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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung zum winkelgetreuen und zündfolgerichtigen Verbinden von Brennkraftmaschinenteilen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Kupplungseinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zur besseren Ausnutzung des Wirkungsgrades einer Brennkraftmaschine bei Teillastbetrieb ein oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine abgeschaltet und bei Volllastbetrieb wieder zugeschaltet werden. Durch die Zylinderabschaltung im Teillastbetrieb werden gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch sowie der Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine verringert.
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Aus der Patentschrift
US 4,069,803 A ist eine Synchronisationsschaltkupplung zum schaltbaren Verbinden geteilter Kurbelwellenabschnitte für eine Zylinderabschaltung bekannt. Die benachbarten Enden der geteilten Kurbelwelle werden durch einen Rastmechanismus miteinander verbunden, wobei zwei Sätze von Zähnen mit einem vorbestimmten Muster von ungleich beabstandeten und breiten Zähnen und Zwischenräumen vorgesehen sind, so dass ein Eingriff nur bei einer bestimmten Umfangsposition erfolgen kann.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 28 28 298 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens bekannt, bei welchem eine Zylinderabschaltung während des Teillastbetriebes durch eine Abtrennung eines Kurbelwellenteils von einem mit dem Abtrieb verbundenen Kurbelwellenteil erfolgt. Dabei werden die dem abgetrennten Kurbelwellenteil zugeordneten abzuschaltenden Zylinder stillgesetzt. Die Wiederzuschaltung des abgetrennten Kurbelwellenteils erfolgt winkelgetreu und zündfolgerichtig. Dazu wird eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche zwischen einem zu- beziehungsweise abschaltbaren Kurbelwellenteil und dem mit dem Abtrieb verbundenen Kurbelwellenteil eine schaltbare Trennkupplung aufweist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Trennkupplung als Lamellenkupplung ausgebildet.
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Die Verwendung einer Lamellenkupplung als Trennkupplung ist für eine winkelgetreue und zündfolgerichtige Verbindung zweier Brennkraftmaschinenteile ungeeignet. Mittels einer Lamellenkupplung ist eine genaue und eindeutige Zuordnung der beiden Brennkraftmaschinenteile nur mit erhöhtem Regelungsaufwand und dem damit verbundenen technischen Aufwand möglich. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit verbundenen Kurbelwellenteilen muss die winkelgetreue Zuordnung infolge des betriebsbedingten Schlupfes der Lamellenkupplung ständig überprüft werden, um einen komfortablen Motorlauf zu gewährleisten. Weiterhin sind Lamellenkupplungen auch wegen den Verschleißeigenschaften unwirtschaftlich.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 30 05 343 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum wahlweisen Kuppeln von Brennkraftmaschinenteilen hervor, wobei mittels einer Beschleunigungskupplung die Drehzahlen der Brennkraftmaschinenteile über eine jeweils zugeordnete Nockenwelle aneinander angepasst werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 30 17 092 A1 ist eine Vorrichtung zum schaltbaren Kuppeln zweier trennbarer Kurbelwellenteile bekannt, wobei eine Vorkupplung als Reibungskupplung zum Herbeiführen der Drehzahlgleichheit und weiter eine formschlüssige Kupplung zur Drehmomentübertragung vorgesehen sind.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 31 32 368 A1 geht eine Brennkraftmaschine hervor, deren Zylinder einer Zylinderreihe in zwei Gruppen aufgeteilt und unabhängig voneinander betreibbar sind. Ein Kurbelwellenteil einer Zylindergruppe ist mit einer Leistungsabnahmewelle über herkömmliche Kupplungseinrichtungen verbindbar, wobei als Ausführungsbeispiel eine Freilaufkupplung beschrieben wird.
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Die Verwendung einer Freilaufkupplung für die Zusammenschaltung von Brennkraftmaschinenteilen ist für eine winkelgetreue und zündfolgerichtige Verbindung der beiden Kurbelwellenteile ebenfalls ungeeignet, da eine genaue und eindeutige Zuordnung der beiden Brennkraftmaschinenteile nur mit erhöhtem Regelungsaufwand und dem damit verbundenen technischen Aufwand möglich ist. In Abhängigkeit der technischen Ausführung der Freilaufkupplung ist mit einer erhöhten Geräuschentwicklung oder erhöhtem Verschleiß und ungünstigen Einlaufeigenschaften der Kupplung zu rechnen.
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Aus der Patentschrift
DE 36 19 351 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit einer selbst synchronisierenden Kupplung für eine Abtrennung eines Teils der Brennkraftmaschine bekannt. Die selbstsynchronisierende Kupplung ist als hydraulisch-mechanische Kupplung mit einem viskohydraulischen Kupplungsteil ausgeführt, mittels welchem eine Dämpfung von Torsionsschwingungen zwischen den Teil-Kurbelwellen erfolgen soll.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 1 475 453 A1 geht eine selbstschaltende Zahnkupplung hervor. Eine gegenseitige Einrückung der beiden Kupplungszahnkränze erfolgt bei Synchronisierung durch eine axial-schraubend verschiebbare Kupplungshälfte. Für die Dämpfung der Drehbewegung innerhalb eines Drehspiels der Kupplungshälften zueinander ist ein nach dem Verdrängungsprinzip arbeitender Drehdämpfer vorgesehen.
