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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung bezieht sich auf Drehmomentübertragungsvorrichtungen und insbesondere eine Reibscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der
DE 10 2009 055 884 A1 bekannt.
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HINTERGRUND
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Kupplungsvorrichtungen werden in Getrieben und in anderen Vorrichtungen genutzt, um zwischen Elementen ein Drehmoment zu übertragen, wenn eine Druckkraft ausgeübt wird. Bekannte Kupplungsvorrichtungen enthalten eine Reibscheibe, eine gegenüberliegende Gegenanpressplatte und einen Mechanismus, der zum Anwenden einer Druckkraft konfiguriert ist. Bekannte Reibscheiben enthalten eine Oberflächenschicht aus einem Reibungsmaterial, die bei Anwenden der Druckkraft mit einer Oberfläche der Gegenanpressplatte in Eingriff gelangt. Die Reibungsmaterialien können ein Material auf Zellulose-/Aramid-/Harzgrundlage, ein Metallfasersintermaterial, ein Kohlenstofffasergewebematerial oder ein anderes geeignetes Material enthalten. Kupplungskonfigurationen enthalten Nasskupplungs-Reibscheibensysteme, bei denen zwischen den Oberflächen der Reibscheibe und der Gegenanpressplatte ein Schmierfluid, z. B. Automatikgetriebefluid, zur Kühlung und Schmierung genutzt wird. Nasskupplungskonfigurationen enthalten Mehrscheibensysteme, bei denen jede Kupplungskonfiguration mehrere Reibscheiben und Gegenanpressplatten enthält, die abwechselnd angeordnet sind. Bekannte Entwurfsbetrachtungen, die Nasskupplungskonfigurationen zugeordnet sind, enthalten die Kupplungsdrehmomentübertragungskapazität und Materialeigenschaften des Reibungsmaterials einschließlich Reibungskoeffizient, Kompressibilität und elastische Verformung, Wärmekapazität, Wärmeübertragungskapazität, Durchlässigkeit und Abriebfestigkeit. Betriebsbetrachtungen, die Nasskupplungskonfigurationen zugeordnet sind, enthalten lokalisierte Erwärmung und Wärmestaustellen, Rupfen, Materialverschmieren und strukturelle Reibungsmaterialbeschädigung, die jeweils die Getriebefluidlebensdauer, die Kupplungslebensdauer und die Kupplungsleistung beeinflussen. Reibscheiben können eine komprimierbare elastische Reibungsschicht mit einer Nut für die Fluidströmung nutzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Fluidströmung ungeachtet der Drehgeschwindigkeit der Reibscheibe zuverlässig aufrecht zu erhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird mit einer Reibscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine Kupplung ist zum Übertragen eines Drehmoments zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element konfiguriert. Das erste Element ist mit einer Gegenanpressplatte gekoppelt und das zweite Element ist mit einer Reibscheibe gekoppelt, die der Gegenanpressplatte gegenüberliegend angeordnet ist. Die Reibscheibe weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 schematisch eine Teilseitenansicht eines beispielhaften Nassreibungskupplungspakets, das mehrere Reibscheiben und entsprechende Gegenanpressplatten enthält, in Übereinstimmung mit der Offenbarung darstellt;
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2 eine Vorderansicht einer beispielhaften Reibscheibe in Übereinstimmung mit der Offenbarung darstellt;
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3-1 eine Querschnittsansicht einer nicht beanspruchten Reibscheibe und entsprechender Gegenanpressplatten ohne angewendeten Kupplungsdruck darstellt;
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3-2 eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Reibscheibe und entsprechender Gegenpressplatten ohne angewendeten Kupplungsdruck darstellt;
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4 und 5 Querschnittsansichten einer Ausführungsform einer beispielhaften Reibscheibe und einer entsprechenden Gegenanpressplatte ohne angewendeten Kupplungsdruck in Übereinstimmung mit der Offenbarung darstellen; und
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6 graphisch erwartete Ergebnisse von einer Spektralanalyse auf Frequenzgrundlage der Drehmomentschwingungsdaten, die dem Betrieb einer Ausführungsform der beispielhaften Reibscheibe nutzt, zugeordnet sind, in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt.
