DE102010054429B4

DE102010054429B4 - Kupplungsanordnung

Info

Publication number: DE102010054429B4
Application number: DE102010054429.9A
Authority: DE
Inventors: Scott William Heitzenrater; John A. Diemer; Douglas John Dwenger; Larry D. Diemer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102102714B; CN102102714A; US20110147155A1; US8376900B2; DE102010054429A1

Abstract

Kupplungsanordnung (10) zum Übertragen eines ersten Drehmoments zwischen einem ersten Glied (12) und einem zweiten Glied (13), wobei die Kupplungsanordnung (10) umfasst:
eine Freilaufkupplung (14), die zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (13) angeordnet ist, wobei die Freilaufkupplung (14) ein vorgegebenes Auslegungsdrehmoment aufweist; und
eine Reibungskupplung (20), die mit der Freilaufkupplung (14) in Reihe zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (13) angeordnet ist, wobei die Reibungskupplung (20) ein vorgegebenes Haltedrehmoment aufweist, und
wobei die Reibungskupplung (20) die Drehung zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (13) zulässt, wenn das erste Drehmoment höher als das vorgegebene Haltedrehmoment ist;
dadurch gekennzeichnet ,
dass das vorgegebene Haltedrehmoment kleiner als das vorgegebene Auslegungsdrehmoment ist; und
dass die Freilaufkupplung (14) einen ersten Ring (16), der mit dem ersten Glied (12) über Keile (30, 110) in Eingriff ist, und einen zweiten Ring (18) umfasst, der dem ersten Ring (16) gegenüberliegt, wobei der zweite Ring (18) auf jeder axialen Seite jeweils eine ein erstes Reibelement (22) bildende Außenoberfläche (37) aufweist, wobei sich jede dieser Außenoberflächen radial mit jeweils einem zweiten Reibelement (24) überschneidet, das mit dem zweiten Glied (13) kerbverzahnt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Drehmomentübertragungsanordnungen und insbesondere auf eine Kupplungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die einen Schutz gegen Drehmomentüberlast enthält. Solch eine Kupplungsanordnung ist der Art nach beispielweise aus der US 2007 / 0 074 945 A1 bekannt.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften US 5 399 129 A , US 2006 / 0 025 278 A1 , US 2003 / 0 051 960 A1 und US 4 883 152 A verwiesen.
HINTERGRUND
Automatikgetriebe stellen durch wahlweises Betätigen einer oder mehrerer Bremsen oder Kupplungen eine Mehrzahl von Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahl- oder -übersetzungsverhältnissen bereit. Ein Typ einer in Automatikgetrieben nutzbaren Bremse oder Kupplung ist als eine Freilaufkupplung bekannt. Eine Freilaufkupplung enthält einen „verriegelten“ Modus in einer Drehrichtung und einen „Freilauf“-Modus in der entgegengesetzten Drehrichtung. Eine Freilauf- oder wählbare Freilaufkupplung ist mit einem Drehmomentgrenzwert ausgelegt, der mäßig höher als ein erwartetes Betriebsdrehmoment des Systems ist. Das Überschreiten des Drehmomentgrenzwerts kann eine dauerhafte Beschädigung der Freilaufkupplung oder anderer Getriebekomponenten verursachen. Wegen bestimmter Bedingungen kann der Antriebsstrang oder die Maschine eine Drehmomentspitze erzeugen, die ein höheres Drehmoment als das erwartete Betriebsdrehmoment des Systems überträgt. Drehmomentspitzen können den Drehmomentgrenzwert der Freilaufkupplung oder anderer Getriebekomponenten übersteigen, was eine dauerhafte Beschädigung
oder eine Störung der Freilaufkupplung oder anderer Getriebekomponenten verursacht.
Eine Lösung zum Berücksichtigen von Drehmomentspitzen enthält das Auslegen von Freilaufkupplungen mit einem Drehmomentgrenzwert, der hoch genug ist, um die hohen Drehmomentspitzen auszuhalten, sodass die Freilaufkupplung nicht beschädigt wird. Allerdings führt das Auslegen der Freilaufkupplung mit einem höheren Drehmomentgrenzwert häufig zu mehr Masse, höheren Kosten und höherem Spinverlust in der Freilaufkupplung.
