DE102019204315A1

DE102019204315A1 - Betätigungseinrichtung für eine schaltbare Kupplung sowie schaltbare Kupplung mit derselben

Info

Publication number: DE102019204315A1
Application number: DE102019204315.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Rüchardt
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für eine schaltbare Kupplung. Die Betätigungseinrichtung umfasst einen ersten Ringkolben und einen zweiten Ringkolben, die in axialer Richtung hintereinander in einem Hohlzylinder gelagert sind. Der erste Ringkolben ist zum Betätigen der Kupplung verschiebbar in dem Hohlzylinder gelagert und der zweite Ringkolben ist über eine Feder gegenüber einem Boden des Hohlzylinders abgestützt. Zwischen dem ersten Ringkolben und dem ersten zweiten Ringkolben ist ein Hohlraum gebildet, in den mittels eines in axialer Richtung durch den zweiten Ringkolben führenden Druckversorgungselements ein Druckmittel einbringbar ist, um einen Druck in dem Hohlraum zu erhöhen. Wenn über das Druckversorgungselement kein Druckmittel in den Hohlraum zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum eingebracht ist, liegt der zweite Ringkolben an dem ersten Ringkolben an, so dass die durch die Feder auf den zweiten Ringkolben ausgeübte Kraft über den ersten Ringkolben auf die Kupplung übertragen wird. Wenn über das Druckversorgungselement das Druckmittel in den Hohlraum zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum eingebracht wird, ist eine an dem zweiten Ringkolben angeordnete Fixiervorrichtung eingerichtet, den zweiten Ringkolben relativ zu dem Hohlzylinder zu fixieren, so dass sich der erste Ringkolben relativ zu dem fixierten zweiten Ringkolben bewegt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungseinrichtung für eine schaltbare Kupplung sowie eine schaltbare Kupplung mit derselben.
Bei pneumatisch betätigten Kupplungen verschiebt sich durch den Verschleiß der Kupplung der Arbeitsbereich im Zylinder der Betätigungseinrichtung. Bei gedrückt betätigten Kupplung wird das Totvolumen im Zylinder mit zunehmendem Verschleiß der Kupplung immer kleiner, während bei gezogen betätigten Kupplung des Totvolumen mit zunehmendem Verschließ der Kupplung immer größer wird. Der sich durch den Verschleiß der Kupplung verschiebende Arbeitsbereich muss im Zylinder vorgehalten werden.
Je größer das Totvolumen, desto größer ist die Verzögerung bis die Kupplung anspricht. Ebenso verschlechtert sich die Genauigkeit der Positionsregelung mit zunehmendem Totvolumen. Somit führt ein größeres Totvolumen zu verlängerten Schaltzeiten und einer ungenaueren Bestimmung des Anlegepunkts der Kupplung. In Summe führt ein größeres Totvolumen somit zu einer verminderten Rangierqualität.
Um eine Nachstellung der Kupplungsbetätigung bei Verschleiß der Kupplung zu ermöglichen, wird in der Druckschrift WO 2007/121959 A1 ein komplizierter Kupplungsaufbau mit einer Vielzahl an Einzelbauteilen vorgeschlagen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bei Verschleiß der Kupplung nachstellbare und konstruktiv einfachere Betätigungseinrichtung bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Betätigungseinrichtung für eine schaltbare Kupplung sowie eine schaltbare Kupplung mit derselben gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in den Figuren beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Betätigungseinrichtung für eine schaltbare Kupplung. Die Betätigungseinrichtung umfasst einen ersten Ringkolben und einen zweiten Ringkolben, die in axialer Richtung hintereinander in einem Hohlzylinder gelagert sind. Der erste Ringkolben ist zum Betätigen der Kupplung in axialer Richtung verschiebbar in dem Hohlzylinder gelagert. Dazu ist der erste Ringkolben über eines oder mehrere Elemente wie etwa ein Ausrücklager mit der Kupplung verbunden. Der zweite Ringkolben ist über eine Feder gegenüber einem Boden des Hohlzylinders abgestützt.
Zwischen dem ersten Ringkolben und dem zweiten Ringkolben ist in axialer Richtung ein Hohlraum gebildet, in den mittels eines in axialer Richtung durch den zweiten Ringkolben verlaufenden Druckversorgungselements ein Druckmittel einbringbar ist, um einen Druck in dem Hohlraum zu erhöhen. Mit anderen Worten: Der Hohlraum ist über das Druckversorgungselements mit Druck beaufschlagbar. Bei dem Druckmittel kann es sich sowohl um ein inkompressibles Fluid wie etwa ein Öl oder um ein kompressibles Fluid wie Druckluft handeln.
Wenn über das Druckversorgungselement kein Druckmittel in den Hohlraum zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum eingebracht ist, liegt der zweite Ringkolben an dem ersten Ringkolben an (z.B. direkt bzw. unmittelbar oder indirekt bzw. mittelbar über ein dazwischen angeordnetes Zwischenstück wie etwa einen Ring oder Ringscheibe), so dass die durch die Feder auf den zweiten Ringkolben ausgeübte Kraft über den ersten Ringkolben auf die Kupplung übertragen wird. Mit anderen Worten: Wenn der Zylinder drucklos ist, liegt der zweite Ringkoben am ersten Ringkolben an, so dass die Vorspannung der Feder auf den ersten Ringkolben und somit die Kupplung übertragen wird. Im drucklosen Zustand kann somit eine Vorlast auf die Kupplung übertragen werden.
