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Die Erfindung betrifft ein Kupplungsaggregat und ein Verfahren, mit deren Hilfe eine Motorwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes und/oder mit einer Zwischenwelle eines Hybrid-Antriebsstrangs gekoppelt werden kann.
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Beispielsweise aus
WO 2008/092426 A2 ist ein Hybrid-Antriebsstrang für ein HybridFahrzeug bekannt, bei dem eine Motorwelle einer Brennkraftmaschine über ein zwischengeschaltetes Zweimassenschwungrad mit Hilfe einer als Lamellenkupplung ausgestalteten Reibungskupplung mit einer Zwischenwelle gekoppelt werden kann, an der ein Rotor einer elektrischen Maschine angebunden ist. Die Zwischenwelle kann über eine Steckverzahnung mit einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes gekoppelt sein.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis möglichst große Drehmomente in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs übertragen zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute Übertragung hoher Drehmomente in einem Antriebsstrang ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kupplungsaggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Kupplungsaggregat zur Koppelung einer Motorwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes und/oder mit einer Zwischenwelle eines Hybrid-Antriebsstrangs, mit einem mit der Motorwelle direkt oder indirekt koppelbaren Eingangselement zum Einleiten eines Drehmoments, einem relativ zu dem Eingangselement drehbaren Ausgangselement zum Ausleiten des Drehmoments, einer Reibungskupplung zum reibschlüssigen Koppeln des Eingangselement mit dem Ausgangselement bis zu einem Grenzdrehmoment und einer parallel zur Reibungskupplung geschalteten Formschlusskupplung zum formschlüssigen Koppeln des Eingangselement mit dem Ausgangselement und zur Übertragung eines oberhalb des Grenzdrehmoment liegenden Drehmoments.
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Wenn ein Drehmomentfluss zwischen der Brennkraftmaschine und dem übrigen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs hergestellt werden soll, befindet sich die Brennkraftmaschine in der Regel auf einem eher niedrigen Leistungsniveau, auf dem ein eher geringes Drehmoment erzeugt wird, das unterhalb des noch übertragbaren Grenzdrehmoments der Reibungskupplung liegt. Zum Ankoppeln der Brennkraftmaschine kann somit zunächst die Reibungskupplung geschlossen werden, wodurch in einem Schlupfbetrieb der Reibungskupplung eine Drehzahlsynchronisation des Ausgangselements mit dem Eingangselement erfolgt. Zum Ende der Drehzahlsynchronisation hin oder nach der Drehzahlsynchronisation kann ein Schließen der Formschlusskupplung begonnen werden. Wenn nun die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine erhöht wird und das Drehmoment immer größer wird, kann das an dem Kupplungsaggregat angreifende Drehmoment das Grenzdrehmoment der Reibungskupplung ohne Probleme übersteigen. Der Drehmomentfluss kann hierbei zumindest teilweise über die Formschlusskupplung erfolgen, welche die Reibungskupplung überbrückt. Aufgrund des Formschlusses in der Formschlusskupplung können auch extrem hohe Drehmomente übertragen werden. Falls nach der über die Reibungskupplung erreichten Drehzahlsynchronisation die formschlüssig zusammenwirkenden Elemente der Formschlusskupplung sich zufälligerweise in einer Relativwinkellage zueinander befinden sollten, in denen die Herstellung eines Formschlusses in der Formschlusskupplung blockiert ist, kann die Formschlusskupplung automatisch in die Schließstellung gelangen, wenn in der Reibungskupplung das Grenzdrehmoment überschritten wird und eine Relativdrehung der Ausgangsseite zur Eingangsseite beginnt. Die Relativdrehung erfolgt jedoch bei einer sehr geringen Drehzahldifferenz, so dass die Formschlusskupplung ohne Probleme in die formschlüssig geschlossene Schließstellung gelangen kann, ohne dass unzulässig starke Tangentialkräfte zwischen den formschlüssig zusammenwirkenden Elementen der Formschlusskupplung auftreten. Da die Reibungskupplung nur eine Vorsynchronisation des Ausgangselements zum Eingangselement bewirken muss, kann die Reibungskupplung für ein deutlich geringeres Grenzdrehmoment ausgelegt sein. Die Reibungskupplung kann hierzu insbesondere als Plattenkupplung ausgestaltet sein, bei der mit Hilfe genau einer axial verlagerbaren Anpressplatte eine Kupplungsscheibe und/oder ein mit der Anpressplatte oder mit einer Gegenplatte verbundener Reibbelag zwischen der Anpressplatte und genau einer Gegenplatte reibschlüssig verpresst werden kann. Die Reibungskupplung muss nicht als Mehrscheibenkupplung oder Lamellenkupplung ausgestaltet sein, so dass die Herstellungskosten und der Bauraumbedarf gesenkt werden können. Gleichzeitig kann die Formschlusskupplung extrem hohe Drehmomente übertragen, wobei ein verschleißarmer und beschädigungsfreies Schließen der Formschlusskupplung mit Hilfe der zum Zwecke der Vorsynchronisation vorher betätigten Reibungskupplung sichergestellt werden kann. Durch die Vorsynchronisation der für niedrige Drehmomente ausgelegten Reibungskupplung kann ein unproblematisches Schließen der zur Übertragung sehr hoher Drehmomente geeigneten Formschlusskupplung erreicht werden, so dass bauraumsparend eine gute Übertragung hoher Drehmomente in einem Antriebsstrang ermöglicht ist.
