DE102014118692A1

DE102014118692A1 - Kupplungsanordnung sowie Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102014118692A1
Application number: DE102014118692.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Weimer; Jan von Hoyningen-Huene; David Vopel
Original assignee: Kendrion Markdorf GmbH
Current assignee: Kendrion Markdorf GmbH
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2034-12-17
Also published as: DE102014118692B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung (1), umfassend eine Flüssigkeitsreibungskupplung (7) sowie eine Reibscheibenkupplung (6) zum Übertragen eines Drehmomentes von einer antriebsmotorseitigen Primärseite (2) auf eine nebenaggregatseitige Sekundärseite (5), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die Flüssigkeitsreibungskupplung (7) ein, durch Bestromen von Elektromagnetmitteln (9) verdrehbare Drehankermittel (22) sowie eine Steuerventilöffnung (16) umfassendes Steuerventil (15) aufweist, über das ein Scherfluidstand in einem Scherspalt (12) der Flüssigkeitsreibungskupplung (7) zur Einstellung des Schlupfes zwischen Primärseite (2) und Sekundärseite (5) einstellbar ist, und wobei die Reibscheibenkupplung (6) eine entgegen einer Rückstellkraft von axialen Rückstellmitteln (11) elektromagnetisch verstellbare Reibscheibe (8) umfasst, durch deren axiales Verstellen die Reibscheibenkupplung (6) schließbar und dadurch die Flüssigkeitsreibungskupplung (7) überbrückbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Reibscheibe (8) Bestandteil der Drehankermittel (22) ist und durch Verdrehen der Reibscheibe (8) ein freier Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung (16) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, umfassend eine Flüssigkeitsreibungskupplung sowie eine Reibscheibenkupplung zum Übertragen eines Drehmomentes (Antriebsmomentes) von einer antriebsmotorseitigen Primärseite auf eine nebenaggregatseitige Sekundärseite, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die Flüssigkeitsreibungskupplung ein, durch Bestromen von Elektromagnetmitteln verdrehbare Drehankermittel sowie (mindestens) eine Steuerventilöffnung umfassendes Steuerventil aufweist, über das ein Scherfluidstand in einem Scherspalt der Flüssigkeitsreibungskupplung zur Einstellung des Schlupfes zwischen Primärseite und Sekundärseite einstellbar ist und wobei die Reibscheibenkupplung eine entgegen einer Rückstellkraft von axialen Rückstellmitteln elektromagnetisch verstellbare Reibscheibe umfasst, durch deren axiales Verstellen die Reibscheibenkupplung schließbar und dadurch die Flüssigkeitsreibungskupplung überbrückbar ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kupplungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13, die eine Flüssigkeitsreibungskupplung sowie eine Reibscheibenkupplung zum Übertragen eines Drehmomentes von einer antriebsmotorseitigen Primärseite auf eine nebenaggregatseitige Sekundärseite, insbesondere in einem Kraftfahrzeug umfasst, wobei durch Bestromen von Elektromagnetmitteln Drehankermittel eines Steuerventils verdreht und dadurch der Strömungsquerschnitt einer Steuerventilöffnung des Steuerventils verändert wird, um dadurch den Scherfluidstand in einem Scherspalt der Flüssigkeitsreibungskupplung zur Einstellung des Schlupfes zwischen Primärseite und Sekundärseite der Kupplungsanordnung einzustellen, und wobei eine entgegen einer Rückstellkraft von axialen Rückstellmitteln elektromagnetisch verstellbare Reibscheibe (der Reibscheibenkupplung) zum Schließen der Reibscheibenkupplung und dadurch Überbrücken der Flüssigkeitsreibungskupplung axial verstellt wird.
Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang gemäß Anspruch 14. Zum Antreiben von Nebenaggregaten, wie Lüfterrädern in Kraftfahrzeugen werden in der Praxis häufig ein- oder mehrstufige Reibscheibenkupplungen eingesetzt. Solche, beispielsweise als elektromagnetisch betätigbare Kupplungen ausgebildete Reibscheibenkupplungen sind beispielsweise in der EP 0 317 703 A2 , der DE 32 03 143 C2 oder DE 42 07 710 A1 beschrieben. Reibscheibenkupplungen haben bei Zuschaltung keinen Schlupf und somit keine Differenzdrehzahl auf der Lagerstelle. Insbesondere bei einstufigen Reibscheibenkupplungen ist von Nachteil, dass diese im zugeschalteten Zustand bei hohen Antriebsdrehzahlen oftmals unerwünscht hohe Abtriebsdrehzahlen zur Verfügung stellen und zudem starke Schaltstöße auftreten.
Anstelle von Reibscheibenkupplungen ist es bekannt, zum Übertragen von Drehmomenten auf Nebenaggregate in Kraftfahrzeugen sogenannte Flüssigkeitsreibungskupplungen, auch Viskokupplungen oder Viskositätskupplungen genannt, einzusetzen. Bei Viskokupplungen wird eine Drehzahl von einer Primärseite auf ein Scherfluid übertragen und von diesem dann auf eine Sekundärseite der Kupplung. Hinsichtlich eines möglichen Aufbaus von Flüssigkeitsreibungskupplungen wird auf die US 4,305,491 , die EP 1 248 007 B1 oder die DE 699 11 479 T2 verwiesen.
Die meisten, sich im kommerziellen Einsatz befindlichen Flüssigkeitsreibungskupplungen umfassen ein hydraulisches Steuerventil, mit dem der Schlupf der Flüssigkeitsreibungskupplung einstellbar ist. Bei einfachen Ausführungsvarianten wird der Öffnungsquerschnitt des Steuerventils über ein temperaturerfassendes Bimetallelement eingestellt.
Im Gegensatz zu einstufigen Reibscheibenkupplungen haben Flüssigkeitsreibungskupplungen ein träges Ansprechverhalten und sind mit hohen Schlupfwerten behaftet.
Von der Anmelderin sind zum Übertragen von Drehmomenten zwischen einem Antriebsmotor und einer Nebenaggregat Kupplungsanordnungen beschrieben worden, die aus einer Kombination einer Reibscheibenkupplung mit einer Flüssigkeitsreibungskupplung bestehen, wobei die Flüssigkeitsreibungskupplung zur Realisierung einer 1:1 Durchschaltung mittels der Reibscheibenkupplung überbrückbar ist. Derartige, beispielsweise in der WO 2012/156264 A1 oder der WO 2013/135457 A1 beschriebenen Kupplungsanordnungen vereinen vor allem die Vorteile beider Kupplungstypen, bei weitgehender Vermeidung bzw. Minimierung von deren Nachteilen.
Aus der WO 2012/156264 A1 der Anmelderin ist es bekannt, dass in vorteilhafter Weise ein gemeinsamer Elektromagnet zum Betätigen des Steuerventils der Flüssigkeitsreibungskupplung und der Reibscheibe der Reibscheibenkupplung vorgesehen ist. Das Steuerventil weist dabei zur Veränderung des freien Strömungsquerschnitts einer Steuerventilöffnung einen Drehanker auf, der durch Bestromen des Elektromagneten relativ zu der Reibscheibe verdrehbar ist. Als Herausforderung wird hier der vergleichbar komplexe Aufbau zur Realisierung des relativ zu der Antriebswelle und der Reibscheibenkupplung verdrehbaren Drehankers empfunden. Zudem sind die magnetischen Verluste bei einer Vielzahl von Luftspalten nicht einfach beherrschbar. Insgesamt bestehen Bestrebungen, den Aufbau zu vereinfachen, die Teileanzahl zu reduzieren und die magnetischen Verluste zu minimieren.
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde eine, sowohl eine Reibscheibenkupplung als auch eine Flüssigkeitsreibungskupplung umfassende Kupplungsanordnung anzugeben, bei der die Flüssigkeitsreibungskupplung mittels der Reibscheibenkupplung, insbesondere zur Realisierung einer 1:1 Durchschaltung, überbrückbar ist, wobei der Aufbau im Vergleich zu bekannten Kupplungsanordnungen vereinfacht und die Teilezahl reduziert werden soll. Bevorzugt sollen magnetische Verluste reduziert werden.
Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechend verbesserten Kupplungsanordnung sowie einen Antriebsstrang mit einer solchen Kupplungsanordnung anzugeben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Kupplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, d.h. bei einer gattungsgemäßen Kupplungsanordnung dadurch, dass die Reibscheibe Bestandteil der Drehankermittel ist und durch Verdrehen der Reibscheibe ein freier Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung einstellbar ist. Mit anderen Worten wird also der Drehanker zur Einstellung des Strömungsquerschnitts der mindestens einen Steuerventilöffnung von der Reibscheibe der Reibscheibenkupplung gebildet, so dass durch Relativverdrehen der Reibscheibe, insbesondere um einen begrenzten Drehwinkel, relativ zu der die Reibscheibe tragende Kupplungsseite, insbesondere einer die Reibscheibe bei geöffneter Reibscheibenkupplung antreibenden Kupplungsscheibe, insbesondere der Primärscheibe, einstellbar ist.
Hinsichtlich des Betriebsverfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst, d.h. bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch, dass die Reibscheibe Bestandteil der Drehankermittel ist und die Reibscheibe zur Einstellung des freien Strömungsquerschnitts der Steuerventilöffnung verdreht wird.
Hinsichtlich des Antriebsstrangs wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein, ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart geltend und beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, der Reibscheibe (Ankerscheibe) eine Doppelfunktion zuzuweisen. Zum einen ist die Reibscheibe, wie bisher axial relativ zu einem Reibpartner der gegenüberliegenden Kupplungsseite verstellbar, um durch reibschlüssiges Anliegen an dem Reibpartner die Flüssigkeitsreibungskupplung zu schließen und dadurch die, vorzugsweise mit der Reibscheibenkupplung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete, parallel geschaltete Flüssigkeitsreibungskupplung zu überbrücken. Daneben erhält die Reibscheibe erfindungsgemäß eine Drehankerfunktion, d.h. sie bildet den Drehanker der Drehankermittel des Steuerventils durch dessen mit Hilfe von Elektromagnetmitteln aktuierten Rotation der freie Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung und damit der Volumenstrom eines Scherfluids zwischen einem Scherfluidresevoir und einem, vorzugsweise eine konstante bzw. nicht veränderbare Spaltbreite aufweisenden, weiter bevorzugt als Labyrinthspalt ausgebildeten, Scherspalt der Flüssigkeitsreibungskupplung eingestellt wird.
Dies wiederum führt zu einer Variation bzw. Einstellung des Scherfluidstandes (Scherfluidfüllvolumen) im Scherspalt der Flüssigkeitsreibungskupplung und damit wiederum zu einer Variation bzw. Einstellung des Schlupfes zwischen Primär und Sekundärseite der Kupplungsanordnung. Vereinfacht ausgedrückt übernimmt also die, bevorzugt einen Reibbelag tragende Reibscheibe (Ankerscheibe) zusätzlich zu ihrer eigentlichen Reibscheibenfunktion, d.h. Schließfunktion für die Reibscheibenkupplung, die Funktion eines Drehankers des Steuerventils der Flüssigkeitsreibungskupplung zur Steuerung des Scherfluidflusses zwischen einem Scherfluidreservoir und dem mindestens einen Scherspalt der Flüssigkeitsreibungskupplung, wodurch auf einen von der Reibscheibe separaten Drehanker verzichtet werden kann bzw. wird. Da die Reibscheibe eine wesentlich größere Radialerstreckung aufweist als bisher zum Einsatz kommende, von der Reibscheibe separate und relativ zu der Reibscheibe rotierbare Drehanker, befinden sich die magnetischen Pole der Drehankerscheibe, d.h. eine entsprechende geometrische Struktur (Magnetflussleitstruktur) zur Leitung des magnetischen Flusses zur Realisierung eines zum Verdrehen der Reibscheibe für seine Drehankerfunktion notwendigen Drehmomentes bei entsprechender Bestromung der Elektromagnetmittel weiter radial außen, d.h. befinden sich auf einem deutlich größeren Durchmesser als entsprechende Pole eines bekannten (von der Reibscheibe separaten) Drehankers, wodurch die Reibscheibe, d.h. der Drehanker mit einem deutlich größeren Drehmoment bewegt werden kann, wodurch wiederum, wie später noch erläutert werden wird, in vorteilhafter Weise auf ein separates Lagerbauteil verzichtet werden kann. Ingesamt wird die Teilezahl durch den Verzicht auf einen von der Reibscheibe separaten Drehanker reduziert und das Scherfluidreservoir kann im Vergleich mit bisherigen Konstruktionen weiter nach radial innen geschoben und zusätzlicher Bauraum gewonnen werden.
Im Rahmen ihrer Drehankerfunktion vollzieht die Reibscheibe der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung bei entsprechender Bestromung von der Drehankerfunktion bzw. der Reibscheibe zugeordneten Elektromagnetmitteln (Elektromagnet) also eine, wie später noch erläutert werden wird, bevorzugt durch das Vorsehen entsprechender Anschläge begrenzte Rotationsbewegung relativ zu der Kupplungsseite, an welcher die Reibscheibe unter Einräumung vorgenannter Relativrotiermöglichkeit fixiert ist. Anders ausgedrückt rotiert die Reibscheibe bei entsprechender Bestromung der Elektromagnetmittel und bei geöffneter Reibscheibenkupplung relativ zu der die Reibscheibe in Umfangsrichtung antreibenden Kupplungsscheibe (dann die Primärscheibe) oder der bei geschlossener Reibscheibenkupplung von der Reibscheibe angetriebenen Kupplungsscheibe (dann Sekundärscheibe). Bevorzugt ist insgesamt eine Ausführungsform, bei der die Reibscheibe primärseitig angeordnet ist und folglich die Relativbewegung im Rahmen der Drehankerfunktion relativ zu einer Primärscheibe vollzogen wird, die aufgrund einer entsprechenden mechanischen Kopplung die Reibscheibe antreibt.
Bevorzugt sind die die Reibscheibe umfassenden Drehankermittel, insbesondere durch eine entsprechende Konturierung einer später noch im Detail zu erläuternden Magnetflussleitstruktur, am Außenumfang der Reibscheibe derart ausgebildet, dass die Reibscheibe, für den Fall, dass diese primärseitig angeordnet ist mit zunehmender Bestromung der Elektromagnetmittel weiter in Umfangsrichtung entgegen der Rotationsrichtung der Primärseite relativ zu einer Primärscheibe rotiert wird, damit die Reibscheibe bereits an einem entsprechenden, die Relativrotationsbewegung begrenzenden Anschlag anliegt, wenn die Reibscheibe durch Erhöhen der Bestromung entsprechender Elektromagnetmittel im Rahmen Ihrer Reibscheibenkupplungsfunktion axial gegen den Reibpartner verstellt wird, so dass sofort ab der reibschlüssigen Anlage, eine 1:1 Mitnahme des Reibpartners möglich ist, also die Reibscheibe von dem Reibpartner nicht zuerst gegen den Anschlag relativ zur Primärscheibe rotiert werden muss, woraus ein harter Anschlag in Umfangsrichtung resultieren würde. Für den Fall der Anordnung der im Rahmen der Drehankerfunktionalität rotierbaren Reibscheibe an der Sekundärseite wird diese mit zunehmender Bestromung der Elektromagnetmittel bevorzugt in der Rotationsrichtung der Sekundärseite verstellt, um einen vorgenannten harten Anschlag bei Vollzuschaltung zu verhindern.
