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Die Erfindung betrifft eine Hydraulikanordnung für eine hydraulisch betätigte Reibkupplung, sowie eine Reibkupplung, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Betätigen einer hydraulisch betätigten Reibkupplung. Eine solche Hydraulikanordnung ist beispielsweise in der nachveröffentlichten
WO 2015/067268 A1 beschrieben.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 108 649 A1 ist ein hydraulisches Aktuierungssystem für eine Reibungskupplung bekannt. Dieses umfasst eine Stufenkolbeneinheit mit einem Stufenkolben, der einen in einem ersten Druckraum bewegbaren ersten Kolbenabschnitt mit einer ersten hydraulisch wirksamen Fläche und einen in einem zweiten Druckraum bewegbaren zweiten Kolbenabschnitt mit einer zweiten und einer dritten hydraulisch wirksamen Fläche aufweist. Die erste Fläche ist kleiner als die zweite Fläche. Der Druckraum und ein der zweiten Fläche zugeordneter Teil des zweiten Druckraums sind mittels einer Überströmleitung in Abhängigkeit von einer Position des ersten Kolbenabschnitts verbindbar. Das hydraulische Aktuierungssystem umfasst ferner eine Aktuierungskolbeneinheit mit einem Aktuierungskolben, der mit der Reibungskupplung zusammen wirkt, um selektiv eine Aktuierung der Kupplung zu bewirken. Dem Aktuierungskolben ist ein dritter Druckraum zugeordnet, der mit dem zweiten Druckraum über eine Druckleitung in Fluidverbindung steht, und der in Abhängigkeit von einer Position des zweiten Kolbenabschnitts über eine Umgehungsleitung in Fluidverbindung mit dem der zweiten Fläche zugeordneten Teil des zweiten Druckraums bringbar ist.
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Die Erfindung betrifft eine Hydraulikanordnung zur hydraulischen Schaltung für einen Kupplungsaktor, welche die Auslegung der Volumenstromquelle für eine Reibkupplung mit zwei unterschiedlichen Steifigkeitsbereichen erleichtert und Potential zur Einsparung von Herstellungskosten bietet. Es wurde entdeckt, dass eine typische Kupplungskennlinie über den Kupplungsvorgang zwei Steifigkeitsphasen besitzt. In der ersten Phase ist der Druck niedrig und steigt mit dem der Reibkupplung zugeführten Volumenstrom nur geringfügig an. Dies ist während eines Anpressvorgangs einer Reibkupplung beim Durchschreiten des Luftwegs der Fall; denn hier ist der Weg relativ lang und die Anpresskraft gering, weil noch kein Kontakt zwischen einer Anpressplatte und einer korrespondierenden Reibscheibe vorliegt oder eine (relativ weiche) Reibbelagfederung komprimiert wird. In der zweiten Phase nimmt der Druck über dem zugeführten Volumenstrom deutlich stärker zu. Dies ist während eines Anpressvorgangs einer Reibkupplung beim Aufbau der Anpresskraft der Fall, bei dem der Weg auf die Verformung infolge der Elastizität begrenzt ist und daher relativ klein ist und bei dem die Anpresskraft auf ihr Maximum gebracht wird. Die Volumenstromquelle muss im Hinblick auf die Dynamik somit für die erste Phase einen relativ hohen Volumenstrom bei relativ geringem Druck liefern und für die zweite Phase einen deutlich kleineren Volumenstrom bei einem deutlich höheren Druck. Diese beiden Anforderungen haben zur Folge, dass die Volumenstromquelle derzeit überdimensioniert ausgelegt wird.
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Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung der Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Hydraulikanordnung für eine hydraulisch betätigte Reibkupplung, welche zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – eine Volumenstromquelle zum Bereitstellen eines angeforderten Hydraulikvolumens;
- – eine hydraulische Zuleitung, welche an die Volumenstromquelle angeschlossen ist;
- – einen hydraulischen Kupplungszylinder, welcher über die hydraulische Zuleitung von der Volumenstromquelle versorgbar ist;
- – eine Schalteinheit mit einem Eingang, mit einem verschließbaren ersten Ausgang und mit einem verschließbaren zweiten Ausgang, wobei die Schalteinheit über den Eingang mittels der hydraulischen Zuleitung mit der Volumenstromquelle kommunizierend verbunden ist;
- – ein Druckübersetzer, der einen großen Volumenstrom mit geringerem Druck in einen kleinen Volumenstrom mit einem höherem Druck übersetzt;
- – eine hydraulische Direktleitung, über welche der erste Ausgang der Schalteinheit und der hydraulische Kupplungszylinder kommunizierend verbunden sind;
- – eine hydraulische erste Übersetzungsleitung, über welche der zweite Ausgang der Schalteinheit mit dem Druckübersetzer eingangsseitig, also mit der Niederdruckseite, kommunizierend verbunden ist; und
- – eine hydraulische zweite Übersetzungsleitung, über welche der Druckübersetzer ausgangsseitig, also mit der Hockdruckseite, mit dem Kupplungszylinder kommunizierend verbunden ist.