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Wird das Drehspiel bei einer Drehrichtungsänderung freigegeben, muss die dadurch freiwerdende Dämpferkammer wieder rasch mit Dämpfungsmittel gefüllt werden. Es ist somit notwendig, die Versorgung des Drehdämpfers mit Dämpfungsmittel stets zu gewährleisten. Bei schnellen Drehrichtungsänderungen kann jedoch die Dämpfung ausfallen, da nicht genügend Dämpfungsmittel in die Dämpferkammer einströmen konnte. Diese Zahnkupplung ist für den Einsatz zum winkelgetreuen und zündfolgerichtigen Verbinden zweier Brennkraftmaschinenenteile ungeeignet, da schon durch das Drehspiel Winkeländerungen zwischen den Brennkraftmaschinenteilen zugelassen werden. Des Weiteren sind durch die Aufteilung der Kupplungszähne mehrere Zuordnungen möglich, so dass eine zündfolgerichtige Verbindung der beiden Brennkraftmaschinenteile nur durch weitere Steuerungsmaßnahmen möglich ist.
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Aus der Patentschrift
DE 1 144 976 B geht eine Klauenkupplung mit zwei im Lauf ein- und ausrückbaren Kupplungshälften hervor. Zur Verminderung der Reibung beim Einrücken der Klauen und zur Verminderung von axialen oder in Umfangsrichtung auftretenden Stößen sind Rollen vorgesehen, welche in Aussparungen der Klauen an einer der Kupplungshälften federnd gelagert sind. So ist in einer Klaue eine Aussparung mit zwei federnd gelagerten Rollen vorgesehen, um beim Einrücken der Klauen in die zugeordnete Klauentasche in die Einsparung einzuschwenken. Die Rollen liegen dann an den Stirnflächen der Klauentasche an, um Stöße zwischen Klaue und Klauentasche zu mindern.
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Durch die Aussparung an der Klaue wird die wirksame Kontaktfläche mit der Klauentasche zur Drehmomentübertragung verringert. Um die zulässige Materialbeanspruchung nicht zu überschreiten, muss demnach die Klaue und dementsprechend die Klauentasche vergrößert werden, was zu einem erhöhten Bauraumbedarf führt. Des Weiteren ist eine aufwändige Montage der federelastischen Rollenlagerung notwendig.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 042 799 A1 geht eine Synchronisiereinrichtung für Getriebe hervor, welche eine Schiebemuffe mit einer Innenverzahnung sowie einen Synchronaussenring mit einer Aussenverzahnung aufweist. Weiter ist ein im Synchronaussenring integriertes Druckstück zur Vorsynchronisation zwischen Synchronaussenring und Schiebemuffe vorgesehen.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2010 005 915 B4 ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung bekannt, wobei zwei Teilkurbelwellen mittels einer selbst synchronisierenden Kupplung miteinander verbindbar und trennbar sind. Die Verbindung der Teilkurbelwellen erfolgt dabei über eine Massenausgleichswelle, wobei die selbst synchronisierende Kupplung eine Teilkurbelwelle mit der von der weiteren Teilkurbelwelle angetriebenen Massenausgleichswelle verbindet oder trennt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 108 024 A1 geht eine Kraftfahrzeuggetriebevorrichtung mit zumindest einer Koppeleinheit hervor, welche eine Reibschlusseinheit und eine parallel zur Reibschlusseinheit geschaltete Formschlusseinheit umfasst. Weiter umfasst die Koppeleinheit eine der Reibschlusseinheit zugeordnete Federeinheit und eine der Formschlusseinheit zugeordnete Federeinheit, mittels welcher eine vorteilhafte Betätigung realisiert werden kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Kupplungseinrichtung zum winkelgetreuen und zündfolgerichtigen Verbinden von Brennkraftmaschinenteilen sowie ein Verfahren zum Betreiben der Kupplungseinrichtungen bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Kupplungseinrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Kupplungseinrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und dem jeweiligen Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine vorteilhafte Kupplungseinrichtung bereit, mit der eine winkelgetreue und zündfolgerichtige Verbindung von zwei Brennkraftmaschinenteilen während des Betriebs wenigstens eines Brennkraftmaschinenteils ermöglicht wird. Die Kupplungseinrichtung ist aus einer Klauenkupplung und einer zur Klauenkupplung parallel angeordneten Reibkupplung aufgebaut, welche unabhängig voneinander betätigt werden können, um die beiden Brennkraftmaschinenteile miteinander schaltbar zu verbinden. Die Klauenkupplung ist mit einer Dämpfungseinrichtung ausgestattet, um die während des Einrückvorgangs und/oder während der Drehmomentübertragung auftretenden Stöße zu vermindern. Die Klauen und die zugeordneten Klauentaschen sind an der Klauenkupplung derart angeordnet, dass die Klauenkupplung nur in einer einzigen Winkelposition einrückbar ist. Die Dämpfungseinrichtung ist dabei als Zwischenglied zwischen Klaue und Klauentasche als ein Teil der jeweiligen Klauentasche ausgebildet. Durch eine besondere Form der Klauen und/oder Klauentaschen werden die beim Einrückvorgang auftretenden Stöße und Materialbelastungen weiter verringert und der Einrückvorgang kann beschleunigt werden, indem größere Drehzahldifferenzen zugelassen werden können. Weiterhin ist ein vorteilhafter Aktuator zum Einleiten des Einrückvorgangs vorgesehen, mit welchem der Einrückvorgang beschleunigt werden kann. Dazu ist der Aktuator mit einer Vorspanneinrichtung versehen. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Klauenkupplung kann auf aufwändige Steuer- und Regelungstechnik verzichtet werden.