Grundsätzlich ist es möglich, dass zum axialen Verstellen der Reibscheibe für ihre Reibscheibenkupplungsfunktion und zum Verdrehen der Reibscheibe zur Realisierung ihrer Drehankerfunktion separate Elektromagneten vorgesehen sind, die zur Realisierung der jeweiligen Funktionalität separat und/oder gemeinsam bestromt bzw. angesteuert werden. Besonders bevorzugt ist jedoch, wie später noch erläutert werden wird, eine Ausführungsform, bei der ein gemeinsamer Elektromagnet bzw. gemeinsame Elektromagnetmittel zur Realisierung beider Funktionalitäten vorgesehen ist, insbesondere derart, dass mit einer niedrigeren Steuerspannung die Reibscheibe für Ihre Drehankerfunktion rotierbar und bei Überschreiten einer Schwell- bzw. Grenzspannung die Reibscheibe axial relativ zum Reibpartner bzw. der gegenüberliegenden Kupplungsseite verstellbar ist. Wie bereits angedeutet, ist eine Ausführungsform der Kupplungsanordnung besonders bevorzugt bei der die Rotationsbewegung der Reibscheibe relativ zu einer die Reibscheibe tragenden, d.h. bei geöffneter Reibscheibenkupplung bis auf die Relativverdrehbewegung mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit wie die Reibscheibe rotierenden, Kupplungsseite begrenzt ist. Zu diesem Zweck sind weiterbildungsgemäß Drehbegrenzungsmittel zur Begrenzung eines maximalen Relativverdrehbewegungswinkels der Reibscheibe zu der die Reibscheibe tragenden Kupplungsseite, genauer deren Kupplungsscheibe vorgesehen.
Mit anderen Worten ist die Reibscheibe unter Gewährung einer begrenzten Relativverschwenkbarkeit formschlüssig mit einer Kupplungsseite verbunden, um mit dieser Kupplungsseite (genauer einer Kupplungsscheibe dieser Kupplungsseite) bis auf die Relativverdrehbarkeit bzw. bei nicht- oder maximaler Bestromung der Elektromagnetmittel mit derselben Drehzahl wie diese Kupplungsseite bzw. Scheibe zu rotieren. Bevorzugt handelt es sich bei der die Reibscheibe bzw. den Drehanker tragenden Kupplungsseite um die Primärseite der Kupplung. Die begrenzte Relativverdrehbarkeit kann beispielsweise durch das Vorsehen entsprechender, insbesondere in Umfangsrichtung gekrümmter Langlöcher in der Primärseite, insbesondere einer Primärscheibe der Primärseite der Kupplung, in mit der Reibscheibe verbundenen axialen Rückstellmitteln der Reibscheibe oder in der Reibscheibe selbst realisiert werden.
Bevorzugt sind zur Realisierung einer begrenzten Relativverdrehmöglichkeit der Reibscheibe zwei in Umfangsrichtung beabstandete Umfangsrichtungsanschläge zum Begrenzen der Relativverdrehbarkeit der Reibscheibe relativ zu der sie tragenden Kupplungsseite vorgesehen.
Die Reibscheibenkupplung kann grundsätzlich als bei Bestromung geöffnete Kupplung ausgebildet sein – bevorzugt ist jedoch eine sogenannte Fail-Safe-Ausführung, bei der der Elektromagnet zum Schließen der Reibscheibenkupplung bestromt werden muss. Ebenso ist es bevorzugt, dass die Steuerventilöffnung bei nicht bestromten Elektromagnetmitteln zum Verdrehen der Reibscheibe den größtmöglichen Strömungsquerschnitt aufweist (wobei auch eine entgegengesetzte Ausführungsvariante realisierbar ist).
Grundsätzlich ist es möglich, das Steuerventil als einfaches Schaltventil auszubilden, welches nur die Schaltzustände maximal geöffnet und maximal geschlossen kennt – in diesem Fall nimmt die Reibscheibe (Drehanker) nur zwei mögliche Extrempositionen ein. Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Steuerventils als Proportionalventil, bei welchem unterschiedlichste Strömungsquerschnitte und damit Scherfluidfüllstände im Scherspalt eingestellt werden können.
Im Hinblick auf die Anordnung der Steuerventilöffnung relativ zu der Reibscheibe gibt es zwei unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Möglichkeit ist die Steuerventilöffnung gemeinsam mit der Reibscheibe relativ zu einem Steuerventilelement der die Reibscheibe tragenden Kupplungsseite, insbesondere der Primärseite, verdrehbar, wobei die Steuerventilöffnung je nach konstruktiver Auslegung an dem mit der Reibscheibe verbundenen axialen Rückstellmitteln oder, insbesondere bei drehfest mit der Reibscheibe verbundenen axialen Rückstellmitteln unmittelbar an der Reibscheibe ausgebildet sein kann. Alternativ ist es möglich, dass die Reibscheibe relativ zu der Steuerventilöffnung rotierbar angeordnet ist, um unmittelbar mit der Reibscheibe oder einem von der Reibscheibe getragenen Steuerventilelement den freien Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung einzustellen.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der ein Strömungskanal für Scherfluid, zwischen einem Scherfluidreservoir und dem mindestens einen, insbesondere eine konstante Spaltbreite aufweisenden Scherspalt, insbesondere einem Labyrinthspalt, abschnittsweise von der Reibscheibe begrenzt ist. Mit anderen Worten ist ein Strömungskanal für Scherfluid in der Reibscheibe angeordnet, insbesondere zumindest abschnittsweise als seitlich offene Nut und/oder zumindest abschnittsweise als Bohrung, d.h. umfangsgeschlossener Kanal. Eine Ausführungsform mit Scherfluidströmungskanal in der Reibscheibe ist bevorzugt für eine Realisierungsform der Kupplungsanordnung, bei der Steuerventilöffnung gemeinsam mit der Reibscheibe im Rahmen ihrer Drehankerfunktion verdrehbar ist und zwar relativ zu der die Reibscheibe umfassenden bzw. bis auf die Relativverdrehbarkeit bei geöffneter Reibscheibenkupplung mit derselben Drehzahl wie die Reibscheibe rotierenden Kupplungsseite, insbesondere der Primärseite.
Dabei kann die Steuerventilöffnung gemäß einer ersten Variante in den dann bevorzugt drehfest mit der Reibscheibe verbundenen axialen Rückstellmitteln zum axialen Rückstellen der Reibscheibe für ihre Reibscheibenkupplungsfunktionalität angeordnet sein, wobei in diesem Fall die in den Rückstellmitteln angeordnete Steuerventilöffnung fluidleitend mit dem Strömungskanal in der Reibscheibe verbunden ist. Alternativ ist eine Ausführungsvariante realisierbar, bei der die Relativverdrehbarkeit der Reibscheibe im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität relativ zu den Rückstellmitteln erfolgt, wobei dann bevorzugt die Rückstellmittel das, bezogen auf die Relativverdrehbarkeit, ortsfeste Steuerventilelement bilden oder tragen, mit welchem im Zusammenwirken mit der Steuerventilöffnung der freie Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung einstellbar ist.
Bei einer Ausführungsform, bei der die Reibscheibe im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität relativ zu der Steuerventilöffnung rotierbar angeordnet ist, bildet die Reibscheibe oder bilden die axialen Rückstellmittel oder alternativ trägt die Reibscheibe oder tragen die axialen Rückstellmittel das Steuerventilelement, welches den freien Öffnungsquerschnitt der Steuerventilöffnung bestimmt. Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn ein an die Steuerventilöffnung anschließender Kanal sich in radialer Richtung in den Scherspalt erstreckt. Bevorzugt ist dieser Kanal in der die Reibscheibe tragenden Kupplungsseite, insbesondere der Primärseite der Kupplungsanordnung eingebracht.
Wie eingangs bereits angedeutet, ist es bei der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung, bei der die Reibscheibe den Drehanker zum Beeinflussen des freien Strömungsquerschnittes des Steuerventils der Flüssigkeitsreibungskupplung bildet, von erheblichem Vorteil, dass die Magnetflussleitstruktur, insbesondere eine Verzahnungsstruktur auf einem großen Durchmesser angeordnet ist, um somit große Drehmomente durch Beaufschlagung des zugehörigen Elektromagneten mit vergleichsweise geringen elektrischen Spannungen erreichen zu können. Bevorzugt ist dabei die Gegenkontur, zu welcher sich die Magnetflussleitstruktur der Reibscheibe bei Bestromung des Elektromagneten auszurichten versucht und dadurch das zum Relativverdrehen bzw. für die Drehankerfunktionalität notwendige Drehmoment erzeugt, an dem den Reibpartner für die Reibscheibe tragenden Kupplungsteil, insbesondere der Sekundärseite angeordnet. In diesem Fall bildet der Drehanker bzw. die Reibscheibe eine Art Rotationsanker, der sich mit seiner Magnetflussleitstruktur bei geöffneter Reibscheibenkupplung andauernd relativ zu der Gegenkontur (Gegenmagnetflusskontur, insbesondere Verzahnung) verdreht.