Somit besteht ein Bedarf an einer neuen und verbesserten Kupplungsanordnung, die die Freilaufkupplung vor Drehmomentspitzen über dem erwarteten Betriebsdrehmoment schützt, während sie die Zunahmen der Masse, der Kosten und der Unzulänglichkeiten minimiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diesem Bedarf gerecht zu werden, wobei die verbesserte Kupplungsanordnung insbesondere möglichst kompakt und leichtbauend sein sollte.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einer Kupplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Kupplungsanordnung ferner ein Vorbelastungsglied, das mit der Reibungskupplung ununterbrochen in Eingriff ist.
In einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das erste Glied ein drehbares Glied in einem Automatikgetriebe und ist das zweite Glied ein feststehendes Glied in dem Automatikgetriebe.
In einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das drehbare Glied ein Hohlrad eines Planetenradsatzes des Kraftfahrzeugs und ist das feststehende Glied ein Getriebegehäuse des Kraftfahrzeuggetriebes.
In einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Freilaufkupplung mit dem drehbaren Glied verbunden und ist die Reibungskupplung zwischen die Freilaufkupplung und das feststehende Glied geschaltet.
In einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Reibungskupplung mit dem drehbaren Glied verbunden und ist die Freilaufkupplung zwischen die Reibungskupplung und das feststehende Glied geschaltet.
In einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Kupplungsanordnung ferner eine Tellerfeder, die mit der Reibungskupplung in Eingriff ist.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit gehen aus der hier gegebenen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sind die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung bestimmt.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Kupplungsanordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine Teilschnitt-Seitenansicht einer Kupplungsanordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2B ist eine Teilquerschnittansicht der Kupplungsanordnung aus 2A in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, ist in 1 eine schematische Ansicht einer Kupplungsanordnung 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie im Folgenden beschrieben ist, überträgt die Kupplungsanordnung 10 in Abhängigkeit von der Betriebsbedingung entweder ein Drehmoment oder lässt eine Drehung zwischen einem ersten Glied 12 und einem zweiten Glied 13 zu. Das erste Glied 12 weist allgemein eine Zylinderform oder Ringform auf. In dem gegebenen Beispiel ist das erste Glied 12 ein Hohlrad eines Planetenradsatzes in einem Getriebe eines Kraftfahrzeugs. Allerdings kann das erste Glied 12 andere Typen angetriebener Zahnräder, Wellen oder Glieder sein, die in anderen Umgebungen angeordnet sind. Das zweite Glied 13 ist allgemein ringförmig. In dem gegebenen Beispiel ist das zweite Glied 13 ein Gehäuse in dem Getriebe eines Kraftfahrzeugs. Das zweite Glied 13 kann wieder andere Formen wie etwa Zahnräder, Wellen oder Glieder annehmen. Zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 13 ist eine Freilaufkupplung 14 angeordnet und enthält einen ersten Ring 16, der einem zweiten Ring 18 gegenüberliegt. Der erste Ring 16 ist drehbar mit dem ersten Glied 12 gekoppelt. In dem gegebenen Beispiel ermöglicht die Freilaufkupplung 14, dass sich der erste Ring 16 in einer ersten Richtung A relativ zu dem zweiten Ring 18 dreht, wobei sie ein Drehmoment überträgt, wenn sich der erste Ring 16 in einer zweiten Richtung B relativ zu dem zweiten Ring 18 dreht. Allerdings kann die Freilaufkupplung 14 alternativ die Drehung in der zweiten Richtung B zulassen und ein Drehmoment in der ersten Richtung A übertragen. In dem gegebenen Beispiel ist die Freilaufkupplung 14 eine mechanische Diodenfreilaufkupplung. Allerdings kann die Freilaufkupplung 14 eine wählbare Freilaufkupplung sein und von einem anderen Typ wie etwa ein Klemmkörperfreilauf, ein Rollengesperre, eine Kipphebelkupplung oder eine Klauenkupplung sein. Diese Materialien, Dimensionen und Auslegung der Freilaufkupplung 14 bestimmen ein Auslegungsdrehmoment der Freilaufkupplung 14. Das Auslegungsdrehmoment ist der Betrag des Drehmoments zwischen dem ersten Ring 16 und dem zweiten Ring 18, das zu übertragen, ohne die Komponenten der Freilaufkupplung 14 zu beschädigen, die Freilaufkupplung 14 ausgelegt ist. Vorzugsweise ist das Auslegungsdrehmoment höher als ein normales Betriebsdrehmoment zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 13.
