Title:
Getriebe mit direkt aufgebrachter Drehmomenterfassungsvorrichtung und Verfahren zur Drehmomentmessung in einem Kfz-Getriebe
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Getriebe (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Drehmomentübertragungseinrichtung (2) mit einer balligen oder konvexen Außenkontur (3) und einem Drehmomentsensierbereich (5) auf dem eine Drehmomenterfassungsvorrichtung (6) befestigt ist, die vorbereitet ist, in Abhängigkeit von der drehmomentabhängigen Torsion und/oder Dehnung ein elektrisches Signal zu erzeugen, das Rückschlüsse auf das Drehmoment zulässt, wobei der Drehmomentsensierbereich (5) eine ballige und/oder konvexe Außenkontur besitzt, auf die die Drehmomenterfassungsvorrichtung (6) direkt aufgebracht ist.




Inventors:
Gierl, Jürgen (91052, Erlangen, DE)
Stehr, Reinhard (77815, Bühl, DE)
Englisch, Andreas (77815, Bühl, DE)
Application Number:
DE102015225102A
Publication Date:
06/14/2017
Filing Date:
12/14/2015
Assignee:
Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102013204924A1N/A2014-09-25
DE102012208492A1N/A2013-11-28



Claims:
1. Getriebe (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Drehmomentübertragungseinrichtung (2) mit einer balligen oder konvexen Außenkontur (3) und einem Drehmomentsensierbereich (5) auf dem eine Drehmomenterfassungsvorrichtung (6) befestigt ist, die vorbereitet ist, in Abhängigkeit von der drehmomentabhängigen Torsion und/oder Dehnung ein elektrisches Signal zu erzeugen, das Rückschlüsse auf das Drehmoment zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensierbereich (5) eine ballige und/oder konvexe Außenkontur besitzt, auf die die Drehmomenterfassungsvorrichtung (6) direkt aufgebracht ist.

2. Getriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensierbereich (5) als ein integraler / einmaterialiger und/oder einstückiger Abschnitt einer Getriebeeingangswelle (7) oder einer Getriebeausgangswelle (8) ausgebildet ist.

3. Getriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensierbereich (5) als ein von der Getriebeeingangswelle (7) oder der Getriebeausgangswelle (8) ursprünglich separates Bauteil (9) ausgebildet oder gestellt ist.

4. Getriebe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Bauteil (9) als Zwischenstück (10) der Drehmomentübertragungseinrichtung (2) ausgebildet ist oder als ein die Drehmomentübertragungseinrichtung (2) zumindest teilweise oder abschnittsweise oder in einem bestimmten Längenabschnitt vollständig ummantelndes Einhüllbauteil (11) ausgebildet ist.

5. Getriebe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (10) oder das Einhüllbauteil (11) als Hülse (12) ausgebildet ist.

6. Getriebe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) eine vollzylinderartige oder hohlzylinderartige Ausprägung besitzt.

7. Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungsvorrichtung (6) einen Innen- oder Außendurchmesser von ca. 5 mm bis ca. 100 mm besitzt.

8. Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungsvorrichtung (5) einen Schichtaufbau besitzt aus einer Isolationsschicht und einer verformungsempfindlichen Messschicht.

9. Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungsvorrichtung (5) einen Schichtaufbau besitzt aus einer verformungsempfindlichen Messschicht, die nach dem Beschichten mäanderförmig strukturiert wurde.

10. Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenbuchse (11) an einem ersten Befestigungsbereich form-, kraft- und/oder stoffschlüssig angebracht ist.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug, wie einen Pkw, einen Lkw oder ein anderes Nutzfahrzeug, mit einer Drehmomentübertragungseinrichtung mit einer balligen oder konvexen Außenkontur und einem Drehmomentsensierbereich, auf dem eine Drehmomenterfassungsvorrichtung befestigt ist, die vorbereitet ist, in Abhängigkeit von einer drehmomentabhängigen Torsion und/oder Dehnung ein elektrisches Signal zu erzeugen, das Rückschlüsse auf das Drehmoment zulässt.

Die Erfindung betrifft also eine Anordnung zur Messung eines anliegenden Drehmoments in einem (Kfz-)Getriebe, etwa in einem CVT(continuously variable transmission)-Getriebe, während des Betriebs und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung zur Steuerung der Anpresskräfte von Scheibensätzen eines (CVT-)Getriebes.

