DE102005029509A1

DE102005029509A1 - Kupplungskühlrillen für eine gleichmäßige Plattentemperatur beim Reibungsanfahren

Info

Publication number: DE102005029509A1
Application number: DE102005029509A
Authority: DE
Inventors: Murali Krishnan S. Ypsilanti Arcot; Paul D. Ann Arbor Stevenson
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US20050284721A1; US7448483B2

Abstract

Es sind auf einer Reibungsplatte ausgebildete Kühlrillen einer Kupplung vorgesehen. Die Rillen sind so geformt, dass sie für im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturen der Stahlscheibe beim Reibschlupf eines Fahrzeugs sorgen. Die Rillen sind so geformt, dass die größte Querschnittsfläche dem Bereich benachbart ist, der ansonsten ein heißer Bereich auf der Stahlscheibe wäre, und die kleinste Querschnittsfläche an der kühlsten Stelle auf der Stahlscheibe am Einlass für das Kühlfluid liegt. Folglich ist die Rille so geformt, dass die kleinste Querschnittsfläche am Einlass für das Kühlfluid liegt, die größte Querschnittsfläche zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid liegt und der Auslass für das Kühlfluid eine größere Querschnittsfläche als der Einlass für das Kühlfluid und eine kleinere als die dem Hot Spot der Stahlscheibe benachbarte Querschnittsfläche zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid hat.

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 25. Juni 2004 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/582,865, die hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit miteinbezogen ist.
Die Erfindung bezieht sich auf Kupplungskühlungsrillen in einer Reibanfahrkupplung.

Anstelle eines Drehmomentwandlers kann eine integrierte Reibanfahrkupplung (engl. friction launch clutch) als eine Kopplungsvorrichtung in einem Automatikgetriebe während des Anfahrprozesses eines Fahrzeugs genutzt werden. Eine Anfahrkupplung umfasst gewöhnlich eine Gruppe aus mit einem Gehäuse kerbverzahnten Stahlscheiben und mit einer Nabe kerbverzahnten Reibungsplatten, die abwechselnd angeordnet sind, um Grenzflächen für einen Kontakt von Scheiben und Platten zu schaffen. Die Reibungsplatten bestehen aus einer dünnen Platte mit einem Reibungsmaterial, segmentiert oder nicht segmentiert, das auf zumindest einer Seite der Reibungsplatte angebracht ist. Ein Kolben rückt die Kupplung während des Anfahrens eines Fahrzeugs ein. Eine Anfahrkupplung lässt man länger schleifen als eine Schaltkupplung. Folglich ist die in einer Anfahrkupplung erzeugte Wärme größer als in einer Schaltkupplung, und eine effiziente Kühlung ist erforderlich, um akzeptable Temperaturen der Stahlscheiben und des Kühlfluids aufrechtzuerhalten.

Im Reibungsmaterial können Rillen so ausgebildet sein, dass ein Kühlfluid, welches oft Öl ist, durch die Rillen entweder vom äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte zum inneren Umfangsrand der Reibungsplatte oder vom inneren Umfangsrand der Reibungsplatte zum äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte strömen kann. In den Stahlscheiben erzeugte Wärme wird durch Leitung an das Kühlfluid dissipiert, während das Kühlfluid durch die Rillen und entlang dem äußeren Umfangsrand der Scheibe und inneren Umfangsrand der Scheibe strömt. Eine ineffiziente Kühlung kann zu unerwünscht hohen Temperaturen in der Stahlscheibe und im Kühlfluid führen, was eine Beschädigung am Stahl und Reibungsmaterial hervorrufen kann. Dies kann ebenfalls ein Versagen des Grundstoffs (engl. base stock) und von Zusatzstoffen im Kühlfluid hervorrufen. Eine ungenügende Kühlung in der Stahlscheibe kann räumlich begrenzte bzw. lokalisierte heiße Bereiche oder "Hot Spots" herbeiführen, die zur Verzerrung und Beschädigung an der Stahlscheibe und dem Reibungsmaterial führen können. Eine Beschädigung an der Grenzfläche zwischen Scheibe und Reibungsmaterial kann die Haltbarkeit oder Funktion nachteilig beeinflussen. Die Haltbarkeit beeinflussende Schadensarten umfassen "verbranntes" Reibungsmaterial, verzerrte Stahlplatten, oxidiertes Öl und eine Additiwerarmung im Öl. Die Schadensarten, die die Funktionalität beeinflussen, umfassen Änderungen in den Reibungscharakteristiken nahe dem heißen Bereich, die zu einem Zittern bzw. Vibrieren und einer schnellen Reduzierung der Drehmomentkapazität führen können. Ein heißer Bereich kann einen Schaden an der Stahlscheibe, dem Reibungsmaterial und dem Kühlfluid hervorrufen, selbst wenn die durchschnittliche Temperatur des Materials innerhalb innerhalb akzeptabler Grenzen liegt.

Die vorliegende Erfindung reduziert die maximale Temperatur der Stahlscheiben in einer Kupplung, insbesondere an den Grenzflächen zwischen den Stahlscheiben und dem Reibungsmaterial, indem die Form von in den Stahlscheiben gegenüberliegenden Reibungsplatten ausgebildeten Kühlrillen variiert wird. Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Aufrechterhalten einheitlicher oder nahezu einheitlicher Temperaturen in den Stahlplatten nahe den Grenzflächen zwischen den Stahlscheiben und dem Reibungsmaterial durch Variieren der Form der Kühlrillen. Reduzierte Temperaturen in den Stahlscheiben sind aus Gründen der Haltbarkeit und Funktionalität von Vorteil. In erster Linie minimieren reduzierte Temperaturen die Verzerrung der Stahlscheiben durch Wärme und Oxidation des Fluids und Reibungsmaterials.