Zwischen der Freilaufkupplung 14 und dem zweiten Glied 13 ist eine Reibungskupplung 20 angeordnet. Die Reibungskupplung 20 enthält wenigstens ein erstes Reibelement 22 und wenigstens ein zweites Reibelement 24, das wahlweise mit dem ersten Reibelement 22 in Eingriff gebracht werden kann. Vorzugsweise wird die Reibungskupplung 20 durch ein Vorbelastungsglied oder eine Feder angelegt, wobei die Reibungskupplung 20 aber mit anderen Mitteln betätigt werden kann. In dem gegebenen Beispiel ist das erste Reibelement 22 drehbar mit dem zweiten Ring 18 der Freilaufkupplung 14 gekoppelt und ist das zweite Reibelement 24 drehbar mit dem zweiten Glied 13 gekoppelt. Die Reibungskupplung 20 weist ein vorgegebenes Haltedrehmoment auf, das bestimmt, wann das erste Reibelement 22 relativ zu dem zweiten Reibelement 24 einen Schlupf hat. Eine Betätigungskraft zwischen dem ersten und dem zweiten Reibelement 22, 24 und die Reibungseigenschaften des ersten und des zweiten Reibelements 22, 24 bestimmen das vorgegebene Haltedrehmoment. Vorzugsweise ist das vorgegebene Haltedrehmoment kleiner als das Auslegungsdrehmoment der Freilaufkupplung 14 und höher als das normale Betriebsdrehmoment zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 13.
In alternativen Ausführungsformen können die Reibungskupplung 20 und die Freilaufkupplung 14 an anderen Orten angeordnet sein, solange die Reibungskupplung 20 in einer Reihenbeziehung mit der Freilaufkupplung 14 ist. Zum Beispiel sind die Kupplungen 14, 20 in Reihe, wenn im Wesentlichen das gesamte von dem ersten Glied 12 an das zweite Glied 13 übertragene Drehmoment ebenfalls durch jede der Kupplungen 14, 20 übertragen wird. In einer alternativen Ausführungsform ist die Reibungskupplung 20 mit dem ersten Glied 12 verbunden und ist die Freilaufkupplung 14 zwischen die Reibungskupplung 20 und das zweite Glied 13 geschaltet.
Während des Betriebs der gegebenen Ausführungsform wird das erste Glied 12 durch eine Komponente in dem Getriebe eines Kraftfahrzeugs entweder in der ersten Richtung A oder in der zweiten Richtung B angetrieben. Das erste Glied 12 überträgt ein Drehmoment an den ersten Ring 16 der Freilaufkupplung 14. Wenn sich der erste Ring 16 in der ersten Richtung A in Bezug auf den zweiten Ring 18 dreht, überträgt der erste Ring 16 kein Drehmoment an den zweiten Ring 18 und dreht sich die Freilaufkupplung frei. Wenn sich der erste Ring 16 in der zweiten Richtung B in Bezug auf den zweiten Ring 18 dreht, überträgt der erste Ring ein Drehmoment in der zweiten Richtung B an den zweiten Ring 18. Der zweite Ring 18 überträgt ein Drehmoment an das erste Reibelement 22, das das Drehmoment an das zweite Reibelement 24 überträgt, wenn die Reibungskupplung 20 angelegt ist, was ein Drehmoment an das zweite Glied 13 überträgt. Wenn das Drehmoment an der Reibungskupplung 20, wie etwa während eines Drehmomentspitzenereignisses, das vorgegebene Haltedrehmoment übersteigt, ermöglicht die Reibungskupplung 20 eine relative Drehung zwischen der Freilaufkupplung 14 und dem zweiten Glied 13, um das durch die Freilaufkupplung 14 übertragene Drehmoment unter dem Auslegungsdrehmoment zu halten. Da das zweite Glied 13 ein Getriebegehäuse ist, ist das Hohlrad in der zweiten Richtung B verriegelt, was ermöglicht, dass sich ein Sonnenrad und ein Planetenradträger des Planetenradsatzes relativ zueinander drehen, ohne das Hohlrad in der zweiten Richtung B zu drehen.
