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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlmittelsystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Schaltelements eines Getriebes.
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Lamellenschaltelemente werden in Kraftfahrzeuggetrieben, insbesondere Automatgetrieben als Kupplungen und Bremsen zum Schalten von Gängen verwendet. Die Betätigung der Schaltelemente, d. h. das Schließen und Öffnen erfolgt in der Regel hydraulisch. Beim Schließen der Lamellenschaltelemente entsteht beim Aneinanderpressen der Lamellen Wärme infolge Reibung. Die Schaltelemente müssen daher gekühlt werden, um eine Überhitzung und eine eventuelle Beschädigung der Lamellen oder Lamellenbeläge zu vermeiden. Hierzu ist es bekannt, dem Lamellenpaket der Schaltelemente Kühlöl aus einem Schmierölkreislauf durch geeignete Verteilorgane zuzuführen. Ein Problem bei der Ölkühlung der Lamellen besteht darin, dass insbesondere bei offenem Schaltelement das Kühlöl zwischen den Lamellen zu einem erhöhten Schleppmoment führt, welches den Getriebewirkungsgrad belastet.
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Die
US 2004/0154894 A1 offenbart ein Lamellenschaltelement umfassend ein Lamellenpaket mit Innenlamellen und Außenlamellen, einen Innenlamellenträger, an welchem die Innenlamellen des Lamellenpakets axial verschiebbar angeordnet sind und einen Außenlamellenträger, an welchem die Außenlamellen des Lamellenpakets axial verschiebbar angeordnet sind. Zur Kühlung des Lamellenpakets ist vorgesehen, dass ein Kühlfluid dem Lamellenpaket bei betätigtem Schaltelement zugeführt wird. Hierzu ist in einem Kupplungsgehäuse ein Steuerventil vorgesehen, welches einen Zufluss von Kühlfluid zu dem Lamellenpaket bei nicht betätigtem Schaltelement sperrt und bei betätigtem Schaltelement frei gibt. Das Steuerventil wird hierbei durch ein Stellglied betätigt, welches mit einem Betätigungskolben des Schaltelements in Wirkverbindung steht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlmittelsystem zum Kühlen eines Schaltelements zu schaffen, welches eine effektive Kühlung des Schaltelements ermöglicht. Zudem soll ein Verfahren zum Kühlen eines Schaltelements eines Getriebes angegeben werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlmittelsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein Verfahren zur Kühlung eines Schaltelements eines Getriebes ist in Patentanspruch 8 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es wird ein Kühlmittelsystem zum Kühlen eines Lamellenpakets eines Schaltelements eines Getriebes mit einem flüssigen Kühlmittel vorgeschlagen. Das Kühlmittelsystem umfasst zumindest eine Pumpe zur Bereitstellung eines Kühlmittelvolumenstroms und eine Kühlmittelleitung zur Zufuhr des Kühlmittels zum Lamellenpaket.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kühlmittelsystem einen Druckmittelerzeuger zur Erzeugung eines gasförmigen Druckmittels und eine Druckmittelleitung aufweist und die Druckmittelleitung derart an dem Schaltelement angeordnet ist, dass der dem Lamellenpaket zufließende Kühlmittelvolumenstrom durch den die Druckmittelleitung durchströmende Druckmittelvolumenstrom veränderbar ist.
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Mit anderen Worten wird die dem Lamellenpaket des Schaltelements zugeführte Kühlmittelmenge durch den Druckmittelvolumenstrom verändert. Folglich kann eine bedarfsgerechte Kühlmittelversorgung realisiert werden, da die Kühlmittelversorgung unabhängig von der Betätigungsstellung des Schaltelements einstellbar ist.