Wenn über das Druckversorgungselement das Druckmittel in den Hohlraum zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum eingebracht wird, ist eine an dem zweiten Ringkolben angeordnete Fixiervorrichtung (bzw. in den zweiten Ringkolben integrierte Fixiervorrichtung) eingerichtet, den zweiten Ringkolben relativ zu dem Hohlzylinder zu fixieren, so dass sich der erste Ringkolben relativ zu dem fixierten zweiten Ringkolben bewegt. Das heißt, wenn der Hohlzylinder mit dem Druckmittel beaufschlagt wird, entsteht zwischen dem ersten Ringkolben und dem zweiten Ringkolben ein Überdruck, der die Fixiervorrichtung aktiviert, so dass sich der zweite Ringkolben nicht mehr frei im Hohlzylinder bewegen kann. Sobald der Druck im Hohlzylinder steigt, fixiert die Fixiervorrichtung somit den zweiten Ringkolben relativ zum Hohlzylinder, während der erste Ringkolben sich zu bewegen beginnt und die Kupplung betätigt.
Dadurch, dass der zweite Ringkolben über die an ihm angeordnete Fixiervorrichtung relativ zu dem Hohlzylinder fixiert wird, muss nur der relativ kleine Hohlraum zwischen dem ersten und dem zweiten Ringkolben mit dem Druckmittel beaufschlagt werden, um über eine druckinduzierte Bewegung des ersten Ringkolbens die Kupplung zu betätigen. Es muss nicht das gesamte Restvolumen des Hohlzylinders, das nicht von den beiden Ringkolben selbst ausgefüllt ist, mit dem Druckmittel beaufschlagt werden. Das Totvolumen des Hohlzylinders, das mit dem Druckmittel beaufschlagt werden muss, ist somit gering. Da im drucklosen Zustand die Vorspannung der Feder über den ersten und den zweiten Ringkolben auf die Kupplung übertragen wird und die beiden Ringkolben in axialer Richtung verschiebbar sind, erfolgt automatisch eine Nachstellung der Axialpositionen der beiden Ringkolben bei Verschleiß der Kupplung. Der Hohlraum bzw. das mit dem Druckmittel zu beaufschlagende Totvolumen zwischen dem ersten und dem zweiten Ringkolben bleibt somit im Wesentlichen konstant bei Verschleiß der Kupplung. Somit kann eine genaue Positionsregelung der Kupplung bei geringen Schaltzeiten über die gesamte Lebensdauer der Kupplung erzielt werden. Aufgrund der Anordnung der Fixiervorrichtung am zweiten Ringkolben und der Führung des Druckversorgungselements durch den zweiten Ringkolben ergibt sich zudem ein konstruktiv einfacher Aufbau der Betätigungseinrichtung.
In einigen Ausführungsbeispielen ist das Druckversorgungselement ein in axialer Richtung durch den Boden des Hohlzylinders verlaufender Hohlkörper, der mit dem Druckmittel beaufschlagbar ist. Der zweite Ringkolben ist entsprechend in axialer Richtung relativ zu dem Druckversorgungselement verschiebbar gelagert. Das Druckversorgungselement kann sich beispielsweise innerhalb der Feder in axialer Richtung vom Boden des Hohlzylinders zum zweiten Ringkolben erstrecken.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Fixiervorrichtung entlang einer in axialer Richtung verlaufenden Oberfläche des zweiten Ringkolbens angeordnet und eingerichtet, den zweiten Ringkolben über einen Kraftschluss mit einer in axialer Richtung verlaufenden Oberfläche des Hohlzylinders relativ zu dem Hohlzylinder zu fixieren. Mit anderen Worten: Die Fixiervorrichtung kann an einer Mantelfläche des zweiten Ringkolbens angeordnet sein, um bei Druckbeaufschlagung mittels Kraftschluss mit einer Mantelfläche des Hohlzylinders den zweiten Ringkolben relativ zum Hohlzylinder zu fixieren. Die Position des zweiten Ringkolbens kann bei Verschleiß der Kupplung somit im Wesentlich stufenlos bzw. kontinuierlich nachgeführt werden.
Die Fixiervorrichtung umfasst in einigen Ausführungsbeispielen zwei keilförmige Körper, die zwischen der Oberfläche des zweiten Ringkolbens und der Oberfläche des Hohlzylinders angeordnet sind. Einer der zwei keilförmigen Körper ist abhängig von dem Druck in dem Hohlraum relativ zu dem anderen der zwei keilförmigen Körper bewegbar, so dass die zwei keilförmigen Körper einen Kraftschluss zwischen der Oberfläche des zweiten Ringkolbens und der Oberfläche des Hohlzylinders erzeugen, wenn über das Druckversorgungselement das Druckmittel in den Hohlraum zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum eingebracht wird. Beispielsweise kann sich der eine der zwei keilförmigen Körper getrieben durch den sich im Hohlraum aufbauenden Druck über die schiefe Ebene des anderen der zwei keilförmigen Körper entlang bewegen, so dass der eine der zwei keilförmigen Körper von dem anderen der zwei keilförmigen Körper in radialer Richtung gegen die Oberfläche des Hohlzylinders gedrückt wird, um den Kraftschluss zu erzeugen.