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Insbesondere weist das Ausgangselement oder das Eingangselement ein zur Herstellung und/oder Aufhebung eines Formschlusses der Formschlusskupplung axial verlagerbar ausgestaltetes Betätigungselement auf. Das Betätigungselement kann insbesondere koaxial zur Drehachse des Eingangselements und des Ausgangselements angeordnet sein und insbesondere axial geführt sein. Der eingangsseitig angebundene Teil des Eingangselements und der ausgangsseitige angebundene Teil des Ausgangselements können bei der Betätigung der Formschlusskupplung in axialer Richtung unbeweglich bleiben. Ein auszugleichender Axialversatz zu weiteren Komponenten des Antriebsstrangs kann dadurch vermieden werden. Beispielsweise ist das Betätigungselement als ein axial an dem Ausgangselement oder dem Eingangselement mittelbar oder unmittelbar geführter Außenring ausgestaltet, der im geschlossenen Zustand ein formschlüssiges tangentiales Anschlagen zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement herbeiführt und im geöffneten Zustand die im geschlossenen Zustand tangential aneinander anschlagenden Teile der Formschlusskupplung soweit zueinander beabstandet, dass eine Relativdrehung des Ausgangselements zum Eingangselement nicht mehr blockiert, sondern zugelassen ist.
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Vorzugsweise ist eine, insbesondere als Tellerfeder ausgestaltete, Rückstellfeder zur Positionierung des Betätigungselements in einer, insbesondere der geschlossenen Stellung der Formschlusskupplung entsprechenden, Ausgangslage vorgesehen, wobei ein Betätigungsaktor zur Verlagerung des Betätigungselements aus der Ausgangslage vorgesehen ist. Die als Tellerfeder ausgestaltet Rückstellfeder kann auf einem geringen Bauraum eine hohe Schließkraft zum Schließen der Formschlusskupplung bereitstellen. Die Formschlusskupplung kann „normally closed“ ausgestaltet sein, so dass nur zum Abkoppeln der Brennkraftmaschine vom übrigen Antriebsstrang, beispielsweise in einem Segelbetrieb oder einen rein elektrischen Betrieb, der Betätigungsaktor von einer externen Energiequelle betätigt werden muss. Alternativ kann die Formschlusskupplung als „normally open“ ausgestaltet sein, so dass bei einem technischen Defekt des Kupplungsaggregats ein Drehmomentfluss unterbrochen werden kann. Der Betätigungsaktor kann beispielsweise elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden, um eine die Schließkraft der Rückstellfeder überwindende Öffnungskraft aufzubringen.