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Die Hydraulikanordnung ist bevorzugt für eine hydraulisch betätigte Reibkupplung vorgesehen, bei welcher die Kupplungskennlinie zwei Steifigkeitsphasen aufweist. Von einem hydraulischen Kupplungszylinder werden die benötigte Anpresskraft und der benötigte Anpressweg für eine Reibkupplung bereitgestellt. Hierzu wird der hydraulische Kupplungszylinder von einer Volumenstromquelle, zum Beispiel einer Pumpe und einem Hydraulikmediumreservoir, mit einem Hydraulikmedium, zum Beispiel Öl oder Bremsflüssigkeit, entsprechend versorgt. Hierbei ist eine hydraulische Zuleitung vorgesehen, über welche der Kupplungszylinder von der Volumenstromquelle mit einem Hydraulikmedium versorgbar ist. Die hydraulische Zuleitung ist hierbei aber nicht unmittelbar mit dem Kupplungszylinder verbunden, sondern es sind eine Schalteinheit und nachfolgend eine hydraulische Direktleitung beziehungsweise eine Übersetzungsleitung mit einem Druckübersetzer zwischengeschaltet. Die Schalteinheit ist derart eingerichtet, dass eine kommunizierende Verbindung ohne weitere Druckübersetzung zwischen der Volumenstromquelle und dem hydraulischen Kupplungszylinder durch den ersten Ausgang der Schalteinheit mittels einer Direktleitung einstellbar ist. Die Volumenstromquelle ist hierzu zur Erzeugung eines entsprechenden (maximalen) Drucks und zur Bereitstellung eines entsprechenden in dem Kupplungszylinder benötigten Volumenstroms ausgelegt. Diese erste Schaltstellung wird bevorzugt während der ersten Phase gemäß der obigen Beschreibung eingestellt. Die andere hydraulische Verbindung über den Druckübersetzer ist währenddessen bevorzugt geschlossen.
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Mittels der Schalteinheit ist eine kommunizierende Verbindung mit Druckübersetzung mittels eines Druckübersetzers durch den zweiten Ausgang der Schalteinheit, nämlich mittels der Übersetzungsleitung, einstellbar. Diese zweite Schaltstellung wird bevorzugt während der zweiten Phase gemäß der obigen Beschreibung eingestellt. Der Druckübersetzer, welcher auch mehrstufig einrichtbar ist, übersetzt einen relativ großen Volumenstrom mit einem relativ geringen Druck (proportional) in einen kleineren Volumenstrom mit einem höheren Druck. Damit liefert der Druckübersetzer genau die Anforderungen, welche für die zweite Phase benötigt werden. Die Volumenstromquelle ist weiterhin bei einem relativ geringen (maximalen) Druck betreibbar, während sie weiterhin einen relativ großen Volumenstrom zur Verfügung stellt. Bevorzugt ist hierbei der erste Ausgang der Schalteinheit geschlossen. Ausgehend vom zweiten Ausgang der Schalteinheit ist eine erste Übersetzungsleitung eingangsseitig mit dem Druckübersetzer, also mit der Niederdruckseite, kommunizierend verbunden. Hin zum hydraulischen Kupplungszylinder ist eine zweite Übersetzungsleitung ausgangsseitig mit dem Druckübersetzer, also mit der Hochdruckseite, kommunizierend verbunden.
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Mit der hier vorgeschlagenen Hydraulikanordnung lassen sich also eine direkte Verbindung zwischen der Volumenstromquelle und dem hydraulischen Kupplungszylinder und eine indirekte Verbindung zwischen der Volumenstromquelle und dem hydraulischen Kupplungszylinder einstellen. Bei der direkten Verbindung entspricht also der Zylinderdruck in etwa dem Quelldruck (abzüglich der eventuell vorliegenden Leitungsverluste und Komponentenverluste). Dieser Zylinderdruck muss für die erste Phase gemäß der obigen Beschreibung ausreichend ausgelegt sein. Bei der indirekten Verbindung entspricht der Eingangsdruck bei dem Druckübersetzer in etwa dem Quelldruck (abzüglich der eventuell vorliegenden Leitungsverluste und Komponentenverluste). Der Ausgangsdruck entspricht zum Beispiel dem antiproportionalen Verhältnis zwischen der ersten Druckfläche am Eingangskolben und der zweiten Druckfläche am Ausgangskolben (abzüglich eventuell vorliegender Reibverluste). Daraus folgt ein verringerter Volumenstrom in der zweiten Übersetzungsleitung. Hierdurch entspricht nun der Zylinderdruck in etwa dem entsprechend übersetzten Ausgangsdruck des Druckübersetzers (abzüglich der eventuell vorliegenden Leitungsverluste und Komponentenverluste). Es sei darauf hingewiesen, dass jegliche hier bezeichnete Leitung jeweils aus mehreren parallelen Teil(-Abschnitts-)Leitungen zusammengesetzt sein kann. Weiterhin sind auch weitere Elemente zwischenschaltbar, wie zum Beispiel eine Drossel, ein Kribbelfilter und/oder andere Strömungselemente.
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Die Entlastung des Kupplungszylinders erfolgt durch einen negativen Volumenstrom bei der Volumenquelle, welche korrekter Weise nun als Volumensenke zu bezeichnen ist. Dies wird zum Beispiel mittels einer im Vergleich zum oben beschriebenen Einrückvorgang rückwärtigen Drehung der Pumpe mit einem Volumenstrom in entgegengesetzter Richtung bewerkstelligt. Auf den Kupplungszylinder wirkt eine dem hydraulischen Druck entgegengesetzte Kraft, zum Beispiel mittels einer Belagfederung, Blattfedern an der zumindest einen Anpressplatte und/oder einer antagonistischen Feder im Kupplungszylinder. Diese Kraft übt, bevorzugt mittels einer Kolbenstange, im Kupplungszylinder einen entgegen der Einrückrichtung ausgerichteten, also gegenläufigen, Druck auf die Ausgangsseite des Druckübersetzers aus. Dieser Druck setzt sich mittels des rückwärts betriebenen Druckübersetzers so untersetzt bis zur Schalteinheit fort. Die Schalteinheit verbleibt in der Stellung, in welcher der zweite Ausgang offen ist, sodass die Übersetzungsleitung aktiv ist. In dieser Stellung verbleibt die Schalteinheit bis das Volumen aus dem Druckübersetzer zurückgeflossen ist. Nun wird die Schalteinheit derart umgeschaltet, dass der erste Ausgang geöffnet und der zweite Ausgang geschlossen ist, so dass das verbliebene Volumen aus dem Kupplungszylinder auf direktem Weg zurück in ein Hydraulikmediumreservoir, bevorzugt mittels einer Pumpe der Volumenstromquelle, verbracht wird.