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AUSFÜRLICHE BESCHREIBUNG
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Nun anhand der Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen dienen, veranschaulicht 1 schematisch eine Teilseitenansicht eines Reibungskupplungspakets 10, das mehrere Reibscheiben 20, die mit einem ersten drehbaren Element 14 mechanisch gekoppelt sind, und mehrere entsprechende gegenüberliegende Gegenanpressplatten 16, die mit einem zweiten Element 18 mechanisch gekoppelt sind, enthält. Die gegenüberliegenden ersten und zweiten Elemente 16, 18 sind vorzugsweise koaxial, und das zweite Element 18 kann entweder ein Bremsenelement, das mit einem Gehäuse gekoppelt ist, oder ein drehbares Element, z. B. ein drehbares Element eines Planetenradsatzes, sein. Vorzugsweise wird das Reibungskupplungspaket 10 für die Drehmomentübertragung in einer Getriebevorrichtung genutzt, obwohl die Offenbarung darauf nicht beschränkt ist. In einer Ausführungsform ist ein mittels Solenoid betätigter Hydraulikaktuator 15 zum Steuern der Strömung von Druckhydraulikfluid zum Anwenden einer Druckkraft in Form eines angewendeten Kupplungsdrucks zum Aktivieren und Deaktivieren des Reibungskupplungspakets 10 konfiguriert. In einem ersten Zustand nutzt der mittels Solenoid betätigte Hydraulikaktuator 15 Hydraulikdruck, um die Reibscheiben 20 in Richtung der Gegenanpressplatten 16 zu drängen, damit sie mit diesen in Eingriff gelangen und somit eine Drehmomentübertragung bewirken. In einem zweiten Zustand gibt der mittels Solenoid betätigte Hydraulikaktuator 15 den Hydraulikdruck frei, was ermöglicht, dass sich die Reibscheiben 20 von den Gegenanpressplatten 16 wegbewegen, um das Reibungskupplungspaket 10 zu deaktivieren und die Drehmomentübertragung darüber zu unterbrechen. Wie dargestellt ist, nutzt das Reibungskupplungspaket 10 mehrere Reibscheiben 20 und mehrere Gegenanpressplatten 16. Das Komplement von Reibscheiben 20 und Gegenanpressplatten 16 des Reibungskupplungspakets 10 hängt von Faktoren ab, die sich auf den Kupplungsentwurf und auf Drehmomentanforderungsbedarfe beziehen. Die Reibscheiben 20 und die Gegenanpressplatten 16 sind jeweils ebene, ringförmige Scheiben, die aus Stahl oder aus einem anderen geeigneten Material hergestellt sind. Das Reibungskupplungspaket 10 ist als ein Nasskupplungsreibscheibensystem konfiguriert, bei dem zwischen den Oberflächen der Reibscheibe 20 und der Gegenanpressplatte 16 Schmierfluid 30, z. B. Automatikgetriebefluid, zur Kühlung und Schmierung genutzt wird. In einer Ausführungsform kann der mittels Solenoid betätigte Hydraulikaktuator 15 mit einem doppeltwirkenden mittels Solenoid betätigten Hydraulikaktuator oder mit einer ähnlichen Vorrichtung zum Anwenden einer Druckkraft konfiguriert sein, um einen Eingriff zwischen den Reibscheiben 20 und einer der gegenüberliegenden Gegenanpressplatten 16 zu bewirken.