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Besonders bevorzugt weist die Formschlusskupplung, insbesondere von dem Eingangselement ausgebildete, axial abstehende Zähne und, insbesondere von dem Ausgangselement ausgebildete, axial geöffnete Aufnahmetaschen auf, wobei in der jeweiligen Aufnahmetasche eine Kugel zur formschlüssigen tangentialen Anlage an dem Zahn aufgenommen ist. Der Formschluss der Formschlusskupplung kann durch ein Eingreifen der aus der zugeordneten Aufnahmetasche teilweise herausragenden Kugel in einen Zahnzwischenraum der axial gegenüberliegenden Zähne erfolgen. Zur Drehmomentübertragung kann eine Kraft mit einem Anteil in tangentialer Richtung zwischen dem jeweiligen Zahn und der Kugel einerseits und zwischen der Kugel und dem Ausgangselement oder Eingangselement andererseits erfolgen. Beispielsweise sind die Zähne von dem Eingangselements ausgebildet, wobei das Ausgangselement eine beispielsweise als Außenverzahnung ausgestaltete Sperrkontur aufweist, an der die Kugeln tangential anschlagen können. In der Schließstellung der Formschlusskupplung kann das zu übertragende Drehmoment über die tangential an den Kugeln anschlagenden Zähnen des Eingangselements an die tangential an den selben Kugeln anschlagende Sperrkontur des Ausgangselements formschlüssig zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement ausgetauscht werden. Die Aufnahmetasche ist insbesondere Teil eines relativ zu den in axialer Richtung abstehenden Zähnen axial verlagerbaren Betätigungselements. Durch die sphärische Form der Kugel, kann die jeweilige Kugel leicht in den Zahnzwischenraum eingefädelt beziehungsweise eingespurt werden, so dass ein zu Beginn der Schließbewegung der Formschlusskupplung gegebenenfalls noch vorliegender Versatz in Umfangsrichtung durch die angreifende Schließkraft ausgeglichen werden kann. Besonders bevorzugt ist das Grenzdrehmoment in Abhängigkeit von der vorgesehenen axialen Schließkraft der Formschlusskupplung bei der Schließbewegung derart niedrig dimensioniert, dass die Schließkraft ausreicht die Haftreibung der Reibungskupplung im geschlossenen Zustand zu überwinden. Insbesondere weisen die Zähne eine in Umfangsrichtung möglichst schmale nach radial außen weisende Kopffläche auf. Der Zahn kann beispielsweise mit einer Spitze und/oder einer Einfädelfase versehen sein. Das Risiko, dass die Kugel in einem (meta-)stabilen Kraftgleichgewicht an der Kopffläche des axial gegenüberliegenden Zahns anschlägt und die Schließbewegung blockiert, kann dadurch reduziert oder sogar nahezu vollständig eliminiert werden. Zudem ist ein separater axialer Endanschlag für das Betätigungselement nicht erforderlich und kann eingespart werden.
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Insbesondere ist die Kugel im geschlossenen Zustand der Formschlusskupplung zwischen zwei in Umfangsrichtung nachfolgenden Zähnen spielfrei eingesetzt. Der Zahnzwischenraum zwischen zwei in Umfangsrichtung nachfolgenden Zähnen kann sich nach radial innen soweit verjüngen, dass die axiale Relativbewegung der Kugel erst dann endet, wenn die Kugel an den aufeinander zu weisenden Zahnflanken beider Zähne des betrachteten Zahnzwischenraums anliegt. Klappergeräusche bei Drehmomentschwankungen und ein unnötig erhöhter Verschleiß durch Lastwechsel können dadurch vermieden werden.
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Vorzugsweise weist das Ausgangselement eine Außenverzahnung oder eine Innenverzahnung zur Ausbildung einer axial relativ bewegbaren Steckverzahnung mit einem im Drehmomentfluss nachfolgenden Drehmomentübertragungselement, insbesondere eine Zwischenwelle zur Anbindung eines Rotors einer elektrischen Maschine eines Hybrid-Antriebsstrangs, auf. Die Steckverzahnung erlaubt eine drehfeste aber axial verschiebbare Koppelung, so dass das Kupplungsaggregat als vormontierte Baueinheit leicht durch eine axiale Relativbewegung mit einer Getriebeeingangswelle oder Zwischenwelle montiert werden kann.
