DE102008035539B4

DE102008035539B4 - Kupplung mit einer Erhebungen aufweisenden Reibplatte

Info

Publication number: DE102008035539B4
Application number: DE102008035539.9A
Authority: DE
Inventors: Gregory Mordukhovich; Sergei Glavatskikh
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: DE102008035539A1; CN101358626A; US9212703B2; CN101358626B; US20090032356A1

Abstract

Kupplung (10), umfassend: eine Reaktionsplatte (16), die konfiguriert ist, um eine Kompressionskraft auszuüben; eine Reibplatte (12), die eine der Reaktionsplatte gegenüberliegende Fläche aufweist; eine Reibungsmaterialschicht (22), die eine erste, an der Fläche der Reibplatte (12) angebrachte Fläche und eine zweite, der Reaktionsplatte (16) gegenüberliegende Fläche (24) aufweist, wobei an der zweiten Fläche (24) eine Mehrzahl von Erhebungen (26) vordefinierter Höhe relativ zu der Oberfläche (24) der Reibungsmaterialschicht (22) ausgebildet ist, die jeweils einen von einem Rand (28) umgebenen Hohlraum (30) vordefinierter Tiefe aufweisen; und ein zwischen der Reaktionsplatte (16) und der Reibungsmaterialschicht (22) angeordnetes Schmierfluid (14), um die Kompressionskraft zu übertragen und zwischen der Reaktionsplatte (16) und der Reibplatte (12) eine Schmierschicht (14) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Tiefe des Hohlraums (30) geringer ist als die vordefinierte Höhe der Erhebungen (26), sodass in dem Hohlraum (30) befindliches Schmierfluid (14) während eines Einrückens der Kupplung (10) aus dem Hohlraum (3) gedrückt oder gepresst wird und über den Rand (28) auf die Oberfläche (24) fließt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung mit einer Erhebungen aufweisenden Reibplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der US 4,667,534 A bekannt geworden ist.
HINTERGRUND
Drehmoment übertragende Vorrichtungen, wie zum Beispiel Kupplungen oder Bremsen, werden in der ganzen Automobilindustrie häufig eingesetzt. Zum Beispiel verwenden Kraftfahrzeug-Getriebe eine Vielzahl von Kupplungen, um die Zahnradsätze des Getriebes in und außer Eingriff zu nehmen, um Vorwärts- und Rückwärts-Übersetzungsverhältnisse bereitzustellen. Die Kupplung weist eine Reaktionsplatte zum Ausüben einer Kompressionskraft auf. Die Kupplung weist ferner eine Reibplatte auf, die benachbart zu der Reaktionsplatte angeordnet ist, um die Reaktionsplatte reibend in Eingriff zu nehmen, um ein Antriebsmoment zwischen der Reaktionsplatte und der Reibplatte zu übertragen, wenn die Kompressionskraft aufgebracht wird. Die Kupplung weist ferner eine Reibungsmaterialschicht auf, die an der Reibplatte haftet und sich gegenüber von der Reaktionsplatte befindet. Die Reibungsmaterialschicht ist konfiguriert, um von der Reaktionsplatte zusammengedrückt werden zu können. In der Reibungsmaterialschicht können Nuten, Schlitze oder Vertiefungen ausgebildet sein, wie dies bei den in den Druckschriften US 5,094,331 A , JP 2004 211781 A , EP 0 758 722 A2 , US 2004/0050646 A1 , DE 44 43 096 C1 , DE 15 75 906 B oder US 1,833,414 A beschriebenen Kupplungen der Fall ist.
Die Kupplung weist ferner ein Fluidschmiermittel auf, das zwischen der Reaktionsplatte und der Reibplatte angeordnet ist, um zwischen den Platten während eines Einrückens der Kupplung eine Schmierschicht bereitzustellen.