In alternativen Ausführungsbeispielen ist die Fixiervorrichtung eingerichtet, den zweiten Ringkolben über einen Formschluss mit einem zwischen dem zweiten Ringkolben und dem Boden des Hohlzylinders angeordneten Referenzelement relativ zu dem Hohlzylinder zu fixieren. Mit anderen Worten: Die Fixiervorrichtung ist im Wesentlichen an der dem Boden des Hohlzylinders zugewandten Seite des zweiten Ringkolbens angeordnet, um bei Druckbeaufschlagung mittels Formschluss mit dem unbeweglichen Referenzelement den zweiten Ringkolben relativ zum Hohlzylinder zu fixieren.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist das Referenzelement ein Hohlkörper mit in axialer Richtung sequentiell angeordneten Vertiefungen. Mit anderen Worten: In dem Hohlkörper ist in axialer Richtung eine Mehrzahl an Vertiefungen eingebracht. Die Fixiervorrichtung umfasst ein erstes Element, das eingerichtet ist, zweite Elemente der Fixiervorrichtung zur Erzeugung des Formschlusses in jeweilige der sequentiell angeordneten Vertiefungen des Hohlkörpers zu pressen, wenn über das Druckversorgungselement das Druckmittel in den Hohlraum zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum eingebracht wird. Das erste Element der Fixiervorrichtung wirkt somit bei sich im Hohlraum aufbauenden Druck auf die zweiten Elemente der Fixiervorrichtung, so dass diese in Vertiefungen des Hohlkörpers gepresst werden, um den Formschluss mit dem Referenzelement zu erzielen. Da die Vertiefungen im Hohlkörper sequentiell in axialer Richtung eingebracht sind, kann die Position des zweiten Ringkolbens bei Verschleiß der Kupplung somit im Wesentlich gestuft bzw. inkrementell nachgeführt werden.
In einigen Ausführungsbeispielen, wenn über das Druckversorgungselement kein Druckmittel in den Hohlraum zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum eingebracht wird, ist der Druck in dem Hohlraum im Wesentlich gleich zu einem Druck in einem die Feder umgebenden weiteren Hohlraum zwischen dem zweiten Ringkolben und dem Boden des Hohlzylinders. Mit anderen Worten: In den Hohlräumen, die den zweiten Ringkolben in axialer Richtung umschließen, herrscht der gleiche Druck. Auf den zweiten Ringkolben wirkt im drucklosen Zustand somit im Wesentlichen nur die Kraft der Feder sowie die von der Kupplung auf die Betätigungseinrichtung wirkende Kraft.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen überlappen der erste Ringkolben und der zweite Ringkolben in axialer Richtung nicht. Mit anderen Worten: Es gibt in axialer Richtung keine Überschneidung zwischen dem ersten Ringkolben und dem zweiten Ringkolben.
Die durch die Feder auf den zweiten Ringkolben ausgeübte Kraft ist gemäß einigen Ausführungsbeispielen geringer als eine zum Betätigen der Kupplung notwendige Kraft. Mit anderen Worten: Mittels der von der Feder über die beiden Ringkolben auf die Kupplung ausgeübte Kraft kann die Kupplung vorgespannt bzw. mit einer Vorlast beaufschlagt werden, jedoch nicht betätigt werden. Um die Kupplung zu betätigen, wird der ersten Ringkolben mittels Beaufschlagung des Hohlraums zwischen den beiden Ringkolben mit Druckluft in axialer Richtung bewegt.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine schaltbare Kupplung. Die Kupplung umfasst eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung, um einen Kraftfluss zwischen einem Eingangselement der Kupplung für die Aufnahme eines Eingangsdrehmoments und einem Ausgangselement der Kupplung für die Abgabe eines Ausgangsdrehmoments zu unterbrechen bzw. einzustellen. Die erfindungsgemäße Kupplung kann aufgrund des geringen Totvolumens der Betätigungseinrichtung bei konstruktiv einfachem Aufbau derselben kurze Schaltzeiten und eine genaue Bestimmung des Anlegepunkts der Kupplung ermöglichen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Betätigungseinrichtung für eine Kupplung, während die Kupplung neu und geschlossen ist;
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Betätigungseinrichtung für eine Kupplung, während die Kupplung neu und geöffnet ist;
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Betätigungseinrichtung für eine Kupplung, während die Kupplung verschlissenen und geschlossen ist;
4 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Betätigungseinrichtung für eine Kupplung, während die Kupplung verschlissenen und geöffnet ist;
5A und 5B schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Fixiervorrichtung im aktiven sowie im inaktiven Zustand; und
6A und 6B schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Fixiervorrichtung im aktiven sowie im inaktiven Zustand.

1 zeigt eine Betätigungseinrichtung 100 für eine Kupplung. Die Kupplung ist in 1 durch die schematisch Darstellung ihrer Druckplatte 198 nur angedeutet. Mittels der Kupplung wird an einem Eingangselement der Kupplung (z.B. ein Schwungrad) ein Eingangsdrehmoment aufgenommen. Über die Druckplatte 198 werden eine oder mehrere Kupplungsscheiben an das Eingangselement gepresst, so dass über die Kupplungsscheibe(n) ein Kraftfluss zu einem Ausgangselement der Kupplung erfolgt. Über das Ausgangselement der Kupplung kann entsprechend ein Ausgangsdrehmoment abgegeben werden. Wie in 1 angedeutet kann über die Kupplung z.B. ein Ausgangsdrehmoment an eine mit dem Ausgangselement gekoppelte Antriebswelle 199 (z.B. eines Getriebes) abgegeben werden. Über die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung 100 kann die Kupplung betätigt, d.h. geöffnet oder geschlossen, werden.
