DE102006022472B3

DE102006022472B3 - Hydrostatische Kupplungsanordnung mit Zahnringmaschine

Info

Publication number: DE102006022472B3
Application number: DE102006022472A
Authority: DE
Inventors: Artur Dipl.-Ing. Grunwald (FH); Walter Dr.-Ing. Wengenroth; Boris Dipl.-Ing. Kracheninnikov; Stefan Nicklich; Nobushi Dipl.-Ing. Yamazaki
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-05-14
Also published as: CN101070882A; KR20070110203A; AT503600A3; US20070270264A1; AT503600A2; JP2007303677A; CN100540934C

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Kupplungsanordnung zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Diese umfasst ein erstes Kupplungsteil 3 und ein relativ hierzu um eine Drechachse A drehbares zweites Kupplungsteil 4; eine Verdrängermaschine 22 mit einem ersten Rotor 23, der relativ zu einem der beiden Kupplungsteile 3, 4, exzentrisch gelagert ist, und mit einem zweiten Rotor 25, der mit dem anderen der beiden Kupplungsteile 3, 4, drehfest verbunden ist; wobei zwischen den Rotoren 23, 25 mehrere Verdrängungsräume 31 gebildet sind, die mit einem hydraulischen Fluid gefüllt sind und bei relativer Drehung sich verkleinernde Druckräume 32 und sich vergrößernde Saugräume 33 bilden; eine Ringkammer 50, in die ein mit den Druckräumen 32 verbundener erster Verbindungskanal 34 und ein mit den Saugräumen verbundener zweiter Verbindungskanal 35 münden; eine koaxial zur Drehachse A angeordnete Schiebehülse 38, die zwischen einer Schließstellung, in der Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 in die Ringkammer 50 verschlossen sind, und einer Offenstellung, in der die Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 in die Ringkammer 50 freigegeben sind, axial verschiebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Kupplungsanordnung zur Kopplung und Entkopplung zweier relativ zueinander drehbarer Kupplungsteile. Derartige Kupplungen werden im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise werden hydrostatische Kupplungen in mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugen zum Koppeln von zwei angetriebenen Achsen verwendet; weiterhin werden die genannten Kupplungen auch zum Sperren eines Achsdifferentials des Kraftfahrzeugs eingesetzt.
Aus der DE 10 2005 021 945 B3 der Anmelderin ist eine hydrostatische Sperrkupplung für den Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Diese umfaßt eine Rotorpumpe mit zwei exzentrisch zueinander angeordneten Rotoren, zwischen denen Verdrängungsräume gebildet sind. Die Verdrängungsräume sind mit einem magnetorheologischen Fluid gefüllt, das durch Magnetisieren seine Viskosität verändert und damit zu einer Ankopplung der Drehbewegung der beiden Rotoren führt.
Aus der DE 103 21 167 A1 ist eine hydrostatische Kupplung bekannt, die in Form eines Planetengetriebes aufgebaut ist. Die zwischen den Rädern des Planetengetriebes gebildeten Zwischenräume sind mit einem Füllkörper ausgefüllt, wobei ein Kammersystem gebildet ist, das mit einem hydraulischem Fluid gefüllt ist. Zwischen Bereichen erhöhten Druckes und Bereichen reduzierten Druckes sind Verbindungskanäle gebildet, in denen verstellbare Drosselventile angeordnet sind. Durch Betätigen eines Elektromagneten können die Drosselventile geschlossen werden, so daß eine Ankopplung zwischen Eingangsteil und Ausgangsteil der Kupplung erfolgt.
Aus der US 6 776 275 B2 ist eine differenzdrehzahlfühlende Kupplungsanordnung zum Ankoppeln einer sekundären Achse an eine primär getriebene Achse im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Kupplungsanordnung umfaßt eine Pumpe, die bei anliegender Drehzahldifferenz eine Druckkraft erzeugt, so daß Drehmoment auf die zweite Achse übertragen wird. Gleichzeitig wird durch die Pumpe ein Aktuator zum Sperren des Achsdifferentials betätigt.
Aus der DE 10 2004 033 439 A1 ist ein Antriebsstrang mit einer Reibkupplung und einem Aktuator zum Betätigen der Reibkupplung bekannt. Der Aktuator umfaßt eine erste hydraulische Pumpe, die auf schnelles Schließen der Reibkupplung bei geringem Kraftaufwand ausgelegt ist, und eine zweite hyraulische Pumpe, die darauf ausgelegt ist, die Reibkupplung mit wenig Energie geschlossen zu halten. Beide Pumpen sind in einer Planetenzahnradpumpe integriert.
Die US 3 461 992 zeigt eine hydraulische Rotorpumpe mit einem zylindrischem Rotor und ein Gehäuse mit einer hierzu exzentrischen Welle. Zwischen dem Rotor und dem Gehäuse sind Druckräume und Saugräume gebildet, die miteinander hydraulisch verbunden sind. Zur Einstellung des Volumenstroms der geförderten Hydraulikflüssigkeit ist ein Schiebekolben vorgesehen.
Aus der DE 38 37 426 A1 ist ein automatisches Steuerungssystem für eine Kupplung zum Einrücken von rotierenden Wellen bekannt. Zum Ansteuern der Reibkupplung ist eine Flügelpumpe vorgesehen, deren Saug- und Druckräume über Kanäle miteinander verbunden sind. Mittels eines Schiebers lassen sich die Kanäle öffnen oder schließen, so daß die Kupplung hydraulisch beaufschlagt oder gelüftet wird.
Die US 2 589 362 zeigt ebenfalls eine hydraulische Kupplung mit Flügelzellenpumpe.
Aus der US 3 404 761 ist eine hydraulische Kupplung mit einer Zahnradpumpe bekannt, die ein Sonnenrad und eine Mehrzahl von Planetenrädern aufweist. Die Zahnradpumpe fördert Hydraulikflüssigkeit durch Leitungen zwischen Druckräumen und Saugräumen. An den Auslässen der Leitungen sind verschiebbare Ventile angeordnet, die den Durchfluß der Hydraulikflüssigkeit verändern können.
Die US 4 296 849 zeigt eine Zahnradpumpe mit einem Sonnenrad und mehreren Planetenrädern. Durch Drehen der Zahnräder wird Hydraulikflüssigkeit durch Kanäle von einer Druckkammer in eine andere Druckkammer gefördert.
Die DE 2 031 508 B beschreibt eine hydrostatische Kupplung mit einem treibenden innenverzahnten Hohlrad und mindestens einem zu diesem exzentrisch gelagerten Innenrad, wobei die beiden Räder als Zahnradpumpe zusammenwirken. An den Zahnrädern sind Flüssigkeitsein- und -auslasse vorgesehen, die über einen axial verschiebbaren Schieber miteinander kurzgeschlossen sind.
Aus der US 3 050 167 ist eine einstellbare Drehmomentübertragungskupplung mit einer Gerotorpumpe bekannt, die zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle zur Übertragung von Drehmoment angeordnet ist. Zur Regulierung des Durchflusses von Hydraulikflüssigkeit durch die Gerotorpumpe ist ein drehbares Steuerventil vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Kupplungsanordnung mit einem einfachen Aufbau vorzuschlagen, die eine hohe Leistungsdichte, eine gute Steuerbarkeit und eine kurze Aktivierungszeit aufweist.
Die Lösung besteht in einer hydrostatischen Kupplungsanordnung zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein erstes Kupplungsteil und ein relativ hierzu um eine Drehachse drehbares zweites Kupplungsteil; eine Verdrängermaschine mit einem ersten Rotor, der relativ zu einem der beiden Kupplungsteile, nämlich dem ersten Kupplungsteil oder dem zweiten Kupplungsteil, exzentrisch gelagert ist, und mit einem zweiten Rotor, der mit dem anderen der beiden Kupplungsteile, nämlich dem zweiten Kupplungsteil oder dem ersten Kupplungsteil drehfest verbunden ist; wobei zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor mehrere Verdrängungsräume gebildet sind, die mit einem hydraulischen Fluid gefüllt sind und bei relativer Drehung des ersten Rotors relativ zum zweiten Rotor sich verkleinernde Druckräume und sich vergrößernde Saugräume bilden; eine Ringkammer, in die ein mit den Druckräumen verbundener erster Verbindungskanal und ein mit den Saugräumen verbundener zweiter Verbindungskanal münden; eine koaxial zur Drehachse angeordnete Schiebehülse, die zwischen einer Schließstellung, in der die Mündungen der Verbindungskanäle in die Ringkammer verschlossen sind, und einer Offenstellung, in der die Mündungen der Verbindungskanäle freigegeben sind, axial verschiebbar ist.
