DE102006022334B4

DE102006022334B4 - Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit Trockenreibungskupplung als Anfahrhilfe

Info

Publication number: DE102006022334B4
Application number: DE102006022334A
Authority: DE
Inventors: Joel M. Northville Maguire
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-05-13
Also published as: CN1862061A; CN100538124C; DE102006022334A1; US20060254872A1; US7325662B2

Abstract

Antriebsstrang (12) für ein Fahrzeug (10), umfassend:
einen Motor (14) mit einem Motorabtriebselement (16);
ein Automatikgetriebe (17) mit einem Getriebeantriebselement (26), einem Getriebeabtriebselement (28) und mehreren selektiv einrückbaren Zahnrädern (18, 20, 22) zum Übertragen von Drehmoment mit mehreren Drehzahlverhältnissen von dem Getriebeantriebselement (26) auf das Getriebeabtriebselement (28); und
eine Trockenreibungskupplung (32), die zwischen das Motorabtriebselement (16) und das Getriebeantriebselement (26) geschaltet ist und selektiv eingerückt werden kann, um Drehmoment von dem Motorabtriebselement (16) auf das Getriebeantriebselement (26) zu übertragen und somit das Fahrzeug (10) anzufahren,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trockenreibungskupplung (32) umfasst:
– eine Druckplatte (46) und ein Schwungrad (34), die beide mit dem Motorabtriebselement (16) rotieren können;
– eine Kupplungsscheibe (48), die mit dem Getriebeantriebselement (26) rotieren kann; wobei die Druckplatte (46) selektiv axial bewegbar ist, um mit der Kupplungsscheibe (48) in Kontakt zu gelangen, wodurch das Schwungrad (34) mit der Kupplungsscheibe...

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiger Antriebsstrang ist in der DE 195 46 707 A1 beschrieben.
Darüber hinaus sind herkömmliche Reibungskupplungen beispielsweise in der DE 198 02 537 A1 oder in der DE 10 31 648 A beschrieben und weisen eine integrierte Pumpe auf, wodurch die jeweilige Kupplung aufgrund des durch die Pumpe vergrößerten Bauvolumens nicht als Anfahrhilfe zwischen Motor und Getriebe geeignet ist.
Das Ingangsetzen eines Automatikgetriebes, d. h. die Übertragung von Drehmoment von einem Motor oder einer Leistungsquelle auf das Getriebe beim Start des Motors, wird typischerweise durch einen traditionellen Drehmomentwandler bewerkstelligt, der Drehmoment über eine Fluidkupplung oder über eine Nasskupplung überträgt. Die Verwendung von Trockenreibungskupplungen oder trocken laufenden Kupplungen, die in einem Getriebe zu Gangwechselzwecken vorhanden sind und die auch als Anfahrkupplungen dienen, ist ebenfalls untersucht worden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein optimales Anfahrsystem bereitzustellen, bei dem das erforderliche Fluidvolumen in einem Getriebe nicht erhöht ist, die Lebensdauer des Fluids nicht verkürzt ist, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit nicht beeinträchtigt ist und eine Kupplung mit langer Bauteillebensdauer bereitgestellt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug umfasst eine Trockenreibungskupplung, die zwischen ein Abtriebselement eines Motors und ein Antriebselement eines Automatikgetriebes geschaltet ist. Die Trockenreibungskupplung kann selektiv eingerückt werden, um Drehmoment von dem Motorabtriebselement auf das Getriebeantriebselement mit oder ohne Änderung des Drehzahlverhältnisses zu übertragen, um das Fahrzeug in Gang zu setzen und dadurch Drehmoment am Getriebeabtriebselement bereitzustellen, nachdem es durch eine Vielzahl von selektiv einrückbaren Zahnrädern in dem Getriebe, die mehrere Drehzahlverhältnisse am Getriebeabtriebselement ermöglichen, geflossen ist. Indem eine Trockenreibungskupplung benutzt wird, wird ein optimaler gepackter Anfahrmechanismus mit niedrigerer Masse und niedrigeren Kosten als ein traditioneller Drehmomentwandler bereitgestellt. Zusätzlich kann eine größere erwiesene Kraftstoffwirtschaftlichkeit erzielt werden als mit dem traditionellen Drehmomentwandler, da ein genauer zielgerichtetes Drehmoment für eine gegebene Motorantriebsdrehzahl erlangt werden kann (z. B. unter Verwendung eines gesteuerten Schlupfes) als in Bezug auf die feste Kennlinie von Drehmoment über Drehzahl, die mit einem Drehmomentwandler verfügbar ist. Zusätzlich bewirkt die Trockenreibungskupplung im Vergleich mit einer Nasskupplung keine Verschlechterung der Öllebensdauer und kann, wenn sie anstelle eines Drehmomentwandlers bei existierenden Getriebekonstruktionen verwendet wird, das vorhandene hydraulische Steuersystem ohne eine Störung des Ölpegels zur Steuerung der Trockenkupplung benutzen. In Bezug auf eine Nasskupplung weist die Trockenkupplung nicht das Potenzial für Ruckeln und vergrößerte Durchrutschverluste auf. Die Trockenkupplung kann auch derart gesteuert werden, dass sie sich normal in einer geschlossenen Position befindet, um eine Drehmomentübertragung von dem Motor auf das Getriebe selbst im Fall eines Ausfalls elektrischer Leistung zu übertragen.