In der in 1 dargestellten Situation ist die Kupplung eine gedrückt betätigte Kupplung, die neu bzw. nicht verschlissen ist. Die Kupplung ist in der in 1 dargestellten Situation geschlossen.
Die Betätigungseinrichtung 100 umfasst einen ersten Ringkolben 110 und einen zweiten Ringkolben 120, die in axialer Richtung hintereinander in einem Hohlzylinder 130 gelagert sind, so dass sie sich in axialer Richtung nicht überschneiden. Der erste Ringkolben 110 ist zum Betätigen der Kupplung in axialer Richtung verschiebbar in dem Hohlzylinder 130 gelagert. Der erste Ringkolben 110 kann daher als ein Betätigungskolben bzw. Ausrückkolben verstanden werden. Der erste Ringkolben 110 ist über ein Ausgleichslager 197 mit der Druckplatte 198 verbunden, so dass der erste Ringkolben 110 über das Ausgleichslager 197 in axialer Richtung Kraft auf die Druckplatte 198 zum Betätigen der Kupplung ausüben kann.
Der zweite Ringkolben 120 ist ebenfalls in axialer Richtung verschiebbar in dem Hohlzylinder 130 gelagert. Der zweite Ringkolben 120 ist über eine Feder 140 gegenüber einem Boden 131 des Hohlzylinders 130 abgestützt, so dass der zweite Ringkolben 120 durch die Feder 140 vorgespannt ist. Die durch die Feder 140 auf den zweiten Ringkolben 120 ausgeübte Kraft ist dabei geringer als eine zum Betätigen der Kupplung notwendige Kraft.
Zwischen dem ersten Ringkolben 110 und dem zweiten Ringkolben 120 ist in axialer Richtung ein Hohlraum 150 gebildet. Ferner ist in dem Hohlzylinder 130 ein weiterer Hohlraum 155 in axialer Richtung zwischen dem zweiten Ringkolben 120 und dem Boden 131 des Hohlzylinders 130 gebildet. Die Feder 140 ist in dem weiteren Hohlraum 155 angeordnet. Der weitere Hohlraum 155 ist über eine Aussparung 132 im Boden 131 des Hohlzylinders 130 in Kontakt mit einer die Betätigungseinrichtung 100 umgebenden Atmosphäre, so dass in dem weiteren Hohlraum 155 im Wesentlichen der Atmosphärendruck P₀ herrscht.
In axialer Richtung verläuft durch den Boden 131 des Hohlzylinders 130 zudem ein Druckversorgungselement 160 in Form eines Hohlkörpers (z.B. ein Rohr), das mit einem Druckmittel (z.B. Druckluft) beaufschlagbar ist. Das Druckmittel kann z.B. von einer Druckversorgungseinrichtung eines Fahrzeugs oder einer separaten Druckversorgungseinrichtung für die Kupplung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Druckversorgungselement 160 mit einem steuerbaren Ventil der Druckversorgungseinrichtung gekoppelt sein, welches den Zufluss bzw. den Abfluss des Druckmittels in bzw. aus dem Druckversorgungselement 160 regelt. Das zufließende Druckmittel steht dabei unter einem Druck P₁, der höher als der Atmosphärendruck P₀ ist.
Das Druckversorgungselement 160 verläuft in axialer Richtung durch den zweiten Ringkolben 120, so dass das Druckmittel in den Hohlraum 150 eingebracht werden kann, um den Druck im Hohlraum 150 zu erhöhen. Der zweite Ringkolben 120 ist entsprechend in axialer Richtung relativ zu dem Druckversorgungselement 160 verschiebbar gelagert.
In der in 1 dargestellten Situation ist die Kupplung geschlossen, so dass über das Druckversorgungselement 160 kein Druckmittel in den Hohlraum 150 eingebracht ist. Der Druck im Hohlraum 150 ist daher im Vergleich zum die Betätigungseinrichtung umgebenen Atmosphärendruck P₀ nicht erhöht. Der Druck im Hohlraum 150 ist somit im Wesentlich gleich zum Druck im weiteren Hohlraum 155.
Über die Druckplatte 198 und das Ausgleichslager 197 wird durch die Kupplung in axialer Richtung eine Kraft auf den ersten Ringkolben 110 ausgeübt (hier nach rechts). Die axiale Position des ersten Ringkolbens 110 bei geschlossener Kupplung ist daher abhängig vom Verschleiß der Kupplung. Da die Kupplung bei der in 1 dargestellten Situation neu bzw. nicht verschlissen ist, befindet sich der ersten Ringkolben 110 bei geschlossener Kupplung weit links im Hohlzylinder 130. Aufgrund der durch die Feder 140 auf den zweiten Ringkolben 120 ausgeübten Kraft liegt der zweite Ringkolben 120 am ersten Ringkolben 110 an, so dass die Kraft der Feder über die beiden Ringkolben 110 und 120 auf die Kupplung übertragen wird, um die Kupplung vorzuspannen. Zudem sorgt die Kraft der Feder dafür, dass der zweite Ringkolben 120 der verschleißabhängigen Axialposition des ersten Ringkolbens 110 bei geschlossener Kupplung folgt. In 1 liegt der zweite Ringkolben 120 nicht unmittelbar am ersten Ringkolben 110 an, sondern liegt indirekt bzw. mittelbar über einen dazwischen angeordneten Ring 101 am ersten Ringkolben 110 an. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Ring 101 bei einer entsprechenden Ausgestaltung eines der beiden Ringkolben 110 und 120 auch weggelassen werden.