In 2A ist die Kupplungsanordnung 10 in einer Teilschnitt-Seitenansicht in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der erste Ring 16 der Freilaufkupplung 14 enthält Innenkeile 30 und wenigstens einen Kipphebel 32, der durch eine Feder 34 in eine Aussparung 36 in dem zweiten Ring 18 drehbar ist. Die Anzahl, die Anordnung und die Größe der Kipphebel 32 tragen zu dem Auslegungsdrehmoment der Freilaufkupplung 14 bei. Das Überschreiten des Auslegungsdrehmoments in der Freilaufkupplung 14 kann eine Beschädigung der Kipphebel 32 oder anderer Komponenten verursachen und zur Störung der Freilaufkupplung 14 führen. Der zweite Ring 18 enthält eine Außenoberfläche 35, die dem zweiten Glied 13 gegenüberliegt. In dem gegebenen Beispiel ist eine Oberfläche 37 auf jeder axialen Seite des zweiten Rings 18 das erste Reibelement 22 der Reibungskupplung 20. Das zweite Reibelement 24 überschneidet sich radial mit dem zweiten Ring 18 und berührt axial seine Oberfläche 37, um die Reibungskupplung 20 zu bilden. Das zweite Reibelement 24 ist durch Keile 40 drehbar mit dem zweiten Glied 13 gekoppelt.
Wenn sich der erste Ring 16 in der ersten Richtung A relativ zu dem zweiten Ring 18 dreht, dreht der zweite Ring 18 den Kipphebel 32 aus dem Eingriff mit der Aussparung 36, wobei sich die Freilaufkupplung 14 frei dreht. Wenn sich der erste Ring 16 in der zweiten Richtung B relativ zu dem zweiten Ring 18 dreht, ist der Kipphebel 32 mit der Aussparung 36 in Eingriff, um zwischen dem ersten Ring 16 und dem zweiten Ring 18 ein Drehmoment zu übertragen. Die Oberfläche 37 des zweiten Rings 18 überträgt ein Drehmoment an das zweite Reibelement 24, das das Drehmoment an das zweite Glied 13 überträgt. Wenn das von der Oberfläche 37 an das zweite Reibelement 24 übertragene Drehmoment das Haltedrehmoment der Reibungskupplung 20 übersteigt, gleitet die Oberfläche 37 relativ zu dem zweiten Reibelement 24, wodurch die Freilaufkupplung 14 davor geschützt wird, das Auslegungsdrehmoment zu übersteigen. Wenn das von der Oberfläche 37 an das zweite Reibelement 24 übertragene Drehmoment kleiner als das Haltedrehmoment der Reibungskupplung 20 ist, bleibt die Oberfläche 37 drehfest in Bezug auf das zweite Reibelement 24.
In 2B ist eine Teilquerschnittansicht der Kupplungsanordnung 10 aus 1 und 2 gezeigt. In dem gegebenen Beispiel ist die Kupplungsanordnung 10 in einem Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Ein Planetenradsatz 102 enthält eine Mehrzahl von Planetenrädern 104, die drehbar an einem Trägerglied 106 gehalten sind. Die Planetenräder 104 kämmen mit einem Sonnenrad 108, das mit einer Antriebskomponente oder mit einer angetriebenen Komponente 109 in dem Kraftfahrzeug verbunden ist. Außerdem kämmen die Planetenräder 104 mit dem ersten Glied 12, das in dem gegebenen Beispiel ein Hohlrad ist. Das erste Glied 12 weist Keile 110 auf, die mit den Keilen 30 des ersten Rings 16 der Freilaufkupplung 14 in Eingriff sind.
Die Keile 40 des zweiten Reibelements 24 sind mit Keilen 115 an dem zweiten Glied 13 in Eingriff. Benachbart zu einem der zweiten Reibelemente 24 ist ein axiales Halteglied 138 angeordnet und axial an dem zweiten Glied 13 befestigt. Zwischen dem zweiten Glied 13 und einem anderen der zweiten Reibelemente 24 ist eine Feder 150 angeordnet, um die zweiten Reibelemente 24 mit den Reibflächen 37 des zweiten Rings 18 der Freilaufkupplung 14 axial zusammenzudrücken. Die Größe und die Form der Feder 150 werden so vorgegeben, dass an den Reibelementen 24 eine Federkraft erzeugt wird, die der Reibungskupplung 20 ein vorgegebenes Haltedrehmoment verleiht, das kleiner als das Auslegungsdrehmoment der Freilaufkupplung 14 ist. In dem gegebenen Beispiel ist die Feder 150 eine einzelne Tellerfeder. Allerdings können andere Typen von Vorbelastungsgliedern oder andere Anzahlen und Typen von Federn verwendet werden.