Während eines Einrückens der Kupplung bestehen drei vorherrschende Schmierzustände: hydrodynamischer (HD), sanft-elastohydrodynamischer (Sanft-EHD) und Grenzzustand. Der hydrodynamische Schmierzustand zeichnet sich durch eine dicke Fluidfilmdicke, einen niedrigen Nennberührungsdruck der Platten der Kupplung und einen extrem niedrigen Traktions-/Reibungskoeffizienten aus. Somit ist während des hydrodynamischen Schmierzustands eine Drehmomentübertragung schwer zu erreichen.
Während des sanft-elastohydrodynamischen Schmierzustands dienen die scharfen Nutenränder und/oder die Raufasertopografie des Reibungsmaterials dazu, den hydrodynamischen Film zu durchbrechen und Filminseln zu erzeugen, welche die Berührungsflächen der Kupplungsplatten trennen. Die Inseln sind aufgrund der nichthomogenen Natur des Reibungsmaterials, der Welligkeit der Platten und der ungleichen Lastverteilung ungleichmäßig über die Oberfläche verteilt. Da die Nennlast auf der Reibplatte konstant ist, erfahren die Fluidinseln einen viel größeren Druck als in dem hydrodynamischen Zustand besteht. Wenn das Schmierfluid dünner wird, erhöht sich seine Schergeschwindigkeit rapide, was ermöglicht, dass ein ausreichendes Drehmoment durch das Fluid übertragen wird.
Während des Grenzschmierzustands erfährt das Sanft-EHD-Fluid aufgrund einer Geschwindigkeitsabnahme und eines Temperaturanstiegs eine Zersetzung. Ferner werden die aktiven Zusatzstoffe in der Oberfläche der Reibungsmaterialschicht aktiviert und erzeugen eine Niedrig-Scher-Schutzfluidschicht, die wie ein Feststoffschmiermittel fungiert, das mit der Reibungsmaterialschicht interagiert, um einen Feststoff-zu-Feststoff-Reibungskoeffizienten zu erzeugen, der dem EHD-Wert näher ist. Eine tribochemische Schicht ist das Ergebnis einer chemischen Reaktion zwischen den Fluidschmiermittel-Zusatzstoffen und den Berührungsflächen der Kupplungsplatten. Wenn das Fluidschmiermittel sich verschlechtert, erfährt die tribochemische Schicht eine Abscherung. Die chemischen Bindungen zersetzen sich, und die Zusatzstoffe in dem Fluid werden aufgebraucht. Die tribochemische Schicht wird aufgefüllt, indem neue, nicht aufgebrauchte Zusatzstoffe aus dem Fluid verwendet werden. Wenn die Zusatzstoffkonzentration in dem Fluid unterhalb eines vordefinierten kritischen Schwellwerts fällt, erhöht sich der lokale Reibungskoeffizient in seinem Wert und führt zu einem ungleichen Einrücken der Kupplung (Shudder oder Stick-Slip) oder einer weiteren Temperaturerhöhung. Vorausgesetzt, dass die Temperatur ansteigt, kann die hohe Temperatur zu einer Beschädigung des Reibungsmaterials führen (Verschleiß, Rissbildung und Verglasung). Die Reaktionsplatte kann ebenfalls beschädigt werden, was Hitzefleckenbildung beinhalten kann.
