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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung insbesondere für ein Kraftfahrzeug und ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
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In mittels eines Kolbens betätigten nassen Kupplungen beispielsweise für Kraftfahrzeuge gibt es immer wieder Probleme mit dem Fliehöldruckunterschied und dessen Ausgleich, der auf unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten und folglich dynamischen Drücken einer Rotation im Druckraum des Kolbens einerseits und andererseits außerhalb des Kolbens beruht. Um hier gegebenenfalls auch andere Bauteile der Kupplung vor dem entsprechend beschleunigten Kühlmedium (Öl) zu schützen, werden oft Fliehölhauben eingesetzt. Dies bedingt eine höhere Teileanzahl und einen höheren Montageaufwand. Weiterhin bewirkt der fehlende Fliehöldruckausgleich oftmals Probleme bei der Regelbarkeit der Kupplungsbetätigung.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
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Die erfindungsgemäße Kupplung insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Übertragung von Drehmoment von einer Eingangswelle zu einer Ausgangswelle umfasst einen Nassraum, der zumindest teilweise mit einem Kühlmedium gefüllt ist und mindestens einen Kolben, wobei der Kolben und ein dem Kolben gegenüberliegendes Bauteil um eine Achse rotierbar sind und der Kolben zum Öffnen und Schließen der Kupplung in Richtung der Achse verlagerbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass auf mindestens einem der folgenden Elemente:
- a) dem Kolben und
- b) dem dem Kolben gegenüberliegenden Bauteil
jeweils an einer dem anderen Element zugewandten Seite mindestens ein Steg ausgebildet ist, der sich in Richtung der Achse in Richtung des anderen Bauteils erstreckt und dessen Verlauf mindestens einen radialen Anteil in Bezug auf die Achse aufweist.
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Als Kupplung kann hier eine nasse Kupplung wie insbesondere Reibkupplungen, Wandlerkupplungen Doppelkupplungen, Anfahrkupplungen und Lastschaltkupplungen zum Einsatz kommen. Unter einem Kühlmedium wird hier insbesondere eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise ein Öl, insbesondere ein vollsynthetisches und/oder teilsynthetisches Öl und/oder ein Mineralöl verstanden, mit welchem der Nassraum zumindest teilweise gefüllt ist und durch welches die beim Betrieb der Kupplung, insbesondere beim Ein- und Auskuppeln, entstehende Wärme aufgenommen und abgeführt werden kann, um so zu gewährleisten, dass die Kupplung auch nach mehreren oder vielen Betätigungsvorgängen sicher schließt ohne zu rutschen. Bei der Kupplung handelt es sich um eine Kupplung, die mit einem Kolben betätigt wird, die also insbesondere von einem hydraulischen Ausrücker betätigt wird. Unter der Betätigung der Kupplung wird allgemein das Öffnen oder Schließen der Kupplung verstanden, also beim Öffnen ein Übergang von einem Zustand, in dem Drehmoment durch die Kupplung übertragen wird, zu einem Zustand, in dem im Wesentlichen kein Drehmoment übertragen wird, und umgekehrt beim Schließen der Kupplung. Bei einer Reibkupplung als Kupplung handelt es sich hierbei um einen Einrückvorgang beim Schließen der Kupplung und einen Ausrückvorgang beim Öffnen der Kupplung. Das gegenüberliegende Bauteil stellt beispielsweise das Kupplungsgehäuse dar.
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Der Kolben weist einen Druckraum auf, der in Bezug auf das Bauteil gegenüberliegend vom Kolben ausgebildet ist. Der Kolben liegt also zwischen dem Bauteil und dem Druckraum. In diesem Druckraum ist ein Hydraulikmedium vorhanden, insbesondere ein Öl wie ein synthetisches und/oder ein teilsynthetisches Öl und/oder ein Mineralöl. Durch eine Änderung des Drucks im Druckraum kann der Kolben in Richtung der Achse auf das Bauteil zu oder von diesem wegbewegt werden, um dadurch die Kupplung zu öffnen oder zu schließen
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Durch die Ausbildung des mindestens einen Steges, der sich hin zu dem gegenüberliegenden Bauteil erstreckt, wird der Raum zwischen den Elementen zu Ölkammern geteilt. Bevorzugt ist die Ausgestaltung mehrerer Stege. Die Stege weisen einen Verlauf mit zumindest einem radialen Anteil auf, bevorzugt verlaufen sie radial. Ein Verlauf mit zumindest einem radialen Anteil bedeutet, dass der mindestens eine Steg nicht vollständig in Umfangsrichtung verlaufen kann, also nicht kreisringförmig um die Achse ausgebildet sein kann.