Die erfindungsgemäße hydrostatische Kupplung ist verhältnismäßig einfach aufgebaut; die erforderliche Aktuatorik beschränkt sich in günstiger Weise auf einen Ringmagneten zum berührungslosen Betätigen der Schiebehülse. Der Ringmagnet wird elektrisch angesteuert, wobei die Stärke des Magnetfelds durch entsprechende Wahl der Stromstärke bzw. der Spannung beliebig eingestellt werden kann. Dadurch, daß der Ringmagnet stufenlos ansteuerbar ist, kann die Schiebehülse auch beliebige Zwischenstellungen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung einnehmen. Es ergibt sich in vorteilhafter Weise eine hohe Steuerungsgenauigkeit und kurze Aktivierungszeiten, so daß schnell auf sich ändernde Fahrzustände des Kraftfahrzeugs reagiert werden kann. Weiterhin hat die Verdrängermaschine mit exzentrischem Rotor den Vorteil einer hohen Leistungsdichte und eines hohen volumetrischen Wirkungsgrads, so daß schon geringe Differenzdrehzahlen zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil für eine genaue Regelung ausreichen. Die Verwendung eines Verbindungskanals je Saug- bzw. Druckseite schließt selbstverständlich auch die Möglichkeit der Verwendung mehrerer solcher Verbindungskanäle je Saug- bzw. Druckseite mit ein. Der Ringmagnet ist vorzugsweise in einem Trägerelement aufgenommen, wobei es für die Betätigung der Kupplung besonders günstig ist, wenn das Trägerelement und die Schiebehülse aus einem ferromagnetischem Material hergestellt sind.
Eine mögliche Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung ist wie folgt. Im deaktivierten Zustand des Ringmagneten befindet sich die Schiebehülse in der Schließstellung, so daß die Mündungen der Verbindungskanäle verschlossen sind. Ein Fluid-Austausch zwischen Saug- und Druckseite wird verhindert, so daß der erste Rotor und der zweite Rotor gemeinsam um die Drehachse drehen. Die beiden Kupplungsteile bzw. die beiden Achsen sind folglich aneinander gekoppelt. Durch Aktivieren des Ringmagneten wird die Schiebehülse axial in dessen Richtung gezogen. Die Mündungen der Verbindungskanäle werden freigegeben, so daß ein Fluid- Austausch zwischen Saug- und Druckseite stattfinden kann. Die beiden Rotoren können unabhängig voneinander drehen, so daß die beiden Kupplungsteile voneinander entkoppelt sind. Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Funktionsweise mit einer Anordnung in kinematisch umgekehrten Sinne denkbar und für bestimmte Anwendungen sinnvoll. in diesem Fall ist die Schiebehülse so gestaltet, daß sie in deaktiviertem Zustand des Ringmagneten in Offenstellung ist und bei Betätigung des Ringmagneten in die Schließstellung überführt wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist eines der beiden Kupplungsteile in Form eines Kupplungskorbs gestaltet, der einen Mantelabschnitt und eine Seitenwandung aufweist, wobei die Verbindungskanäle in Form von die Seitenwandung durchsetzenden Bohrungen gestaltet sind. Vorzugsweise hat die Seitenwandung einen hülsenartigen Ansatz mit einer zylindrischen Außenfläche, in die die Verbindungskanäle münden. Die Schiebehülse hat vorzugsweise einen rohrförmigen Abschnitt, der auf der zylindrischen Außenfläche des hülsenförmigen Ansatzes geführt ist, so daß er die Mündungen verschließen oder freigeben kann. Nach einer günstigen Weiterbildung kann die Schiebehülse einen zweiten rohrförmigen Abschnitt aufweisen, mit dem er auf einer mit dem Hülsenansatz verbundenen Welle aufsitzt. Vorzugsweise ist eine Ankerplatte mit axialem Abstand zur Seitenwelle des Kupplungskorbs gehalten, gegen die die Schiebehülse bei aktivierter Magnetspule angezogen wird. Dabei hat die Schiebehülse eine Stirnfläche, die bei aktiviertem Ringmagneten gegen eine Gegenfläche der Ankerplatte angezogen wird. Dabei kann die der Ankerplatte zugewandte Stirnfläche als Radialfläche oder auch als Konusfläche gestaltet sein. Die Gegenfläche der Ankerplatte ist an die Stirnfläche der Schiebehülse angepaßt. Ein besonders günstiger Magnetfluß ergibt sich bei Verwendung einer Konusfläche, die gleichzeitig eine zentrierende Wirkung der beiden Bauteile zueinander hat.
In bevorzugter Weiterbildung sind Federmittel vorgesehen, die zumindest mittelbar an der Welle abgestützt sind und die Schiebehülse in die der Wirkrichtung des Ringmagneten entgegengesetzte Richtung axial beaufschlagen. Vorzugsweise sind die Federmittel an der mit der Welle verbundenen Ankerplatte axial abgestützt und beaufschlagen die Schiebehülse in Richtung Kupplungskorb. Zwischen der Schiebehülse und der Welle ist vorzugsweise ein Ringraum gebildet, in dem die Federmittel einsitzen. Die Federmittel sind vorzugsweise als Schraubenfeder gestaltet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein volumenveränderliches Reservoir zur Kompensation von Volumenänderungen des hydraulischen Fluids vorgesehen, das zumindest mittelbar mit den Verdrängungsräumen der Verdrängermaschine verbunden ist. Vorzugsweise ist das Reservoir bei der vorliegenden Lösung innerhalb einer Ringkappe gebildet, die mit dem ersten Kupplungsteil einerseits und der hiermit verbundenen Welle andererseits dichtend verbunden ist. Die Ringkappe ist aus dünnwandigem Blech als Umformteil hergestellt und kann sich in gewissem Maße elastisch verformen, um ein Zusatzvolumen zur Kompensation von Volumenänderungen des hydraulischen Fluids zur Verfügung zu stellen. Für einen kompakten Aufbau ist es günstig, wenn der Ringmagnet koaxial außerhalb der Schiebehülse und axial benachbart zur Verdrängermaschine bzw. zur Ringkappe angeordnet ist.
Eine zweite Lösung der obengenannten Aufgabe besteht in einer hydrostatischen Kupplungsanordnung zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein erstes Kupplungsteil und ein relativ hierzu um eine Drehachse drehbares zweites Kupplungsteil; eine Verdrängermaschine mit einem ersten Rotor, der relativ zu einem der beiden Kupplungsteile, nämlich dem ersten Kupplungsteil oder dem zweiten Kupplungsteil, exzentrisch gelagert ist, und mit einem zweiten Rotor, der mit dem anderen der beiden Kupplungsteile, nämlich dem zweiten Kupplungsteil oder dem ersten Kupplungsteil drehfest verbunden ist; wobei zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor mehrere Verdrängungsräume gebildet sind, die mit einem hydraulischem Fluid gefüllt sind und bei relativer Drehung des ersten Rotors relativ zum zweiten Rotor sich verkleinernde Druckräume und sich vergrößernde Saugräume bilden; eine Ringkammer, in die ein mit den Druckräumen verbundener erster Verbindungskanal und ein mit den Saugräumen verbundener zweiter Verbindungskanal münden; ein dem ersten Verbindungskanal zugeordnetes erstes Ventilelement und ein dem zweiten Verbindungskanal zugeordnetes zweites Ventilelement, wobei das erste und das zweite Ventilelement mit einer axial verschiebbaren Ankerplatte verbunden sind; wobei die Ankerplatte zwischen einer Schließstellung, in der die Verbindungskanäle von den Ventilelementen verschlossen sind, und einer Offenstellung, in der die Verbindungskanäle von den Ventilelementen freigegeben sind, axial verschiebbar ist. Diese Lösung hat ähnliche Vorteile wie die obengenannte Lösung.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die Ventilelemente jeweils ein Trägerelement mit einer axialen Ausnehmung und eine in der Ausnehmung aufgenommene Ventilkugel. Die Ventilkugel verschließt in der Schließstellung die Mündung eines zugehörigen Verbindungskanals. Die Trägerelemente sind mit der Ankerplatte fest verbunden, beispielsweise mittels Schweißen. Vorzugsweise ist eines der Kupplungsteile in Form eines Kupplungskorbs gestaltet, wobei der erste und der zweite Verbindungskanal in der Seitenwand des Kupplungskorbs gebildet sind. Die Ringkammer wird von der Seitenwand des Kupplungskorbs einerseits und von einem außerhalb des Kupplungskorbs und axial zwischen der Seitenwandung und der Ankerplatte liegenden Ringkolben andererseits axial begrenzt. Dabei durchsetzen die Ventilelemente mit ihren Trägerelementen axiale Durchbrüche des Ringkolbens.