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2 veranschaulicht eine Vorderansicht einer beispielhaften Reibscheibe 20, die ein ringförmiges Scheibenelement 22, eine Reibungsschicht 24, mehrere Nutenhohlräume 26 und mehrere komprimierbare Glieder 28, die in den Nutenhohlräumen 26 fest an dem Scheibenelement 22 befestigt sind, enthält. Die Reibungsschicht 24 ist aus einem Reibungsmaterial hergestellt, das mit einer geeigneten Dicke in Übereinstimmung mit Entwurfsspezifikationen an dem Scheibenelement 22 befestigt ist. Das Reibungsmaterial kann ein Material auf Zellulose-/Aramid-/Harzgrundlage, ein Metallfasersintermaterial, ein Kohlenstofffasergewebematerial oder ein anderes Material enthalten. Die Reibungsschicht 24 kann an einer einzelnen Seite des Scheibenelements 22 oder an beiden Seiten des Scheibenelements 22 befestigt sein. In den Nutenhohlräumen 26 sind durch die Reibungsschicht 24 zwischen einem Innenumfang und einem Außenumfang der Reibscheibe 20 Strömungswege gebildet, wobei zwischen den komprimierbaren Gliedern 28 und der Reibscheibe 16 Querschnitte von Strömungswegen definiert sind. Die Strömungswege ermöglichen die Strömung von Fluid 30 zur Kühlung und Schmierung zwischen der Reibscheibe 20 und der Gegenanpressplatte 16. Jeder der Nutenhohlräume 26 ist in der Reibungsschicht 24 gebildet und ist vorzugsweise vollständig frei von dem Reibungsmaterial von der Reibungsschicht 24. Wie gezeigt ist, ist jeder der Nutenhohlräume 26 radial orientiert. Alternativ können die Nutenhohlräume 26 sehnenförmig sein, um zwischen dem Innenumfang und dem Außenumfang der Reibscheibe 20 nicht radial orientierte Strömungswege durch die Reibungsschicht 24 bereitzustellen. Die komprimierbaren Glieder 28 sind in die Nutenhohlräume 26 eingeführt und direkt an dem Scheibenelement 22 befestigt. Jedes komprimierbare Element 28 kann ohne Beschränkung eine rechteckige Querschnittsform oder alternativ eine dreieckige Querschnittsform, eine halbkreisförmige Querschnittsform oder eine andere Querschnittsform aufweisen. Jedes komprimierbare Glied 28 ist aus einem Material mit einer wesentlich niedrigeren Kompressibilität und mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten als das Material der Reibungsschicht 24 hergestellt. Beispielhaft ist die Kompressibilität des Materials des komprimierbaren Glieds 28 eine Größenordnung kleiner als die Kompressibilität des Materials der Reibungsschicht 24. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet würdigen wird, gibt die Kompressibilität ein Maß für die Änderung einer Materialdicke in Ansprechen auf eine angewendete Normalkraft, vorzugsweise innerhalb der Grenzen der elastischen Verformung des Materials, an. In einer Ausführungsform ist jedes komprimierbare Glied 28 aus Materialien auf Kohlenstoffgrundlage, z. B. aus einer Matrix von porösem Kohlenstoff/Kohlenstoff oder aus einer Kohlenstoffgewebefaser, hergestellt und ist die Reibungsschicht 24 aus einem Reibungsmaterial auf Zellulosegrundlage hergestellt. Die komprimierbaren Glieder 28 sind vorzugsweise unter Verwendung eines Haftmaterials, das die Materialien miteinander verbindet, an dem Scheibenelement 22 befestigt. Ein geeignetes Haftmaterial kann ein Phenolharzhaftmaterial oder ein anderes wärmeaushärtendes