Drei Hauptfaktoren treiben die Temperaturgradienten in den Stahlscheiben. Zunächst ist jeder innere Umfangsrand einer Scheibe und äußere Umfangsrand einer Scheibe keiner Wärmeerzeugung aufgrund eines Schleif- bzw. Schlupfkontakts ausgesetzt. Zweitens hat jeder innere Umfangsrand einer Scheibe und äußere Umfangsrand einer Scheibe eine größere Fläche, die dem Kühlfluid ausgesetzt ist, da er eine Fläche hat, die nicht vom Reibungsmaterial der Plattenanordnung bedeckt ist. Drittens ist das in die Rillen eintretende Kühlfluid aufgrund der Wärmeübertragung von den Stahlscheiben auf das Kühlfluid kühler als das die Rillen verlassende Kühlfluid.

Um nahezu konstante Temperaturen in den Stahlscheiben an den Grenzflächen zwischen den Stahlscheiben und dem Reibungsmaterial (Grenzflächen zwischen Scheibe und Reibungsmaterial) aufrechtzuerhalten, ist die Querschnittfläche jeder Rille in Bereichen vergrößert, in denen die Temperaturen der Stahlscheiben über dem Durchschnitt lägen, falls die Querschnittfläche nicht vergrößert wäre. Die Querschnittfläche jeder Rille ist folglich am Einlass für das Kühlfluid am kleinsten, wo das Kühlfluid am kühlsten ist und der Umfangsrand der Scheibe eine Fläche hat, die nicht mit Reibungsmaterial bedeckt und dem Kühlfluid ausgesetzt ist; breiter am Auslass für das Kühlfluid, wo das Kühlfluid am heißesten ist und der Umfangsrand der Scheibe eine Fläche hat, die nicht mit Reibungsmaterial bedeckt und dem Kühlfluid ausgesetzt ist, und am breitesten nahe den heißen Bereichen in den Stahlscheiben, wo das Kühlfluid heißer als am Fluideinlass, aber kühler als am Auslass für das Kühlfluid ist und es keinen Umfangsrand der Scheibe gibt, um eine Kühlung zu verbessern. Jede Rillenform, die am Einlass für das Kühlfluid die kleinste Querschnittfläche und im Bereich zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid die größte Querschnittsfläche aufweist, liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung und kann ferner angepasst werden, um ihre Effizienz durch andere Faktoren zu erhöhen, wie z.B. Minimieren der Distanz von der Mitte des Reibungsmaterials zu den Rillen, um eine größere Wärmeübertragung von den Stahlscheiben auf das Kühlfluid zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung weist eine Reibungsplatte auf, die für den Einsatz in einer Kupplungsanordnung ausgelegt ist. Die Reibungsplatte wird in Verbindung mit einer Stahlscheibe mit einem inneren Umfangsrand der Scheibe, einem äußeren Umfangsrand der Scheibe und einer Scheiben-Belagfläche genutzt. Die Reibungsplatte hat eine Reibungsplatten-Belagfläche, die der Scheiben-Belagfläche gegenüberliegt. Die Reibungsplatten-Belagfläche hat mehrere Rillen, die so ausgebildet sind, um Kühlfluid von dem inneren Umfangsrand der Reibungsplatte oder dem äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte zum anderen Rand des inneren Umfangsrands der Reibungsplatte oder des äußeren Umfangsrands der Reibungsplatte zu befördern. Die Rillen sind so ausgebildet, dass sie eine Kühlung der Stahlscheiben verbessern. Jede Rille hat eine Querschnittfläche am Rilleneinlass, eine Querschnittfläche in der Mitte der Rille und eine Querschnittfläche am Auslass der Rille. Die Querschnittfläche am Auslass der Rille ist größer als Querschnittfläche am Einlass der Rille, und die Querschnittfläche in der Mitte der Rille ist größer als die Querschnittfläche am Auslass der Rille. Diese Rillenform sorgt dafür, dass die größte Quer schnittfläche jeder Rille dem Bereich der Stahlscheibe benachbart ist, der ansonsten ein heißer Bereich wäre, was eine Reduzierung der Temperatur beim heißen Bereich bewirkt. Folglich ist die Wärmemenge, die von den erwarteten heißen Bereichen in das Kühlfluid übertragen wird, erheblich größer als die Wärmemenge, die an anderen Stellen entlang den Rillen in das Kühlfluid übertragen wird.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren, das eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in einer Kupplung erzeugt, wobei ein Kühlfluid in eine Rille auf einer Reibungsplatte geleitet wird, die einer Stahlscheibe benachbart ist. Das Kühlfluid wird von dem inneren Umfangsrand der Reibungsplatte oder dem äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte zum anderen Rand des inneren Umfangsrands der Reibungsplatte oder äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte geleitet. Die Rille ist der Stahlscheibe benachbart. Das Kühlfluid wird durch die Rille geleitet, so dass es die kleinste Querschnittsfläche der Rille am Einlass für das Kühlfluid durchquert, eine größere Querschnittfläche der Rille am Auslass für das Kühlfluid durchquert und die größte Querschnittfläche der Rille an einer Stelle zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid durchquert.