Drehmomentmessungen in Pkw-Getrieben sind zwar bekannt, aber normalerweise nur durch Vorrichtungen ermöglicht, die außerhalb des Getriebegehäuses angebracht sind. Hierbei werden üblicherweise hydraulisch-mechanische Messmethoden eingesetzt. Technisch denkbar sind bisher Messungen auf Basis optischer oder magnetoreaktiver Prinzipien und durch aufgeklebte Dehnmessstreifen. Eine andere Möglichkeit besteht auch darin, das Drehmoment aus den Motorkenndaten abzuschätzen.

Alle diese bekannten Drehmomentmessungen haben jedoch erhebliche Nachteile. Beispielsweise sind geklebte Dehnmessstreifen suboptimal, da sie einer starken Alterung unterliegen. Kleber und Trägerfolien altern im Betrieb, wenn sie Medien und Temperaturen längere Zeit ausgesetzt sind, wie sie in Getrieben üblicherweise vorliegen. Vielmehr sind übliche geklebte Dehnmessstreifen (DMS) nur für eine kurze Lebensdauer ausgelegt. Zusätzlich neigen Polymerwerkstoffe zum Kriechen, wodurch die Messempfindlichkeit des DMS reduziert wird und das Messignal, bei längerer Zeit betrachtet, driften kann.

Ein grundsätzlich sehr gute Ergebnisse liefernder bisher häufig eingesetzter hydraulisch-mechanischer Drehmomentfühler benötigt leider relativ vielen axialen Bauraum. Auch sind dessen Kosten relativ hoch. Letztlich resultiert daraus ein stark vom Marktstandard abweichendes Hydraulikkonzept, was nicht zwingend akzeptiert ist. Gerade für Getriebe in Kraftfahrzeugen, insbesondere für CVT-Getriebe, soll aber eine Verbesserung ermöglicht werden. CVT-Getriebe, also stufenlos schaltende Getriebe, nutzen heute zur drehmomentgerechten Anpassung das Motormomentensignal (MMI), das insbesondere bei dem neuen europäischen Fahrzyklus im Bereich der Teillast sehr ungenau ist. Da aber bei diesem neuen europäischen Fahrzyklus die Teillast sehr dominant ist, können starke Abweichungen zwischen dem MMI und dem realen Getriebeeingangsmoment auftreten. Diese Abweichungen können bis zu ca. 100 % betragen, etwa bei einem anliegenden Getriebeeingangsmoment von ca. 50 Nm. Die Überanpressung aufgrund dieser Unsicherheit verschlechtert aber den Gesamtwirkungsgrad, erhöht unnötigerweise die Pumpenleistungsaufnahme und drückt sich in stark erhöhten Kosten aus.

Auch andere Messmethoden, wie solche die auf magnetische Messungsprinzipien setzen, disqualifizieren sich, da durch auftretenden metallischen Abrieb im Getriebe eine Messung auf Basis solch magnetischer Messungsprinzipien normalerweise nicht möglich ist.

Benachbarter Stand der Technik ist auch aus der DE 10 2013 204 924 A1 bekannt. Dort wird eine Anordnung zur Bestimmung eines auf eine Welle, insbesondere eine Lenkwelle einwirkenden Drehmoments offenbart. Ein lenkradseitiger erster Lenkwellenabschnitt, ein lenkgetriebeseitiger zweiter Lenkwellenabschnitt und ein die Lenkwellenabschnitte verbindender Torsionsabschnitt werden dabei verwendet. Der Torsionsabschnitt weist eine dehnungsempfindliche Direktbeschichtung mit der Struktur eines Dehnmessstreifens auf.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen oder zumindest zu mildern und eine präzisere Drehmomenterfassung bei geringeren Kosten und über eine lange Lebensdauer gesehen in Getrieben von Kraftfahrzeugen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Drehmomentsensierbereich eine ballige und/oder konvexe Außenkontur besitzt, auf die die Drehmomenterfassungsvorrichtung direkt aufgebracht / befestigt / insbesondere beschichtet, bspw. aufgedampft ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Drehmomentmessvorrichtung wird also im Getriebegehäuse direkt auf der An- bzw. Abtriebswelle platziert. Das Messprinzip erfolgt dehnungsbasiert und wird mit Hilfe einer dehnungsempfindlichen Beschichtung, bspw. bekannt unter dem Namen „Sensotect®“, ermöglicht. Die Sensorschicht kann direkt auf der An- bzw. Abtriebswelle beschichtet sein, wie etwa in den Druckschriften DE 10 2013 204 924 A1 und DE 10 2012 208 492 A1 offenbart. Alternativ ist auch das Umsetzen im Rahmen einer Messhülse materialschlüssig in oder auf der Getriebewelle möglich. Durch die Erfindung wird eine Drehmomentmessung mit sehr hoher Genauigkeit und gleichzeitig starker Robustheit ohne Bauraumverlust ermöglicht. Die Erfindung lässt sich auch bei Kupplungen einsetzen, um die Anpresskraft abzustimmen.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind auch in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.

