DE102013207870A1

DE102013207870A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Kupplung

Info

Publication number: DE102013207870A1
Application number: DE102013207870.6A
Authority: DE
Inventors: Pierre Lamothe; Manuel Schenk; Loyal George MacMillian
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Kupplung in einem Kupplungsgehäuse, wobei in einem Innenraum des Kupplungsgehäuses eine um eine Drehachse drehbar angeordnete Kupplung angeordnet ist, die von dem Kupplungsgehäuse im Wesentlichen umgeben ist, wobei zumindest eine Düse in oder an dem Kupplungsgehäuse vorgesehen ist, durch welche ein Flüssigkeitsnebel in das Kupplungsgehäuse eindüsbar ist, wobei die Düse mit einer Flüssigkeitsversorgung versehen ist zur steuerbaren Eindüsung der Flüssigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Kupplung, insbesondere nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Kühlung einer Kupplung, insbesondere nach dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor und insbesondere mit Doppelkupplungsgetriebe mit einer Doppelkupplung wird die Kupplung, wie die Doppelkupplung, bei bestimmten Betriebszuständen dadurch sehr heiß, dass aufgrund des auftretenden Schlupfs bei angelegtem übertragbarem Drehmoment ein hoher Energieeintrag in die Reibbeläge der Reibungskupplung vorliegt.
Bei nass laufenden Kupplungen, wie Doppelkupplungen, erfolgt eine Wärmeabfuhr von den Kupplungsscheiben bzw. von den Gussmassen der Druckplatten durch Konvektion, wobei das Öl der nass laufenden Kupplung, wie insbesondere bei einer nass laufenden Doppelkupplung, die Wärmeabfuhr begünstigt.
Bei trocken laufenden Kupplungen und Doppelkupplungen ist die Konvektion aufgrund der in der Kupplungsglocke vorhandenen Luft nur gering. Die Wärmeabfuhr durch die Luft hängt dabei auch noch von dem Temperaturunterschied zwischen den heißen Elementen der Kupplung, wie den Kupplungsscheiben bzw. Druckplatten oder Gegendruckplatten und der sie umgebenden Kupplungsglocke ab. Je geringer der Temperaturunterschied ist bzw. je heißer die Kupplungsglocke ist, desto geringer ist der Abkühleffekt durch die in der Kupplungsglocke vorliegenden und Luft.
In der DE 10 2011 079 889 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem ein Lufteinlasskanal an einer Kupplungsglocke vorgesehen ist zum Einlass von Kühlluft und bei welcher die Temperatur der Kupplung mittels eines Temperatursensors gemessen wird, um Kühlluft in die Kupplungsglocke einströmen zu lassen.
Dies hat jedoch den Nachteil der geringen Effektivität, da die spezifische Wärme der Luft gering ist. Auch würden für eine ausreichende Kühlung hohe Luftmengen für eine ausreichende Kühlung benötigt, was wiederum einen erheblichen baulichen Aufwand für einen Lüfter mit Steuereinheit und Luftführungskanal bedeuten würde.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer Kupplung zu schaffen, die einfach und effektiv eine Kühlung bewirken kann und dennoch kostengünstig realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Kühlung einer Kupplung in einem Kupplungsgehäuse vor, wobei in einem Innenraum des Kupplungsgehäuses eine um eine Drehachse drehbar angeordnete Kupplung angeordnet ist, die von dem Kupplungsgehäuse im Wesentlichen umgeben ist, wobei zumindest eine Düse in oder an dem Kupplungsgehäuse vorgesehen ist, durch welche ein Flüssigkeitsnebel in das Kupplungsgehäuse eindüsbar ist, wobei die Düse mit einer Flüssigkeitsversorgung versehen ist zur steuerbaren Eindüsung der Flüssigkeit. Dabei bedeutet das Eindüsen ein Einspritzen eines Nebels einer Flüssigkeit in der Luft des Kupplungsgehäuses. Ein Nebel ist dabei eine Verteilung von Flüssigkeitstropfen in der Luft. Dabei bezieht sich das angegebene Ausführungsbeispiel auf eine Eindüsung insbesondere von Wasser als Flüssigkeit. Dadurch kann eine günstige Kühlung realisiert werden, weil durch das Eindüsen eines Nebels von Wasser in die Luft des Kupplungsgehäuses eine Menge an Flüssigkeitstropfen eingedüst wird, die dann durch die heiße Luft verdampft werden, weshalb die Verdampfungsenthalpie einen günstigen Kühleffekt für die Luft bewirkt. Diese liegt gemäß dem Molliere-Diagramm bei 100°C und 1013 mbar pro kg Wasser bei etwa 2250 kJ/kg.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit als Nebel mit einer Tropfengröße von etwa 60 µm oder geringer in das Kupplungsgehäuse eindüsbar ist. Dadurch können Flüssigkeitsmengen in der Größenordnung von etwa 1,5 l pro Stunde bis ca. 12 l pro Stunde eingedüst werden, was zu einer Kühlleistung führt, welche ausreichend ist für eine thermische Belastung der Kupplung von bis zu 10 kW.