Der Sanft-EHD-Zustand ist der optimale Zustand für den Kupplungsbetrieb aus den folgenden Gründen: (1) Die Fluiddünnfilm-Traktion sieht Reibungskoeffizienten vor, die ausreichend sind, um das erforderliche Drehmoment zu übertragen. (2) Die Dünnfilm-Traktion erzeugt keine übermäßige Hitze, die das Reibungsmaterial (Verschleiß, Rissbildung und Verglasung) und die Reaktionsplatte (Hitzefleckenbildung) beschädigen kann, was zu einem Reibungsverlust führt und in Shudder resultiert. (3) Die oberflächenaktiven Reibungsmodifikatoren werden während des Sanft-EHD-Zustands nicht verbraucht, daher wird die Fluidverschlechterung verzögert. Solange wie der Fluidgrundbestand aus hohen Güteklassen gewählt wird, ist die Oxidation eines großen Teils nicht die primäre Ausfallart der Kupplung bis zu einer Fluidwannentemperatur von 135 Grad Celsius. (4) Der Fluidfilm sowie das Reibungsmaterial haben Dämpfungsfähigkeiten, welche die Amplitude einer selbstinduzierten und/oder externen Schwingung der Reibungsschnittstelle reduzieren. (5) Der Traktions-/Reibungskoeffizient ist zu dem Reibungswiderstand proportional, der mit zunehmender Temperatur (dies ist typisch für den Kupplungseinrückungszyklus) und positiver Reibung/Schlupfneigung abnimmt. (6) Verglichen mit anderen Schmiersystemen kann die Kupplung in dem Sanft-EHD-Modus für ausreichend lange Zeiträume arbeiten, ohne irgendeine Beschädigung der Berührungsfläche oder deren Ausfall.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Kupplung bereitzustellen, die den Sanft-EHD-Zustand während eines Einrückens der Kupplung verlängert. Die neue und verbesserte Kupplung soll einen ausreichenden Reibungskoeffizienten aufrechterhalten und keine übermäßige Hitze erzeugen, welche die Reibungsmaterialschicht der Kupplung beschädigt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Kupplung bereit, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die Erfindung verlängert das Sanft-EHD-System während eines Einrückens, erhöht den tatsächlichen Berührungsbereich während des Sanft-EHD-Schmiersystems und vermindert den tatsächlichen Berührungsdruck der Berührungsflächen während des Sanft-EHD-Schmiersystems.
ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht einer Drehmoment übertragenden Vorrichtung, die zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebunden ist;
2 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht der Drehmoment übertragenden Vorrichtung von 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3a ist eine vergrößerte Teilquerschnittansicht der Drehmoment übertragenden Vorrichtung von 1 mit einer Mehrzahl von Erhebungen, die auf einer Oberfläche einer in 2 gezeigten Reibungsmaterialschicht gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
3b ist eine vergrößerte Ansicht einer in 3a gezeigten Erhebung; und
3c ist eine vergrößerte Querschnittansicht der Drehmoment übertragenden Vorrichtung von 1 mit der in 3a gezeigten Mehrzahl von Erhebungen und in einem Einrückungszustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, wird in 1 eine Seitenansicht einer Drehmoment übertragenden Vorrichtung 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Drehmoment übertragende Vorrichtung 10 wird in Automobilanwendungen allgemein als eine Kupplung oder Bremse bezeichnet. Die Drehmoment übertragende Vorrichtung 10 weist eine erste Platte oder Reibplatte 12 und eine zweite Platte oder Reaktionsplatte 16 auf. Die Reibplatte 12 ist von der Reaktionsplatte 16 durch eine Schicht eines Schmierfluids 14 getrennt. Das Schmierfluid 14 ist zwischen der Reibplatte 12 und der Reaktionsplatte 16 angeordnet, und wird verwendet, um eine Schmiergrenze zwischen den Platten 12 und 16 bereitzustellen.
Die Drehmoment übertragende Vorrichtung 10 ist zwischen einer Antriebswelle 18 und einer Abtriebswelle 20 eingebunden. Insbesondere ist die Reibplatte 12 mit der Antriebswelle 18 gekoppelt, und die Reaktionsplatte 16 ist mit der Abtriebswelle 20 gekoppelt. Die Antriebswelle 18 ist typischerweise mit einer Drehmoment erzeugenden Vorrichtung, wie zum Beispiel eine Brennkraftmaschine (nicht gezeigt), verbunden. Die Abtriebswelle 20 kann mit einem Planetenradsatz (nicht gezeigt) verbunden sein, um ein Antriebsmoment von der Maschine auf den Planetenradsatz zu übertragen, um die Räder eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Jedoch kann jede der Platten 12, 16 der Drehmoment übertragenden Vorrichtung 10 auch mit einem rotierenden Element oder mit einem nicht rotierenden Element verbunden sein. Sowohl die Reibplatte 12 als auch die Reaktionsplatte 16 sind aus Stahl oder einem ähnlichen Material hergestellt. Fachleute werden jedoch erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf Platten angewendet werden kann, die aus anderen Materialien, wie zum Beispiel Metalllegierungen, Verbundwerkstoffe oder ähnliche, hergestellt sind.