Polymer ähnlich dem, das zum Befestigen der Reibungsschicht 24 an dem Scheibenelement 22 genutzt wird, enthalten. In einer Ausführungsform werden die komprimierbaren Glieder 28 vor dem Befestigen und Verbinden der Reibungsschicht 24 mit dem Scheibenelement 22 an dem Scheibenelement 22 befestigt, um die komprimierbaren Glieder 28 zum Bestimmen der Dicke der Reibungsschicht 24 zu verwenden. In einer Ausführungsform werden die komprimierbaren Glieder 28 vor Befestigung an dem Scheibenelement 22 eingeführt und mit der Reibungsschicht 24 verwoben. Um die verwobenen komprimierbaren Glieder 28 und die Reibungsschicht 24 an dem Scheibenelement 22 zu befestigen, kann ein gemeinsamer Verbindungsprozess genutzt werden. Alternativ können mechanische Befestigungselemente, z. B. Nieten, genutzt werden, um die komprimierbaren Glieder 28 an dem Scheibenelement 22 zu befestigen, wobei die mechanischen Nieten in einer Weise, die eine Wechselwirkung zwischen den Nieten und der gegenüberliegenden Reibscheibe 16 verhindert, wenn das Reibungskupplungspaket 10 mit vollständig angewendeter Druckkraft aktiviert ist, in den komprimierbaren Gliedern 28 versenkt werden. In einer Ausführungsform kann die Reibscheibe sowohl die komprimierbaren Glieder 28 als auch nicht komprimierbare Glieder, z. B. Glieder, die aus Stahl hergestellt sind, nutzen, wobei die komprimierbaren Glieder 28 und die nicht komprimierbaren Glieder auf eine abwechselnde oder andere Weise um den Umfang des Scheibenelements 22 befestigt sind. Die komprimierbaren Glieder 28 und die nicht komprimierbaren Glieder können unter Verwendung eines Haftmaterials an dem Scheibenelement 22 befestigt werden. Ein Reibungskupplungspaket, das nur nicht komprimierbare Glieder 28 nutzt, kann das Befestigen der nicht komprimierbaren Glieder an dem Scheibenelement 22 unter Verwendung des Haftmaterials enthalten. Durch die Reibungsschicht 24 ist in den Nutenhohlräumen 26 zwischen einem Innenumfang und einem Außenumfang der Reibscheibe 20 ein Strömungsweg gebildet, wobei ein Strömungswegquerschnitt zwischen den komprimierbaren Gliedern 28 und der Reibscheibe 16 definiert ist.
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3-1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer nicht beanspruchten Reibscheibe 20 und einer entsprechenden einzelnen Gegenanpressplatte 16 ohne angewendeten Kupplungsdruck mit dazwischen angeordnetem Fluid 30. Die Reibscheibe 20 enthält ein Scheibenelement 22, eine Reibungsschicht 24 und Nutenhohlräume 26. Die komprimierbaren Glieder 28 sind wie zuvor beschrieben in den Nutenhohlräumen 26 angeordnet und an dem Scheibenelement 22 befestigt. Wie gezeigt ist, ist das Reibungskupplungspaket 10 aktiviert. Die Reibungsschicht 24 weist eine erste Dicke 23 auf und die Nutenhohlräume 26 haben jeweils eine im Voraus festgelegte Breite 25. Die komprimierbaren Glieder 28 sind in der Weise hergestellt, dass sie eine unkomprimierte Dicke 29 aufweisen, die kleiner als die unkomprimierte Dicke 23 der Reibungsschicht 24 ist, und somit einen Kanal für die Fluidströmung des Fluids 30 erzeugen. In dieser Ausführungsform weisen die komprimierbaren Glieder 28 jeweils eine Breite 27 auf, die im Wesentlichen gleich der im Voraus festgelegten Breite 25 der Nutenhohlräume 26 ist.