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Durch Druckbeaufschlagung mit dem gasförmigen Druckmittel kann die dem Lamellenpaket des Schaltelements zugeführte Kühlmittelmenge zumindest verringert werden. Vorzugsweise wird bei nicht betätigtem Schaltelement der Kühlmittelvolumenstrom zum Lamellenpaket durch Druckmittelbeaufschlagung vollständig unterbrochen bzw. stark vernebelt, also nahezu unterbrochen. Dann befindet sich zwischen den Innenlamellen und Außenlamellen des Lamellenpakets kein flüssiges Kühlmittel mehr bzw. das Kühlmittel zwischen den Lamellen des Lamellenpakets ist stark reduziert, wodurch das Schleppmoment des nicht betätigten Schaltelements gering ist.
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Während der Betätigung des Schaltelements hingegen wird der Kühlmittelvolumenstrom ohne Beeinflussung durch den Druckmittelvolumenstrom zum Lamellenpaket geführt, wodurch eine maximale Kühlung des Lamellenpakets bei betätigtem Schaltelement erfolgen kann.
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Als Kühlmittel kann beispielsweise Öl, insbesondere Getriebeöl verwendet werden, während als Druckmittel beispielsweise Luft in Form von Druckluft verwendet werden kann.
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Das Schaltelement umfasst in bekannter Weise einen in einem Zylinder verschiebbar angeordneten Kolben, wobei das Lamellenpaket bei einem Schließen des Schaltelements mittels des in dem Zylinder angeordneten Kolbens zusammenpressbar ist und an einer auf der dem Kolben abgewandten Seite des Lamellenpakets angeordneten Endscheibe zur Anlage kommt. Als Endscheibe des Schaltelements soll ein Axialanschlag verstanden werden, an welchem das durch den Kolben zusammengepresste Lamellenpaket axial abgestützt wird. Der Außenlamellenträger des Schaltelements kann derart ausgebildet sein, dass dieser zum einen die Außenlamellen des Lamellenpakets axial verschiebbar aufnimmt und zum anderen die Endscheibe für das zusammengepresste Lamellenpaket bildet. Außenlamellenträger und Endscheibe können dann einstückig ausgebildet sein.
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Das Schaltelement kann beispielsweise als Lamellenkupplung oder als Lamellenbremse ausgebildet sein. Während bei der Lamellenkupplung beide Lamellenträger rotierend gelagert sind, hat die Lamellenbremse einen gehäusefesten Außenlamellenträger, welcher beispielsweise durch ein Kupplungsgehäuse oder ein Getriebegehäuse gebildet sein kann.
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Unter dem Begriff Kühlmittelleitung soll vorliegend eine zur Leitung eines flüssigen Kühlmittels dienende Vorrichtung verstanden werden. So kann die Kühlmittelleitung beispielsweise als Rohr- bzw. Schlauchleitung ausgebildet sein, wobei auch mehrere Rohre bzw. Schläuche zum Leiten des Kühlmittels aneinander angeschlossen werden können. Auch kann die Kühlmittelleitung als in dem Getriebegehäuse bzw. Schaltelement eingegossener oder eingearbeiteter Kanal zum Leiten des Kühlmittels zum Lamellenpaket ausgebildet sein. Die Kühlmittelleitung kann auch über eine oder mehrere Kühlmittelversorgungsbohrungen gebildet werden, über welche dem Lamellenpaket des Schaltelements Kühlmittel zuführbar ist.
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Unter dem Begriff Druckmittelleitung soll vorliegend eine zur Leitung eines gasförmigen Druckmittels dienende Vorrichtung verstanden werden. So kann die Druckmittelleitung beispielsweise als Rohr- bzw. Schlauchleitung ausgebildet sein, wobei auch mehrere Rohre bzw. Schläuche zum Leiten des Druckmittels aneinander angeschlossen werden können. Auch kann die Druckmittelleitung als in dem Getriebegehäuse bzw. Schaltelement eingegossener oder eingearbeiteter Kanal zum Leiten des Druckmittels ausgebildet sein oder über eine oder mehrere Druckmittelversorgungsbohrungen gebildet werden.
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Bei dem Druckmittelerzeuger kann es sich um einen speziell für das Kühlmittelsystem ausgelegten Druckmittelerzeuger handeln, welcher beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter oder als Ventilator ausgebildet sein kann.