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Durch die Ausbildung des mindestens einen Steges mit mindestens einem radialen Anteil kommt es im Betrieb zur Beschleunigung des Kühlmediums in den Ölkammern. Bei Drehzahldifferenzen zwischen Kolben und benachbartem Bauteil kommt es folglich zu einer Reduktion des dynamischen Druckunterschiedes zwischen dem Druckraum und dem Bereich zwischen Bauteil und Kolben. Dies verbessert die Regelbarkeit der Kupplung. Weiterhin sorgt der Mindestens eine Steg auch für eine Förderung des Kühlmediums im Nassraum, wodurch die Kühlleistung erhöht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kupplung weisen sowohl der Kolben als auch das gegenüberliegende Bauteil jeweils mindestens einen Steg auf, die einander in axialer Richtung überlappen.
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Überlappen bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass in axialer Richtung ein Bereich existiert, in dem gegenüberliegende Stege nebeneinander liegen und nur durch eine Lücke getrennt sind, deren Abmessung in radialer Richtung deutlich kleiner ist als der Abstand zweier benachbarter Stege an einem Element. Eine übliche Lücke im Spalt zweier Stege zueinander in Umfangsrichtung kann im Bereich von 0.05–1mm sein. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen, da eine gute Abdichtung gewährleistet ist bei gleichzeitigem Ausgleich von fertigungsbedingten Toleranzen.
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Eine Ausgestaltung mit überlappenden Stegen ist vorteilhaft, wenn konstruktionsbedingt sowohl der Kolben als auch das gegenüberliegende Bauteil mit einer identischen Rotationsfrequenz rotieren. In einem solchen Fall führt eine globale Zirkulation des Kühlmediums im Nassraum, die üblicherweise für Kühlzwecke zur Wärmeabfuhr von den Reibbelägen oder – bereichen erwünscht ist, zu einem Fliehöldruckunterschied zwischen dem Druckraum und dem außen liegenden Bereich zwischen dem Kolben und dem Bauteil. Die Überlappung führt zur Ausbildung im wesentlichen dichter Ölkammern, die im Bereich der Überlappung nach Art einer Labyrinthdichtung abgedichtet sind. Solche Ölkammern sind besonders effektiv.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kupplung ist der mindestens eine Steg so ausgebildet, dass in axialer Richtung ein Spalt zum jeweils anderen Element verbleibt.
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Dies ermöglicht die Ausbildung einer Kupplung, bei der Kolben und gegenüberliegendes Bauteil mit unterschiedlichen Rotationsfrequenzen rotieren können, in dem beispielsweise der Kolben rotationsfest mit der Eingangswelle und das gegenüberliegende Bauteil rotationsfest mit einer Ausgangswelle verbunden ist. Durch die Ausgestaltung mit mindestens einem Steg nur am Kolben oder nur am gegenüberliegenden Bauteil kann so die Drehzahldifferenz nicht zu einem Verkanten von gegenüberliegenden Stegen führen. Die Ausgestaltung mit einem Spalt ermöglicht eine Relativbewegung zwischen Kolben und gegenüberliegendem Bauteil, wobei der Spalt so bemessen ist, dass die Dichtheit und damit der Beschleunigungseffekt noch ausreichend groß ist um den Fliehöldruck anzupassen. Spaltmaße von bevorzugt 0.5–3mm haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie die Bewegung des Kolbens erlauben und gleichzeitig noch eine genügende Abdichtung ermöglichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kupplung ist die Kupplung so gestaltet, dass der Kolben und das gegenüberliegende Bauteil im Betrieb mit einer identischen Rotationsfrequenz betrieben werden.