Die vorliegende Erfindung liefert eine Kupplungsanordnung, die aus einer Reibungsplatte mit einer Reibungsplatten-Belagfläche besteht, die einer Scheiben-Belagfläche einer Stahlscheibe gegenüberliegt. Die Stahlscheibe weist einen inneren Umfangsrand der Scheibe und einen äußeren Umfangsrand der Scheibe auf. Die Reibungsplatten-Belagfläche hat mehrere Rillen, die darin ausgebildet sind, um ein Kühlfluid von dem inneren Umfangsrand der Reibungsplatte oder dem äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte zum anderen Rand des inneren Umfangsrands der Reibungsplatte oder äußeren Umfangsrands der Reibungsplatte zu fördern bzw. zu transportieren. Die Rillen sind so ausgebildet, dass sie eine Kühlung der Stahlscheibe verbessern. Die Rillen haben eine Rillenform der Art, dass die Rillen die größte Querschnittfläche der Rille nahe einem Bereich der Stahlscheibe aufweisen, der ein heißer Bereich wäre, falls die Rillenfläche konstant wäre. Jede Rille kann einen oder mehrere Zweige für die Kühlfluidströmung aufweisen. Außerdem kann jede Rille zwei oder mehr Öffnungen zum inneren Umfangsrand der Reibungsplatte und/oder äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte aufweisen.

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Entwerfen mehrerer Rillen in einer Reibungsplatte, die für die Verwendung in einer Kupplung in Verbindung mit einer Stahlscheibe angepasst ist. Die Reibungsplatte weist eine Reibungsplatten-Belagfläche mit einem Reibungsmaterial und darin ausgebildete Rillen zum Transport eines Kühlfluids auf. Jede Rille hat mehrere Rillensegmente, wobei jedes Rillensegment von einer Achse der Reibungsplatte aus in einer Richtung radial nach außen angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte, in denen die Stahlscheibe entlang der Grenzfläche zwischen Scheibe und Kühlfluid in mehrere finite Elemente der Stahlscheibe geteilt wird und das Kühlfluid entlang der Grenzfläche zwischen Scheibe und Kühlfluid in mehrere finite Elemente des Kühlfluids geteilt wird. Das Verfahren umfasst auch ein Nutzen der finiten Elemente der Stahlscheibe und der finiten Elemente des Kühlfluids, um ein Temperaturprofil für die Stahlscheibe und das Kühlfluid zu bestimmen; Nutzen mehrerer diskreter Zeitschritte, um eine Verteilung der Stahlscheibentemperaturen zu bestimmen, Nutzen bekannter Eingabetemperaturen, Fluidströme und einer Eingangsleistung, um individuelle Temperaturen finiter Elemente für jede Erhöhung in jedem der diskreten Zeitschritte zu berechnen; und Auswählen eines Wertes einer Querschnittfläche eines Rillensegments für die Rillensegmente, um eine nahezu einheitliche Temperatur in jedem der finiten Elemente der Stahlscheibe zu schaffen.

Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Verfahren zum Ausführen der Erfindung ohne weiteres ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.
1a ist eine partielle Querschnittansicht einer Kupplungsanordnung;
1b ist eine schematische partielle Querschnittdarstellung von Elementen der Kupplungsanordnung, die in einer finite Elementanalyse genutzt werden, um eine Rillenform für eine Reibungsplatte zu entwerfen;
1c ist eine schematische partielle Darstellung in Draufsicht einer Reibungsplatte;
2 ist eine schematische partielle Querschnittansicht der Energieverteilung und der Wärmeübertragung in einer Baugruppe einer Reibanfahrkupplung;
3 ist ein Flussdiagramm der Schritte, die mit einem Entwurf einer Rillenform unter Verwendung einer finite Elementanalyse verbunden sind;
4a zeigt eine Draufsicht einer Reibungsscheibe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4b zeigt eine vergrößerte Draufsicht einer Rille der Reibungsscheibe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5a zeigt eine Draufsicht einer Reibungsscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5b zeigt eine vergrößerte Draufsicht einer Rille der Reibungsscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6a zeigt eine Draufsicht einer Reibungsscheibe gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6b zeigt eine vergrößerte Draufsicht einer Rille der Reibungsscheibe gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7a zeigt eine Draufsicht einer Reibungsscheibe gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7b zeigt eine vergrößerte Draufsicht einer Rille der Reibungsscheibe gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 ist eine tabellarische Darstellung der Rillenbereiche und Temperaturbereichsverteilungen der Ausführungsformen der in 4a – 7b gezeigten Reibungsplatten.
Ein Beispiel von Kupplungsplatten mit Kühlstromwegen ist in der am 14. Februar 2003 eingereichten veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 10/366,911 (US-Patentveröffentlichung Nr. 2004-0159519) beschrieben, die General Motors Corporation übertragen wurde und in ihrer Gesamtheit durch Verweis hiermit einbezogen ist.
In den Zeichnungen sind 1a, 1b und 1c schematische Darstellungen einer Kupplung 12, die Stahlscheiben 14, ein Kühlfluid 16, Reibungsplatten 10 wie z.B. 10', 10'', 10''', 10'''' und Reibungsmaterial 24 aufweist. Die Stahlscheiben 14 weisen eine Belagfläche 20 der Scheibe auf, die der Reibungsplatten-Belagfläche 22 der Reibungsplatten 10 gegenüberliegt. Die Reibungsplatten-Belagfläche 22 ist zumindest teilweise mit einem Reibungsmaterial 24 belegt. Entlang der Grenzfläche 30 zwischen Scheibe und Reibungsmaterial wird Wärme erzeugt, während die Kupplung 12 mit Reibung zwischen der Belagfläche 20 der Scheibe und der Belagfläche 25 des Reibungsmaterials 24 schleift, die mit der Belagfläche 20 der Scheibe in Kontakt steht. Rillen 18 wie z.B. 18', 18'', 18''', 10'''' können im Reibungsmaterial 24 durch Schneiden, Pressen etc. gebildet werden. Die Rillen 18 ermöglichen, dass ein Kühlfluid 16, welches herkömmlicherweise Öl ist, durch die Rillen 18 strömt und Wärme, die erzeugt wird, an der Belagfläche 20 der Scheiben den Stahlscheiben 14 entzieht. Das Kühlfluid 16 kann in einer Richtung von dem äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials zum inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials oder vom inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials zum äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials strömen. Wenn das Kühlfluid 16 vom äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials zum inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials strömt, befindet sich der Einlass für das Kühlfluid am äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials, und der Auslass für das Kühlfluid befindet sich am inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials. Wenn das Kühlfluid 16 vom inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials zum äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials strömt, befindet sich umgekehrt der Einlass für das Kühlfluid am inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials, und der Auslass für das Kühlfluid befindet sich am äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials.
Drei Hauptfaktoren treiben die Temperaturgradienten in den Stahlscheiben 14. Zunächst stehen der innere Umfangsrand 32 der Scheibe und äußere Umfangsrand 34 der Scheibe nicht in Schleif- bzw. Schlupfkontakt mit dem Reibungsmaterial 24 und sind folglich keiner Wärmeerzeugung ausgesetzt. Zweitens haben der innere Umfangsrand 32 der Scheibe und äußere Umfangsrand 34 der Scheibe eine größere, dem Kühlfluid 16 ausgesetzte Fläche als die Belagfläche 20 der Scheibe. Drittens ist das in die Rillen 18 eintretende Kühlfluid 16 aufgrund der Wärmeübertragung von den Stahlscheiben 14 an der Belagfläche 20 der Scheibe auf das Kühlfluid 16 kühler als das die Rillen 18 verlassende Kühlfluid 16.
Die Wärmeübertragung und Energieverteilung in der Kupplung 12 nahe der Grenzfläche 20 zwischen Scheibe und Reibungsmaterial ist in 2 dargestellt. Wie veranschaulicht ist, tritt eine Leitung vom inneren Umfangsrand 32 der Scheibe zum Kühlfluid 16, von dem äußeren Umfangsrand 34 der Scheibe zum Kühlfluid 16 und von der Belagfläche 20 der Scheibe zum Kühlfluid 16 in der Rille 18 auf. Eine axiale Leitung findet in den Stahlscheiben 14 in einer Richtung weg von der Belagfläche 20 der Scheibe und parallel zum inneren Umfangsrand 32 der Scheibe und äußeren Umfangsrand 34 der Scheibe statt. Radiale Leitung tritt in einer Richtung weg von der Mittelebene 50 der Stahlscheibe in Richtung auf den inneren Umfangsrand 32 der Scheibe und von der Mittelebene 50 der Stahlscheibe in Richtung auf den äußeren Umfangsrand 34 der Scheibe auf.