Dementsprechend umfasst die Trockenreibungskupplung eine Druckplatte und ein Schwimmrad, die beide mit dem Motorabtriebselement rotieren. Die Trockenreibungskupplung umfasst auch eine Kupplungsscheibe, die mit dem Getriebeantriebselement rotiert. Die Druckplatte ist selektiv axial bewegbar, so dass sie mit der Kupplungsscheibe in Kontakt gelangt, wodurch eine Reibungsfläche des Schwungrades mit einer Reibungsfläche der Kupplungsscheibe zur Drehmomentübertragung in Eingriff gebracht wird.
Die Trockenreibungskupplung umfasst darüber hinaus eine Federplatte, die konzentrisch in Bezug auf das Motorabtriebselement zur Rotation damit montiert und schwenkbar in Bezug auf die Druckplatte verbunden ist. Ein Lager ist benachbart zu der Federplatte angeordnet und radial von der Druckplatte verschoben. Das Lager ist selektiv axial bewegbar, um die Federplatte in Bezug auf die Druckplatte zu verschwenken und somit die Druckplatte axial von der Kupplungsscheibe weg zu bewegen, wodurch die Kupplungsscheibe von dem Schwungrad getrennt wird.
Eine Muffe ist koaxial mit dem Getriebeantriebselement montiert. Die Muffe weist eine sich radial erstreckende Nabe auf, die mit der Federplatte zur Rotation damit verbunden ist. Die sich radial erstreckende Nabe und die Federplatte sind vorzugsweise für eine Verbindung miteinander zur gemeinsamen Rotation beide gezahnt. Eine Pumpe ist wirksam mit der Muffe verbunden sein, so dass die Muffe die Pumpe antreiben kann. Da die Muffe durch ihre starre Verbindung mit dem Motorabtriebselement mit der Motordrehzahl rotiert, kann das Getriebebauteil über die Muffe angetrieben werden, selbst wenn die Kupplung ausgerückt ist.
Der Antriebsstrang kann ein Stellglied mit einem Zylinder und einem Kolben umfassen, der steuerbar ist, um selektiv axial in dem Zylinder zu gleiten. Der Kolben ist mit dem Lager verbunden, um das Lager axial zu bewegen. Wenn das Getriebe ursprünglich zur Verwendung mit Drehmomentwandlern konstruiert war, ist vorzugsweise das gleiche Hydraulikfluidvolumen, das notwendig ist, um eine Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung zu steuern, in dem Zylinder erforderlich, um den Kolben zu verschieben, wodurch die gleichen hydraulischen Steuerungsvoraussetzungen benutzt werden und der Getriebeölpegel nicht verändert wird.
Zusätzlich kann ein Dämpfungselement, wie etwa eine Torsionsfeder, zum Dämpfen von Motorvibrationen wirksam zwischen die Kupplungsscheibe und das Getriebeantriebselement geschaltet sein.
Die oben beschriebene Trockenreibungsanfahrkupplung ist vorzugsweise mit existierenden Getriebekonstruktionen verträglich, so dass sie einen Drehmomentwandler mit minimalen Änderungen an dem Getriebesteuerschema ersetzen kann.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen ist:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer oberen Hälfte eines Getriebes, das mit einem Motor über eine Trockenreibungsanfahrkupplung verbunden ist;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung in einer fragmentarischen Ansicht der Trockenreibungsanfahrkupplung von 1, die zwischen den Motor und das Getriebe geschaltet ist und einen Motor und eine Auswerfergabel gestrichelt zeigt;
3 eine schematische Darstellung in einer Ansicht von vorne einer Federplatte, die in der Trockenreibungskupplung der 1 und 2 enthalten ist und mit einer Muffe verbunden ist, die koaxial mit der Mittelachse des Getriebes ausgerichtet ist; und
4 ein Graph von Motordrehmoment (Nm) über Motordrehzahl (U/min) ist, der den spezifischen Kraftstoffverbrauch (BSFC in g/s/kW) für eine Vielzahl von Getrieben, die das Getriebe von 1 mit einschließen, angibt.