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Die erfindungsgemäß vorteilhafte Klauenkupplung zum schaltbaren Verbinden von zwei Brennkraftmaschinenteilen verfügt über einen ersten, mit Klauen versehenen Kupplungskranz, welcher einem ersten Brennkraftmaschinenteil zugeordnet ist und einen zweiten, mit Klauentaschen versehenen Kupplungskranz, welcher einem zweiten Brennkraftmaschinenteil zugeordnet ist. Der jeweilige Kupplungskranz ist dabei direkt oder über weitere Zwischenglieder, wie beispielsweise Ausgleichswellen, mit einer Kurbelwelle des jeweils zugeordneten Brennkraftmaschinenteils verbunden.
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Der erste Kupplungskranz und der zweite Kupplungskranz sind zueinander axial bewegbar angeordnet, so dass jeweils eine Klaue des ersten Kupplungskranzes mit einer der jeweiligen Klaue zugeordneten Klauentasche des zweiten Kupplungskranzes in Wirkverbindung bringbar ist. Dabei kann entweder der erste Kupplungskranz auf einer ersten Kupplungswelle und/oder der zweite Kupplungskranz auf einer zweiten Kupplungswelle verschiebbar angeordnet sein, wobei die erste Kupplungswelle und die zweite Kupplungswelle zueinander fluchtend angeordnet sind.
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Die Klauen auf dem ersten Kupplungskranz können hauptsächlich sowohl in axialer Richtung, als auch in radialer Richtung erstreckt sein. Dazu sind klauen- oder zahnartige Erhebungen gegenüber einer Grundfläche vorgesehen, welche eine Stirnfläche und wenigstens zwei, als Kontaktflächen ausgeprägte Flankenflächen aufweisen, wobei die beiden Flankenflächen in einem spitzen Winkel oder parallel zueinander und voneinander abgewandt angeordnet sind. Dementsprechend können axial ausgerichtete Klauen als Erhebungen gegenüber einer senkrecht zur Rotationsachse des ersten Kupplungskranzes ausgerichteten Fläche oder radial ausgerichtete Klauen als Erhebungen gegenüber einer Mantelfläche des ersten Kupplungskranzes ausgebildet sein. Die Klauentaschen auf dem zweiten Kupplungskranz können sowohl in axialer Richtung, als auch in radialer Richtung erstreckt sein. Dazu sind klauen- oder zahnartige Vertiefungen gegenüber einer Grundfläche vorgesehen, welche eine Stirnfläche und wenigstens zwei, als Kontaktflächen ausgeprägte Flankenflächen aufweisen, wobei die beiden Flankenflächen in einem spitzen Winkel oder parallel zueinander und zueinander zugewandt angeordnet sind. Dementsprechend können axial ausgerichtete Klauentaschen als Vertiefungen gegenüber einer senkrecht zur Rotationsachse des zweiten Kupplungskranzes ausgerichteten Fläche oder radial ausgerichtete Klauentaschen als Vertiefungen gegenüber einer Mantelfläche des zweiten Kupplungskranzes ausgebildet sein. Die Stirnfläche der Klauen beziehungsweise der Klauentaschen ist zu den Flankenflächen der jeweiligen Klaue beziehungsweise der jeweiligen Klauentasche im Wesentlichen senkrecht angeordnet. Die Form der Klauen und der Klauentaschen ist aufeinander abgestimmt, so dass sich zwischen Klaue und Klauentasche ein geringes Spiel ergibt, um einen klemmfreien Ein- und Ausrückvorgang zu ermöglichen.