Wie eingangs erwähnt, ist es besonders bevorzugt, wenn die Reibscheibe durch Bestromen der Elektromagnetmittel zum Verdrehen der Reibscheibe auch axial verstellbar ist – mit anderen Worten ist also ein gemeinsamer Elektromagnet zum axialen Verstellen der Reibscheibe und zum Verdrehen der Reibscheibe im Rahmen ihrer Drehankerfunktion vorgesehen. Alternativ ist es möglich, dass ein davon separater Elektromagnet vorgesehen ist, der zum axialen Verstellen der Reibscheibe zusätzlich oder alternativ zu dem Elektromagnet für die Drehankerfunktionalität bestrombar ist.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der die Reibscheibe im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität durch Bestromen der Elektromagnetmittel gegen die Rückstellkraft von Rückstellmitteln rotierbar ist, die bei nachlassender Bestromung für eine Rückrotation bzw. Rückbewegung der Reibscheibe in Umfangsrichtung um die Antriebswelle Sorge tragen. Im Hinblick auf die konkrete Realisierung der Rückstellmittel gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Im einfachsten Fall handelt es sich um von den axialen Rückstellmitteln zur Realisierung der Reibscheibenkupplungsfunktionalität separate Rückstellmitteln, insbesondere eine Torsionsfeder die die Reibscheibe in Umfangsrichtung mit einer Federkraft beaufschlagt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass gemeinsame Rückstellmittel für die axiale Rückverstellung der Reibscheibe im Rahmen ihrer Reibscheibenkupplungsfunktionalität und für das rotierende Rückverstellen im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität vorgesehen sind. Hierfür ist es bevorzugt, eine kombinierte Axial-/Torsions-Feder einzusetzen, beispielsweise in der Form einer Schraubenfeder, welche sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung federnd wirken kann. Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, auf eine Rückstellfeder zur Realisierung der Rückstellmittel zum Rückrotieren der Reibscheibe im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität zu verzichten, wobei dann die Rückstellmittel durch die Rückstellkraft des Scherfluids durch die Relativverdrehbewegung der Reibscheibe relativ zu dem Scherfluid im Scherspalt realisiert sind. In diesem Fall muss die Reibscheibe derart angeordnet und ausgebildet sein, dass diese bei Bestromung der Elektromagnetmittel in der von der Antriebswelle vorgegebenen Drehrichtung verdreht, d.h. diese im Rahmen der Drehankerfunktion überholt.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Kupplungsseite, insbesondere die Primärseite, die die Reibscheibe trägt, die also bei geöffneter Reibscheibenkupplung bis auf eine mögliche Relativverdrehbewegung zu Zwecken der Steuerventilbetätigung im Rahmen der Drehankerfunktion der Reibscheibe mit derselben Drehzahl rotiert wie die Reibscheibe, einen radial zwischen einer Fixierposition, an der die axialen Rückstellmittel für die Reibscheibe an dieser Kupplungsseite, insbesondere einer Kupplungsscheibe, bevorzugt der Primärscheibe fixiert sind und einer Fixierposition, an der die Rückstellmittel an der Reibscheibe fixiert sind, angeordneten, insbesondere ringförmigen, Axialvorsprung zur axialen Auflage der axialen Rückstellmittel aufweist, wobei die axialen Rückstellmittel bei nicht bestromten Elektromagnetmitteln sich unter axialer Vorspannung an diesem Axialvorsprung abstützen. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt bei der Verwendung eines gemeinsamen Elektromagneten für die Drehankerfunktionalität und die Reibscheibenkupplungsfunktionalität um die elektrischen Spannungsbereiche, bei denen beide vorgenannten Funktionalitäten bzw. Systeme arbeiten, eindeutiger voneinander zu trennen. Durch den Axialvorsprung werden die axialen Rückstellmittel, insbesondere eine axiale Rückstellfeder bei der Montage definiert verformt und unter eine mechanische Vorspannung gebracht. Um diese Federvorspannung mittels der Magnetkraft der Elektromagnetmittel zu überwinden und die Reibscheibe in Richtung Reibpartner der gegenüberliegenden Kupplungsseite zu bewegen, ist aufgrund der Weiterbildung der Erfindung eine erhöhte elektrische Spannung (Anzugsspannung) notwendig.
Diese Erhöhung der elektrischen Spannung dient zur eindeutigeren Abgrenzung des Bereichs der, bevorzugten proportionalen, Arbeitsweise des Drehankers im Rahmen des Steuerventils von der Vollzuschaltung der Reibscheibenkupplung.
Durch die zweckmäßige Auslegung des elektrischen Spannungstrennbereichs (ausreichende Spannungsbreite) und damit Stromtrennbereichs kann etwaigen Verschiebungen durch Toleranzen, thermische Effekte, etc. Rechnung getragen werden, wodurch in der Folge ein vergleichsweise einfaches Regelkonzept genügt, ohne die Notwendigkeit im Rahmen der Regelstrecke alle Nebeneffekte abzubilden.
Bevorzugt ist dabei die Drehankerfunktionalität derart eingerichtet, dass mit steigendem, durch die Elektromagnetmittel fließendem Strom sich die Steuerventilöffnung weiter schließt mit der Folge eines größer werdenden Schlupfes. Dies hat den Vorteil, dass bei ausfallender Bestromung ein minimaler Schlupf zwischen Primär- und Sekundärseite realisiert ist und dadurch ein maximales Drehmoment übertragen wird. Alternativ ist auch eine umgekehrte Ausführungsform realisierbar, bei der der freie Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung mit zunehmender Bestromung der Elektromagnetmittel zunimmt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Kupplungsanordnung, bei der die Lagerfunktionalität zur relativ verdrehbaren Lagerung der Reibscheibe gegenüber der Antriebswelle bzw. auf der Antriebswelle unmittelbar an der Reibscheibe realisiert ist, d.h. ohne Zwischenanordnung einer von der Reibscheibe separaten Lagerbuchse. Der Drehanker, d.h. die Reibscheibe ist im Bereich einer Reibscheibennabe weiterbildungsgemäß mit einer, ggf. magnetisch nicht leitenden, Gleitschicht, bevorzugt aus PTFE versehen und stützt sich über diese Gleitschicht an der Antriebswelle ab. Für den Fall der Nichtbestromung der Elektromagnetmittel rotiert die Reibscheibe bei geöffneter Reibscheibenkupplung dann gemeinsam mit der Primärseite und damit mit der Antriebswelle, wobei die vorerwähnte integrierte Lagerfunktionalität für die Relativverstellbarkeit im Rahmen der Drehankerfunktionalität zum Tragen kommt, wobei dann die Reibscheibe relativ zu der Antriebswelle, insbesondere um einen begrenzten Drehwinkel rotiert wird. Hierdurch wird der Nachteil einer bisher üblichen Lagerung eines Drehankers über eine separate Gleitlagerbuchse vermieden, da bei einer derartigen Ausführungsform ein Radialspalt von etwa 0,4mm zwischen den magnetischen Teilen resultieren würde. Durch die Realisierung der Gleitschicht unmittelbar auf der Reibscheibe kann der Abstand zwischen der Antriebswelle und dem magnetisch leitenden Teil des Reibankers auf die Dicke der Gleitschicht begrenzt werden. Insgesamt ist bei der Ausführungsform nur noch ein einziger Luftspalt vorhanden (bei einer Ausführungsform mit Gleitlagerbuchse existieren zwei Luftspalte). Durch die zuvor beschriebene Weiterbildung der Erfindung wird der magnetische Widerstand verringert und in der Folge das zum Verdrehen der Reibscheibe im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität zur Verfügung stehende Drehmoment erhöht.