Die Abdichtung des Hohlraums 140 gegenüber der umgebenden Atmosphäre ist in 1 durch die in jeweilige Nuten in die beiden Ringkolben 110 und 120 eingebrachten Dichtungen 102 (z.B. O-Ring-Dichtungen) angedeutet. Dabei ist zu beachten, dass die Abdichtung des Hohlraums 140 gegenüber der umgebenden Atmosphäre in 1 aus rein pädagogischen Gründen angedeutet ist und die Darstellung der Dichtungen 102 daher keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt. Mit anderen Worten: Es können weitere Dichtungen vorgesehen sein.
Ebenso ist in 1 die am zweiten Ringkolben 120 angeordnete Fixiervorrichtung 170 eingezeichnet, deren Funktion nachfolgend in Zusammenhang mit 2 näher erläutert wird. Bei der in 2 gezeigten Situation ist die Kupplung im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Situation geöffnet. Um die Kupplung mittels der Betätigungseinrichtung 100 zu öffnen, wird über das Druckversorgungselement 160 das Druckmittel in den Hohlraum 150 zur Erhöhung des Drucks im Hohlraum 150 eingebracht. In Folge der Erhöhung des Drucks im Hohlraum 150 fixiert die Fixiervorrichtung 170 den zweiten Ringkolben 120 relativ zu dem Hohlzylinder 130, so dass sich der zweite Ringkolben 120 nicht mehr frei im Hohlzylinder 130 bewegen kann. Ferner bewegt sich der erste Ringkolben 110 in Folge der Erhöhung des Drucks im Hohlraum 150 in axialer Richtung (hier nach links) und übt über das Ausrücklager 197 in axialer Richtung Kraft auf die Druckplatte 198 aus, um die Kupplung zu öffnen. Um die Kupplung zu öffnen muss somit nur der Hohlraum 150 mit dem Druckmittel beaufschlagt werden, da der erste Ringkolben 110 in Folge der Erhöhung des Drucks im Hohlraum 150 eine Relativbewegung zu dem nunmehr fixierten zweiten Ringkolben 120 durchführt. Der weitere Hohlraum 155 muss aufgrund der Fixierung des zweiten Ringkolbens 120 relativ zum Hohlzylinder 130 nicht mit dem Druckmittel beaufschlagt werden. Das Totvolumen des Hohlzylinders 130, das mit dem Druckmittel beaufschlagt werden muss, ist somit gering.
Die Verschiebung des ersten Ringkolbens 110 innerhalb des Hohlzylinders in Folge eines Verschleißes der Kupplung ist aus 3 ersichtlich. Bei der in 3 gezeigten Situation ist die Kupplung wieder geschlossen, jedoch ist die Kupplung im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Situation nunmehr verschlissen. Aufgrund des Verschleißes der Kupplung wird der erste Ringkolben 110 durch die Kupplung über die Druckplatte 198 und das Ausgleichslager 197 in axialer Richtung weiter nach rechts gedrückt, wie aus dem Vergleich der 1 und 3 ersichtlich ist. Aufgrund der durch die Feder 140 auf den zweiten Ringkolben 120 ausgeübten Kraft liegt der zweite Ringkolben 120 weiterhin am ersten Ringkolben 110 an. Mit anderen Worten: Aufgrund der durch die Feder 140 auf den zweiten Ringkolben 120 ausgeübten Kraft folgt der zweite Ringkolben 120 der verschleißabhängigen Axialposition des ersten Ringkolbens 110 bei geschlossener Kupplung. Das Volumen des Hohlraums 150 bei geschlossener Kupplung bzw. das zur Betätigung der Kupplung mit dem Druckmittel zu beaufschlagende Totvolumen zwischen den beiden Ringkolben 110 und 120 ist somit im Wesentlichen unabhängig vom Verschleißzustand der Kupplung. Mit anderen Worten: Das Volumen des Hohlraums 150 bei geschlossener Kupplung bleibt bei Verschleiß der Kupplung somit im Wesentlichen konstant.
Um eine großen Arbeitsbereich des ersten Ringkolbens 110 in axialer Richtung vorhalten zu können, ist in den ersten Ringkolben 110 eine Aussparung 111 eingebracht, so dass das Druckversorgungselement 160 sich im geschlossenen Zustand der verschlissenen Kupplung in die Aussparung 111 erstrecken kann.
Die Betätigung der Kupplung im verschlissenen Zustand ist in 4 dargestellt. Wie oben in Zusammenhang mit 2 für die nicht verschlissene Kupplung ausgeführt, wird über das Druckversorgungselement 160 das Druckmittel in den Hohlraum 150 zur Erhöhung des Drucks im Hohlraum 150 eingebracht. In Folge der Erhöhung des Drucks im Hohlraum 150 fixiert die Fixiervorrichtung 170 den zweiten Ringkolben 120 relativ zu dem Hohlzylinder 130, so dass sich der zweite Ringkolben 120 nicht mehr frei im Hohlzylinder 130 bewegen kann. Aufgrund der axialen Bewegung der beiden Ringkolben 110 und 120 in Folge des Verschleißes der Kupplung wird der zweite Ringkolben 120 an einer anderen Position (hier weiter rechts) relativ zum Hohlzylinder 130 durch die Fixiervorrichtung 170 fixiert, wie aus dem Vergleich der 2 und 4 ersichtlich ist. Da das Volumen des Hohlraums 150 jedoch im Wesentlich unverändert ist, ist das Ausrückverhalten des ersten Ringkolbens 110 bei verschlissener Kupplung jedoch im Wesentlichen identisch zum oben beschriebenen Ausrückverhalten des ersten Ringkolbens 110 bei nicht verschlissener Kupplung. Somit kann eine genaue Positionsregelung der Kupplung bei geringen Schaltzeiten über die gesamte Lebensdauer der Kupplung erzielt werden.
