actuator arrangement of FIG. 3, the switching path of the control shaft 43 b is initiated (in the direction of arrow 51 b) via the servomotor 33 b of the actuator 39 b. The latter comprises a worm gear 77 b which is fixedly attached to a motor output shaft 75 b and which meshes with a worm gear 79 b (or a worm gear segment), which in turn is coaxially and non-rotatably connected to a spur gear 81 b (or a spur gear segment). This spur gear 81 b meshes with a rotating rack profile 83 b, which is formed on the outer circumference of a rotationally fixed shaft piece 85 b connected to the control shaft 43 b. The shaft piece 85 b has at its end facing the servomotor 35 b an axial recess 87 b, into which an output shaft 89 b of the servomotor 35 b projects. The shaft piece 85 b is longitudinally displaceable relative to the motor output shaft 89 b, but is non-rotatably coupled to the motor output shaft 89 b. For the rotationally fixed coupling, a feather key 91 b, for example, can be used between the shaft piece 85 b and the motor output shaft 89 b. It is also conceivable to design the portion of the motor output shaft 89 b projecting into the axial recess 87 b with a multi-spline profile and to design the axial recess 87 b with a corresponding counter-spline profile.
Das Wellenstück 85b ist beispielsweise mittels Kugelführungsbuchsen an den in Fig. 3 mit 93b bezeichneten Stellen längs- und drehverschieblich geführt.The shaft piece 85 b is, for example, guided in a longitudinally and rotationally displaceable manner by means of ball guide bushings at the points designated by 93 b in FIG. 3.
Der Wählweg der Schaltwelle 43b (dargestellt durch den Drehpfeil 53b) wird über den Stellmotor 35b eingeleitet. Die drehfeste Verbindung des Wellenstücks 85b mit der Motorabtriebswelle 89b bewirkt eine Verdrehung der Schaltwelle 43b um den gewünschten Drehwinkel. Unabhängig hiervon kann durch Betätigung des Stellmotors 33b eine Längsverstellung der Schaltwelle 43b herbeigeführt werden. Dabei gleitet das Wellenstück 85b auf der Motorabtriebswelle 89b des Stellmotors 35b.The selection path of the control shaft 43 b (represented by the rotary arrow 53 b) is initiated via the servomotor 35 b. The rotationally fixed connection of the shaft piece 85 b with the motor output shaft 89 b causes the selector shaft 43 b to be rotated by the desired angle of rotation. Independently of this, a longitudinal adjustment of the control shaft 43 b can be brought about by actuating the servomotor 33 b. The shaft piece 85 b slides on the motor output shaft 89 b of the servomotor 35 b.
Vorteilhaft an der in Fig. 3 gezeigten Aktuatoranordnung sind ihre einfache Bauweise und ihr einfaches Wirkprinzip. Sie kommt mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Bauteilen aus, was den Fertigungsaufwand gering hält. Sie ermöglicht kurze Positionierzeiten und eine hohe Positioniergenauigkeit, letzteres wegen der stabilen Kraftübertragungsstellen im Kraftübertragungsweg von den Stellmotoren 33b, 35b zur Schaltwelle 43b (keine Gelenke).An advantage of the actuator arrangement shown in FIG. 3 is its simple construction and its simple operating principle. It manages with a comparatively small number of components, which keeps manufacturing costs low. It enables short positioning times and high positioning accuracy, the latter because of the stable power transmission points in the power transmission path from the actuators 33 b, 35 b to the control shaft 43 b (no joints).
Bei der in Fig. 4 gezeigten Aktuatoranordnung wird der Schaltweg der Schaltwelle 43c (längs des Pfeils 51c) durch den Aktuator 39c eingeleitet. Dieser umfaßt einen Schneckentrieb 95c mit einem drehfest auf der Abtriebswelle 75c des dem Aktuator 39c zugeordneten, hier nicht gezeigten Stellmotors befestigten Schneckenrad 97c und einem mit dem Schneckenrad 97c kämmenden Schneckenradsegment 99c, welches auf der Schaltwelle 43c sitzt. Die Schaltwelle 43c ist im Bereich des Schneckenradsegments 99c mit einem Außensteilgewinde ausgeführt, in das ein komplementäres Innensteilgewinde des Schneckenradsegments 99c eingreift. Bei Drehung der Motorabtriebswelle 75c wird deshalb über den Schneckentrieb 95c und den nicht selbsthemmenden Gewindeeingriff des Schneckenradsegments 99c mit der Schaltwelle 43c eine Längsverstellung der Schaltwelle 43c in Pfeilrichtung 51c bewirkt.In the actuator arrangement shown in FIG. 4, the switching path of the switching shaft 43 c (along the arrow 51 c) is initiated by the actuator 39 c. This comprises a worm gear 95 c with a worm gear 97 c attached to the output shaft 75 c of the actuator 39 c associated with the actuator, not shown here, and a worm gear segment 99 c meshing with the worm gear 97 c, which sits on the selector shaft 43 c. The selector shaft 43 c is designed in the area of the worm gear segment 99 c with an external part thread in which a complementary internal part thread of the worm gear segment 99 c engages. When the motor output shaft 75 c rotates, the worm gear 95 c and the non-self-locking thread engagement of the worm gear segment 99 c with the selector shaft 43 c cause a longitudinal adjustment of the selector shaft 43 c in the direction of the arrow 51 c.
