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Die
Erfindung betrifft ein Kupplungssystem für ein Kraftfahrzeug mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
DE 195 10 905 A1 beschreibt
ein Kupplungssystem für
ein Kraftfahrzeug mit einer automatisierten Kupplung. Die automatisierte
Kupplung weist eine Schwungscheibe, eine Kupplungsscheibe, eine Druckplatte
und eine Kupplungsfeder auf, wobei in einem geschlossenen Zustand
der Kupplung die Kupplungsfeder eine Kraft auf die Druckplatte ausübt, welche
die Druckplatte, die Kupplungsscheibe und die Schwungscheibe gegeneinander
drückt.
So kann ein Drehmoment zwischen der Schwungscheibe, welche mit einer
Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs antriebsmäßig verbunden ist, und der
Kupplungsscheibe, welche mit einem Getriebe antriebsmäßig verbunden
ist, reibschlüssig übertragen
werden. Die Kupplung kann geöffnet
werden, indem von einem Stellglied einer Ausrückvorrichtung über ein
Ausrücklager
eine Betätigungskraft
auf die Kupplungsfeder aufgebracht wird. Die Betätigungskraft verringert dabei
die Kraft der Kupplungsfeder auf die Druckplatte. Reicht die Kraft
nicht aus, um das an der Schwungscheibe anliegende Drehmoment zu übertragen,
so fängt
die Kupplung an zu rutschen. Hebt die Betätigungskraft die Kraft der
Kupplungsfeder auf, so ist die Kupplung vollständig geöffnet.
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Im
Kraftfluss zwischen dem Stellglied und der Kupplungsfeder ist eine
Zusatzfeder so angeordnet, dass sie über einen Teilbereich des Öffnungsvorgangs
eine die Betätigungskraft
unterstützende
Kraft erzeugt. Die vom Stellglied aufzubringende Betätigungskraft
wird damit in diesem Teilbereich kleiner.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kupplungssystem für ein Kraftfahrzeug
vorzuschlagen, bei welchem eine exakte Kupplungslageregelung möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Kupplungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die
Zusatzfeder so angeordnet, dass die Betätigungskraft zum Öffnen der Kupplung
erhöht
wird. Die Zusatzfeder ist insbesondere so ausgeführt und angeordnet, dass der
Verlauf der Betätigungskraft über dem
Ausrückweg
immer eine Steigung aufweist, welche größer als ein positiver Grenzwert
oder zumindest größer als
Null ist. Die Zusatzfeder kann dazu eine lineare oder auch nicht-lineare
Charakteristik aufweisen. Es ist auch möglich, dass mehr als eine Zusatzfeder
mit gleicher oder unterschiedlicher Charakteristik verwendet werden.
Die Zusatzfeder kann beispielsweise als eine mechanische Feder,
also beispielsweise als eine Schraubenfeder, eine Tellerfeder oder
eine Membranfeder, als eine pneumatische Feder, also beispielsweise
als eine Luftfeder, oder als ein gummielastisches Bauteil ausgeführt sein.
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Für eine exakte
Lageregelung der Kupplung ist es wichtig, dass die Betätigungskraft über dem Ausrückweg der
Kupplung immer einen Mindestanstieg aufweist. Ist dies nicht gewährleistet
kann dies zu so genanntem Stellerschwingen führen. Dies äußert sich dadurch, dass der
Kupplungsweg einer Sollwegvorgabe nur unter Ausführung von schwingungsähnlichen
Bewegungen folgen kann. Damit führt auch
die Druckplatte eine unerwünschte
Bewegung aus. Da der Ausrückweg
das übertragbare
Drehmoment der Kupplung maßgeblich
bestimmt, schwingt auch das übertragene
Drehmoment der Kupplung, was zu Schwingungen im Antriebsstrang des
Kraftfahrzeugs führt.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
der Zusatzfeder kann erreicht werden, dass die Betätigungskraft über dem
Ausrückweg
der Kupplung immer eine Mindeststeigung aufweist und so eine exakte
Regelung des Ausrückwegs
ermöglicht
wird.
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Die
Betätigungskraft über dem
Ausrückweg weist
ohne Zusatzfeder insbesondere dann einen problematischen Verlauf
auf, wenn die Kupplungsfeder als eine Membranfeder ausgeführt ist.
In diesem Fall wird die Steigung nach Überschreiten einer Wegschwelle
sogar negativ. Damit ist ab dieser Schwelle für ein weiteres Öffnen der
Kupplung eine kleinere Betätigungskraft
notwendig als für
das Erreichen der Schwelle.