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3-2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer einzelnen Reibscheibe 20' und einer entsprechenden einzelnen Gegenanpressplatte 16 ohne ausgeübten Kupplungsdruck mit dazwischen angeordnetem Fluid 30. Die Reibscheibe 20' enthält das Scheibenelement 22, die Reibungsschicht 24 und die Nutenhohlräume 26. Die komprimierbaren Glieder 28' sind in den Nutenhohlräumen 26 angeordnet und an dem Scheibenelement 22 befestigt. Wie gezeigt ist, ist das Reibungskupplungspaket 10 deaktiviert. Die Reibungsschicht 24 weist eine unkomprimierte Dicke 23 auf und die Nutenhohlräume 26 weisen jeweils eine im Voraus festgelegte Breite 25 auf. Die komprimierbaren Glieder 28 sind mit einer unkomprimierten Dicke 29 hergestellt, die kleiner als die unkomprimierte Dicke 23 der Reibungsschicht 24 ist, und erzeugen einen Kanal für die Fluidströmung des Fluids 30. In dieser Ausführungsform weisen die komprimierbaren Glieder 28' jeweils eine Breite 27' auf, die kleiner als die im Voraus festgelegte Breite 25 der Nutenhohlräume 26 ist. Wie gezeigt ist, weist jedes der komprimierbaren Glieder 28' einen rechteckigen Querschnitt auf. Alternativ können die komprimierbaren Glieder 28' ohne Beschränkung einen dreieckigen Querschnitt, einen halbkreisförmigen Querschnitt oder eine andere Querschnittsform aufweisen. Relevante Entwurfsfaktoren für die Reibscheibe 20, die die Reibungsschicht 24, die Nutenhohlräume 26 und die komprimierbaren Glieder 28 enthält, enthalten Betrachtungen für absolute und relative Kompressibilitäten der Materialien der Reibungsschicht 24 und der komprimierbaren Glieder 28 und die Fluidströmung und die Wärmeübertragung zwischen den komprimierbaren Gliedern 28 und einer entsprechenden Gegenanpressplatte 16.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Reibungskupplungspakets 10, das die einzelne Reibscheibe 20 und die einzelne Gegenanpressplatte 16 mit dazwischen angeordnetem Fluid 30 enthält. Die Reibscheibe 20 enthält das Scheibenelement 22, die Reibungsschicht 24 und drei Nutenhohlräume 26. Die komprimierbaren Glieder 28 sind in den Nutenhohlräumen 26 angeordnet und an dem Scheibenelement 22 befestigt. Wie gezeigt ist, ist bei dem aktivierten Reibungskupplungspaket 10 eine Druckkraft angewendet und arbeitet das Reibungskupplungspaket 10 mit einer hohen Drehzahlrate. Zwischen der Reibscheibe 20 und der Gegenanpressplatte 16 kann ein Schlupf auftreten. Die komprimierbaren Glieder 28 weisen jeweils eine komprimierte Dicke 29' auf, die etwas kleiner als eine komprimierte Dicke 23' der Reibungsschicht 24 ist. Somit wird eine Drehmomentübertragung zwischen der Reibscheibe 20 und der Gegenanpressplatte 16 hauptsächlich über die Reibungsschicht 24 fortgepflanzt.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Reibungskupplungspakets 10, das die einzelne Reibscheibe 20 und die einzelne Gegenanpressplatte 16 mit dazwischen angeordnetem Fluid 30 enthält. Die Reibscheibe 20 enthält das Scheibenelement 22, die Reibungsschicht 24 und drei Nutenhohlräume 26. Die komprimierbaren Elemente 28 sind in den Nutenhohlräumen 26 angeordnet und sind an dem Scheibenelement 22 befestigt. Wie gezeigt ist, ist eine Druckkraft angewendet, wobei das Reibungskupplungspaket 10 aktiviert ist und das Reibungskupplungspaket 10 mit einer niedrigen Drehzahlrate arbeitet. Zwischen der Reibscheibe 20 und der Gegenanpressplatte 16 kann ein Schlupf auftreten. Die komprimierbaren Glieder 28 weisen jeweils eine komprimierte Dicke 29'' auf, die etwas größer als eine komprimierte Dicke 23'' der Reibungsschicht 24 ist. Somit wird eine Drehmomentübertragung zwischen der Reibscheibe 20 und der Gegenanpressplatte 16 hauptsächlich über die komprimierbaren Glieder 28 fortgepflanzt.
