DE102014226150A1

DE102014226150A1 - Hydrauliksystem für ein Automatikgetriebe

Info

Publication number: DE102014226150A1
Application number: DE102014226150.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Margraf; Stefan Brom
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23
Also published as: CN105715781A; US9726233B2; CN105715781B; US20160178018A1

Abstract

In einem Hydrauliksystem zum Betreiben eines Automatikgetriebes für Kraftfahrzeuge umfasst mindestens einen hydraulischen Aktuator zur Betätigung einer Kupplung und mindestens ein Absperrventil (1), wobei der Aktuator einen druckbeaufschlagbaren Betätigungsdruckraum (51) aufweist, welcher mittels des Absperrventils (1) druckdicht verschließbar ist, so dass ein Kupplungsdruck (p_K) unabhängig von anderen Drücken des Hydrauliksystems erhalten bleibt. Das Absperrventil umfasst eine Verschlussvorrichtung (7), wobei die Verschlussvorrichtung (7) mittels eines hydraulischen Steuerdrucks (p_S) in eine Verschlussstellung bewegbar ist, in welcher der Betätigungsdruckraumanschluss (33) und damit der Betätigungsdruckraum (51) mittels der Verschlussvorrichtung (7) verschlossen ist, und wobei die Verschlussvorrichtung (7) zumindest mittels der Kraft einer Feder (16) in eine Öffnungsstellung bewegbar ist, in welcher der Betätigungsdruckraumanschluss (33) geöffnet ist. Hierbei weist das Absperrventil (1) eine schaltbare Arretiervorrichtung (8) auf, mittels welcher die Verschlussvorrichtung (7) in der Verschlussstellung festlegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für ein Automatikgetriebe, ein Automatikgetriebe sowie ein Verfahren zum Betreiben des Hydrauliksystems.
Bei Automatikgetrieben für Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise aus der DE 10 2005 002 337 A1 bekannt, werden die Übersetzungsstufen durch Schaltelemente, nachfolgend auch als Kupplungen bezeichnet, eingestellt. Kupplungen können sowohl zwei drehbare Elemente miteinander als auch ein mit dem Getriebegehäuse drehfest verbundenes Element mit einem drehbaren Element verbinden. In letzterem Falle spricht man auch von einer Bremse. Die Schaltelemente sind hierbei als reibschlüssigen Lamellenkupplungen und als formschlüssige Schaltelemente, wie beispielsweise Klauenkupplungen, ausgebildet. Um Lastschaltungen, d.h. Übersetzungswechsel ohne Zugkraftunterbrechung, durchführen zu können muss zumindest ein Teil der Schaltelemente reibschlüssig ausgebildet sein.
Die Betätigung, d.h. das Schließen der Schaltelemente zur Drehmomentübertragung erfolgt bei bekannten Automatikgetrieben hydraulisch, d. h. über Aktuatoren in Form von Kolben-Zylinder-Einheiten, welche mit einem Druckmedium, üblicherweise mit Getriebeöl beaufschlagt werden. Von dem Kolben und dem Zylinder wird ein Kupplungsdruckraum gebildet, welcher zur Betätigung des Schaltelements von einem unter einem Betätigungsdruck stehenden Drucköl beaufschlagt wird. Das Drucköl wird von einer motorgetriebenen Pumpe als Druckquelle gefördert und muss insbesondere bei reibschlüssigen Schaltelementen während derer gesamten Betätigungsdauer auf einem Druckniveau gehalten werden, welches eine zu einer Drehmomentübertragung ausreichende Anpresskraft der Lamellen im Schaltelement erzeugt. Die Energie zur Druckerzeugung mittels der Hydraulikpumpe muss vom Motor des Kraftfahrzeuges aufgebracht werden, was sich aus Kraftstoffverbrauch bzw. die CO_2-Emission auswirkt. Durch die Leistungsverluste wird die für den Antrieb des Fahrzeugs bereitstehende Energie verringert, wodurch der Getriebewirkungsgrad des Antriebsstrangs sinkt.
Zudem entstehen an Dichtstellen wie beispielsweise Druckölzuführungen vom Getriebegehäuse über so genannte Drehölzuführungen, welche mittels Spaltdichtungen, z. B. Gleitlager und I oder Rechteckringe abgedichtet sind, in die rotierende Getriebewelle Leckageverluste. Diese erfordern ein laufendes Nachführen des Öldrucks im Aktuator bei einem geschlossenen Schaltelement bzw. ein Nachspeisen der Leckagemenge, um das Schaltelement geschlossen zu halten.
Um den Druck im Aktuator der Kupplungen von dem von der Pumpe zu erzeugenden Versorgungsdruck unabhängig zu machen und die Leckage-Verluste zu minimieren kann der Kupplungsdruckraum durch ein so genanntes Absperrventil verschlossen werden, so dass der darin herrschende Kupplungsdruck erhalten bleibt, ohne dass weiter Öl nachgespeist werden muss. Nur während des Schaltvorgangs wird das Ventil geöffnet und anschließend mit dem entsprechenden Druck gefüllt. Aus der DE 102 05 411 A1 der Anmelderin ist eine hydraulische Steuerungsvorrichtung mit einem Absperrventil bekannt. Der von der Getriebepumpe zu erzeugende Versorgungsdruck kann dann gegenüber dem im Schaltelement eingeschlossenen Kupplungsdruck abgesenkt werden, wodurch sich die Leistungsaufnahme der Getriebeölpumpe, welche sich als Produkt aus gefördertem Volumenstrom und erzeugter Druckdifferenz errechnet, deutlich reduziert. Mit der geringeren Leistungsaufnahme der Getriebepumpe erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes, da weniger Motorleistung für die Hydraulik als Blindleistung abgezweigt werden muss und der Kraftstoffverbrauch sinkt bei gleichen Fahrleistungen. Das aus der DE 102 05 411 A1 bekannte Absperrventil bleibt ohne die Beaufschlagung durch einen Druck in der Absperrstellung, also auch bei Stillstand der Pumpe bzw. des Motors der die Pumpe antreibt. Eine solche Funktionsweise eines Absperrventils, welches geschlossen bleibt, auch wenn das hydraulische System drucklos ist, d.h. sich auf dem Niveau des Umgebungsdrucks befindet, wird als „normally closed“ bezeichnet. Nachfolgend wird ein hydraulisches System, welches unter Umgebungsdruck steht bzw. nicht von einem Druckerzeuger wie z.B. einer Pumpe beaufschlagt wird, als „drucklos“ bezeichnet.
Nachteilig hinsichtlich der Funktionssicherheit ist hierbei, dass das Absperrventil und damit das betreffende Schaltelement beim Stopp bzw. Ausfall des Motors bzw. der Pumpe und einer damit fehlenden Druckbeaufschlagung des Automatikgetriebes nicht mehr geöffnet werden kann, so dass es bei einer Fehlfunktion zum Blockieren des Antriebsstranges kommen kann.
Die Funktionsweise eines Absperrventils, welches sich bei Stillstand der Pumpe bzw. einem drucklosen System üblicherweise unter der Wirkung einer Feder öffnet, wodurch sich der Kupplungsdruck auf Umgebungsdruck abbaut, wird als „normally opened“ bezeichnet. Diese Funktionsweise bietet einen großen Vorteil hinsichtlich der Funktionssicherheit eines Getriebes, da bei einem Ausfall der hydraulischen Druckversorgung der Kraftfluss im Getriebe unterbrochen ist. Allerdings muss das Absperrventil hierbei in nachteiliger Weise ständig mit einem Steuerdruck beaufschlagt werden, um dies geschlossen zu halten. Bei entsprechender Auslegung des Absperrventils, insbesondere der Wahl der von Steuerdruck und Kupplungsdruck beaufschlagten Flächen eines Verschlusskolbens, kann der Steuerdruck deutlich geringer sein als der Kupplungsdruck.
Die nicht vorveröffentlichte DE 102013221038.8 der Anmelderin offenbart ein Absperrventil, welches „normally opened“ ausgebildet ist. Dieses umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Verschlusskolben, welcher als so genannter Sitzkolben bezeichnet wird wenn das Absperrventil als Sitzventil ausgebildet ist. Der Verschlusskolben wird hierbei von einer Seite vom Kupplungsdruck beaufschlagt und von der anderen Seite her vom Steuerdruck. Aufgrund der Verhältnisse der druckbeaufschlagten Flächen des Verschlusskolbens kann der Steuerdruck, und damit der mindestens von der Pumpe zu erzeugende Druck, deutlich unter dem Kupplungsdruck liegen. Bei einem drucklosen Hydrauliksystem öffnet das Absperrventil unter der Wirkung einer Druckfeder den Kupplungsdruckraum zum restlichen drucklosen Hydrauliksystem.
Die ebenfalls nicht vorveröffentlichte DE102014218581.4 der Anmelderin als mögliche Ausgestaltung ein „normally opened“ Absperrventil, bei welchem der Steuerdruck gegenüber dem eingeschlossenen Kupplungsdruck weiter reduziert werden kann, indem der Kupplungsdruckraum nicht vom Verschlusskolben selbst verschlossen wird, sondern mittels einer Kugel als Verschlusskörper, welche von dem Verschlusskolben über eine Schräge gegen einen Ventilsitz in einem Kupplungskanal zum Kupplungsdruckraum gedrückt wird. Es können hierbei mehrere Kugeln am Umfang verteilt sein. Der Verschlusskolben ist ringförmig bzw. in der Form eines Hohlzylinders ausgebildet und um eine Welle herum konzentrisch zu dieser angeordnet. Weiterhin ist der ringförmige Verschlusskolben radial innerhalb eines Schaltelements angeordnet. Die radiale Ausdehnung des Verschlusskolbens ist relativ gering, so dass diese Ausgestaltung eine Anordnung mit geringem radialem Bauraumbedarf ist und keine zusätzliche axiale Baulänge beansprucht. Der vom Steuerdruck beaufschlagten ringförmigen Fläche stehen lediglich die relativ kleinen vom Kupplungsdruck beaufschlagten Projektionsflächen der Kugeln entgegen, so dass im Vergleich zu einem nach der DE102013221038.8 ausgestalteten Absperrventil die vom Kupplungsdruck beaufschlagte Fläche deutlich kleiner als die vom Steuerdruck beaufschlagte Fläche ist. Die Grenze der Reduzierung der Flächen wird jedoch von einem Mindestwert des Strömungsquerschnitts der mittels der Kugeln verschließbaren Kanäle vorgegeben, unterhalb dessen das Schaltelement nicht schnell genug befüllbar ist.
