DE102012218915A1

DE102012218915A1 - Lamellenkupplung

Info

Publication number: DE102012218915A1
Application number: DE201210218915
Authority: DE
Inventors: Stephan Schinacher
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lamellenkupplung, die im Nassbetrieb betrieben wird und der ein einseitig wirkendes Ventil zugeordnet ist, wobei der bewegliche Ventilkörper von einer axial sich ersteckenden Stützgeometrie derart gestützt wird, dass der Abstand des Ventilkörpers zur Drehachse der Lamellenkupplung sowohl bei geschlossenem Ventil, als auch beim geöffneten Ventil im Wesentlichen konstant bleibt. In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Lamellenkupplung ein Druckausgleichsraum zugeordnet, wobei dann das Ventil in einer Wandung des Druckausgleichsraumes angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lamellenkupplung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Lamellenkupplungen sind in vielfältiger Ausgestaltung aus dem Stand der Technik bekannt. Generell werden diese Lamellenkupplungen in einem Getriebe mit einer Ölfüllung oder in einem Ölsprühnebel betrieben. Deshalb spricht man hier auch von einem Nassbetrieb der Lamellenkupplungen. Die einzelnen scheibenförmigen Lamellen sind derart mit einem Reibbelag versehen, sodass immer eine glatte Stahlfläche auf eine mit einem Reibbelag versehene Fläche der benachbarten Lamelle trifft. Dieses kann also so aussehen, dass beide Seiten der einen Lamelle mit einem Reibbelag versehen sind, während die benachbarte Lamelle auf beiden Seiten nicht mit einem Reibbelag versehen ist. Dadurch kommt es immer zur Reibpaarung Reibbelag/blanker Stahl. Weiterhin ist den Lamellenkupplungen gemein, dass jede zweite Lamelle mittels einer Verzahnung in einen korbförmigen, ebenfalls gezahnten Lamellenträger eingreift, während die benachbarten Lamellen mittels ihrer Verzahnung in den entsprechenden anderen Korb Lamelle eingreifen. Die entsprechenden Körbe werden auch Lamellenträger genannt, wobei ein außenliegender Lamellenträger als äußerer Lamellenträger und der innere Korb als innerer Lamellenträger bezeichnet wird. Aus der Perspektive des Kraftflusses betrachtet wird der erste Lamellenträger als Eingangsteil und der im Kraftfluss nachfolgende Lamellenträger als Ausgangsteil bezeichnet. Bei einer geöffneten Lamellenkupplung drehen sich die einzelnen Lamellen relativ zueinander, wobei dann sowohl die Reibbeläge, als auch die blanken Stahlflächen mit Öl benetzt sind. Zum Schließen der Lamellenkupplung wird ein axial hydraulisch betätigbarer Kolben auf die Anordnung der Lamellen gedrückt. Da das dem Kolben abgewandte Ende des Lamellenpaketes mit einer Druckplatte versehen ist, können die Lamellen nicht ausweichen und der Abstand zwischen ihnen wird auf null reduziert. Die Kraftübertragung vom Eingangsteil zum Ausgangsteil, beziehungsweise von der Eingangswelle zur Ausgangswelle ist damit möglich.
Unabhängig von dem Öldruck, der auf den Kolben wirkt, gibt es noch einen dynamischen Öldruck, der auf beide Seiten des Kolbens einwirkt. Dieser dynamische Druck resultiert aus den Fliehkräften zweier von der Lamellenkupplung mitgeschleppter und rotierender Ölringe. Der eine Ölring bildet sich hierbei in dem Druckraum des Kolbens, während sich der andere sich im Bereich der Lamellen ausbildet. Da sich in einem Getriebe die Drehzahlen betriebsbedingt ständig ändern können und auch die Rotation der Ölmassen vor und hinter dem Kolben sich immer wieder verändern können – auch abhängig von dem Kupplungszustand (schlupfen, offen, oder vollständig geschlossen) – ist die Ansteuerung des Kolbens beziehungsweise seine definierte Druckbeaufschlagung sehr schwierig zu steuern.