In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, zeigt 1 ein Fahrzeug 10 mit einem Antriebsstrang 12, der einen Motor 14 mit einem Motorabtriebselement 16 aufweist. Der Antriebsstrang 12 umfasst auch ein Automatikgetriebe 17. Das Getriebe 17 umfasst einen ersten, zweiten und dritten Planetenradsatz 18, 20 bzw. 22. Jeder Planetenradsatz 18, 20, 22 umfasst ein Sonnenrad, einen Planetenträger und ein Hohlrad, die selektiv miteinander, mit einem Getriebegehäuse 24, mit einem Getriebeantriebselement 26 oder mit einem Getriebeabtriebselement 28 verbindbar sind und um eine Getriebemittellinie C rotieren, um Drehmoment von dem Antriebselement 26 auf das Abtriebselement 28 mit variierenden Drehzahlverhältnissen zu übertragen. Verschiedene Drehmomentübertragungsmechanismen 30A, 30B, 30C, 30D und 30E können selektiv eingerückt werden, um die verschiedenen Zahnräder in den Planetenradsätzen 18, 20, 22 miteinander oder mit dem Getriebegehäuse 24, dem Getriebeantriebselement 26 oder dem Getriebeabtriebselement 28 in Eingriff zu bringen, wie es Fachleute ohne weiteres einsehen werden.
Um Drehmoment von dem Motorabtriebselement 16 auf das Getriebeantriebselement 26 zu übertragen, ist eine Trockenreibungskupplung 32 zwischen das Motorabtriebselement 16 und das Getriebeantriebselement 26 geschaltet und koaxial mit jedem ausgerichtet. Die Kupplung 32 kann selektiv eingerückt werden, um Drehmoment zwischen dem Motorabtriebselement 16 und dem Getriebeantriebselement 26 zu übertragen und somit das Fahrzeug 10 in Gang zu setzen bzw. anzufahren.
Nach 2 umfasst die Trockenreibungskupplung 32 ein Schwungrad 34, das eine Schwungradnabe 36 und eine Verstärkungsplatte 37 umfasst. Die Schwungradnabe 36 ist starr mit der Verstärkungsplatte 37 und mit dem Motorabtriebselement 16 mit Befestigungselementen 38A bzw. 38B, die Schrauben oder andere Befestigungseinrichtungen sein können, verbunden. Eine Abdeckplatte 40 ist an der Verstärkungsplatte 37 des Schwungsrades 34 befestigt. Die Abdeckplatte 40 ist an der Verstärkungsplatte 37 durch Befestigungselemente (die nicht gezeigt sind) befestigt, wie es Fachleute ohne weiteres einsehen werden. Eine Federplatte 42 ist im Allgemeinen zentral durch eine kreisringförmiges Verschwenkelement 44 angelenkt, das an der Abdeckplatte 40 befestigt ist, und spannt die Druckplatte 46 normal in Kontakt mit einer Kupplungsscheibe 48 vor, um die Kupplungsscheibe 48 mit der Verstärkungsplatte 37 in Eingriff zu bringen. Die Kupplungsscheibe 48 ist zur Rotation mit dem Getriebeantriebselement 26 verbunden. Ein optionales Dämpfungselement 50 kann zwischen der Kupplungsscheibe 48 und dem Antriebselement 26 angeordnet sein, um Motorvibrationen zu absorbieren.
Ein Kupplungsauswerferlager 52 ist mit einer Muffe 54 verbunden, die koaxial um das Getriebeantriebselement 26 rotiert. Eine sich radial erstreckende Nabe 56 der Muffe 54 ist mit der Federplatte 42 verbunden, wie es nachstehend anhand von 3 ausführlicher beschrieben wird.