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Das
Stellglied des Ausrücksystems
kann beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch, beispielsweise
als eine Kolben-Zylinder-Einheit,
elektrisch, beispielsweise als ein Elektromotor, oder als eine Kombination
aus mehreren dieser Einheiten ausgeführt sein. Insbesondere Kupplungssysteme
mit pneumatischen Stellgliedern, welche also mit Druckluft arbeiten,
sind schwingungsanfällig.
Dies rührt
daher, dass diese Stellglieder regelungstechnisch gesehen zu einem
so genannten weichen Gesamtsystem führen. Bei zu steilen negativen
Gradienten der Ausrückkraftkennlinie
kann dies zur Instabilität
der Lageregelung führen.
Daher ist das erfindungsgemäße Kupplungssystem
insbesondere beim Einsatz pneumatischer Stellglieder vorteilhaft
einsetzbar.
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Die
automatisierte Kupplung kann insbesondere auch als eine selbst nachstellende
Kupplung ausgeführt
sein. Selbst nachstellende Kupplungen sind dem Fachmann bekannt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist die Zusatzfeder nur in Teilbereichen
des zum Öffnen
der Kupplung notwendigen Ausrückwegs
des Ausrücklagers
wirksam. Damit kann die Betätigungskraft
gezielt in problematischen Bereichen beeinflusst werden. Beispielsweise
kann sie nur in den Bereichen, in denen die Steigung des Verlaufs
der Betätigungskraft zu
klein ist, erhöht
werden. Damit werden der Kraftaufwand und damit der notwendige Energiebedarf
für das Öffnen der
Kupplung nur in den erforderlichen Bereichen erhöht. Falls mehr als eine Zusatzfeder verwendet
wird, können
die einzelnen Zusatzfedern in unterschiedlichen Bereichen einzeln
oder auch gekoppelt wirken.
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Der
Bereich, in dem die Zusatzfeder wirken soll, kann auf verschiedene
Arten festgelegt werden.
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Wenn
der Verlauf der notwendigen Betätigungskraft
der Kupplungsfeder einen ersten Bereich mit einer ersten Steigung
und einen zweiten Bereich mit einer zweiten, kleineren Steigung
aufweist, so ist die Zusatzfeder nur im zweiten Bereich, in welchem die
Steigung sehr klein, insbesondere Null oder kleiner Null ist, wirksam.
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Die
Zusatzfeder kann in Bereichen des Ausrückwegs des Ausrücklagers
wirksam sein, in welchen ein Verlauf der notwendigen Betätigungskraft der
Kupplungsfeder eine Steigung kleiner als oder gleich einer Grenzsteigung
aufweist. Die Grenzsteigung kann so gewählt werden, dass die Steigung sehr
gering oder insbesondere Null ist.
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Die
Zusatzfeder kann auch erst nach Überschreiten
einer Wegschwelle wirksam sein. Sie wirkt also erst dann, wenn die
Kupplung schon zum Teil geöffnet
ist. Damit kann der Bereich sehr einfach begrenzt und festgelegt
werden. Diese Vorgehensweise ist beispielsweise bei einer Verwendung
einer Membranfeder als Kupplungsfeder sinnvoll anwendbar. Prinzipbedingt
hat der Verlauf der Betätigungskraft
einer Membranfeder am Beginn des Öffnungsvorgangs eine große positive
Steigung. Nach Überschreiten
eines Grenzwerts wird der Verlauf immer flacher, bis die Steigung
Null und dann negativ wird. Die Wegschwelle für das Wirken der Zusatzfeder wird
dann insbesondere gleich des Grenzwerts der Membranfeder gesetzt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellglied als eine fluidbetätigte Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführt, wobei
als Betriebsfluid beispielsweise Druckluft oder Öl verwendet wird. Die Zusatzfeder
ist innerhalb des Zylinders angeordnet. Damit sind für den Einbau
des erfindungsgemäßen Kupplungssystems
gegenüber
dem Einbau eines Kupplungssystems nach dem Stand der Technik keine
weiteren Änderungen
notwendig.
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Die
Zusatzfeder im Zylinder ist insbesondere so angeordnet, dass sie
erst nach Überschreiten
einer Wegschwelle wirksam ist. Innerhalb des Zylinders können eine
oder mehrere Zusatzfedern mit gleicher oder unterschiedlicher Charakteristik
angeordnet sein. Beim Einsatz mehrerer Zusatzfedern können diese
nach Überschreiten
einer gemeinsamen Wegschwelle wirksam werden oder jeder Zusatzfeder kann
eine individuelle Wegschwelle zugeordnet sein. Die Wegschwelle kann
dabei variabel ausgeführt
sein.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der
Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Kupplungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einer automatisierten Kupplung
und
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2 Verläufe von
notwendigen Betätigungskräften über einem
Ausrückweg
der Kupplung des Kupplungssystems.