Auch bei dieser Lösung wird die Ankerplatte durch einen stehenden Ringmagneten berührungslos angesteuert. Der Ringmagnet ist stufenlos ansteuerbar, so daß die Ankerplatte zwischen der Schließstellung und der Offenstellung auch Zwischenstellungen einnehmen kann. Hieraus ergeben sich die obengenannten Vorteile. Der Ringmagnet ist vorzugsweise in einem Trägerelement aufgenommen, wobei es für die Betätigung der Kupplung besonders günstig ist, wenn das Trägerelement und die Ankerplatte aus einem ferromagnetischem Material hergestellt sind. Es sind nach einer bevorzugten Weiterbildung Federmittel vorgesehen, die an dem Ringkolben abgestützt sind und die Ankerplatte in der der Wirkrichtung des Ringmagneten entgegengesetzten Richtung axial beaufschlagen. Es ist auch hier eine Ausgestaltung möglich, bei der die Kupplung durch Betätigen des Ringmagneten geschlossen wird; ebenso ist eine Ausgestaltung denkbar, bei der die Kupplung durch Betätigen des Ringmagneten geöffnet wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung, die für beide Lösungen gilt, ist die Verdrängermaschine nach Art einer Zahnringmaschine gestaltet, wobei einer der beiden Rotoren als Außenrotor und der andere der beiden Rotoren als Innenrotor gestaltet ist. Der Außenrotor weist eine trochoidenförmige Innenverzahnung auf, die mit einer trochoidenförmigen Außenverzahnung des Innenrotors in Zahneingriff ist. Die Innenverzahnung des Außenrotors kann nach einer ersten Möglichkeit mit der Außenverzahnung des Innenrotors berührend in Zahneingriff sein. Derartig gestaltete Verdrän germaschinen werden auch als Zahnringmaschinen oder Gerotorpumpen bezeichnet. Nach einer bevorzugten zweiten Möglichkeit kann die Innenverzahnung des Außenrotors mit der Außenverzahnung des Innenrotors auch kämmend in Zahneingriff sein. Solche Verdrängermaschinen werden auch als Planetenrotorpumpen bezeichnet. Dabei umfaßt die Innenverzahnung des Außenrotors eine Vielzahl von in teilzylindrischen Ausnehmungen drehbar einsitzenden Planetenrädern, und der Innenrotor hat entlang seiner Außenverzahnung eine Zahnstruktur, die mit der Verzahnung der Planetenräder kämmend in Eingriff ist. Planetenrotorpumpen haben den Vorteil einer besonders geringen Leckage und einer hohen Leistungsdichte.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung, die auch für beide obengenannten Lösungen gilt, ist in dem Kupplungskorb ein Kolben axial benachbart zur Verdrängermaschine angeordnet, der einen die Druckräume mit dem ersten Verbindungskanal verbindenden ersten axialen Durchbruch und einen die Saugräume mit dem zweiten Verbindungskanal verbindenden zweiten axialen Durchbruch aufweist. Dieser Kompensationskolben bewirkt eine Erhöhung des Sperrmoments zwischen den beiden Kupplungsteilen. Der Kolben sitzt axial zwischen der Verdrängermaschine und der Seitenwandung des Kupplungskorbs ein, wobei zwischen dem Kolben und der Verdrängermaschine einerseits und der Seitenwandung andererseits lediglich geringe axiale Spalte von einigen Mikrometern gebildet sind. Bei Drehzahldifferenz zwischen dem Außenrotor und dem Innenrotor wird hydraulisches Fluid durch die axialen Durchbrüche des Kolbens in den zwischen dem Kolben und der Seitenwandung gebildeten Spalt gedrückt. Auf dieser Seite des Kolbens erhöht sich der Druck und beaufschlagt den Kolben in Richtung Verdrängermaschine, so daß die zwischen Verdrängermaschine und Kolben einerseits und zwischen der Verdrängermaschine und der gegenüberliegenden Seitenwandung andererseits gebildeten Spalte sich verjüngen. Insgesamt wird durch diese Anordnung erreicht, daß dem hydraulischen Sperrmoment ein mechanisches Sperrmoment hinzuaddiert wird. Es ergibt sich eine verbesserte Sperrwirkung zwischen den beiden Rotoren bzw. den beiden Kupplungsteilen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Kolben in seiner der Verdrängermaschine zugewandten Stirnfläche zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende, voneinander getrennte Kanäle auf, wobei der erste axiale Durchbruch in den einen und der zweite axiale Durchbruch in den anderen der zwei Kanäle mündet. Vorzugsweise fluchten die axialen Durchbrüche des Kolbens mit den in der Seitenwandung des Kupplungskorbs gebildeten Verbindungskanälen. Um ein ungewolltes Kurzschließen der Saug- und der Druckseite bei Relativdrehung der beiden Rotoren in einer der Vorzugsdrehrichtung der Pumpe entgegengesetzten Drehrichtung zu vermeiden, sind Dichtmittel vorgesehen, die zwischen dem Kolben und der Seitenwandung wirksam sind. Die Dichtmittel sind so angeordnet und gestaltet, daß sie den übergangsbereich zwischen dem Durchbruch des Kolbens und dem zugehörigen Verbindungskanal umgeben. Bei Drehen der Pumpe entgegen der Vorzugsdrehrichtung wird ein Kurzschluß vermieden, so daß die Sperrwirkung der Kupplung aufrechterhalten bleibt. Vorzugsweise sind die Dichtmittel in Form eines O-Rings gestaltet, der koaxial zum saugseitigen Verbindungskanal in einer entsprechenden Ringnut in der Seitenwandung des Kupplungskorbs einsitzt.
Die erfindungsgemäßen Kupplungen gemäß den obengenannten Lösungen sind vielseitig einsetzbar. Nach einer ersten Verwendung können die Kupplungen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer permanent angetriebenen ersten Achse und einer bedarfsweise zuschaltbaren zweiten Achse eingesetzt werden. Dabei dient die Kupplung zum An- oder Abkoppeln der zweiten Achse (Hang-on). Je nach Fahrzustand des Kraftfahrzeugs wird die Kupplung über einen Fahrdynamikregler bedarfsgerecht angesteuert. Dabei kann das auf die zweite Achse zu übertragende Drehmoment durch die entsprechende Stärke des Magnetfeldes, das heißt durch entsprechende Wahl der Stromstärke bzw. der Spannung beliebig eingestellt werden. Hierdurch ergibt sich eine hohe Kupplungsgenauigkeit und kurze Aktivierungszeiten, so daß schnell auf sich ändernde Fahrzustände reagiert werden kann.
Eine weitere Verwendung bezieht sich ebenfalls auf den Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer permanent angetriebenen ersten Achse und einer bedarfsweise zuschaltbaren zweiten Achse. Dabei können die Kupplungen gemäß den obengenannten Lösungen jeweils einer differenzdrehzahlfühlenden weiteren Kupplung vorgeschaltet werden und zum Ein- und Ausschalten dieser nachgeschalteten Kupplung dienen. Im eingeschalteten Zustand ist die zuschaltbare zweite Achse angekoppelt, wobei eine maximale Drehmomentkapazität verfügbar ist. Demgegenüber ist die zweite Achse im ausgeschalteten Zustand des Ringmagneten vom Antriebsstrang entkoppelt. Diese Anwendung hat den Vorteil, daß auf eine aufwendige Ansteuerung der weiteren Kupplung verzichtet werden kann und daß durch die Entkopplung der differenzdrehzahlfühlenden weiteren Kupplung der Antriebsstrang ESP-kompatibel wird. ESP-kompatibel bedeutet in diesem Zusammenhang, daß Eingriffe in die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs mittels eines Fahrdynamikreglers problemlos erfolgen können. Die differenzdrehzahlfühlende weitere Kupplung ist üblicherweise in Form einer Viscokupplung gestaltet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt
1 eine erfindungsgemäße hydrostatische Kupplungsanordnung in einer ersten Ausführungsform in Offenstellung im Längsschnitt;
2 die Verdrängermaschine aus 1 gemäß Schnittlinie II-II;
3 die Kupplungsanordnung aus 1 in Schließstellung;
4 eine erfindungsgemäße hydrostatische Kupplungsanordnung in einer zweiten Ausführungsform in Offenstellung im Längsschnitt;
5 die Verdrängermaschine aus 4 gemäß Schnittlinie V-V;
6 die Kupplungsanordnung aus 4 in Schließstellung;
7 eine erfindungsgemäße hydrostatische Kupplungsanordnung in einer dritten Ausführungsform mit nachgeschalteter Viscokupplung im Längsschnitt;
8 eine erfindungsgemäße hydrostatische Kupplungsanordnung in einer vierten Ausführungsform mit nachgeschalteter Viscokupplung im Längsschnitt;
9 eine erfindungsgemäße hydrostatische Kupplungsanordnung in einer fünften Ausführungsform im Längsschnitt;
10 die Verdrängermaschine aus 9 gemäß Schnittlinie X-X; Die 1 bis 3, die im folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung 2 zum Ankoppeln eines ersten Kupplungsteils 3 mit einem relativ hierzu drehbaren zweiten Kupplungsteil 4, bzw. zum Entkoppeln der beiden Kupplungsteile 3, 4. Die Kupplungsanordnung 2 ist Teil des Antriebsstrangs eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs mit einer permanent angetriebenen ersten Antriebsachse und einer bedarfsweise zuschaltbaren zweiten Antriebsachse und dient zum Zuschalten der letztgenannten zweiten Antriebsachse.