Ein Stellglied 60 umfasst einen Zylinder 62, der konzentrisch um das Getriebeantriebselement 26 herum (und auch um die Getriebemittellinie C herum) angeordnet ist. Ein Kolben 64 ist in dem Zylinder 62 über die Steuerung von Hydraulikfluid in einer Zylinderkammer 66 verschiebbar. Die Zylinderkammer 66 kann mit Getriebefluid unter Steuerung durch eine Getriebesteuereinheit (die nicht gezeigt ist) gefüllt werden, wie es Fachleute ohne weiteres einsehen werden, um den Kolben 64 auszufahren oder zurückzuziehen, der wiederum das Lager 52 und die Muffe 54 axial bewegt, um die Federplatte 42 zusammenzudrücken oder zu lösen, die die Druckplatte 46 auf die Kupplung 48 aufbringt bzw. von dieser trennt. Eine Getriebepumpe 61 kann wirksam mit der Muffe 54, wie etwa durch eine Kette 63, verbunden sein, wie es Fachleute ohne weiteres einsehen werden, so dass die Rotation der Muffe 54 die Pumpe 61 antreibt. Wie es oben beschrieben wurde, sind die Federplatte 42, die Abdeckplatte 40, die Verstärkungsplatte 37 und die Schwungradnabe 36 des Schwungrades 34 alle zur Rotation mit dem Motorabtriebselement 16 verbunden (ebenso wie die Muffe 54 über ihre Verbindung mit der Federplatte 42, wie es nachstehend anhand von 3 beschrieben wird) und rotieren daher mit der gleichen Drehzahl wie der Motor 14. Insbesondere rotiert die Muffe 54 selbst dann mit der Motordrehzahl, wenn die Reibungskupplung 32 ausgerückt ist, weshalb die Pumpe 61 durch die Muffe 54 auch im ausgerückten Zustand der Kupplung angetrieben werden kann.
Wie es oben beschrieben wurde, wird die Federplatte 42 über das Lager 52 zusammengedrückt, wenn das Stellglied 60 derart gesteuert wird, dass es den Kolben 64 in Richtung der Kupplungsscheibe 48 ausfährt, um die Druckplatte 46 von der Kupplungsscheibe 48 zu lösen und dadurch die Kupplungsscheibe 48 von der Verstärkungsplatte 37 zu trennen. Die Federplatte 42 berührt die Druckplatte 46 an einem Drehpunkt 70, um die Druckplatte 46 axial zu bewegen. Wenn im Gegensatz dazu das Stellglied 60 derart gesteuert wird, dass es den Kolben 64 in den Zylinder 62 zurückzieht, bewegt sich das Lager 52 axial von der Kupplungsscheibe 48 weg, um die Federplatte 42 über das kreisringförmige Verschwenkelement 44 derart zu verschwenken, dass die Druckplatte 46 in Kontakt mit der Kupplungsscheibe 48 bewegt wird. Eine Reibungsfläche 72 der Kupplungsscheibe 48 gelangt dann mit einer gegenüberliegend benachbarten Reibfläche 74 der Verstärkungsplatte 37 in Kontakt. Es ist anzumerken, dass der Reibungskontakt zwischen den benachbarten Reibflächen 72, 74 nicht geschmiert ist, weshalb die Wärme des Reibungskontaktes durch die Druckplatte 46 und das Schwungrad 34 dissipiert wird, wie es Fachleute einsehen werden. Schmierfluid ist zum Kühlen der Reibflächen 72, 74 nicht erforderlich. Somit gibt es keine zugehörigen Durchrutsch- und Pumpverluste.
In 3 ist eine sich radial erstreckende Nabe 56 der Muffe 54 mit der Federplatte 42 verbunden gezeigt. Die Nabe 56 ist mit Erweiterungen 80 und Kerben 82 verzahnt gezeigt, die zu passenden Kerben 84 und Erweiterungen 86 an einen radial inneren Umfang 88 der Federplatte 42 passen. Somit rotiert die Muffe 54 mit der Federplatte 42.
In 4 veranschaulicht ein Graph von Motordrehmoment (Nm) über Motordrehzahl (U/min) verschiedene Linien eines konstanten, spezifischen Kraftstoffverbrauches (BSFC von brake specific fuel consumption in (g/s/kW)) wie folgt:
Linie 108 = 0,18 g/s/kW; Linie 110 = 0,14 g/s/kW; Linie 112 = 0,12 g/s/kW
Linie 114 = 0,11 g/s/kW; Linie 116 = 0,10 g/s/kW; Linie 118 = 0,09 g/s/kW
Linie 120 = 0,08 g/s/kW; Linie 122 = 0,07 g/s/kW; Linie 124 = 0,065 g/s/kW.
Eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit wird durch einen niedrigen BSFC angegeben, wie es Fachleute ohne weiteres einsehen werden.