Wieder nach 1b sind, um eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur in den Stahlscheiben 14 nahe der Grenzfläche 30 zwischen Scheibe und Reibungsmaterial aufrechtzuerhalten, die Querschnittflächen der Rillen 18, die in den Reibungsplatten 10 ausgebildet sind, nahe den heißen Bereichen (oder erwarteten heißen Bereichen) auf den Stahlscheiben 14 vergrößert. Die Querschnittflächen der Rillen 18 sind entlang einer Ebene definiert, die zu den in 1a, 1c, 2 und 4a – 7b veranschaulichten Ansichten senkrecht ist. Folglich sind die Querschnittflächen der Rillen 18 im Wesentlichen senkrecht zu dem inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials und dem äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials, wie in 1b ersichtlich ist. Die Querschnittfläche des Rilleneinlasses ist die Querschnittfläche der Rille am Rilleneinlass (der am äußeren oder inneren Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials liegen kann) senkrecht zum Strom des Kühlfluids. Die Querschnittfläche des Rillenauslasses ist die Querschnittfläche der Rille am Rillenauslass (der am äußeren oder inneren Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials liegen kann) senkrecht zum Strom des Kühlfluids. Die Querschnittfläche in der Mitte der Rille ist die Querschnittfläche eines dritten Punktes, der entlang der Rille zwischen dem Rilleneinlass (welcher am äußeren oder inneren Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials liegen kann) und dem Rillenauslass (welcher am äußeren oder inneren Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials liegen kann) liegt, senkrecht zum Strom des Kühlfluids. Heiße Bereiche oder "Hot Spots" sind räumlich begrenzte bzw. lokalisierte Flächen bzw. Bereiche mit erhöhten Temperaturen, welche sich typischerweise auf den Stahlscheiben 14 nahe der Belagfläche 20 der Scheibe und nahe der Mitte der Grenzfläche 30 zwischen Scheibe und Reibungsmaterial zum Beispiel nahe den finiten Elementen 7 – 11 entwickeln, die in 1b dargestellt sind. Es gibt einen maximalen prozentualen Anteil der Reibungsmaterial-Belagfläche 25, der eine Fläche der Rille 18 bilden kann, statt aus dem Reibungsmaterial 24 zu bestehen, während eine annehmbare Kontaktbelastung aufrechterhalten wird. Folglich erfordert ein Vergrößern der Querschnittfläche der Rille 18 an einer Stelle entlang der Rille 18 eine Reduzierung der Querschnittfläche an einer anderen Stelle von der Rille 18, um die erforderliche Menge Reibungsmaterial 24 auf der Reibungsmaterial-Belagfläche 25 für einen effektiven Kupplungsvorgang beizubehalten.
Die Querschnittfläche der Rille 18 ist am kleinsten am Einlass für das Kühlfluid (der an dem äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials oder dem inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials liegen kann), wo das Kühlfluid 16 am kühlsten ist und der Umfangsrand (welcher der äußere Umfangsrand 34 der Scheibe oder der innere Umfangsrand 32 der Scheibe sein kann) einen Bereich hat, der nicht mit Reibungsmaterial bedeckt und dem Kühlfluid 16 ausgesetzt ist. Die Querschnittfläche der Rille 18 ist breiter am Auslass für das Kühlfluid (welcher am äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials oder inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials liegen kann), wo das Kühlfluid 16 am heißesten ist und der Umfangsrand (welcher der äußere Umfangsrand 34 der Scheibe oder der innere Umfangsrand 32 der Scheibe sein kann) einen Bereich bzw. eine Fläche aufweist, die nicht mit Reibungsmaterial 24 bedeckt und dem Kühlfluid 16 ausgesetzt ist. Die Querschnittfläche der Rille 18 ist am breitesten nahe den erwarteten heißen Bereichen auf der Stahlscheibe 14, welche sich zwischen dem inneren Umfangsrand 32 der Scheibe und dem äußeren Umfangsrand 34 der Scheibe befinden, wo das Kühlfluid 16 heißer als am Einlass für das Kühlfluid ist (welcher an dem äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials oder dem inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials liegen kann), aber kühler als am Auslass für das Kühlfluid (welcher am äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials oder dem inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials liegen kann) und es keinen Umfangsrand 32, 34 gibt, um eine Kühlung zu verbessern. Zusammengefasst ist die Querschnittfläche des Rillenauslasses größer als die Querschnittfläche des Rilleneinlasses, und die Querschnittfläche in der Mitte der Rille ist größer als die Querschnittfläche des Rillenauslasses.