Nun auf 2 Bezug nehmend wird eine teilweise weggeschnittene Ansicht der Drehmoment übertragenden Vorrichtung 10 von 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Teile der Reaktionsplatte 16 wurden entfernt, um die Schmierschicht 14 und eine Reibungsmaterialschicht 22 offen zu legen. Die Reibungsmaterialschicht 22 ist an einer Fläche 23 der Reibplatte 12 angebracht. Die Reibungsmaterialschicht 22 kann eine einer Vielzahl von Reibungsmaterialien umfassen, die heutzutage bei Drehmoment übertragenden Mechanismen üblicherweise verwendet werden. Jedoch zieht die vorliegende Erfindung in Erwägung, dass die Reibungsmaterialschicht 22 aus Zellulose, Kevlar und Harz oder irgendeiner Kombination dieser Materialien in variierenden Massenanteilen in Prozent hergestellt wird, die in aktuellen Kupplungsanwendungen im Gebrauch sein können oder auch nicht. Die Reibungsmaterialschicht 22 ist ein zusammendrückbares nachgiebiges Material, das zu seiner anfänglichen Höhe und Form zurückkehrt, bevor es von der Reaktionsplatte 16 zusammengedrückt wird, vorausgesetzt, dass die Reibungsmaterialschicht 22 nicht über ihren elastischen Grenzwert hinaus zusammengedrückt wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Reibungsmaterialschicht 22 eine Mehrzahl von Erhebungen oder Einbuchtungen 26 auf, die auf einer Oberfläche 24 der Reibungsmaterialschicht 22 ausgebildet sind. Die Erhebungen 26 sind über die Oberfläche 24 der Reibungsmaterialschicht 22 in einem vordefinierten Muster und gleichmäßig beabstandet angeordnet. Wie gezeigt, sind die Erhebungen 26 radial ausgerichtet. Es ist hervorzuheben, dass die Erhebungen 26 in einer Vielzahl von Mustern, einschließlich eines Zufallmusters, angeordnet sein können. Die Dichte der Erhebungen 26 über die Oberfläche 24 kann auch in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung oder den gewünschten Leistungskriterien variiert werden.
Nun auf 3a und 3b Bezug nehmend, wird eine Teilquerschnittansicht der Drehmoment übertragenden Vorrichtung 10 durch eine Mehrzahl von Erhebungen 26 in 3a gezeigt. Des Weiteren wird eine vergrößerte Ansicht einer Erhebung 26 in 3b gezeigt. Jede Erhebung 26 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Rand 28 auf. Der Rand 28 hat eine vordefinierte Höhe relativ zu der Oberfläche 24 der Reibungsmaterialschicht 22. Jede Erhebung 26 weist ferner einen von dem Rand 28 definierten Hohlraum 30 auf. Jeder Hohlraum 30 weist eine im Wesentlichen runde Bodenfläche auf. Jedoch ist hervorzuheben, dass die Bodenfläche des Hohlraums 30 mit einer anderen Form ausgebildet sein kann. Jede Erhebung 26 ist derart geformt, dass der Hohlraum 30 tief genug ist, um das Schmierfluid 14 während der Kupplungsbetätigung unter Berücksichtigung der elastoplastischen Verformung und Abnutzung der Reibungsmaterialschicht 22 einzubehalten. Jedoch erlaubt die vordefinierte Tiefe eines jeden Hohlraums 30, dass das Schmierfluid 14 über den Rand 28 läuft. Während eines Einrückens der Kupplung 10 wird das Schmierfluid 14 aus dem Hohlraum 30 gedrückt oder gezwängt und fließt über den Rand 28 auf die Oberfläche 24 der Reibungsmaterialschicht 22, um zwischen der Schicht 22 und der Platte 16 einen Dünnfilm des Schmierfluids zu erzeugen. Jeder Rand 28 dient dazu, den Dünnfilm des Schmierfluids 14 zu durchdringen, was den Berührungsbereich zwischen der Reibungsmaterialschicht 22 und der Reaktionsplatte 16 erhöht.