Kurve 126 stellt das Drehmomentverhalten eines Motors in einem Antriebsstrang mit einer Trockenreibungsanfahrkupplung innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung dar; insbesondere mit einer Trockenreibungsanfahrkupplung, die äquivalent zu einem Drehmomentwandler mit einem K-Faktor von 110 ist, wobei ein Motor gemäß einem Kraftstoffwirtschaftlichkeitszyklus läuft (K-Faktor ist ein Wirkungsgradmaß für einen Drehmomentwandler und ist äquivalent zu Drehgeschwindigkeit/√Drehmoment , wie es Fchleute wissen. Ein niedrigerer K-Faktor gibt einen effizienteren Drehmomentwandler an. Kurve 128 stellt das Drehmomentverhalten des Motors in einem Antriebsstrang mit einer anderen Trockenreibungsanfahrkupplung innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung dar, insbesondere mit einer Trockenreibungsanfahrkupplung, die äquivalent zu einem Drehmomentwandler mit einem K-Faktor von 150 ist, wobei der Motor mit Teillast (wide open throttle) läuft. Kurve 130 stellt das Drehmomentverhalten des Motors in einem Antriebsstrang mit einem herkömmlichen Drehmomentwandler mit einem K-Faktor von 172 dar. Schließlich gibt Kurve 132 das Drehmomentverhalten des Motors bei Teillast an. Wie es aus dem Graphen von 4 deutlich wird, erzielt Kurve 102 für jede gegebene Motordrehzahl den niedrigsten BSFC, Kurve 104 erzielt einen größeren BSFC und Kurve 106 erzielt den größten BSFC. Somit ermöglicht die Trockenreibungsanfahrkupplung das Erlangen eines zielgerichteteren Drehmoments für eine gegebene Antriebsdrehzahl als es der Drehmomentwandler mit seiner festen Kennlinie für Drehmoment über Drehzahl macht (d. h. unter Verwendung eines gesteuerten Schlupfes kann durch die Trockenreibungsanfahrkupplung ein Drehmoment, das einem relativ niedrigen BSFC entspricht, erzielt werden).

Claims

Antriebsstrang (12) für ein Fahrzeug (10), umfassend: einen Motor (14) mit einem Motorabtriebselement (16); ein Automatikgetriebe (17) mit einem Getriebeantriebselement (26), einem Getriebeabtriebselement (28) und mehreren selektiv einrückbaren Zahnrädern (18, 20, 22) zum Übertragen von Drehmoment mit mehreren Drehzahlverhältnissen von dem Getriebeantriebselement (26) auf das Getriebeabtriebselement (28); und eine Trockenreibungskupplung (32), die zwischen das Motorabtriebselement (16) und das Getriebeantriebselement (26) geschaltet ist und selektiv eingerückt werden kann, um Drehmoment von dem Motorabtriebselement (16) auf das Getriebeantriebselement (26) zu übertragen und somit das Fahrzeug (10) anzufahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenreibungskupplung (32) umfasst: – eine Druckplatte (46) und ein Schwungrad (34), die beide mit dem Motorabtriebselement (16) rotieren können; – eine Kupplungsscheibe (48), die mit dem Getriebeantriebselement (26) rotieren kann; wobei die Druckplatte (46) selektiv axial bewegbar ist, um mit der Kupplungsscheibe (48) in Kontakt zu gelangen, wodurch das Schwungrad (34) mit der Kupplungsscheibe (48) in Eingriff gebracht wird: – eine Federplatte (42), die konzentrisch in Bezug auf das Motorabtriebselement (26) zur Rotation damit montiert und schwenkbar in Bezug auf die Druckplatte (46) verbunden ist; und – ein Lager (52), das benachbart zu der Federplatte (42) angeordnet, radial von der Druckplatte (46) verschoben und selektiv axial bewegbar ist, um die Federplatte (42) in Bezug auf die Druckplatte (46) zu verschwenken, wodurch die Druckplatte (46) axial von der Kupplungsscheibe (48) weg bewegt wird, um die Kupplungsscheibe (48) von dem Schwungrad (34) zu trennen; wobei eine Muffe (54) koaxial mit dem Getriebeantriebselement (26) montiert ist und eine sich radial erstreckende Nabe (56) aufweist, die mit der Federplatte (42) zur Rotation damit verbunden ist und über eine Kette (63) eine Pumpe (61) antreibt, um Fluid in dem Getriebe (32) unter Druck zu setzen.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenreibungskupplung (32) darüber hinaus umfasst: ein Stellglied (60) mit einem Zylinder (62) und einem Kolben (64), der selektiv axial in dem Zylinder (62) verschiebbar und mit dem Lager (52) verbunden ist, um das Lager (52) zu bewegen.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (56) und die Federplatte (42) zur Verbindung miteinander verzahnt sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Dämpfungselement (50), das wirksam zwischen die Kupplungsscheibe (48) und die Getriebeantriebswelle (26) zum Dämpfen von Motorvibration geschaltet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeantriebselement (26) und die Trockenreibungskupplung (32) koaxial sind.