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Findet das Kühlmittelsystem in einem Antriebsstrang eines Lastkraftwagens oder eines Busses Anwendung, dann kann in vorteilhafter Weise der in dem Antriebsstrang bereits vorhandene Luftkompressor als Druckmittelerzeuger für das Kühlmittelsystem verwendet werden. Als Druckmittel für das Kühlmittelsystems ist folglich Druckluft vorgesehen. Bekanntermaßen wird durch einen im Antriebsstrang eines Lastkraftwagens oder eines Busses vorhandenen Luftkompressor Druckluft zur Betätigung einer Druckluftbremse und ggf. einer Luftfederung erzeugt. Moderne Luftkompressoren sind mit Leerlaufeinrichtungen versehen, die eine unnötige Druckerzeugung dann vermeiden, wenn sie vom Druckluftsystem nicht gebraucht werden. So kann ein im Antriebsstrang bereits vorhandener Luftkompressor in Betriebsphasen, in denen für die Druckmittelbremsen bzw. die Luftfederung keine Druckluft erzeugt werden muss, zur Drucklufterzeugung für das Kühlmittelsystem verwendet werden. Die erzeugte Druckluft wird vorzugsweise in einem Druckluftspeicher gespeichert. Dadurch kann eine kostengünstige Drucklufterzeugung für das Kühlmittelsystem realisiert werden.
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In einer ersten Ausgestaltung des Kühlmittelsystems mündet die Druckmittelleitung direkt in die zum Lamellenpaket führende Kühlmittelleitung. Dabei ist der Mündungsbereich der beiden Leitungen in dem Schaltelement so gewählt, dass die in der Kühlmittelleitung zum Lamellenpaket fließende Kühlmittelmenge durch das die Druckmittelleitung durchströmende gasförmige Druckmittel zumindest reduzierbar ist. So können die Kühlmittelleitung und die Druckmittelleitung im Mündungsbereich beispielsweise in etwa rechtwinklig zueinander stehen. In der Druckmittelleitung kann eine Membran oder ein Rückschlagventil angeordnet sein, welche bzw. welches verhindert, dass flüssiges Kühlmittel aus der Kühlmittelleitung durch die Druckmittelleitung strömen kann, während das Durchströmen von gasförmigem Druckmittel durch die Druckmittelleitung nahezu ungehindert möglich ist.
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Die Druckmittelleitung kann durch einen Außenlamellenträger des Schaltelements führen bzw. in diesem integriert sein. Die Kühlmittelleitung zum Lamellenpaket kann beispielsweise durch Bereiche des Außenlamellenträgers oder durch Bereiche des Innenlamellenträgers oder sowohl durch Bereiche des Außenlamellenträgers und des Innenlamellenträgers führen.
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Erfolgt die Kühlmittelzufuhr zum Lamellenpaket über den Innenlamellenträger des Schaltelements, so ist in einer zweiten Ausführungsform vorgesehen, dass die Innenlamellen des Lamellenpakets an ihrem radial inneren Bereich mehrere Öffnungen aufweisen, zu denen die Druckmittelleitung fluchtend angeordnet ist. Dadurch kann aus der Druckmittelleitung strömendes Druckmittel durch die Öffnungen der Innenlamellen strömen, wodurch der dem Lamellenpaket zufließende Kühlmittelvolumenstrom zumindest reduzierbar ist.
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Erfolgt hingegen die Kühlmittelzufuhr zum Lamellenpaket über den Außenlamellenträger des Schaltelements, dann ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Außenlamellen des Lamellenpakets an ihrem radial äußeren Bereich mehrere Öffnungen aufweisen, zu denen die Druckmittelleitung fluchtend angeordnet ist. Dadurch kann aus der Druckmittelleitung strömendes Druckmittel durch die Öffnungen der Außenlamellen strömen. Der dem Lamellenpaket zufließende Kühlmittelvolumenstrom kann somit zumindest reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Druckmittelleitung düsenförmig ausgebildet ist. Bei der düsenförmigen Ausbildung der Druckmittelleitung weist die Druckmittelleitung einen in Flussrichtung des Druckmittels verjüngenden Querschnitt auf, so dass sich die Fließgeschwindigkeit des die Druckmittelleitung durchströmenden Druckmittels erhöht.