Das erste Kupplungsteil 3 ist in Form eines Kupplungskorbs gestaltet, der einstückig mit einer ersten Welle 5 gestaltet ist. Die erste Welle 5 ist als Eingangswelle vorgesehen und hat eine Außenverzahnung 6, die mit einer entsprechenden Innenverzahnung 7 eines Flanschteils 8 drehfest verbunden ist. Das Flanschteil 8 wird mittels einer Verschraubungsmutter 9, die auf die erste Welle 5 aufgeschraubt wird, axial verspannt. Das Flanschteil 8 wird mit der nicht dargestellten Längsantriebswelle des Kraftfahrzeugs drehfest verbunden. An einer Außenfläche hat das Flanschteil 8 einen zylindrischen Lagersitz 11 zur Aufnahme eines Wälzlagers 12, mittels dessen das Flanschteil 8 in einem Gehäuse 13 der Kupplungsanordnung 2 drehbar gelagert ist. Die Welle 5 und das erste Kupplungsteil 3 definieren so eine gemeinsame Drehachse A, um die das erste Kupplungsteil 3 von der Längsantriebswelle drehend antreibbar ist.
Das zweite Kupplungsteil 4 ist als Kupplungsnabe gestaltet, die koaxial zur Drehachse A liegt und über eine Längsverzahnung 14 drehfest mit einer zweiten Welle 15 drehfest verbunden. Die Kupplungsnabe 14 hat an ihren Enden zwei entgegengesetzt gerichtete Hülsenansätze 16, 17, die in entsprechenden Lagerbohrungen des ersten Kupplungsteils 3 bzw. mit diesem verbundenen Bauteilen drehbar gelagert und gegenüber diesen mittels Dichtungen 18, 19 abgedichtet sind. Als Lagerungen kommen Gleitlagerungen zum Einsatz. Während die eine Lagerbohrung in der ersten Welle 3 gebildet ist, ist die gegenüberliegende Lagerbohrung in einem mit dem Kupplungskorb 3 verbundenen Deckelteil 21 gebildet. Die zweite Welle 15 ist als Ausgangsweile gestaltet und wird mit dem Antriebsritzel eines nicht dargestellten Hinterachsdifferentials des Kraftfahrzeugs verbunden. Das Gehäuse 13 ist topfförmig gestaltet und wird mit seinem offenen Ende mit dem Gehäuse des Hinterachsdifferentials verbunden.
Zum Ankoppeln und Entkoppeln der beiden Kupplungsteile 3, 4 ist eine hydraulische Verdrängermaschine 22 vorgesehen, die als Planetenrotorpumpe gestaltet und als Einzelheit in 2 dargestellt ist. Die Planetenrotorpumpe umfaßt einen Außenrotor 23 mit einer etwa trochoidenförmigen Innenverzahnung 24 und einen Innenrotor 25 mit einer etwa trochoidenförmigen Außenverzahnung 26, die miteinander kämmend in Zahneingriff sind. Dabei weist die Außenverzahnung 26 des Innenrotors 25 einen Zahn weniger auf als die Innenverzahnung 24 des Außenrotors 23. Der Außenrotor 23 hat eine außenzylindrische Fläche 29, mit der er in dem Kupplungskorb 3 auf einer zur Drehachse A exzentrischen Achse E drehbar aufgenommen ist. Der Innenrotor 25 ist einteilig mit der Kupplungsnabe 4 gestaltet und koaxial zur Drehachse A angeordnet. Der Verzahnungseingriff zwischen den beiden Rotoren 23, 25 wird dadurch bewerkstelligt, daß der Außenrotor 23 eine Vielzahl von in teilzylindrischen Ausnehmungen 27 drehbar einsitzenden Planetenrädern 28 aufweist, die mit der trochoidenförmigen Außenverzahnung 26 des Innenrotors 25 kämmen. Aufgrund des Verzahnungseingriffs hat die Planetenrotorpumpe geringe Leckageverluste und einen hohen Wirkungsgrad.
Es ist insbesondere aus 2 ersichtlich, daß zwischen dem Außenrotor 23 und dem Innenrotor 25 mehrere Verdrängungsräume 31 gebildet sind, die mit einem hydraulischen Fluid gefüllt sind. Bei Drehung des Innenrotors 25 in Pfeilrichtung relativ zum Außenrotor 23 bilden die Verdängungsräume Druckräume 32 und Saugräume 33, die hydraulisch miteinander verbunden sind. Hierfür ist eine Ringkammer 50 vorgesehen, die außerhalb des Kupplungskorbs 3 liegt und über einen ersten Verbindungskanal 34 mit den Druckräumen 32 und die über einen zweiten Verbindungskanal 35 mit den Saugräumen 33 hydraulisch verbunden ist, so daß eine Zirkulation des hydraulischen Fluids ermöglicht wird. Untereinander sind die Druckräume 32 über einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden ersten Kanal 57 verbunden, der an der Innenseite der Seitenwandung 41 ausgebildet ist. Ein sich in Umfangsrichtung erstreckender zweiter Kanal 58 verbindet die Saugräume 33 miteinander. Die beiden Kanäle 57, 58 sind in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, so daß sie voneinander getrennt sind. Zur Betätigung der Kupplungsanordnung 2 ist eine Aktuatorik vorgesehen, die den Volumenstrom des hydraulischen Fluids zwischen den Verbindungskanälen 34, 35 regelt.
Im folgenden wird auf die Aktuatorik zum Regeln des Volumenstroms eingegangen. Es ist ersichtlich, daß die beiden Verbindungskanäle 34, 35 in einer außenzylindrischen Fläche 36 eines hülsenartigen Ansatzes 37 des ersten Kupplungsteils 3 münden. Der hülsenartige Ansatz 37 ist einteilig mit der Seitenwandung 41 des Kupplungskorbs 3 ausgebildet und stellt einen axialen Vorsprung dar, an den die erste Welle 5 unter Ausbildung einer Stufe nahtlos anschließt. Auf der außenzylindrischen Fläche der Welle 5 und auf der außenzylindrischen Fläche 36 des Ansatzes 37 ist eine gestufte Schiebehülse 38 axial verschiebbar gehalten ist. Die Schiebehülse 38 hat einen ersten rohrförmigen Abschnitt 39 mit kleinerem Radius, mit dem sie auf der Welle 5 aufsitzt, und einen zweiten rohrförmigen Abschnitt 40 mit größerem Radius, der auf der außenzylindrischen Fläche 36 aufsitzt. Durch Verschieben der Schiebehülse 38 können die Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 freigegeben oder verdeckt werden, so daß der Volumenstrom des hydraulischen Fluids erhöht oder gesenkt wird.
Zur Betätigung der Schiebehülse 38 ist eine steuerbare Magnetspule 42 vorgesehen, die in dem Gehäuse 13 koaxial zur Schiebehülse 38 gehalten ist. Die Magnetspule 42 ist in einem nach innen offenen und – im Halblängsschnitt betrachtet – C-förmigen Trägerelement 43 aus ferromagnetischem Material aufgenommen, das in dem Gehäuse 13 fixiert ist. Die Magnetspule 42 ist mit einer nicht dargestellten elektronischen Regeleinheit zur Regelung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs verbunden und wird von dieser angesteuert. Die Stärke des Magnetfelds kann durch entsprechende Wahl der Stromstärke bzw. Spannung eingestellt werden. Hiervon hängt die axiale Position der Schiebehülse 38 ab, die in vollständig geöffneter Position der Kupplung mit einer Stirnfläche 44 gegen eine Ankerplatte 45 anläuft (1) und die in vollständig geschlossener Position der Kupplung mit einer entgegengesetzt gerichteten Stirnfläche 46 gegen die Seitenwand 41 des Kupplungskorbs 3 anläuft (3). Die Ankerplatte 45 ist zwischen einer Schulter 47 und dem Flanschelement 8 auf der Welle 5 axial eingespannt. Das Trägerelement 43, die Schiebehülse 38 und die Ankerplatte 45 sind aus ferromagnetischem Material hergestellt, so daß die genannten Bauteile bei aktivierter Magnetspule 42 ein torusförmiges Magnetfeld um die Spule bilden, so daß der rohrförmige Abschnitt 39 aufgrund der wirksamen Magnetkräfte in Richtung Ankerplatte 45 gezogen wird.