Zusätzlich wirkt nicht der volle Betrag des Kupplungsdrucks dem Steuerdruck entgegen, sondern aufgrund der Krafteinleitung durch die Kugel über eine konische, fasenförmige Kugelschräge, die an dem Kolben ausgebildet ist, nur eine axiale Kraftkomponente des Kupplungsdrucks. Hierdurch ist es möglich, den Steuerdruck zum Schließen des Absperrventils und damit die Leistungsaufnahme der Pumpe noch weiter abzusenken.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein „normally opened“ wirkendes Absperrventil zu schaffen, bei welchem bei einfacher Gestaltung und platzsparender Bauweise die Höhe des hydraulischen Druckes, welcher erforderlich ist um das Absperrventil und damit das Schaltelement geschlossen zu halten, möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach umfasst ein Hydrauliksystem zum Betreiben eines Automatikgetriebes für Kraftfahrzeuge mindestens einen hydraulischen Aktuator zur Betätigung einer Kupplung und mindestens ein Absperrventil, wobei der Aktuator einen druckbeaufschlagbaren Betätigungsdruckraum aufweist, welcher mittels des Absperrventils druckdicht verschließbar ist, so dass ein Kupplungsdruck unabhängig von anderen Drücken des Hydrauliksystems erhalten bleibt. Das Absperrventil umfasst eine Verschlussvorrichtung und ein Ventilgehäuse mit einem mit dem Betätigungsdruckraum verbundenen Betätigungsdruckraumanschluss, einem Versorgungsdruckanschluss und einem Steuerdruckanschluss. Die Verschlussvorrichtung ist mittels eines hydraulischen Steuerdrucks in eine Verschlussstellung bewegbar, in welcher der Betätigungsdruckraumanschluss, und damit auch der Betätigungsdruckraum, von der Verschlussvorrichtung verschlossen ist. Zumindest mittels der Kraft des im Betätigungsdruckraum eingeschlossenen Kupplungsdrucks ist die Verschlussvorrichtung in eine Öffnungsstellung bewegbar, in welcher der Betätigungsdruckraumanschluss geöffnet ist. Erfindungsgemäß weist das Absperrventil eine schaltbare Arretiervorrichtung auf, mittels welcher die Verschlussvorrichtung in der Verschlussstellung festlegbar ist.
Hierdurch bleibt vorteilhafterweise die Kupplung unabhängig von den im Hydrauliksystem herrschenden Drücken geschlossen so lange die Verschlussvorrichtung mittels der Arretiervorrichtung in der Verschlussstellung festgelegt ist, so dass theoretisch von einer Getriebepumpe kein Druck erzeugt und damit keine Leistung aufgenommen werden muss, um eine Momentenübertragung an der Kupplung zu gewährleisten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Arretiervorrichtung derart ausgebildet und angeordnet, dass mittels dieser eine formschlüssige Verbindung zwischen Verschlussvorrichtung und dem Ventilgehäuse herstellbar ist, indem die Arretiervorrichtung in eine Arretierstellung schaltbar ist, wenn die Verschlussvorrichtung in der Verschlussstellung befindlich ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Verschlussvorrichtung erst dann am Ventilgehäuse arretiert, wenn der Betätigungsdruckraumanschluss verschlossen ist.
Das Hydrauliksystem ist in einer Ausgestaltung so ausgebildet, dass die Arretiervorrichtung mindestens einen Arretierkolben umfasst, welcher in einer Arretierkolbenbohrung verschiebbar angeordnet ist und mittels einer Beaufschlagung durch den Steuerdruck aus einer Entsperrstellung in die Arretierstellung verschiebbar ist und von dem Steuerdruck in der Arretierstellung gehalten wird. Da die Verschlussvorrichtung mittels des Steuerdrucks von der Öffnungsstellung in die Verschlussstellung bewegt wird, dient es zur Vereinfachung des Hydrauliksystems, auch die Betätigung der Arretiervorrichtung hydraulisch vorzunehmen. Der von der Getriebepumpe zu erzeugende muss damit nur noch so hoch sein, um den Arretierkolben in der Arretierstellung zu halten. Durch diese Druckabsenkung ist vorteilhafterweise eine starke Reduzierung der Leistungsaufnahme der Getriebepumpe möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Arretiervorrichtung derart ausgebildet, dass die Höhe des Steuerdrucks, welcher erforderlich ist, um die Arretiervorrichtung in der Arretierstellung zu halten geringer ist wie die Höhe des Steuerdruck, der erforderlich ist, um die Verschlussvorrichtung aus der Öffnungsstellung in die Verschlussstellung zu bewegen bzw. in dieser zu halten.
Es ist möglich, dass hierbei die formschlüssige Verbindung zwischen Verschlussvorrichtung und Ventilgehäuse ausschließlich von dem oder den Arretierkolben hergestellt wird, so dass keine weiteren Bauteile erforderlich sind.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Arretierung der Verschlussvorrichtung elektromechanisch erfolgt. Vorteilhafterweise muss im Hydrauliksystem kein hydraulischer Druck von der Getriebepumpe erzeugt werden, um die Kupplung geschlossen zu halten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es möglich, dass die Arretiervorrichtung mindestens ein Rastelement umfasst, wobei jedem Arretierkolben mindestens ein Rastelement zugeordnet ist, welches mit dem mindestens einem Arretierkolben wirkverbunden und von diesem bewegbar ist. Das Rastelement ist hierbei in der Arretierstellung sowohl mit dem Ventilgehäuse als auch mit dem Verschlusskolben in einer formschlüssigen Verbindung befindlich und somit als Verbindungsglied zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen Verschlusskolben und Ventilgehäuse wirksam ist. Hierdurch ist es möglich, die Arretiervorrichtung den Gegebenheiten des vorhandenen Bauraumes anzupassen oder eine Übersetzung der Kraftverhältnisse vorzusehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass die Verschlussvorrichtung einen Verschlusskolben, ein Andruckelement, mindestens ein Federelement und mindestens einen Verschlusskörper umfasst, wobei der Verschlusskolben in der Verschlussstellung über das Andruckelement und das Federelement derart auf den mindestens einen Verschlusskörper wirksam ist, so dass dieser den Betätigungsdruckraumanschluss verschließt, wobei das Andruckelement in axialer Richtung relativ zum Verschlusskolben verschiebbar an diesem angeordnet ist. Das Federelement in axialer Richtung zumindest teilweise zwischen dem Andruckelement und dem Verschlusskolben angeordnet ist. Hiermit ist es möglich, Toleranzen auszugleichen und ein sicheres Verschließen des Betätigungsdruckraumanschlusses zu gewährleisten.
In diesem Zusammenhang zeigt eine weitere Ausgestaltung, dass der mindestens eine Verschlusskörper als Verschlusskugel, das Federelement als Tellerfeder und das Andruckelement als Konusring ausgebildet ist, wobei der Konusring eine Kugelschräge aufweist, über welche der Verschlusskolben zumindest bei dessen Bewegung des in die Verschlussstellung auf die mindestens eine Verschlusskugel wirksam ist. Hierbei ist die Bewegungsrichtung bzw. die Kraftrichtung des Verschlusskolbens nicht gleich der Bewegungsrichtung bzw. der Kraftrichtung der Verschlusskugel, wenn der Verschlusskolben von dem in einem Steuerdruckraum wirkenden Steuerdruck beaufschlagt wird und in die Verschlussstellung bewegt wird. Der Effekt dieser Ausgestaltung ist eine Erhöhung der dichtenden Kraft welche auf die Verschlusskugel wirksam ist, durch eine Keilwirkung.
Es ist möglich, dass die Arretierkolbenbohrung und eine Arretierkugelbohrung innerhalb des Verschlusskolbens ausgebildet sind, wobei sich die Arretierkugelbohrung und die Arretierkolbenbohrung im rechten Winkel zueinander zumindest teilweise durchdringen, und dass das Rastelement als Arretierkugel ausgebildet ist, welche zumindest teilweise innerhalb des Verschlusskolbens in der Arretierkugelbohrung angeordnet bzw. in deren Richtung geführt ist. Hierbei ist in der Außenkontur des Arretierkolbens eine Arretierkolbennut so ausgebildet, dass die Arretierkugel zumindest teilweise in der Arretierkolbennut befindlich ist und einen geringeren radialen Abstand zu der Arretierkolbenachse hat, wenn der Arretierkolben in der Entsperrstellung befindlich ist, als wenn der Arretierkolben in der Arretierstellung befindlich ist und die Arretierkugel an der zylindrischen Außenkontur des Arretierkolbens anliegt. Die Arretierkugel kann somit vorteilhafterweise vom Arretierkolben im rechten Winkel zu dessen Bewegungsrichtung in radialer Richtung bezogen auf den Arretierkolben von diesem weg bewegt werden. Damit ist eine Umlenkung der Kraftrichtung möglich, wodurch eine Übersetzung der Kraftverhältnisse oder eine Anpassung an den gegebenen Bauraum möglich ist. Zudem ermöglich die Anordnung von Arretierkolben und Arretierkugel im Verschlusskolben eine kompakte Bauweise.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Arretierkolben, bzw. den Arretierkolben und die zugehörige Arretierkugel im Ventilgehäuse anzuordnen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, dass in einer den Verschlusskolben an dessen Außenkontur umgebenden Gehäuseinnenkontur des Ventilgehäuses eine zu einer Verschlusskolbenachse konzentrisch verlaufende Einrastnut zur zumindest teilweisen Aufnahme einer Arretierkugel ausgebildet ist. Hierbei ist die axiale Position der Einrastnut so gewählt, dass diese dann von der Arretierkugelbohrung so weit überdeckt wird, dass die Arretierkugel mittels des Arretierkolbens zur Arretierung in die Einrastnut einrückbar ist, wenn der Verschlusskolben in der Verschlussstellung befindlich ist und der Konusring soweit verschoben wurde, dass die Vorspannkraft des Federelements ausreichend ist, um den Betätigungsdruckraumanschluss über die Kugelschräge geschlossen zu halten.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Verschlusskolben als zumindest teilweise hohlzylindrischer Ringkolben ausgebildet, welcher in einem innerhalb des Ventilgehäuses ausgebildeten zumindest teilweise zylindermantelförmigen Ringkolbenraum axial zwischen der Verschlussstellung und der Öffnungsstellung verschiebbar ist. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine sehr bauraumsparende Anordnung eines solchen Absperrventils in einem Getriebe möglich, wenn der Ringkolben um eine Welle herum anordenbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Variante ist vorgesehen, dass eine Arretierkolbenachse der mindestens einen Arretierkolbenbohrung im Wesentlichen parallel zu einer Verschlusskolbenachse des Ringkolbens angeordnet ist, wobei die mindestens eine Arretierkolbenbohrung zumindest teilweise von der Arretierkugelbohrung durchdrungen wird, welche radial zu beiden Mittelachsen gerichtet ist. Hierbei ist der Arretierkolben bezüglich dessen Außenkontur so ausgebildet ist, so dass bei einer Bewegung des Arretierkolbens in die Arretierstellung die Arretierkugel von dem Arretierkolben im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Arretierkolbens bzw. zu der Mittelachse des Verschlusskolbens und der Mittelachse der Arretierkolbenbohrung in radialer Richtung bezüglich der beiden Mittelachsen in eine konzentrisch zur Mittelachse im Ventilgehäuse ausgebildeten Einrastnut verschiebbar ist. Durch die Anordnung der Arretierkolben innerhalb des Ringkolbens ist die Ausgestaltung eines kompakten und bauraumsparenden Absperrventils möglich.