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Besonders bevorzugt ist das Ausgangselement über ein, insbesondere als Wälzlager ausgestaltetes, Lager an dem Eingangselement gelagert und zentriert. Ein Verkippen des Ausgangselements relativ zum Eingangselement kann dadurch vermieden werden, so dass eine Beeinträchtigung des Formschlusses der Formschlusskupplung im geschlossenen Zustand vermieden ist. Gleichzeitig kann eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Reibpaarungen der Reibungskupplung sichergestellt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Hybrid-Antriebsstrang für ein Hybrid-Kraftfahrzeug, mit einer eine Motorwelle aufweisenden Brennkraftmaschine zum Antrieb des Hybrid-Kraftfahrzeug, einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Hybrid-Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine einen mit einem Stator zusammenwirkenden Rotor aufweist, einer mit dem Rotor gekoppelten Zwischenwelle und einem Kupplungsaggregat, das wie vorstehend beschrieben aus und weitergebildet sein kann, zur Koppelung der Motorwelle mit der Zwischenwelle, wobei insbesondere dem Kupplungsaggregat im Drehmomentfluss im Zugbetrieb nachfolgend ein Drehschwingungsdämpfer zu Dämpfung von Drehungleichförmigkeiten im von der Brennkraftmaschine erzeugten Drehmoment vorgesehen ist. Durch die Vorsynchronisation der für niedrige Drehmomente ausgelegten Reibungskupplung kann ein unproblematisches Schließen der zur Übertragung sehr hoher Drehmomente geeigneten Formschlusskupplung erreicht werden, so dass bauraumsparend eine gute Übertragung hoher Drehmomente in einem Hybrid-Antriebsstrang ermöglicht ist. Da das Kupplungsaggregat besonders hohe Drehmomente übertragen kann, kann das Kupplungsaggregat auch durch Drehzahlschwankungen im von der Brennkraftmaschine erzeugten Drehmoment auftretenden Drehmomentspitzen gut übertragen, so dass das Kupplungsaggregat auch im Drehmomentfluss zwischen der Brennkraftmaschine und dem Drehschwingungsdämpfer vorgesehen sein kann.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koppeln einer Motorwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes und/oder mit einer Zwischenwelle eines Hybrid-Antriebsstrangs, bei dem ein Eingangselement zum Einleiten eines Drehmoments mit einem Ausgangselement zum Ausleiten des Drehmoments reibend synchronisiert wird, eine formschlüssig Koppelung des Eingangselements mit dem Ausgangselement während oder nach der Synchronisation herbeigeführt wird, wobei insbesondere die formschlüssig Koppelung bei einem oberhalb eines für die reibende Synchronisation vorgesehen maximalen Grenzdrehmoments anliegenden Drehmoments abgeschlossen wird. Vorzugsweise wird zur Koppelung der Motorwelle mit der Zwischenwelle ein Kupplungsaggregat, das wie vorstehend beschrieben aus und weitergebildet sein kann, verwendet. Das Verfahren kann insbesondere wir vorstehend anhand des Kupplungsaggregats erläutert aus- und weitergebildet sein. Durch die reibschlüssige Vorsynchronisation kann ein unproblematisches Schließen der formschlüssigen Drehmomentübertragung erreicht werden, so dass bauraumsparend eine gute Übertragung hoher Drehmomente in einem Antriebsstrang ermöglicht ist.
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Insbesondere wird zunächst die reibschlüssige Synchronisation abgeschlossen, bevor die formschlüssige Koppelung begonnen und/oder abgeschlossen wird. Falls nach der reibschlüssigen Drehzahlsynchronisation die formschlüssig zusammenwirkenden Elemente für die formschlüssige Koppelung sich zufälligerweise in einer Relativwinkellage zueinander befinden sollten, in denen die Herstellung eines Formschlusses blockiert ist, kann der Formschluss nach der reibschlüssigen Drehzahlsynchronisation automatisch erfolgen, wenn ein maximales Grenzdrehmoment der reibschlüssigen Koppelung überschritten wird und wieder ein Schlupfbetrieb in der Reibungskupplung beginnt. Die Drehzahldifferenz im in diesen Fall eintretenden Schlupfbetrieb ist jedoch so gering, dass die Elemente für die formschlüssige Koppelung ohne Probleme in die formschlüssig geschlossene Schließstellung gelangen können, ohne dass unzulässig starke Tangentialkräfte zwischen den formschlüssig zusammenwirkenden Elementen auftreten.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittansicht einer Formschlusskupplung im geöffneten Zustand und
- 2: eine schematische Schnittansicht der Formschlusskupplung aus 1 im geschlossenen Zustand.
