DE102020203358B4

DE102020203358B4 - Nasslaufende, schaltbare Reibungskupplung, Kraftfahrzeug mit einer derartigen Reibungskupplung, sowie Verfahren zum Betreiben der Reibungskupplung

Info

Publication number: DE102020203358B4
Application number: DE102020203358.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Amann; Andreas Kailer; Felix Gatti; Johannes Abicht; Peter Rabenecker; Norman Baltes
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: DE102020203358A1

Abstract

Nasslaufende, mit einem Kupplungsöl (4) geschmierte, schaltbare, im Bereich der Mischreibung betreibbare, Reibungskupplung (1), vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, bevorzugt für Automobile oder Schiffe, zur Momentenübertragung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere zur Übertragung des Motordrehmoments eines Motors auf ein Getriebe, wobei die Reibungskupplung (1) zumindest zwei miteinander zu kuppelnde Kupplungselemente (2;3;16;17), vorzugsweise zumindest zwei Kupplungsscheiben (2;3;16), mit jeweils einer Kupplungsfläche (2a;3b; 16a; 17a) aufweist, wobei das Kupplungsöl (4) als Additiv zumindest eine ionische Flüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungskupplung (1) Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Potentials zur zumindest bereichsweisen Polarisierung der Kupplungselemente (2;3; 16; 17) mit gleicher Ladung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine nasslaufende, schaltbare Reibungskupplung, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, bevorzugt für Automobile, zur Momentenübertragung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere zur Übertragung des Motordrehmoments auf das Getriebe, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Reibungskupplung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Reibungskupplung.
Schaltbare Kupplungen für Kraftfahrzeuge sind in der Regel formschlüssige oder kraft- bzw. reibschlüssige schaltbare Kupplungen bzw. Schaltkupplungen. Bei den formschlüssigen Schaltkupplungen dienen Klauen, Zähne oder andere Formschlusselemente zur Kraftübertragung. Bei den reibschlüssigen Schaltkupplungen (Reibungskupplungen) erfolgt die Drehmomentenübertragung durch das Aneinanderpressen von mindestens zwei Reib- bzw. Kupplungsflächen. Die Anpresskraft muss dabei ein dem zu übertragenden Drehmoment entsprechendes Reibmoment erzeugen.
Bei den reibschlüssigen Schaltkupplungen wird zudem je nach Form (eben, zylindrisch, kegelig) und Anzahl der Reibflächen zwischen verschiedenen Bauarten unterschieden. Es wird unterschieden in Einflächenkupplungen, Zweiflächen- bzw. Einscheibenkupplungen und Mehrflächen- bzw. Mehrscheiben- bzw. Lamellenkupplungen sowie Zylinder- und Kegelkupplungen. Die Reibpaarungen der Kupplungen können entweder trocken- oder nasslaufend (ölgeschmiert) ausgeführt werden.
Das übertragbare Drehmoment M bei Ein- und Mehrscheibenkupplungen ist das Produkt aus Anpresskraft F_N, Reibungskoeffizient bzw. Reibwert µ, mittlerem Reibradius r_m und Zahl der Reibflächen z: $M = F_{N} \cdot μ \cdot z \cdot r_{m}$
Die Betätigung gattungsgemäßer Schaltkupplungen kann zudem z.B. elektromagnetisch, durch Druckmittel, vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch, oder mechanisch erfolgen.
Grundsätzlich gibt es bekanntermaßen unterschiedliche Reibungszustände. Bei der Festkörperreibung unterliegen im Idealfall zwei, z.B. metallische, Kontaktflächen einer Reibbeanspruchung. Auf eine Schmierung wird gänzlich verzichtet. Bei der Grenzreibung wirken im Kontaktbereich der Bauteile Schutzschichten, welche das Produkt einer natürlichen Oxidation, einer Adsorption oder einer chemischen Reaktion bei hohen Drücken und Temperaturen sind. Bei der Flüssigkeitsreibung besteht kein direkter Kontakt mehr zwischen den Bauteilen, wobei als Trennmedium ein flüssiger Schmierfilm dient. Der Druck, unter dem der Schmierfilm steht, überträgt die gesamte Belastung. Die Mischreibung wiederum umfasst den Bereich zwischen Grenzreibung und Flüssigkeitsreibung. Es liegen sowohl durch einen Flüssigkeitsfilm getrennte als auch direkte Kontaktbereiche zwischen den Bauteilen vor.
Nasslaufende Einflächen-, Ein- oder Mehrscheibenkupplungen (Lamellenkupplungen) werden bekanntermaßen im Bereich der Mischreibung und der Grenzreibung betrieben. Ihr Nachteil gegenüber Trockenkupplungen sind niedrigere Reibwerte (etwa p=0,08-0,12) und ein höheres Schleppmoment im Leerlauf. Bei der nasslaufenden Lamellenkupplung steigen zudem ständig die Anforderungen an thermische Belastbarkeit, Reibwertkonstanz, Verschleiß, Komfort, sowie Bauraum und Gewicht. Insbesondere das Bestreben, Bauvolumen und Gewicht einzusparen, führt zur ständig steigenden Belastung nasslaufender Lamellenkupplungen. Das Schmiermittel bzw. die Kupplungsflüssigkeit bzw. das Kupplungsöl muss zudem Zentrifugalkräften entgegenwirken. Die Kupplungsflächen der Kupplungsscheiben reiben nur beim Einkuppeln (Dauerschlupf) kurz aneinander. Dabei entsteht unter anderem Reibwärme und Verschleiß der aneinander reibenden Kupplungsscheiben. Ziel ist es deshalb beim Dauerschlupf einen ausreichend hohen dynamischen Reibwert sowie eine günstige Reibcharakteristik zu haben. Zudem sollen das Reibmaterial (Kupplungsbeläge) und das Kupplungsöl thermisch stabil sein.