Insbesondere für den Fall der Realisierung eines gemeinsamen Elektromagneten für die Drehankerfunktionalität und die axiale Verstellbarkeit der Reibscheibe ist es im Rahmen einer (weiteren) Magnetkreisoptimierung vorteilhaft, eine Rückstellfeder der axialen Rückstellmittel aus magnetisch leitendem Material auszubilden, die dann, so lange die Elektromagnetmittel zum axialen Verstellen der Reibscheibe unterhalb einer elektrischen Grenzspannung bestromt werden, weitgehend an der Reibscheibe (Ankerscheibe) anliegt und somit zur magnetischen Flussleitung in radialer Richtung zur Realisierung der Drehankerfunktionalität der Reibscheibe beiträgt, bevorzugt derart, dass der Großteil (über 50%) des magnetischen Flusses über die Rückstellfeder zurückgeführt werden. Hierdurch ist es möglich, radial verlaufende Stege in der Reibscheibe (Ankerscheibe), die für die Leitung des magnetischen Flusses in radialer Richtung durch magnetische Trennbereiche hindurch Sorge tragen, zu verkleinern, wodurch unerwünschte Bypass-Verluste zwischen radial über magnetische Trennbereiche beabstandete Bereiche der Reibscheibe bei Vollzuschaltung reduziert werden und das maximal erzeugbare Drehmoment steigt. Dadurch, dass die Rückstellfeder axial an der Reibscheibe über den größten Teil ihrer Radialerstreckung anliegt, werden magnetische Trennungsbereiche in radialer Richtung im "Drehanker-Betriebs-modus" überbrückt, wobei diese Überbrückung bei Vollzuschaltung durch das Abheben der Reibscheibe von der Rückstellfeder in axialer Richtung beendet bzw. unterbrochen wird. Löst sich die Reibscheibe bei Vollzuschaltung der Reibscheibenkupplung von der Rückstellfeder in axialer Richtung, d.h. liegt diese nicht mehr über den größten Teil über ihrer Radialerstreckung an dieser an, werden die vorgenannten Bypass-Verluste minimiert. Bevorzugt weist die zur Anwendung kommende Rückstellfeder aus ferromagnetischem Material eine Federdicke aus einem Bereich zwischen 0,2mm und 3mm, vorzugsweise zwischen 0,2mm und 2mm auf.
Die Erfindung führt auch auf einen Antriebsstrang, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem primärseitigen Antriebsmotor, insbesondere einem Verbrennungsmotor und einem sekundärseitigen Nebenaggregat, insbesondere einem Lüfterrad, wobei der Antriebsstrang zum Übertragen eines Drehmomentes von dem Antriebsmotor, insbesondere von einer von dem Antriebsmotor angetriebenen Antriebswelle, auf das Nebenaggregat eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Kupplungsanordnung aufweist, bei der es sich wie eingangs erwähnt, vorzugsweise um eine ein gemeinsames Gehäuse aufweisende Kupplung handelt, jedenfalls um eine Kupplungsanordnung, die sowohl eine Flüssigkeitsreibungskupplung als auch eine Reibscheibenkupplung umfasst, wobei bei Letzterer eine 1:1 Durchschaltung von der Antriebswelle auf das Nebenaggregat realisierbar sein sollte.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1a eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kupplungsanordnung,
1b ein Detail B aus 1a,
2 eine Querschnittsansicht durch eine Kupplungsanordnung mit Blick auf die Drehanker-Reibscheibe (hier primärseitig) und das umgebende Sekundärteil,
3a eine Längsschnittansicht durch eine alternative Ausführungsform einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kupplungsanordnung,
3b ein Detail B aus 3a,
4a eine Detailansicht einer möglichen Ausführungsvariante einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kupplungsanordnung mit Axialvorsprung zur Vorspannung von axialen Rückstellmitteln,
4b ein möglicher, realisierbarer Zusammenhang zwischen durch gemeinsame Elektromagnetmittel für die Drehankerfunktionalität und die Reibscheibenkupplungsfunktionalität strömendem Strom und einem Drehmomentverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsdrehzahl bzw. zwischen Primärseitendrehzahl und Sekundärseitendrehzahl der Kupplungsanordnung.
5 eine stark schematisierte Darstellung einer möglichen Lagersituation der Drehanker-Reibscheibe,
6a eine Darstellung eines möglichen magnetischen Flussverlaufs durch Primär- und Sekundärseite einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kupplungsanordnung, und
6b eine Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform einer Reibscheibe mit breiten minimierten Flussleitungsstegen zwischen radial benachbarten und über magnetische Trennbereiche beabstandeten Flussleitbereichen der Reibscheibe.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleicher Funktion mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In den 1a und 1b ist eine Kupplungsanordnung 1 gezeigt. Die Kupplungsanordnung 1 umfasst zwei Kupplungsseiten, nämlich eine Primärseite 2, mit einer Primärscheibe 3, die drehfest mit einer von einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebswelle 4 verbunden ist und eine Sekundärseite 5, welche mit einem nicht gezeigten Nebenaggregat gekoppelt ist, insbesondere mit einem Lüfterrad bzw. mit Lüfterflügeln, die bei Bedarf unmittelbar mit der Sekundärseite 5 verbunden sein können.
Die Kupplungsanordnung 1 umfasst eine Reibscheibenkupplung 6 sowie eine Flüssigkeitsreibungskupplung 7, wobei Letztere mittels der Reibscheibenkupplung 6 zur Realisierung einer 1:1 Durchschaltung des Drehmomentes von der Antriebswelle 4 auf das Nebenaggregat überbrückbar ist.
Die Reibscheibenkupplung 6 umfasst eine Reibscheibe 8, die von der Primärscheibe 3 unmittelbar angetrieben ist und somit einen Bestandteil der Primärseite 2 bildet. Die Reibscheibe 8 (Ankerscheibe) ist durch Bestromen von Elektromagnetmitteln 9 bezogen auf die Längserstreckung der Antriebswelle 4 axial relativ zu einem Reibpartner 10 der Sekundärseite 5 verstellbar und kann zum Schließen der Reibscheibenkupplung 6 reibschlüssig an diesem anliegen. Die axiale Verstellung der Reibscheibe 8 erfolgt entgegen der Rückstellkraft von axialen Rückstellmitteln 11, hier in Form einer Federscheibe, die in einem radial inneren Bereich an der Reibscheibe 8 und in einem radial äußeren Bereich an der Primärscheibe 3 fixiert ist.
In dem Betriebsmodus, in welchem die Reibscheibenkupplung 6 nicht geschlossen ist, erfolgt die Drehmomentübertragung von der Primärseite 2 auf die Sekundärseite 5 über die Flüssigkeitsreibungskupplung 7. Diese umfasst hierzu einen als Labyrinthscherspalt mit einer konstant bleibenden Spaltbreite ausgebildeten Scherspalt 12, welcher axial zwischen der Primärscheibe 3 und einer Sekundärscheibe 13 der Sekundärseite 5 der Kupplungsanordnung 1 angeordnet bzw. von diesen beiden Scheiben begrenzt ist.
Der Scherspalt 12 wird versorgt von Scherfluid aus einem Scherfluidreservoir 14. Aus diesem kann über ein (hydraulisches) Steuerventil 15, welches hier als Proportionalventil ausgebildet ist, Scherfluid in Richtung Scherspalt 12 strömen und wird aus diesem in an sich bekannter Weise (nicht dargestellt) über einen integralen Fördermechanismus im Kreislauf wieder zurück in das Scherfluidreservoir 14 gefördert. Der Scherfluidstand im Scherspalt 12 und damit der Schlupf zwischen Primärseite 2 und Sekundärseite 5 kann über den freien Strömungsquerschnitt einer Steuerventilöffnung 16 des Steuerventils 15 eingestellt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Steuerventilöffnung 16 in den hier drehfest mit der Reibscheibe 8 verbundenen axialen Rückstellmitteln 11. Die Steuerventilöffnung 16 ist axial fluidleitend verbunden mit einem in der Reibscheibe 8 ausgebildeten, radial verlaufenden Strömungskanal 18 (Strömungsnut bzw. Scherfluidnut). Der Scherfluidpfad ist mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet. Das Scherfluid fließt also axial durch die Steuerventilöffnung 16 in den Strömungskanal 18, dann in radialer Richtung weiter nach außen und axial zurück durch eine Durchgangsöffnung 20 in den axialen Rückstellmitteln 11 sowie durch die Primärscheibe 3 bzw. eine Durchgangsöffnung 21 in dieser hindurch in den Scherspalt 12 und von dort aus in an sich bekannter Weise wieder zurück zum Scherfluidreservoir 14.