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Eine Klaue ist mit einer zugeordneten Klauentasche in Wirkkontakt bringbar, indem durch eine axiale Verschiebung der beiden Klauenkränze zueinander die jeweilige Klaue in die zugeordnete Klauentasche einrückt und eine Flankenfläche der Klaue mit einer entgegengerichteten Flankenfläche der Klauentasche in Kontakt tritt. Die Klauen des ersten Kupplungskranzes und die Klauentaschen des zweiten Kupplungskranzes sind über dem Umfang des jeweiligen Kupplungskranzes ungleichmäßig verteilt, so dass die Klauen und Klauentaschen durch eine axiale Verschiebung der Kupplungskränze nur in einer eindeutigen Winkelposition der Kupplungskränze und dementsprechend der Brennkraftmaschinenteile zueinander in Wirkkontakt bringbar sind. Damit wird eine eindeutige Zuordnung der Kupplungskränze zueinander und dementsprechend eine winkelgetreue Verbindung der Brennkraftmaschinenteile ermöglicht. Die Klauen können demnach nur in die Klauentaschen einfahren und somit die Klauenkupplung schließen, wenn die erforderliche Winkelposition der Kupplungskränze zueinander hergestellt ist. Ist die erforderliche Winkelposition nicht hergestellt, so treffen die Stirnflächen der Klauen auf die Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes. Dazu sind die Klauen über den Umfang des ersten Kupplungskranzes derart verteilt, dass wenigstens drei Klauen mit ihrer Stirnfläche mit der gegenüberliegenden Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes in Kontakt treten. Die Stirnfläche der Klauen und die Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes sind als Gleitflächen mit geringem Reibbeiwert ausgeführt. In vorteilhafter Weise sind die Klauen derart angeordnet, dass durch Anlagen der Klauen an die Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes kein Kippmoment erzeugt wird und sich die beiden Kupplungskränze gegeneinander abstützen. Dazu darf der mittlere Winkel zwischen zwei Klauen, welche mit der Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes in Kontakt stehen, 180° nicht überschreiten.
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Um den Einrückvorgang der Klauen in die Klauentaschen zu verbessern, sind die Klauen und die Klauentaschen mit einer Einrückfase versehen, wobei die Einrückfase der Klaue der Einrückfase der Klauentaschen entgegengerichtet angeordnet ist. Eine Einrückfase der Klaue ist zwischen der Stirnfläche und einer Flankenfläche der jeweiligen Klaue angeordnet. Eine Einrückfase der Klauentasche ist zwischen der Flankenfläche und der Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes der jeweiligen Klauentasche angeordnet. Die Einrückfasen können als ebene Kontaktfläche ausgeführt werden, so dass sich beim Einrücken ein Flächenkontakt zwischen den gegenüberliegenden Einrückfasen der Klaue und der zugeordneten Klauentasche ergibt. Die Einrückfasen können zur Reibungsminderung gekrümmt ausgeführt sein, so dass sich ein Linienkontakt ergibt.
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Zur Verminderung der während des Einrückvorgangs und/oder während der Drehmomentübertragung auftretenden Stöße ist eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Die Dämpfungseinrichtung ist als Zwischenglied zwischen den Klauen des ersten Kupplungskranzes und den Klauentaschen des zweiten Kupplungskranzes angeordnet. Die Dämpfungseinrichtung ist in vorteilhafter Weise als ein Teil der jeweiligen Klauentasche ausgebildet, so dass eine Kontaktfläche der Dämpfungseinrichtung mit einer Flankenfläche der zugeordneten Klaue während des Einrückvorgangs und/oder während der Drehmomentübertragung in Wirkkontakt bringbar ist. Die Kontaktfläche der Dämpfungseinrichtung ist dabei hauptsächlich parallel zu einer Flankenfläche der Klauentasche angeordnet, wobei die Kontaktfläche der Dämpfungseinrichtung in einem unbelasteten Zustand gegenüber der Flankenfläche in die Klauentasche vorsteht und in einem belasteten Zustand mit der Flankenfläche der Klauentasche fluchtet. Die Kontaktfläche kann als ebene oder als gekrümmte Fläche ausgebildet sein, so dass sich ein flächiger, linienförmiger oder punktförmiger Kontakt mit der entgegengerichteten Flankenfläche der Klaue ausbildet. Die Dämpfungseinrichtung ist mit einem Feder-Dämpfer-System ausgestattet, um die Bewegung der Klaue während des Einrückvorgangs und/oder während der Drehmomentübertragung gegenüber der Klauentasche zu dämpfen und die Klaue in eine definierte Zwangslage zu setzen. Das Feder-Dämpfer-System ist vorzugweise aus einer mechanischen Feder und einem hydraulischen Dämpfer aufgebaut, wobei der hydraulische Dämpfer über ein Zuleitungssystem mit Hydraulikflüssigkeit versorgt wird. Mittels der Dämpfungseinrichtung wird also der beim Beginn des Einrückvorgangs auftretende Stoß abgedämpft, welcher beim in Kontakt treten der gegengerichteten Flankenflächen von Klaue und Klauentasche auftreten würde. Die Stoßbewegung wird dabei im Feder-Dämpfer-System abgefangen. Außerdem wird mittels des Feder-Dämpfer-Systems der Dämpfungseinrichtung die Klaue in der Klauentasche eingespannt, um die Stöße, welche durch die Wechselbelastung während der Drehmomentübertragung auftreten, innerhalb des Spiels zwischen Klaue und Klauentasche abzudämpfen. Die Dämpfungseinrichtungen der einzelnen Klauentaschen können mittels eines Verbindungsrings zu einer gemeinsamen Dämpfungseinrichtung zusammengefasst sein, wobei der Verbindungsring koaxial zu den beiden Kupplungskränzen angeordnet ist.