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6 zeigt graphisch erwartete Ergebnisse von einer Spektralanalyse auf Frequenzgrundlage von Drehmomentschwingungsdaten, die dem Betrieb einer Ausführungsform des Reibungskupplungspakets 10, das die hier beschriebene Reibscheibe 20 nutzt, im Vergleich mit einem analogen Reibungskupplungspaket, das eine bekannte Reibscheibe nutzt, zugeordnet sind. Die gezeigten Daten geben erwartete Ergebnisse auf der Grundlage einer Analyse analoger Daten unter Verwendung bekannter Simulationsverfahren an und enthalten eine Amplitude einer Drehmomentschwingung (Nm) auf der vertikalen Achse 610 in Bezug zur Frequenz (Hz) auf der horizontalen Achse 620. Die Daten enthalten die ersten Drehmomentschwingungsdaten 605, die den Betrieb der Ausführungsform des Reibungskupplungspakets 10 zeigen, und die zweiten Drehmomentschwingungsdaten 615, die den Betrieb der bekannten Reibscheibe zeigen, wobei sie den Betrieb bei Frequenzen enthalten, von denen bekannt ist, dass sie Rupfen erzeugen. Interessante Datenpunkte enthalten die Stufenfrequenz 607, die einer Stufeneingabe, z. B. dem anfänglichen Anwenden der Kupplung, entspricht, und eine systembezogene Frequenz 609. Die Ergebnisse geben an, dass zu erwarten ist, dass die ersten Drehmomentschwingungsdaten 605, die den Betrieb der Ausführungsform des Reibungskupplungspakets 10 zeigen, bei der systembezogenen Frequenz 609 wesentlich kleiner als die zweiten Drehmomentschwingungsdaten 615 sind, wobei zu erwarten ist, dass sie praktisch nicht wahrnehmbar sind. Ferner geben die Ergebnisse an, dass zu erwarten ist, dass die ersten Drehmomentschwingungsdaten 605, die den Betrieb der Ausführungsform des Reibungskupplungspakets 10 zeigen, bei der Stufenfrequenz 607 kleiner als die zweiten Drehmomentschwingungsdaten 615 sind.
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Eine Ausführungsform des Reibungskupplungspakets 10, das Reibscheiben 20 enthält, die komprimierbare Glieder 28 nutzen, die in Nutenhohlräumen 26 angeordnet sind, kann in einer Weise implementiert werden, die die Durchlässigkeit des Materials der Reibungsschicht 24 einschließlich der Steuerung der Kompression der Reibungsschicht 24 innerhalb der Grenzwerte elastischer Verformung des Reibungsmaterials davon steuert. Die komprimierbaren Glieder 28, die in den Nutenhohlräumen 26 angeordnet sind, können dazu dienen, die Schwingung während des Kontakts mit der Gegenanpressplatte 16 wegen der Fluidschicht dazwischen zu dämpfen, und können eine Notwendigkeit eines Getriebeschwingungsdämpfers in spezifischen Antriebsstranganwendungen, z. B. in Systemen mit Turbolader und Dreizylindermotoren, beseitigen. Die komprimierbaren Glieder 28, die in den Nutenhohlräumen 26 angeordnet sind, können poröse feste Anschläge bereitstellen, um die Kompression der Reibungsschicht 24 zu begrenzen. Die komprimierbaren Glieder 28, die in den Nutenhohlräumen 26 angeordnet sind, können so konfiguriert sein, dass sie die Drehmomentübertragung beim Kupplungseinrücken und während des Kupplungsschlupfs maximieren, wobei sie eine zusätzliche Drehmomentübertragung bereitstellen. Die Verwendung von Reibscheiben 20, die eine Ausführungsform des komprimierbaren Glieds 28 nutzen, das aus einem Material mit einer wesentlich niedrigeren Kompressibilität und mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten als das Material der Reibungsschicht 24 hergestellt ist, kann die Lebensdauer des Fluids 30 im Vergleich zu einem aus Eisenmaterialien hergestellten komprimierbaren Glied verlängern.