So ist es von Vorteil, wenn der Drehmomentsensierbereich als ein integraler, einmaterialiger und/oder einstückiger Abschnitt einer Getriebeeingangswelle oder einer Getriebeausgangswelle ausgebildet ist, oder durch einen solchen Abschnitt oberflächenseitig gestellt ist. Das Aufbringen des sensierenden Elementes kann bspw. durch ein Vapour Deposition-Verfahren nachhaltig erreicht werden. So bieten sich PVD- und PACVD-Verfahren diesbezüglich an. Besonders langlebige Getriebe lassen sich dann erhalten, die selbst am Ende der Lebensdauer noch präzise Drehmomentinformationen liefern.

Alternativ ist es auch möglich, dass der Drehmomentsensierbereich als von der Getriebeeingangswelle oder der Getriebeausgangswelle als ein (ursprünglich) separates Bauteil ausgebildet oder gestellt ist. Die Fertigung wird dadurch vereinfacht, da separate Bauteile vorgehalten werden können, die dann ihrerseits mit einen PVD- oder PACVD-Verfahren beschichtet wurden, wobei die fertigen separaten Bauteile dann nur an der Getriebeeingangswelle oder der Getriebeausgangswelle angebracht werden müssen. Dabei ist das Anbringen derart möglich, dass das Drehmoment nach wie vor durch die Getriebeeingangswelle oder die Getriebeausgangswelle vollständig / großteils / teilweise verläuft, und das separate Bauteil lediglich einen solch kleinen Drehmomentanteil überträgt, der ausreicht, dass eine Verwindung auftritt, die Rückschlüsse auf das gesamte Drehmoment zulässt.

Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das separate Bauteil als Zwischenstück der Drehmomentübertragungseinrichtung ausgebildet ist, oder als ein die Drehmomentübertragungseinrichtung zumindest teilweise oder abschnittsweise oder in einem bestimmten Längenabschnitt vollständig ummantelndes Einhüllbauteil ausgebildet ist. Das Einhüllbauteil kann dann in großen Stückzahlen vorgehalten und bearbeitet werden, sodass es einfach und schnell verbaubar ist.

In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Zwischenstück oder das Einhüllbauteil als Hülse, etwa als Metallhülse, ausgebildet ist. Ein platzsparender Einsatz bei gleichzeitig geringen Kosten kann dann sichergestellt werden.

Wenn die bspw. zwiebelschalenartig oder drehmomentübertragungseinrichtungverlängernd angeordnete Hülse eine vollzylinderartige oder hohlzylinderartige Ausprägung / Ausgestaltung besitzt, so kann die Hülse effizient hergestellt werden.

Es hat sich bewährt, wenn die Drehmomenterfassungsvorrichtung einen Innen- oder Außendurchmesser von 5 mm bis 100 mm besitzt.

Wenn die Drehmomenterfassungsvorrichtung einen Schichtaufbau, aus einer oder mehreren Schichten besitzt, der zwischen 0,01 µm bis 100 µm hoch ist, so kann ein ausreichend qualitativ hochwertiges Signal geliefert werden.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse stirnseitig an einem ersten Befestigungsbereich, etwa einer Stirnseite oder einer Außenoberfläche der Drehmomentübertragungseinrichtung form-, kraft- und/oder stoffschlüssig angebracht ist, etwa angeschweißt ist, bspw. über eine umlaufende oder flächige Naht durch Laserstrahlschweißen.

Die Erfindung betrifft letztlich auch ein solches Getriebe, das als stufenlos verstellbares Getriebe, etwa nach Art eines CVT-Getriebes, ausgebildet ist.