Aus diesem Grunde gibt es bereits die Lösung, bei der in der Kolbenwandung ein einfach wirkendes Ventil eingesetzt wird. Das Ventil schließt, wenn der Kolben mit einem Druckmedium beaufschlagt wird und dann der Ölstrom den beweglichen, kugelförmigen Ventilkörper umspült und mitreißt, bis der Ventilkörper auf dem Ventilsitz aufliegt. Dieser bewegliche Ventilkörper ist nicht mit einer Feder beaufschlagt, sondern wird nur durch Druckbeaufschlagung des Kolbenraumes in seiner Sperrstellung gehalten. Wird die Druckbeaufschlagung des Kolbens abgebaut und der Druck jenseits des Kolbens ist durch einen dynamischen Öldruck höher als im Druckraum, so öffnet das Ventil und erlaubt dadurch den Abfluss des Öles in den Druckraum. Deshalb wird dieses Ventil auch Entleerventil genannt. Weitere Details zum Stand der Technik werden im Rahmen der Figurenbeschreibung noch beschrieben.
Da der bewegliche Ventilkörper kugelförmig ist, auf einem konischen Ventilsitz angeordnet ist und weil die Kugel auch umströmbar sein muss, gibt es zwischen der Kugel und dem übrigen Ventilkörper einen Spalt. Durch die Rotation der Lamellenkupplung und den damit verbundenen Fliehkräften auf die Ventilkugel kommt es zum vorzeitigen Abheben der Kugel vom, oder aber auch zum verspäteten Aufsetzen auf den Ventilsitz.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Lamellenkupplung mit einem einseitig wirkenden Ventil (Entleerventil) zu finden, welches gegenüber Fliehkrafteffekten unempfindlicher ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Spalt zwischen dem beweglichen Ventilkörper und dem übrigen Ventil eliminiert wurde. Eine Durchströmung des Ventils erfolgt gemäß der Erfindung durch den Ventilkörper hindurch. Weil nun der Spalt zwischen dem Ventilkörper und den übrigen Ventil nicht mehr vorhanden ist, kann es durch Fliehkräfte nicht mehr zum Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz kommen.
Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Lamellenkupplung mit einem Ventil nach dem Stand der Technik;
2 eine Lamellenkupplung mit einem Druckausgleichsraum mit einem Ventil nach dem Stand der Technik;
3a einen Schnitt durch das erfinderische Ventil;
3b eine Seitenansicht zu 3a;
4 ein hydraulisches Ersatzschaltbild des erfinderischen Ventils.
Den nachfolgenden Ausführungen soll vorausgestellt werden, dass Begriffe wie „oben“, „unten“, „links“ und „rechts“ sich nur auf die jeweilige Darstellung in den Figuren beziehen und dass die tatsächliche Anordnungen von diesen Begrifflichkeiten abweichen können. Auch können die Dimensionierungen der realen Bauteile von den Dimensionen in den Figuren abweichen. Weiterhin sind gleiche Bauteile in den verschiedenen Figuren immer mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
In der 1, die Stand der Technik zeigt, ist eine Lamellenkupplung mit einem Ventil 11 in einem beweglichen Kolben 8 der Lamellenkupplung zu sehen. Das Ventil 11 besteht aus einem im Kolben 8 ortsfest angeordneten Gehäuse 12 und einem beweglichen Ventilkörper 13. Der Kolben 8 ist von einem äußeren Lamellenträger 1 derart umgeben, dass der Lamellenträger 1 und der Kolben 8 miteinander einen Druckraum 9 umschließen. Um den Druckraum 9 möglichst öldicht zu halten sind entsprechend Dichtungen 23 angeordnet. Ein Fluid- bzw. Öl-Anschluss ist hier zwar nicht zu sehen, aber dennoch vorhanden. Der Lamellenträger 1 weist links unten ein Keilwellenprofil auf, welches eine drehfeste Verbindung mit einer nicht dargestellten Welle ermöglicht. Ein Teil der