In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass das Ventilgehäuse zumindest von einer Kupplungsnabe und einer Welle gebildet wird, wobei die Kupplungsnabe radial außerhalb des Ringkolbens und die Welle radial innerhalb des Ringkolbens angeordnet ist, wobei die Einrastnut in der Gehäuseinnenkontur der Kupplungsnabe ausgebildet ist, und dass die mindestens eine Arretierkugel durch den zugeordneten Arretierkolben aus dem Ringkolben radial nach außen bewegbar ist.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Arretierkugeln vom Arretierkolben radial nach innen teilweise aus dem Ringkolben verschiebbar sind.
Bei einer Alternative zu einer Ausgestaltung des Verschlusskolbens als Ringkolben ist es möglich, dass der Verschlusskolben als zylindrischer Kolben ausgebildet ist. Dieser könnte konzentrisch zu dieser in einer Welle angeordnet werden. Es wäre bei dieser Alternative zudem möglich, einen einzigen Arretierkolben konzentrisch zum zylindrischen Verschlusskolben anzuordnen, welcher ähnlich einer Ziehkeilschaltung auf mehrere Arretierkugeln wirkt.
Vorzugsweise ist in einer Variante vorgesehen, dass in der Arretierkugelbohrung zwischen dem Arretierkolben und einem dem Steuerdruckraum abgewandten Ende der Arretierkolbenbohrung eine Entriegelungsfeder angeordnet ist, welche zumindest in der Arretierstellung des Arretierkolbens vorgespannt ist. Hierbei ist bei der Unterschreitung eines bestimmten Wertes des Steuerdrucks der Arretierkolben zumindest mittels der Kraft der Entriegelungsfeder in die Entsperrstellung bewegbar ist, so dass die Arretiervorrichtung entsperrt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass in dem Verschlusskolben zwischen dem Ende der Arretierkolbenbohrung, welche dem Steuerdruckraum abgewandt ist, und einem Teil des Ringkolbenraumes, in welchem die Druckfeder angeordnet ist, ein Verbindungskanal ausgebildet ist, so dass die dem Steuerdruckraum abgewandte Seite des Arretierkolbens mit dem Versorgungsdruck beaufschlagbar und damit in die Entsperrstellung bewegbar ist, wenn die Summe der auf den Arretierkolben wirkenden Kräfte aus dem Versorgungsdruck und der Entriegelungsfeder die entgegengerichtete Kraft aus dem Steuerdruck übersteigt. Diese Variante hat den Vorteil, dass der Arretierkolben mittels einer Anhebung des Versorgungsdrucks in die Entsperrstellung bewegbar ist, auch wenn der Steuerdruck beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion nicht abgesenkt werden kann.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass nur der Arretierkolben und keine Entriegelungsfeder in der Arretierkolbenbohrung angeordnet ist, wobei die Arretierkolbenbohrung durch die Verbindungsbohrung mit dem Versorgungsdruckraum verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass ein geringerer Steuerdruck erforderlich ist, um den Arretierkolben in der Arretierstellung zu halten, da dem Steuerdruck nicht mehr die Kraft der Entriegelungsfeder entgegenwirkt.
Bevorzugt ist es möglich, dass in dem Versorgungsdruckraum zwischen dem Verschlusskolben und dem Ventilgehäuse eine Druckfeder derart angeordnet ist, dass diese zumindest in der Verschlussstellung des Verschlusskolbens vorgespannt ist und den Verschlusskolben in die Öffnungsstellung verschiebt, wenn der Steuerdruck einem Umgebungsdruck entspricht. Hierdurch öffnet das Absperrventil sicher, wenn der Antrieb eines Getriebes – und damit die Getriebepumpe – ausfällt und das Hydrauliksystem drucklos wird. Ein derartig ausgebildetes Absperrventil ist „normally opened“ wirksam, wodurch undefinierte Schaltzustände ausgeschlossen werden können.
Es ist möglich, dass ein Automatikgetriebe welches eine Welle und ein Kupplungsnabe umfasst ein mit einem Ringkolben ausgestaltetes Absperrventil aufweist, wobei der Ringkolben konzentrisch zu einer Wellenachse der Welle um diese herum angeordnet ist und radial innerhalb der ebenfalls konzentrisch zur Welle angeordneten Kupplungsnabe angeordnet ist. Hierdurch ist eine platzsparende Anordnung eines Absperrventils möglich.
In einem Verfahren zum Betreiben eines Hydrauliksystems eines Automatikgetriebes mit einem Absperrventil nach einem der beschriebenen Ausgestaltungen wird zum Schließen der betreffenden Kupplung zunächst der Versorgungsdruck auf einen Übertragungsdruckwert des gewünschten Kupplungsdrucks angehoben wird, bei welchem die Kupplung geschlossen ist, wobei nach dem Erreichen des gewünschten Übertragungsdruckwertes des Kupplungsdrucks der Steuerdruck ausgehend von Null oder einem geringen Vorbefülldruck auf einen Absperrdruckwert angehoben wird, welcher soweit über dem Übertragungsdruckwert des Kupplungsdruckes liegt, dass die Verschlussvorrichtung entgegen dem Versorgungsdruck in die Verschlussstellung bewegbar ist. Nach dem Verschließen des Schaltelements wird der Druck im Hydrauliksystem bzw. der Steuerdruck auf einen Arretierdruckwert abgesenkt, welcher ausreichend ist, um die Arretiervorrichtung in der Arretierstellung zu halten, so dass die Verschlussvorrichtung in der Verschlussstellung verbleibt und die zu schließende Kupplung geschlossen bleibt. Zum Öffnen der Kupplung wird der Steuerdruck ausgehend von dem Arretierdruckwert soweit reduziert, dass die Arretiervorrichtung zumindest aufgrund der Wirkung der Kraft der Entriegelungsfeder in die Entsperrstellung geschaltet wird, und die Verschlussvorrichtung durch die Kraftwirkung der Druckfeder und zumindest des eingesperrten Kupplungsdrucks in die Öffnungsstellung geschaltet wird.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 einen Teilschnitt durch ein Getriebe mit einem Absperrventil nach dem Stand der Technik;
2 einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil mit einer Verschlussvorrichtung, welche sich in der Öffnungsstellung befindet, und mit einer Arretiervorrichtung, welche sich in der Entsperrstellung befindet;
3 einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil mit einer Verschlussvorrichtung, welche sich in der Verschlussstellung befindet, und mit einer Arretiervorrichtung, welche sich in der Entsperrstellung befindet;
4 einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil mit einer Verschlussvorrichtung, welche sich in der Verschlussstellung befindet, und mit einer Arretiervorrichtung, welche sich in der Arretierstellung befindet und
5 ein Diagramm mit den zeitlichen Verläufen der relevanten Drücke am Absperrventil beim Verschließen und Öffnen eines Kupplungsdruckraumes.
1 zeigt einen Teilschnitt durch ein Getriebe, wobei in dem Teilschnitt eine hydraulisch betätigbare Kupplung 5, eine Welle 4, eine Kupplungsnabe 3 und ein Absperrventil 101 nach dem Stand der Technik dargestellt sind. In dem Teilschnitt ist aufgrund der im Wesentlichen rotationssymmetrischen Ausgestaltung der Anordnung um eine Wellenachse M_W nur eine Hälfte gezeigt. Die Kupplung 5 umfasst einen Kupplungskolben 52, eine Kupplungsnabe 103, ein Lamellenpaket 54 mit Außenlamellen 56 und Innenlamellen 57, ein Außenlamellenträger 58, ein Innenlamellenträger 59 und eine Abstützplatte 55, wobei zwischen der Abstützplatte 55 und dem Kupplungskolben 52 ein Betätigungsdruckraum 51 ausgebildet ist. Die Kupplung 5 ist konzentrisch zu der Welle 4 bzw. zu deren Wellenachse M_W angeordnet. In radialer Richtung bezogen auf die Wellenachse M_W ist zwischen der Welle 4 und der Kupplung 5 das Absperrventil 101 angeordnet.
Die Kupplung 5 wird betätigt indem der Betätigungsdruckraum 51 von einem hydraulischen Druck beaufschlagt wird. Der Druck wirkt in axialer Richtung entgegengesetzt auf den Kupplungskolben 52 und die Abstützplatte 55. Der Begriff „axial“ bezieht sich nachfolgend auf die Wellenachse M_W. Da sich die Abstützplatte 55 axial an der Kupplungsnabe 103 abstützt, wird der Kupplungskolben 52 gegen das Lamellenpaket 54 gedrückt, wodurch die Außenlamellen 56 und die Innenlamellen 57 gegeneinandergedrückt werden, wodurch eine reibschlüssige Momentenübertragung zwischen Außenlamellenträger 58 und Innenlamellenträger 59 herstellbar ist. Nachfolgend ist unter einer Betätigung einer Kupplung das Schließen einer Kupplung zur Herstellung dieser Momentenübertragung zu verstehen.
Das Absperrventil 101 umfasst einen Ringkolben 110, mindestens eine Verschlusskugel 111, mindestens eine Druckfeder 116 und ein Ventilgehäuse, welches zumindest teilweise von der Welle 4 und teilweise von der Kupplungsnabe 103 gebildet wird. In der Kupplungsnabe 103 ist mindestens ein Betätigungsdruckraumanschluss 133 ausgebildet, welcher mit dem Betätigungsdruckraum 51 der Kupplung 5 verbunden ist. In der Welle 4 sind mindestens ein Steuerdruckanschluss 42 und mindestens ein Versorgungsdruckanschluss 43 ausgebildet. Innerhalb des Betätigungsdruckraumanschlusses 133 ist ein in 2 dargestellter Ventilsitz 34 ausgebildet. Die Größe der Verschlusskugel 111 und die Ausgestaltung des Ventilsitzes sind so gewählt, dass der Betätigungsdruckraumanschluss 133 und damit der Betätigungsdruckraum 51 verschlossen ist, wenn die Verschlusskugel 111 an dem Ventilsitz anliegt. Der Steuerdruckanschluss 42 ist mit einem Steuerdruckkanal 45, der in der Welle 4 ausgebildet ist, verbunden. Der Versorgungsdruckanschluss 43 ist mit einem Versorgungsdruckkanal 44 verbunden, welcher ebenfalls in der Welle 4 ausgebildet ist. Vorzugsweise sind mehrere Verschlusskugeln 111 gleichmäßig auf dem Umfang verteilt, damit ein ausreichender Leitungsquerschnitt Vorzugsweise sind mehrere Betätigungsdruckraumanschlüsse 133 bzw. Verschlusskugeln 111 gleichmäßig auf dem Umfang verteilt, damit ein ausreichender Leitungsquerschnitt zur Befüllung und Entleerung des Betätigungsdruckraums 51 vorhanden ist. Dies gilt ebenso für die Steuerdruckanschlüsse 42 und die Versorgungsdruckanschlüsse 43. Zur zeichnerischen Darstellung wurde jeweils ein Betätigungsdruckraumanschluss 133, ein Steuerdruckanschluss 42 und ein Versorgungsdruckanschluss 43 in die Zeichenebene gedreht.