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Die schaltbare Klauenkupplung ist mit einem Aktuator ausgestattet, mittels welchem die beiden Klauenkränze zueinander axial verschiebbar sind. Der Aktuator kann dabei derart ausgestaltet sein, dass der erste Kupplungskranz und/oder der zweite Kupplungskranz axial verschiebbar ist. Vorzugsweise ist einer der beiden Kupplungskränze mit der zugeordneten Kupplungswelle fest verbunden und der weitere Kupplungskranz auf der zugeordneten Kupplungswelle drehfest und axial verschiebbar gelagert. Der axial verschiebbare Kupplungskranz ist mit dem Aktuator verbunden, um eine axiale Verschiebung zu bewirken. Die Verbindung zwischen axial verschiebbarem Kupplungskranz und Aktuator kann beispielsweise in Form einer Schaltgabel ausgeführt sein, welche einerseits am Aktuator befestigt ist und anderseits in einer am axial verschiebbaren Kupplungskranz radial umlaufenden Nut gehaltert wird. Der Aktuator kann zudem über Rastpositionen verfügen, wodurch sich eindeutige Schaltpositionen der Klauenkupplung ergeben und die jeweilige Schaltposition gegen eine vorbestimmte Intensität einer axialen Krafteinwirkung gesichert ist. Der Aktuator kann durch verschiedene Wirkprinzipien, wie mechanische, elektromechanische, hydraulische oder pneumatische Wirkprinzipien betätigt werden, wobei eine hydraulische Betätigung bevorzugt wird. Der Aktuator ist zur Beschleunigung des Einrückvorgangs mit einer Vorspanneinrichtung vorgesehen. Die Vorspanneinrichtung kann als mechanische, hydraulische oder pneumatische Feder oder eine Kombination daraus ausgeführt sein. Die Vorspannung kann derart ausgeführt sein, dass der aus der Vorspannung resultierende Verstellweg für den verschiebbaren Kupplungskranz für den gesamten Einrückvorgang ausreicht.
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Die Reibkupplung ist parallel zur Klauenkupplung angeordnet, um parallel auf die Kupplungswellen zu wirken. In vorteilhafter Weise ist die Klauenkupplung koaxial zur Reibkupplung angeordnet, wobei sich die Reibkupplung innerhalb der Klauenkupplung befindet. Mit der Reibkupplung kann die Klauenkupplung überbrückt werden, um die Drehzahldifferenz der beiden Klauenkränze und somit der Brennkraftmaschinenteile einzustellen. Die Reibkupplung ist dazu geeignet, die Drehzahl des stillgelegten Brennkraftmaschinenteils einzustellen, so dass sich zwischen den beiden Kupplungskränzen der Klauenkupplung eine für den Schaltvorgang geeignete Drehzahldifferenz ergibt. Die Reibkupplung kann durch verschiedene Wirkprinzipien, aber bevorzugt hydraulisch, betätigt werden.
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An wenigstens einer Kupplungswelle der Kupplungseinrichtung kann zudem eine elektrische Maschine wirkverbunden sein. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine mit der Kupplungswelle wirkverbunden, welche dem dauerhaft betriebenen Brennkraftmaschinenteil zugeordnet ist. Mittels der elektrischen Maschine kann im Elektromotorbetrieb eine Unterstützung der betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere während des Schleppvorgangs des zweiten Brennkraftmaschinenteils erfolgen. Mittels der elektrischen Maschine kann im Generatorbetrieb Energie rückgewonnen werden.
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Zum Verbinden des betriebenen Brennkraftmaschinenteils mit dem stillgesetzten Brennkraftmaschinenteil wird zunächst die Kurbelwelle des stillgesetzten Brennkraftmaschinenteils auf eine Drehzahl gebracht, so dass die für den Einrückvorgang erforderliche Drehzahldifferenz zwischen den beiden Kupplungskränzen und somit den beiden Brennkraftmaschinenteilen erreicht beziehungsweise unterschritten wird. Dazu wird die parallel angeordnete Reibkupplung angesteuert, um somit Antriebsmoment von dem betriebenen Brennkraftmaschinenteil auf den stillgesetzten Brennkraftmaschinenteil zu übertragen. Ist die erforderliche Drehzahldifferenz erreicht beziehungsweise unterschritten, kann der Einrückvorgang der Klauenkupplung eingeleitet werden, indem der Aktuator angesteuert wird, um somit den axial verschiebbaren Kupplungskranz zu verschieben. Durch die axiale Verschiebung werden die Klauen in die Klauentaschen eingerückt, wenn die für den Einrückvorgang erforderliche Winkelposition zwischen den beiden Kupplungskränzen eingestellt ist. Die Einstellung der erforderlichen Winkelposition kann durch eine Winkelmessung an beiden Kupplungskränzen unterstützt werden. Beim Einrückvorgang trifft eine Flankenfläche der Klaue auf die Kontaktfläche der Dämpfungseinrichtung, wodurch der Einrückvorgang in Drehrichtung gedämpft wird. Zudem kann der Einrückvorgang durch den Kontakt der Einrückfasen von Klaue und zugeordneter Klauentasche unterstützt werden, so dass die Klaue bis zum Anschlag zwischen den Grundflächen der Kupplungskränze in die Klauentasche einfährt. Dabei wird die Klaue zunächst durch den Kontakt der Einrückfasen auf der Klaue und der zugeordneten Klauentasche und dem Kontakt zwischen einer Flankenfläche und Kontaktfläche der Dämpfungseinrichtung und bei weiterem Fortschreiten des Einrückvorgangs durch den Kontakt zwischen den Flankenflächen von Klauen und Klauentasche bis zum Anschlag zwischen den Grundflächen der Kupplungskränze oder der Stirnflächen der Klauen und Klauentaschen geführt.