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Bevorzugt wird die Pumpe derart betrieben, dass sie zur Entlastung des Kupplungszylinders keine externe, zum Beispiel elektrische, Antriebsenergie, zum Beispiel über eine Pumpenwelle, benötigt, sondern passiv angetrieben wird. Sie arbeitet dann als hydraulischer Motor über die Strömungsmechanik. Die Pumpe ist für eine Modulation eines gewünschten Ausrückverhaltens über die externe Antriebsenergie, zum Beispiel die Pumpenwelle und mittels eines E-Motors, bremsbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Hydraulikanordnung weist die Schalteinheit ein 3/2-Wegeventil auf.
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Ein 3/2-Wegeventil weist hier vorliegend einen Schaltkolben und die oben bezeichneten Komponenten Eingang, erster Ausgang und zweiter Ausgang auf. In einer ersten Stellung des Schaltkolbens ist hierbei der Eingang mit dem ersten Ausgang kommunizierend verbunden, während der zweite Ausgang geschlossen ist. In einer zweiten Stellung des Schaltkolbens ist hierbei der Eingang mit dem zweiten Ausgang kommunizierend verbunden, während der erste Ausgang geschlossen ist. Bei der hier vorgeschlagenen Ausführungsform ist der Aufbau besonders einfach, weil die Schalteinheit lediglich (zumindest) ein 3/2-Wegeventil mit einem ersten Ausgang und mit einem zweiten Ausgang umfassen muss, und lediglich durch ein Verschieben des Schaltkolbens des 3/2-Wegeventils eine kommunizierende Verbindung ausschließlich über die Direktleitung oder ausschließlich über die Übersetzungsleitung einstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hydraulikanordnung weist die Schalteinheit ein erstes Schaltventil mit dem ersten Ausgang und ein zweites Schaltventil mit dem zweiten Ausgang auf, wobei das erste Schaltventil und das zweite Schaltventil jeweils 2/2-Wegeventile sind.
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Ein 2/2-Wege Ventil weist hier vorliegend jeweils einen Schaltkolben und den oben bezeichneten ersten Teileingang und den oben bezeichneten ersten Ausgang beziehungsweise einen zweiten Teileingang und einen zweiten Ausgang auf. In einer ersten Stellung des Schaltkolbens ist hierbei eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Teileingang und dem korrespondierenden Ausgang hergestellt und in einer zweiten Stellung des Schaltkolbens unterbrochen. Bei der hier vorgeschlagenen Ausführungsform ist ein besonders schnelles Umschalten möglich, wobei das Schaltverhalten der Schalteinheit vom ersten Ausgang auf den zweiten Ausgang, und umgekehrt, nicht vom Überdeckungsverhältnis des jeweiligen Schaltkolbens abhängig ist. Hierbei ist es möglich, beide Verbindungen geöffnet zu betreiben oder bereits ein Öffnen einzuleiten, während die andere Verbindung noch offen ist oder noch nicht vollständig geschlossen ist. Hierdurch lässt sich ein optimales Schaltverhalten einstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hydraulikanordnung ist die Schalteinheit druckgesteuert schaltbar, wobei bevorzugt die Schalteinheit antagonistisch zu einer Druckbelastungsrichtung für die Drucksteuerung von zumindest einem Federelement vorgespannt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drucksteuerung mittels zumindest einer abgezweigten Steuerleitung auf die Schalteinheit aufgebracht. Bevorzugt ist diese zumindest eine Steuerleitung von der Zuleitung abgezweigt, weil in der Zuleitung stets der für die erforderliche Schaltstellung maßgebliche Druck vorliegt. Die von der zumindest einen Steuerleitung auf die Schalteinheit übertragene Kraft ist dabei proportional zu dem jeweiligen Leitungsdruck und daher leicht zur Drucksteuerung einsetzbar und in einer Steuerung umsetzbar.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung des Drucks, bevorzugt beim Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase gemäß der obigen Beschreibung, genutzt, um die Schalteinheit zu steuern. Bei einem vorbestimmten Grenzwertdruck wird die direkte Verbindung über die Direktleitung unterbrochen und die indirekte Verbindung über die Übersetzungsleitung geöffnet. Der Grenzwertdruck entspricht hierbei in etwa dem maximal erwünschten Betriebsdruck der Volumenstromquelle. Besonders bevorzugt liegt der Grenzwertdruck leicht unterhalb des maximal erwünschten Betriebsdrucks, wobei der maximal erwünschte Betriebsdruck für den Betrieb des Druckübersetzers anliegt.
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Für eine alternative Ausführungsform wird die Schalteinheit elektronisch gesteuert, wobei ein beliebig angeordneter Drucksensor oder eine Mehrzahl von Drucksensoren zur Erfassung des Grenzwertdrucks eingesetzt ist. Die Schalteinheit ist hierbei bevorzugt elektrisch, zum Beispiel magnetisch, betätigbar.