Der Ringkolben 110 weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form mit einer zylindrischen Innenkontur und einer zylindrischen Außenkontur auf. Er ist konzentrisch zur Wellenachse M_W um die Welle 4 herum angeordnet und axial längs der Welle 4 bzw. der Kupplungsnabe 103 in einem zwischen der Welle 4 und der Kupplungsnabe 103 ausgebildeten Ringkolbenraum 139 zwischen zwei Endstellungen verschiebbar. Zwischen einem ersten Ende des Ringkolbens 110 und der Kupplungsnabe 103 ist ein Steuerdruckraum 132 ausgebildet, welcher durch den Steuerdruckanschluss 42 mit einem in der Welle 4 ausgebildeten Steuerdruckkanal 45 verbunden und hierdurch von einem Steuerdruck p_S beaufschlagbar ist. Zwischen einem zweiten Ende des Ringkolbens 110 und der Kupplungsnabe 103 ist die Druckfeder 116 angeordnet. Das erste Ende des Ringkolbens 110 weist einen größeren Außendurchmesser als das zweite Ende auf. Zwischen den beiden Enden ist im Übergang der beiden unterschiedlichen Außendurchmesser eine fasenförmige Schräge 112 ausgebildet.
Ist der Steuerdruck p_S gleich Null oder so gering, dass die aus diesem auf den Ringkolben 110 wirkende Kraft kleiner ist als die Kraft der Druckfeder 116, so nimmt der Ringkolben 110 seine erste Endstellung ein und liegt mit seinem ersten Ende im Steuerdruckraum 132 an der Kupplungsnabe 103 an. Die Verschlusskugel 111 wird in dieser Stellung des Ringkolbens 110 nicht von diesem gegen den Ventilsitz des Betätigungsdruckraumanschlusses 133 gedrückt, so dass der Betätigungsdruckraum 51 geöffnet ist. Diese Stellung des Absperrventils 101 bzw. des Ringkolbens 110 wird deshalb nachfolgend auch als Öffnungsstellung bezeichnet. Unter der Wirkung der Kraft des Steuerdruck p_S wird dieser entgegen der Kraft der Druckfeder 116 und der Kraft, welche der Versorgungsdruck p_V über eine von diesem beaufschlagte Fläche erzeugt, in die so genannte Verschlussstellung verschoben. Hierbei verschiebt der Ringkolben 110 mit der an ihm ausgebildeten Kugelschräge 112 die Verschlusskugel 111 an den im Betätigungsdruckraumanschluss 133 ausgebildeten Ventilsitz. Wenn die Verschlusskugel 111 an diesem anliegt ist der Betätigungsdruckraum 51 verschlossen und der Ringkolben 110 bzw. das Absperrventil 101 hat seine Verschlussstellung erreicht.
Die Neigungen des Betätigungsdruckraumanschlusses 133 und der Kugelschräge 112 sind entsprechend gewählt und aufeinander abgestimmt. Vorzugsweise steht eine Mittelachse des Betätigungsdruckraumanschlusses 133 senkrecht auf einer Querschnittslinie der Kugelschräge 112. Aufgrund der Neigung der Kugelschräge 112 und damit deren Kraftwirkung auf die Verschlusskugel 111 entsteht eine Keilwirkung, so dass die auf den Ventilsitz wirkende Kraft der Verschlusskugel 111 höher ist, als wenn diese in rein axialer Richtung vom Ringkolben 110 angedrückt werden würde. Hierdurch kann die Höhe des Steuerdrucks p_S, welche erforderlich wäre um die Verschlusskugel 111 entgegen dem eingeschlossenen Kupplungsdruck p_K geschlossen zu halten, deutlich unter die Höhe des Kupplungsdrucks p_K abgesenkt werden, so dass auch der von der Getriebepumpe zu erzeugende Mindestdruck auf die Höhe des Steuerdrucks p_S abgesenkt werden kann. Eine zusätzliche Absenkung des Steuerdrucks p_S bei einem derart ausgestalteten Absperrventil wird über die Verhältnisse der druckbeaufschlagten Flächen an dem Ringkolben 110 und der Verschlusskugel 111 erreicht. Somit kann der von der Getriebepumpe zu erzeugende Druck und damit auch deren Leistungsaufnahme deutlich reduziert werden, woraus ein höherer Getriebewirkungsgrad bzw. ein geringerer Kraftstoffverbrauch resultiert.
Wird der Antriebsmotor des Getriebes bzw. der Antrieb der Getriebepumpe abgestellt, so wird das Hydrauliksystem des Getriebes und damit auch der Steuerdruck p_S drucklos, so dass die Kraft der Druckfeder 116 und die Kraftkomponente des Kupplungsdrucks p_K – unter zusätzlicher Berücksichtigung der druckbeaufschlagten Flächen an dem Ringkolben 110 und der Verschlusskugel 111 – den Ringkolben 110 in die Öffnungsstellung verschieben bzw. das Absperrventil 101 in die Öffnungsstellung schalten. Ein solches Absperrventil, welches bei einem drucklosen System geöffnet ist, wird auch als „normally opened“ bezeichnet.
2 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil 1. Das Absperrventil 1 umfasst eine Verschlussvorrichtung 7, eine Arretiervorrichtung 8 und ein Ventilgehäuse, welches zumindest von einem Teil einer Kupplungsnabe 3 und zumindest von einem Teil einer Welle 4 gebildet wird.
Die Verschlussvorrichtung 7 umfasst einen Ringkolben 10, einen Verschlusskörper welcher als Verschlusskugel 11 ausgebildet ist, ein Konusring 35 als Andruckelement für die Verschlusskugel 11, eine Tellerfeder 13 als Federelement und eine Druckfeder 16. Im Gegensatz zu dem Absperrventil 101 nach dem Stand der Technik in 1 ist eine Kugelschräge 12 nicht direkt an dem Ringkolben 10 sondern an dem am Ringkolben 10 angeordneten Konusring 35 ausgebildet.
In der Kupplungsnabe 3 ist mindestens ein Betätigungsdruckraumanschluss 33 ausgebildet. In der Welle 4 sind mindestens ein Steuerdruckanschluss 42 und mindestens ein Versorgungsdruckanschluss 43 ausgebildet. Innerhalb des Betätigungsdruckraumanschlusses 33 ist ein Ventilsitz 34 ausgebildet. Die Größe der Verschlusskugel 11 und die Ausgestaltung des Ventilsitzes 34 sind so gewählt, dass der Betätigungsdruckraumanschluss 33 verschlossen ist, wenn die Verschlusskugel 11 an dem Ventilsitz 34 anliegt. Vorzugsweise sind mehrere Betätigungsdruckraumanschlüsse 33 bzw. Verschlusskugeln 11 gleichmäßig auf dem Umfang verteilt, damit ein ausreichender Leitungsquerschnitt zur Befüllung und Entleerung des Betätigungsdruckraums vorhanden ist. Ebenso sind mehrere Steuerdruckanschlüsse 42 und Versorgungsdruckanschlüsse 43 in der Welle 4 ausgebildet und über den Umfang verteilt. Zur zeichnerischen Darstellung wurde jeweils ein Betätigungsdruckraumanschluss 133, ein Steuerdruckanschluss 42 und ein Versorgungsdruckanschluss 43 in die Zeichenebene gedreht. Das Öffnen und Verschließen des Betätigungsdruckraumanschlusses 33 erfolgt analog wie unter 1 beschrieben durch das Absenken und Erhöhen des Steuerdrucks p_S.
Die Arretiervorrichtung 8 umfasst einen Arretierkolben 17, eine Arretierkugel 21 und eine Entriegelungsfeder 19.
Der Ringkolben 10 weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form mit einer zylindrischen Innenkontur mit einem Innendurchmesser D_Ri und einer zylindrischen Außenkontur mit einem maximalen Außendurchmesser D_Ra auf. Er ist konzentrisch zur Wellenachse M_W um die Welle 4 herum angeordnet und axial längs der Welle 4, bzw. der ebenfalls zur Wellenachse M_W konzentrisch angeordneten Kupplungsnabe 3, in dem zwischen der Welle 4 und der Kupplungsnabe 3 ausgebildeten Ringkolbenraum 39 zwischen zwei Endstellungen verschiebbar. Der Begriff „axial“ bezieht sich hierbei wie unter 1 auch unter den nachfolgenden Figuren auf eine Wellenachse M_W der Welle 4. Eine Gehäuseinnenkontur 30 der Kupplungsnabe 3 und eine Außenkontur der Welle 4 sind ebenfalls zumindest abschnittsweise zylindrisch.
Zwischen einem ersten Ende des Ringkolbens 10 und der Kupplungsnabe 3 ist ein Steuerdruckraum 32 ausgebildet, welcher durch den Steuerdruckanschluss 42 mit einem Steuerdruck p_S beaufschlagbar ist. Zwischen einem zweiten Ende des Ringkolbens 10 und der Kupplungsnabe 3 ist ein Versorgungsdruckraum 28 ausgebildet, in welchem die Druckfeder 16 angeordnet ist. Um eine Leckage aus dem Versorgungsdruckraum 28 zu vermeiden ist dieser mittels eines Dichtrings 36, welcher in einer Dichtringnut 37 in der Kupplungsnabe 3 angeordnet ist abgedichtet. Die Kupplungsnabe 3 ist zur Welle 4 hin In den Versorgungsdruckraum 28 mündet in radialer Richtung aus der Welle 4 der Versorgungsdruckanschluss 43 und radial von außen aus der Kupplungsnabe 3 der Betätigungsdruckraumanschluss 33. Der Versorgungsdruckraum 28 ist von dem Versorgungsdruck p_V beaufschlagbar. Zur Abdichtung zwischen dem Versorgungsdruckraum 28 und dem Steuerdruckraum 32 sind an dem Ringkolben 10 an dessen Außenkontur eine Dichtringnut 25 und an dessen Innenkontur eine Dichtringnut 27 ausgebildet, innerhalb derer ein Dichtring 24 bzw. ein Dichtring 26 angeordnet sind.