Im Rahmen von Vergleichsversuchen wurde von der Anmelderin zudem festgestellt, dass bei konstanten Parametern (Geschwindigkeit, Pressung) im eingekoppelten Zustand der Kupplung über die Lebensdauer der Reibwert durch Verschleiß und Alterung des Kupplungsöls absinkt. Dadurch wird das übertragende Drehmoment reduziert und die Kupplung verliert ihre Funktion. Ebenfalls wurde festgestellt, dass sich das Stribeck Verhalten stark während der Beanspruchungsdauer innerhalb eines Kupplungsvorgangs verändert. Einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer und die Funktion einer Kupplung haben somit der Reibungskoeffizient im eingekuppelten Zustand und das Reibverhalten im Kupplungsvorgang, da durch diese das tribologische Verhalten der Kupplung bestimmt wird.
Grundsätzliches Ziel bei der Entwicklung von gattungsgemäßen schaltbaren Reibungskupplungen ist es somit, die Kraftübertragung zu optimieren und dabei die Lebensdauer zu maximieren.
Bekannt ist es deshalb, bei Ein- und Mehrscheibenkupplungen das Moment zur Kraftübertragung konstruktiv durch Vergrößerung der Kupplungsscheiben und durch die Erhöhung der Kontaktstellen (Lamellenkupplung) zu vergrößern. Beides führt aber zu einer unerwünschten Steigerung der Baugröße der Kupplung.
Zudem ist es bekannt, dem Kupplungsöl bestimmte Öladditive zuzusetzen.
Sogenannte „Friction Modifier“ (Reibverbesserer) werden z.B. zugegeben, um den Verschleiß zu verringern. Sie verringern den Reibwert bei niedriger Relativgeschwindigkeit. Dadurch stellt sich ein mit zunehmender Relativgeschwindigkeit steigender Reibwertverlauf ein.
Aus der CN104194881 A und der JP2007002913A ist es beispielsweise bekannt, dem Kupplungsöl eine ionische Flüssigkeit zuzugeben.
Ionische Flüssigkeiten sind bekanntermaßen geschmolzene Salze, bei denen die Schmelztemperatur weniger als 100 °C beträgt. Die Bildung eines stabilen Kristallgitters wird durch Ladungsdelokalisierung und sterische Effekte behindert. Bereits geringe thermische Energie genügt daher, um die Gitterenergie zu überwinden und die feste Kristallstruktur aufzubrechen. Bei ionischen Flüssigkeiten handelt sich also um Salze, die bei Temperaturen unter 100 °C flüssig sind, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst ist.
Ionische Flüssigkeiten bestehen aus Kationen und Anionen. Durch Variation der Substituenten eines gegebenen Kations und durch Variation des Anions können die physikalisch-chemischen Eigenschaften einer ionischen Flüssigkeit in weiten Grenzen variiert und auf technische Anforderungen hin optimiert werden. Neben dem Schmelzpunkt lässt sich so die Löslichkeit von zum Beispiel homogenen Katalysatoren, Produkten oder Edukten in der ionischen Flüssigkeit beeinflussen.
Gemäß der CN104194881 A ist das die ionische Flüssigkeit enthaltende Kupplungsöl einfach herstellbar und gewährleistet, dass der Reibwert länger erhalten bleibt. Auch verbessert es die Rost- und Korrosionsbeständigkeit.
Gemäß der JP2007002913A weist die zugegebene ionische Flüssigkeit einen dynamischen Reibungskoeffizient von 0,08 bis 0,14 auf. Das Kupplungsöl verbessert gemäß der JP2007002913A die Lebensdauer der Kupplung. Zudem ist der Reibschluss schlechter wenn der dynamische Reibungskoeffizient der ionischen Flüssigkeit > 0,08 ist. Ist er allerdings < 0,14, wird der Verschleiß erhöht.
Zudem existieren auf dem Fachgebiet elektrorheologische Kupplungen, bei denen das Kupplungsöl ein elektrorheologisches Fluid ist. Elektrorheologische Flüssigkeiten bzw. elektrorheologische Fluide (ER-Fluide) sind bekanntermaßen adaptive Materialien, deren Fließverhalten durch ein elektrisches Feld in weitem Rahmen schnell und reversibel gesteuert werden kann. Bei elektrorheologische Kupplungen wird das Drehmoment ohne direkten Kontakt der Kupplungsscheiben übertragen (Flüssigkeitsreibung). Die Übertragung erfolgt vielmehr durch Viskositätsänderung des Kupplungsöls bei Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Kupplungsöl ist ein kolloidales Gemisch mit Feststoffen. Eine derartige Kupplung geht z.B. aus der US 3,255,853 A oder der US 6,942,081 B2 hervor. Vorteil derartiger Kupplungen ist, dass das übertragbare Drehmoment kontinuierlich über ein elektrisches Feld gesteuert werden kann. Zudem ist die Ansprechzeit sehr schnell und die Leistungsaufnahme ist gering sofern die Stromdichte gering ist.