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Bei einer von der Zuleitung abgezweigten Steuerleitung liegt im rückwärtigen Betrieb der Hydraulikanordnung, also zum Ausrücken des Kupplungszylinders, infolge des zumindest anfänglich geöffneten zweiten Ausgangs zur (ersten) Übersetzungsleitung der notwendige Druck an, um den zweiten Ausgang geöffnet zu halten. Dieser Druck bleibt solange so hoch, bis der Druckübersetzer vollständig, oder zumindest für den sicheren Betrieb ausreichend weit, in eine Anfangsposition zurückgefahren ist. Erst dann wird ein Grenzwertdruck erreicht, bei dem der zweite Ausgang geschlossen und der erste Ausgang geöffnet wird, sodass dann über die Direktleitung das Hydraulikmedium direkt, und somit schneller, zur Volumenstromquelle, beziehungsweise zu dem Hydraulikmediumreservoir, zurückfließt. Es sei dabei darauf hingewiesen, dass die Volumenstromquelle, beziehungsweise in diesem Betriebszustand Volumenstromsenke, (vollständig) passiv von einem Federsystem oder Federelement des Kupplungszylinders und/oder der zu betätigenden Kupplung über das Hydraulikmedium, zum Beispiel mittels einer Pumpenmechanik der Volumenstromquelle hydraulisch, betreibbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schalteinheit mittels zumindest eines Federelements vorgespannt, sodass die Schalteinheit unterhalb des erreichten Grenzwertdrucks in einer ersten Stellung beziehungsweise oberhalb des erreichten Grenzwertdrucks in einer zweiten Stellung gehalten wird. Beispielsweise bei einem 3/2-Wegeventil wird bevorzugt der Schaltkolben von einem Federelement in einer ersten Stellung gehalten, sodass der zweite Ausgang geschlossen ist und der erste Ausgang offen ist. Erst wenn der vorbestimmte Grenzwertdruck erreicht wird, wird die Kraft des Federelements überwunden und der Schaltkolben in eine zweite Stellung gebracht, sodass der zweite Ausgang offen ist der erste Ausgang geschlossen ist. Ein Federelement ist beispielsweise eine Druckfeder oder eine Zugfeder.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hydraulikanordnung mit zwei 2/2-Wegeventilen ist der erste Ausgang der Schalteinheit mittels eines ersten Federelements öffenbar und der zweite Ausgang mittels eines zweiten Federelements schließbar.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform mit einem ersten Schaltventil und einem zweiten Schaltventil ist jedes der Schaltventile mittels eines Federelements vorgespannt und somit in einer geöffneten Stellung beziehungsweise in einer geschlossenen Stellung gehalten, solange der Grenzwertdruck noch nicht erreicht ist.
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Hierbei ist die Steifigkeit der Federelemente individuell an das Öffnungsverhalten beziehungsweise Schließverhalten des jeweiligen Schaltventils anpassbar. Somit lässt sich ohne weitere Regelungseinrichtungen ein gewünschtes Schaltverhalten der Schalteinheit einstellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Reibkupplung mit einer Rotationsachse zum lösbaren Verbinden einer Abtriebswelle mit einem Verbraucher vorgeschlagen, welche zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – zumindest ein Reibpaket mit zumindest einer Anpressplatte und zumindest einer korrespondierenden Reibscheibe, über welches im angepressten Zustand ein Drehmoment übertragbar ist;
- – zumindest eine Hydraulikanordnung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei der hydraulischen Kupplungszylinder zum Anpressen des zumindest einen Reibpakets eingerichtet ist.
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Die Reibkupplung ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment lösbar von einer Abtriebswelle auf einen Verbraucher und umgekehrt zu übertragen. Dies wird in der Regel über das zumindest eine Reibpaket erreicht, welches eine axial verschiebbare, in der Regel mit der Abtriebswelle rotationsfeste, Anpressplatte aufweist, welche gegen zumindest eine korrespondierende Reibscheibe pressbar ist. Infolge der Anpresskraft ergibt sich multipliziert mit dem jeweiligen Reibkoeffizienten eine Reibkraft über die Reibfläche, welche multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibfläche ein übertragbares Drehmoment ergibt. Um eine Drehmomentübertragung sicher zu unterbrechen oder ausreichend zu reduzieren, wird ein Luftweg vorgesehen, mit dem die Anpressplatte von der korrespondierenden Reibscheibe mindestens beabstandet sein soll. Für einen Großteil des Luftwegs sind die erforderlichen Drücke an einem hydraulischen Kupplungszylinder relativ gering, weil hier beim Einrücken lediglich die Rückstellkräfte, zum Beispiel von einer Blattfeder, Reibbelagsfeder oder einer Tellerfeder, überwunden werden müssen. Dies entspricht der oben beschriebenen ersten Phase. Für den restlichen Teil des Einrückwegs, oder Luftwegs, beim Anpressen ist die zurückzulegende Strecke relativ gering, dafür sind aber die Anpresskräfte deutlich höher, um ein ausreichend großes Drehmoment übertragen zu können. Mit der hier vorgeschlagenen Hydraulikanordnung ist die Verwendung einer relativ kostengünstigen Volumenstromquelle möglich, wobei zugleich der apparative Aufwand gering ist. Die benötigte Volumenstromquelle ist bevorzugt auf eine Bereitstellung eines großen Volumenstroms bei relativ geringen Drücken eingerichtet. Eine solche Volumenstromquelle ist nicht nur kostengünstig, sondern darüber hinaus bauraumsparend und verbraucht relativ wenig Energie. Auch die übrigen zusätzlichen Elemente wie die Schalteinheit und der Druckübersetzer benötigen (bevorzugt) keine zusätzliche Energiequelle. Es ist somit eine Volumenstromquelle einsetzbar, welche in jedem aktiven Zustand auslegungsgemäß betreibar ist.
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Besonders bevorzugt ist die Reibkupplung eine Doppelkupplung, bei der zwei Reibpakete vorgesehen sind, welche unabhängig voneinander, oder bevorzugt einander abwechselnd, in der Drehmomentübertragung lösbar oder verbindbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, welcher eine Antriebseinheit mit einer Abtriebswelle und eine Reibkupplung gemäß der obigen Beschreibung umfasst, wobei die Abtriebswelle zur Drehmomentübertragung mittels der Reibkupplung mit zumindest einem Verbraucher lösbar verbindbar ist.