Wie in 3a gezeigt, befindet sich die Drehmoment übertragende Vorrichtung 10 in einem nicht eingerückten Zustand. Während des nicht eingerückten Zustands berührt die Reaktionsplatte 16 die Reibungsmaterialschicht 22 nicht, und daher wird keine Last übertragen. Wie gezeigt, ist die Reibungsmaterialschicht 22 nicht zusammengedrückt. Während des nicht eingerückten Zustands weist die Reibungsmaterialschicht 22 eine Dicke T_uc auf. Insbesondere, wenn Kraft auf die Drehmoment übertragende Vorrichtung 10 aufgebracht wird, werden die Erhebungen 26 und die Reibungsmaterialschicht 22 zusammengedrückt. Der Rand 28 einer jeden Erhebung 26 hat eine vordefinierte Höhe relativ zu der Oberfläche der Reibungsmaterialschicht 22. Die Höhe eines jeden Rands 28 verhindert, dass die Reibungsmaterialschicht 22 über eine vordefinierte elastische Zone hinaus zusammengedrückt wird.
Nun auf 3c Bezug nehmend wird eine Teilquerschnittansicht der Drehmoment übertragenden Vorrichtung 10 von 3a gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie gezeigt, befindet sich die Drehmoment übertragende Vorrichtung 10 in einem eingerückten Zustand. Während des eingerückten Zustands werden die Reaktionsplatte 16 und die Reibplatte 12 in Richtung von einander bewegt. Insbesondere berührt die Reaktionsplatte 16 die Erhebungen 26 und drückt die Reibungsmaterialschicht 22 zusammen. Infolge der Kompression wird das Schmierfluid 14 aus dem Hohlraum 30 gezwängt. Darüber hinaus durchdringt jeder Rand 28 einer jeden Erhebung 26 das Schmierfluid 14, das aus dem Hohlraum 30 gezwängt wird, was dazu führt, dass die Last gleichmäßig über die ganze Oberfläche 24 der Reibungsmaterialschicht 22 verteilt wird.
Zusammengefasst weist die vorliegende Erfindung viele Vorteile und Nutzen gegenüber dem Stand der Technik auf. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um die vielen Probleme zu bewältigen, die bei Drehmoment übertragenden Vorrichtungen 10 vom Stand der Technik gefunden werden. Zum Beispiel durchbrechen die Erhebungen 26 den Film während des anfänglichen eingerückten Zustands, was den Berührungsbereich zwischen der Reaktionsplatte 16 und der Reibungsmaterialschicht 22 erhöht und den Berührungsdruck zwischen der Reaktionsplatte 16 und der Reibplatte 12 mindert. Die Erhebungen 26 verteilen auch die Last gleichmäßig über den ganzen Abschnitt der Oberfläche 24 der Reibungsmaterialschicht 22. Die Erhebungen 26 verlängern auch den Sanft-EHD-Zustand, indem sie das Schmierfluid 14 in den Hohlräumen 30 einbehalten und die notwendige Menge über die Reibungsmaterialschicht 22 verteilen. Darüber hinaus verhindern die Erhebungen 26, dass sich die Reibungsmaterialschicht 22 überhitzt, da das Schmierfluid 14 in den Hohlräumen 30 gesammelt und gleichmäßig über die Reibungsmaterialschicht 22 während der Kompression der Reibungsmaterialschicht 22 auf einer Nach-Bedarf-Basis dispergiert wird. Die Erhebungen 26 minimieren die Menge an Fluid, die notwendig ist, damit die Drehmoment übertragende Vorrichtung 10 optimal arbeitet, was die erforderliche Ölpumpenleistung während des Betriebs der Drehmoment übertragenden Vorrichtung 10 mindert. Die Erhebungen 26 verlängern auch die Schlupfzeit ohne Shudder und erhöhen die Leistungsdichte der Drehmoment übertragenden Vorrichtung 10 ohne Shudder.