Es gibt jedoch noch eine Reihe von Problemen bei elektrorheologischen Kupplungen, die bisher deren breiten Einsatz verhindert haben. Beispielsweise werden zur Verbindung der Antriebswelle mit der Kupplung fluiddichte Kupplungen verwendet. Diese können z.B. bei starken Vibrationen undicht werden, so dass das ER-Fluid austritt, was zu einem Ausfall der Kupplung führt. Aufgrund von Sedimentation der in dem ER-Fluid enthaltenen ER-Partikel kann das Kupplungsöl zudem seine elektrorheologischen Eigenschaften verlieren.
Zudem ist z.B. aus der DE 1 124 612 A oder der US 3,002,596 A eine elektrostatische bzw. elektroadhäsive Kupplung bekannt. Die Momentenübertragung erfolgt bei dieser Kupplung durch direkten Kontakt der Kupplungskörper. Dabei besteht der eine der beiden Kupplungskörper aus einem elektrisch leitenden Material und der andere Kupplungskörper besteht aus einem halbleitenden Material. Beispielsweise handelt es sich bei den Kupplungskörpern um eine Nabe aus elektrisch leitendem Material, die mit einer Halbleiterschicht versehen ist, und ein diese umgebendes Band aus elektrisch leitendem Material. Ohne Anlegung einer elektrischen Spannung reicht die Gleitreibung zwischen den beiden Kupplungskörpern nicht aus, dass der antreibende Teil der Kupplung den anzutreibenden Teil mitnimmt, wenn dieser belastet ist. Bei Anlegung einer Spannung entsteht eine elektroadhäsive Kraft an den Berührflächen, welche die Kupplung der beiden Kupplungskörper herbeiführt. Zwischen den beiden Kupplungskörpern ist zudem ein Schmierfilm, z.B. aus Kunstharz ( DE 1 124 612 A ), vorhanden, der eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der Schmierfilm verringert den Verschleiß, indem er Staubteilchen bindet. Gemäß der US 3,002,596 A besteht der Schmierfilm aus einem dielektrischen Schmiermittel, z.B. Silikonöl.
Außerdem sind Kupplungen mit selbsttätiger Momentenanpassung bekannt. Beispielsweise handelt es sich um Viscokupplungen. Bei diesen erfolgt die Momentenübertragung durch Flüssigkeitsreibung zwischen den Kupplungsscheiben als Folge einer aufgezwungenen Drehzahldifferenz zwischen den Kupplungsscheiben. Es kann sich zudem auch um Kupplungen mit externer Regelung handeln. Bei diesen erfolgt eine Fremdregelung durch Hydraulik oder Elektromechanik (Magnete oder Motoren). Als Regelgröße dient direkt die Drehmomentverteilung.
Mit Ausnahme der elektrorheologischen Kupplungen und der Viscokupplungen, bei denen sich die Kupplungsscheiben nicht direkt in Kontakt befinden, ist der Reibwert bei allen anderen Kupplungen ein Resultat unterschiedlichster Einflussgrößen, unter anderem der eingeleiteten Kraft, des Kupplungsradius, der Werkstoffe, der Geschwindigkeit und der Temperatur. Da sich der Reibwert durch Verschleiß der Kupplungsscheiben und Kupplungsölalterung verändert kommt es zum Funktionsausfall der Kupplung aufgrund zu geringer oder ungleichmäßiger Kraftübertragung.
Weiterhin bekannt ist die EP 1 672 051 B1 , welche die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Basisöl einer Schmierölzusammensetzung offenbart. Zudem ist offenbart, dass der Reibungskoeffizient durch Anwendung eines elektrischen Feldes auf die Schmierölzusammensetzung regulierbar ist, wobei das elektrische Feld von einem Reibelement durch den Reibspalt zum anderen Reibelement verläuft.
Die DE 10 2014 203 800 A1 offenbart eine Reibkupplung mit einem ersten und einem zweiten Reibelement, die in einem Flüssigkeitsbad um eine Drehachse drehbar gelagert und dazu eingerichtet sind, axial aneinandergepresst zu werden, um ein Drehmoment zu übertragen. Dabei umfasst eines der Reibelemente ein Trägerelement und einen mit dem Trägerelement verbundenen Reibbelag, der dem anderen Reibelement axial zugewandt ist. Der Reibbelag weist Nutkanäle auf, die sich jeweils zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Rand des Reibbelags erstrecken, wobei ein Verhältnis zwischen der Länge eines Nutkanals in radialer Richtung und seiner kleinsten Breite in Umfangrichtung wenigstens 10 beträgt.
Die DE 41 09 740 A1 offenbart eine elektromagnetisch betätigte Federdruckbremse oder -kupplung, die nach dem Ruhestromprinzip arbeitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer nasslaufenden, schaltbaren, im Bereich der Mischreibung betriebenen Reibungskupplung, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, zur Momentenübertragung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere zur Übertragung des Motordrehmoments auf das Getriebe, die eine lange Lebensdauer und eine möglichst gleichbleibende Momentenübertragung über die gesamte Lebensdauer aufweist.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer derartigen Reibungskupplung.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer derartigen Reibungskupplung, das eine lange Lebensdauer der Reibungskupplung und eine möglichst gleichbleibende Momentenübertragung über die gesamte Lebensdauer gewährleistet.