Aufgrund der Anordnung der Fixiervorrichtung 170 am zweiten Ringkolben 120 und der Führung des Druckversorgungselements 160 durch den zweiten Ringkolben 120 ergibt sich zudem ein konstruktiv einfacher Aufbau der Betätigungseinrichtung 100.
Da die Fixiervorrichtung 170 (zusammen mit der Feder 140) eine Nachstellung der beiden Ringkolben 110 und 120 bei Verschleiß der Kupplung ermöglicht, kann die Fixiervorrichtung 170 auch als eine Nachstelleinrichtung verstanden werden - insbesondere als eine in den zweiten Ringkolben 120 integrierte, pneumatisch aktivierte Nachstelleinrichtung. Da der zweite Ringkolben 120 (zusammen mit der Fixiervorrichtung 170 und der Feder 140) einen Ausgleich für die verschleißabhängige Axialbewegung des ersten Ringkolbens 110 ermöglicht, kann der zweite Ringkolben 120 als ein Ausgleichskolben aufgefasst werden, der eine dem aktuellen Verschleißzustand der Kupplung entsprechend Position einnimmt.
Ein weiterer konstruktiver Vorteil der Betätigungseinrichtung 100 ist, dass, falls die Fixiervorrichtung 170 ausfällt und der zweite Ringkolben 120 bei Beaufschlagung des Hohlraums 150 mit dem Druckmittel somit nicht mehr relativ zum Hohlzylinder 130 fixiert werden kann, die Betätigungseinrichtung immer noch wie ein bekannter Betätigungszylinder mit großen Totvolumen betrieben werden kann. Bei Ausfall der Fixiervorrichtung 170 erfolgt in Folge der Beaufschlagung des Hohlraums 150 mit dem Druckmittel ein Bewegung des zweiten Ringkolbens 120 in axialer Richtung auf den Boden 131 des Hohlzylinders 130 zu, so dass das mit dem Druckmittel zu beaufschlagende Totvolumen sich vergrößert. Dies führt zwar zu Einbußen bzgl. des Ansprechverhaltens und der Regelbarkeit, kann jedoch einen vorübergehenden Betrieb der Betätigungseinrichtung 100 bis zum einem Austausch oder einer Reparatur ermöglichen.
In den 5A und 5B ist ferner ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Fixiervorrichtung 500 gezeigt. 5A zeigt die Fixiervorrichtung 500 dabei im inaktiven Zustand, wenn der Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben nicht mit dem Druckmittel beaufschlagt ist. 5B zeigt die Fixiervorrichtung 500 im aktiven Zustand, wenn der Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben mit dem Druckmittel beaufschlagt wird und der Druck im Hohlraum somit erhöht ist.
Die Fixiervorrichtung 500 umfasst zwei keilförmige Körper 501 und 502, die zwischen einer in axialer Richtung verlaufenden Oberfläche 121 des zweiten Ringkolbens 120 und einer in axialer Richtung verlaufenden Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130 angeordnet sind. Bei der Oberfläche 121 des zweiten Ringkolbens 120 handelt es sich um eine Mantelfläche des zweiten Ringkolbens 120, während des sich bei der Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130 um eine Zylinderwand des Hohlzylinders 130 handelt.
Ferner umfasst die Fixiervorrichtung 500 ein Dichtungselement 503 (z.B. eine Elastomerdichtung), dass zwischen der Oberfläche 121 des zweiten Ringkolbens 120 und der Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130 angeordnet ist, um den Hohlraum gegenüber die Betätigungseinrichtung 100 umgebenden Atmosphäre abzudichten.
In der Zylinderwand des Hohlzylinders 130, d.h. der Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130, ist eine Aussparung 134 vorgesehen, so dass bei dem in 5A dargestellten drucklosen Zustand ein zwischen der Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130 und den zwei keilförmige Körper 501 und 502 bestehender Hohlraum 504 mit der die Betätigungseinrichtung 100 umgebenden Atmosphäre in Kontakt steht. In dem Hohlraum 504 herrscht somit der Atmosphärendruck P₀. Im Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben ist kein Druckmittel eingebracht, so dass im Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben ebenfalls im Wesentlich der Atmosphärendruck P₀ herrscht. Entsprechend wirkt auf das Dichtungselement 503 im Wesentlich der Atmosphärendruck P₀.
Der keilförmige Körper 501 ist durch das Dichtungselement 503 relativ zu dem keilförmigen Körper 502 bewegbar. Da jedoch auf das Dichtungselement 503 der gleiche Druck wirkt, der auch im Hohlraum 504 vorherrscht, befindet sich der keilförmigen Körper 501 in der in 5A gezeigt Position.
Wird nun das Druckmittel in den Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben eingebracht, erhöht sich der Druck im Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben, so dass sich im Hohlraum ein Druck P₁, der höher als der Atmosphärendruck P₀ ist, aufbaut. Da der auf das Dichtungselement 503 wirkende Druck P₁ nunmehr höher als der im Hohlraum 504 vorherrschende Atmosphärendruck P₀ ist, bewegt das Dichtungselement 503 den keilförmigen Körper 501, so dass der keilförmigen Körper 501 aufgrund der Keilform des Körpers 502 gegen die Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130 gedrückt wird, wie dies in 5B gezeigt ist.
Die zwei keilförmigen Körper 501 und 502 erzeugen somit einen Kraftschluss zwischen der Oberfläche 121 des zweiten Ringkolbens 120 und der Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130. Mit anderen Worten: Der keilförmige Körper 501 bewegt sich getrieben durch den sich im Hohlraum aufbauenden Druck P₁ entlang der schiefen Ebene des anderen keilförmigen Körpers 502, so dass der keilförmige Körper 501 von dem anderen keilförmigen Körper 502 in radialer Richtung gegen die Oberfläche 133 des Hohlzylinders 130 gedrückt wird, um den Kraftschluss zu erzeugen.
Um eine axiale Bewegung der beiden keilförmigen Körper 501 und 502 zu begrenzen, liegt der keilförmige Körper 502 an einer in radialer Richtung verlaufenden Oberfläche 122 des zweiten Ringkörpers 120 an.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Fixiervorrichtung 600 ist in den 6A und 6B gezeigt. 6A zeigt die Fixiervorrichtung 600 dabei im inaktiven Zustand, wenn der Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben nicht mit dem Druckmittel beaufschlagt ist. 6B zeigt die Fixiervorrichtung 600 im aktiven Zustand, wenn der Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben mit dem Druckmittel beaufschlagt wird und der Druck im Hohlraum somit erhöht ist.
Die Fixiervorrichtung 600 ist im Wesentlichen an der dem Boden 131 des Hohlzylinders 130 zugewandten Seite des zweiten Ringkolbens 120 angeordnet.
Ferner ist ein Referenzelement 610 in Form eines Hohlkörpers gezeigt (z.B. ein Rohr). In das Referenzelement 610 sind in axialer Richtung sequentiell angeordnete Vertiefungen 611 eingebracht. Mit anderen Worten: In dem Hohlkörper ist in axialer Richtung eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Vertiefungen 611 eingebracht.
Die Fixiervorrichtung 600 umfasst ein erstes Element 601, das eingerichtet ist, zweite Elemente 602 der Fixiervorrichtung 600 in radialer Richtung zu bewegen. Das erste Element 601 verläuft in axialer Richtung durch den zweiten Ringkolben 120 und ist durch ein Dichtungselement 603 in axialer Richtung bewegbar, so dass aufgrund der sich in radialer Richtung ändernden Ausdehnung des ersten Elements 601 die zweiten Elemente 602 in radialer Richtung bewegt werden können. Das Dichtungselement 603 (z.B. ein Membrandichtung) dichtet den Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben gegenüber der die Betätigungseinrichtung 100 umgebenden Atmosphäre ab. Das erste Element 601 ist dabei in Kontakt mit dem vom Referenzelement 610 umschlossene Volumen.
Bei dem in 6A dargestellten drucklosen Zustand ist in den Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben ist kein Druckmittel eingebracht, so dass im Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben im Wesentlich der Atmosphärendruck P₀ herrscht. Entsprechend wirkt auf das Dichtungselement 603 im Wesentlich der Atmosphärendruck P₀. In den Ringboden 131 ist eine Aussparung 135 eingebracht, so dass das vom Referenzelement 610 umschlossene Volumen mit der die Betätigungseinrichtung 100 umgebenden Atmosphäre in Kontakt steht. Entsprechend herrscht innerhalb des Referenzelements 610 der Atmosphärendruck P₀.
Auf das erste Element 601 wirkt somit von beiden axialen Seiten der im Wesentlichen gleiche Druck. Entsprechend befindet sich das erste Element 601 im drucklosen Zustand in einer Ruhelage, in der es die zweiten Elemente 602 nicht gegen das Referenzelement 610 presst.
Wird nun das Druckmittel in den Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben eingebracht, erhöht sich der Druck im Hohlraum zwischen den beiden Ringkolben, so dass sich im Hohlraum ein Druck P₁, der höher als der Atmosphärendruck P₀ ist, aufbaut. Da der auf das Dichtungselement 603 wirkende Druck P₁ nunmehr höher als der im vom Referenzelement 610 umschlossene Volumen vorherrschende Atmosphärendruck P₀ ist, bewegt das Dichtungselement 603 das erste Element 601, so dass das erste Element 601 die zweite Elemente 602 in die Vertiefungen 611 des Referenzelements 610 presst. Die zweiten Elemente 602 erzeugen einen Formschluss mit den Vertiefungen 611, so dass ein Formschluss zwischen dem zweiten Ringkolben 120 und dem Referenzelement 610 entsteht, welcher die axiale Position des zweiten Ringkolbens 120 relativ zu dem Hohlzylinder 130 fixiert.
Da die Vertiefungen im Hohlkörper sequentiell in axialer Richtung eingebracht sind, kann die Position des zweiten Ringkolbens 120 bei Verschleiß der Kupplung somit im Wesentlich gestuft bzw. inkrementell nachgeführt werden.
Bezugszeichenliste

100: Betätigungseinrichtung
101: Ring
102: Dichtung
110: erster Ringkolben
111: Aussparung
120: zweiter Ringkolben
121: Oberfläche
122: Oberfläche
130: Hohlzylinder
131: Boden
132: Aussparung
133: Oberfläche
134: Aussparung
135: Aussparung
140: Feder
150: Hohlraum
155: Hohlraum
160: Druckversorgungselement
170: Fixiervorrichtung
197: Ausgleichslager
198: Druckplatte
199: Antriebswelle
500: Fixiervorrichtung
501: keilförmiger Körper
502: keilförmiger Körper
503: Dichtungselement
504: Hohlraum
600: Fixiervorrichtung
601: erstes Element
602: zweite Elemente
603: Dichtungselement
610: Referenzelement
611: Vertiefungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/121959 A1 [0004]

Claims

Betätigungseinrichtung (100) für eine schaltbare Kupplung, umfassend einen ersten Ringkolben (110) und einen zweiten Ringkolben (120), die in axialer Richtung hintereinander in einem Hohlzylinder (130) gelagert sind, wobei der erste Ringkolben (110) zum Betätigen der Kupplung verschiebbar in dem Hohlzylinder (130) gelagert ist und der zweite Ringkolben (120) über eine Feder (140) gegenüber einem Boden (131) des Hohlzylinders (130) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass: in axialer Richtung zwischen dem ersten Ringkolben (110) und dem zweiten Ringkolben (120) ein Hohlraum (150) gebildet ist, in den mittels eines in axialer Richtung durch den zweiten Ringkolben (120) verlaufenden Druckversorgungselements (160) ein Druckmittel einbringbar ist, um einen Druck in dem Hohlraum (150) zu erhöhen; wenn über das Druckversorgungselement (160) kein Druckmittel in den Hohlraum (150) zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum (150) eingebracht ist, der zweite Ringkolben (120) an dem ersten Ringkolben (110) anliegt, so dass die durch die Feder (140) auf den zweiten Ringkolben (120) ausgeübte Kraft über den ersten Ringkolben (110) auf die Kupplung übertragen wird; und wenn über das Druckversorgungselement (160) das Druckmittel in den Hohlraum (150) zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum (150) eingebracht wird, eine an dem zweiten Ringkolben (120) angeordnete Fixiervorrichtung (170) eingerichtet ist, den zweiten Ringkolben (120) relativ zu dem Hohlzylinder (130) zu fixieren, so dass sich der erste Ringkolben (110) relativ zu dem fixierten zweiten Ringkolben (120) bewegt.
Betätigungseinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckversorgungselement (160) ein in axialer Richtung durch den Boden (131) des Hohlzylinders (130) verlaufender Hohlkörper ist, der mit dem Druckmittel beaufschlagbar ist, wobei der zweite Ringkolben (120) in axialer Richtung relativ zu dem Druckversorgungselement (160) verschiebbar ist.
Betätigungseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiervorrichtung (170) entlang einer in axialer Richtung verlaufenden Oberfläche (121) des zweiten Ringkolbens (120) angeordnet und eingerichtet ist, den zweiten Ringkolben (120) über einen Kraftschluss mit einer in axialer Richtung verlaufenden Oberfläche (131) des Hohlzylinders (130) relativ zu dem Hohlzylinder (130) zu fixieren.
Betätigungseinrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiervorrichtung (170) zwei keilförmige Körper (501, 502) umfasst, die zwischen der Oberfläche (121) des zweiten Ringkolbens (120) und der Oberfläche (131) des Hohlzylinders (130) angeordnet sind, wobei einer der zwei keilförmigen Körper (501, 502) abhängig von dem Druck in dem Hohlraum (150) relativ zu dem anderen der zwei keilförmigen Körper (501, 502) bewegbar ist, so dass die zwei keilförmigen Körper (501, 502) einen Kraftschluss zwischen der Oberfläche (121) des zweiten Ringkolbens (120) und der Oberfläche (131) des Hohlzylinders (130) erzeugen, wenn über das Druckversorgungselement (160) das Druckmittel in den Hohlraum (150) zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum (150) eingebracht wird.
Betätigungseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiervorrichtung (170) eingerichtet ist, den zweiten Ringkolben (120) über einen Formschluss mit einem zwischen dem zweiten Ringkolben (120) und dem Boden (131) des Hohlzylinders (130) angeordneten Referenzelement (610) relativ zu dem Hohlzylinder (130) zu fixieren.
Betätigungseinrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (610) ein Hohlkörper mit in axialer Richtung sequentiell angeordneten Vertiefungen (611) ist, wobei die Fixiervorrichtung (170) ein erstes Element (601) umfasst, das eingerichtet ist, zweite Elemente (602) der Fixiervorrichtung (170) zur Erzeugung des Formschlusses in jeweilige der sequentiell angeordneten Vertiefungen (611) des Hohlkörpers zu pressen, wenn über das Druckversorgungselement (160) das Druckmittel in den Hohlraum (150) zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum (150) eingebracht wird.
Betätigungseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringkolben (110) und der zweite Ringkolben (120) in axialer Richtung nicht überlappen.
Betätigungseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn über das Druckversorgungselement (160) kein Druckmittel in den Hohlraum (150) zur Erhöhung des Drucks in dem Hohlraum (150) eingebracht wird, der Druck in dem Hohlraum (150) im Wesentlich gleich zu einem Druck in einem die Feder (140) umgebenden weiteren Hohlraum (155) zwischen dem zweiten Ringkolben (120) und dem Boden (131) des Hohlzylinders (130) ist.
Betätigungseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Feder (140) auf den zweiten Ringkolben (120) ausgeübte Kraft geringer als eine zum Betätigen der Kupplung notwendige Kraft ist.
Schaltbare Kupplung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung ein Betätigungseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst, um einen Kraftfluss zwischen einem Eingangselement der Kupplung für die Aufnahme eines Eingangsdrehmoments und einem Ausgangselement der Kupplung für die Abgabe eines Ausgangsdrehmoments zu unterbrechen.