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Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einer Antriebseinheit, zum Beispiel einer Energiewandlungsmaschine, bevorzugt einer Verbrennungskraftmaschine oder einem Elektromotor, bereitgestelltes und über ihre Abtriebswelle abgegebenes Drehmoment für zumindest einen Verbraucher lösbar, also zuschaltbar und abschaltbar, zu übertragen. Ein beispielhafter Verbraucher ist zumindest ein Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs und/oder ein elektrischer Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie. Um das Drehmoment gezielt und/oder mittels eines Schaltgetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen zu übertragen oder eine Übertragung zu trennen, ist die Verwendung der oben beschriebenen Reibkupplung besonders vorteilhaft, weil ein hohes Drehmoment übertragbar ist, während die Volumenstromquelle nur geringe Drücke erzeugen muss.
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Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Antriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie umsetzbar. Das zumindest eine Antriebsrad bildet dann die Antriebseinheit, wobei dessen Trägheitsenergie mittels der Reibkupplung auf einen elektrischen Generator zur Rekuperation, also zur elektrischen Speicherung der Bremsenergie, mit einem entsprechend eingerichteten Antriebsstrang übertragbar ist. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebseinheiten vorgesehen, welche mittels der Reibkupplung in Reihe oder parallel geschaltet oder voneinander entkoppelt betreibbar sind, oder deren Drehmoment jeweils lösbar zur Nutzung zur Verfügung stellbar ist. Beispiele sind Hybridantriebe aus Elektromotor und Verbrennungskraftmaschine, aber auch Mehrzylindermotoren, bei denen einzelne Zylinder(-gruppen) zuschaltbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest ein Antriebsrad aufweist, welches mittels eines Antriebsstrangs gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt die Antriebseinheit, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder einen 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 Reibkupplung kleiner Baugröße zu verwenden. Ähnlich gestaltet sich der Einsatz einer Reibkupplung in motorisierten Zweirädern, für welche eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichbleibendem Bauraum gefordert wird.
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Verschärft wird diese Problematik 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. Der oben beschriebene Antriebsstrang weist eine Reibkupplung besonders geringer Baugröße auf. Zugleich sind die apparativ bereitzustellenden Drücke relativ gering, sodass Aggregate für die Betätigung kleiner Baugröße eingesetzt werden können. Somit wird insgesamt ein System geringer Baugröße möglich.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, 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 zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini oder der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betätigen einer hydraulisch betätigten Reibkupplung vorgeschlagen, welches eine Hydraulikanordnung mit zumindest den folgenden Komponenten aufweist:
- – eine Volumenstromquelle zum Bereitstellen eines angeforderten Hydraulikvolumens;
- – einen hydraulischen Kupplungszylinder, welcher über die hydraulische Zuleitung von der Volumenstromquelle versorgbar ist,
- – einen Druckübersetzer, der einen großen Volumenstrom mit geringerem Druck in einen kleineren Volumenstrom mit einem höheren Druck übersetzt;
- – eine Schalteinheit zum Schalten zwischen einer direkten Verbindung zwischen der Volumenstromquelle und dem hydraulischen Kupplungszylinder und einer indirekten Verbindung zwischen der Volumenstromquelle und dem hydraulischen Kupplungszylinder über den Druckübersetzer. Das Verfahren weist dabei vor allem die folgenden Schritte auf:
- – Ermitteln eines Drucks in dem hydraulischen Kupplungszylinder, der Schalteinheit, einer Leitung und/oder der Volumenstromquelle;
- – Vergleichen des ermittelten Drucks mit einem vorbestimmten Grenzwertdruck;
- – während ein ermittelter Druck unterhalb des vorbestimmten Grenzwertdrucks liegt, mittels der Schalteinheit die besagte direkte Verbindung einstellen;
- – während ein ermittelter Druck oberhalb des vorbestimmten Grenzwertdrucks liegt, mittels der Schalteinheit die besagte indirekte Verbindung einstellen.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren ist dazu eingerichtet, eine Volumenstromquelle, welche zur Erzeugung eines relativ geringen Drucks und zur Bereitstellung eines großen Volumenstroms eingerichtet ist, zum Betätigen einer hydraulisch betätigten Reibkupplung einsetzen zu können. Hierzu sind zum einen ein Druckübersetzer und zum anderen eine Schalteinheit vorgesehen. Der Druckübersetzer übersetzt einen großen Volumenstrom mit einem geringen Druck in einen geringeren Volumenstrom mit einem höheren Druck. Bei der Betätigung einer Reibkupplung treten wie oben beschrieben zwei Phasen auf, nämlich zum einen während des Durchschreitens des Luftwegs und zum anderen während des Anpressvorgangs. Beim Durchschreiten des Luftwegs ist es notwendig ein relativ großes hydraulisches Volumen aufzubringen, um einen relativ großen Weg zu überbrücken. Hierbei wird noch kein großer Anpressdruck benötigt. Für diese erste Phase eignet sich daher eine Volumenstromquelle, welche einen großen Volumenstrom und einen geringen Druck bereitstellt. Die hier bevorzugt eingesetzte Volumenstromquelle ist also für diese Phase direkt verbindbar, das heißt die Volumenstromquelle ist dann über eine Leitung, oder mehrere parallele Leitungen, ohne solche weiteren Elemente direkt verbunden, welche den Volumenstrom vermindern oder den Druck erhöhen. Für die zweite Phase hingegen ist der zu überbrückende Weg für ein Anpressen deutlich kürzer, aber der notwendige Anpressdruck deutlich höher. Hierfür ist ein Druckübersetzer zwischengeschaltet, mittels welchem ein geringer Druck und ein großer Volumenstrom in einen höheren Druck einen geringeren Volumenstrom übersetzbar sind. In dieser zweiten Phase ist die Volumenstromquelle dann indirekt, nämlich über den Druckübersetzer, mit dem hydraulischen Kupplungszylinder verbunden.