Diese Aufgaben werden durch eine Reibungskupplung mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 15 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den sich anschließenden Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1: Eine stark vereinfachte, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kupplung gemäß einer ersten Ausführungsform
2: Eine stark vereinfachte, schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kupplung gemäß einer weiteren Ausführungsform
3: Eine stark vereinfachte, schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kupplung gemäß einer weiteren Ausführungsform
4: Eine stark vereinfachte, schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kupplung gemäß einer weiteren Ausführungsform
5: Eine stark vereinfachte, schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kupplung gemäß einer weiteren Ausführungsform
6: Eine etwas detailliertere, aber immer noch vereinfachte, schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kupplung in einem Versuchsaufbau

Die erfindungsgemäße, schaltbare, nasslaufende Reibungskupplung 1 (1 bis 5) weist z.B. zwei miteinander zu kuppelnde, jeweils um eine Drehachse drehbar gelagerte, Kupplungsscheiben 2;3 auf. Zudem weist die Kupplung in an sich bekannter Weise einen mit einem Kupplungsöl 4 befüllten, abgeschlossenen Nassraum bzw. Ölraum 5 auf. Die beiden Kupplungsscheiben 2;3 sind im Nassraum 5 angeordnet.
Die erste Kupplungsscheibe 2 ist zudem mit einem Antriebselement 6 drehfest verbunden und die zweite Kupplungsscheibe 3 ist mit einem Abtriebselement 7 drehfest verbunden.
Das Antriebselement 6 steht mit einem Antriebsmittel antreibbar in Verbindung. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Antriebselement 6 um ein Schwungrad, welches mit einem Antriebsmotor antreibbar in Verbindung steht.
Das Abtriebselement 7 steht mit einem anzutreibenden Bauteil in Verbindung. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Abtriebselement 7 um eine Druckplatte, welche mit einem Fahrzeuggetriebe in Verbindung steht.
Die beiden Kupplungsscheiben 2;3 weisen zudem jeweils eine der anderen Kupplungsscheibe 2;3 zugewandte Scheibenoberfläche auf, welche eine Reibfläche bzw. Kupplungsfläche bzw. Kupplungsoberfläche 2a;3a der Kupplungsscheibe 2;3 bildet. Zwischen den beiden Kupplungsflächen 2a;3a ist ein Reibspalt bzw. Kupplungsspalt 8 vorhanden.
Im ausgekuppelten Zustand der erfindungsgemäßen Reibungskupplung 1 sind die beiden Kupplungsflächen 2a;3a in an sich bekannter Weise voneinander beabstandet, so dass keine Kraftübertragung zwischen den beiden Kupplungsscheiben 2;3 stattfindet. Im eingekuppelten Zustand berühren sich die Kupplungsflächen 2a;3a bereichsweise, so dass eine Kraftübertragung zwischen den beiden Kupplungsscheiben 2;3 stattfindet. Es liegen dabei sowohl durch einen aus dem Kupplungsöl 4 bestehenden Flüssigkeitsfilm getrennte und direkte Kontaktbereiche zwischen den Kupplungsscheiben 2;3 vor (Mischreibung).
Im Rahmen der Erfindung wurde überraschenderweise nun heraus gefunden, dass es möglich ist, den Reibkoeffizient bzw. Reibwert µ im Reibspalt 8 temporär und gezielt zu verändern und dadurch insbesondere die Reibbedingungen zum Zeitpunkt des Ein- und Auskuppelns so zu verändern, dass eine lebensdauerverlängernde Wirkung einsetzt, wenn man die beiden Kupplungsscheiben 2,3 derart polarisiert, dass sie eine gleiche Ladung aufweisen und wenn man ein Kupplungsöl 4 verwendet, welches zumindest eine ionische Flüssigkeit enthält.
Das Kupplungsöl 4 weist also erfindungsgemäß ein Basisöl bzw. Grundöl sowie zumindest eine ionische Flüssigkeit als Öladditiv auf, welche dem Basisöl zugemischt und in diesem verteilt ist.
Bei dem Basisöl handelt es sich vorzugsweise um ein an sich bekanntes Basisöl, vorzugsweise um Mineralöl oder ein synthetisches Öl, bevorzugt um Polyalphaolefin, ein Esteröl oder ein Polyglykolöl. Das Kupplungsöl 4 kann zudem auch mehrere Basisöle enthalten.
Die zumindest eine ionische Flüssigkeit weist zudem in an sich bekannter Weise Kationen 9 und Anionen 10 auf.
Vorzugsweise weisen die Kationen 9 lange Alkylketten auf, um eine ausreichende Mischbarkeit mit dem Basisöl zu gewährleisten.
Je unpolarer das Basisöl ist desto länger sollte die Alkylkette des Kations sein. Bei polaren Ölen (Polyalkylenglykole, Ester) ist bereits eine Alkylkette mit 6 Kohlenstoffen vorteilhaft, wobei bei unpolaren Ölen (PAO) längere Kohlenstoffketten (>C8) vorteilhaft sind, um eine gute Mischbarkeit zu gewährleisten
Vorzugsweise handelt es sich bei den Kationen 9 um Trihexyltetradecylphosphonium, Tributylhexadecylphosphonium, Tributyltetradecylphosphonium, Triisobutylmethylphosphonium, Hexadecyltrimethylammonium, 1-Methyl-3-tetradecylimidazolium, 1-Decyl-3-methylimidazolium, 1-Dodecyl-3-methylimidazolium, 1-Hexadecyl-3-methylimidazolium oder 1-Methyl-3-octadecylimidazolium).