Auch ist es zweckmäßig, wenn eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche das Eindüsen der Flüssigkeit in Abhängigkeit von zumindest einer Kupplungstemperatur steuert. So kann die Temperatur der Kupplung überwacht werden und ein Eindüsen kann dann angesteuert werden, wenn ein Schwellenwert für die Kupplungstemperatur überschritten ist.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die zumindest eine Kupplungstemperatur mittels eines Sensors gemessen und/oder mittels vorliegender Betriebsdaten bestimmt wird. Bei der Verwendung zumindest eines Sensors kann eine genaue Temperaturbestimmung durchgeführt werde. Wird hingegen die Temperatur berechnet, so kann ein Sensor kostengünstig eingespart werden. Bei einer kombinierten Lösung kann bei Vorhandensein eines Sensors und bei gleichzeitiger Berechnung die Temperatur der sich drehenden Kupplung verbessert werden, weil der Sensor üblicher Weise nicht an der Kupplung angebracht ist, sondern meist am Kupplungsgehäuse.
Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Flüssigkeitsversorgung ein Flüssigkeitsreservoir, eine Flüssigkeitsversorgungsleitung und eine Flüssigkeitspumpe aufweist, wobei optional auch ein Steuerventil in der Flüssigkeitsversorgungsleitung vorgesehen sein kann. So kann beispielsweise eine vorhandene Flüssigkeitsversorgung mitverwendet werden, wie die Wasserversorgung für die Scheibenwaschdüsen. Dadurch kann das vorhandene Flüssigkeitsreservoir und die vorhandene Pumpe verwendet werden, wobei ein Ventil hilfreich eingesetzt werden könnte, zum Umschalten zwischen der Anwendung der Kupplungskühlung und dem Reinigen der Scheiben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Kühlung einer Kupplung vor, wobei die Kupplung insbesondere in einem Kupplungsgehäuse angeordnet ist, wobei in einem Innenraum des Kupplungsgehäuses eine um eine Drehachse drehbar angeordnete Kupplung angeordnet ist, die von dem Kupplungsgehäuse im Wesentlichen umgeben ist, wobei zumindest eine Düse in dem Kupplungsgehäuse vorgesehen ist, durch welche ein Flüssigkeitsnebel in das Kupplungsgehäuse eingedüst wird, wobei die Düse von einer Flüssigkeitsversorgung mit Flüssigkeit gesteuert versorgt wird. Dadurch kann die Anwendung der Kühlung gezielt in Betriebssituationen vorgenommen werden, in welchen sie benötigt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Flüssigkeit als Nebel mit einer Tropfengröße von etwa 60 µm oder geringer in das Kupplungsgehäuse eingedüst wird. Dadurch wird eine effektivere Kühlung im Vergleich zur reinen Luftkühlung realisiert, weil durch das Eindüsen des Nebels von Wasser in die Luft eine Menge an Flüssigkeitstropfen eingedüst wird, die dann verdampft werden, weshalb die Verdampfungsenthalpie einen Kühleffekt für die Luft bewirkt. Diese liegt gemäß dem Molliere-Diagramm bei 100°C und 1013 mbar pro kg Wasser bei etwa 2250 kJ/kg. Durch die so abgekühlte Luft kann dann die Kupplung verbessert gekühlt werden.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Eindüsen der Flüssigkeit von einer Steuereinheit gesteuert erfolgt, wobei das Eindüsen der Flüssigkeit in Abhängigkeit von zumindest einer Kupplungstemperatur gesteuert wird. Dadurch wird die Kühlung nur zu Betriebszeiten bzw. Betriebszuständen eingesetzt, in welchen eine Kühlung auch benötigt wird, weil die Kupplungstemperatur einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheit die zumindest eine Kupplungstemperatur anhand von Messwerten von zumindest einem Sensor erhält und/oder mittels vorliegender Betriebsdaten bestimmt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit zumindest eine Pumpe und/oder ein Ventil einer Flüssigkeitsversorgung ansteuert, um eine Flüssigkeitsmenge aus einem Flüssigkeitsreservoir über eine Flüssigkeitsversorgungsleitung zur Düse zu fördern.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert:
Dabei zeigen:
1 eine Kupplungsanordnung mit Düse zum Eindüsen von Nebel in das Kupplungsgehäuse,
2 eine Verschaltung zur Flüssigkeitsversorgung, und
3 ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Kühlung einer Kupplung 2, die in einem Kupplungsgehäuse 3, wie beispielsweise in einer Getriebeglocke, angeordnet ist. Die Kupplung 2 ist im Innenraum 4 des Kupplungsgehäuses 3 um eine Drehachse 5 drehbar angeordnet und verbindet bevorzugt die Ausgangswelle einer Antriebsmaschine, wie beispielsweise einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einer Eingangswelle eines nachgeschalteten Getriebes. Dabei kann die Ausgangswelle noch mit einem Torsionsschwingungsdämpfer, wie einem Zweimassenschwungrad versehen sein.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Kupplung 2 als Doppelkupplung ausgebildet, die zwei Kupplungsscheiben 6, 7 aufweist, die jeweils zwischen einer Druckplatte 8 und einer Gegendruckplatte 9, 10 angeordnet sind. Das von der jeweiligen Kupplung 2 der Doppelkupplung übertragbare Drehmoment wird durch die Betätigung der jeweiligen Tellerfedern 11, 12 eingestellt, die mittels Ausrücklagern in axialer Richtung auf Zug und/ oder auf Druck beaufschlagbar sind.