Der Außendurchmesser D_Ra am ersten Ende des Ringkolbens 10 ist größer als der Außendurchmesser am zweiten Ende des Ringkolbens 10. Zwischen den beiden Enden ist im Übergang der beiden unterschiedlichen Außendurchmesser als Absatz eine Konusringführung 20 mit zylindrischer Außenkontur ausgebildet, an welcher der Konusring 35 axial verschiebbar angeordnet ist. In radialer Richtung ist der Konusring 35 an dem Ringkolben 10 zentriert bzw. maximal innerhalb einer Spielpassung verschiebbar. Die Tellerfeder 13 ist ebenfalls um die Konusringführung 20 angeordnet und in axialer Richtung zwischen dem Konusring 35 und dem Teil des Ringkolbens 10 mit dem größten Außendurchmesser angeordnet.
In axialer Richtung ist von dem Ende des Ringkolbens 10 her, welches dem Steuerdruckraum 32 zugewandt ist, eine Arretierkolbenbohrung 14 im Ringkolben 10 als Sackbohrung ausgebildet. In radialer Richtung zu einer Mittelachse des Ringkolbens, welche im montierten Zustand der Wellenachse M_W entspricht, wird die Arretierkolbenbohrung 14 von einer Arretierkugelbohrung 22 durchdrungen. Der Durchmesser der Arretierkugelbohrung 22 entspricht annähernd dem Durchmesser der Arretierkugel 21. Eine Mittelachse der Arretierkugelbohrung 22 schneidet dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise sowohl die Mittelachse der Arretierkolbenbohrung 14 als auch die Mittelachse des Ringkolbens 10, bzw. die Wellenachse M_W im montierten Zustand, im rechten Winkel. Im montierten Zustand der Arretiervorrichtung 8 ist zwischen dem in die Arretierkolbenbohrung 14 eingesetzten Arretierkolben 17 und dem Ende der Arretierkolbenbohrung 14 innerhalb des Ringkolbens 10 ein Entriegelungsfederraum 29 ausgebildet, in welchem eine Entriegelungsfeder 19 angeordnet ist.
Zwischen dem Entriegelungsfederraum 29 und dem Versorgungsdruckraum 28 ist im Ringkolben 10 eine Verbindungsbohrung 15 ausgebildet, durch welche die der Entriegelungsfederraum 29 und damit der Arretierkolben 17 von dem Versorgungsdruck p_V beaufschlagbar ist. Optional kann auch auf die Verbindungsbohrung 15 verzichtet werden, so dass der Entriegelungsfederraum 29 vom Versorgungsdruckraum 28 getrennt ist. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass der Arretierkolben 17 nicht von dem Versorgungsdruck p_V verschoben werden könnte, wenn beispielsweise der Steuerdruck p_S aufgrund einer Fehlfunktion nicht zum Öffnen des Betätigungsdruckraumanschlusses 33 abgesenkt werden könnte. Außerdem wäre eine Druckentlastung des Entriegelungsfederraums 29 vorzusehen, da sich in diesem aufgrund der Leckage durch den Steuerdruck p_S ein Druck aufbauen würde. Unter einer Druckentlastung ist beispielsweise eine Verbindung des Entriegelungsfederraums 29 mit einem Bereich, in welchem ein Umgebungsdruck p0 herrscht zu verstehen.
Der Arretierkolben 17 weist eine Arretierkolbennut 18 auf, welche als Taillierung bzw. Eindrehung mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Der Radius des Kreissegments entspricht hierbei annähernd dem Radius der Arretierkugel 21. Der radiale Abstand von dem in den Ringkolben 10 eingesetzten Arretierkolben 17 entspricht von dessen seiner engster Stelle bis zum Außendurchmesser des Ringkolbens 10 zumindest annähernd einem Durchmesser der Arretierkugel 21.
In der zylindrischen Gehäuseinnenkontur 30 der Kupplungsnabe 3 ist radial nach außen gerichtet eine Einrastnut 31 als Eindrehung mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet. Der Radius des Querschnitts der Einrastnut 31 entspricht wie die Arretierkolbennut 18 annähernd dem Radius der Arretierkugel 21.
In der Darstellung in 1 befindet sich die Verschlussvorrichtung 7 bzw. der Ringkolben 10 in der Öffnungsstellung und die Arretiervorrichtung 8 bzw. der Arretierkolben 17 in der Entsperrstellung. Dies ist der Fall, wenn die Kräfte der Druckfeder 16, des im Betätigungsdruckraum herrschenden Kupplungsdrucks p_K und gegebenenfalls des Versorgungsdrucks p_V größer sind als die Kraft des Steuerdrucks p_S. Das Öffnen und Verschließen des Betätigungsdruckraumanschlusses 33 erfolgt analog wie unter 1 beschrieben durch das Absenken und Erhöhen des Steuerdrucks p_S.
Beim Befüllen des Betätigungsdruckraums 51 der Kupplung ist der Wert des Steuerdrucks p_S theoretisch Null, d.h. er entspricht dem Umgebungsdruck p0, was nachfolgend auch als „drucklos“ bezeichnet wird. In der Praxis wird der Betätigungsdruckraum 51 mit einem Vorbefülldruck beaufschlagt, welcher so gering ist, dass zwar eine Kupplungsbetätigung nicht erfolgen kann, aber sicher gestellt ist, dass kein hohes Volumen zur Kupplungsbefüllung benötigt wird, was die Betätigungszeit der Kupplung erhöhen würde. Die Arretierkugel 21 ist in der Arretierkugelbohrung 22 geführt und liegt in radialer Richtung zur Wellenachse M_W hin in der Arretierkolbennut 18 am Arretierkolben 17 an. Radial nach außen ist der Weg der Arretierkugel 21 von einem zylindrischen Abschnitt der Gehäuseinnenkontur 30 begrenzt, so dass die Arretierkugel 21 auch bei einer verschiebenden Kraftwirkung auf den Arretierkolben 17 nicht von diesem senkrecht zur Arretierkolbenachse M_A radial nach außen außerhalb der Arretierkolbenbohrung 14 verdrängbar ist. Hierdurch wird der Arretierkolben 17 von der Arretierkugel 21 auch entgegen der Kraft der im Entriegelungsfederraum 29 vorgespannten Entriegelungsfeder 19 bzw. der zusätzlichen Kraft aus dem Versorgungsdruck p_V in der Entsperrstellung gehalten.
In der Öffnungsstellung des Ringkolbens 10 hat die Verschlusskugel 11 zwischen dem Konusring 35 und dem Ventilsitz 34 Spiel. Um sicher zu stellen, dass die Verschlusskugel 11 den Betätigungsdruckraum 51 nicht unbeabsichtigt verschließt, wie dies beispielsweise unter der Wirkung der Fliehkraft bei einer Drehung der Kupplungsnabe 3 möglich wäre, ist innerhalb des Betätigungsdruckraumanschlusses 33 eine Ausgleichsfeder 23 an der Kupplungsnabe 3 derart angeordnet, dass diese die Verschlusskugel 11 gegen den Konusring 35 drückt. Hierdurch ist die Verschlusskugel 11 vom Ventilsitz 34 abgehoben, bzw. kann nicht an diesem anliegen, so dass der Betätigungsdruckraum 51 zum Versorgungsdruckanschluss 43 hin geöffnet ist.
Wird in der Öffnungsstellung der Betätigungsdruckraum 51 durch den Versorgungsdruckanschluss 43 befüllt, entspricht ein im Betätigungsdruckraum 51 herrschender Kupplungsdruck p_K dem Versorgungsdruck p_V.
3 zeigt das Absperrventil 1 bzw. die Verschlussvorrichtung 7 in der Verschlussstellung. Die Arretiervorrichtung 8 befindet sich in dieser Darstellung in der Entsperrstellung. Die Verschlussstellung der Verschlussvorrichtung 7 wird herbeigeführt um nach dem Befüllen und der Druckbeaufschlagung des Betätigungsdruckraums 51 bzw. dem Schließen der Kupplung, den Betätigungsdruckraum 51 zu verschließen und damit den eingeschlossenen Kupplungsdruck p_K von dem von der Getriebepumpe erzeugten Druck unabhängig zu machen. Hierzu wird nach der Druckbeaufschlagung des Betätigungsdruckraums 51 der Steuerdruck p_S soweit angehoben wird, dass dessen über eine in Axialrichtung projezierte Steuerdruckfläche A_S auf den Ringkolben 10 wirkende Kraft größer ist, als die Summe der Kräfte der Druckfeder 16 und des Versorgungsdrucks p_V. Infolge der Wirkung der resultierenden Kraft wird der Ringkolben 10 zum Versorgungsdruckraum 28 hin verschoben, wobei die Verschlusskugel 11 über die Kugelschräge 12 des Konusrings 35 schräg, entsprechend der Ausrichtung des Betätigungsdruckraumanschlusses 33 bzw. der Neigung der Kugelschräge 12 in den Betätigungsdruckraumanschluss 33 bewegt wird, bis diese an dem Ventilsitz 34 anliegt und den Betätigungsdruckraumanschluss 33 und damit den Betätigungsdruckraum der Kupplung verschließt. Hierbei wird nach dem Anliegen der Verschlusskugel 11 am Ventilsitz 34 der Konusring 35 entgegen der Kraft der Tellerfeder 13 axial zum Ringkolben 10 hin verschoben, wodurch diese vorgespannt wird.
Nachdem der Betätigungsdruckraumanschluss 33 verschlossen ist, kann der Versorgungsdruck p_V theoretisch bis auf Null, d.h. Umgebungsdruck p0 abgesenkt werden. Der Steuerdruck p_S kann auf einen Wert abgesenkt werden, der ausreichend ist, um den Ringkolben 10 entgegen der Kräfte der Druckfeder 16 und des eingeschlossenen Kupplungsdrucks p_K in der Verschlussstellung zu halten. Hierbei ist zu beachten, dass der Kupplungsdruck p_K über die Kugelschräge 12 und die im Vergleich zur Steuerdruckfläche A_S deutlich geringere Summe der druckbeaufschlagten Ventilsitzflächen A_V der Verschlusskugeln 11 wirkt, wodurch die Kraftwirkung des Kupplungsdrucks p_K auf den Ringkolben 10 herabgesetzt wird.