Vorzugsweise weisen die Kationen 9 eine Alkylkette mit 5 bis 12, bevorzugt 6 bis 10 Kohlenstoffen auf.
Und bei den Anionen 10 handelt es sich vorzugsweise um phosphor- oder stickstoffhaltige Typen.
Insbesondere weisen die Anionen 10 im Vergleich zu den Kationen 9 ein kleineres Molvolumen und/oder Molekülvolumen auf.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Anionen um bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, bis (2-ethylhexyl) phosphate, hexafluorophosphate, dicyanamide, decanoate, bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, bis(2-ethylhexyl)phosphate oder bis(2,4,4-Trimethylpentyl)phosphinate).
Dabei können auch mehrere Sorten von Anionen und/oder Kationen, insbesondere mit jeweils unterschiedlicher Größe, also mit unterschiedlichem Molekülvolumen, vorhanden sein.
Vorzugsweise weist das Kupplungsöl 4 zudem einen Anteil an ionischer Flüssigkeit (Gesamtmenge) von 1 bis 10 M.-%, bevorzugt 2 bis 5 M.-%, auf.
Das Kupplungsöl 4 kann zudem zumindest ein weiteres, an sich bekanntes Öladditiv, bevorzugt aus der folgenden Gruppe aufweisen: Antioxidantien, VI (Viskositätsindex)-Verbesserer, Verschleißschutzzusätze, Reibkraftminderer, Korrosionsschutzzusätze, Antischaumzusätze, Pourpointverbesserer, Dispersanten, Detergentien
Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung des Kupplungsöls 4, welche sich im Rahmen von Vergleichsversuchen bewährt hat, ist z.B. wie folgt:

85 M.-% Basisöl Castrol ATF Multivehicle (Mineralöl, Kinematisch: 35 mm²/s (35 cSt) bei 40°C)
15 M.-% ionische Flüssigkeit im Mischungsverhältnis D1:B3 (D: Trihexyltetradecylphosphonium bis(2-ethyl-hexyl)phosphate [P66614][DEHP]; B: Trihexyltetradecylphosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide [P66614][BTA])

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung (1) weist die Reibungskupplung 1 zur Erzeugung des elektrischen Potentials zur Polarisierung der beiden Kupplungsscheiben 2,3 zwei im Nassraum 5 angeordnete Elektroden 11 auf, welche mit einer außerhalb des Nassraums 5 angeordneten Spannungsquelle 12 elektrisch leitend verbunden sind. Im dargestellten Fall handelt es sich bei den beiden Elektroden 11 um Kathoden. Zudem ist die zweite Kupplungsscheibe 3 ebenfalls mit der externen Spannungsquelle 12 elektrisch leitend verbunden.
Bei der Spannungsquelle 12 handelt es sich vorzugsweise um eine separate Batterie oder direkt das Bordnetz der jeweiligen Anwendung, bevorzugt das Bordnetz des jeweiligen Kraftfahrzeugs, insbesondere des Automobils. Auch können die Elektroden über ein, z.B. regelbares, Netzteil oder analoge Schaltschrankklemmen mit der jeweiligen Spannungsquelle verbunden sein.
Bei den beiden Elektroden 11 handelt es sich vorzugsweise um Stahlelektroden oder Platinelektroden, da diese aus einem sehr oxidations- und korrosionsbeständigen Material bestehen. Die Elektroden bestehen somit aus einem Material, welches gegenüber einem elektrischen Potential resistent sind.
Die Elektroden 11 sind beidseits des Antriebselements 6 und zu diesem benachbart und von diesem beabstandet angeordnet. Sie sind also benachbart zu der ersten Kupplungsscheibe 2 und von dieser beabstandet angeordnet. Da die zweite Kupplungsscheibe 3 ebenfalls mit der Spannungsquelle 12 verbunden ist, wird auf der zweiten Kupplungsscheibe 3 aktiv ein elektrisches Potential erzeugt bzw. angelegt. Im vorliegenden Fall wird die zweite Kupplungsscheibe 3 positiv polarisiert. Sie wird also positiv geladen bzw. weist eine positive Ladung auf. Im dargestellten Fall handelt es sich bei der zweiten Kupplungsscheibe 3 somit um eine Anode.
Auf der ersten Kupplungsscheibe 2 wird zudem im eingekuppelten Zustand aufgrund des bereichsweisen Kontakts (Mischreibung) zwischen der ersten und zweiten Kupplungsscheibe 2;3 im Bereich der beiden Kupplungsflächen 2a;3a ebenfalls eine Polarisierung, allerdings passiv, induziert. Auch die erste Kupplungsscheibe 2 wird dabei positiv polarisiert. Sie weist also die gleiche bzw. eine vorzeichengleiche Ladung wie die zweite Kupplungsscheibe 3 auf. Die gleiche bzw. vorzeichengleiche Ladung meint somit, dass die Ladung das gleiche Vorzeichen aufweist. Die Stärke der Ladung der ersten Kupplungsscheibe 2 ist zudem im Wesentlichen identisch mit der Ladung der zweiten Kupplungsscheibe 3.