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Gemäß 1 weist
ein Kupplungssystem 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs
eine automatisierte Kupplung 19 auf. Die Kupplung kann
insbesondere als eine selbst nachstellende Kupplung ausgeführt sein.
Eine Schwungscheibe 18 der Kupplung 19 ist mit
einer Ausgangswelle 13 einer nicht dargestellten Antriebsmaschine
drehfest verbunden. Die Kupplung 19 weist außerdem eine
koaxial zur Schwungscheibe 18 angeordnete Anpressplatte 20 auf,
welche mit der Schwungscheibe 18 drehfest verbunden ist.
Zwischen der Schwungscheibe 18 und der Anpressplatte 20 ist
eine Kupplungsscheibe 21 mit nicht näher dargestellten Kupplungsbelägen angeordnet,
die mit einer Getriebeeingangswelle 22 eines nicht dargestellten
Getriebes drehfest verbunden ist. Im dargestellten geschlossenen
Zustand der Kupplung 19 wird die Druckplatte 20 von
einer als Membranfeder ausgeführten
Kupplungsfeder 24 in Richtung Schwungscheibe 18 gedrückt. Die
Kupplungsfeder 24 stützt
sich dazu an einem koaxial zur Getriebeeingangswelle 22 angeordneten
Kippring 28 ab, welcher über einen Kupplungsdeckel 23 mit
der Schwungscheibe 18 verbunden ist.
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Durch
die von der Kupplungsfeder 24 aufgebrachten Kraft werden
Druckplatte 20, Kupplungsscheibe 21 und Schwungscheibe 18 zusammengedrückt, so
dass ein Drehmoment der Antriebsmaschine von der Schwungscheibe 18 auf
die Kupplungsscheibe 21 und damit von der Antriebsmaschine
auf das Getriebe übertragen
werden kann.
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Die
Kupplungsfeder 24 liegt an ihrem äußeren Rand 25 an der
Druckscheibe 20 an. An ihrem inneren Rand 27 liegt
sie an einem Ausrücklager 26 an, welches
koaxial und verschieblich zur Getriebeeingangswelle 22 angeordnet
ist. Das Ausrücklager 26 ist
an einem Ausrücker 28 angeordnet,
der über
ein Ende 31 einer Ausrückgabel 30,
welches an einem Bolzen 11 des Ausrückers 28 angreift,
in Richtung Schwungscheibe 18 verschoben werden kann. Durch
das Verschieben des Ausrücklagers 26 in Richtung
Schwungscheibe 18 wird der innere Rand 27 der
Kupplungsfeder 24 ebenfalls verschoben, so dass die Kraft
am äußeren Rand 25 auf
die Druckplatte 20 abnimmt. Das Ausrücklager 26 kann so
weit verschoben werden, dass die Kupplungsfeder 24 keine
Kraft mehr auf die Druckplatte 20 ausübt und die Kupplung 19 damit
geöffnet
ist.
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Der
Weg, um den der Ausrücker 29 und
damit auch das Ausrücklager 26 ausgehend
vom dargestellten geschlossenen Zustand der Kupplung 19 verschoben
wird, wird als Ausrückweg
bezeichnet.
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Die
Ausrückgabel 30 ist
schwenkbar angeordnet. Am dem Ende 31 der Ausrückgabel 30 gegenüberliegenden
Ende 32 greift eine parallel zur Getriebeeingangswelle 22 angeordnete
Schubstange 33 eines als eine Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführten Stellglieds 34 an.
Die Schubstange 33 ist mit einem in einem Zylinder 35 geführten Kolben 36 verbunden. Über ein
Belüftungsventil 37 kann
Betriebsfluid in Form von Druckluft in einen vom Zylinder 35 und
dem Kolben 36 gebildeten Druckraum 38 geleitet werden.
Durch den Druck im Druckraum 38 wird der Kolben 36 und
damit die Schubstange 33 von der Schwungscheibe 18 weg
verschoben, so dass der Ausrücker 29 und
das Ausrücklager 26 über die
Ausrückgabel 30 auf
die Schwungscheibe 18 zu verschoben werden. Über ein
Entlüftungsventil 39 kann
Luft aus dem Druckraum 38 entweichen, so dass der Druck
im Druckraum 38 abgesenkt wird und der Kolben 36 über die
Ausrückgabel 30 von
der Kupplungsfeder 24 wieder in Richtung Schwungscheibe 18 verschoben
werden kann. Das Belüftungsventil 37 und das
Entlüftungsventil 39 werden
von einer nicht dargestellten elektronischen Steuerungseinrichtung
angesteuert. Die Steuerungseinrichtung kann damit die Kupplung 19 öffnen und
schließen,
sowie einen gewünschten
Ausrückweg
und damit ein gewünschtes übertragbares
Drehmoment gezielt einstellen. Die Steuerungseinrichtung führt dazu
insbesondere eine Lageregelung des Ausrücklagers 26 oder der
Position des Kolbens 36 durch.