Hierdurch ist es, wie bereits in Stand der Technik offenbart, möglich den Steuerdruck p_S und damit den von der Getriebepumpe zu erzeugenden Druck vorteilhaft abzusenken. Eine weitere Absenkung der Steuerdrucks p_S ist mit dem erfindungsgemäßen Absperrventil 1 möglich, wenn in der Verschlussstellung zusätzlich die Arretiervorrichtung 8 in die Arretierstellung geschaltet ist.
4 zeigt einen Teilschnitt es erfindungsgemäßen Absperrventils 1, wobei sich die Verschlussvorrichtung 7 in der Verschlussstellung und die Arretiervorrichtung 8 in der Arretierstellung befindet. Die Arretierstellung wird herbeigeführt, indem der Steuerdruck p_S so weit angehoben wird, dass der Arretierkolben 17 entgegen der Kräfte der Entriegelungsfeder 19 und des Kupplungsdrucks p_K in Richtung des Entriegelungsfederraums 29 verschoben wird. Kupplungsdruck p_K und Steuerdruck p_S wirken hierbei in entgegengesetzter Richtung auf eine Arretierkolbenfläche A_A. Da sich die Arretierkugelbohrung 22 in der Verschlussstellung des Ringkolbens 10 an der gleichen axialen Position befindet wie die in der Kupplungsnabe 3 ausgebildete Einrastnut 31, kann bei der Bewegung des Arretierkolbens 17 die Arretierkugel 21 in radialer Richtung aus der Arretierkolbennut 18 in die Einrastnut 31 verschoben werden. Die Arretierkugel 21 ist nun zu einem Teil in der Einrastnut 31 und zum anderen Teil innerhalb der Arretierkugelbohrung 22 an der zylindrischen Außenkontur des Arretierkolbens 17 angeordnet. Hierdurch ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Ventilgehäuse bzw. der Kupplungsnabe 3 und der Verschlussvorrichtung 7 mit der Arretierkugel 21 als Verbindungsglied hergestellt. Die Verschlussvorrichtung 7 wird nun mechanisch entgegen den Kräften aus Druckfeder 16 und Kupplungsdruck p_K gehalten, wenn der Versorgungsdruck p_V auf Null abgesenkt wurde. Der Steuerdruck p_S muss nur noch so groß sein, dass dessen Kraft größer ist als die Kraft der Entriegelungsfeder 19, damit die formschlüssige Verbindung erhalten bleibt. Die Kraft aus dem Steuerdruck p_S kann sogar geringer sein, als die Summe der Kräfte des Kupplungsdrucks p_K über die Kugelschräge 12 und der Druckfeder 16. Hierdurch ist gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafterweise eine weitere Absenkung des Steuerdrucks p_S und damit eine Verringerung des von der Getriebepumpe zu erzeugenden Druckes bzw. derer Leistungsaufnahme möglich.
Während der mechanischen Arretierung des Ringkolbens 10 ist die Höhe des Steuerdrucks p_S bzw. sind die Kraftverhältnisse der an dem Ringkolben 10 angreifenden hydraulischen Drücke ohne Wirkung auf die Kraft, mit welcher die Verschlusskugel 11 gegen den Ventilsitz 34 gedrückt wird und damit ohne Einfluss auf die Dichtwirkung, da sich die Kräfte der Drücke über die formschlüssige Verbindung an der Kupplungsnabe 3 abstützen. Deshalb ist zum sicheren Verschließen des Betätigungsdruckraumanschlusses 33 erforderlich, dass die Verschlusskugel 11 auch während der mechanischen Arretierung des Ringkolbens 10 sicher und eindeutig an den Ventilsitz 34 gedrückt wird.
Dies wird durch den Aufbau einer Vorspannkraft auf die Verschlusskugel 11 mittels nachfolgend beschriebener Anordnung erreicht:
Wie unter 3 beschrieben wird bei der Verschiebung der Verschlussvorrichtung 7 in die Verschlussstellung nach dem Anliegen der Verschlusskugel 11 am Ventilsitz 34 der Konusring 35 als Andruckelement entgegen der Kraft der Tellerfeder 13 axial zum Ringkolben 10 hin verschoben, wodurch die Tellerfeder 10 vorgespannt wird. Die Lage – in axialer Richtung – der Einrastnut 31 zum Ringkolben 10 ist hierbei so gewählt, dass sich eine Mittelachse der Arretierkugelbohrung 22 erst dann an der axialen Position der Stelle des größten Durchmessers der Einrastnut 31, bzw. der Stelle der Symmetrieachse der kugelsegmentförmigen Querschnittsfläche der Einrastnut 31, wenn der Konusring 35 relativ zum Ringkolben 10 hin verschoben und die Tellerfeder 13 vorgespannt ist. Die Wirkung der Vorspannkraft der Tellerfeder 13 muss so groß sein, dass deren über die Kugelschräge 12 auf die Verschlusskugel 11 wirkende Kraftkomponente größer ist als die über die Ventilsitzfläche A_V auf die Verschlusskugel 11 wirkende Kraft aus dem eingesperrten Kupplungsdruck p_K. Theoretisch wäre es denkbar, den Ringkolben nach dem Stand der Technik einteilig mit einer direkt an diesem ausgebildeten Kugelschräge auszugestalten und den Ringkolben nach dem Andrücken der Verschlusskugel an den Ventilsitz zu arretieren. Aufgrund der fertigungsbedingten Toleranzen des Ringkolbens und der Lage der Einrastnut ist jedoch immer eine geringe Verschiebung des Ringkolbens möglich, durch welche die Andruckkraft der Verschlusskugel an den Ventilsitz abnimmt oder sich sogar die Verschlusskugel vom Ventilsitz lösen könnte.
Soll nun der Betätigungsdruckraum bzw. der Betätigungsdruckraumanschluss 33 geöffnet werden, wird der Steuerdruck p_S zumindest soweit abgesenkt, dass die vorgespannte Entriegelungsfeder 19 den Arretierkolben 17 soweit verschieben kann, dass sich die Arretierkolbennut 18 an der gleichen axialen Position befindet die die Einrastnut 31 und die Arretierkugelbohrung 22. Die Arretierkugel 21 kann sich nun in radialer Richtung bewegen. Da aufgrund des im Betätigungsdruckraum eingeschlossenen Kupplungsdrucks p_K und der Vorspannung der Druckfeder 16 eine Kraft auf den Ringkolben 10 zum Steuerdruckraum 32 hin wirksam ist, wird die Arretierkugel 21 bei der Bewegung des Ringkolbens 10 aus der Einrastnut 31 in die Arretierkolbennut 18 verschoben die formschlüssige Verbindung zwischen dem Ringkolben 10 und der Kupplungsnabe 3 ist gelöst.
Eine Erhöhung des Versorgungsdrucks p_V vor dem Öffnen des Betätigungsdruckraumes 51 ist auch möglich, mit dem Vorteil, dass der Kupplungsdruck p_K und damit die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Kupplung gesteuert bzw. geregelt in einem stetigen Verlauf reduziert werden kann, um einen hohen Schaltkomfort zu erreichen. Zudem wird die Verschiebung der Verschlussvorrichtung 7 in die Öffnungsstellung durch die Kraftwirkung des Versorgungsdrucks p_V begünstigt. Außerdem wirkt der Versorgungsdruck p_V durch die Verbindungsbohrung 15 zusätzlich zur Entriegelungsfeder 19 auf den Arretierkolben 17, so dass die Arretiervorrichtung 8 auch gegen einen, beispielsweise aus Gründen einer Fehlfunktion nicht absenkbaren Steuerdruck p_S, in die Entsperrstellung verschoben und damit die Arretierung aufgehoben werden kann.
5 zeigt ein Diagramm mit den zeitlichen Verläufen des Steuerdrucks p_S, des Versorgungsdrucks p_V und des Kupplungsdrucks p_K beim Verschließen und Öffnen eines Kupplungsdruckraumes.
Zu einem Zeitpunkt t1 beginnt ausgelöst durch einen Schaltbefehl aus einer Getriebesteuerung die Betätigung einer Kupplung, welche gemäß der Kupplung 5 aus 1 ausgebildet ist. Hierzu ist der bislang drucklose, d.h. sich auf Höhe des Umgebungsdrucks p0 befindliche Betätigungsdruckraum 51 mit einem Betriebsmedium zu befüllen und mit einem hydraulischen Druck zu beaufschlagen. Alternativ hierzu kann der Betätigungsdruckraum 51 mit einem besagten Vorbefülldruck beaufschlagt sein. Ab dem Zeitpunkt t1, zu dem das Absperrventil 1 in der in 2 gezeigten Öffnungsstellung befindlich ist, wird der Versorgungsdruck p_V mittels einer in den Figuren nicht dargestellten Druckstelleinrichtung in einem linearen Verlauf gesteigert. Der lineare Verlauf ist in diesem Diagramm aus Gründen der Anschaulichkeit eine vereinfachte Darstellung, da hier lediglich die Funktionsweise des Absperrventils 1 gezeigt werden soll. Da der Betätigungsdruckraumanschluss 33 geöffnet ist, entspricht der in dem Betätigungsdruckraum 51 herrschende Kupplungsdruck p_K dem Versorgungsdruck p_V. Der Steuerdruckraum 32 ist zum Zeitpunkt t1 drucklos, d.h. der Steuerdruck p_S befindet sich auf dem Niveau des Umgebungsdruckes. Theoretisch könnte der Steuerdruck p_S auch einen Wert zwischen Null und der Höhe des Versorgungsdrucks p_V annehmen.
Zu einem Zeitpunkt t2 erreicht der Versorgungsdruck p_V und damit der Kupplungsdruck p_K als Zielwert einen Übertragungsdruckwert p2, welcher ausreichend ist um die Kupplung zu schließen, so dass eine Übertragung eines gewünschten Drehmoments möglich ist. Außerdem wird durch die Verbindungsbohrung 15 der Entriegelungsfederraum 29 bzw. der Arretierkolben 17 von dem Versorgungsdruck p_V beaufschlagt, so dass der zusätzlich von der vorgespannten Entriegelungsfeder 19 belastet Arretierkolben 17 in der Entsperrstellung gehalten wird.
Nachdem der Druckwert p2 sicher erreicht und die Druckbeaufschlagung der Kupplung abgeschlossen ist, wird zu einem Zeitpunkt t3 der Steuerdruck p_S idealisiert dargestellt sprunghaft auf einen Absperrdruckwert p3 eingestellt, welcher über dem Druckwert p2 des Kupplungsdrucks p_K bzw. des Versorgungsdruck p_V liegt. Diese Überhöhung des Steuerdrucks p_S ist erforderlich, damit der Ringkolben 10 von dem Steuerdruck p_S entgegen dem Versorgungsdruck p_V und der Kraft der Druckfeder 16 in die Verschlussstellung verschoben werden kann, zumal die druckbeaufschlagte Fläche auf der Seite des Versorgungsdrucks p_V der vom Steuerdruck p_S beaufschlagten Steuerdruckfläche A_S entspricht. Die Verschlussvorrichtung 7 bzw. der Ringkolben 10 wird nun in die unter 3 beschriebene Verschlussstellung verschoben, wo die Verschlusskugel 11 gegen den Ventilsitz 34 gedrückt wird und den Betätigungsdruckraumanschluss 33 verschließt. Der Kupplungsdruck p_K ist nun nicht mehr von dem Versorgungsdruck p_V beeinflussbar.