Zum Betätigen des Steuerventils 15 und damit zur Einstellung des Schlupfes bzw. des im Flüssigkeitsreibungskupplungsbetriebsmodus übertragbaren Drehmomentes sind Drehankermittel 22 vorgesehen, wobei die Reibscheibe 8 den Drehanker 23 dieser Drehankermittel 22 bildet. Hierzu ist der Drehanker 23, d.h. die Reibscheibe 8 nicht nur axial relativ zu den Reibpartner 10 und der Primärscheibe 3 verstellbar, sondern auch begrenzt relativ zur Primärscheibe 3 und damit zum Scherspalt 12 um die Antriebswelle rotierbar angeordnet, wobei sich aufgrund der drehfesten Kupplung zwischen den die Steuerventilöffnung 16 aufweisenden axialen Rückstellmitteln 11 und der Reibscheibe 8, die Reibscheibe 8 immer gemeinsam mit der Steuerventilöffnung 16 verdreht und zwar relativ zu einem von einem Ventilplättchen gebildeten Steuerventilelement 24, welches drehfest mit der Primärscheibe 3 verbunden ist. Durch eine Relativverstellung zwischen der Steuerventilöffnung 16 und dem Steuerventilelement 24 wird der Öffnungsquerschnitt der Steuerventilöffnung 16 in Abhängigkeit des Drehwinkels der Reibscheibe 8 (entspricht dem Drehanker 23) verändert.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt sowohl die axiale Verstellung der Reibscheibe 8 sowie die Relativverdrehbewegung der Reibscheibe 8 zu der die Reibscheibe 8 tragenden Kupplungsseite, genauer zu der die Reibscheibe 8 tragenden Kupplungsscheibe, hier die Primärscheibe 3 durch Bestromen derselben (gemeinsamen) Elektromagnetmittel 9. Dabei sind die Verstellmechanismen bzw. die hierfür notwendigen bzw. zu überwindenden Drehmomente so ausgelegt, dass in einem unteren elektrischen Spannungsbereich eine spannungsabhängige Relativrotationsbewegung der Reibscheibe 8 relativ zur Primärscheibe 3 resultiert und ab Überschreiten einer elektrischen Grenzspannung die Reibscheibe 8 axial verstellt wird; in dem gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel gegen den Reibpartner 10 der Sekundärseite 5.
Die relative Rotationsbewegung des Drehankers 23, d.h. der Reibscheibe 8 erfolgt entgegen der Rückstellkraft von Rückstellmitteln 25, die in dem konkreten Ausführungsbeispiel von einer Torsionsfeder gebildet sind und die Reibscheibe 8 zurück in eine Ausgangsrotationsposition gegen einen Anschlag verstellen. Das Rotieren der Reibscheibe 8 in Umfangsrichtung um die Welle 4 erfolgt ebenfalls bis zum Anschlagen gegen einen Anschlag, sodass der maximale Drehwinkel der Reibscheibe 8 zur Realisierung ihrer Drehbewegung begrenzt ist, hier durch zwei in Umfangsrichtung beabstandete Anschläge.
Zu erkennen ist, dass die Elektromagnetmittel 9 drehfest angeordnet sind. Zu diesem Zweck ist ein die Elektromagnetmittel 9 tragender Gehäuseabschnitt 26 über ein Wälzlager 27 gegenüber der rotierenden Antriebswelle 4 gelagert. Über ein axial beabstandetes weiteres Wälzlager 28 stützt sich die Sekundärseite 5, konkret der Reibpartner 10 an der Welle ab bzw. von dieser rotatorisch entkoppelt.
Die Reibscheibe 8 trägt an ihrem Außenumfang eine als Verzahnung ausgebildete Magnetflussleitstruktur 29, die sich bei Bestromung der Elektromagnetmittel 9 versucht auszurichten gegenüber einer Gegenkontur 30, welche an der Sekundärseite 5 ausgebildet ist – hieraus resultiert dann das Drehmoment für die Steuerventilbetätigung.
In 2 ist eine Querschnittansicht der Kupplungsanordnung 1 mit Blick auf die Reibscheibe 8 gezeigt. Zu erkennen ist die am Außenumfang vorgesehene Magnetflussleitstruktur 29, die sich relativ zu der Gegenkontur 30 der Sekundärseite 5 auszurichten versucht. Strichliert ist der magnetische Fluss 31 bei Bestromung der Elektromagnetmittel 9 gezeigt.
In der Draufsicht ist zudem der als Ölnut ausgebildete Strömungskanal 18 gezeigt sowie Fixierpunkte 32, an denen die in 2 nicht gezeigten axialen Rückstellmittel 11 drehfest mit der Reibscheibe 8 verbunden sind.
Zu erkennen sind auch radial beabstandete und sich in Umfangsrichtung erstreckende magnetische Trennungen 33 aus magnetisch nicht leitendem Material, die zwischen sich magnetisch leitende Radialstege 34 begrenzen, über die der magnetische Fluss 31 in radialer Richtung fließen kann. Die magnetischen Trennungen 33 zwingen den magnetischen Fluss 31 über den Luftspalt zwischen Reibscheibe 8 und Reibpartner 10, um bei Überschreiten einer elektrischen Grenzspannung der Elektromagnetmittel 9 die axiale Schließbewegung der Reibscheibenkupplung 6 zu ermöglichen.
In den 3a und 3b ist eine alternative Kupplungsanordnung 1 gezeigt, die von ihrer Funktionalität und vom Aufbau her im Wesentlichen der zuvor beschriebenen Kupplungsanordnung 1 entspricht. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden und Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen. Im Hinblick auf die Gemeinsamkeiten wird auf vorstehende Figuren mit zugehöriger Figurenbeschreibung verwiesen. Anhand der 3a und 3b soll exemplarisch erläutert werden, dass es nicht zwingend ist, die Steuerventilöffnung unmittelbar an der Reibscheibe vorzusehen. Es ist auch denkbar, die Reibscheibe 8 im Rahmen der Drehankerfunktionalität relativ zur Steuerventilöffnung rotierbar anzuordnen.
Zu erkennen ist die Kupplungsanordnung 1, wiederum mit ihrem den Scherspalt 12 aufweisenden Flüssigkeitsreibungskupplung 7 und Reibscheibenkupplung 6. Die Reibscheibe 8 ist wie in dem vorgehenden Ausführungsbeispiel sowohl axial durch Bestromen der Elektromagnetmittel 9 relativ zu dem Reibpartner 10 sowie zu der die Reibscheibe 8 tragenden Primärscheibe 3 der Primärseite 2 verstellbar und im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität relativ rotierbar zur Primärscheibe 3. Hierzu trägt die Reibscheibe 8 an ihrem Außenumfang die als Verzahnung ausgebildete bzw. konturierte Magnetflussleitstruktur 29, die tendiert sich relativ zu der sekundärseitigen Gegenkontur auszurichten.