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Ist jedoch die für den Einrückvorgang erforderliche Winkelposition zwischen den Kupplungskränzen und somit zwischen den Brennkraftmaschinenteilen nicht eingestellt, treten zunächst die Stirnflächen von wenigstens drei Klauen mit der Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes in Gleitkontakt. Entsprechend der Drehzahldifferenz zwischen den beiden Kupplungskränzen gleiten die Stirnflächen gegenüber der Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes ab, bis die erforderliche Winkelposition erreicht ist und die Klauen in die zugeordneten Klauentaschen einrücken können. Um die Einstellung der erforderlichen Winkelposition zu beschleunigen, kann die Drehzahldifferenz über die Reibkupplung angepasst werden. Da dann jedoch die zur Verfügung stehende Einrückzeit für ein materialschonendes Einrücken verringert wird, wird die Vorspanneinrichtung am Aktuator aktiviert. Mittels der Vorspanneinrichtung wird der Federspeicher geladen, solange sich die Stirnflächen der Klauen mit der Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes in Gleitkontakt befinden. Dadurch wird die Stellkraft des Aktuators gegenüber der einfachen Stellkraft des Aktuators erhöht, wodurch sich der Anpressdruck im Gleitkontakt zwischen den Stirnflächen der Klauen und der Grundfläche des zweiten Kupplungskranzes erhöht. Sobald die erforderliche Winkelposition erreicht ist und die Klaue über den Kontakt der entgegengerichteten Einrückfasen und anschließend der entgegengerichteten Flankenflächen in die zugeordnete Klauentasche einrücken kann, wird eine gegenüber der einfachen Betätigung durch den Aktuator erhöhte Beschleunigung durch den Aktuator in Verbindung mit der Vorspanneinrichtung bereitgestellt. Der Einrückvorgang wird somit beschleunigt.
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Alternativ kann eine Ansteuerung der Klauenkupplung und der Reibkupplung derart erfolgen, indem die für den Einrückvorgang erforderliche Winkelposition angesteuert wird, so dass sich die Drehzahldifferenz zwischen den Kupplungskränzen der Klauenkupplung beim Erreichen der erforderlichen Winkelposition auf eine zulässige Drehzahldifferenz reduziert. In vorteilhafter Weise kann dabei eine Drehzahldifferenz von null erreicht werden, um ein nahezu stoßfreies Einrücken zu gewährleisten. Dazu werden die Drehzahlen der Kupplungskränze und die aktuelle Winkelposition der Kupplungskränze zueinander ermittelt. Aus den Eigenschaften der Reibkupplung kann ein Winkelbereich ermittelt werden, welcher notwendig ist, bis die Drehzahldifferenz der Kupplungskränze auf eine zulässige Drehzahldifferenz reduziert ist. Dieser Winkelbereich muss als Winkelposition zwischen den Kupplungskränzen vorgehalten werden. Der Abbau der Drehzahldifferenz kann alternativ über die Reibkupplung gesteuert werden, so dass sich die Drehzahldifferenz innerhalb des zur Verfügung stehenden Winkelbereichs zwischen aktueller Winkelposition und für den Einrückvorgang zulässiger Winkelposition auf die für den Einrückvorgang zulässige Drehzahldifferenz reduzieren lässt. Zusätzlich können für die zeitliche Optimierung des Einrückvorgangs Ansteuerzeiten einbezogen werden, so dass eine Betätigung des Aktuators der Klauenkupplung vorgesteuert wird. Dadurch können mögliche Totzeiten überbrückt werden.
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Zum Trennen der beiden Brennkraftmaschinenenteile wird die Klauenkupplung geöffnet, indem der Aktuator eine axiale Verschiebung der Kupplungskränze zueinander bewirkt, wodurch die Klauen aus den Klauentaschen ausrücken und somit kein Drehmoment übertragbar ist. Über die Ansteuerung der Reibkupplung kann der Ausrückvorgang unterstützt werden, um ein Verklemmen der Klauen in den Klauentaschen oder gegenüber der Dämpfungseinrichtung zu vermeiden. Dazu wird die Reibkupplung vor dem Ausrückvorgang geschlossen, um die Klauenkupplung beim Ausrückvorgang zu überbrücken. Ist der Ausrückvorgang abgeschlossen, kann die Reibkupplung geöffnet werden.