Die Rillen 18 können mit einer finiten Elementanalyse unter Verwendung eines Wärmeübertragungsmodells entworfen werden. Ein Flussdiagramm 102 der Schritte, die mit dem Erreichen einer Form der Rille 18 verbunden sind, um eine im Wesentlichen einheitliche Temperaturverteilung der Stahlplatte 14 zu erhalten, ist in 3 dargestellt. Schritt Eins 104 des finiten Elementverfahrens zum Entwerfen einer Rille 18 besteht darin, die gesamte Rillenfläche zu bestimmen, die pro Grenzfläche erforderlich ist. Dieser Schritt berücksichtigt, dass ein bestimmter Prozentsatz des Reibungsmaterials 24 an der Grenzfläche 30 zwischen Scheibe und Reibungsmaterial im Gegensatz zur Fläche der Rille 18 aus Reibungsmaterial 24 bestehen muss, um einen effektiven Kupplungsvorgang zu ermöglichen, aber auch eine ausreichende Fläche der Rille 18 aufweisen muss, um zu ermöglichen, dass das Kühlfluid 16 die Stahlscheiben 14 kühlt, wie in 1b definiert ist. Wieder nach 3 besteht Schritt Zwei 106 des Verfahrens darin, ein Wärmeübertragungsmodell eines Teils der Kupplung 12 für eine Umfangsteilung unter Verwendung finiter Elemente 36 der Stahlscheibe, finiter Elemente 18 der Rille und finiter Elemente 40 der Reibungsplatte zu erzeugen. Beispiele finiter Elemente 36, 38, 40 sind als Elemente 1 – 67 in 1b gezeigt. Es ist zwingend erforderlich zu erkennen, dass die Zahlen 1 bis 67, die jedes veranschaulichte Element bezeichnen, sich nicht auf die Bezugsziffern beziehen, die auf andere Gesichtspunkte der Erfindung verweisen. Beispielsweise bezieht sich ein in 1b veranschaulichtes finites Element 48 nicht auf Bezugsziffer 48 in 1c. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und wie in 1b gezeigt gibt es ungefähr 40 – 50 finite Elemente einer Stahlscheibe, ungefähr 5 – 15 finite Elemente der Rille und ungefähr 8 – 18 finite Elemente der Reibungsplatte. Wieder nach 3 besteht Schritt Drei 108 des Verfahrens darin, das in Schritt Zwei 106 erzeugte Modell mit einer angenommenen anfänglichen Grenzfläche 30 zwischen Scheibe und Reibungsmaterial für jedes finite Element 38 der Rille zu nutzen und fortschreitend Flächen bzw. Bereiche zu iterieren, um eine nahezu einheitliche radiale Temperaturverteilung zu erhalten, wobei bekannte Stromraten des Kühlfluids 16, eine maximal zulässige Temperatur der Stahlscheibe 14, eine maximal zulässige Temperatur des Kühlfluids 16 und eine Eingangsleistung der Kupplung 12 genutzt werden und Leistung als ein mit einer Schlupfdrehzahl multipliziertes Drehmoment definiert ist. Die Leistung der Kupplung 12 in einer Anfahrkupplung wird im Allgemeinen im Laufe der Zeit auf Null beim Einrasten (engl. lock-up) abnehmen. Schließlich besteht Schritt Vier 110 des Verfahrens darin, Formen der Rille 18 zu erzeugen, die optimale Anforderungen an die Elementfläche der Rille 18 erfüllen.
Nach 1a und 1b kann die finite Elementanalyse auf mehreren Annahmen beruhen, welche umfassen: der Energieeintrag in die Kupplung 12 erfolgt nur aufgrund der Leistung der Kupplung 12, welche mit der Zeit variiert, für die abgeleitete Anfahrzeit; die gesamte Einspeisungsenergie wird auf die Stahlscheiben 14 als Wärme in endlicher Zeit übertragen, wobei die endliche Zeit die Zeitdauer des Kupplungsschleifens und nicht die Zeit ist, die das System zum Erreichen des Gleichgewichts benötigt; eine axiale variable Wärmeleitung tritt in den Stahlscheiben 14 in endlicher Zeit auf; Wärme wird durch Leitung von den Stahlscheiben 14 an das Kühlfluid 16, das durch die Rillen 18 strömt, und das Kühlfluid 16 in Kontakt mit den Stahlscheiben 14 am äußeren Umfangsrand 34 der Scheibe und inneren Umfangsrand 32 der Scheibe dissipiert; eine radiale Leitung findet in der Reibungsplatte 10 in endlicher Zeit statt; das Rei bungsmaterial 24 ist ein perfekter Isolator; das im Reibungsmaterial 24 aufgrund von Porosität zurückgehaltene Kühlfluid 16 wird vernachlässigt; und eine etwaige Änderung der Dichte und Viskosität des Kühlfluids 16 wird vernachlässigt.
Die Form der Rille 18 kann gemäß obigen Anforderungen variiert werden. Die Rillen 18 können jede beliebige Ausbildung eines offenen Raums sein, der den äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials und den inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials verbindet, und können ein oder mehrere Kanäle und ein oder mehrere Öffnungen zu sowohl dem äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials als auch dem inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials sein.
Nach 1c und 4a – 7b kann beim Entwerfen der Form einer Rille 18 die Rille 18 durch mehrere Rillensegmente 42 wie z.B. 42', 42'', 42''', 42'''' gekennzeichnet werden, die von der Achse 52 wie z.B. 52', 52'', 52''' der Reibungsplatte 10 radial angeordnet sind. Die Achse 52 kann als eine zentrale Achse der Reibungsplatte 10 oder auf andere Weise vorliegen. Das erste der Rillensegmente 44 wie z.B. 44', 44'', 44''', 44'''' ist dem inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials wie z.B. 55', 55'', 55''', 55'''' benachbart; das zweite Rillensegment 46 wie z.B. 46', 46'', 46''', 46'''' ist dem ersten Rillensegment 44 benachbart; und das letzte Rillensegment 48 wie z.B. 48', 48'', 48''', 48'''' ist dem äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials wie z.B. 54', 54'', 54''', 54'''' benachbart, wie als A₄₆ – A₅₄ in 1c gezeigt ist. Die Rillensegmente 42 können beim Entwerfen einer Form der Rille 18 genutzt werden, indem jedem Rillensegment 42 wie in 4b, 5b, 6b und 7b gezeigt prozentuale Anteile der Fläche der gesamten Rille 18 zugeordnet werden.