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Ein Fliehöldruckausgleich ist in einer solchen Situation insbesondere dann notwendig, wenn eine globale Zirkulation von Kühlmedium im Nassraum notwendig ist. Hierbei kann die Ausbildung mit Stegen in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, insbesondere auch mit Stegen sowohl auf dem Kolben als auch auf dem dem Kolben gegenüberliegenden Bauteil.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kupplung ist die Kupplung so gestaltet, dass der Kolben und das gegenüberliegende Bauteil im Betrieb mit einer Drehzahldifferenz betrieben werden können.
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Die Drehzahldifferenz liegt insbesondere beim Ein- und Auskuppeln oder gegebenenfalls im Leerlauf an. Insbesondere beim Ein- und Auskuppeln ist die erfindungsgemäße Kupplung vorteilhaft, da hier die Pumpwirkung des mindestens einen Steges, bevorzugt mehrerer Stege, vorteilhaft zur Abfuhr der Reibwärme beim Ein- und Auskuppeln dienen kann. Zudem ist die erfindungsgemäße Kupplung effektiv beim Fliehöldruckausgleich einsetzbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Antriebseinheit mit einer Abtriebswelle, einem Antriebsstrang und einer Reibkupplung wie hier beschrieben zum lösbaren Verbinden der Abtriebswelle mit dem Antriebsstrang vorgeschlagen. Bevorzugt ist die Antriebseinheit im Kraftfahrzeug vor einer Fahrerkabine und quer zu einer Längsachse des Kraftfahrzeugs angeordnet.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt die Antriebseinheit, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder ein Elektromotor, vor der Fahrerkabine und quer zur Hauptfahrrichtung an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, eine Kupplung kleiner Baugröße zu verwenden.
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Verschärft wird die Bauraumsituation bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Die oben beschriebene Nachstelleinrichtung beziehungsweise Reibkupplung ist für Kleinwagen besonders vorteilhaft, weil die Gesamtbaugröße klein ist und zugleich eine äußerste zuverlässige Nachstellung erreicht wird. Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht, Leistung eingeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beispielsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen Fox oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio.
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Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
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1: ein erstes Beispiel einer Kupplung;
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2–4: jeweils Beispiele einer Ausgestaltung des Beispiels einer Kupplung;
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5: eine beispielhafte Darstellung der entsprechenden Stege;
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6 ein zweites Beispiel einer Kupplung; und
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7 ein Beispiel eines entsprechenden Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt schematisch eine Teilansicht einer nassen Kupplung 1, die in diesem Beispiel als Reibkupplung mit Reibelementen 2 ausgebildet ist. Die Kupplung 1 weist einen Kolben 3 auf, der gemeinsam mit einem Gehäuse 4 um eine Achse 5 rotieren kann. Hierzu sind das Gehäuse 4 und der Kolben 3 rotationsfest mit einer hier nicht dargestellten Welle verbunden. Über die Kupplung 1 ist Drehmoment zwischen den schwarz gekennzeichneten Komponenten und den grau gekennzeichneten Komponenten übertragbar. Je nach Betriebszustand einer eine Eingangswelle antreibenden Antriebseinheit und dem angetriebenen Antriebsstrang und in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Kupplung 1, ob diese also geöffnet ist und kein Drehmoment übertragen wird oder geschlossen ist zur Übertragung von Drehmoment können Eingangswelle und Ausgangswelle und damit auch die schwarz und grau gekennzeichneten Komponenten unterschiedliche Drehzahlen aufweisen, die bei geschlossener (eingekuppelter) Kupplung 1 angeglichen sind.