Lamellen 5 greifen den äußeren Lamellenträger 1 ein und sind dadurch drehfest mit dem Lamellenträger 1 verbunden. Die benachbarten Lamellen 5 weisen eine Verzahnung auf, die eine drehfeste Verbindung mit einem inneren Lamellenträger (nicht dargestellt) ermöglichen. Das „Paket“ der Lamellen 5 wird nach rechts hin durch eine Druckplatte 7 in seinem axialem Ausweichen behindert. Wird hier nun eine Druckbeaufschlagung des Kolbens 8 vorgenommen – d.h. dass der Kolben 8 sich nach rechts bewegt – so wird der Ventilkörper 13 so lange von dem Öl umspült, bis der Ventilkörper 13 auf dem Ventilsitz aufliegt. Dann erst baut sich der Druck in dem Druckraum 9 vollständig auf und die Lamellen 5 werden aufeinander gepresst. Wird der Druck wieder abgebaut, so presst ein Kolbenrückstellelement 24 den Kolben wieder nach links. Ist der dynamische Druck rechts von dem Kolben 8 höher als links, so kann das rotierende Öl über das Ventil 11 in den gegebenenfalls vollständig drucklosen Druckraum 9 fließen.
Die 2 zeigt eine andere Anwendung eines einseitig wirkenden Ventiles aus dem Stand der Technik (Schrift DE 10 2005 021 899 A1 ). Eine Antriebs- oder Abtriebswelle wird hier symbolisch mit einer Drehachse 4 bezeichnet. Diese Welle versorgt über eine zunächst axial sich erstreckende Bohrung und dann in eine radial übergehende Bohrung einen Anschluss 25 zum Druckraum 9 des Kolbens 8. Damit das Fluid ungestört im Druckraum 9 ausfüllen kann, ist der Kolben 8 mittels mindestens eines Nockens 10 zur gegenüberliegenden Wandung beabstandet. Der äußere Lamellenträger 1 ist über eine Verzahnungsgeometrie 3 mit jeder zweiten Lamelle 5 rotatorisch gekoppelt. Die benachbarten Lamellen 5 sind wiederum mit einer Verzahnungsgeometrie 3 mit einem inneren Lamellenträger 2 rotatorisch gekoppelt. Die Weiterführung des inneren Lamellenträgers 2 ist für das Verstehen des Standes der Technik hier nicht von Bedeutung und deshalb ist er nur abgebrochen dargestellt. Damit sich beim Druckbeaufschlagen des Kolbens 8 die Lamellen 5 sich nicht beliebig nach rechts verschieben können, werden sie rechtsseitig durch eine Druckplatte 7 in ihrer axialen Bewegung begrenzt. Das Besondere an diesem Stand der Technik ist aber, dass dem Kolben gegenüberliegend ein Druckausgleichsraum 15 angeordnet ist. Dieser Druckausgleichsraum 15 ist gegen axiales Verschieben mittels eines Sprengringes 24 gesichert. Zwischen dem Kolben 8 und der radialen, rechten Begrenzung des Druckausgleichsraumes 15 – der Stauscheibe 22 – ist ein Kolbenrückstellelement 21 (Druckfeder) angeordnet. Verschiedene Dichtungen 23 sichern das Verbleiben des Öles in den gewünschten Räumen. Das besondere dieser Stauscheibe 22 ist, dass ebenfalls wie bei der 1 hier ein einseitig wirkendes Ventil 11 angeordnet ist. Dieses Ventil 11 lässt Fluid in den Druckausgleichsraum 15 einströmen, jedoch sperrt es die umgekehrte Flussrichtung. Ein hydraulischer Steuerausschuss 29 wird über einen weiteren Kanal (in der nicht dargestellten Welle) mit Fluid (also Öl) versorgt. In Abhängigkeit des Kolbens 8 und damit der vollständigen oder teilweisen Überdeckung der rechteckig dargestellten Dichtung 23 (rechts unten) erfolgt eine Druckbeaufschlagung oder Entleerung des Druckausgleichsraumes 15. Bei der Lamellenkupplung der 2 handelt es sich wegen des Vorhandenseins des Druckausgleichsraums 15 um eine im Wesentlichen bezüglich des Rotationsdrucks ausgeglichene Lamellenkupplung. Bei der Lamellenkupplung der 1 hingegen ist der Rotationsdruck nicht ausgeglichen.