Der Wählweg der Schaltwelle 43c (in Pfeilrichtung 53c) wird über den Aktuator 41c eingeleitet. Dieser umfaßt einen weiteren Schneckentrieb 101c, der sich aus einem auf der Schaltwelle 43c sitzenden Schneckenradsegment 103c und einem mit dem Schneckenradsegment 103c kämmenden Schneckenrad 105c zusammensetzt, das drehfest an der Abtriebswelle 89c des dem Aktuator 41c zugeordneten Stellmotors (hier nicht gezeigt) befestigt ist. Das Schneckenradsegment 103c sitzt längsverschieblich auf der Schaltwelle 43c. Beispielsweise ist die Schaltwelle 43c im Bereich des Schneckenradsegments 103c an ihrem Außenumfang mit einem Vielkeilprofil ausgeführt, das in drehfestem, aber längsverschieblichem Eingriff mit einem komplementären Innenkeilprofil des Schneckenradsegments 103c steht. The selection path of the shift shaft 43 c (in the direction of arrow 53 c) is initiated via the actuator 41 c. This comprises a further worm drive 101 c, which is composed of a worm wheel segment 103 c seated on the selector shaft 43 c and a worm wheel 105 c meshing with the worm wheel segment 103 c, which rotatably on the output shaft 89 c of the actuator 41 c assigned to the actuator (here not shown) is attached. The worm gear segment 103 c is longitudinally displaceable on the selector shaft 43 c. For example, the selector shaft 43 c is designed in the area of the worm wheel segment 103 c on its outer circumference with a multi-spline profile which is in non-rotatable but longitudinally displaceable engagement with a complementary inner spline profile of the worm wheel segment 103 c.
Wenn in Folge einer Drehbewegung der Motorabtriebswelle 89c eine Drehverstellung der Schaltwelle 43c herbeigeführt wird, kommt zwangsläufig, sofern nicht Gegenmaßnahmen getroffen werden, wegen des Gewindeeingriffs zwischen dem Schneckenradsegment 99c und der Schaltwelle 43c auch eine Längsverstellung der Schaltwelle 43c zustande. Soll ausschließlich eine Drehverstellung der Schaltwelle 43c bewirkt werden, so muß der Schneckentrieb 95c zur Kompensation gegenläufig angetrieben werden. Zur Realisierung des Wählwegs ist demnach eine gleichzeitige Betätigung der den beiden Aktuatoren 39c, 41c zugeordneten Stellmotoren erforderlich.If as a result of rotation of the engine output shaft 89 c is a rotational adjustment of the shift shaft 43 is brought c, inevitably, unless countermeasures are taken, because of the threaded engagement between the worm wheel 99 c and the shift shaft 43 c, a longitudinal adjustment of the shift shaft 43 c about. If only a rotary adjustment of the control shaft 43 c is to be effected, the worm drive 95 c must be driven in opposite directions for compensation. To implement the selection path, a simultaneous actuation of the actuators assigned to the two actuators 39 c, 41 c is therefore necessary.
Die Aktuatoranordnung der Fig. 4 zeichnet sich durch eine einfache Bauweise und ein einfaches Wirkprinzip aus. Sie erlaubt hohe Positioniergenauigkeiten und wegen des Steilgewindeprinzips auch akzeptable Positionierzeiten für den Schaltweg. Sie kommt mit einer vergleichsweise geringen Zahl an Bauteilen aus und ermöglicht eine kompakte Bauweise.The actuator arrangement of FIG. 4 is characterized by a simple construction and a simple operating principle. It allows high positioning accuracy and, due to the high-helix principle, also acceptable positioning times for the switching path. It manages with a comparatively small number of components and enables a compact design.
In den Fig. 5a und 5b ist schließlich eine Aktuatoranordnung gezeigt, bei der jeder der Aktuatoren 39d, 41d einen vom jeweiligen Stellmotor 33d bzw. 35d antreibbaren Linearschlitten 107d bzw. 109d umfaßt. Die beiden Schlitten 107d, 109d sind durch je eine Führungseinrichtung 111d bzw. 113d in einer zur Schaltwegrichtung 51d der Schaltwelle 43d orthogonalen Richtung 115d linearbeweglich geführt. Die Führung der Schlitten 107d, 109d an den Führungseinrichtungen 111d, 113d kann beispielsweise unter Vermittlung von Wälzkörpern realisiert sein. Es versteht sich, daß zwischen dem Stellmotor 33d und dem Schlitten 107d sowie zwischen dem Stellmotor 35d und dem Schlitten 109d jeweils ein geeignetes Getriebe, beispielsweise ein Spindeltrieb, angeordnet sein wird, das die Drehbewegung der Abtriebswelle des betreffenden Stellmotors in eine Linearbewegung umwandelt. In FIGS. 5a and 5b is finally shown an actuator assembly 39 d in which each of the actuators, 41 a d d from the respective actuating motor 33, or 35 d drivable linear slide 107 d and 109 d includes. The two carriages 107 d, 109 d are each guided linearly by a guide device 111 d or 113 d in a direction 115 d orthogonal to the switching path direction 51 d of the switching shaft 43 d. The carriage of the slides 107 d, 109 d on the guide devices 111 d, 113 d can be implemented, for example, by means of roller bodies. It is understood that between the servo motor 33 d and the carriage 107 d and between the servomotor 35 d and the carriage 109 d each a suitable gear, for example a spindle drive, will be arranged, which rotates the output shaft of the servomotor in question in a linear movement converts.