Mit anderen Worten wird die Drehmomentmessung durch eine Sensotect®-Direktbeschichtung, d.h. eine dehnungsempfindliche Direktbeschichtung mit der Struktur eines Dehnmessstreifens, auf die Getriebewellen oder eine Drehmomentmessvorrichtung, umfassend eine / bestehend aus einer Torsionshülse, die auch als Einhüllbauteil oder Außenbuchse bezeichnet werden kann, nämlich dem so genannten Messelement, realisiert. Auf dem Messelement, bzw. der Getriebewelle, ist eine Isolationsschicht, bspw. aus Aluminiumoxid, aufgebracht, auf der sich eine verformungssensitive Schicht (oder Schichten) als Messschicht befindet. Die Isolationsschicht umfasst bspw. ein Oxid, wie Al2O3 sowie SiO2 oder Nitride, z.B. AlN. Die Isolationsschicht ist bspw. im PVD(Physical Vapour Deposition)- oder PACVD(Chemical Assisted Physical Vapour Deposition)-Verfahren herstellbar. Die Messschicht, welche sich auf der Isolationsschicht befindet, ist bspw. durch eine Nickellegierung, insbesondere eine Nickel-Chrom-Legierung gebildet oder aus einem AlxGa1-xAs (Halbleiter) gebildet / aufgebaut. Die verformungssensitive Beschichtung kann wiederum im PVD- oder PACVD-Verfahren hergestellt werden.

Die Messschicht wird ähnlich bekannter Dehnungsmessstreifen / Dehnmessstreifen strukturiert. Die Strukturierung der dehnungsempfindlichen Direktbeschichtung mit der Struktur eines Dehnmessstreifens erfolgt erst nach Aufbringung der Beschichtung auf dem Messelement bzw. der Getriebewelle (vorzugsweise per Laser).

Auf die Messschicht wird in bevorzugter Ausgestaltung eine organische oder anorganische Schutzschicht gegen Umwelteinflüsse aufgebracht. Die Gesamtdicke der verformungssensitiven Direktbeschichtung ohne die Schutzschicht beträgt vorzugsweise nicht mehr als ca. 4 µm, ca. 12 µm oder ca. 20 µm. Insbesondere Schichtdicken von ca. 5 µm, ca. 10 µm und ca. 20 µm haben sich bewährt.

Die per Laser bearbeitete dehnungsempfindliche Direktbeschichtung mit der Struktur eines Dehnmessstreifens weist in vorteilhafter Ausgestaltung eine Streifenstruktur auf, welche zur Rotationsachse um vorzugsweise ca. 45° schräggestellt sind. Dabei wird direkt eine Schicht bearbeitet, die nicht nur in einer Ebene angeordnet ist, sondern eine räumliche Struktur darstellt.

Die Bohrung einer Torsionshülse, die auch als Einhüllbauteil oder Außenbuchse bezeichnet werden kann, wird mit leichtem Spiel zum Wellendurchmesser ausgeführt. Die fertiggestellte Torsionshülse wird auf die Welle bzw. einen als Hülsensitz bearbeiteten Bereich der Antriebswelle geschoben und mittels eines Schweißverfahrens (bspw. eines Laserschweißverfahrens, eines Reibschweißverfahrens oder eines Widerstandsschweißverfahrens) oder einem Lötverfahren auf der Welle bzw. dem Hülsensitz direkt materialschlüssig gefügt, sodass die Torsion der Welle auf die Torsionshülse, dem Messelement, übertragen wird. Alternativ kann die Hülse mit Borden ausgefüllt sein, welche ermöglichen, die Torsionshülse auf / in eine (Hohl-)Welle einzupressen und sie gemäß einer besonderen Ausführungsform materialschlüssig zu fixieren.

Zusätzlich zu einer dehnungsempfindlichen Direktbeschichtung mit der Struktur eines Dehnmessstreifens befindet sich auf der Torsionshülse eine Signalübertragungskomponente, welche mit einer weiteren, ortsfesten Signalübertragungskomponente zusammenwirkt. Die Signalübertragung kann aber auch auf die Welle zusätzlich verbracht / angebracht werden. Es ist eine drahtlose, bspw. induktive Signalübertragung zwischen der Torsionshülse bzw. Welle, dem Rotor und einem nicht rotierenden Bauteil, etwa dem Stator, vorgesehen.

Einschließlich der gesamten Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Energie- und Signalübertragungstechnik ist die gesamte Drehmomentmessvorrichtung äußerst platzsparend aufgebaut. Durch das zur Verfügungstellen eines solchen Getriebes mit erfindungsgemäßer Drehmomentmessvorrichtung wird eine verbesserte Anpressung bei stufenlosen Getrieben erreicht, was sich positiv im Verbrauch bemerkbar macht.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Getriebes gemäß einer ersten Ausführungsform,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer zur 1 vergleichbaren Darstellungsweise, und

3 eine weitere Ausführungsform in einer zu der 1 vergleichbaren Weise.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können teilweise untereinander ausgetauscht werden.