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In diesem Verfahren wird nun vorgeschlagen, den Wechsel zwischen der direkten Verbindung und der indirekten Verbindung mittels einer Schalteinheit vorzunehmen, welche abhängig von einem Grenzwertdruck die direkte Verbindung oder die indirekte Verbindung einstellt. Bevorzugt ist der Grenzwertdruck ein konkreter Wert, bei dessen Durchschreiten zwischen der direkten Verbindung und der indirekten Verbindung gewechselt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Grenzwertdruck einen Übergangsbereich umfassen. Zum Beispiel wird bei einem Lösen einer Reibkupplung ausgehend von einem hohen Anpressdruck früher auf die direkte Verbindung zurückgeschaltet, um somit ein schnelleres Ausrücken zu ermöglichen. Dabei kann der Grenzwertdruck oberhalb des von der Volumenstromquelle erzeugbaren maximalen Drucks liegen. Zum Beispiel beim Anpressen hingegen ist der Grenzwertdruck bevorzugt niedriger als der von der Volumenstromquelle erzeugbare maximale Druck, um für die Betätigung des Druckübersetzers eine ausreichende Reserve aufzuweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Grenzwertdruck ein gewisses Spiel um einen jeweils idealen Grenzwertdruck aufweisen, um ein vorzeitiges (unnötiges) hin und her Schalten zu vermeiden.
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Bevorzugt wird das Verfahren rein hydraulisch mittels eines einzigen Schaltventils umgesetzt, welches ebenfalls durch eine statische Druckbelastung aus dem hydraulischen System entsprechend schaltbar ist. Beispielsweise wird der Schaltkolben des Schaltventils mittels eines Federelements in einer ersten Stellung gehalten und durch eine statische Druckbelastung von einer abgezweigten Steuerleitung von einem Leitungsabschnitt auf der Volumenstromquellenseite in die entgegengesetzte Richtung gedrückt wird. Überschreitet die statische Druckbelastung Vorspannkraft des Federelements, wird der Schaltkolben in die jeweils andere Stellung überführt. Alternativ sind zwei getrennte Schaltventile vorgesehen, welche jeweils abwechselnd in einer geöffneten Stellung und in einer geschlossenen Stellung gehalten sind. Bevorzugt sind deren Schaltkolben jeweils separat durch ein jeweiliges Federelement vorgespannt, und werden ebenfalls durch eine statische Druckbelastung von einer abgezweigten Steuerleitung von einem Leitungsabschnitt auf der Volumenstromquellenseite in die entgegengesetzte Richtung gedrückt. Hierdurch wird die Schaltgeschwindigkeit, oder das Schaltverhalten, von dem Überdeckungsverhältnis des Schaltkolbens unabhängig. Für eine alternative Ausführungsform wird die Schalteinheit elektronisch gesteuert, wobei ein beliebig angeordneter Drucksensor, oder eine Mehrzahl von Drucksensoren, zur Erfassung des Grenzwertdrucks eingesetzt ist. Die Schalteinheit ist hierbei bevorzugt elektrisch, zum Beispiel magnetisch, betätigbar.
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Bei einer von der Zuleitung abgezweigten Steuerleitung liegt im rückwärtigen Betrieb der Hydraulikanordnung, also zum Ausrücken des Kupplungszylinders, infolge des zumindest anfänglich geöffneten zweiten Ausgangs zur (ersten) Übersetzungsleitung der notwendige Druck an, um den zweiten Ausgang geöffnet zu halten. Dieser Druck bleibt solange so hoch, bis der Druckübersetzer vollständig, oder zumindest für den sicheren Betrieb ausreichend weit, in eine Anfangsposition zurückgefahren ist. Erst dann wird der Grenzwertdruck (von oben kommend) erreicht, bei dem der zweite Ausgang geschlossen und der erste Ausgang geöffnet wird, sodass dann über die Direktleitung das Hydraulikmedium direkt, und somit schneller, zur Volumenstromquelle, beziehungsweise zu dem Hydraulikmediumreservoir, zurückfließt. Es sei dabei darauf hingewiesen, dass in diesem Betriebszustand die Volumenstromquelle, beziehungsweise Volumenstromsenke, bevorzugt (vollständig) passiv von einem Federsystem oder Federelement des Kupplungszylinders und/oder der zu betätigenden Kupplung über das Hydraulikmedium, zum Beispiel mittels einer Pumpenmechanik der Volumenstromquelle hydraulisch, betreibbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren mit einer Hydraulikanordnung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren ist sowohl mittels eines Computerprogramms als auch auf einem Computerprogrammprodukt als Computerprogramm gespeichert auf einem (modularen) Rechner mit zumindest einem Prozessor, gegebenenfalls zumindest einer Speichereinheit, gegebenenfalls zumindest einem Arbeitsspeicher, soweit es die druckabhängige Steuerung der Schalteinheit betrifft, ausführbar. Dabei ist zumindest ein Drucksensor an einer Leitung der Hydraulikanordnung, bevorzugt zumindest an der Zuleitung, vorgesehen. Das zumindest eine ermittelte und mittels des Computerprogramms verarbeitete Echtzeit-Drucksignal wird dann zur Entscheidung, also zum Beispiel zum Vergleich mit einem Grenzwertdruck, genutzt und ein entsprechendes Steuersignal für die Schalteinheit ausgegeben. Bevorzugt ist der Rechner ein integrierter Schaltkreis oder ein Mikroprozessor, auf welchem das Computerprogramm in ausführbarer Weise gespeichert beziehungsweise mittels einer entsprechenden Schaltarchitektur integriert ist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
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1: eine Hydraulikanordnung mit 3/2-Wegeventil;
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2: eine Hydraulikanordnung mit zwei Schaltventilen;
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3: ein Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug mit Reibkupplung; und
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4: ein Schaubild eines beispielhaften Verfahrens zum Betätigen einer hydraulisch betätigten Reibkupplung.