Aufgrund der positiven Ladung der beiden Kupplungsscheiben 2;3 lagern sich im Reibspalt 8 im Bereich des Flüssigkeitsfilms an den beiden Kupplungsflächen 2a;3a Anionen 10 der ionischen Flüssigkeit an. Es bildet sich en der jeweiligen Kupplungsfläche 2a;3a eine Lage bzw. Schicht 13 aus den Anionen 10 bzw. eine Anionenschicht 13. Zwischen den beiden Anionenschichten 13 lagern sich zudem Kationen 9 der ionischen Flüssigkeit ein. Es bildet sich zwischen den beiden Anionenschichten 13 insbesondere eine Schicht bzw. Lage 14 aus Kationen 9 bzw. eine Kationenschicht 14.
Im Rahmen der Erfindung wurde nun festgestellt, dass sich aufgrund der beschriebenen Anlagerung der Anionen 10 und Kationen 9 der Reibwert im Reibspalt 8 erhöht. Es wird dabei davon ausgegangen, dass dies aus der unterschiedlichen Größe der Anionen 10 und Kationen 9 resultieren könnte.
Vorzugsweise sind die Anionen 10 wie dargestellt dabei kleiner als die Kationen 9. Dadurch können sie sich dicht bzw. mit einer hohen Packungsdichte aneinander lagern. Dies erhöht offenbar die Viskosität des Kupplungsöls 4 im Reibspalt 8.
Im Rahmen der Erfindung wurde nämlich festgestellt, dass bei umgekehrter Polarisierung der umgekehrte Fall eintritt. Die Viskosität des Kupplungsöls 4 im Reibspalt 8 und der Reibwert im Reibspalt 8 werden erniedrigt, wenn sich die größeren Kationen 9 an den Kupplungsflächen 2a;3a und die kleineren Anionen 10 dazwischen anlagern.
Somit ist erfindungsgemäß überraschenderweise unter anderem durch die Wahl der Stärke der Ladung der Kupplungsscheiben 2;3 und/oder die Größe der Kationen 9 und Anionen 10 der Reibwert im Reibspalt 8 steuerbar bzw. regelbar. Insbesondere kann dadurch der Reibwert im Laufe der Lebensdauer der Reibungskupplung 1 konstant gehalten werden. Und über den Reibwert kann das übertragene Drehmoment gesteuert und/oder geregelt werden.
Ein möglicher Regelkreis wäre vorzugsweise wie folgt:

Detektion und Vergleich des Antriebs- und Abtriebsmoments, z.B. über die Messung der Motorströme oder Momentensensoren, oder stetige Detektion der Einkuppelzeit (Zeit zur Erreichung einer vorgegebenen Drehzahl am Abtrieb ab dem Einkuppelzeitpunkt). Für ersten Fall wird ein Soll-Übertragungsmoment, für letzteren Fall wird eine Soll-Einkuppelzeit als Regelgröße vorgegeben. Für die Regelung wird z. B. ein PID-Regler verwendet.

Im Rahmen des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels (2, 3) sind im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel (1) lediglich die beiden Elektroden 11 etwas anders angeordnet, nämlich benachbart zum Reibspalt 8 (2) oder an dem Antriebselement 6 befestigt (3). Die Funktionsweise der beiden Ausführungsbeispiele ist ansonsten gleich.
Beim dritten Ausführungsbeispiel (3) ist zudem zwischen den beiden Elektroden 11 und der ersten Kupplungsscheibe 2 eine Isolationsscheibe 15, vorzugsweise aus einem Polymer, angeordnet.
Bei dem vierten und fünften Ausführungsbespiel (4 und 5) erfolgt im Gegensatz zu den vorangegangenen Beispielen eine aktive, anodische Polarisierung beider Kupplungsscheiben 2;3. Dazu sind beide Kupplungsscheiben 2;3 mit der Spannungsquelle 12 verbunden. Vorteil dieser beiden Ausführungsformen ist eine schnellere Schaltzeit.
Wie bereits erläutert, ist die erfindungsgemäße Reibungskupplung 1 in 6 etwas detaillierter, aber immer noch stark vereinfacht und schematisch dargestellt.
Bei der in 6 dargestellten nasslaufenden Reibungskupplung 1 handelt es sich um eine Einscheibenkupplung. Diese weist eine einzige Kupplungsscheibe bzw. Kupplungslamelle 16, vorzugsweise aus Stahl, und ein mit diesem zu kuppelndes Kupplungselement 17 auf. Die Kupplungslamelle 16 weist eine dem Kupplungselement 17 zugewandte Kupplungsfläche 16a auf. Bei dem Kupplungselement 17 handelt es sich vorzugsweise um ein ringförmiges Bauteil. Zudem weist das Kupplungselement 17 eine der Kupplungsscheibe 16 zugewandte Kupplungsfläche 17a auf. Zwischen den beiden Kupplungsflächen 16a; 17a ist der Reibspalt 8 vorhanden.
Zudem das Kupplungselement 17 drehfest mit einer Antriebswelle 18 verbunden, welche wiederum mit einem Antriebmotor (nicht dargestellt) um ihre Wellenachse 18a drehbar antreibbar in Verbindung steht. Die Antriebswelle 18 ist vorzugsweise in einem Lagerbock 19 um die Wellenachse 18a drehbar gelagert.
Die Kupplungslamelle 16 ist vorzugsweise über eine Druckplatte 25 mit einem, bevorzugt eine Feder 21 aufweisenden, Ausrück- bzw. Schaltmechanismus 20 verbunden. Mittels des Schaltmechanismus 20 ist die Kupplungslamelle 16 von ihrer mit dem Kupplungselement 17 gekuppelten Stellung in eine nicht gekuppelte Stellung antreibbar. Dabei ist die Reibungskupplung 1 ohne Betätigung eines Ausrückers immer durch Federkraft im eingekuppelten Zustand. Der Ausrücker wirkt der Federkraft entgegen und bewegt so die Kupplung 1 in einen ausgekuppelten Zustand. Zudem ist die Kupplungslamelle 16 mit einer Abtriebswelle 25 über die Druckplatte 25 drehfest verbunden.
Die erfindungsgemäße Reibungskupplung 1 ist somit vorzugsweise mechanisch betätigbar. Sie kann aber auch anders, z.B. elektromechanisch oder hydraulisch betätigbar sein.
Des Weiteren weist die Reibungskupplung 1 erfindungsgemäß zwei mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbundene Elektroden 23 und 24 auf, welche zur Erzeugung eines elektrischen Potentials zur Polarisierung der Kupplungslamelle 16 und des Kupplungselements 17 mit gleicher Ladung dienen. Die erste Elektrode bzw. Arbeitselektrode 24 ist direkt am Kupplungselement 17 angeordnet. Sie ist zudem gegenüber zur Kupplungslamelle 16 angeordnet und durch den Reibspalt 8 von dieser beabstandet und direkt mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung eines, im vorliegenden Fall positiven, Potentials verbunden. Das Kupplungselement 17 mit der Arbeitselektrode 24 dienen so als Anode. Auf der Kupplungslamelle 16 wird mit der vorliegenden Anordnung im eingekuppelten Zustand aufgrund des bereichsweisen Kontakts (Mischreibung) mit dem Kupplungselement 17 auf der Kupplungsfläche 16a ebenfalls eine positive Polarisierung, allerdings passiv, induziert.
Die zweite Elektrode bzw. Gegenelektrode 23 dient als Kathode und ist - analog zu der in 2 dargestellten Anordnung - radial zur Kupplungslamelle 16 und zum Kupplungselement 17 außerhalb des Reibspalts 8 angeordnet und befindet sich damit nicht im Reibkontakt.
Der Nassraum 5 der Kupplung 1 wird über Dichtringe 26 zur Umgebung abgedichtet.
Vorteil der Erfindung ist somit, dass der Reibwert µ der erfindungsgemäßen Reibungskupplung 1 im Betrieb verändert bzw. eingestellt werden kann. Dadurch kann das übertragbare Moment immer im optimalen, zuvor festgelegten, Bereich gehalten werden. Das übertragende Moment wird also auf diesen Wert geregelt. Bei Verschleiß kann z.B. der Reibwert durch Erhöhung des Potentials und dadurch das Moment konstant gehalten werden. Dies erhöht die Lebensdauer.
Je nach Art der Ladung (positiv oder negativ) und der Art und Größe der Anionen 10 und Kationen 9 kann, wie oben bereits beschrieben, beispielsweise der Reibwert µ vergrößert oder verringert werden. Beispielsweise wird der Reibwert µ durch Erzeugung eines anodischen Potentials an den Kupplungselementen erhöht und durch Erzeugung eines kathodischen Potentials an den Kupplungselementen erniedrigt, wenn die Anionen 10 kleiner als die Kationen 9 sind. Dies ist aber auch selbstverständlich umgekehrt möglich.
Der Reibwert µ kann zudem gezielt an den Betriebszustand bzw. Lastwechsel (z.B. Temperatur, Drehgeschwindigkeit, Abrieb, Ölalterung) angepasst werden.
Vibrationen, Schwankungen, Schwingungen vom Motor können zudem durch die sich aus den Anionen 10 und Kationen 9 bildende Schutzschicht ausgeglichen werden.
Da die zu übertragende Kraft erhöht werden kann, sind zudem weniger Kupplungsscheiben notwendig.
Beim Schließprozess bzw. Schaltvorgang kann die Relativgeschwindigkeit (Schlupf) minimiert werden und dadurch Verschleiß verringert bzw. vermieden werden, dies insbesondere in Lamellenkupplungen. Kurz vor Kraftschluss kann z.B. eine an den Betriebszustand angepasste anodische Polarisierung erzeugt werden, die zu einem schnellen und störungsfreien Kraftschluss führt (p_min wird erhöht auf µ_max).
Im ausgekuppelten Zustand weist die erfindungsgemäße Reibungskupplung unter anderem aufgrund ihres geringeren Gewichts ein geringes Schleppmoment im Leerlauf auf. Auch können für eine Verringerung des Schleppmoments niedrigviskose Kupplungsöle eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Reibungskupplung auch in Großgetrieben von Großmaschinen, z.B. von Schiffsmotoren. Beim langsamen Hochlauf der Großgetriebe (bspw. in Schiffen) kann das übertragende Moment durch stetiges Erhöhen des Reibwerts langsam erhöht werden.