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Zur Betätigung der Kupplung 1 wird der Kolben 3 in Richtung der Achse 5 bewegt, wie durch die Pfeile 6 angedeutet, so dass eine reibschlüssige Verbindung zwischen Kolben 3 und Reibelement 2 hergestellt wird. Hierzu wird in einem Druckraum 7 des Kolbens 3, der mit einem Hydraulikmedium, beispielsweise einem Öl, insbesondere einem synthetischen, teilsynthetischen und/oder Mineralöl, der Druck erhöht. Durch die Rotation des Kolbens 3 wirken Fliehkräfte auf das Hydraulikmedium im Druckraum 7. Der Bereich 8 in 1 ist in den 2 bis 4 für verschiedene Fälle gezeigt, in denen dem Kolben 3 ein Bauteil 9 gegenüberliegt, welches hier das Gehäuse 4 ist, und beide rotationsfest mit einer identischen Welle verbunden sind, so dass keine Drehzahldifferenz zwischen Kolben 3 und Bauteil 9 vorliegt. Aufgrund der fehlenden Drehzahldifferenz zwischen Kolben 3 und Bauteil 9 sollte kein Fliehöldruckausgleich notwendig sein. Allerdings hat es sich gezeigt, dass im Falle einer globalen Kühlmediumströmung 14 im Nassraum 15 das Kühlmedium auch in Umfangsrichtung 12 beschleunigt werden muss, was üblicherweise nur ungenügend gelingt, so dass es unterschiedliche Druckverhältnisse im Druckraum 7 des Kolbens 3 und zwischen Kolben 3 und Bauteil 9 gibt. Grundsätzlich führen unterschiedliche dynamische Druckverhältnisse zwischen dem Druckraum 7 des Kolbens 3 und dem Raum zwischen Kolben 3 und Bauteil 9 zu einer schlechten Regelbarkeit der Kupplung 1.
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Die 2 bis 4 zeigen radiale Ansichten des Bereiches 8. In 2 sind der Kolben 2 und das Gehäuse 4 als Bauteil 9 ausgebildet, welches dem Kolben 3 gegenüberliegt. Das bedeutet, dass der Druckraum 7 des Kolbens 3 auf der vom Bauteil 9 abgewandten Seite des Kolbens 3 ausgebildet ist. Sowohl der Kolben 3 als auch das Gehäuse 4 weisen hier mehrere Stege 10 auf, die sich in Richtung der Achse 5 in Richtung auf das jeweils andere Element erstrecken. Die Stege 10 in den 2 bis 5 sind der Übersichtlichkeit halber nur teilweise mit Bezugszeichen versehen. Die Stege 10 sind so gestaltet, dass diese sich in Richtung der Achse 5 überlappen. Der Grad der Überlappung hängt dabei von der Position des Kolbens 3 ab. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der bei jeder axialen Position des Kolbens 3 im normalen Betrieb der Kupplung 1 eine Überlappung vorliegt.
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Durch die überlappenden Stege 10 werden Ölkammern 11 gebildet. 5 zeigt den radialen Verlauf der Stege 10. Durch die Stege 10 ist eine Strömung des Kühlmediums in Umfangsrichtung 12 weitgehend unterbunden, während eine Strömung in radialer Richtung 13 möglich ist. Eventuelle Kriechströmungen durch die Labyrinth artige Dichtung, die die überlappenden Stege 10 bilden, können üblicherweise vernachlässigt werden. Die Ausbildung der Ölkammern 10 bewirkt eine Rotation und Beschleunigung des Kühlmediums im Raum zwischen dem Kolben 3 und dem Bauteil 9, so dass weitgehend identische Strömungsverhältnisse und identische Druckverhältnisse in Bezug auf den dynamischen Druck zwischen Druckraum 7 und dem Raum zwischen Bauteil 9 und Kolben 3, also den Ölkammern 11, bestehen. Dadurch wird der Einfluss des Fliehöldrucks auf die Kupplungsregelbarkeit praktisch eliminiert, ohne dass beispielsweise eine zusätzliche Fliehölhaube eingesetzt werden muss. Zusätzlich führen die Ölkammern 11 in der Rotation auch zu einer Förderung des Kühlmediums durch den Nassraum 15, was zur Verbesserung der Kühlung der Kupplung 1 genutzt werden kann.