An der Schaltwelle 43d sind zwei Hebelstücke 117d und 119d fest angebracht, von denen das Hebelstück 117d in eine schräg zur Führungsrichtung 115d und schräg zur Schaltwegrichtung 51d verlaufende Führungskulisse 121d des Schlittens 107d eingreift. Das Hebelstück 119d greift dagegen in eine sich parallel zur Schaltwegrichtung 51d erstreckende Führungskulisse 123d des Schlittens 109d ein.On the selector shaft 43 d, two lever pieces 117 d and 119 d are fixedly attached, of which the lever piece 117 d engages in a guide link 121 d of the slide 107 d which runs obliquely to the guide direction 115 d and obliquely to the shift travel direction 51 d. The lever piece 119 d, on the other hand, engages in a guide link 123 d of the slide 109 d that extends parallel to the switching path direction 51 d.
Zur Realisierung des Schaltwegs der Schaltwelle 43d wird der Stellmotor 33d betätigt, was zu einer Verstellung des Schlittens 107d in Pfeilrichtung 115d führt. Der Eingriff des Hebelstücks 117d in die schrägverlaufende Führungskulisse 121d bewirkt dabei eine Verstellung der Schaltwelle 43d in Pfeilrichtung 51d, wobei selbstverständlich die Schräglage der Führungskulisse 121d so gewählt ist, daß keine Selbsthemmung auftritt. Zur Realisierung des Wählwegs, also einer Drehverstellung der Schaltwelle 43d in Pfeilrichtung 53d, wird der Stellmotor 35d betätigt, was zu einer Linearbewegung des Schlittens 109d in Pfeilrichtung 115d führt. Weil das Hebelstück 119d in dieser Richtung kein Bewegungsspiel in der Führungskulisse 123d besitzt, wird die Schaltwelle 43d um ihre Längsachse verschwenkt. Dies bewirkt eine gleichzeitige Verschwenkung des in die schrägverlaufende Führungskulisse 121d eingreifenden Hebelstücks 117d. Soll ausschließlich eine Drehverstellung der Schaltwelle 43d realisiert werden, so muß dann auch der Stellmotor 33d kompensierend angetrieben werden, um zu verhindern, daß durch die Verschwenkung des Hebelstücks 117d zugleich eine Längsverstellung der Schaltwelle 43d bewirkt wird.To implement the switching path of the control shaft 43 d, the servomotor 33 d is actuated, which leads to an adjustment of the slide 107 d in the direction of the arrow 115 d. The engagement of the lever piece 117 d in the inclined guide link 121 d causes an adjustment of the control shaft 43 d in the direction of arrow 51 d, the inclined position of the guide link 121 d being of course chosen such that no self-locking occurs. In order to implement the selection path, that is to say a rotary adjustment of the control shaft 43 d in the arrow direction 53 d, the servomotor 35 d is actuated, which leads to a linear movement of the slide 109 d in the arrow direction 115 d. Because the lever pieces 119 d has d in the guide link 123 in this direction no movement match, the switching shaft 43 is pivoted around its longitudinal axis d. This causes a simultaneous pivoting of the lever piece 117 d engaging in the oblique guide link 121 d. If only a rotary adjustment of the selector shaft 43 d is to be realized, then the servo motor 33 d must also be driven in a compensating manner in order to prevent a longitudinal adjustment of the selector shaft 43 d being effected by the pivoting of the lever piece 117 d.
Die Aktuatoranordnung der Fig. 5a und 5b zeichnet sich durch ein einfaches Wirkprinzip, kurze Positionierzeiten und eine kompakte Bauweise aus.The actuator arrangement of FIGS. 5a and 5b is characterized by a simple operating principle, short positioning times and a compact design.
Es versteht sich, daß bei den vorstehend erläuterten Aktuatoranordnungen nicht beide Stellmotoren von elektronisch kommutierten Servomotoren gebildet sein müssen. Abhängig von der aufzubringenden Kraft kann einer der Servomotoren zum Beispiel durch einen elektrischen Schrittmotor, einen elektrischen Linearmotor, einen Hydraulikzylinder oder einen hydraulischen Schwenkmotor ersetzt werden.It is understood that in the actuator arrangements explained above not both servomotors of electronically commutated servomotors must be educated. Depending on the force to be exerted, one can of the servomotors, for example by an electric stepper motor, a electric linear motor, a hydraulic cylinder or a hydraulic Swivel motor to be replaced.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ZF SACHS AG, 97424 SCHWEINFURT, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |