DE102015221018A1

DE102015221018A1 - Booster-Kupplung für ein Nutzfahrzeug

Info

Publication number: DE102015221018A1
Application number: DE102015221018.9A
Authority: DE
Inventors: Tim Schmid
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2016-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Booster-Kupplung für ein Nutzfahrzeug, welche zumindest die folgenden Komponenten aufweist: – eine Hauptkupplung mit zumindest einer Hauptreibpaarung zum lösbaren Übertragen eines Antriebsdrehmoments um eine Rotationsachse; – eine Vorsteuerkupplung mit zumindest einer Vorsteuerreibpaarung zum lösbaren Übertragen eines Vorsteuerdrehmoments um die Rotationsachse; – einen Drehmoment-Axialkraft-Wandler zwischen der Hauptkupplung und der Vorsteuerkupplung zum Übersetzen eines Vorsteuerdrehmoments in eine axiale Hauptanpresskraft zum Schließen der zumindest einen Hauptreibpaarung; und – einen Hauptdeckel, welcher ein axiales Gegenlager zu einer Hauptanpresskraft auf die zumindest eine Hauptreibpaarung bildet. Die Booster-Kupplung kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass der Hauptdeckel zwischen dem Drehmoment-Axialkraft-Wandler und der Vorsteuerkupplung angeordnet ist. Mit der hier vorgeschlagenen Booster-Kupplung wird ohne Vergrößerung des benötigten axialen Bauraums die Betätigungskraft deutlich verringert und zugleich die Lebensdauer der Komponenten eines Booster-Systems gegenüber einer konventionellen Reibkupplung deutlich vergrößert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Booster-Kupplung, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, sowie ein Booster-System und einen Antriebsstrang, insbesondere für ein Nutzfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, insbesondere für Nutzfahrzeuge, Reibkupplungen mit hohen Drehmomenten einzusetzen, welche wiederum sehr hohe Anpresskräfte erfordern und somit sehr hohe Ausrückkräfte. Für schwere Nutzfahrzeuge werden derzeit Einscheibentrockenkupplungen eingesetzt, die Drehmomente von über 1 kNm [Kilo-Newtonmeter] aufbringen. Die für den Reibschluss erforderliche Anpresskraft wird von einer Tellerfeder erzeugt, welche über ein entsprechendes Betätigungssystem betätigbar ist. Hierbei werden Ausrückkräfte bis etwa 12 kN [Kilo-Newton] benötigt.
Weil eine solch hohe Kraft nicht manuell, das heißt per Fuß-Betätigung mithilfe eines geeigneten (Hebel-)Übersetzungssystem, allein aufbringbar ist, werden hierzu bevorzugt pneumatische Aktoren eingesetzt. Aufgrund der Kompressibilität vom (pneumatischen) Gas, in der Regel Luft, ist eine stetig progressive Kupplungskennlinie erforderlich. Dies erfordert große pneumatische Flächen, was zu hohen Fertigungskosten und großem erforderlichem Bauraum führt.
Die Betätigungseinrichtung für eine Reibkupplung wird in der Regel in der Getriebeglocke montiert und ist im Einbau mit der Kupplung in kraftübertragendem Kontakt. In dieser üblichen Konfiguration müssen die Betätigungskräfte in der Lagerung der Antriebseinheit, bei einer Verbrennungskraftmaschine an der Kurbelwellenlagerung, abgestützt werden.
Grundsätzlich werden gedrückte oder gezogene Tellerfederkupplungen im Nutzfahrzeugsegment eingesetzt, die als Einscheibenkupplung oder Zweischeibenkupplung ausgeführt sind. Diese Tellerfederkupplungen können manuell oder automatisiert betrieben werden. Mittels einer Betätigungseinrichtung wird die Tellerfeder entgegen ihrer Wirkrichtung belastet, wodurch die (normal geschlossene) Tellerfederkupplung geöffnet wird. Bei einer automatisierten Kupplungsbetätigung wird zum Beispiel ein konzentrisch um die Getriebeeingangswelle angeordneter, pneumatischer Aktuator, ein CPCA (engl.: Concentric Pneumatic Clutch Actuator) eingesetzt, welcher über einen Ventilblock angesteuert wird und dessen Position über einen Wegsensor erfasst wird. Bei einer manuellen Kupplungsbetätigung wird in der Regel die Betätigungseinrichtung über eine Gabel betätigt, welche wiederum außerhalb der Getriebeglocke von einem hydraulischen Nehmerzylinder betätigt wird.
Wie oben erwähnt reicht die Kraft der Fußbetätigung in einem solchen System allein nicht aus, um die Kupplung auszurücken, sodass die Fußbetätigungskraft von dem hydraulischen Nehmerzylinder zusätzlich druckluftunterstützt wird. Hierzu sind also zusätzliche Bauteile notwendig.
Aufgrund der hohen Kräfte treten starker Verschleiß und Eingrabungen beim Reibkontakt der Tellerfeder und der Betätigungseinrichtung auf. Weiterhin treten infolge der Abstützung der Betätigungskräfte an der Kurbelwelle erhöhter Verschleiß und Energieverluste auf.
Aus dem Stand der Technik sind aus dem Bereich der Motorräder, aber auch der Personenkraftwagen (PKW) sogenannte Booster-Kupplungen bekannt, bei denen eine Hauptkupplung und eine Vorsteuerkupplung vorgesehen sind, wobei die Vorsteuer-Kupplung mit einer geringen Anpresskraft ein relativ geringes Drehmoment aufbringt und über einen Drehmoment-Axialkraft-Wandler eine vergrößerte Anpresskraft erzeugt, mit welcher die Hauptkupplung geschlossen wird. Mittels der Hauptkupplung ist dann ein sehr viel größeres Drehmoment übertragbar. Es wird bei diesem Betrieb also das Drehmoment der Antriebsmaschine genutzt, um eine Anpresskraft für eine Hauptkupplung aufzubringen. Diese sind jedoch als Nasskupplungen ausgeführt und aufgrund ihrer axial sehr langen Bauform nicht ohne weiteres im Nutzfahrzeugbereich einsetzbar.
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, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft eine Booster-Kupplung für ein Nutzfahrzeug, welche zumindest die folgenden Komponenten aufweist:

– eine Hauptkupplung mit zumindest einer Hauptreibpaarung zum lösbaren Übertragen eines Antriebsdrehmoments um eine Rotationsachse;
– eine Vorsteuerkupplung mit zumindest einer Vorsteuerreibpaarung zum lösbaren Übertragen eines Vorsteuerdrehmoments um die Rotationsachse;
– einen Drehmoment-Axialkraft-Wandler zwischen der Hauptkupplung und der Vorsteuerkupplung zum Übersetzen eines Vorsteuerdrehmoments in eine axiale Hauptanpresskraft zum Schließen der zumindest einen Hauptreibpaarung; und
– einen Hauptdeckel, welcher ein axiales Gegenlager zu einer Hauptanpresskraft auf die zumindest eine Hauptreibpaarung bildet. Die Booster-Kupplung kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass der Hauptdeckel zwischen dem Drehmoment-Axialkraft-Wandler und der Vorsteuerkupplung angeordnet ist.

Die Booster-Kupplung ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment lösbar von einer Abtriebswelle auf einen Verbraucher und umgekehrt zu übertragen. Dies wird in der Regel über eine Reibpaarung erreicht. Eine Reibpaarung weist zumindest eine axial verschiebbare Anpressplatte auf. Eine Anpressplatte ist in der Regel mit einer Eingangswelle, zum Beispiel mit einer Abtriebswelle einer Antriebseinheit, rotationsfest. Zur reibschlüssigen Übertragung eines Drehmoments ist eine Anpressplatte mittels einer axialen Anpresskraft gegen zumindest eine korrespondierende Reibscheibe pressbar. Infolge der Anpresskraft ergibt sich eine Reibkraft über die Reibfläche, die multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibfläche ein übertragbares Drehmoment ergibt. In vielen Fällen wird bei einer Reibpaarung eine axial fixierte und zur Anpressplatte rotationsfeste Gegenplatte eingesetzt und die Reibscheibe wird zwischen der Anpressplatte und der Gegenplatte eingepresst. Für manche Konfigurationen werden eine Mehrzahl von Reibscheiben und Anpressplatten, welche auch als Zwischenplatten bezeichnet werden, eingesetzt. Hierdurch wird das übertragbare Drehmoment bei lediglich geringer Steigerung der benötigten Anpresskraft gesteigert, nämlich mit der Anzahl der Reibflächen multipliziert. Grundsätzlich ist auch eine sogenannte Lamellenkupplung als Vorsteuerkupplung und/oder Hauptkupplung mit einer Vielzahl lamellenförmiger Anpressplatten und Reibscheiben einsetzbar. Diese wird in der Regel aufgrund geringer thermischer Massen der Reibelemente mit einer Flüssigkühlung ausgeführt.
Die hier nun vorgeschlagene Booster-Kupplung ist insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge eingerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Booster-Kupplung beispielsweise einen üblichen Durchmesser von etwa 400 mm [Millimeter] auf. Besonders bevorzugt ist die Booster-Kupplung trocken, also gasgekühlt beziehungsweise luftgekühlt, ausgeführt, sodass keine zusätzlichen Aggregate für einen Kühlflüssigkeitskreislauf wie bei nassen Reibkupplungen zur Kühlung der Reibelemente vorgesehen werden müssen.
Die Hauptkupplung weist zumindest eine Hauptreibpaarung auf. Besonders bevorzugt ist die Hauptkupplung als Einscheibenkupplung ausgeführt, bei welcher eine zentrale Hauptscheibe, also die Reibscheibe, zwischen einer Hauptanpressplatte und einer Hauptgegenplatte angeordnet ist. Die Hauptkupplung ist zur Übertragung von bevorzugt einem Drehmoment von etwa 1 kNm [Kilo-Newtonmeter] bis etwa 3 kNm [Kilo-Newtonmeter] oder mehr eingerichtet. Die notwendige Anpresskraft der Hauptreibpaarung liegt hierbei bevorzugt bei 15 kN [Kilo-Newton] bis 40 kN. Besonders bevorzugt weist die Hauptkupplung keine Tellerfeder auf, sondern die Funktion der Tellerfeder wird durch die Vorsteuerkupplung und den Drehmoment-Axialkraft-Wandler ersetzt. Es sind aber auch Konfigurationen möglich, bei denen zusätzlich eine Tellerfeder vorgesehen wird.
Die Vorsteuerkupplung ist bevorzugt von ihren (gesamten) Abmessungen deutlich kleiner als die Hauptkupplung und überträgt ein Vorsteuerdrehmoment von zum Beispiel etwa 200 Nm [Newtonmeter]. Die Vorsteuerkupplung ist hierbei bevorzugt eine konventionelle Trockenkupplung, welche über eine Tellerfeder gedrückt oder gezogen betätigbar ist. Bevorzugt ist die Vorsteuerkupplung normal geschlossen ausgeführt. Die Anpresskräfte beziehungsweise Ausrückkräfte liegen hierbei in einem Bereich, der eine reine Fußbetätigung ermöglicht, zum Beispiel unterhalb von 2 kN [Kilo-Newton], bevorzugt unterhalb von 1,5 kN. Die Vorsteuerkupplung ist aber auch mittels einer automatisierten Betätigungseinrichtung, zum Beispiel einen CPCA, betätigbar.
Besonders bevorzugt ist die Vorsteuerkupplung, wie die Hauptkupplung, mit einer Ausgangswelle, zum Beispiel einer Getriebewelle eines Schaltgetriebes, verbunden, sodass auch das Vorsteuerdrehmoment, beziehungsweise zumindest ein Teil des Vorsteuerdrehmoments, auf die Ausgangswelle übertragbar ist.
In einer Ausführungsform weist die Vorsteuerkupplung und/oder die Hauptkupplung eine Verschleißnachstelleinrichtung zum Ausgleich von zum Beispiel verschleißbedingter Abnahme der Reibbelagdicke(n) auf.
Besonders bevorzugt entspricht die Vorsteuerkupplung größtenteils einer konventionellen Reibkupplung, sodass die Fertigung der Vorsteuerkupplung in eine Fertigungsstraße einbindbar ist beziehungsweise eine konventionelle Fertigungsstrecke mit nur geringen Veränderungen für die Fertigung eingesetzt werden kann. Bevorzugt sind zumindest die folgenden Komponenten mit einer konventionellen trockenen Einscheibenkupplung identisch:

– die (Vorsteuer-)Reibpaarung;
– die Tellerfeder;
– die Verschleißnachstelleinrichtung, zum Beispiel weggesteuert oder kraftgesteuert;
– der Kupplungsdeckel, mit bevorzugt Hakenaufhängung für die Tellerfeder; und
– die Blattfedern.

Zwischen der Hauptkupplung und der Vorsteuerkupplung ist ein Drehmoment-Axialkraft-Wandler angeordnet, welcher ein von der Vorsteuerkupplung eingehendes Drehmoment in eine Axialkraft zum Anpressen der Hauptkupplung umwandelt, nämlich die Hauptanpresskraft. Beispielsweise ist ein solcher Drehmoment-Axialkraft-Wandler eine Schrägverzahnungspaarung, bei der ein Kolben mittels einer relativen Verdrehung der Schrägverzahnungspaarung, infolge eines aufgebrachten Drehmoments, in eine axiale Bewegung versetzt wird.
Die Hauptkupplung weist einen Kupplungsdeckel auf, welcher hier als Hauptdeckel bezeichnet wird. Dieser bildet ein axiales Gegenlager für die Hauptanpresskraft und ist insoweit mit einem konventionellen Kupplungsdeckel einer konventionellen Reibkupplung funktionsidentisch. Bevorzugt ist der Hauptdeckel ein tiefgezogenes Blechelement, welches mit der Gegenplatte der Hauptreibpaarung axial und rotatorisch fest verbunden ist und welches ein axiales Führungselement, zum Beispiel mittels Blattfedern, für die axial relativ bewegliche Anpressplatte der Hauptreibpaarung bildet. Der Hauptdeckel wird also mit einer Eingangswelle mitrotiert. Bei der hier vorgeschlagenen Konfiguration der Booster-Kupplung ist der Hauptdeckel zwischen dem Drehmoment-Axialkraft-Wandler und der Vorsteuerkupplung angeordnet, sodass die Anpresskraft des Drehmoment-Axialkraft-Wandlers vom Hauptdeckel aufnehmbar ist. Hierbei ist der Drehmoment-Axialkraft-Wandler zwischen dem Hauptdeckel und der Hauptanpressplatte, beziehungsweise einer (Haupt-)Tellerfeder, angeordnet. Das Hauptdrehmoment beträgt hierbei etwa 1,5 kNm [Kilo-Newtonmeter] bis etwa 3 kNm und die Hauptanpresskraft, welche auf die Hauptanpressplatte einwirkt, beträgt etwa 15 kN [Kilo-Newton] bis 40 kN. Insbesondere wird die sehr hohe Hauptanpresskraft, welche auf die Hauptreibpaarung einwirkt, über den Hauptdeckel in einem geschlossenen Kraftkreis gehalten, sodass diese Belastung nicht auf das Axiallager der Kurbelwelle übertragen wird.
Abgesehen von den oben beschriebenen Eigenheiten sind eine Hauptkupplung und eine Vorsteuerkupplung mit (jeweils) ansonsten konventionellen Eigenschaften über den Hauptdeckel miteinander verbindbar. Somit sind diese beiden Bauteile getrennt fertigbar und können anschließend bei der Endmontage (entsprechend einer Maschinen-Hochzeit) zusammengeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung bildet der Hauptdeckel eine zentrale Vertiefung mit axialer Erstreckung aus, in welcher die Vorsteuerkupplung aufnehmbar ist, wobei die Vorsteuerkupplung in axialer Richtung maximal zu 50 % [Prozent], bevorzugt maximal zu 10 % [Prozent], der axialen Gesamtlänge der Vorsteuerkupplung aus der zentralen Vertiefung herausragt.
Bevorzugt ist bei dieser Ausführungsform die Vertiefung getriebeseitig ausgebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hauptkupplung ohne konventionelle (Haupt-)Tellerfeder ausgeführt, und der Drehmoment-Axialkraft-Wandler ist an der (axialen) Position einer konventionellen (Haupt-)Tellerfeder angeordnet, also zwischen der Hauptanpressplatte und einer axialen Abstützung des Hauptdeckels. Der Drehmoment-Axialkraft-Wandler weist einen freien Innendurchmesser auf, welcher ausreichend groß ist, um eine Vorsteuerkupplung aufzunehmen. Innerhalb des Drehmoment-Axialkraft-Wandlers bildet der Hauptdeckel hierfür eine zentrale Vertiefung, in welche die Vorsteuerkupplung einführbar ist. Hierdurch wird die Gesamtlänge der Booster-Kupplung sehr gering, und die Booster-Kupplung ist bevorzugt in denselben axialen Bauraum einbringbar, in welchen eine konventionelle (Einscheiben-)Tellerfeder-Kupplung für ein Nutzfahrzeug einsetzbar ist. Das heißt, die radialen sowie auch die axialen Gesamtabmessungen der Booster-Kupplung sind (zumindest in den jeweiligen Anschlusspunkten) bevorzugt nicht vergrößert oder zumindest zusammen mit einer hier deutlich kleineren Betätigungseinrichtung (axial) nicht größer oder sogar kleiner als eine konventionelle Reibkupplung mit der hierzu notwendigen sehr großen Betätigungseinrichtung. Ganz besonders bevorzugt wird hierbei die Vorsteuerkupplung zur Hauptkupplung zumindest mittelbar über den Hauptdeckel zueinander zentriert, und es sind keine weiteren Elemente zur radialen Führung der Vorsteuerkupplung notwendig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung ist weiterhin ein Planetengetriebe, umfassend einen zentralen Sonnenkranz, einen umschließenden Hohlkranz und eine Mehrzahl von Planetenrädern, zwischen der Vorsteuerkupplung und dem Drehmoment-Axialkraft-Wandler angeordnet, sodass ein Vorsteuerdrehmoment hin zum Drehmoment-Axialkraft-Wandler mittels des Planetengetriebes vergrößerbar ist.
Das Planetengetriebe weist den Vorteil auf, dass eine hohe Übersetzung auf sehr geringem axialem Bauraum möglich ist, wobei zugleich, aufgrund der Mehrzahl der Planetenräder, die Kraftbelastung für die Komponenten des Planetengetriebes gering ist. Der Hohlkranz ist dabei mit dem Drehmoment-Axialkraft-Wandler drehmomentübertragend verbunden. Der Sonnenkranz ist mit der Vorsteuergegenplatte der Vorsteuerkupplung drehmomentübertragend verbunden. Mit Hilfe des Planetengetriebes ist eine kleinere Vorsteuerkupplung einsetzbar, beziehungsweise umgekehrt eine noch größere Hauptanpresskraft für die Hauptreibpaarung erzeugbar. Der Sonnenkranz ist auch als Sonnenrad ausführbar, wobei der Sonnenkranz bevorzug zentral einen Durchgang bildet, in welchem zum Beispiel eine Vorsteuernabe zur Drehmomentübertragung auf eine Ausgangswelle angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die gegenläufige Übersetzung des Planetengetriebes genutzt, um ein Schließen oder Öffnen der Hauptkupplung beim Beschleunigen der Booster-Kupplung infolge der Massenträgheiten der Komponenten zu verhindern. Bei Beschleunigungen des Gesamtsystems bewirken die Massenträgheiten der Booster-Kupplung jeweils eine Kraft an den Planetenrädern. Die Kräfte greifen am Planetenrad gegensinnig an und bewirken ein Moment am jeweiligen Planetenrad. Die Massenträgheiten sind bevorzugt zueinander entsprechend der Übersetzung des Planetengetriebes angepasst, sodass das resultierende Moment am Planetenrad zu (nahezu) null ist, wodurch ein Verdrehen der Bauteile beim Beschleunigen und bei Drehungleichförmigkeiten unterbunden wird. Hierdurch wird zudem eine beschleunigungsabhängige Veränderung der Drehmoment-Axialkraftwandlung unterbunden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung sind die Planetenräder axial am Hauptdeckel fixiert, sodass die Vorsteuerkupplung und der Drehmoment-Axialkraft-Wandler zum Hauptdeckel zentriert sind, wobei bevorzugt der Hauptdeckel zweiteilig ausgeführt ist.
Mittels der Befestigung der Planetenräder am Hauptdeckel sind diese relativ zur Vorsteuerkupplung und zum Drehmoment-Axialkraft-Wandler rotatorisch fixiert und sind auch hierzu axial fixiert. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Vorsteuerkupplung und die Hauptkupplung beziehungsweise den Drehmoment-Axialkraft-Wandler zueinander zu zentrieren. Ganz besonders bevorzugt ist der Hauptdeckel hierbei zweiteilig ausgeführt, wobei die Befestigung der Planetenräder an einem ersten Deckelteil des Hauptdeckels angeordnet ist, wobei der erste Deckelteil radial innenliegend angeordnet ist. Ein radial außenliegender zweiter Deckelteil des Hauptdeckels ist bei einer Montage von Hauptkupplung und Vorsteuerkupplung mit der Hauptkupplung verbunden. Bevorzugt umfasst die Hauptkupplung hierbei bereits den Drehmoment-Axialkraft-Wandler und das Hohlrad des Planetengetriebes, während die Vorsteuerkupplung mit dem zweiten Teil des Hauptdeckels verbunden ist und das Sonnenrad sowie die Planetenräder, welche am ersten Teil des Hauptdeckels befestigt sind, umfasst. Die beiden Teile des Hauptdeckels werden hierbei besonders bevorzugt miteinander verschraubt und/oder vernietet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung ist zwischen der Vorsteuerkupplung und dem Hauptdeckel ein Axiallager angeordnet, wodurch eine relative Verdrehung der Vorsteuerkupplung zur Hauptkupplung verspannungsfrei ermöglicht ist.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird die axiale Betätigungskraft zur Betätigung der Vorsteuerkupplung über das Axiallager in die Hauptkupplung eingeleitet, und somit in einer bevorzugten Konfiguration in das Kurbelwellenlager einer Verbrennungskraftmaschine eingeleitet. Hierbei wird zugleich bei einem Schließen der Vorsteuerkupplung und einem dadurch (eventuell) auftretenden relativen rotatorischen Versatz zwischen der Vorsteuerkupplung und der Hauptkupplung ein Verdrehen zueinander ermöglicht, ohne dass Verspannungen von Verbindungsbauteilen zwischen der Vorsteuerkupplung und der Hauptkupplung auftreten können. Mittels der axialen Vorspannung, zum Beispiel mittels Blattfedern, der Hauptreibpaarung und der Vorsteuerreibpaarung, welche der Schließrichtung entgegenwirkt, ist der Drehmoment-Axialkraft-Wandler und folglich die daran angebundene Vorsteuerkupplung wieder in Ihre (gelöste) Ausgangslage selbsttätig zurückdrehbar. Insbesondere wird bei einer solchen Konfiguration ein Drehmoment von einer Eingangswelle allein über den Drehmoment-Axialkraft-Wandler von der Vorsteuerkupplung auf die zumindest eine Hauptreibpaarung übertragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind ein Planetengetriebe mit an dem Hauptdeckel (rotierbar) befestigten Planetenrädern und ein Axiallager zwischen dem Hauptdeckel und der Vorsteuerkupplung vorgesehen. Hierbei ist zudem bevorzugt eine von 1 abweichende Übersetzung beziehungsweise Untersetzung mittels des Planetengetriebes eingerichtet. Im Folgenden wird die Drehmomentübertragung im gelösten Zustand der Hauptkupplung und Vorsteuerkupplung dargestellt.
Eine Rotation und ein Drehmoment ausgehend von einer Eingangswelle, zum Beispiel einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine, wird über den Hauptdeckel geleitet und somit auf die Planetenräder übertragen, welche sich in Umfangsrichtung mitbewegen. Aufgrund einer geeigneten Vorspannung entgegen der Anpressrichtung, zum Beispiel mittels der Blattfedern, verbleiben die Hauptreibpaarung und der Drehmoment-Axialkraft-Wandler in einer geöffneten Stellung und rotieren mit dem Hauptdeckel mit. Das damit rotationsfeste Hohlrad läuft ohne relative Verdrehung mit den Planetenrädern mit, sodass ein Drehmoment auf das Sonnenrad übertragen wird. Das mit der Vorsteuergegenplatte rotationsfeste Sonnenrad überträgt somit eine Rotation und ein Drehmoment bei (nahezu) stehendem Planetengetriebe auf die Vorsteuerkupplung. Kommt es zu einem relativen Verdrehen zwischen den Planetenrädern und dem Hohlrad, überträgt sich dies entsprechend auf das Sonnenrad und es kommt zu einem relativen Verdrehen zwischen der Hauptkupplung und der Vorsteuerkupplung. Diese Bewegung wird durch das Axiallager verspannungsfrei ermöglicht. Wird nun die Vorsteuerkupplung bei einer langsamer drehenden Ausgangswelle (Zugbetrieb, zum Beispiel beim Beschleunigen eines Fahrzeugs) geschlossen, verlangsamt sich die Vorsteuerkupplung infolge des entgegen gerichteten (Trägheits-)Moments an der Ausgangswelle. Nun wird das Planetengetriebe in sich verdreht und die Vorspannkraft der Hauptreibpaarung mittels des Drehmoment-Axialkraft-Wandlers überwunden. Damit wird die Hauptreibpaarung geschlossen und ein Drehmoment über die Hauptkupplung auf die Ausgangswelle übertragen. Wird nun wieder ein Trennen erwünscht, wird die Vorsteuerkupplung (vom Nutzer) gelöst, bevorzugt mithilfe von vorgespannten Blattfedern, und es wird eine relative Verdrehung zwischen der Vorsteuerkupplung und der Hauptkupplung induziert. Hierdurch wird der Drehmoment-Axialkraft-Wandler gelöst und die Hauptreibpaarung löst sich, bevorzugt gestützt von vorgespannten Blattfedern. Wird ein Drehmoment von der Ausgangswelle auf die Eingangswelle übertragen (Schubbetrieb), wird der gleiche Bewegungsablauf ausgelöst, nur dass dabei die zum (zuvor beschriebenen) Zugbetrieb entgegengesetzte Betätigungsrichtung des Drehmoment-Axialkraft-Wandlers genutzt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung ist der Drehmoment-Axialkraft-Wandler als Kugelrampenpaarung mit einem vorsteuerseitigen Kugelrampenring und einem hauptkupplungsseitigen Kugelrampenring mit dazwischen angeordneten Kugeln ausgebildet, wobei bevorzugt der vorsteuerseitige Kugelrampenring am Hauptdeckel axial verdrehbar gelagert ist.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist eine Kugelrampenpaarung vorgesehen, bei der in den beiden Kugelrampenringen jeweils eine Mehrzahl von Rampen angeordnet sind, die zur Aufnahme von jeweils zumindest einer Kugel eingerichtet sind. Hierbei ist bevorzugt eine Rampe in einer zur Reibflächenebene parallelen Ebene gebildet, und die andere Rampe weist eine Steigung in axialer Richtung auf, sodass eine Kugel, die zwischen den Kugelrampenringen wandert, eine axiale Verschiebung der Kugelrampenringe zueinander bewirkt. Hierdurch wird mittels einer relativen Verdrehung der Kugelrampenringe zueinander die axiale Erstreckung der Kugelrampenpaarung verändert. Die zumindest eine Rampe mit axialer Steigung ist mit einem Tiefpunkt ausgeführt, so dass die zugehörige Kugel in dieser Position eine minimale axiale Erstreckung der Kugelrampenpaarung bewirkt und dann (nahezu) kein Drehmoment mit der Hauptkupplung übertragbar ist, weil in diesem Zustand keine, beziehungsweise nur eine geringe Axialkraft, auf die Hauptreibpaarung aufgebracht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind jeweils seitlich zu dem Tiefpunkt in Umfangsrichtung Steigungen in der Rampe angeordnet. Eine der beiden Steigungen wird als Zugrampe bezeichnet, weil bei einer Lage der Kugel auf der Zugrampe ein Zugmoment von der Eingangswelle auf die Ausgangswelle übertragbar ist. Die andere Steigung wird als Schubrampe bezeichnet, weil bei einer Lage der Kugel auf der Schubrampe ein Schubmoment von der Ausgangswelle auf die Eingangswelle übertragbar ist. Die Umfangsrichtung der Zugrampe und der Schubrampe ist entsprechend an die Drehrichtung der Antriebsmaschine und der eventuell vorliegenden Drehrichtungsumkehr mittels Planentengetriebe angepasst. Eine Zugrampe mit einer möglichst flachen Steigung ausgeführt, sodass bei einer Übertragung eines Vorsteuerdrehmoments, über bevorzugt das Planetengetriebe, die Kugeln in der Kugelrampenpaarung in der entsprechenden Umfangsrichtung der Zugrampe vom Tiefpunkt aus aufwärts bewegt werden, und so der an der Hauptanpressplatte befestigte hauptkupplungsseitige Kugelrampenring in Einrückrichtung bewegt wird. In einer anderen bevorzugten Betriebsweise ist das eingehende Drehmoment über die Ausgangswelle eintragbar, zum Beispiel im sogenannten Schubbetrieb beim Einsatz der Motorbremse, wobei dann die entgegengesetzte Schubrampe eingesetzt wird. Hierbei ist bevorzugt die Rampensteigung deutlich größer. Entsprechend der Keilwirkung ist die Anpresskraft umso größer, je flacher die Steigung ist, und umso kleiner, je steiler die Steigung ist. Die Steigung auf der Schubseite wird deshalb steiler gewählt, weil im Schubbetrieb (Motorbremse) wesentlich weniger Drehmoment im Antriebsstrang übertragen werden muss und folglich eine geringere Anpresskraft nötig ist. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass der Antriebsstrang geschützt werden kann, indem im Falle eines Verschaltens bei Bergab-Fahrt die Kupplung durchrutscht, anstatt das volle Impact-Moment (bedingt durch das Verschalten) an den Antriebsstrang weiterzugeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorsteuerseitige Kugelrampenring am Hauptdeckel axial und verdrehbar gelagert, wodurch ein geschlossener Anpresskraftkreis in der Hauptkupplung erzeugbar ist und somit die Belastungen des Axiallagers der Kurbelwelle reduziert werden. Ganz besonders bevorzugt ist dabei die Axiallagerung radial besonders weit außerhalb, also auf einem möglichst großen Durchmesser, angeordnet. Dort liegt eine hohe Steifigkeit des Hauptdeckels vor, wodurch der Hauptdeckel weniger steif ausgelegt werden muss.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Booster-Kupplung umfasst die Vorsteuerkupplung zumindest eine Vorsteuerscheibe und eine Vorsteuernabe, wobei die Vorsteuerscheibe mittels eines Vordämpfers mit der Vorsteuernabe verbunden ist, wobei bevorzugt die Hauptkupplung zumindest eine Hauptkupplungsscheibe und eine Hauptnabe umfasst, wobei die Hauptkupplungsscheibe mittels eines Torsionsdämpfers mit der Hauptnabe verbunden ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird bei einer gelösten (Haupt-)Kupplung ein Getrieberasseln verhindert, indem in der Vorsteuerkupplung zumindest ein Vordämpfer vorgesehen ist, welcher eingehende Schwingungen und damit Geräusche aneinanderschlagender Bauteile dämpft. Darüber hinaus wird im Bereich der Hauptkupplung zusätzlicher Bauraum gewonnen, wodurch in dem frei werdenden Bauraum ein Torsionsdämpfer und/oder ein Momentenfühler vorgesehen werden können. Insbesondere im Leerlauf, eingekuppelt, also mit geschlossener Vorsteuerkupplung, bei eingelegtem Neutralgang, muss eine Schwingungsinduktion ins Getriebe, welche ein Getrieberasseln verursacht, unterbunden werden. Hierbei ist die Vorsteuerkupplung geschlossen, während die Hauptkupplung jedoch nach wie vor, bedingt durch die axiale Vorspannung des Drehmoment-Axialkraft-Wandlers, geöffnet. Es wird also zum Schließen der Hauptkupplung ein Moment benötigt, welches größer als das Leerlaufmoment ist. Somit ist es von entscheidendem Vorteil, den Vordämpfer (welcher Getrieberasseln im Leerlauf eliminieren soll) auf die Vorsteuerkupplungsscheibe zu legen, weil ein Vordämpfer auf der Hauptkupplungsscheibe sonst bei eingelegtem Neutralgang unwirksam wäre.
Bei bekannten Booster-Kupplungen tritt mitunter das Problem auf, dass sich die Hauptkupplung im Zugbetrieb zuzieht und verklemmt. Bei einem Wechsel in den Schubbetrieb bleibt die Hauptkupplung dann so lange geschlossen, bis das Schubmoment größer ist als das (zuvor angelegte) Zugmoment. Infolgedessen ist der Wechsel von einem starken Momentensprung begleitet, der im Fahrzeug spürbar ist. Konventionell wird hierzu ein Momentenfühler eingesetzt, welcher eine sanfte Überführung vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb und umgekehrt ermöglicht. Werden entsprechend kurze Zugrampen und Schubrampen bei einem Drehmoment-Axialkraft-Wandler eingesetzt, ist die Aufgabe des Momentenfühlers durch einen entsprechend ausgerichteten Torsionsdämpfer ausführbar. Hierdurch wird die Komplexität der Booster-Kupplung beziehungsweise der Hauptkupplung deutlich reduziert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der zusätzlich gewonnene Bauraum bei der Hauptkupplung genutzt, um hier einen Torsionsdämpfer vorzusehen. Mittels eines solchen Torsionsdämpfers wird eine Übertragungsweichheit ermöglicht, welche einen Momentenfühler ersetzt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Booster-System für ein Nutzfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest die folgenden Komponenten aufweist:

– eine Booster-Kupplung gemäß einer Ausführungsform nach der obigen Beschreibung;
– eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Vorsteuerkupplung der Booster-Kupplung,

Im Vergleich zu der Betätigungskraft von konventionellen (Tellerfeder-)Kupplungen vergleichbarer Dimension beträgt die Betätigungskraft dieses Booster-Systems lediglich 50 %, bevorzugt weniger als 30 %. Beispielsweise hat eine konventionelle Tellerfederkupplung für ein übertragbares Moment von 1,2 kNm [Kilo-Newtonmeter] eine Betätigungskraft von etwa 4 kN [Kilo-Newton] während die entsprechende Booster-Kupplung lediglich eine Betätigungskraft von etwa 1,5 kN [Kilo-Newton] aufweist. Bevorzugt ist ein Planetengetriebe vorgesehen mit einer Planetengetriebeübersetzung zwischen 1,5 und 2,5 (Vergrößerung des Drehmoments von der Vorsteuerkupplung zum Drehmoment-Axialkraft-Wandler). Weiterhin ist bevorzugt eine Kugelrampenpaarung als Drehmoment-Axialkraft-Wandler vorgesehen, wobei diese bevorzugt eine geometrische Rampenübersetzung (Weg in Folge der Verdrehung bezogen auf den Axialweg) zwischen 5 und 10 aufweist. Gemäß einem Beispiel wird ein Drehmoment von 390 Nm (Vorsteuerdrehmoment von 260 Nm, Planetenübersetzung von 1,5) an dem vorsteuerseitigen Kugelrampenring in eine Axialkraft von etwa 17 kN [Kilo-Newton] bei einer geometrischen Rampenübersetzung von 7,3 umgewandelt.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform des Booster-Systems kann eine besonders kleine Betätigungseinrichtung eingesetzt werden, welche sowohl mit radial als auch mit axial geringeren Abmessungen ausführbar ist. Die geringen radialen Abmessungen sind insbesondere durch die verringerte notwendige Kraft möglich, während die geringen axialen Abmessungen aufgrund eines unter Umständen vergleichsweise verkleinerten Ausrückwegs für die Betätigung der Vorsteuerkupplung ermöglicht ist. Für einen verkleinerten Ausrückweg der Vorsteuerkupplung ist ein verkleinerter Tellerfederhebel einzusetzen. Ein verkleinerter Hebel ist insbesondere aufgrund der geringen aufzuwendenden Anpresskraft und der damit geringeren erforderlichen Übersetzung durch den Betätigungshebel möglich. Somit ist dieses Booster-System insbesondere mit einer Konfiguration der Booster-Kupplung mit geringer axialer Baulänge sehr viel kleiner als die bisher bekannten Kupplungssysteme mit konventionellen Kupplungen und konventionellen Betätigungseinrichtungen. Darüber hinaus sind der Wartungsaufwand und der auftretende Verschleiß aufgrund der geringeren Betätigungskraft und geringeren Hebelkräfte verringert, und die Lebensdauer verlängert. Ganz besonders bevorzugt ist eine direkte Betätigung mit einem Fußpedal möglich, ohne dass hier zusätzliche Servoeinrichtungen beziehungsweise pneumatische Aktuatoren eingesetzt werden müssen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang, bevorzugt für ein Nutzfahrzeug, vorgeschlagen, welcher eine Antriebseinheit mit einer Abtriebswelle und ein Boostersystem gemäß der obigen Beschreibung umfasst, wobei die Abtriebswelle zur Drehmomentübertragung mittels der Booster-Kupplung lösbar mit zumindest einem Verbraucher verbindbar ist.
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 Nutzfahrzeugs und/oder ein elektrischer Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie. Um das Drehmoment gezielt und/oder mittels eines Schaltgetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen zu übertragen beziehungsweise eine Übertragung zu trennen, ist die Verwendung der oben beschriebenen Booster-Kupplung besonders vorteilhaft, weil ein sehr hohes Drehmoment mit geringen Einrückkräften auf geringem Raum übertragbar ist.
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 Booster-Kupplung 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 Booster-Kupplung in Reihe oder parallel geschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind, beziehungsweise 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.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Nutzfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest ein Antriebsrad aufweist, welches mittels eines Antriebsstrangs gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
Die meisten Nutzfahrzeuge weisen heutzutage eine Vielzahl unterschiedlicher Aggregate auf, die den Fahrkomfort und die Energieeffizienz verbessern und/oder den Schadstoffausstoß verringern sollen. Der Bauraum ist hierdurch stark beschränkt und es ist daher besonders vorteilhaft, eine Reibkupplung kleiner Baugröße zu verwenden.
Der oben beschriebene Antriebsstrang weist eine Booster-Kupplung besonders geringer Baugröße auf. Zugleich sind die Einrückkräfte relativ gering, sodass weiterhin ein Betätigungssystem kleiner Baugröße eingesetzt werden kann. Somit wird insgesamt ein System geringer Baugröße möglich.
Nutzfahrzeuge sind Lastkraftwagen, Landmaschinen, wie zum Beispiel Traktoren, Baumaschinen und ähnliches. Hierbei werden neben hohen Drehmomenten von bis zu 1,5 kNm [Kilo-Newtonmeter] eine lange Lebensdauer und geringe Wartungsanfälligkeit gefordert. Zugleich werden besonders niedrige Preise abgefragt, wodurch insbesondere die Materialauswahl und die mögliche Komplexität der Systeme beschränkt ist.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die 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
1: eine Booster-Kupplung in Explosionsdarstellung;
2: eine Booster-Kupplung im Schnitt;
3: eine Booster-Kupplung in Draufsicht von unten;
4: eine Detailansicht der Kugelrampenpaarung einer Booster-Kupplung;
5: ein Ausschnitt eines vorsteuerseitigen Kugelrampenrings;
6: ein Ausrückkraft-Drehmoment-Diagramm;
7: eine alternative Konfiguration einer Booster-Kupplung im Schnitt; und
8: ein Nutzfahrzeug mit Antriebsstrang und Booster-System.
In 1 ist eine Booster-Kupplung 1 in einer zweiteiligen Explosionsdarstellung gezeigt, bei der die Vorsteuerkupplung 6 aus einer zentralen Vertiefung 11 einer Hauptkupplung 3 entlang der gemeinsamen Rotationsachse 5 herausgeschoben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dies zugleich eine Montagemöglichkeit von der Vorsteuerkupplung 6 mit der Hauptkupplung 3 zur Bildung der Booster-Kupplung 1. Von der Vorsteuerkupplung 6, die zur gemeinsamen Rotationsachse 5 ausgerichtet ist, ist hier die Vorsteuertellerfeder 42 zu erkennen, die hier aus einzelnen, bevorzugt in einem Betätigungsring (hier verdeckt) verbundenen, Tellerfederzungen gebildet ist. Die Vorsteuertellerfeder 42 wirkt auf die Vorsteueranpressplatte 43 ein, welche rotatorisch fixiert ist und axial mittels einer Vorsteuerblattfeder 44 geführt ist. Die Vorsteuerblattfeder 44 ist hier als Paket ausgebildet und über den Umfang mehrfach, hier dreifach, verteilt.
Die Vorsteuerkupplung 6 ist hier also als normal eingerückt ausgeführt, und durch Einbringen einer Kraft auf die Vorsteuertellerfeder 42 wird die Vorsteuerkupplung 6 ausgerückt. Die Vorsteuerblattfeder 44 wirkt der Vorsteuertellerfeder 42 entgegen und löst die Vorsteueranpressplatte 43 von einer Vorsteuerscheibe 23 bei einem Ausrückvorgang. Im eingerückten Zustand der Vorsteuerkupplung 6 wird reibschlüssig ein Drehmoment von der Vorsteueranpressplatte 43 auf die Vorsteuerscheibe 23 übertragen, welche rotationsfest mit einer Vorsteuernabe 24 verbunden ist. Somit kann in dieser Konfiguration ein Vorsteuerdrehmoment von der Vorsteuerkupplung 6 auf eine Ausgangswelle (hier nicht dargestellt) entlang der Rotationsachse 5 übertragen werden. Die Hauptaufgabe der Vorsteuerkupplung 6 ist jedoch die Übertragung des Vorsteuerdrehmoments, hier mittels eines Sonnenkranzes 15 über ein hier nicht weiter zu erkennendes Planetengetriebe 14 (vergleiche 2), auf eine hier verdeckten Drehmoment-Axialkraft-Wandler 8 (vergleiche 2). Über den Drehmoment-Axialkraft-Wandler 8 wird das Vorsteuerdrehmoment, beziehungsweise zumindest ein Teil des Vorsteuerdrehmoments, in eine axiale Hauptanpresskraft für die Hauptkupplung 3 umgewandelt. Hierdurch wird die Hauptanpressplatte 40 entgegen ihrer Vorspannung mittels der Hauptblattfeder 41, welche hier ebenfalls mehrfach, hier vierfach, als Pakete über den Umfang verteilt sind, ausgelenkt wird. Somit wird die Hauptanpressplatte 40 gegen die Hauptkupplungsscheibe 26 gepresst und somit ein Drehmoment auf die Hauptnabe 27 übertragen. Der Hauptdeckel 9 ist hierbei zwischen der Hauptkupplung 3 und der Vorsteuerkupplung 6 angeordnet und hier zweiteilig mit einem radial inneren ersten Deckelteil 38 und einem radial äußeren zweiten Deckelteil 39 gebildet. Der erste Deckelteil 38 bildet dabei die Vertiefung 11 zur Aufnahme der Vorsteuerkupplung 6.
In einer bevorzugten Ausführungsform greift der Sonnenkranz 15 der Vorsteuerkupplung 6 um den Hauptdeckel 9 beziehungsweise den ersten Deckelteil 38 herum und sichert somit die axiale Position gegen Herausfallen. In diesem Fall wird zum Beispiel der Sonnenkranz 15 im Nachhinein vernietet beziehungsweise verschraubt, nachdem die Vorsteuerkupplung 6 eingelegt wurde.
In 2 wird eine Booster-Kupplung 1 gezeigt, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Booster-Kupplung 1 ist, wie sie zum Beispiel in 1 dargestellt ist. In dieser Schnittansicht sind die Vorsteuerreibpaarung 7, bestehend aus der Vorsteuerscheibe 23, der Vorsteueranpressplatte 43 und der Vorsteuergegenplatte 46, sowie die Hauptreibpaarung 4, bestehend aus der Hauptanpressplatte 40, der Hauptkupplungsscheibe 26 und der hier nur rein schematisch angedeuteten Hauptgegenplatte 45, dargestellt. Die Vorsteuerscheibe 23 beziehungsweise die Hauptkupplungsscheibe 26 sind mittels einer Vorsteuernabe 24 beziehungsweise einer Hauptnabe 27 drehmomentfest mit einer Ausgangswelle (nicht dargestellt) um die gemeinsame Rotationsachse 5 verbunden. Hierbei ist noch zusätzlich zwischen der Hauptkupplungsscheibe 26 und der Hauptnabe 27 ein Torsionsdämpfer 28 vorgesehen. Weil bei Anwendungen im Nutzfahrzeugbereich in der Regel auf ein Zweimassenschwungrad verzichtet wird, muss ein Torsionsdämpfer 28 in der Hauptkupplungsscheibe 26 vorgesehen werden. Dieser fungiert auch als Momentenfühler. In einer Ausführungsform mit Zweimassenschwungrad und mit starrer Kupplungsscheibe würde an dieser Stelle ein Momentenfühler vorgesehen, welcher eine zusätzliche Torsionsweichheit bewerkstelligt.
Zur Übertragung eines Vorsteuerdrehmoments ist hier ein Planetengetriebe 14 vorgesehen, welches sich aus einem Sonnenkranz 15, welcher fest mit der Vorsteuergegenplatte 46 verbunden ist, einer Mehrzahl von Planetenrädern 17, welche an dem ersten Deckelteil 38 des Hauptdeckels 9 fest verbunden sind, und einem Hohlkranz 16, welcher mit einem Drehmoment-Axialkraft-Wandler 8 verbunden ist, zusammensetzt. Hierdurch wird das von der Vorsteuerkupplung 6 übertragene Vorsteuerdrehmoment verstärkt und in seiner Drehrichtung umgekehrt. Der Drehmoment-Axialkraft-Wandler 8 ist hierbei als Kugelrampenpaarung 19 ausgebildet, welcher sich aus einem vorsteuerseitigen Kugelrampenring 20, einem hauptkupplungsseitigen Kupplungsring 21 und einer Vielzahl von dazwischen angeordneten Kugeln 22 zusammensetzt. Der vorsteuerseitige Kugelrampenring 20 ist hierbei vorteilhafterweise mittels eines axialen Gegenlagers 10 am zweiten Deckelteil 39 des Hauptdeckels 9 abgestützt, sodass hier die Abstützung der erzeugten Hauptanpresskraft für die Hauptreibpaarung 4 an einem großen Umfang des Hauptdeckels 9 abgestützt wird, wo eine hohe Steifigkeit des Hauptdeckels 9 vorliegt. Durch ein relatives Verdrehen von dem vorsteuerseitigen Kugelrampenring 20 zum hauptkupplungsseitigen Kugelrampenring 21 werden die Kugeln 22 dazwischen derart verlagert, dass die axiale Höhe der Kugelrampenpaarung 19 zunimmt und somit die Hauptanpressplatte 40 gegen die Hauptkupplungsscheibe 26 gedrückt wird. Somit ist durch Schließen der Vorsteuerkupplung 6 mittels Übertragung über das Planetengetriebe 14 und den Drehmoment-Axialkraft-Wandler 8 eine erhöhte Anpresskraft für die Hauptreibpaarung 4 erzeugbar, sodass ein großes Drehmoment auf die Hauptnabe 27 lösbar übertragbar ist. Zur Ermöglichung einer relativen Verdrehung zwischen der Vorsteuerkupplung 6 und der Hauptkupplung 3 ist zwischen der Vorsteuergegenplatte 46 und dem ersten Deckelteil 38 ein Axiallager 18 vorgesehen. Neben der reinen Übertragung eines Vorsteuerdrehmoments zum Schließen der Hauptkupplung 3 ist die Vorsteuerkupplung 6 zudem über Ihre Vorsteuernabe 24, welche mittels einer Vorsteuernabenanbindung 47 mit der Vorsteuerscheibe 23 rotationsfest und drehmomentübertragend verbunden ist, mit einer hier nicht dargestellten Ausgangswelle drehmomentübertragend verbunden.
In 3 ist die Booster-Kupplung 1, wie sie in 2 dargestellt ist, in einer Teilansicht von unten gezeigt, wobei hier das Planetengetriebe 14 besonders gut zu erkennen ist, welches sich aus dem Hohlkranz 16, dem Sonnenkranz 15 und den dazwischen angeordneten Planetenrädern 17 zusammensetzt. Die Planetenräder 17 sind hierbei mit dem ersten Deckelteil 38 des Hauptdeckels 9 rotierbar fest verbunden und somit axial fixiert. Weiterhin ist hier die Kugelrampenpaarung 19 gut zu erkennen, welche hier den Drehmoment-Axialkraft-Wandler 8 bildet. Hierbei sind der hauptkupplungsseitige Kugelrampenring 21 und der vorsteuerseitige Kugelrampenring 20 zu erkennen, in welchem Steigungsrampen (vergleiche 5) für eine Mehrzahl von Kugeln 22 gebildet sind. Weiterhin ist die Hauptblattfeder 41 zu erkennen, welche mit dem zweiten Deckelteil 39 des Hauptdeckels 9 fest verbunden ist und eine Rotation der Hauptanpressplatte 40 (vgl. 2) relativ zum Hauptdeckel 9 verhindert und zugleich eine Vorspannung entgegen der Einrückrichtung aufbringt und eine axiale Bewegung der Hauptanpressplatte 40 erlaubt.
In 4 ist ein Ausschnitt einer Konfiguration, wie sie zum Beispiel in 2 dargestellt ist, gezeigt, wobei hier zur besseren Ansicht der zweite Deckelteil 39 nicht dargestellt wurde. In einer Vertiefung 11 des ersten Deckelteils 38 ist die Vorsteuerkupplung 6 angeordnet, deren Vorsteuerdrehmoment mittels des Drehmoment-Axialkraft-Wandlers 8, hier wiederum als Kugelrampenpaarung 19 mit einem vorsteuerseitigen Kugelrampenring 20 und einem hauptkupplungsseitigen Kugelrampenring 21 mit einer Mehrzahl dazwischen angeordneter Kugeln 22 ausgebildet ist. Entgegen einer Vorspannkraft, welche von einer Hauptblattfeder 41 auf die Hauptanpressplatte 40 übertragen wird, wird somit eine Axialkraft, die Hauptanpresskraft, auf die Hauptanpressplatte 40 übertragen, indem der vorsteuerseitige Kugelrampenring gegenüber dem hauptkupplungsseitigen Kugelrampenring 21 relativ verdreht wird.
In 5 ist ausschnittsweise ein vorsteuerseitiger Kugelrampenring 20 gezeigt, bei welchem eine Zugrampe 48 und eine Schubrampe 49 mehrfach über den Umfang verteilt angeordnet sind. Bei einer Drehmomentübertragung von einer Eingangswelle, deren Drehmoment bevorzugt über den Hauptdeckel 9 (vgl. vorhergehende Figuren) geleitet wird, welches größer als das (entgegengesetzte) Drehmoment der Ausgangswelle ist, welche über die Hauptnabe 27 und die Vorsteuernabe 24 verbunden ist, wird die Zugrampe 48 genutzt. Bei einer umgekehrten Drehmomentübertragung wird die Schubrampe 49 genutzt. Hierbei ist bevorzugt für eine Übertragung eines hohen Drehmoments von einer Antriebseinheit, zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine, die Zugrampe 48 mit einer geringeren Steigung ausgelegt und für eine Überlastsicherung die Schubrampe 49 mit einer größeren Steigung. Eine steile Rampe führt zu einem sanften Momentenaufbau und eine flache Rampe zu einem starken und unsanften Momentenaufbau. Dies hängt damit zusammen, dass flache Rampen durch die Keilwirkung starke Anpresskräfte und folglich große Momente und steile Rampen schwache Anpresskräfte und folglich kleine Momente generieren.
In 6 wird ein Ausrückkraft-Drehmoment-Diagramm gezeigt, welches eine Drehmoment-Achse 50 auf der in der Darstellung linken Seite und eine Ausrückkraft-Achse 51 auf der in der Darstellung rechten Seite über einer Ausrückweg-Abszisse 52 zeigt, wobei der Ausrückweg prozentual angegeben ist. Hierbei sind die unterbrochenen Linien der Momentenaufbau-Verlauf der Kupplungen, wobei hier eine Referenzkupplung mit einem dritten Momentenaufbau-Verlauf 56 gewählt wurde, die ein annähernd gleiches übertragbares (Gesamt-)Drehmoment wie die hier gewählte Booster-Kupplung erreicht. Der zweite Momentenaufbau-Verlauf 54 zeigt den Momentenaufbau der Vorsteuerkupplung. Dieser wird faktorisiert mit den Übersetzungsverhältnissen von Planetengetriebe und Drehmoment-Axialkraft-Wandler und ermöglicht somit den Momentenaufbau der Hauptkupplung. Der Momentenaufbau-Verlauf (nicht dargestellt) von Hauptkupplung plus Momentenaufbau-Verlauf 54 von Vorsteuerkupplung ergibt den gesamten ersten Momentenaufbau-Verlauf 53 eben dieser Booster-Kupplung. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass der erste Ausrückkraft-Verlauf 55 der Booster-Kupplung sehr viel geringer ist als der zweite Ausrückkraft-Verlauf 57 der Referenzkupplung, wobei die Referenzkupplung betragsmäßig eine gleiche oder sogar geringere maximal mögliche Drehmomentabgabe aufweist. Das Ausrückraftmaximum der Booster-Kupplung beträgt hier lediglich etwa ein Drittel des Ausrückkraftmaximums der Referenzkupplung. Es sind aber auch Verringerungen der Ausrückkräfte bis zu einem Fünftel einer solchen Referenzkupplung erzielbar.
In 7 ist eine ähnliche Konfiguration einer Booster-Kupplung 1 im Schnitt gezeigt, wie sie in 2 gezeigt ist, wobei hier im Unterschied hierzu die Kugelrampenpaarung 19 kein zentrierendes Schrägkugellager, sondern eine reine Axialkugellagerung ist. Diese Form der Kugelrampenpaarung 19 hat den Vorteil der einfacheren Fertigbarkeit, aber ermöglicht keine Selbstzentrierung. Die Zentrierung ist jedoch über die am Hauptdeckel 9 fixierten Planetenräder 15 gegeben. Daher ist eine weitere Zentrierung nicht nötig und diese Konfiguration ist kostengünstiger fertigbar. Darüber hinaus ist ein Vordämpfer 25 bei der Vorsteuernabenanbindung 47 zwischen der Vorsteuerscheibe 23 und der Vorsteuernabe 24 angeordnet, sodass bei der Hauptkupplung 3 ein größerer Torsionsdämpfer 28 anordbar ist, welcher die Aufgabe eines Momentenfühlers mit übernimmt. Der übrige Aufbau ist der Einfachheit halber identisch gewählt wie in 2, wobei dies allein dem besseren Verständnis dient. Die Vorsteuerkupplung 6 weist dabei eine axiale Gesamtlänge 13 auf, und ragt zu weniger als 10 % dieser axialen Gesamtlänge 13 aus der zentralen Vertiefung 11 (bevorzugt getriebeseitig) heraus, wobei die Vertiefung eine axiale Erstreckung 12 aufweist.