In 1 ist ein Abschnitt eines erfindungsgemäßen Getriebes 1 dargestellt. Das Getriebe 1 ist zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wie einem Pkw, einem Lkw oder einem anderen Nutzfahrzeug vorgesehen, nämlich in einem Antriebsstrang. Es weist eine Drehmomentübertragungseinrichtung 2 auf. Die Drehmomentübertragungseinrichtung 2 hat eine ballige oder konvexe Außenkontur 3. Insbesondere ist die Drehmomentübertragungseinrichtung 2 nach Art einer Welle 4 ausgebildet. Es besitzt einen Drehmomentsensierbereich 5. Auf diesem Drehmomentsensierbereich 5 ist eine Drehmomenterfassungsvorrichtung 6 vorhanden. Mittels dieser Drehmomenterfassungsvorrichtung 6 ist in Abhängigkeit von einer drehmomentabhängigen Torsion und/oder Dehnung ein elektrisches Signal erzeugbar. Dieses Signal wird zu einem nicht dargestellten Auswerteelement verbracht. Dabei werden Mittel eingesetzt, die ebenfalls nicht dargestellt sind. Insbesondere können induktiv arbeitende Prinzipien eingesetzt werden.

Der Drehmomentsensierbereich 5 selber weist auch eine ballige und/oder konvexe Außenkontur auf. Insbesondere weist er eine zylinderartige Außenkontur auf. Die Drehmomenterfassungsvorrichtung 6 ist direkt auf den Drehmomentsensierbereich 5 beschichtet. Insbesondere ist sie aufgedampft oder gesputtert.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 ist die Drehmomentübertragungseinrichtung 2 nach Art einer Welle 4 ausgebildet, nämlich als Getriebeeingangswelle 7 oder Getriebeausgangswelle 8.

Eine solche Ausgestaltung ist auch in den 2 und 3 dargestellt, wobei jedoch dort Unterschiede festzustellen sind. So ist der Drehmomentsensierbereich 5 von einem von der Getriebeeingangswelle 7 bzw. der Getriebeausgangswelle 8 separaten Bauteil 9 gestellt. In diesem Punkt ähneln sich die Ausführungsbeispiele der 2 und 3.

Doch unterscheiden sie sich wiederum darin, dass in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 das separate Bauteil 9 als Zwischenstück 10 ausgebildet ist, wohingegen es in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 als Außenbuchse 11 ausgebildet ist. Das Zwischenstück 10 ist als Hülse ausgebildet und in einem stirnflächennahen Bereich über eine Schweißnaht 13 jeweils am Rest der Drehmomentübertragungseinrichtung 2 befestigt. Eine solche Schweißnaht 13 weist die Außenbuchse 11 im Bereich von Flanschenden 14 auf. Die Schweißnaht sollte außen liegen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Außenbuchse Flanschenden haben kann, aber nicht zwingend besitzen muss. Es kann auch eine Vertiefung in der Welle eingebracht sein. Zwischen der Außenkontur 3 der Drehmomentübertragungseinrichtung 2 und einer Innenseite 15 der Außenbuchse 11 ist zwischen den Flanschenden 14 kann ein Spalt 16 bzw. eine Beabstandung vorhanden sein.

Auf die Außenbuchse 11 bzw. die Hülse 12 ist außenseitig die Drehmomenterfassungsvorrichtung 6, nach Art einer Beschichtung oder Bedampfung aufgebracht.

Die Drehmomenterfassungsvorrichtung 6 kann aus mehreren Schichten bestehen. Insbesondere bietet sich der Aufbau umfassend eine Isolationsschicht, eine elektrisch leitende Schicht und eine Schutzschicht an. Es können auch mehrere elektrisch leitende Schichten verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1
Getriebe
2
Drehmomentübertragungseinrichtung
3
Außenkontur des Drehmomentübertragungseinrichtung
4
Welle
5
Drehmomentsensierbereich
6
Drehmomenterfassungsvorrichtung
7
Getriebeeingangswelle
8
Getriebeausgangswelle
9
separates Bauteil
10
Zwischenstück
11
Außenbuchse
12
Hülse
13
Schweißnaht
14
Flanschende
15
Innenseite
16
Spalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102013204924 A1 [0007, 0010]
  • DE 102012208492 A1 [0010]