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3 zeigt eine alternative Ausgestaltung, ebenfalls in radialer Ansicht, bei der lediglich auf dem Kolben 3 Stege 10 ausgebildet sind. Aufgrund der fehlenden Überlappung der Stege 10 kommt es zur Bildung von Spalten 23 zwischen Steg 10 und Bauteil 9. Es hat sich gezeigt, dass auch durch eine solche Variante eine signifikante Anpassung der dynamischen Drücke des Kühlmediums zwischen Kolben 3 und Bauteil 9 und des Hydraulikmediums im Druckraum 7 erfolgt, so dass sich auch hier die Regelbarkeit der Kupplung 1 verbessert.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel in radialer Ansicht, bei der die Stege 10 lediglich auf dem Bauteil 9 ausgebildet sind. Diese mögliche Variante stellt eine Abwandlung des zuvor beschriebenen und (toleranztechnisch) einfacher zu realisierenden ineinander greifenden Prinzips dar.
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5 zeigt eine Draufsicht auf den Kolben 3 in Richtung der Achse 5. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass die Stege 10 in radialer Richtung 13 verlaufen. Die Stege 10 können auch anders geformt sein, müssen jedoch zumindest einen radialen Anteil aufweisen. Das bedeutet insbesondere, dass die Stege 10 keine um die Achse 5 ausgebildeten Kreisringe bilden dürfen. Die Stege 10 auf dem Bauteil 9 können entsprechend ausgebildet werden. Zur Vorgabe bestimmter Strömungsprofile können die Stege 10 jeweils unterschiedliche Längen in radialer Richtung 13 aufweisen.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Kupplung 1, wobei gleiche Elemente wie im ersten Beispiel mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei rotieren Kolben 3 und Gehäuse 4 nur im eingekuppelten Zustand mit einer identischen Rotationsfrequenz. Im getrennten Zustand der Kupplung 1 und insbesondere beim Ein- und Auskuppeln kommt es zu Drehzahldifferenzen zwischen Kolben 3 und Gehäuse 4. Hierdurch wird ein Fliehöldruckausgleich notwendig, da die unterschiedlichen Rotationsfrequenzen im Druckraum 7 und zwischen Kolben 3 und Bauteil 9 zu unterschiedlichen dynamischen Drücken führen. Der Bereich 8 weist dabei eine Ausgestaltung nach 3 oder 4 auf, das heißt, entweder der Kolben 3 oder das Bauteil 9 weisen Stege 10 auf, die in Richtung des jeweils anderen Elementes 9, 3 gerichtet sind und die oben beschriebenen Ölkammern 11 bilden. Diese haben denselben Effekt wie für das obige Beispiel beschrieben und führen zu einem Fliehöldruckausgleich zwischen dem Druckraum 7 und dem Bereich zwischen Kolben 3 und Bauteil 9. Gleichzeitig erfolgt eine Förderung des Kühlmediums im Nassraum 15 mit einer Verbesserung der Kühlung der Kupplung 1. Diese mögliche Variante stellt eine Abwandlung des zuvor beschriebenen und (toleranztechnisch) einfacher zu realisierenden ineinander greifenden Prinzips dar.
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7 zeigt sehr schematisch ein Kraftfahrzeug 16 mit einer Antriebseinheit 17, die vor einer Fahrerkabine 18 ausgebildet ist. Die Antriebseinheit 17 stellt beispielsweise einen Verbrennungsmotor dar und ist über eine Abtriebswelle 19 mit einer Kupplung 1 wie oben beschrieben verbunden. Weiterhin ist die Kupplung 1 mit der Antriebswelle 20 eines Antriebsstranges 21 verbunden und überträgt lösbar Drehmoment von der Antriebseinheit 17 auf den Antriebsstrang 21. Die Abtriebswelle 19 und die Antriebswelle 20 rotieren um die Achse 5, die quer zu einer Längsachse 22 des Kraftfahrzeuges 16 ausgelegt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplung
- 2
- Reibelement
- 3
- Kolben
- 4
- Gehäuse
- 5
- Achse
- 6
- Pfeile
- 7
- Druckraum
- 8
- Bereich
- 9
- Bauteil
- 10
- Steg
- 11
- Ölkammer
- 12
- Umfangsrichtung
- 13
- radiale Richtung
- 14
- globale Ölströmung
- 15
- Nassraum
- 16
- Kraftfahrzeug
- 17
- Antriebseinheit
- 18
- Fahrerkabine
- 19
- Abtriebswelle
- 20
- Antriebswelle
- 21
- Antriebsstrang
- 22
- Längsachse
- 23
- Spalt