Am Kupplungsgehäuse 3 ist eine Düse 13 zum Eindüsen von einem Nebel 14 einer Flüssigkeit vorgesehen. Die Flüssigkeit ist bevorzugt Wasser, gegebenenfalls mit einem Zusatz. Die Düse 13 steht mit einer Flüssigkeitsversorgung in Verbindung, so dass eine Flüssigkeit 16 aus einem Flüssigkeitsreservoir 17 mittels einer Pumpe 18 zur Düse 13 gefördert werden kann, um im Innenraum 4 des Kupplungsgehäuses 13 als Nebel eingedüst zu werden. Die Pumpe 18 ist in der Flüssigkeitsversorgungsleitung 19 zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 17 und der Düse 13 angeordnet.
Weiterhin ist eine Steuereinheit 20 vorgesehen, die beispielsweise über einen Temperatursensor 21 die Temperatur der Kupplung 2 bestimmen kann, und welche in Abhängigkeit der Temperatur der Kupplung 2 die Pumpe 18 zur Eindüsung der Flüssigkeit in den Innenraum 4 ansteuert.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Temperatursensor 21 kann die Steuereinheit 20 auch von anderen elektronischen Einheiten im Kraftfahrzeug Daten empfangen, aus welchen entweder eine Temperatur der Kupplung 2 übernehmbar oder aus welchen eine Temperatur der Kupplung 2 herleitbar, wie berechenbar, ist.
Die 1 zeigt weiterhin die Luftströmung 22 im Innenraum 4 zwischen den Elementen der Doppelkupplung. Im Bereich der Reibbeläge 23, 24 erfolgt eine Erhitzung der Luft 22, wobei aufgrund der Eindüsung des Flüssigkeitsnebels, wie insbesondere eines Wassernebels, die Luft 22 abgekühlt wird, da eine Wärmemenge von der Luft 22 auf die Nebeltropfen übertragen wird, so dass die Tropfen des Nebels verdampfen. Damit wird die Luft 22 im Innenraum 4 abgekühlt und sie kann dann auch die Kupplung 2 besser abkühlen.
Die 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verschaltung 30 zur Flüssigkeitsversorgung einer Düse 31 zum Eindüsen eines Flüssigkeitsnebels. Dazu ist ein Flüssigkeitsreservoir 32 mit einer Flüssigkeitsmenge 33 vorgesehen. Zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 32 und der Düse 31 ist eine Flüssigkeitsversorgungsleitung 34 vorgesehen, in welcher eine Pumpe 35 und ein Steuerventil 36 angeordnet ist.
Weiterhin ist ein weiterer Ausgabekanal 37 vorgesehen, welcher mittels der Flüssigkeitsversorgung 30 mit Flüssigkeit versorgt werden kann, wie beispielsweise eine Scheibenwaschdüse. Durch die Ansteuerung der Pumpe 35 und des Steuerventils 36 kann eine Flüssigkeitsmenge 33 gezielt entweder zur Düse 31 zum Eindüsen des Nebels in das Kupplungsgehäuse oder zur Flüssigkeitsversorgung einer Scheibenwaschdüse 37 angesteuert werden.
Damit kann erreicht werden, dass eine vorhandene Flüssigkeitsversorgung, wie eine Scheibenwaschanlagenflüssigkeitsversorgung, durch Hinzufügen eines Steuerventils multifunktional auch für die Kühlung der Kupplung eingesetzt werden kann.
Die 3 zeigt ein Diagramm 50 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Block 51 wird das normale Verfahren betrieben, wobei in Block 52 abgefragt wird, ob die Kupplungstemperatur kleiner ist als eine Grenztemperatur. Ist dies der Fall, wird mit dem normalen Verfahren 51 fortgefahren, eine gesonderte Kupplungskühlung ist nicht notwendig.