Claims

Nasslaufende, mit einem Kupplungsöl (4) geschmierte, schaltbare, im Bereich der Mischreibung betreibbare, Reibungskupplung (1), vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, bevorzugt für Automobile oder Schiffe, zur Momentenübertragung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere zur Übertragung des Motordrehmoments eines Motors auf ein Getriebe, wobei die Reibungskupplung (1) zumindest zwei miteinander zu kuppelnde Kupplungselemente (2;3;16;17), vorzugsweise zumindest zwei Kupplungsscheiben (2;3;16), mit jeweils einer Kupplungsfläche (2a;3b; 16a; 17a) aufweist, wobei das Kupplungsöl (4) als Additiv zumindest eine ionische Flüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungskupplung (1) Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Potentials zur zumindest bereichsweisen Polarisierung der Kupplungselemente (2;3; 16; 17) mit gleicher Ladung aufweist.
Reibungskupplung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungselemente (2;3;16;17) mittels der Mittel anodisch und/oder kathodisch polarisierbar sind.
Reibungskupplung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungselemente (2;3;16;17) zumindest im Bereich der Kupplungsflächen (2a;3b; 16a; 17b) polarisierbar sind.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit Kationen (9) aufweist, wobei es sich bei den Kationen (9) um Trihexyltetradecylphosphonium, Tributylhexadecylphosphonium, Tributyltetradecylphosphonium, Triisobutylmethylphosphonium, Hexadecyltrimethylammonium, 1-Methyl-3-tetradecylimidazolium, 1-Decyl-3-methylimidazolium, 1-Dodecyl-3-methylimidazolium, 1-Hexadecyl-3-methylimidazolium oder 1-Methyl-3-octadecylimidazolium) handelt.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationen (9) eine Alkylkette mit 5 bis 12, bevorzugt 6 bis 10, Kohlenstoffen aufweisen.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit Anionen (10) aufweist, wobei es sich bei den Anionen (10) um phosphor- oder stickstoffhaltige Typen, vorzugsweise um bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, bis (2-ethylhexyl) phosphate, hexafluorophosphate, dicyanamide, decanoate, bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, bis(2-ethylhexyl)phosphate oder bis(2,4,4-Trimethylpentyl)phosphinate), handelt.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit Kationen (9) und Anionen (10) aufweist, wobei die Kationen (9) ein anderes Molvolumen und/oder ein anderes Molekülvolumen als die Anionen (10) aufweisen, wobei vorzugsweise die Anionen (10) ein kleineres Molvolumen und/oder ein kleineres Molekülvolumen als die Kationen (9) aufweisen.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kupplungsflächen (2a;3a;16a;17a) im eingekuppelten Zustand der Reibungskupplung (1) bereichsweise berühren, so dass eine Kraftübertragung zwischen den Kupplungselementen (2;3;16;17) stattfindet, wobei sowohl durch einen aus dem Kupplungsöl (4) bestehenden Flüssigkeitsfilm getrennte als auch direkte Kontaktbereiche zwischen den Kupplungselementen (2;3; 16; 17) vorhanden sind.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungsöl (4) mehrere Sorten von Anionen (10) und/oder mehrere Sorten von Kationen (9) aufweist, die sich jeweils vorzugsweise in dem Molekülvolumen unterscheiden.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungsöl (4) zudem einen Anteil an ionischer Flüssigkeit (Gesamtmenge) von 1 bis 10 M.-%, bevorzugt 2 bis 5 M.-%, aufweist.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungskupplung (1) zumindest zwei Elektroden (11;2;3; 17;23;24), insbesondere zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode, und eine Spannungsquelle (12) zur Polarisierung aufweist.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kupplungselemente (2;3;16;17) oder alle Kupplungselemente (2;3; 16; 17) aktiv polarisierbar sind.
Reibungskupplung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kupplungselemente (2;3;16;17) oder alle Kupplungselemente (2;3; 16; 17) eine der Elektroden bilden.
Reibungskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Reibungskupplung (1) um eine Einflächenkupplung oder eine Einscheibenkupplung oder eine Mehrscheibenkupplung handelt.
Kraftfahrzeug, bevorzugt Automobil oder Schiff, aufweisend einen Antriebsmotor und ein Getriebe sowie eine Kupplung zur Übertragung des Motordrehmoments des Antriebsmotors auf das Getriebe, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung eine Reibungskupplung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Verfahren zum Betreiben einer nasslaufenden, mit einem Kupplungsöl (4) geschmierten, schaltbaren Reibungskupplung (1), vorzugsweise einer Reibungskupplung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Kupplungsöl (4) als Additiv zumindest eine ionische Flüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungselemente (2;3;16;17) durch Erzeugung eines elektrischen Potentials mit gleicher Ladung polarisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungselemente (2;3;16;17) derart polarisiert werden, dass der Reibwert µ im Reibspalt (8) erhöht oder erniedrigt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert µ im Reibspalt (8) während des Einkupplungsvorgangs vor dem Kraftschluss erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibwert µ im Reibspalt (8) und/oder das übertragene Moment der Reibungskupplung (1) durch Polarisierung der Kupplungselemente (2;3; 16; 17) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das übertragene Moment der Reibungskupplung (1) gemessen wird und durch Polarisierung der Kupplungselemente (2;3;16;17) geregelt wird.