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Das insbesondere zum An- und/oder Abkoppeln einer Brennkraftmaschine an beziehungsweise von einem Hybrid-Antriebsstrang eines Hybrid-Kraftfahrzeugs vorgesehene Kupplungsaggregat weist ein Eingangselement 10 zum Einleiten des in der Brennkraftmaschine erzeugten Drehmoments und ein Ausgangselement 12 zum Ausleiten des Drehmoments auf. Das Eingangselement 10 kann mit dem Ausgangselement 12 über eine nicht dargestellte Reibungskupplung reibschlüssig gekoppelt werden, wobei ein maximal übertragbares Grenzdrehmoment der Reibungskupplung deutlich unterhalb des maximal von dem Kupplungsaggregat zu übertragenen Maximaldrehmoments liegt. Um auch ein Drehmoment oberhalb des Grenzdrehmoments der Reibungskupplung übertragen zu können, ist zu der Reibungskupplung eine in 1 und 2 dargestellte Formschlusskupplung 14 parallel geschaltet, um die Reibungskupplung in diesem Fall zu überbrücken.
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Zur Ausbildung des Formschlusses der Formschlusskupplung 14 weist das Eingangselement 10 in axialer Richtung abstehende Zähne 16 auf. In einen Zahnzwischenraum der Zähne 16 kann jeweils eine Kugel 18 eingefädelt werden. Hierzu weist das Ausgangelement 12 ein als axial verschiebbar geführten Außenring ausgestaltetes Betätigungselement 20 auf, das die Kugel 18 von der in 1 dargestellten geöffneten Stellung in die in 2 dargestellte Schließstellung verlagern kann. Das Betätigungselement 20 weist in axialer Richtung geöffnete Aufnahmetaschen 22 auf, in denen jeweils eine Kugel 18, insbesondere im Wesentlichen in Umfangsrichtung spielfrei, teilweise eingesetzt ist. Mit dem aus der Aufnahmetasche 22 axial herausragenden Teil kann die Kugel 18 in den Zahnzwischenraum der Zähne 16 eingreifen. Das Ausgangselement 12 kann eine beispielsweise als Außenverzahnung ausgestaltete Sperrkontur 24 aufweisen, an der die Kugeln 18 tangential anschlagen können. In der Schließstellung der Formschlusskupplung kann das zu übertragende Drehmoment über die tangential an den Kugeln 18 anschlagenden Zähnen 16 des Eingangselements 10 an die tangential an den selben Kugeln 18 anschlagende Sperrkontur 24 des Ausgangselements 12 formschlüssig zwischen dem Eingangselement 10 und dem Ausgangselement 12 ausgetauscht werden.
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Zur axialen Verlagerung des Betätigungselements 20 in die Schließstellung ist eine als Tellerfeder ausgestaltete Rückstellfeder 26 vorgesehen, die an ihrem äußeren Kraftrand an dem Betätigungselement 20, insbesondere mit Federvorspannung, anliegt und an ihrem inneren Kraftrand, vorzugsweise über einen zur Lagerung der Rückstellfeder 26 vorgesehenen Drahtring 28, an dem Ausgangselement 12 axial abgestützt ist. Zur axialen Abstützung der Rückstellfeder 26 kann ein in dem Ausgangselement 12 eingesetzter Sicherungsring 30 vorgesehen sein. Zur Verlagerung des Betätigungselements 20 in die geöffnete Stellung der Formschlusskupplung 14 kann ein an dem Betätigungselement 20 axial angreifender nicht dargestellter Betätigungsaktor vorgesehen sein, der das Betätigungselement 20 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 26 axial verlagern kann. Zudem kann das Ausgangselement 12 an dem Eingangselement 10 über ein als zweireihiges Rillenkugellager ausgestaltetes Lager 32 gelagert und im Wesentlichen kippfrei zentriert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Eingangselement
- 12
- Ausgangselement
- 14
- Formschlusskupplung
- 16
- Zahn
- 18
- Kugel
- 20
- Betätigungselement
- 22
- Aufnahmetasche
- 24
- Sperrkontur
- 26
- Rückstellfeder
- 28
- Drahtring
- 30
- Sicherungsring
- 32
- Lager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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