Den Lösungen aus den 1 und 2 ist gemeinsam, dass der bewegliche Ventilkörper 13 bei entsprechenden Drehzahlen der Lamellenkupplung und daraus resultierenden Fliehkräften und/oder zu geringer Druckbeaufschlagung von seinem Ventilsitz abfällt, wodurch die gewünschte Sperrwirkung nicht mehr gegeben ist.
In den 3a und 3b wird nun ein einseitig sperrendes Ventil 11 gezeigt, welches nicht mehr einen kugelförmigen Ventilkörper 13 aufweist, sondern dessen Ventilkörper 13 der zylindrisch gestaltet ist. Ein Um-Strömen des Ventilkörpers erfolgt nicht, sondern ein Hindurch-Strömen mittels Strömungskanäle 17. Weil der oder die Strömungskanäle 17 in den Ventilkörper 13 hinein verlegt wurde, benötigt man keinen Spalt mehr zwischen Ventilkörper 13 und Ventilgehäuse 12. Dadurch kann der Ventilkörper 13 an seiner Außenfläche über eine Stützgeometrie 14 auch dann in seiner Position relativ zum Ventilgehäuse 12 gestützt werden, auch wenn er nicht mehr auf seinem Ventilsitz 20 aufliegt. Der Ventilkörper behält also immer seine radiale Lage zur Drehachse 4 der Lamellenkupplung bei. Die Pfeile in der 3a zeigen den Weg des Öles (Fluid) vor dem Schließen des das Ventils 11. Befindet sich rechts von dem Durchlass 31 ein Druckausgleichsraum 15, so findet das erfinderische Ventil in einer Rotationsdruck ausgeglichenen Lamellenkupplung Anwendung. Ist jedoch kein Druckausgleichsraum 15 vorhanden, so fließt das Öl – welches vor dem vollständigen Schließen das Ventil durchströmt – in den Tank zurück.
Die Stützgeometrie 14 muss aber nicht unbedingt zylindrisch sein. Es ist auch denkbar, dass einzelne, axial sich erstreckende, Rippen sich am Außendurchmesser des Ventilkörpers 13 oder am Innendurchmesser des Ventilgehäuses 12 befinden. Auch ist denkbar, dass sich zwischen dem Ventilkörper 13 und dem Gehäuse 12 ein Einsatz befindet, der die Strömungskanäle 17 aufweist.
Damit der Ventilkörper 13 nicht aus dem Ventilgehäuse 12 fallen kann, wird er linksseitig von einem Haltering 27, der mittels einer Heftung 30 an dem Gehäuse 12 fixiert ist, gehalten. Diese Heftung kann mittels Lasern oder auch Verstemmen erfolgen. Dieser Haltering 27 ist prinzipiell auch schon aus dem Stand der Technik bekannt. Er erfährt aber an dieser Stelle eine besondere Erwähnung, weil er in den 1 und 2 nicht oder nur klein zu sehen war. Zur Unterstützung des Ventilöffnens sind vorteilhafterweise Federn 28 (hier Tellerfedern oder axial wirkende Wellfedern) zwischen dem Ventilkörper 13 und dem Ventilgehäuse 12 angeordnet.
Mit der 4 wird ein hydraulisches Ersatzschaltbild des Ventils 11 gezeigt. Von der linken Seite wirkt der Ölstrom einer zu schließenden Lamellenkupplung auf den nicht dargestellten Kolben 8 und damit auch auf das Ventil 11. Die Strömungskanäle 17 stellen hier die linke, unveränderliche Drossel dar. Der veränderliche Spalt zwischen dem Ventilsitz 20 und dem beweglichen Ventilkörper 13 zum Einen und der Durchlass 31 zum Anderen stellen die veränderliche (einstellbare) Drossel dar. Diese Drosselstellung wird über die Summe der Kräfte – bestehend aus den Schleppkräften des Öles (Fluid) und den Federkräften und den statischen Drücken links und rechts des beweglichen Ventilkörpers 13 – bestimmt.