Claims

Kupplung (10), umfassend: eine Reaktionsplatte (16), die konfiguriert ist, um eine Kompressionskraft auszuüben; eine Reibplatte (12), die eine der Reaktionsplatte gegenüberliegende Fläche aufweist; eine Reibungsmaterialschicht (22), die eine erste, an der Fläche der Reibplatte (12) angebrachte Fläche und eine zweite, der Reaktionsplatte (16) gegenüberliegende Fläche (24) aufweist, wobei an der zweiten Fläche (24) eine Mehrzahl von Erhebungen (26) vordefinierter Höhe relativ zu der Oberfläche (24) der Reibungsmaterialschicht (22) ausgebildet ist, die jeweils einen von einem Rand (28) umgebenen Hohlraum (30) vordefinierter Tiefe aufweisen; und ein zwischen der Reaktionsplatte (16) und der Reibungsmaterialschicht (22) angeordnetes Schmierfluid (14), um die Kompressionskraft zu übertragen und zwischen der Reaktionsplatte (16) und der Reibplatte (12) eine Schmierschicht (14) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Tiefe des Hohlraums (30) geringer ist als die vordefinierte Höhe der Erhebungen (26), sodass in dem Hohlraum (30) befindliches Schmierfluid (14) während eines Einrückens der Kupplung (10) aus dem Hohlraum (3) gedrückt oder gepresst wird und über den Rand (28) auf die Oberfläche (24) fließt.
Kupplung nach Anspruch 1, bei der die Reibungsmaterialschicht (22) ein zusammendrückbares nachgiebiges Material ist, das zu einer vordefinierten Höhe der Reibungsmaterialschicht (22) zurückkehrt, bevor es von der Reaktionsplatte (16) zusammengedrückt wird.
Kupplung nach Anspruch 2, bei der die Reibungsmaterialschicht (22) plan ist.
Kupplung nach Anspruch 1, bei der jede der Mehrzahl von Erhebungen (26) ein zusammendrückbares nachgiebiges Material ist, das zu der vordefinierten Höhe zurückkehrt, bevor es von der Reaktionsplatte (16) zusammengedrückt wird.
Kupplung nach Anspruch 4, wobei der Hohlraum (30) geformt ist, um das Schmierfluid (14) zu halten.
Kupplung nach Anspruch 4, bei der der Rand (28) eine kreisförmige Form aufweist.
Kupplung nach Anspruch 5, bei der der Hohlraum (30) eine runde Bodenfläche aufweist.
Kupplung nach Anspruch 1, bei der jede der Mehrzahl von Erhebungen (26) auf der zweiten Fläche (24) der Reibungsmaterialschicht (22) gleichmäßig beabstandet ist.
Kupplung nach Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von Erhebungen (26) auf der zweiten Fläche (24) der Reibungsmaterialschicht (22) (i) in einem vordefinierten Muster und/oder (ii) in einem Zufallsmuster angeordnet ist.
Kupplung nach Anspruch 9, bei der die Mehrzahl von Erhebungen (26) in dem vordefinierten Muster angeordnet ist.
Kupplung nach Anspruch 10, bei der die Mehrzahl von Erhebungen (26) radial ausgerichtet ist.
Kupplung nach Anspruch 9, bei der die Mehrzahl von Erhebungen (26) in dem Zufallsmuster angeordnet ist.