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In 1 ist eine schematische Hydraulikanordnung 1 mit einer Reibkupplung 2, welche über einen Kupplungszylinder 5 betätigbar ist, mit einer (ersten) Schalteinheit 6 gezeigt, wobei die (erste) Schalteinheit 6 hier als 3/2-Wegeventil 15 ausgebildet ist. Der Kupplungszylinder 5 umfasst einen Anpresskolben 35, welcher über ein reibkupplungsseitig um die Rotationsachse 18 rotierbares Betätigungslager 34 eine Anpressplatte 26 gegen eine korrespondierende Reibscheibe 27 presst, um so mittels des um die Rotationsachse 18 rotierbaren Reibpakets 25 ein Drehmoment übertragen zu können. Die erforderliche Anpresskraft wird hierbei von einer Volumenstromquelle 3, welche hier aus einem Hydraulikmediumreservoir 46 gespeist wird, erzeugt und direkt über die Direktleitung 12 oder indirekt über erste Übersetzungsleitung 13, den Druckübersetzer 11 und die zweite Übersetzungsleitung 14 dem Kupplungszylinder 5 zugeführt. Die (erste) Schalteinheit 6 weist einen Eingang 8 auf, über den die Volumenstromquelle 3 mittels der Zuleitung 4 kommunizierend verbunden ist. Das 3/2-Wegeventil 15 ist hierbei in einem Zustand gezeigt, bei welchem mittels eines Direktleitelements 36 ein erster Ausgang 9 geöffnet ist und ein zweiter Ausgang 10 geschlossen ist. In dem hier nicht dargestellten Zustand schließt das Indirektleitelement 37 den ersten Ausgang 9 und öffnet den zweiten Ausgang 10. Das Direktleitelement 36 und das Indirektleitelement 37 dienen hierbei nur der vereinfachten Darstellung der Funktion der (ersten) Schalteinheit 6 und werden in bevorzugten Konfigurationen durch eine geeignete Anordnung von einem Schaltkolben und den Ausgängen 9 und 10 realisiert. Der erste Ausgang 9 ist hierbei mit der Direktleitung 12 kommunizierend verbunden. Der zweite Ausgang 10 ist mit der ersten Übersetzungsleitung 13 kommunizierend verbunden. Die (erste) Schalteinheit 6 wird hierbei mittels einer ersten Federkraft 39 von einem ersten Federelements 19 in der Direktleitstellung vorgespannt gehalten. In antagonistischer Richtung ist die erste Druckbelastungsrichtung 47 dargestellt, welche über eine erste Steuerleitung 38, welche von der Zuleitung 4 abzweigt, auf die (erste) Schalteinheit 6 aufgebracht wird. Steigt nun der Druck in der Zuleitung 4 über einen vorbestimmten Grenzwert, so wird das Indirektleitelement 37 in die geschaltete Position überführt.
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Dann wird der Druck aus der Zuleitung 4 in dem Druckübersetzer 11 vergrößert, sodass eine ausreichende Anpresskraft für die Reibkupplung 2 erzeugt wird.
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In 2 ist eine ähnliche Konfiguration der Hydraulikanordnung 1 wie in 1 gezeigt, wobei hier eine zweite Schalteinheit 7 vorgesehen ist, welches ein erstes Schaltventil 16 und ein zweites Schaltventil 17 umfasst. Das erste Schaltventil 16 umfasst dabei ein Direktleitelement 36 und ein erstes Schließelement 44 und das zweite Schaltventil 17 umfasst ein Indirektleitelement 37 und ein zweites Schließelement 45. Ein zweites Federelement 20 hält das Direktleitelement 36 mittels der zweiten Federkraft 42 in der geschalteten Stellung. Ebenso hält ein drittes Federelements 21 das zweite Schließelement 45 in der geschalteten Stellung. Jeweils antagonistisch dazu sind die zweite Druckbelastungsrichtung 48 die dritte Druckbelastungsrichtung 49 eingerichtet, welche jeweils aus der Zuleitung 4 mittels der abgezweigten zweiten Steuerleitung 40 beziehungsweise der dritten Steuerleitung 41 versorgt sind. In der dargestellten Schaltstellung ist der Eingang 8 mit dem ersten Ausgang 9 kommunizierend verbunden und der zweite Ausgang 10 geschlossen. Die Druckbelastung in den Steuerleitungen 40 und 41 sind also geringer als die jeweiligen Federkräfte 42 beziehungsweise 43. Die Federkräfte 42 und 43 müssen dabei nicht identisch sein, sodass ein Schaltverhalten möglich ist, bei dem beispielsweise (kurzzeitig) beide Ausgänge 9 und 10 geöffnet sind.
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In 3 ist ein Antriebsstrang 28, umfassend eine Antriebseinheit 29, hier als Verbrennungskraftmaschine dargestellt, eine Abtriebswelle 22, eine Reibkupplung 2 und ein drehmomentübertragend verbundenes linkes Antriebsrad 23 und rechtes Antriebsrad 24, schematisch dargestellt. Der Antriebsstrang 28 ist hier in einem Kraftfahrzeug 30 angeordnet, wobei die Antriebseinheit 29 mit ihrer Motorachse 33 quer zur Längsachse 32 vor der Fahrerkabine 31 angeordnet ist.