Während des Betriebs wird über die Keile 110 des ersten Glieds 12 ein Drehmoment an die Keile 30 des ersten Rings 16 der Freilaufkupplung 14 übertragen. Wenn sich der erste Ring 16 in der ersten Richtung A in Bezug auf den zweiten Ring 18 dreht, ermöglicht die Freilaufkupplung 14 die freie Drehung. Wenn das Drehmoment an dem zweiten Ring in der zweiten Richtung B anliegt, überträgt der erste Ring 16 das Drehmoment an den zweiten Ring 18. Die Reibflächen 37 übertragen das Drehmoment bis zu dem vorgegebenen Haltedrehmoment der Reibungskupplung 20 an die zweiten Reibelemente 24. Wenn das Drehmoment an dem zweiten Ring 18 der Freilaufkupplung 14 höher als das vorgegebene Haltedrehmoment der Reibungskupplung 20 ist, drehen sich die Reibflächen 37 in Bezug auf die zweiten Reibelemente 24, wobei zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 13 nur eine Gleit- oder Schlupfreibungskraft übertragen wird. Die Keile 40 der zweiten Reibelemente 24 übertragen ein Drehmoment an die Keile 115 des zweiten Glieds 13. Da das zweite Glied 13 in diesem Beispiel ein Getriebegehäuse ist, bewegt das Drehmoment das zweite Glied 13 nicht, wobei die Kupplungsanordnung 10 als eine Bremse oder als eine Verriegelung wirkt, um die Drehung des ersten Glieds 12 zu begrenzen, wenn das Drehmoment an der Kupplungsanordnung 10 kleiner als das vorgegebene Haltedrehmoment der Reibungskupplung 20 ist.

Claims

Kupplungsanordnung (10) zum Übertragen eines ersten Drehmoments zwischen einem ersten Glied (12) und einem zweiten Glied (13), wobei die Kupplungsanordnung (10) umfasst: eine Freilaufkupplung (14), die zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (13) angeordnet ist, wobei die Freilaufkupplung (14) ein vorgegebenes Auslegungsdrehmoment aufweist; und eine Reibungskupplung (20), die mit der Freilaufkupplung (14) in Reihe zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (13) angeordnet ist, wobei die Reibungskupplung (20) ein vorgegebenes Haltedrehmoment aufweist, und wobei die Reibungskupplung (20) die Drehung zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (13) zulässt, wenn das erste Drehmoment höher als das vorgegebene Haltedrehmoment ist; dadurch gekennzeichnet , dass das vorgegebene Haltedrehmoment kleiner als das vorgegebene Auslegungsdrehmoment ist; und dass die Freilaufkupplung (14) einen ersten Ring (16), der mit dem ersten Glied (12) über Keile (30, 110) in Eingriff ist, und einen zweiten Ring (18) umfasst, der dem ersten Ring (16) gegenüberliegt, wobei der zweite Ring (18) auf jeder axialen Seite jeweils eine ein erstes Reibelement (22) bildende Außenoberfläche (37) aufweist, wobei sich jede dieser Außenoberflächen radial mit jeweils einem zweiten Reibelement (24) überschneidet, das mit dem zweiten Glied (13) kerbverzahnt ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, die ferner ein Vorbelastungsglied (150) enthält, das mit der Reibungskupplung (20) ununterbrochen in Eingriff ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das erste Glied (12) ein drehbares Glied in einem Kraftfahrzeuggetriebe ist und das zweite Glied (13) ein feststehendes Glied in dem Kraftfahrzeuggetriebe ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 3, wobei das drehbare Glied ein Hohlrad (12) eines Planetenradsatzes (102) des Kraftfahrzeugs ist und das feststehende Glied ein Getriebegehäuse des Kraftfahrzeuggetriebes ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Freilaufkupplung (14) mit dem drehbaren Glied verbunden ist und die Reibungskupplung (20) zwischen die Freilaufkupplung (14) und das feststehende Glied geschaltet ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Reibungskupplung (20) mit dem drehbaren Glied verbunden ist und die Freilaufkupplung (14) zwischen die Reibungskupplung und das feststehende Glied geschaltet ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, die ferner eine Tellerfeder (150) enthält, die mit der Reibungskupplung (20) in Eingriff ist.