4a zeigt eine erste Ausführungsform der Reibungsplatte 10', wobei die Rille 18' eine "Topf"-Form hat und "Topf" verwendet wird, um die allgemeine Gesamtform der Rille 18' zu beschreiben. 4b ist eine vergrößerte Ansicht der ersten Ausführungsform der Reibungsplatte 10', die Rillensegmente 42', 44', 46', 48' und einen jeweiligen prozentualen Anteil der gesamten Rille 18' zeigt, der innerhalb jedes Rillensegments 42', 44', 46', 48' vorliegt. 5a zeigt eine zweite Ausführungsform der Reibungsplatte 10'', worin die Rille 18'' eine "invertierte Y-1"-Form hat, wobei sich "invertes Y" auf die Form der Rille 18'' bezieht, wobei sich ein Rilleneinlass 5b in zwei Rillenauslässe 58 verzweigt. 5b ist eine vergrößerte Ansicht der zweiten Ausführungsform der Reibungsplatte 10'', die Rillensegmente 42'', 44'', 46'', 48'' und den jeweiligen prozentualen Anteilen der gesamten Rille 18" zeigt, der innerhalb jedes Rillensegments 42'', 44'', 46'', 48'' vorliegt. 6a zeigt eine dritte Ausführungsform der Reibungsplatte 10''', wobei die Rille 18''' eine Form "invertiertes Y-2" ist, worin ein Rilleneinlass 56' sich in zwei Rillenauslässe 58' verzweigt. 6b ist eine vergrößerte Ansicht der dritten Ausführungsform der Reibungsplatte 10''', die Rillensegmente 42''', 44''', 46''', 48''' und einen jeweiligen prozentualen Anteil der gesamten Rille 18"' zeigt, der innerhalb jedes Rillensegments 42''', 44''', 46''', 48''' vorliegt. 7a zeigt eine vierte Ausführungsform der Reibungsplatte 10'''', worin die Rille 18'''' eine Form "invertiertes Y-3" aufweist, wobei ein Rilleneinlass 56'' sich in zwei Rillenauslässe 58'' verzweigt. 7b ist eine vergrößerte Ansicht der vierten Ausführungsform der Reibungsplatte 10'''', die Rillensegmente 42'''', 44'''', 46'''', 48'''' und einen jeweiligen prozentualen Anteil der gesamten Rille 18'''' zeigt, der innerhalb jedes Rillensegments 42'''', 44'''', 46'''', 48'''' vorliegt.
In jeder der in 4a – 7b veranschaulichten Ausführungsformen ist ersichtlich, dass das Kühlfluid 16, welches durch die Rillen 18 strömt, vom äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials zum inneren Um fangsrand 55 des Reibungsmaterials strömt, da die kleinste Querschnittfläche (bei 48 gelegen), welche für den Einlass des Kühlfluids repräsentativ ist, nahe dem äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials liegt.
8 ist eine tabellarische Veranschaulichung der Rillenflächen und Temperaturbereichsverteilungen in den Ausführungsformen der Reibungsplatten 10, die in 4a – 7b dargestellt sind. Die Flächen- und Temperaturbereichsverteilung der Rille 18' für die erste Ausführungsform der Rille 18', wie sie in 4a und 4b gezeigt ist, ist bei 60 dargestellt. Die Flächen- und Temperaturbereichsverteilung der Rille 18'' für die zweite Ausführungsform der Rille 18'', wie sie in 5a und 5b dargestellt ist, ist bei 62 gezeigt. Die Flächen- und Temperaturbereichsverteilung der Rille 18''' für die dritte Ausführungsform der Rille 18''', wie sie in 6a und 6b gezeigt ist, ist bei 64 gezeigt. Die Flächen- und Temperaturbereichsverteilung der Rille 18'''' für die vierte Ausführungsform der Rille 18'''', wie sie in 7a und 7b gezeigt ist, ist bei 66 dargestellt.
Jede Form der Rille 18, die die kleinste Querschnittfläche am Einlass für das Kühlfluid und die größte Querschnittfläche im Bereich zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid aufweist, liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung und kann weiter angepasst werden, um ihre Effizienz durch andere Faktoren zu erhöhen, wie z.B. Minimieren der Distanz von der Mitte des Reibungsmaterials 24 zu den Rillen 18, um eine höhere Wärmeübertragung von den Stahlscheiben 14 auf das Kühlfluid 16 zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung in einer Kupplung 12, wie in 1a veranschaulicht ist. Nach 1b umfasst das Verfahren ein Leiten eines Kühlfluids 16 in einer Rille 18, die einer Stahlscheibe 14 benachbart auf einer Reibungsplatte 10 angeordnet ist. Die Rille 18 kann in der eigentlichen Reibungsplatte 10 oder in einem die Reibungsplatte 10 belegenden Reibungsmaterial 24 ausgebildet sein, wie in 1b veranschaulicht ist. Das Kühlfluid 16 wird vom inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials zum äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials oder vom äußeren Umfangsrand 54 des Reibungsmaterials zum inneren Umfangsrand 55 des Reibungsmaterials geleitet. Das Kühlfluid 16 wird durch die Rille 18 geleitet, so dass es eine kleinste Querschnittfläche der Rille 18 am Einlass für das Kühlfluid durchquert, welcher der äußere oder innere Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials sein kann. Das Kühlfluid 16 durchquert eine größere Querschnittfläche der Rille 18 am Auslass des Kühlfluids, der der äußere oder innere Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials sein kann. Das Kühlfluid 16 durchquert die größte Querschnittfläche der Rille 18 an einer Stelle zwischen dem Einlass für das Kühlfluid, welcher der äußere oder innere Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials sein kann, und dem Auslass für das Kühlfluid, welcher der äußere oder innere Umfangsrand 54, 55 des Reibungsmaterials sein kann.
Obgleich die besten Verfahren zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, erkennt der Fachmann für die Technik, auf die sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen, um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.
Es sind auf einer Reibungsplatte ausgebildete Kühlrillen einer Kupplung vorgesehen. Die Rillen sind so geformt, dass sie für im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturen der Stahlscheibe beim Reibungsanfahren eines Fahrzeugs sorgen. Die Rillen sind so geformt, dass die größte Querschnittfläche dem Bereich benachbart ist, der ansonsten ein heißer Be reich auf der Stahlscheibe wäre, und die kleinste Querschnittfläche an der kühlsten Stelle auf der Stahlscheibe am Einlass für das Kühlfluid liegt. Folglich ist die Rille so geformt, dass die kleinste Querschnittfläche am Einlass für das Kühlfluid liegt, die größte Querschnittfläche zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid liegt und der Auslass für das Kühlfluid eine größere Querschnittfläche als der Einlass für das Kühlfluid und ein kleinere als die dem Hot Spot der Stahlscheibe benachbarte Querschnittfläche zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid hat.