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Ausführungsbeispiel Kupplungseinrichtung
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einer erfindungsgemäß vorteilhaften Kupplungseinrichtung 2 und
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2: eine schematische Darstellung einer Klaue 3 und einer Klauentasche 4 einer Klauenkupplung 5 und
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3: eine schematische Darstellung eines ersten Kupplungskranzes 5a und zweiten Kupplungskranzes 5b der Klauenkupplung 5.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung 2 ist in 1 dargestellt. Die Kupplungseinrichtung 2 ist mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden, um einen ersten Brennkraftmaschinenteil 1a und einen zweiten Brennkraftmaschinenteil 1b miteinander schaltbar zu verbinden. Dazu ist die Kupplungseinrichtung 2 mit einer Klauenkupplung 5 und einer parallel zur Klauenkupplung 5 angeordneten Reibkupplung 6 ausgestattet, welche unabhängig voneinander betätigt werden können. Die Klauenkupplung 5 und die Reibkupplung 6 sind derart zueinander parallel angeordnet, dass sowohl die Klauenkupplung 5, als auch die Reibkupplung 6 den ersten Brennkraftmaschinenteil 1a mit dem zweiten Brennkraftmaschinenteil 1b miteinander schaltbar verbinden können. Dazu ist eine erste Kupplungswelle 7a einerseits mit der Klauenkupplung 5 und der Reibkupplung 6 und andererseits mit einer ersten Kurbelwelle 8a des ersten Brennkraftmaschinenteils 1a und eine zweite Kupplungswelle 7b einerseits mit der Klauenkupplung 5 und der Reibkupplung 6 und andererseits mit einer zweiten Kurbelwelle 8b des zweiten Brennkraftmaschinenteils 1b wirkverbunden. Die Klauenkupplung 5 und die Reibkupplung 6 sind unabhängig voneinander betätigbar.
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Die winkelgetreue und zündfolgerichtige Verbindung der Brennkraftmaschinenteile 1a, 1b während des Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt mittels der Klauenkupplung 5, wobei über den Umfang der Klauenkupplung 5 mehrere Klauen 3 auf dem ersten Kupplungskranz 5a und mehrere Klauentaschen 4 auf dem zweiten Kupplungskranz 5b ungleichmäßig verteilt sind, dargestellt in 3. Jeder Klaue 3 ist eine Klauentasche 4 zugeordnet, so dass die Klauenkupplung 5 nur bei einer bestimmten Winkelzuordnung der beiden Kurbelwellen 8a, 8b zueinander geschlossen werden kann. Durch die Form der Klauen 3 und der Klauentaschen 4, dargestellt in 2, werden die beim Einrückvorgang auftretenden Stöße und Materialbelastungen verringert.
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Die Klaue 3 ist als klauen- oder zahnartige axiale Erhebung 9 gegenüber einer ersten Grundfläche 10 ausgebildet, welche eine erste Stirnfläche 11, eine erste Flankenfläche 12 und eine zweite Flankenfläche 13 aufweisen, wobei die Flankenflächen 12, 13 in einem spitzen Winkel oder parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin ist eine erste Einrückfase 14 vorgesehen, welche sich zwischen der ersten Flankenfläche 12 und der ersten Stirnfläche 11 ausbildet.
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Die Klauentasche 4 ist als klauen- oder zahnartige Vertiefung 15 gegenüber einer zweiten Grundfläche 16 ausgebildet, welche eine zweite Stirnfläche 17, eine dritte Flankenfläche 18 und eine vierte Flankenfläche 19 aufweisen, wobei die Flankenflächen 18, 19 in einem spitzen Winkel oder parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin ist eine zweite Einrückfase 20 vorgesehen, welche sich zwischen der dritten Flankenfläche 18 und der zweiten Grundfläche 16 ausbildet. Mittels einer in der Klauentasche 4 vorgesehenen Dämpfungseinrichtung 21, deren Kontaktfläche 22 einen Teil der Klauentasche 4 bildet, können die beim Einrückvorgang auftretenden Stöße und Materialbelastungen weiter verringert werden. Die Dämpfungseinrichtung 21 wird mittels eines Feder-Dämpfer-Systems 23 betätigt.