Es ist ersichtlich, daß zwischen der Schiebehülse 38 und der Außenfläche der Welle 5 ein radialer Ringraum gebildet ist, in dem Federmittel 48 einsitzen. Die Federmittel 48 sind in Form einer Schraubenfeder gestaltet, die gegen die Ankerplatte 45 einerseits und gegen die Schiebehülse 38 andererseits axial abgestützt sind. Dabei wird die Schiebehülse 38 von den Federmitteln 48 in Richtung zum Kupplungskorb 3, das heißt im Schließsinne beaufschlagt. Zwischen der Ankerplatte 45 und dem Kupplungskorb 3 ist eine gestufte, rohrförmige Ringkappe 49 vorgesehen, die die Ringkammer 50 einschließt und innerhalb derer die Schiebehülse 38 angeordnet ist. Die Ringkappe 49 ist vorzugsweise als Blechumformteil hergestellt, so daß sie temperaturbedingte Volumenänderungen des hydraulischen Fluids durch Verschiebung der Ringkappe auf dem Kupplungsteil und der Ankerplatte ausgleichen kann. Die Ringkappe 49 sitzt mit ihrem Ende größeren Durchmessers auf einer zylindrischen Außenfläche des Kupplungskorbs 3 auf und ist gegenüber dieser abgedichtet; mit ihrem Ende kleineren Durchmessers sitzt die Ringkappe 49 auf einer zylindrischen Außenfläche der Ankerplatte 45 auf und ist gegenüber dieser abgedichtet.
Die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung funktioniert folgendermaßen. Im aktivierten Zustand der Magnetspule 42 ist die Schiebehülse 38 von der magnetischen Kraft gegen die Ankerplatte 45 angezogen, so daß die Druck- und Saugräume 32, 33 über die Ringkammer 50 miteinander verbunden sind. Diese Stellung ist in 1 gezeigt. Treten unterschiedliche Drehzahlen zwischen dem ersten Kupplungsteil 3 und dem zweiten Kupplungsteil 4, das heißt zwischen der Vorder- und der Hinterachse auf, kommt es zu einer Relativbewegung zwischen dem Innenrotor 25 und dem Außenrotor 23. Die beiden Rotoren 23, 25 wälzen gegeneinander ab, wobei das hydraulische Fluid zwischen den Saug- und Druckräumen 32, 33 über die Ringkammer 50 zirkuliert. Durch Abschalten der Ringspule 42 wird die Schiebehülse 38 von den Federmitteln 48 in Schließstellung beaufschlagt, wobei der Abschnitt 40 die Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 abdeckt. So wird eine Relativbewegung zwischen den beiden Rotoren 23, 25 behindert, so daß eine Drehmomentübertragung zwischen der ersten und der zweiten Welle 5, 15, das heißt zwischen Vorder- und Hinterachse erfolgt. Je schwächer das Magnetfeld ist, desto weiter wird die Schiebehülse 38 in die Schließstellung überführt und desto größer die Sperrwirkung der Kupplungsanordnung. Die Schließstellung ist in 3 dargestellt.
In den 4 bis 6 ist eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung 2₂ in einer zweiten Ausführung gezeigt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den 1 bis 3 belegt und abgewandelte Bauteile sind mit um zwei tiefergestellten Indizes versehen. Es wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Abweichend von der Darstellung in den 1 und 3 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Ringkolben 52 innerhalb des Kupplungskorbs 3 angeordnet, und zwar axial benachbart zur Verdrängermaschine 22. Der Ringkolben 52 hat eine außenzylindrische Fläche 53, mit der er in dem Kupplungskorb 3 axial schwimmend einsitzt. Dabei fluchtet die Außenfläche 53 des Ringkolbens 52 mit der Außenfläche des Außenrotors 23 der Verdrängermaschine 22. In der Außenfläche 53 des Ringkolbens 52 ist eine Ringnut 54 vorgesehen, in der eine Dichtung einsitzt. Radial innen hat der Ringkolben 52 eine axiale Bohrung 55, die von der Kupplungsnabe 4₂ durchdrungen wird. Zur Abdichtung gegenüber der Kupplungsnabe 4₂ hat der Ringkolben 52 innen eine Ringnut 56, in die eine Dichtung einzusetzen ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Innenrotor 25 und die Kupplungsnabe 4₂ als getrennte Bauteile ausgeführt, die über eine Längsverzahnung drehfest miteinander verbunden sind.
Der Ringkolben 52 hat in seiner der Planetenrotorpumpe 22 zugewandten Stirnfläche zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende Kanäle 57, 58, von denen der eine als die Saugräume miteinander verbindender Saugkanal und der andere als die Druckkanäle untereinander verbindender Druckkanal fungiert. Der Ringkolben 52 hat eine den Druckkanal 57 mit dem Verbindungskanal 34 verbindende erste Durchgangsbohrung 61 und zwischen dem Saugkanal 58 und dem zweiten Verbindungskanal 35 eine zweite Durchgangsbohrung 62. Das hydraulische Fluid kann somit durch die Durchgangsbohrungen 61, 62 hindurchtreten und bei geöffneter Schiebehülse 38 in die Ringkammer 50 gelangen und zwischen den Druckräumen und den Saugräumen zirkulieren. Es ist ersichtlich, daß die erste Durchgangsbohrung 61 mit dem ersten Verbindungskanal 34 fluchtet, während die zweite Durchgangsbohrung 62 mit dem zweiten Verbindungskanal 35 fluchtet. Es ist ersichtlich, daß zwischen dem Ringkolben 52 und der Seitenwandung 41 Dichtmittel 59 vorgesehen sind, die den Übergangsbereich zwischen der zweiten Durchgangsbohrung 62 und dem zweiten Verbindungskanal 35 umgeben. Die Dichtmittel 59 sind in Form eines O-Rings gestaltet, der in einer in der Seitenwandung 41 angeordneten Ringnut einsitzt. Die Dichtmittel 59 verhindern ein ungewolltes Kurzschließen der Saug- und der Druckseite bei Relativdrehung der beiden Rotoren in einer der Vorzugsdrehrichtung der Pumpe entgegengesetzten Drehrichtung.
Der Ringkolben 52 dient zur Erhöhung des Sperrmoments zwischen den beiden Kupplungsteilen 3, 4. Dies wird dadurch erreicht, daß bei Drehzahldifferenz zwischen dem Außenrotor 23 und dem Innenrotor 25 hydraulisches Fluid durch die Durchgangsbohrungen 61, 62 in den zwischen dem Ringkolben 52 und der Seitenwandung 41 gebildeten Spalt gedrückt wird. Da die Fläche des Ringkolbens 52 auf dieser Seite größer ist, erhöht sich hier die Kraft, so daß der Ringkolben 52 in Richtung Planetenrotorpumpe 22 beaufschlagt wird. Die zwischen Planetenrotorpumpe 22 und Ringkolben 52 einerseits und zwischen Planetenrotorpumpe 22 und Deckel 21 andererseits gebildeten Spalte, die im druckfreien Zustand jeweils einige Mikrometer betragen, verjüngen sich, so daß an den Kontaktflächen ein Reibmoment erzeugt wird. Insgesamt wird durch diese Anordnung erreicht, daß dem hydraulischen Sperrmoment ein mechanisches Sperrmoment hinzuaddiert wird. Es ergibt sich eine verbesserte Sperrwirkung zwischen den beiden Rotoren 23, 25 bzw. den beiden Kupplungsteilen 3, 4. Im übrigen entspricht die dargestellte Ausführungsform der in den 1 bis 3 gezeigten. Bei aktivierter Ringspule 42 ist die Kupplungsanordnung geöffnet, das heißt Vorder- und Hinterachse sind voneinander entkoppelt (4), während bei deaktivierter Ringspule 42 die Kupplungsanordnung geschlossen und die beiden Achsen miteinander gekoppelt sind (6).