Zu einem Zeitpunkt t4, an welchem sichergestellt ist, dass die Verschlussvorrichtung 7 die Verschlussstellung erreicht hat und der Betätigungsdruckraumanschluss 33 bzw. der Betätigungsdruckraum 51 verschlossen ist, wird der Versorgungsdruck p_V auf Umgebungsdruck reduziert. Theoretisch könnte dies aber auch ein anderer Druckwert sein, der deutlich unter dem Übertragungsdruckwert p2 liegt. Daher wirken dem Steuerdruck p_S nur noch die Kraft der Druckfeder 16 und der eingeschlossene Kupplungsdruck p_K über die beschriebenen ungünstigeren Flächenverhältnisse entgegen. Außerdem wirkt im vorliegenden Beispiel am Arretierkolben 17 nur noch die Kraft der Entriegelungsfeder 19, so dass der Arretierkolben 17 von dem Steuerdruck p_S in die Arretierstellung verschoben wird, in welcher die Arretierkugel 21 eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Ringkolben 10 und der Kupplungsnabe 3 herstellt, wie unter 4 beschrieben wurde.
Um sicher zu stellen, dass die Verschiebung des Arretierkolbens 17 in die Arretierstellung abgeschlossen ist, wird erst zu einem Zeitpunkt t5 der Steuerdruck p_S auf einen Arretierdruckwert p1 abgesenkt. Die Höhe des Arretierdruckwerts p1 für den Steuerdruck p_S ist so gewählt, dass dieser ausreicht, um den Arretierkolben 17 in der Arretierstellung zu halten, so dass die formschlüssige Verbindung zwischen dem Ringkolben 10 und der Kupplungsnabe 3 aufrecht erhalten bleibt. Der Betätigungsdruckraum 51 bleibt nun verschlossen und der Kupplungsdruck p_K und damit die Übertragungsfähigkeit der Kupplung aufrecht erhalten, wobei der Steuerdruck p_S allerdings gegenüber dem Stand der Technik auf einen geringeren Druckwert abgesenkt werden konnte, wie er bei einem hydraulischen Verschließen des Betätigungsdruckraums erforderlich gewesen wäre. Der von der Getriebepumpe zu erzeugende maximale Druck kann demnach vorteilhafterweise auch auf den Arretierdruckwert p1 reduziert werden.
Zu einem Zeitpunkt t6 soll nun für einen weiteren Schaltvorgang die Kupplung geöffnet werden, so dass der Kupplungsdruck p_K reduziert werden muss. Im vorliegenden Beispiel soll der Kupplungsdruck p_K sprungartig reduziert werden. Hierfür wird zum Zeitpunkt t6 der Steuerdruck p_S sprungartig entlastet, d.h. auf Umgebungsdruck abgesenkt, so dass die Kraft der Entriegelungsfeder 19 die Kraft des Steuerdrucks p_S auf den Arretierkolben 17 übersteigt und als resultierende Kraft den Arretierkolben 17 in die Entsperrstellung verschiebt. Sobald während der Bewegung des Arretierkolbens 17 die Arretierkolbennut 18 die Arretierkugelbohrung 22 überdeckt, wird durch die Wirkung der Kräfte der Druckfeder 16 und des Kupplungsdrucks p_K auf den Ringkolben 10 die Arretierkugel 21, bzw. die Arretierkugeln aus der Einrastnut 31 in die Arretierkolbennut 18 verschoben und die formschlüssige Verbindung zwischen dem Ringkolben 10 und der als Ventilgehäuse wirkenden Kupplungsnabe 3 gelöst. Hierdurch wird der Ringkolben 10 bzw. die Verschlussvorrichtung 7 in die Öffnungsstellung verschoben, welche zu einem Zeitpunkt t7 erreicht ist. Die Verschlusskugel 11 hebt sich, unterstützt von der Ausgleichsfeder 23, vom Ventilsitz 34 und der Kupplungsdruck p_K baut sich auf das Druckniveau des drucklosen Versorgungsdruckraums 28, bzw. des Versorgungsdrucks p_V ab, welche im vorliegenden Beispiel dem Umgebungsdruck p0 entspricht.
Optional könnte auf die Druckfeder 16 verzichtet werden, da nach dem Lösen der Arretierung der Ringkolben 10 theoretisch alleine von der Kraftwirkung des eingesperrten Kupplungsdrucks p_K in die Öffnungsstellung verschoben werden könnte. Sollte jedoch der Winkel der Kugelschräge 12 so gewählt sein, dass in der Verschlussstellung eine Selbsthemmung zwischen Kugelschräge und Verschlusskugel 11 vorliegt, ist dies nicht möglich. Eine Schaltung der Verschlussvorrichtung in die Öffnungsstellung wäre dann nur mittels einer entsprechend starken Druckfeder und/oder einem entsprechenden Anheben des Versorgungsdrucks p_V möglich. Ein derart ausgebildetes Absperrventil wäre dann allerdings nicht mehr als „normally opened“ zu bezeichnen. Dies gilt auch für eine theoretisch mögliche Ausführung eines beschriebenen Absperrventils, dessen Arretiervorrichtung keine Entriegelungsfeder aufweist. Der Entfall der Entriegelungsfeder hat den Vorteil, dass der Steuerdruck p_S und damit der von der Getriebepumpe zu erzeugende Druck noch weiter abgesenkt werden, da der Arretierkolben 17 nicht mehr entgegen der Kraft der Entriegelungsfeder in der Arretierstellung gehalten werden muss.
Nach einem Abschalten des Steuerdrucks p_S auf das Niveau des Umgebungsdrucks p0 würde sich der Arretierkolben 17 in einer indifferenten Lage befinden und die Arretierstellung würde beibehalten werden. Erst eine Anhebung des Versorgungsdrucks p_V würde den Arretierkolben 17 in die Entsperrstellung verschieben, so dass die Arretierkugeln 21 in die Arretierkolbennuten 18 einfallen könnten und sich somit die Arretierung lösen würde. Ein derart ausgebildetes Absperrventil würde jedoch die Nachteile eines als „normally closed“ ausgeführten Absperrventils aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Absperrventil
3: Kupplungsnabe
4: Welle
5: Schaltelement, Kupplung
7: Verschlussvorrichtung
8: Arretiervorrichtung
10: Ringkolben
11: Verschlusskörper, Verschlusskugel
12: Kugelschräge
13: Tellerfeder
14: Arretierkolbenbohrung
15: Verbindungsbohrung
16: Druckfeder
17: Arretierkolben
18: Arretierkolbennut
19: Entriegelungsfeder
20: Konusringführung
21: Arretierkugel
22: Arretierkugelbohrung
23: Ausgleichsfeder
24: Dichtring
25: Dichtringnut
26: Dichtring
27: Dichtringnut
28: Versorgungsdruckraum
29: Entriegelungsfederraum
30: Gehäuseinnenkontur
31: Einrastnut
32: Steuerdruckraum
33: Betätigungsdruckraumanschluss
34: Ventilsitz
35: Andruckelement, Konusring
36: Dichtring
37: Dichtringnut
39: Ringkolbenraum
41: Wellenaußenkontur
42: Steuerdruckanschluss
43: Versorgungsdruckanschluss
44: Versorgungsdruckkanal
45: Steuerdruckkanal
51: Betätigungsdruckraum
52: Kupplungskolben
54: Lamellenpaket
55: Abstützplatte
56: Außenlamellen
57: Innenlamellen
58: Außenlamellenträger
59: Innenlamellenträger
101: Absperrventil
103: Kupplungsnabe
110: Ringkolben
111: Verschlusskugel
112: Kugelschräge
116: Druckfeder
132: Steuerdruckanschluss
133: Betätigungsdruckraumanschluss
139: Ringkolbenraum
142: Steuerdruckanschluss
143: Versorgungsdruckanschluss
A_A: Arretierkolbenfläche
A_V: Ventilsitzfläche
A_S: Steuerdruckfläche
D_A: Arretierkolbendurchmesser
D_Ra: Ringkolbenaußendurchmesser
D_Ri: Ringkolbeninnendurchmesser
M_A: Arretierkolbenachse
M_W: Wellenachse
p_K: Kupplungsdruck
p_S: Steuerdruck
p_V: Versorgungsdruck
p0: Umgebungsdruck
p1: Arretierdruckwert
p2: Übertragungsdruckwert
p3: Absperrdruckwert
t1 bis t7: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005002337 A1 [0002]
DE 10205411 A1 [0005, 0005]
DE 102013221038 [0008, 0009]
DE 102014218581 [0009]

Claims

Hydrauliksystem zum Betreiben eines Automatikgetriebes für Kraftfahrzeuge, das Hydrauliksystem umfassend mindestens einen hydraulischen Aktuator zur Betätigung einer Kupplung und mindestens ein Absperrventil (1), wobei der Aktuator einen druckbeaufschlagbaren Betätigungsdruckraum (51) aufweist, welcher mittels des Absperrventils (1) druckdicht verschließbar ist, so dass ein Kupplungsdruck (p_K) unabhängig von anderen Drücken des Hydrauliksystems erhalten bleibt, das Absperrventil umfassend einen mit dem Betätigungsdruckraum (51) verbundenen Betätigungsdruckraumanschluss (33), einen Versorgungsdruckanschluss (43), einen Steuerdruckanschluss (42) und eine Verschlussvorrichtung (7), wobei die Verschlussvorrichtung (7) mittels eines hydraulischen Steuerdrucks (p_S) in eine Verschlussstellung bewegbar ist, in welcher der Betätigungsdruckraumanschluss (33) und damit der Betätigungsdruckraum (51) mittels der Verschlussvorrichtung (7) verschlossen ist, und wobei die Verschlussvorrichtung (7) zumindest mittels der Kraft des im Betätigungsdruckraum (51) eingeschlossenen Kupplungsdrucks (p_K) in eine Öffnungsstellung bewegbar ist, in welcher der Betätigungsdruckraumanschluss (33) geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (1) eine schaltbare Arretiervorrichtung (8) aufweist, mittels welcher die Verschlussvorrichtung (7) in der Verschlussstellung festlegbar ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (1) ein Ventilgehäuse (3, 4) umfasst, und dass die Arretiervorrichtung (8) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass mittels dieser eine formschlüssige Verbindung zwischen Verschlussvorrichtung (7) und Ventilgehäuse (3, 4) herstellbar ist, indem die Arretiervorrichtung (8) in eine Arretierstellung schaltbar ist, wenn die Verschlussvorrichtung (7) in der Verschlussstellung befindlich ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiervorrichtung (8) mindestens einen Arretierkolben (17) umfasst, welcher in einer Arretierkolbenbohrung (14) verschiebbar angeordnet ist und mittels einer Beaufschlagung durch den Steuerdruck (p_S) aus einer Entsperrstellung in die Arretierstellung verschiebbar ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiervorrichtung (8) mindestens ein Rastelement (21) umfasst, wobei jedem Arretierkolben (17) mindestens ein Rastelement (21) zugeordnet ist, welches mit dem mindestens einem Arretierkolben (17) wirkverbunden und von diesem bewegbar ist, wobei das Rastelement (21) in der Arretierstellung sowohl mit dem Ventilgehäuse (3, 4) als auch mit dem Verschlusskolben (10) in einer formschlüssigen Verbindung befindlich ist und somit als Verbindungsglied zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen Verschlusskolben (10) und Ventilgehäuse (3, 4) wirksam ist.
Hydrauliksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussvorrichtung (7) einen Verschlusskolben (10), ein Andruckelement (35), mindestens ein Federelement (13) und mindestens einen Verschlusskörper (11) umfasst, wobei der Verschlusskolben (10) in der Verschlussstellung über das Andruckelement (35) und das Federelement (13) derart auf den mindestens einen Verschlusskörper (11) wirksam ist, so dass dieser den Betätigungsdruckraumanschluss (33) verschließt, wobei das Andruckelement (35) in axialer Richtung relativ zum Verschlusskolben (10) verschiebbar an diesem angeordnet ist und wobei das Federelement (13) in axialer Richtung zumindest teilweise zwischen dem Andruckelement (35) und dem Verschlusskolben (10) angeordnet ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verschlusskörper als Verschlusskugel (11), das Federelement als Tellerfeder (13) und das Andruckelement als Konusring (35) ausgebildet ist, wobei der Konusring (35) eine Kugelschräge (12) aufweist, über welche der Verschlusskolben (10) zumindest bei dessen Bewegung des in die Verschlussstellung auf die mindestens eine Verschlusskugel (11) wirksam ist, so dass die Bewegungsrichtung bzw. die Kraftrichtung des Verschlusskolbens (10) nicht gleich der Bewegungsrichtung bzw. der Kraftrichtung der Verschlusskugel (11) ist, wenn der Verschlusskolben (10) von dem in einem Steuerdruckraum (32) wirkenden Steuerdruck (p_S) beaufschlagt und in die Verschlussstellung bewegt wird.
Hydrauliksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierkolbenbohrung (14) und eine Arretierkugelbohrung (22) innerhalb des Verschlusskolbens (10) ausgebildet sind, wobei sich die Arretierkugelbohrung (22) und die Arretierkolbenbohrung (14) im rechten Winkel zueinander zumindest teilweise durchdringen, und dass das Rastelement als Arretierkugel (21) ausgebildet ist, welche zumindest teilweise innerhalb des Verschlusskolbens (10) in der Arretierkugelbohrung (22) angeordnet bzw. in deren Richtung geführt ist, wobei in der Außenkontur des Arretierkolbens (17) eine Arretierkolbennut (18) so ausgebildet ist, dass die Arretierkugel (21) zumindest teilweise in der Arretierkolbennut (18) befindlich ist und einen geringeren radialen Abstand zu der Arretierkolbenachse (M_A) hat, wenn der Arretierkolben (17) in der Entsperrstellung befindlich ist, als wenn der Arretierkolben (17) in der Arretierstellung befindlich ist und die Arretierkugel (21) an der zylindrischen Außenkontur des Arretierkolbens (17) anliegt.
Hydrauliksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer den Verschlusskolben (10) an dessen Außenkontur umgebenden Gehäuseinnenkontur (30) des Ventilgehäuses (3) eine zu einer Verschlusskolbenachse (M_K) konzentrisch verlaufende Einrastnut (31) zur zumindest teilweisen Aufnahme einer Arretierkugel (21) ausgebildet ist, wobei die axiale Position der Einrastnut (31) so gewählt ist, dass diese dann von der Arretierkugelbohrung (22) so weit überdeckt wird, dass die Arretierkugel (21) mittels des Arretierkolbens (17) zur Arretierung in die Einrastnut (31) einrückbar ist, wenn der Verschlusskolben (10) in der Verschlussstellung befindlich ist und der Konusring (35) soweit verschoben wurde, dass die Vorspannkraft des Federelements (13) ausreichend ist, um den Betätigungsdruckraumanschluss (33) über die Kugelschräge (12) geschlossen zu halten.
Hydrauliksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskolben als zumindest teilweise hohlzylindrischer Ringkolben (10) ausgebildet ist, welcher in einem innerhalb des Ventilgehäuses (3, 4) ausgebildeten zumindest teilweise zylindermantelförmigen Ringkolbenraum (39) axial zwischen der Verschlussstellung und der Öffnungsstellung verschiebbar ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arretierkolbenachse (M_A) der mindestens einen Arretierkolbenbohrung (14) im Wesentlichen parallel zu einer Verschlusskolbenachse (M_K) des Ringkolbens (10) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Arretierkolbenbohrung (14) zumindest teilweise von der Arretierkugelbohrung (22) durchdrungen wird, welche radial zu beiden Mittelachsen (M_A, M_K) gerichtet ist, und wobei der Arretierkolben (17) bezüglich dessen Außenkontur so ausgebildet ist, so dass bei einer Bewegung des Arretierkolbens (17) in die Arretierstellung die Arretierkugel (21) von dem Arretierkolben (17) im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Arretierkolbens (17) bzw. zu der Mittelachse (M_K) des Verschlusskolbens (10) und der Mittelachse (M_A) der Arretierkolbenbohrung (14) in radialer Richtung bezüglich der beiden Mittelachsen (M_A, M_K) in eine konzentrisch zur Mittelachse (M_W) im Ventilgehäuse ausgebildeten Einrastnut (31) verschiebbar ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse zumindest von einer Kupplungsnabe (3) und einer Welle (4) gebildet wird, wobei die Kupplungsnabe (3) radial außerhalb des Ringkolbens (10) und die Welle (4) radial innerhalb des Ringkolbens (10) angeordnet ist, wobei die Einrastnut (31) in der Gehäuseinnenkontur (30) der Kupplungsnabe (3) ausgebildet ist, und dass die mindestens eine Arretierkugel (21) durch den zugeordneten Arretierkolben (17) aus dem Ringkolben (10) radial nach außen bewegbar ist.
Hydrauliksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Arretierkugelbohrung (22) zwischen dem Arretierkolben (17) und einem dem Steuerdruckraum (32) abgewandten Ende der Arretierkolbenbohrung (14) eine Entriegelungsfeder (19) angeordnet ist, welche zumindest in der Arretierstellung des Arretierkolbens (17) vorgespannt ist, und dass bei der Unterschreitung eines bestimmten Wertes des Steuerdrucks (p_S) der Arretierkolben (17) zumindest mittels der Kraft der Entriegelungsfeder (19) in die Entsperrstellung bewegbar ist, so dass die Arretiervorrichtung (8) entsperrt ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verschlusskolben (10) zwischen dem Ende der Arretierkolbenbohrung (14), welche dem Steuerdruckraum (32) abgewandt ist, und einem Versorgungsdruckraum (28) ein Verbindungskanal (15) ausgebildet ist, so dass die dem Steuerdruckraum (32) abgewandte Seite des Arretierkolbens (17) mit dem Versorgungsdruck (p_V) beaufschlagbar und damit in die Entsperrstellung bewegbar ist, wenn die Summe der auf den Arretierkolben (17) wirkenden Kräfte aus dem Versorgungsdruck (p_V) und der Entriegelungsfeder (19) die entgegengerichtete Kraft aus dem Steuerdruck (p_S) übersteigt.
Hydrauliksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Versorgungsdruckraum (28) zwischen dem Verschlusskolben (10) und dem Ventilgehäuse (3) eine Druckfeder (16) derart angeordnet ist, dass diese zumindest in der Verschlussstellung des Verschlusskolbens (10) vorgespannt ist und den Verschlusskolben (10) in die Öffnungsstellung verschiebt, wenn der Steuerdruck (p_S) einem Umgebungsdruck (p0) entspricht.
Automatikgetriebe mit einem Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, das Automatikgetriebe eine Welle (4) und ein Kupplungsnabe (3) umfassend, wobei der Ringkolben (10) konzentrisch zu einer Wellenachse (M_W) der Welle (4) um diese herum angeordnet ist und radial innerhalb der ebenfalls konzentrisch zur Welle (4) angeordneten Kupplungsnabe (3) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Hydrauliksystems eines Automatikgetriebes mit einem Absperrventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei zum Schließen der betreffenden Kupplung zunächst der Versorgungsdruck (p_V) auf einen Übertragungsdruckwert (p2) des gewünschten Kupplungsdrucks (p_K) angehoben wird, bei welchem die Kupplung geschlossen ist, und dass nach dem Erreichen des gewünschten Übertragungsdruckwertes (p2) des Kupplungsdrucks (p_K) der Steuerdruck (p_S) ausgehend von Null oder einem Vorbefülldruck auf einen Absperrdruckwert (p3) angehoben wird, welcher soweit über dem Übertragungsdruckwert (p2) des Kupplungsdruckes (p_K) liegt, dass die Verschlussvorrichtung (7) entgegen dem Versorgungsdruck (p_V) in die Verschlussstellung bewegbar ist, wobei nach dem Verschließen der Kupplung der Druck im Hydrauliksystem bzw. der Steuerdruck (p_S) auf einen Arretierdruckwert (p1) abgesenkt werden kann, welcher ausreichend ist, um die Arretiervorrichtung (8) in der Arretierstellung zu halten, so dass die Verschlussvorrichtung (7) in der Verschlussstellung verbleibt und die zu schließende Kupplung geschlossen bleibt, und dass zum Öffnen der Kupplung der Steuerdruck (p_S) ausgehend von dem Arretierdruckwert (p1) soweit reduziert wird, dass die Arretiervorrichtung (8) zumindest aufgrund der Wirkung der Kraft der Entriegelungsfeder (19) in die Entsperrstellung geschaltet wird, und die Verschlussvorrichtung (7) durch die Kraftwirkung der Druckfeder (16) und zumindest des eingesperrten Kupplungsdrucks (p_K) in die Öffnungsstellung geschaltet wird.