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Ausführungsbeispiel Verfahren zum Betreiben der Kupplungseinrichtung
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Kupplungseinrichtung 2 dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
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4: eine schematische Darstellung des Einrückvorgangs.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung des Verfahrens zum Betreiben der Kupplungseinrichtung 2, dargestellt in 1, ergibt sich durch die Ansteuerung der Klauenkupplung 5 und der Reibkupplung 6. Mittels der Reibkupplung 6 wird der stillgesetzte zweite Brennkraftmaschinenteil 1b auf eine Drehzahl beschleunigt, bis die für den Einrückvorgang zulässige Drehzahldifferenz erreicht beziehungsweise unterschritten wird. Dazu wird die Reibkupplung 6 entsprechend angesteuert und somit die Klauenkupplung 5 zunächst überbrückt. Durch die Betätigung der Klauenkupplung 5 treten erste Stirnflächen 11 der wenigstens drei Klauen 3 mit der zweiten Grundfläche 16 in Gleitkontakt, dargestellt in 3, Abbildung A. Unter Einhaltung der zulässigen Drehzahldifferenz gleiten die ersten Stirnflächen 11 auf der zweiten Grundfläche 16 ab. Durch die weitere Betätigung der Klauenkupplung 5 wird der Anpressdruck auf den Gleitkontakt erhöht, und somit die Klauenkupplung 5 für den bevorstehenden Einrückvorgang vorgespannt. Der Einrückvorgang wird durch den Übergang von zweiter Grundfläche 16 zu der zweiten Einrückfase 20 und den damit einhergehenden Freigang automatisch eingeleitet, wenn die erforderliche Winkelposition eingestellt ist und die jeweilige Klaue 3 in die zugeordnete Klauentasche 4 einrücken kann, dargestellt in 3, Abbildung B. Die relative Bewegung der Klaue 3 gegenüber der zugeordneten Klauentasche 4 wird mittels der Dämpfungseinrichtung 21 abgedämpft, wobei die zweite Flankenfläche 13 mit der Kontaktfläche 22 in Kontakt tritt, dargestellt in 3, Abbildung C, und die Dämpfungseinrichtung 21 entsprechend einfedert und die relative Bewegung abgedämpft wird, dargestellt in 3, Abbildung D. Mittels der Dämpfungseinrichtung 21 wird die Klaue 3 innerhalb der Klauentasche 4 bei fortschreitendem Einrückvorgang eingespannt, wobei die erste Einrückfase 14 mit der zweiten Einrückfase 20 in Gleitkontakt tritt. Über den Gleitkontakt der ersten Einrückfase 14 und der zweiten Einrückfase 20 sowie der Vorspannung durch die Dämpfungseinrichtung 21 wird die Klaue 3 durch die weitere Betätigung der Klauenkupplung 5 in die Klauentasche 4 geführt, dargestellt in 3, Abbildung E. Die Klauenkupplung 5 wird weiter betätigt, so dass sich nach dem Gleitkontakt zwischen der ersten Einrückfase 14 und der zweiten Einrückfase 20 ein Gleitkontakt zwischen erster Flankenfläche 12 und dritter Flankenfläche 18 einstellt. Die Betätigung der Klauenkupplung 5 erfolgt, bis die Klaue 3 vollständig, vorzugsweise bis zu einem Anschlag zwischen erster Grundfläche 10 und zweiter Grundfläche 16 oder erster Stirnfläche 11 und zweiter Stirnfläche 17 in die Klauentasche 4 eingefahren ist, dargestellt in 3, Abbildung F. Die Reibkupplung 6 kann geöffnet werden, wenn der Einrückvorgang hauptsächlich abgeschlossen ist.
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Zum Trennen der beiden Brennkraftmaschinenenteile 1a, 1b wird die Klauenkupplung 5 geöffnet, wodurch die Klauen 3 aus den Klauentaschen 4 ausrücken und somit kein Drehmoment übertragbar ist. Über die Ansteuerung der Reibkupplung 6 kann der Ausrückvorgang unterstützt werden, um ein Verklemmen der Klauen 3 in den Klauentaschen 4 oder gegenüber der Dämpfungseinrichtung 21 zu vermeiden. Dazu wird die Reibkupplung 6 vor dem Ausrückvorgang geschlossen, um die Klauenkupplung 5 beim Ausrückvorgang zu überbrücken. Ist der Ausrückvorgang abgeschlossen, wird die Reibkupplung 6 geöffnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1; 1a, 1b
- Brennkraftmaschine; erster, zweiter Brennkraftmaschinenteil
- 2
- Kupplungseinrichtung
- 3
- Klaue
- 4
- Klauentasche
- 5; 5a, 5b
- Klauenkupplung; erster, zweiter Kupplungskranz
- 6
- Reibkupplung
- 7a, 7b
- erste, zweite Kupplungswelle
- 8a, 8b
- erste, zweite Kurbelwelle
- 9
- Erhebung
- 10
- erste Grundfläche
- 11
- erste Stirnfläche
- 12
- erste Flankenfläche
- 13
- zweite Flankenfläche
- 14
- erste Einrückfase
- 15
- Vertiefung
- 16
- zweite Grundfläche
- 17
- zweite Stirnfläche
- 18
- dritte Flankenfläche
- 19
- vierte Flankenfläche
- 20
- zweite Einrückfase
- 21
- Dämpfungseinrichtung
- 22
- Kontaktfläche
- 23
- Feder-Dämpfer-System