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung. Diese entspricht in weiten Teilen der in den 1 bis 3 gezeigten Kupplungsanordnung, so daß insoweit auf obige Beschreibung Bezug genommen wird. Es sind gleiche Bauteile mit gleichen und abgewandelte Bauteile mit Bezugsziffern mit um drei tiefergestellten Indizes versehen. Im Unterschied zu den obigen Ausführungsformen sind die Anbindungen der zwei Kupplungsteile an die Eingangs- und die Ausgangsseite der Kupplungsanordnung hier vertauscht. Die Eingangswelle 5 ist nämlich mit der Kupplungsnabe 4 einteilig verbunden, während der Kupplungskorb 3 mit einem Anschlußteil 68 über eine Flanschverbindung 69 fest verbunden ist. Der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 2₃ ist eine Viscokupplung 71 nachgeschaltet, wie sie beispielsweise aus der DE 198 10 940 A1 bekannt ist. Die Viscokupplung 71, die hier ohne Lamellen gezeigt ist, dient zum bedarfsweisen Antrieb der sekundären Antriebsachse des Kraftfahrzeugs. Bei Auftreten einer Drehzahldifferenz zwischen der primären und der sekundären Achse geht die Viscokupplung in einen Zustand über, in dem sie Drehmoment zwischen den beiden Achsen überträgt. Im Normalbetrieb, das heißt bei ausgeschalteter Magnetspule 42, wird eine Relativdrehung der Rotoren 23, 25 der Planetenrotorpumpe 22 unterbunden, so daß die beiden Kupplungsteile 3, 4 mit einander verbunden sind. Um zu vermeiden, daß bei Abbremsen des Kraftfahrzeugs ein Bremsmoment auf die sekundäre Achse übertragen wird, wird die Viscokupplung 71 im Bedarfsfall durch Einschalten der Magnetspule 42 und damit Öffnen der Kupplungsanordnung 2₃ vom Antriebsstrang abgekoppelt. Auf diese Weise fungiert die Kupplungsanordnung 2₃ als Freischaltkupplung bei Eingriff in die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs, beispielsweise bei Eingriff eines Antiblockiersystems oder eines elektronischen Stabilitätsprogramms. Von der Viscokupplung 71 ist ein Außenlamellenträger 72 erkennbar, in dem die nicht dargestellten Außenlamellen drehfest gehalten sind. In dem Außenlamellenträger 72 ist ein Innenlamellenträger 73 mittels Gleitlagerung drehbar gelagert und mittels Ringdichtungen 74, 75 abgedichtet. Auf dem Innenlamellenträger 73 sind die nicht dargestellten Innenlamellen drehfest gehalten, die axial abwechselnd zu den Außenlamellen angeordnet sind. Der Innenlamellenträger 73 ist in Form einer Nabe gestaltet und hat eine Längsverzahnung zum drehfesten Verbinden mit einer Anschlußwelle (nicht dargestellt).
Das deckelförmige Anschlußteil 68 hat einen zentralen Zapfen 76, mit dem es über ein Nadellager 77 in einer entsprechenden zentralen Bohrung 78 der Eingangswelle 5 gelagert ist. In der Bohrung 78 sitzt ein Kolben 79 axial verschieblich ein, der ein Reservoir 80 zum Ausgleich von Volumenänderungen des hydraulischen Fluids begrenzt. Das Reservoir 80 ist über einen Spalt 82 zwischen der Stirnseite der Welle 5 und dem Anschlußteil 68 sowie einem Spalt 83 zwischen der Planetenrotorpumpe 22 und dem Anschlußteil 68 mit der Planetenrotorpumpe 22 verbunden. Der Kupplungskorb 3 hat einen einteilig angeformten, hülsenartigen Vorsprung 37, dessen Ende mittels eines weiteren Nadellagers 89 auf der Welle 5 gelagert ist. Der hülsenartige Vorsprung 37 hat in seiner Innenfläche eine Ringnut 90, in der eine Ringdichtung zum Abdichten des Kupplungskorbs 3 gegenüber der Welle 5 einsitzt.
Der Aktuator zum Koppeln und Entkoppeln der beiden Kupplungsteile 3, 4 ist gegenüber dem Aktuator aus den 1 bis 6 ein wenig abgewandelt. Es ist ersichtlich, daß die Ringkammer 50 durch die Seitenwandung 41 des Kupplungskorbs 3 einerseits und durch die Ankerplatte 45₃ andererseits axial begrenzt ist. Radial innen ist die Kammer 50 durch den axialen Vorsprung 37 des Kupplungskorbs 3 und radial außen ist die Kammer 50 durch eine mit dem Kupplungskorb 3 verbundene und zur Drehachse A koaxiale Hülse 84 begrenzt. Der Ringmagnet 42 ist koaxial zur Hülse 84 im Gehäuse 13 aufgenommen, wobei zwischen dem Ringmagnet 42 und der Hülse 84 ein Ringspalt gebildet ist. Axial zwischen dem Kupplungskorb 3 und der Hülse 84 ist ein magnetisch isolierenden Ring 85 vorgesehen, der im Bereich des Ringmagneten 42 liegt. Auf diese Weise wird ein torusförmiges Magnetfeld erzeugt, das sich ausgehend vom Trägerelement 43 des Ringmagneten 42 über die Seitenwandung 41 des Kupplungskorbs 3, die Schiebehülse 38₃ , die Ankerplatte 45₃ und die Hülse 84 schließt.
Die Ankerplatte 45₃ ist im vorliegenden Fall in Form einer Ringscheibe gestaltet, der zwischen der außenliegenden Hülse 84 und dem innenliegenden axialen Vorsprung 37 dichtend einsitzt. Zum Abdichten hat die Ankerplatte in ihrer zylindrischen Außen- und Innenfläche jeweils eine umlaufende Ringnut, in der jeweils eine Ringdichtung einsitzt. Die Ankerplatte 45₃ ist gegen eine Schulter 86 des axialen Vorsprungs 37 axial abgestützt und mittels eines Sicherungsrings 87 auf dem Vorsprung 37 des Kupplungskorbs 3 axial fixiert. Es ist erkennbar, daß die Ankerplatte 45₃ eine sich in Richtung Kupplungskorb 3 öffnende innere Konusfläche 88 aufweist und daß die Schiebehülse 38₃ eine entsprechend gegengleich gestaltete konische Stirnfläche 44 aufweist, die sich bei aktiviertem Ringmagneten 42 an die Konusfläche 88 anlegen kann. Die konische Ausgestaltung der Kontaktflächen zwischen der Ankerplatte 45₃ und der Schiebehülse 38₃ ist für die Ausbildung einer hohen Magnetfeldkonzentration besonders günstig. So wird die Schiebhülse 38₃ bei Einschalten der Magnetspule 42 mit hoher Magnetkraft schnell in Richtung Ankerplatte 45₃ gezogen. Bei deaktivierter Magnetspule 42 wird die Schiebhülse 38₃ von Federmitteln in Richtung Kupplungskorb 3 beaufschlagt, um die Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 zu verschließen. Die Federmittel liegen in einer anderen Schnittebene als dargestellt, so daß sie hier nicht sichtbar sind.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung. Diese entspricht in weiten Teilen der in 7 gezeigten Kupplungsanordnung, so daß insofern auf obige Beschreibung Bezug genommen wird. Es sind gleiche Bauteile mit gleichen und abgewandelte Bauteile mit Bezugsziffern mit um vier tiefergestellten Indizes versehen. Im folgenden wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Der Anschlußflansch für die Eingangswelle und das Wälzlager zum Lagern des Flanschs gegenüber dem Gehäuse sind hier nicht dargestellt. Während bei der Ausführungsform nach 7 die Kupplung bei aktiviertem Ringmagneten geöffnet ist, ist die vorliegende Kupplungsanordnung so gestaltet, daß sie bei aktiviertem Ringmagneten 42 geschlossen und bei deaktiviertem Ringmagneten geöffnet ist. Ein weiterer Unterschied besteht in der Ausgestaltung des Aktuators zum Öffnen bzw. Schließen der Kupplung.