Im Unterschied zu dem vorgehenden Ausführungsbeispiel ist die Steuerventilöffnung 16 nicht gemeinsam mit der Reibscheibe 8 (Drehanker 23) rotierbar, sondern die Reibscheibe 8 rotiert bei entsprechender Bestromung der Elektromagnetmittel 9 relativ zur Steuerventilöffnung 16. Die Steuerventilöffnung 16 befindet sich im konkreten Ausführungsbeispiel in der Primärscheibe 3 und verbindet auf diese Weise das Scherfluidreservoir 14 mit dem Scherspalt 12 in radialer Richtung. Damit der freie Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung 16 durch Verdrehen der Reibscheibe 8 eingestellt werden kann, ist an den axialen Rückstellmitteln 11, alternativ unmittelbar an der Reibscheibe 8, die in dem konkreten Ausführungsbeispiel drehfest mit den Rückstellmitteln 11 verbunden ist, ein Steuerventilelement 24 (hier ein gebogenes Metallplättchen) festgelegt, welches durch Rotieren der Reibscheibe 8 (zusammen mit den Rückstellmitteln) relativ zur Steuerventilöffnung 16 bewegt wird und somit unterschiedliche Strömungsquerschnitte freigibt.
Nicht gezeigt ist eine weitere realisierbare Anordnung von einer relativ zu einer Steuerventilöffnung 16 verdrehbar angeordneten Reibscheibe 8. In diesem Fall befindet sich die Steuerventilöffnung 16 in den Rückstellmitteln 11, welche zwar dann auch an der Reibscheibe 8 fixiert sind, die Reibscheibe 8 sich jedoch im Rahmen ihrer Drehankerfunktionalität begrenzt relativ zu den Rückstellmitteln 11 verschwenken kann – die Reibscheibe 8 bildet dann die Funktionalität des Steuerventilelementes 24 aus.
In 4a ist ein mögliches Detail einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kupplungsanordnung 1 gezeigt. Zu erkennen ist ein Ausschnitt der Primärscheibe 3 der Primärseite 2 der Kupplungsanordnung 1, an welcher die axialen Rückstellmittel 11 in einem nicht dargestellten, radial weiter äußeren Abschnitt festgelegt sind. Radial weiter innen sind die axialen Rückstellmittel 11 an der Reibscheibe 8 (Ankerscheibe) festgelegt. Die Primärscheibe 3 weist nun einen in Richtung des nicht dargestellten Reibpartners 10 orientierten, hier ringförmigen, Axialvorsprung 35 auf, an welchem sich die axialen Rückstellmittel 11 bei Nicht-Bestromung der Elektromagnetmittel 9 axial abstützen und zwar unter Realisierung einer axialen Vorspannung der axialen Rückstellmittel 11. Diese (zusätzliche) Vorspannung muss zum axialen Verstellen der Reibscheibe 8 im Rahmen ihrer Reibungskupplungsfunktionalität überwunden werden. Dies führt zu einem in 4b dargestellten, verbreiterten Trennbereich T (Bestromungs- bzw. elektrischer Spannungsbereich), also einer verbreiterten Zone mit stabilem Leerlauf. In 4b ist das Verhältnis der primärseitigen Drehzahl M1 zur sekundärseitigen Drehzahl M2 über die Bestromung (Stromstärke) der gemeinsamen Elektromagnetmittel 9 zur Realisierung der Drehankerfunktionalität und der Reibscheibenkupplungsfunktionalität aufgetragen. In einem niedrigen Bestromungsbereich S (niedrige elektrische Spannung/niedriger elektrischer Strom I) ist die Flüssigkeitsreibungskupplungsfunktionalität (Schlupffunktionalität) realisiert. Anders ausgedrückt handelt es sich bei dem Bereich F um den Bestromungsbereich, in dem eine proportionale Ansteuerung des Steuerventils realisiert ist. Darauf folgt in einem mittleren Spannungs- bzw. Bestromungsbereich der vorerwähnte Trennbereich T. Ab Überschreiten einer elektrischen Grenzspannung G beginnt der Bereich R, welcher die Reibscheibenkupplungsfunktionalität abbildet, d.h. im konkreten Fall eine 1:1 Durchschaltung.
In 5 ist eine bevorzugte Lagerung der eine Doppelfunktion aufweisenden Reibscheibe 8 auf der Antriebswelle 4 gezeigt. Die Reibscheibe 8 weist hierzu in einem radial inneren Nabenabschnitt 36 eine Gleitschicht 37, hier beispielsweise aus PTFE auf, wobei sich die Reibscheibe 8 unmittelbar über die Gleitschicht 37 radial an der Welle 4 abstützt ohne Dazwischenanordnung einer separaten Lagerbuchse. Hierdurch resultiert nur ein einziger Luftspalt – magnetische Verluste werden minimiert. Die integrale Lagerung ermöglicht die axiale Relativverstellbarkeit der Reibscheibe 8 relativ zum sekundärseitigen Reibpartner 10 sowie die Relativrotierbarkeit um die Antriebswelle 4 zur Primärscheibe 3 (nicht dargestellt) an welcher die Reibscheibe 8 über die axialen Rückstellmittel 11 drehmomentübertragend fixiert ist.
In 6a sind die magnetischen Flusskreise der Kupplungsanordnung 1 gezeigt. Ein primärer magnetischer Magnetkreis K1 verläuft axial wechselnd zwischen der Reibscheibe 8 und dem Reibpartner 10 hin und her, wobei der Wechsel über den Luftspalt 38 über magnetische Trennungen 33 in an sich bekannter Weise gezwungen wird.
Dieser Magnetkreis K1 dient in erster Linie zur Realisierung der Reibscheibenkupplungsfunktionalität zum Verstellen der Reibscheibe 8 relativ zum Reibpartner 10. Desweiteren ist der von demselben (gemeinsamen) Elektromagnetmitteln 9 erzeugte sekundäre Magnetkreis K2 gezeigt. Ein in der Zeichnungsebene unterer Abschnitt verläuft in der Reibscheibe 8 in radialer Richtung über Stege 34 in Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei benachbarten magnetischen Trennbereichen 33 hindurch. Ein in der Zeichnungsebene oberer Teil des magnetischen Flusskreises K2 verläuft durch die axialen Rückstellmittel 11 (Rückstellfeder), so lange diese an der Reibscheibe 8 anliegt und somit die magnetischen Trennbereiche 33 zusätzlich zu den Stegen 34 in radialer Richtung überbrückt.
Ab dem Moment der axialen Verstellung der Reibscheibe 8 in Richtung Reibpartner 10 hebt die Reibscheibe 8 in axialer Richtung von den Rückstellmitteln 11 weiter ab, so dass die Rückstellmittel 11 ihre Überbrückungsfunktion verlieren. Der Magnetfluss des Magnetkreises 2 erfolgt dann nur noch über die Stege 34.