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Das Kühlmittelsystem umfasst vorzugsweise einen Druckmittelspeicher und ein Schaltventil, mittels welchem ein Druckmittelvolumenstrom von dem Druckmittelspeicher zum Schaltelement einstellbar ist. Das Schaltventil kann beispielsweise als 2/2-Wegeventil ausgebildet sein. In nicht aktiviertem Zustand des Schaltventils wird dem Schaltelement kein Druckmittelvolumenstrom zugeführt, während bei betätigtem Schaltventil dem Schaltelement Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher über die Druckmittelleitung zugeführt wird.
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Das 2/2-Wegeventil ist beispielsweise als direktgesteuertes Magnetventil ausgebildet. Bei direktgesteuerten Magnetventilen wird die Magnetkraft direkt zum Öffnen oder Schließen des Ventils verwendet. Standardmäßig wird im stromlosen Zustand der Ventilsitz meist durch Federkraft geschlossen. Wird die Ventilspule mit elektrischer Spannung beaufschlagt, so hebt sich ein Ventilanker gegen diese Federkraft von dem Ventilsitz ab und das Ventil öffnet. Dabei hängen der maximale Betriebsdruck und der Volumenstrom direkt von der Magnetkraft ab. Derartige Ventile bauen besonders kompakt und sind vergleichsweise kostengünstig.
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Das Schaltventil kann auch als Druckregelventil mit Proportionalmagnet ausgebildet sein. Ein solches Proportionalmagnetventil hält über eine Feder einen Ventilsitz in stromlosem Zustand geschlossen. Zum Öffnen des Ventils wird die Magnetspule des Ventils erregt und es baut sich ein dem Strom proportionales Magnetfeld auf. Je nach Stromstärke wird der Ventilanker vom Ventilsitz abgehoben und dadurch der Durchlassquerschnitt proportional zur Stromstärke geändert. Nach Abschalten der Magnetspule drückt die Feder den Ventilanker auf den Ventilsitz und das Ventil ist geschlossen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen eines Lamellenpakets eines Schaltelements eines Getriebes mit einem flüssigen Kühlmittel sieht vor, dass ein dem Lamellenpaket zufließender Kühlmittelvolumenstrom mittels eines gasförmigen Druckmittels verändert wird.
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Das gasförmige Druckmittel zur Beeinflussung des dem Lamellenpaket zufließenden Kühlmittelvolumenstroms kann über einen Druckmittelspeicher oder direkt über einen Druckmittelerzeuger zur Verfügung gestellt werden. Ist ein Druckmittelspeicher vorgesehen, dann wird das Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher über ein Schaltventil freigegeben, welches in einer zum Schaltelement führenden Druckmittelleitung angeordnet ist.
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Der Druckmittelvolumenstrom zur Beeinflussung der Kühlmittelversorgung des Lamellenpakets ist in Abhängigkeit einer Betätigungsstellung des Schaltelements einstellbar. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nachdem ein zuvor geschlossenes und dabei von einem Kühlmittelvolumenstrom gekühltes Schaltelement wieder geöffnet wurde, der Kühlmittelvolumenstrom zum Lamellenpaket des Schaltelements erst zeitverzögert reduziert oder unterbrochen wird. Der Druckmittelvolumenstrom zur Reduzierung der dem Lamellenpaket zugeführten Kühlmittelmenge wird also erst nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit erzeugt und dem Schaltelement zur Beeinflussung des Kühlmittelvolumenstroms zugeführt.