Claims

Reibungsplatte, die für die Verwendung in einer Kupplung zusammen mit einer Stahlscheibe ausgebildet ist, die einen inneren Umfangsrand der Scheibe, einen äußeren Umfangsrand der Scheibe und eine Scheiben-Belagfläche aufweist, wobei die Reibungsplatte umfasst: eine Reibungsplatten-Belagfläche, die der Scheiben-Belagfläche gegenüberliegt; wobei die Reibungsplatten-Belagfläche mehrere darin ausgebildete Rillen aufweist, um ein Kühlfluid von einem inneren Umfangsrand der Reibungsplatte oder einem äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte zum anderen Rand des inneren Umfangsrands der Reibungsplatte und des äußeren Umfangsrands der Reibungsplatte zu transportieren, um eine Kühlung der Stahlscheibe zu verbessern; und wobei die Rillen jeweils eine Querschnittfläche am Rilleneinlass, eine Querschnittfläche in der Mitte der Rille und eine Querschnittfläche am Rillenauslass aufweisen, wobei die Querschnittfläche am Rillenauslass größer als die Querschnittfläche am Rilleneinlass ist und die Querschnittfläche in der Mitte der Rille größer als die Querschnittfläche am Rillenauslass ist.
Reibungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen durch Schneiden geformt werden.
Reibungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen durch Pressen geformt werden.
Reibungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rille zwei oder mehr Zweige aufweist, durch die das Kühlfluid strömen kann.
Reibungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rille zwei oder mehr Öffnungen zum inneren Umfangsrand der Reibungsplatte aufweist.
Reibungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rille zwei oder mehr Öffnungen zum äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte aufweist.
Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung in einer Kupplung, gekennzeichnet durch die Schritte: Leiten eines Kühlfluids in einer auf einer einer Stahlscheibe benachbarten Reibungsplatte gelegenen Rille von einem inneren Umfangsrand der Reibungsplatte oder einem äußeren Umfangsrand der Reibungsplatte zum anderen Rand des inneren Umfangsrands der Reibungsplatte und des äußeren Umfangsrands der Reibungsplatte; und Leiten des Kühlfluids durch die Rille, so dass es eine kleinste Querschnittfläche der Rille an einem Einlass für das Kühlfluid durchquert, eine größere Querschnittfläche der Rille an einem Auslass für das Kühlfluid durchquert und eine größte Querschnittfläche der Rille an einer Stelle zwischen dem Einlass für das Kühlfluid und dem Auslass für das Kühlfluid durchquert.
Verfahren zum Entwerfen mehrerer Rillen in einer Reibungsplatte, die für die Verwendung in einer Kupplung in Verbindung mit einer Stahlscheibe ausgebildet ist, wobei die Reibungsplatte eine Reibungsplatten-Belagfläche mit Reibungsmaterial und die Rillen aufweist, die darin ausgebildet sind, um ein Kühlfluid zu transportieren, wobei die Rillen jeweils mehrere Rillensegmente aufweisen, von denen jedes von einer Achse der Reibungsplatte aus in einer Richtung radial nach außen benachbart angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Teilen der Stahlscheibe in mehrere finite Elemente der Stahlscheibe entlang einer Grenzfläche zwischen Scheibe und Reibungsmaterial; Teilen des Kühlfluids in mehrere finite Elemente des Kühlfluids entlang der Grenzfläche zwischen Scheibe und Reibungsmaterial; Nutzen der finiten Elemente der Stahlscheibe und der finiten Elemente des Kühlfluids, um ein Temperaturprofil für die Stahlscheibe und das Kühlfluid zu bestimmen; Nutzen mehrerer diskreter Zeitschritte, um eine Verteilung der Temperatur der Stahlscheibe zu bestimmen; Nutzen bekannter Eingangstemperaturen, Fluidströme und Eingangsleistung, um individuelle Temperaturen finiter Elemente für jede Erhöhung in jedem der diskreten Zeitschritte zu berechnen; und Auswählen eines Werts einer Querschnittfläche eines Rillensegments für die Rillensegmente, um für eine nahezu einheitliche Temperatur in jedem der finiten Elemente der Stahlscheibe zu sorgen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren auf der Basis mehrerer Annahmen durchgeführt wird, wobei die Annahmen umfassen: die Eingangsleistung ist eine Funktion der Zeit; die Energieeinspeisung in die Kupplung erfolgt nur aufgrund der Leistung der Kupplung für eine abgeleitete Anfahrperiode; die gesamte eingespeiste Energie wird als Wärme in endlicher Zeit auf die Stahlscheibe übertragen; eine axiale und radiale Wärmeleitung findet in der Stahlscheibe in endlicher Zeit statt; Wärme wird von der Stahlscheibe aus das durch die Rillen strömende Kühlfluid und das Kühlfluid in Kontakt mit der Stahlscheibe an einem äußeren Umfangsrand der Scheibe und einem inneren Umfangsrand der Scheibe übertragen; eine radiale Leitung findet in der Reibungsplatte in endlicher Zeit statt; das Reibungsmaterial ist ein perfekter Isolator; im Reibungsmaterial aufgrund von Porosität zurückgehaltenes Kühlfluid wird vernachlässigt; und eine etwaige Änderung der Dichte und Viskosität des Kühlfluids wird vernachlässigt.
Reibungsplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert der Querschnittfläche am Rilleneinlass, ein Wert der Querschnittfläche in der Mitte der Rille und ein Wert der Querschnittfläche am Rillenauslass unter Verwendung einer finiten Elementanalyse eines Wärmeübertragungsmodells von zumindest einem Teil der Kupplung berechnet werden.
Reibungsplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmodell genutzt wird, um mehrere finite Elemente fortschreitend zu iterieren, um eine im Wesentlichen gleichmäßige radiale Temperaturverteilung innerhalb der Stahlscheibe zu erhalten.
Reibungsplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die finite Elementanalyse unter Verwendung einer Stromrate des Kühlfluids, einer maximal zulässigen Temperatur der Stahlscheibe, einer maximal zulässigen Temperatur des Kühlfluids und eines Wertes für die Eingangsleistung der Kupplung, die mit der Zeit variieren kann, analysiert wird.
Reibungsplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die finiten Elemente mehrere finite Elemente einer Stahlscheibe, mehrere finite Elemente der Rille und mehrere finite Elemente der Reibungsplatte umfassen.
Reibungsplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl finiter Elemente der Stahlscheibe zwischen 40 und 50 liegt.
Reibungsplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl finiter Elemente der Rille zwischen 5 und 15 liegt.
Reibungsplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl finiter Elemente der Reibungsplatte zwischen 8 und 18 liegt.