In 6b ist eine Draufsicht auf die Reibscheibe 8 gemäß 6a gezeigt mit ihren magnetischen Trennungen 33 und den in Umfangsrichtung dazwischen befindlichen Stegen 34 für die radiale Flussleitung im Rahmen der zur Realisierung des zweiten magnetischen Kreises K2.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsanordnung
2: Primärseite
3: Primärscheibe
4: Antriebswelle
5: Sekundärseite
6: Reibscheibenkupplung
7: Flüssigkeitsreibungskupplung
8: Reibscheibe
9: Elektromagnetmittel
10: Reibpartner
11: axiale Rückstellmittel
12: Scherspalt
13: Sekundärscheibe
14: Scherfluidreservoir
15: Steuerventil
16: Steuerventilöffnung
18: Strömungskanal
19: Scherfluidpfad
20: Durchgangsöffnung
21: Durchgangsöffnung
22: Drehankermittel
23: Drehanker (= Reibscheibe)
24: Steuerventilelement
25: Rückstellmittel für Drehanker
26: Gehäuseabschnitt
27: Wälzlager
28: Wälzlager
29: Magnetflussleitstruktur
30: Gegenkontur
31: magnetischer Fluss
32: Fixierpunkte
33: magnetische Trennungen
34: (Radial-)Stege
35: Axialvorsprung
36: Nabenabschnitt
37: Gleitschicht
38: Luftspalt
T: Trennbestromungsbereich
F: Flüssigkeitsreibungskupplungsbestromungsbereich
R: Reibscheibenkupplungsbestromungsbereich
K1: primärer Magnetkreis (Reibscheibenkupplung)
K2: sekundärer Magnetkreis (Steuerventilverstellung bzw. Drehankerrotation)
M1: primärseitige Drehzahl
M2: sekundärseitige Drehzahl
I: Strom
G: Grenzspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0317703 A2 [0003]
DE 3203143 C2 [0003]
DE 4207710 A1 [0003]
US 4305491 [0004]
EP 1248007 B1 [0004]
DE 69911479 T2 [0004]
WO 2012/156264 A1 [0007, 0008]
WO 2013/135457 A1 [0007]

Claims

Kupplungsanordnung (1), umfassend eine Flüssigkeitsreibungskupplung (7) sowie eine Reibscheibenkupplung (6) zum Übertragen eines Drehmomentes von einer antriebsmotorseitigen Primärseite (2) auf eine nebenaggregatseitige Sekundärseite (5), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die Flüssigkeitsreibungskupplung (7) ein, durch Bestromen von Elektromagnetmitteln (9) verdrehbare Drehankermittel (22) sowie eine Steuerventilöffnung (16) umfassendes Steuerventil (15) aufweist, über das ein Scherfluidstand in einem Scherspalt (12) der Flüssigkeitsreibungskupplung (7) zur Einstellung des Schlupfes zwischen Primärseite (2) und Sekundärseite (5) einstellbar ist, und wobei die Reibscheibenkupplung (6) eine entgegen einer Rückstellkraft von axialen Rückstellmitteln (11) elektromagnetisch verstellbare Reibscheibe (8) umfasst, durch deren axiales Verstellen die Reibscheibenkupplung (6) schließbar und dadurch die Flüssigkeitsreibungskupplung (7) überbrückbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibe (8) Bestandteil der Drehankermittel (22) ist und durch Verdrehen der Reibscheibe (8) ein freier Strömungsquerschnitt der Steuerventilöffnung (16) einstellbar ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Drehbegrenzungsmittel zur Begrenzung eines maximalen Relativerdrehbewegungswinkel der Reibscheibe (8) zu der die Reibscheibe (8) tragenden Kupplungsseite, insbesondere der Primärseite (2), vorgesehen sind und dass die Reibscheibe (8) unter Gewährleistung der begrenzten Relativverdrehbewegbarkeit zu dieser Kupplungsseite drehfest mit dieser Kupplungsseite verbunden ist.
Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungskanal (18) für Scherfluid in der Reibscheibe (8) angeordnet und die Reibescheibe (8) zusammen mit der Steuerventilöffnung (16) relativ zu einem drehfest an einer die Reibscheibe (8) umfassenden Kupplungsseite, insbesondere der Primärseite (2), angeordneten Steuerventilteil (15), zur Einstellung des freien Strömungsquerschnitts der Steuerventilöffnung (16) verdrehbar ist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilöffnung (16) in den mit der Reibscheibe (8) verbundenen axialen Rückstellmitteln (11) zum axialen Rückstellen der Reibscheibe (8) angeordnet und fluidleitend mit dem Strömungskanal (18) in der Reibscheibe (8) verbunden ist, oder dass die Steuerventilöffnung (16) in der Reibscheibe (8) angeordnet ist.
Kupplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibe (8) relativ zu der, bevorzugt primärseitigen, Steuerventilöffnung (16) durch Bestromen der Elektromagnetmittel (9) rotierbar ist und mittels der Reibscheibe (8) oder den mit der Reibscheibe verbundenen Rückstellmitteln (11) oder einem drehfest mit der Reibscheibe (8) oder den axialen Rückstellmitteln (11) gekoppelten Steuerventilelement (24) der freie Strömungsquerschnitt des Steuerventils (15) einstellbar ist.
Kupplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibe (8) an ihrem Außenumfang eine Magnetflussleitstruktur (29) zum Erzeugen eines Drehmomentes für die Rotationsbewegung zur Einstellung des freien Strömungsquerschnittes des Steuerventils (15) relativ zu einer Gegenkontur (30) aufweist.
Kupplungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkontur (30), insbesondere am Innenumfang, der einen Reibpartner (10) für die Reibscheibe (8) aufweisenden Kupplungsseite, insbesondere der Sekundärseite (5) angeordnet ist.
Kupplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibe (8) durch Bestromen der Elektromagnetmittel (9) zum Verdrehen der Reibscheibe (8) axial verstellbar ist und/oder durch alternatives oder zusätzliches Bestromen von davon separaten Elektromagnetmitteln.
Kupplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibe (8) durch Bestromen der Elektromagnetmittel (9) gegen die Rückstellkraft von, insbesondere eine Torsionsfeder umfassenden, Rückstellmitteln (25) rotierbar ist.
Kupplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsseite, insbesondere die Primärseite (2), die bei geöffneter Reibscheibenkupplung (6) bis auf eine mögliche Relativverdrehbewegung zur Steuerventilbetätigung mit derselben Drehzahl rotiert wie die Reibscheibe (8), einen radial zwischen einer Fixierposition zur Fixierung der axialen Rückstellmittel (11) an der Kupplungsseite und einer Fixierposition zur Fixierung des der Rückstellmittel (11) an der Reibscheibe (8) angeordneten, insbesondere ringförmigen, Axialvorsprung (35) zur axialen Auflage der axialen Rückstellmittel (11) aufweist, der derart angeordnet ist, dass sich die Rückstellmittel (11), insbesondere bei Nicht-Bestromung der Elektromagnetmittel (9), unter axialer Vorspannung an diesem abstützen.
Kupplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite (2) der Kupplungsanordnung (1) über die Rückstellmittel (11) mit der Reibscheibe (8) sowie drehfest mit einer Antriebswelle (4) verbunden ist und dass die Reibscheibe (8) zur Einstellung des freien Strömungsquerschnitts der Steuerventilöffnung (16) auf der Welle (4) gelagert ist, insbesondere ohne Zwischenanordnung einer Lagerbuchse, über eine unmittelbar auf einer Reibscheibennabe angeordneten Gleitschicht, bevorzugt aus PTFE.
Kupplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Rückstellmittel (11) eine Rückstellfeder aus magnetisch leitendem Material aufweisen, die bei maximal von ihrem Reibpartner (10) beabstandeter Reibscheibe (8) über den größten Teil ihrer Radialerstreckung axial an der Reibscheibe (8) anliegt und die bei geschlossener Reibscheibenkupplung (6) über den größten Teil ihrer Radialerstreckung axial von der Reibscheibe (8) beabstandet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kupplungsanordnung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Flüssigkeitsreibungskupplung (7) sowie eine Reibscheibenkupplung (6) zum Übertragen eines Drehmomentes von einer antriebsmotorseitigen Primärseite (2) auf eine nebenaggregatseitige Sekundärseite (5), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfasst, wobei durch Bestromen von Elektromagnetmitteln (9) Drehankermittel (22) eines Steuerventils (15) verdreht und dadurch der freie Strömungsquerschnitt einer Steuerventilöffnung (16) des Steuerventils (15) verändert wird, um dadurch den Scherfluidstand in einem Scherspalt (12) der Flüssigkeitsreibungskupplung (7) zur Einstellung des Schlupfes zwischen Primärseite (2) und Sekundärseite (5) der Kupplungsanordnung (1) einzustellen, und wobei eine entgegen einer Rückstellkraft von axialen Rückstellmitteln (11) elektromagnetisch verstellbare Reibscheibe (8) zum Schließen der Reibscheibenkupplung (6) und dadurch Überbrückung der Flüssigkeitsreibungskupplung (7) axial verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibe (8) Bestandteil der Drehankermittel (22) ist und die Reibscheibe (8) zur Einstellung des freieren Strömungsquerschnitts der Steuerventilöffnung (16) verdreht wird.
Antriebsstrang mit einem primärseitigen Antriebsmotor, insbesondere einem Verbrennungsmotor, und einem sekundärseitigem Nebenaggregat, insbesondere einem Lüfterrad, wobei der Antriebsstrang zum Übertragen eines Drehmomentes von dem Antriebsmotor, bevorzugt einer von dem Antriebsmotor antreibbaren Welle (4), auf das Nebenaggregat eine Kupplungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.