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Innerhalb
des Zylinders 35 des Stellglieds 34 sind zwei
Zusatzfedern 40 und 41 in Form von Spiralfedern
angeordnet. Die Zusatzfedern 40 und 41 sind an
einem der Ausrückgabel 30 zugewandten
Boden 42 des Zylinders 35 befestigt. Im dargestellten,
geschlossenen Zustand der Kupplung 19 besteht zwischen
dem Kolben 36 und den Zusatzfedern 40, 41 kein
Kontakt, so dass sie keinen Einfluss auf die am Kolben 36 aufzubringende
Betätigungskraft
zu Beginn eines Öffnungsvorgangs
der Kupplung 19 haben. Erst wenn der Ausrückweg eine
Wegschwelle überschritten
hat, kommt der Kolben 36 mit den Zusatzfedern 40, 41 in
Kontakt. Zusätzlich
zur Kraft der Kupplungsfeder 24 muss bei einem weiteren Öffnen der
Kupplung 19, also bei weiter steigendem Ausrückweg, zusätzlich eine
Kraft der Zusatzfedern 40 und 41 überwunden
werden. Die am Kolben 36 zum Öffnen der Kupplung 19 notwendige
Kraft wird damit durch die Zusatzfedern 40, 41 erhöht. Da die
Zusatzfedern 40, 41 einen Einfluss auf die Betätigungskraft haben,
liegen sie im Kraftfluss zwischen dem Kolben 36 und der
Kupplungsfeder 24.
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Das
Ausrücklager 26,
der Ausrücker 29,
die Ausrückgabel 30,
sowie das Stellglied 34 bilden gemeinsam eine Ausrückvorrichtung 43 des
Kupplungssystems 10.
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In 2 sind
die Verläufe
der notwendigen Betätigungskräfte in [N]
der Kupplungsfeder 24 und der Zusatzfedern 40, 41 (Summe
von beiden), sowie die resultierende Betätigungskraft am Kolben 36 über dem
Ausrückweg
[mm] dargestellt. Eine gepunktete Linie 50 stellt dabei
die Betätigungskraft
der Kupplungsfeder 24 alleine, eine gestrichelte Linie 51 die Betätigungskraft
der Zusatzfedern 40, 41 alleine, sowie eine durchgezogene
Linie 52 die resultierende Betätigungskraft am Kolben 36 dar.
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Die
Betätigungskraft
der Kupplungsfeder 24 steigt ausgehend von Null mit einer
großen
Steigung an. Die Steigung nimmt kurz vor einer Wegschwelle s1 langsam
ab, um nach Erreichen der Wegschwelle s1 schnell bis auf Null abzusinken
und anschließend leicht
negativ zu werden. Nach Erreichen eines Tiefpunkts steigt der Verlauf
bis zum vollständigen Öffnen der
Kupplung 19 wieder leicht an. Die Wegschwelle s1 teilt
damit den Verlauf in einen ersten Bereich (Ausrückweg kleiner als s1) und einen
zweiten Bereich (Ausrückweg
größer als
s1) mit kleinerer Steigung als im ersten Bereich.
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Bei
Erreichen der Wegschwelle s1 kommt der Kolben 36 in Kontakt
mit den Zusatzfedern 40, 41, so dass deren Betätigungskraft
beginnend beim Ausrückweg
von s1 linear ansteigt. Die Zusatzfedern 40, 41 wirken
damit nur in einem Teilbereich des Ausrückwegs.
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Ab
der Wegschwelle s1 muss vom Kolben 36 sowohl die Betätigungskraft
für die
Kupplungsfeder 24, als auch die Betätigungskraft für die Zusatzfedern 40, 41 aufgebracht
werden, so dass die resultierende, also insgesamt aufzubringende
Betätigungskraft auch
nach Überschreiten
der Wegschwelle s1 weiterhin ansteigt.
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Die
Zusatzfedern 40 und 41 sind in dem dargestellten
Beispiel gleichartig ausgeführt.
Sie weisen beide eine lineare Charakteristik auf und wirken beide
ab demselben Ausrückweg.
Es ist aber ebenso möglich,
dass die beiden Zusatzfedern unterschiedliche und/oder nicht lineare
Charakteristiken aufweisen. Ebenso können sie ab unterschiedlichen
Ausrückwegen
wirken. Statt zwei Zusatzfedern können auch mehr als zwei Federn
oder auch nur eine Spiralfeder verwendet werden.