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In 4 ist ein Schaubild eines Verfahrens zum Betätigen einer hydraulisch betätigten Reibkupplung dargestellt. Das Verfahren wird hierbei zum besseren Verständnis anhand der Bezeichnungen gemäß der obigen detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform, wie sie zum Beispiel in 1 und 2 dargestellt ist, beschrieben. Das Schaubild wird zunächst mit einem Schließvorgang einer Reibkupplung 2 beschrieben. Die Volumenstromquelle 3 ist dabei in Betrieb und sorgt für einen vorbestimmten positiven Volumenstrom bei einem vorbestimmten positiven (niedrigen) Druck, also in Richtung von der Volumenstromquelle 3 hin zum Kupplungszylinder 5. In der ersten Schaltstellung 50 ist eine direkte Leitung zwischen der Volumenstromquelle 3 und dem Kupplungszylinder 5 eingestellt. Damit liegt ein, bezogen auf das System, niedriger Druck an. Mittels einer entsprechenden Messeinrichtung wird ein Druckwertvergleich 52 bezogen auf einen vorbestimmten Grenzwertdruck durchgeführt. Ist der gemessene Druck unterhalb des Grenzwertdrucks so wird die Niedrigdruckphase 53, also die erste Schaltstellung 50 mit der Direktleitung, beibehalten. Ist der gemessene Druck oberhalb des Grenzwertdrucks so wird die Hochdruckphase 54 eingestellt, bei welchem eine indirekte Leitung zwischen der Volumenstromquelle 3 und dem Kupplungszylinder 5 über den Druckübersetzer 11 eingestellt ist. Damit liegt ein, bezogen auf das System, hoher Druck an. Mittels der Messeinrichtung wird weiterhin ein Druckwertvergleich 52 durchgeführt, wobei abhängig von dem gemessenen Druck in die Niedrigdruckphase 53 oder in die Hochdruckphase 54 geschaltet wird. Abschließend wird, zum Beispiel durch Feststellung eines Schließdrucks, ein geschlossener Zustand 55 detektiert (Kupplung eingerückt) und die Volumenstromquelle 3 wird in den Zustand des gestoppten Volumenstroms 56 überführt. Hier wird nun der Druck mittels des Druckwertvergleichs 52 konstant gehalten, solange die Reibkupplung 2 geschlossen gehalten werden soll.
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Zum Öffnen einer Reibkupplung 2 wird nun die Volumenstromquelle 3 mit einem negativen Volumenstrom als Volumenstromsenke betrieben. Dabei wird nun der Druck immer weiter abgebaut, wobei nun von der Hochdruckphase 54 in der zweiten Schaltstellung 51 nach Unterschreiten des Grenzwertdrucks in die Niedrigdruckphase 53 in der ersten Schaltstellung 50 umgeschaltet wird. Solange der zweite Ausgang 10 geöffnet ist, liegt die Hochdruckphase 54 in der Zuleitung 4 vor, sodass die Schalteinheit 6, 7 über den Druck in der Zuleitung 4 steuerbar ist und so der zweite Ausgang 10 offen bleibt. Erst wenn der Druckübersetzer 11 in einer (zurückgefahrenen) Anfangsstellung steht, fällt der Druck in der ersten Übersetzungsleitung 13 ab und somit auch in der Zuleitung 4. Damit wird die Niedrigdruckphase 53 erreicht und somit der erste Ausgang 9 geöffnet und der zweite Ausgang 10 geschlossen.
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Mit der hier vorgeschlagenen Hydraulikanordnung ist eine kostengünstige Niederdruck-Volumenstromquelle für den gesamten hydraulischen Betätigungsbereich für eine Reibkupplung einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydraulikanordnung
- 2
- Reibkupplung
- 3
- Volumenstromquelle
- 4
- Zuleitung
- 5
- Kupplungszylinder
- 6
- erste Schalteinheit
- 7
- zweite Schalteinheit
- 8
- Eingang
- 9
- erster Ausgang
- 10
- zweiter Ausgang
- 11
- Druckübersetzer
- 12
- Direktleitung
- 13
- erste Übersetzungsleitung
- 14
- zweite Übersetzungsleitung
- 15
- 3/2-Wegeventil
- 16
- erstes Schaltventil
- 17
- zweites Schaltventil
- 18
- Rotationsachse
- 19
- erstes Federelement
- 20
- zweites Federelement
- 21
- drittes Federelement
- 22
- Abtriebswelle
- 23
- linkes Antriebsrad
- 24
- rechtes Antriebsrad
- 25
- Reibpaket
- 26
- Anpressplatte
- 27
- Reibscheibe
- 28
- Antriebsstrang
- 29
- Antriebseinheit
- 30
- Kraftfahrzeug
- 31
- Fahrerkabine
- 32
- Längsachse
- 33
- Motorachse
- 34
- Betätigungslager
- 35
- Anpresskolben
- 36
- Direktleitelement
- 37
- Indirektleitelement
- 38
- erste Steuerleitung
- 39
- erste Federkraft
- 40
- zweite Steuerleitung
- 41
- dritte Steuerleitung
- 42
- zweite Federkraft
- 43
- dritte Federkraft
- 44
- erstes Schließelement
- 45
- zweite Schließelement
- 46
- Hydraulikmediumreservoir
- 47
- erste Druckbelastungsrichtung
- 48
- zweite Druckbelastungsrichtung
- 49
- dritte Druckbelastungsrichtung
- 50
- erste Schaltstellung
- 51
- zweite Schaltstellung
- 52
- Druckwertvergleich
- 53
- Niedrigdruckphase
- 54
- Hochdruckphase
- 55
- geschlossener Zustand
- 56
- gestoppter Volumenstrom