Die Ankerplatte 45₄ ist axial verschiebbar auf dem hülsenartigen Ansatz 37₄ des Kupplungskorbs 3₄ gehalten und hat radial außen einen Kragen 91, der über die Hülse 84₄ radial vorsteht. Zwischen dem Kragen 91 und dem Trägerelement 43₄ für den Ringmagneten 42 ist ein Ringspalt 92 gebildet, der sich bei aktiviertem Ringmagneten 42 weitestgehend schließt. Auf der Ankerplatte 45₄ sind zwei Ventilelemente 93, 94 befestigt, die axial in Richtung zur Planetenrotorpumpe 22 gerichtet sind. Die Ventilelemente 93, 94 umfassen jeweils ein zylindrisches Trägerelement 99, in dessen der Seitenwandung 41 zugewandten Stirnfläche eine axiale Ausnehmung 95 vorge sehen ist. In der Ausnehmung 95, die als Sacklochbohrung ausgebildet ist, ist eine Ventilkugel 96 aufgenommen, die zum Verschließen der Mündung des zugehörigen Verbindungskanals 34, 35 dient. Es ist ersichtlich, daß die Trägerelemente 99 einen die Ringkammer 50 axial begrenzenden Ringkolben 97 durchdringen, der mit einer zylindrischen Außenfläche dichtend in der Hülse 84 einsitzt und der mit einer zylindrischen Innenfläche dichtend auf dem hülsenartigen Vorsprung 37₄ aufsitzt. Dabei wird der Ringkolben 97 durch die Federkraft gegen die in der Ringkammer 50 befindliche hydraulische Flüssigkeit beaufschlagt und so axial gehalten. Zur Abdichtung hat der Ringkolben 97 in seiner Außenfläche, in seiner Innenfläche und in seiner Bohrungswandung 98 jeweils eine umlaufende Nut, in der ein Dichtring einsitzt. Es ist ersichtlich, daß zwischen dem Ringkolben 97 und der Ankerplatte 45₄ Federmittel 48₄ vorgesehen sind, die die Ankerplatte 45₄ von der Planetenrotorpumpe 22 weg beaufschlagen. Die Federmittel 48₄ sind als Schraubenfedern gestaltet, die jeweils auf einem zugehörigen Trägerelement 99 gehalten sind. Der Ringkolben 97 ist prinzipiell axial verschieblich zwischen der außenliegenden Hülse 84 und dem innenliegenden hülsenartigen Vorsprung 37₄ gehalten. Insofern fungiert die Ringkammer 50 gleichzeitig als Reservoir zum Volumenausgleich des hydraulischen Fluids.
Die Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform ist dergestalt, daß die Ankerplatte 45₄ im Normalbetrieb, das heißt bei deaktiviertem Ringmagneten 42, im Öffnungssinne beaufschlagt ist. Die Druckräume und die Saugräume der Planetenrotorpumpe 22 sind über die Verbindungskanäle 34, 35 und die Ringkammer 50 miteinander verbunden, so daß der Außenrotor 23 und der Innenrotor 25 relativ zueinander drehen können. Durch Betätigen des Ringmagneten 42 wird die Ankerplatte 45₄ , die aus ferromagnetischem Material besteht, in Richtung Planetenrotorpumpe 22 gezogen, so daß die Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 geschlossen werden. Je nach Schließstellung wird die Pumpwirkung behindert, so daß die Relativdrehung zwischen den beiden Rotoren 23, 25 verzögert wird. In vollständig aktiviertem Zustand des Ringmagneten 42 sind die Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 von den Kugeln 96 versperrt, so daß die Rotoren 23, 25 gemeinsam drehen und die Kupplung geschlossen ist. In dieser Schließstellung ist zwischen dem äußeren Kragen 91 der Ankerplatte 45₄ und dem Trägerelement 43₄ noch ein minimaler Ringspalt gebildet, um einen Schleifkontakt zwischen den genannten Bauteilen zu vermeiden.
Das Trägerelement 43₄ , das ebenfalls aus ferromagnetischem Material besteht, umschließt den Ringmagneten 42 nahezu vollständig, so daß bei aktiviertem Ringmagneten ein torusförmiges Magnetfeld um die Spule erzeugt wird, so daß der äußere Kragen 91 der ferromagnetischen Ankerplatte 45₄ zum freien Ende des Trägerelements 43₄ angezogen wird.
Die 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 2₅ . Diese entspricht hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise weitestgehend der Ausführungsform aus 8, wobei hier das Gehäuse und die Viscokupplung nicht dargestellt sind. Die vorliegende Kupplungsanordnung umfaßt einen im Kupplungskorb 3 liegenden Ringkolben 52 entsprechend der Ausführungsform gemäß 4. Insofern stellt die vorliegende Ausführungsform eine Kombination der Kupplungsanordnungen gemäß den 4 und 8 dar, so daß hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Es ist ersichtlich, daß die Verbindungskanäle 34, 35 mit den axialen Durchbrüchen 61, 62 des Ringkolbens 52 fluchten. Einer der Durchbrüche 62 wird im Übergangsbereich zum zugehörigen Verbindungskanal 34 von einem O-Ring als Dichtmittel 59 umgeben, so daß ein ungewünschtes Kurzschließen der Saug- und der Druckräume beim Drehen der beiden Rotoren entgegen der Vorzugsdrehrichtung der Anordnung verhindert wird. Die Federmittel 48₅ sind vorliegend auf dem hülsenartigen Ansatz 37₅ angeordnet und beaufschlagen die Ankerplatte 45₅ in Richtung vom Ringkolben 97 weg. Die Ankerplatte 45₅ ist innen mit einer Lagerhülse 81 fest verbunden, beispielsweise mittels Schweißeng die axial verschiebbar auf dem Hülsenansatz 37₅ des Kupplungskorbs 3 aufsitzt. Die Kupplungsanordnung 2₅ ist in deaktiviertem Zustand der Magnetspule 42 geöffnet, so daß die Vorder- und die Hinterachse voneinander entkoppelt sind. Bei aktivierter Magnetspule 42 wird die Ankerplatte 45₅ an das Trägerelement 43 gezogen, wobei in der Endstellung die Ventilkugeln 96 die Mündungen der Verbindungskanäle 34, 35 verschließen. Eine Relativdrehung der beiden Rotoren 23, 25 wird unterbunden; die Kupplung ist geschlossen und die beiden Antriebsachsen sind miteinander verkoppelt. Zur Verstärkung der Sperrwirkung ist in dem Kupplungskorb 3 der Kolben 52 angeordnet, dessen Aufbau und Funktionsweise bereits oben erläutert wurde.

2: Kupplungsanordnung
3: erstes Kupplungsteil
4: zweites Kupplungsteil
5: erste Welle
6: Außenverzahnung
7: Innenverzahnung
8: Flanschteil
9: Verschraubungsmutter
11: Lagersitz
12: Wälzlager
13: Gehäuse
14: Längsverzahnung
15: zweite Welle
16: Hülsenansatz
17: Hülsenansatz
18: Dichtung
19: Dichtung
21: Deckelteil
22: Verdrängermaschine
23: Außenrotor
24: Innenverzahnung
25: Innenrotor
26: Außenverzahnung
27: Ausnehmung
28: Planetenrad
29: außenzylindrische Fläche
31: Verdrängungsraum
32: Druckraum
33: Saugraum
34: Verbindungskanal
35: Verbindungskanal
36: zylindrische Fläche
37: hülsenartiger Ansatz
38: Schiebehülse
39: Abschnitt
40: Abschnitt
41: Seitenwandung
42: Magnetspule
43: Trägerelement
44: Stirnfläche
45: Ankerplatte
46: Stirnfläche
47: Schulter
48: Federmittel
49: Ringkappe
50: Ringkammer
52: Ringkolben
53: Fläche
54: Ringnut
55: Bohrung
56: Ringnut
57: Kanal
58: Kanal
59: Dichtmittel
61: Durchgangsbohrung
62: Durchgangsbohrung
68: Anschlußteil
69: Flanschverbindung
71: Viscokupplung
72: Außenlamellenträger
73: Innenlamellenträger
74: Ringdichtung
75: Ringdichtung
76: Zapfen
77: Nabenlager
78: Bohrung
79: Kolben
80: Reservoir
81: Lagerhülse
82: Spalt
83: Spalt
84: Hülse
85: Ring
86: Schulter
87: Sicherungsring
88: Konusfläche
89: Nadellager
90: Ringnut
91: Kragen
92: Ringspalt
93: Ventilelement
94: Ventilelement
95: Ausnehmung
96: Kugel
97: Ringkolben
98: Bohrungswandung
99: Trägerelement
A: Drehachse

Claims