In 8 ist ein Nutzfahrzeug 2 schematisch dargestellt, welches zum Beispiel eine Zugmaschine eines Sattelschleppers ist. Hierbei ist ein Booster-System 29 bestehend aus einer Booster-Kupplung 1 und einer Betätigungseinrichtung 30 in einem Antriebsstrang 31 zwischen Antriebseinheit 32 und einer Antriebswelle 33 beziehungsweise einem Schaltgetriebe 58 angeordnet. Die Antriebseinheit 32 ist hier als Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Über die Antriebswelle 33 und ein Differential 59 werden ein linkes Antriebsrad 34 und ein rechtes Antriebsrad 35 angetrieben. Aufgrund der verringerten notwendigen Ausrückkräfte der Booster-Kupplung 1 ist eine deutlich verringerte Baugröße der Betätigungseinrichtung 30 möglich, und darüber hinaus wird eine verlängerte Lebensdauer erreicht. In diesem Beispiel ist der Antriebsstrang 31 parallel zur Längsachse 37 und unter der Fahrerkabine 36 des Nutzfahrzeugs 2 angeordnet.
Mit der hier vorgeschlagenen Booster-Kupplung wird ohne Vergrößerung des benötigten axialen Bauraums die Betätigungskraft deutlich verringert und zugleich die Lebensdauer der Komponenten eines Booster-Systems gegenüber einer konventionellen Reibkupplung deutlich vergrößert.
Bezugszeichenliste

1: Booster-Kupplung
2: Nutzfahrzeug
3: Hauptkupplung
4: Hauptreibpaarung
5: Rotationsachse
6: Vorsteuerkupplung
7: Vorsteuerreibpaarung
8: Drehmoment-Axialkraft-Wandler
9: Hauptdeckel
10: axiales Gegenlager
11: zentrale Vertiefung
12: axiale Erstreckung
13: axiale Gesamtlänge
14: Planetengetriebe
15: Sonnenkranz
16: Hohlkranz
17: Planetenrad
18: Axiallager
19: Kugelrampenpaarung
20: vorsteuerseitiger Kugelrampenring
21: hauptkupplungsseitiger Kugelrampenring
22: Kugel
23: Vorsteuerscheibe
24: Vorsteuernabe
25: Vordämpfer
26: Hauptkupplungsscheibe
27: Hauptnabe
28: Torsionsdämpfer
29: Boostersystem
30: Betätigungseinrichtung
31: Antriebsstrang
32: Antriebseinheit
33: Antriebswelle
34: linkes Antriebsrad
35: rechtes Antriebsrad
36: Fahrerkabine
37: Längsachse
38: erster Deckelteil
39: zweiter Deckelteil
40: Hauptanpressplatte
41: Hauptblattfeder
42: Vorsteuertellerfeder
43: Vorsteueranpressplatte
44: Vorsteuerblattfeder
45: Hauptgegenplatte
46: Vorsteuergegenplatte
47: Vorsteuernabenanbindung
48: Zugrampe
49: Schubrampe
50: Drehmoment-Achse
51: Ausrückkraft-Achse
52: Ausrückweg-Abszisse
53: erster Momentenaufbau-Verlauf der Booster-Kupplung
54: zweiter Momentenaufbau-Verlauf der Vorsteuerkupplung
55: erster Ausrückkraft-Verlauf der Booster-Kupplung
56: dritter Momentenaufbau-Verlauf der Referenzkupplung
57: zweiter Ausrückkraft-Verlauf der Referenzkupplung
58: Schaltgetriebe
59: Differential

Claims

Booster-Kupplung (1) für ein Nutzfahrzeug (2), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: – eine Hauptkupplung (3) mit zumindest einer Hauptreibpaarung (4) zum lösbaren Übertragen eines Antriebsdrehmoments um eine Rotationsachse (5); – eine Vorsteuerkupplung (6) mit zumindest einer Vorsteuerreibpaarung (7) zum lösbaren Übertragen eines Vorsteuerdrehmoments um die Rotationsachse (5); – einen Drehmoment-Axialkraft-Wandler (8) zwischen der Hauptkupplung (3) und der Vorsteuerkupplung (6) zum Übersetzen eines Vorsteuerdrehmoments in eine axiale Hauptanpresskraft zum Schließen der zumindest einen Hauptreibpaarung (4); und – einen Hauptdeckel (9), welcher ein axiales Gegenlager (10) zu einer Hauptanpresskraft auf die zumindest eine Hauptreibpaarung (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptdeckel (9) zwischen dem Drehmoment-Axialkraft-Wandler (8) und der Vorsteuerkupplung (6) angeordnet ist.
Booster-Kupplung (1) nach Anspruch 1, wobei der Hauptdeckel (9) eine zentrale Vertiefung (11) mit axialer Erstreckung (12) ausbildet, in welcher die Vorsteuerkupplung (6) aufnehmbar ist, wobei die Vorsteuerkupplung (6) in axialer Richtung maximal zu 50 %, bevorzugt maximal zu 10 %, der axialen Gesamtlänge (13) der Vorsteuerkupplung (6) aus der zentralen Vertiefung (11) herausragt.
Booster-Kupplung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei weiterhin ein Planetengetriebe (14), umfassend einen zentralen Sonnenkranz (15), einen umschließenden Hohlkranz (16) und eine Mehrzahl von Planetenrädern (17), zwischen der Vorsteuerkupplung (6) und dem Drehmoment-Axialkraft-Wandler (8) angeordnet ist, sodass ein Vorsteuerdrehmoment hin zum Drehmoment-Axialkraft-Wandler (8) mittels des Planetengetriebes (14) vergrößerbar ist.
Booster-Kupplung (1) nach Anspruch 3, wobei die Planetenräder (17) axial am Hauptdeckel (9) fixiert sind, sodass die Vorsteuerkupplung (6) und der Drehmoment-Axialkraft-Wandler (8) zum Hauptdeckel (9) zentriert sind, wobei bevorzugt der Hauptdeckel (9) zweiteilig ausgeführt ist.
Booster-Kupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Vorsteuerkupplung (6) und dem Hauptdeckel (9) ein Axiallager (18) angeordnet ist, welches eine relative Verdrehung der Vorsteuerkupplung (6) zur Hauptkupplung (3) verspannungsfrei ermöglicht.
Booster-Kupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehmoment-Axialkraft-Wandler (8) als Kugelrampenpaarung (19) mit einem vorsteuerseitigen Kugelrampenring (20) und einem hauptkupplungsseitigen Kugelrampenring (21) mit dazwischen angeordneten Kugeln (22) ausgebildet ist, wobei bevorzugt der vorsteuerseitige Kugelrampenring (21) am Hauptdeckel (9) axial verdrehbar gelagert ist.
Booster-Kupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorsteuerkupplung (6) zumindest eine Vorsteuerscheibe (23) und eine Vorsteuernabe (24) umfasst, wobei die Vorsteuerscheibe (23) mittels eines Vordämpfers (25) mit der Vorsteuernabe (24) verbunden ist, wobei bevorzugt die Hauptkupplung (3) zumindest eine Hauptkupplungsscheibe (26) und eine Hauptnabe (27) umfasst, wobei die Hauptkupplungsscheibe (26) mittels eines Torsionsdämpfers (28) mit der Hauptnabe (27) verbunden ist.
Boostersystem (29) für ein Nutzfahrzeug (2), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: – eine Booster-Kupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; – eine Betätigungseinrichtung (30) zum Betätigen der Vorsteuerkupplung (6) der Booster-Kupplung (1), wobei mittels der Betätigungseinrichtung (30) eine Betätigungskraft von weniger als 20 %, bevorzugt weniger als 10 %, der zum Betätigen der Hauptkupplung (3) benötigten Hauptanpresskraft aufbringbar ist.
Antriebsstrang (31) für ein Nutzfahrzeug (2), aufweisend eine Antriebseinheit (32) mit einer Abtriebswelle (33) und ein Boostersystem (29) nach Anspruch 8, wobei die Abtriebswelle (33) zur Drehmomentübertragung mittels der Booster-Kupplung (1) lösbar mit zumindest einem Verbraucher (34, 35) verbindbar ist.
Nutzfahrzeug (2) aufweisend zumindest ein Antriebsrad (34, 35), welches mittels eines Antriebsstrangs (31) nach Anspruch 9 antreibbar ist.