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Durch die zeitverzögerte Reduzierung bzw. Unterbrechung des Kühlmittelvolumenstroms kann das Lamellenpaket bei geöffnetem Schaltelement noch nachgekühlt werden. Dadurch kann eine effektive Kühlung des Lamellenpakets realisiert werden. Die zeitverzögerte Reduzierung bzw. Unterbrechung des Kühlmittelvolumenstroms kann in Abhängigkeit einer ermittelten Temperatur der Lamellen des Lamellenpaketes und/oder in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmittels durchgeführt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung, welche mehrere Ausführungsformen zulässt, an Hand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines geöffneten Schaltelements in gekühltem Zustand,
- 2 eine schematische Darstellung eines geöffneten Schaltelements, wobei die Kühlmittelversorgung zum Lamellenpaket des Schaltelements unterbrochen oder zumindest reduziert ist,
- 3 eine weitere schematische Darstellung eines geöffneten Schaltelements, wobei die Kühlmittelversorgung zum Lamellenpaket des Schaltelements unterbrochen oder zumindest reduziert ist und
- 4 eine Draufsicht auf eine Innenlamelle des Lamellenpaktes gemäß 3.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltelements 1 in nicht betätigter, also geöffneter Schaltstellung. Das Schaltelement 1 ist als Schaltelement eines Automatgetriebes ausgebildet und umfasst einen Innenlamellenträger 5, an welchem Innenlamellen 3 des Lamellenpakets 2 axial verschiebbar angeordnet sind, und einen Außenlamellenträger 6, an welchem Außenlamellen 4 des Lamellenpakets 2 axial verschiebbar angeordnet sind. Bei eintretendem Reibeingriff der Innen- und Außenlamellen 3, 4 herrscht zwischen den Innen- und Außenlamellen 3, 4 noch eine Drehzahldifferenz vor. Aufgrund der Drehzahldifferenz zwischen den Außenlamellen 4 und den Innenlamellen 3 kommt es zu Beginn des Reibeingriffes zu einer großen Wärmeentwicklung.
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Zur Kühlung des reibschlüssigen Schaltelements 1 wird dasselbe über eine Kühlmittelleitung 7 mit Kühlmittel versorgt. Hierzu ist es bekannt, dem Lamellenpaket 2 des Schaltelements 1 über eine Kühlölpumpe 17 Kühlöl aus einem Schmierölkreislauf des Automatgetriebes zuzuführen. Die Kühlölpumpe 17 saugt Kühlöl aus beispielsweise einem Ölsumpf 18 des Getriebes an. Das von der Kühlölpumpe 17 angesaugte Kühlöl dient nicht nur der Kühlung des Lamellenpakets 2, sondern allgemein der Schmierung und Kühlung von im Automatgetriebe angeordneten Komponenten, wie Lager 9, Dichtungen und Zahnrädern. Zur Kühlung des Schaltelements 1 verwendetes Kühlöl wird nach der Kühlung des Lamellenpakets 2 wieder in den Ölsumpf 18 zurückgeführt.
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Die Kühlölpumpe 17 kann dabei von einem hier nicht dargestellten Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs betrieben werden. Dann ist der durch die Kühlölpumpe 17 erzeugte Kühlölvolumenstrom 8 proportional zu der Motordrehzahl des Antriebsmotors. Bei dem Motor kann es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor handeln.
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Ein Problem bei der Ölkühlung der Lamellen besteht darin, dass das von der Kühlölpumpe 17erzeugte und dem Lamellenpaket 2 zugeführte Kühlöl insbesondere bei geöffnetem Schaltelement 2 zwischen den Lamellen zu einem erhöhten Schleppmoment führt, welches den Getriebewirkungsgrad belastet.
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Die 2 zeigt das gemäß 1 beschriebene Schaltelement 1 ebenfalls in nicht betätigter, also geöffneter Schaltstellung. Die Kühlmittelversorgung des Schaltelements 1 erfolgt hier jedoch durch das erfindungsgemäße Kühlmittelsystem 10. Das Kühlmittelsystem 10 weist einen Druckmittelerzeuger 11 zur Erzeugung eines gasförmigen Druckmittels und eine Druckmittelleitung 12 auf. Die Druckmittelleitung 12 ist derart in dem Außenlamellenträger 6 des Schaltelements 1 angeordnet, dass diese direkt in die Kühlmittelleitung 7 einmündet, hier in etwa rechtwinklig. Zur Reduzierung der Schleppmomentverluste bei geöffnetem Schaltelement 1 wird der von der Kühlölpumpe 17 erzeugte und dem Lamellenpaket 2 zufließende Kühlölvolumenstrom 8 durch einen die Druckmittelleitung 12 durchströmenden Druckmittelvolumenstrom 14 unterbrochen. Folglich befindet sich zwischen den Innenlamellen 3 und Außenlamellen 4 des Lamellenpakets kein flüssiges Kühlmittel mehr, wodurch das Schleppmoment des nicht betätigten Schaltelements 1 erheblich reduziert ist.
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Während dem Schließen des Schaltelements 1 hingegen wird der Druckmittelvolumenstrom 14 unterbrochen und der Kühlmittelvolumenstrom 8 wird ohne Beeinflussung durch den Druckmittelvolumenstrom 14 zum Lamellenpaket 2 geführt, wodurch eine maximale Kühlung des Lamellenpakets 2 erfolgen kann.
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Das Kühlmittelsystem weist zudem ein Schaltventil 15 auf, welches gemäß 2 als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist. Wird das Schaltventil 15 betätigt, dann wird die zum Schaltelement 1 führende Druckmittelleitung 12 mit dem Druckmittelspeicher 13 verbunden und die Kühlölversorgung des Lamellenpakets 2 durch den die Druckmittelleitung 12 durchströmenden Druckmittelvolumenstrom 14 unterbrochen. Die Ventilbetätigung ist hier durch einen Pfeil angedeutet und kann beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.
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Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 beschriebenen Schaltelement 1 weist das Schaltelement 1 gemäß 3 ein Lamellenpaket 2 auf, dessen Innenlamellen 3 an ihrem radial inneren Bereich mehrere Durchlassöffnungen 16 aufweisen. Die Druckmittelleitung 12 des Kühlmittelsystems 10 ist hier in dem Außenlamellenträger 6 fluchtend zu den in den Innenlamellen 3 ausgebildeten Durchlassöffnungen 16 angeordnet. Auch hier ist das Schaltelement 1 in seiner geöffneten Schaltstellung dargestellt, in welcher der Kühlölvolumenstrom 8 zum Lamellenpaket 2 zumindest reduziert wird. Bei betätigtem Schaltventil 15 werden die Durchlassöffnungen 16 der Innenlamellen 3 von dem durch die Druckmittelleitung 12 strömenden Druckmittel durchströmt, wodurch der dem Lamellenpaket 2 zufließende Kühlmittelvolumenstrom 8 zumindest stark vernebelt wird. Auch hierdurch wird das Schleppmoment des nicht betätigten Schaltelements 1 erheblich reduziert.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Innenlamelle 3 des Schaltpakets 1 gemäß 3. An ihrem radial inneren Bereich weist die Innenlamelle 3 mehrere über den Umfang gleichmäßig verteilte Durchlassöffnungen 16 auf, welche gemäß der Ausbildungsform von 3 von einem Druckmittelvolumenstrom 14 durchflossen werden können, um die Kühlölzufuhr zum Lamellenpaket 2 zumindest zu reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltelement
- 2
- Lamellenpaket
- 3
- Innenlamellen
- 4
- Außenlamellen
- 5
- Innenlamellenträger
- 6
- Außenlamellenträger
- 7
- Kühlmittelleitung
- 8
- Kühlmittelvolumenstrom
- 9
- Lager
- 10
- Kühlmittelsystem
- 11
- Druckmittelerzeuger
- 12
- Druckmittelleitung
- 13
- Druckmittelspeicher
- 14
- Druckmittelvolumenstrom
- 15
- Schaltventil
- 16
- Durchlassöffnung
- 17
- Kühlmittelpumpe
- 18
- Ölsumpf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0154894 A1 [0003]