Bezugszeichenliste

1: äußerer Lamellenträger
2: innerer Lamellenträger
3: Verzahnungsgeometrie
4: Drehachse
5: Lamellen
6: komplementäre Geometrie
7: Druckplatte
8: Kolben
9: Druckraum
10: Abstandsnocken
11: Ventil
12: Ventilgehäuse
13: beweglicher Ventilkörper
14: Stützgeometrie
15: Druckausgleichsraum
17: Strömungskanal
20: Ventilsitz
21: Kolbenrückstellelement (Druckfeder)
22: Stauscheibe
23: Dichtung
24: Sprengring/Axialsicherung
25: Kolbendruck/Fluid-Anschluss
26: Fluid-Zufuhr
27: Haltering für Ventilkörper im Gehäuse
28: Feder (wirkt öffnend auf den Ventilkörper)
29: Steueranschluss
30: Heftung für Haltescheibe
31: Durchlass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005021899 A1 [0016]

Claims

Lamellenkupplung für den Nassbetrieb mit den folgenden Merkmalen: – einem äußeren (1) und einem inneren Lamellenträger (2); – wobei der äußere Lamellenträger (1) radial innen eine Verzahnungsgeometrie (3) aufweist – und der innere Lamellenträger (2) radial außen eine Verzahnungsgeometrie (3) aufweist; – die Verzahnungsgeometrien (3) erstrecken sich axial und zugleich parallel zu einer Drehachse (4) der Lamellenkupplung; – die Lamellen (5) der Lamellenkupplung sind derart nebeneinander angeordnet, dass sie alternierend entweder in der Verzahnungsgeometrie (3) des äußeren (1) oder in des inneren Lamellenträgers (2) eingreifen und eine jeweils komplementären Geometrie (6) aufweisen; – das eine axiale Ende der Lamellen (5) wird mit einer Druckplatte (7) abgeschlossen, die ebenfalls mit einer Verzahnungsgeometrie (3) versehen ist; – an das andere axiale Ende der Lamellen (5) grenzt ein axial verschiebbarer Kolben (8), der hydraulisch betätigt werden kann; – der Lamellenkupplung ist ein einseitig wirkendes Ventil (11) zugeordnet; – das Ventil (11) weist ein ortsfestes Gehäuse (12) und einen beweglichen Ventilkörper (13) auf; dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Ventilkörper (13) von einer axial sich ersteckenden Stützgeometrie (14) derart gestützt wird, dass der Abstand des Ventilkörpers (13) zur Drehachse (4) sowohl bei geschlossenem Ventil (11), als auch beim geöffneten Ventil (11) im Wesentlichen konstant bleibt.
Lamellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lamellenkupplung ein Druckausgleichsraum (15) zugeordnet ist und dass das Ventil (11) in einer Wandung dieses Druckausgleichsraumes (15) angeordnet ist.
Lamellenkupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Ventilkörper (13) und das Ventilge häuse (12) je eine im Wesentlichen zylindrische Stützgeometrie (14) aufweisen.
Lamellenkupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungskanal (17) in dem Ventilkörper (13) angeordnet ist.
Lamellenkupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (12) und der bewegliche Ventil körper (13) eine Baugruppe, eine sogenannte Cartridge, bilden.
Lamellenkupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ventile (11) in dem Kolben (8) oder der Wandung des Druckausgleichsraums (15) angeordnet sind.
Lamellenkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (11) gleichmäßig über einen Teilkreis, der konzentrisch zur Drehachse (4) der Lamellenkupplung ist, verteilt sind.
Lamellenkupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (13) mittels einer Feder (28) vom Ventilsitz (20) aufgehoben wird.