Hydrostatische Kupplungsanordnung zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein erstes Kupplungsteil (3) und ein relativ hierzu um eine Drehachse (A) drehbares zweites Kupplungsteil (4); eine Verdrängermaschine (22) mit einem ersten Rotor (23), der relativ zu einem der beiden Kupplungsteile (3, 4), nämlich dem ersten Kupplungsteil (3) oder dem zweiten Kupplungsteil (4), exzentrisch gelagert ist, und mit einem zweiten Rotor (25), der mit dem anderen der beiden Kupplungsteil (3, 4), nämlich dem zweiten Kupplungsteil (4) oder dem ersten Kupplungsteil (3) drehfest verbunden ist; wobei zwischen dem ersten Rotor (23) und dem zweiten Rotor (25) mehrere Verdrängungsräume (31) gebildet sind, die mit einem hydraulischen Fluid gefüllt sind und bei relativer Drehung des ersten Rotors (23) relativ zum zweiten Rotor (25) sich verkleinernde Druckräume (32) und sich vergrößernde Saugräume (33) bilden; eine Ringkammer (50), in die ein mit den Druckräumen (32) verbundener erster Verbindungskanal (34) und ein mit den Saugräumen (33) verbundener zweiter Verbindungskanal (35) münden; eine koaxial zur Drehachse (A) angeordnete Schiebehülse (38), die zwischen einer Schließstellung, in der die Mündungen der Verbindungskanäle (34, 35) in die Ringkammer (50) verschlossen sind, und einer Offenstellung, in der die Mündungen der Verbindungskanäle (34, 35) in die Ringkammer (50) freigegeben sind, axial verschiebbar ist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebehülse (38) durch eine stehende Magnetspule (42) berührungslos angesteuert wird.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (42) in einem Trägerelement (43) aufgenommen ist, wobei das Trägerelement (43) und die Schiebehülse (38) aus ferromagnetischem Material hergestellt sind.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (42) stufenlos betätigbar ist, wobei zwischen der Schließstellung und der Offenstellung der Schiebehülse (38) auch Zwischenstellungen einstellbar sind.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Kupplungsteile (3, 4) in Form eines Kupplungskorbs gestaltet ist, der einen Mantelabschnitt und eine Seitenwandung (41) aufweist, wobei die Verbindungskanäle (34, 35) in Form von die Seitenwandung (41) durchsetzenden Bohrungen gestaltet sind.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandung (41) einen hülsenartiger Ansatz (37) aufweist, wobei die Verbindungskanäle (34, 35) in eine zylindrische Außenfläche (36) des hülsenartigen Ansatzes (37) münden.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebehülse (38) einen rohrförmigen Abschnitt (40) aufweist, der auf der zylindrischen Außenfläche (36) des hülsenartigen Ansatzes (37) geführt ist und die Mündungen verschließen oder freigeben kann.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ankerplatte (45) mit axialem Abstand zur Seitenwandung (41) des Kupplungskorbs gehalten ist, gegen die die Schiebehülse (38) bei aktivierter Magnetspule (42) angezogen wird.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebehülse (38) eine konische Stirnfläche (44) aufweist, mit der sie gegen eine entsprechende Konusfläche (88) der Ankerplatte (45) bei aktivierter Magnetspule (42) angezogen wird.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Federmittel (48) vorgesehen sind, die an der Ankerplatte (45) abgestützt sind und die Schiebehülse (38) in eine der Wirkrichtung der Magnetspule (42) entgegengesetzte Richtung axial beaufschlagen.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ringkappe (49) vorgesehen ist, die mit dem Kupplungskorb einerseits und der Ankerplatte (45) andererseits dichtend verbunden ist, wobei die hydraulische Kammer (50) innerhalb der Ringkappe (49) gebildet ist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (42) koaxial außerhalb der Schiebehülse (38) und axial im Bereich der Ankerplatte (45) angeordnet ist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein erstes Kupplungsteil (3) und ein relativ hierzu um eine Drehachse (A) drehbares zweites Kupplungsteil (4); eine Verdrängermaschine (22) mit einem ersten Rotor (23), der relativ zu einem der beiden Kupplungsteile (3, 4), nämlich dem ersten Kupplungsteil (3) oder dem zweiten Kupplungsteil (4), exzentrisch gelagert ist, und mit einem zweiten Rotor (25), der mit dem anderen der beiden Kupplungsteile (3, 4), nämlich dem zweiten Kupplungsteil (4) oder dem ersten Kupplungsteil (3) drehfest verbunden ist; wobei zwischen dem ersten Rotor (23) und dem zweiten Rotor (25) mehrere Verdrängungsräume (31) gebildet sind, die mit einem hydraulischem Fluid gefüllt sind und bei relativer Drehung des ersten Rotors (23) relativ zum zweiten Rotor (25) sich verkleinernde Druckräume (32) und sich vergrößernde Saugräume (33) bilden; eine Ringkammer (50), in die ein mit den Druckräumen (32) verbundener erster Verbindungskanal (34) und ein mit den Saugräumen (33) verbundener zweiter Verbindungskanal (35) münden; ein dem ersten Verbindungskanal (34) zugeordnetes erstes Ventilelement (94) und ein dem zweiten Verbindungskanal (35) zugeordnetes zweites Ventilelement (93), wobei das erste und das zweite Ventilelement (93, 94) mit einer axial verschiebbaren Ankerplatte (45) verbunden sind; wobei die Ankerplatte (45) zwischen einer Schließstellung, in der die Verbindungskanäle (34, 35) von den Ventilelementen (93, 94) verschlossen sind, und einer Offenstellung, in der die Verbindungskanäle (34, 35) von den Ventilelementen (93, 94) freigegeben sind, axial verschiebbar ist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilelemente (93, 94) jeweils ein Trägerelement (99) mit einer axialen Ausnehmung (95) und eine in der Ausnehmung aufgenommene Ventilkugel (96) aufweisen, wobei die Ventilkugel (96) in der Schließstellung die Mündung des zugehörigen Verbindungskanals (34, 35) verschließt.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Kupplungsteile (3, 4) in Form eines Kupplungskorbs gestaltet ist, der einen Mantelabschnitt und eine Seitenwandung (41) aufweist, wobei die Verbindungskanäle (34, 35) in Form von die Seitenwandung (41) durchsetzenden Bohrungen gestaltet sind.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (50) von der Seitenwand (41) des Kupplungskorbs einerseits und von einem Ringkolben (97) andererseits axial begrenzt wird, wobei die Ventilelemente (93, 94) axiale Durchbrüche (98) des Ringkolbens (97) durchdringen.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (45) durch eine stehende Magnetspule (42) berührungslos angesteuert wird.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (42) in einem Trägerelement (43) aufgenommen ist, wobei das Trägerelement (43) und die Ankerplatte (45) aus ferromagnetischem Material hergestellt sind.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (42) stufenlos betätigbar ist, wobei zwischen der Schließstellung und der Offenstellung der Ankerplatte (45) auch Zwischenstellungen einstellbar sind.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Federmittel (48) vorgesehen sind, die an dem Ringkolben (97) abgestützt sind und die Ankerplatte (45) in eine der Wirkrichtung der Magnetspule (42) entgegengesetzte Richtung axial beaufschlagen.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängermaschine (22) in Form einer Zahnringmaschine gestaltet ist, wobei ein äußerer der beiden Rotoren (23, 25) eine trochoidenförmige Innenverzahnung (24) aufweist, die mit einer trochoidenförmigen Außenverzahnung (26) eines inneren der beiden Rotoren (25, 23) in Zahneingriff ist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverzahnung (24) des äußeren Rotors (23) eine Vielzahl von in teilzylindrischen Ausnehmungen (27) drehbar einsitzenden Planetenrädern (28) umfaßt und daß der innere Rotor (23) entlang seiner Außenverzahnung (26) eine Zahnstruktur aufweist, die mit der Verzahnung der Planetenräder (28) kämmend in Eingriff ist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben (52) in dem Kupplungskorb axial zwischen der Verdrängermaschine (22) und der Seitenwandung (41) angeordnet ist, der einen die Druck räume (32) mit dem ersten Verbindungskanal (34) verbindenden ersten axialen Durchbruch (61) und einen die Saugräume (33) mit dem zweiten Verbindungskanal (35) verbindenden zweiten axialen Durchbruch (62) aufweist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (52) in seiner der Verdrängermaschine (22) zugewandten Stirnfläche zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende, voneinander getrennte Kanäle (57, 58) aufweist, wobei der erste axiale Durchbruch (61) mit dem einen der beiden Kanäle (57, 58) und der zweite axiale Durchbruch (62) mit dem anderen der beiden Kanäle (58, 57) verbunden ist.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Durchbrüche (61, 62) des Kolbens (52) mit den in der Seitenwandung (41) gebildeten Verbindungskanälen (34, 35) fluchten.
Hydrostatische Kupplungsanordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kolben (52) und der Seitenwandung (41) des Kupplungskorbs (3) Dichtmittel (59) vorgesehen sind, die den Übergangsbereich zwischen dem axialen Durchbruch (62) und dem zugehörigen Verbindungskanal (35) umgeben.