Ist die Kupplungstemperatur jedoch nicht kleiner als eine Grenztemperatur, so wird gemäß Block 53 im Kupplungsgehäuse, wie in der Kupplungsglocke, ein Nebel eingedüst. Ist aufgrund dieser Eindüsung und der damit verbundenen Kühlwirkung die Temperatur der Kupplung wieder kleiner als die Grenztemperatur, so wird mit der normalen Betriebsweise ohne weitere Kupplungskühlung fortgefahren.
Eine weitere Abfrage hinsichtlich der Temperatur der Kupplung erfolgt in Block 54. Ist die Temperatur der Kupplung trotz Kühlung noch nicht wieder kleiner als die eine Grenztemperatur, so wird gemäß Block 55 eine weitere Schutzstrategie eingeleitet, wonach der Wärmeeintrag in die Kupplung reduziert wird, so dass die Temperatur der Kupplung weiter absinken kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Kupplung
3: Kupplungsgehäuse
4: Innenraum
5: Drehachse
6: Kupplungsscheibe
7: Kupplungsscheibe
8: Druckplatte
9: Gegendruckplatte
10: Gegendruckplatte
11: Tellerfeder
12: Tellerfeder
13: Düse
14: Nebel
15: Flüssigkeitsversorgung
16: Flüssigkeit
17: Flüssigkeitsreservoir
18: Pumpe
19: Flüssigkeitsversorgungsleitung
20: Steuereinheit
21: Sensor
22: Luft, Luftströmung
23: Kupplungsscheibe
24: Kupplungsscheibe
30: Flüssigkeitsversorgung
31: Düse
32: Flüssigkeitsreservoir
33: Flüssigkeitsmenge
34: Flüssigkeitsversorgungsleitung
35: Pumpe
36: Steuerventil
37: Scheibenwaschdüse
50: Diagramm
51: Block
52: Block
53: Block
54: Block
55: Block

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011079889 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zur Kühlung einer Kupplung (2) in einem Kupplungsgehäuse (3), wobei in einem Innenraum (4) des Kupplungsgehäuses eine um eine Drehachse drehbar angeordnete Kupplung (2) angeordnet ist, die von dem Kupplungsgehäuse (3) im Wesentlichen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Düse (13) in oder an dem Kupplungsgehäuse (3) vorgesehen ist, durch welche ein Flüssigkeitsnebel in das Kupplungsgehäuse (3) eindüsbar ist, wobei die Düse (13) mit einer Flüssigkeitsversorgung (15) versehen ist zur steuerbaren Eindüsung der Flüssigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit als Nebel mit einer Tropfengröße von etwa 60 µm oder geringer in das Kupplungsgehäuse (3) eindüsbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (20) vorgesehen ist, welche das Eindüsen der Flüssigkeit in Abhängigkeit von zumindest einer Kupplungstemperatur steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kupplungstemperatur mittels eines Sensors (21) gemessen und/oder mittels vorliegender Betriebsdaten bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsversorgung (15) ein Flüssigkeitsreservoir (17), eine Flüssigkeitsversorgungsleitung (19) und eine Flüssigkeitspumpe (18) aufweist, wobei optional auch ein Steuerventil (36) in der Flüssigkeitsversorgungsleitung vorgesehen sein kann.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zur Kühlung einer Kupplung (2) in einem Kupplungsgehäuse (3), wobei in einem Innenraum (4) des Kupplungsgehäuses (3) eine um eine Drehachse drehbar angeordnete Kupplung angeordnet ist, die von dem Kupplungsgehäuse im Wesentlichen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Düse (13) in dem Kupplungsgehäuse vorgesehen ist, durch welche ein Flüssigkeitsnebel in das Kupplungsgehäuse eingedüst wird, wobei die Düse von einer Flüssigkeitsversorgung mit Flüssigkeit gesteuert versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (16) als Nebel in das Kupplungsgehäuse (3) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Eindüsen der Flüssigkeit (16) von einer Steuereinheit (20) gesteuert erfolgt, wobei das Eindüsen der Flüssigkeit in Abhängigkeit von zumindest einer Kupplungstemperatur gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die zumindest eine Kupplungstemperatur anhand von Messwerten von zumindest einem Sensor (21) erhält und/oder mittels vorliegender Betriebsdaten bestimmt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) zumindest eine Pumpe (18) und/oder ein Ventil (36) einer Flüssigkeitsversorgung ansteuert, um eine Flüssigkeitsmenge aus einem Flüssigkeitsreservoir über eine Flüssigkeitsversorgungsleitung zur Düse zu fördern.