DE10210992A1

DE10210992A1 - Schaltelement für drehende Teile

Info

Publication number: DE10210992A1
Application number: DE2002110992
Authority: DE
Inventors: Roland Altvater
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Das Schaltelement zum Verbinden drehender Teile, insbesondere Wellen, umfasst einen mit einer ersten Welle (2) verbindbaren Rotor (3) und einen mit einer zweiten Welle (4) verbindbaren Stator (5), die einen mit einem Arbeitsmedium über eine Befüll- und Entleereinrichtung füllbaren Arbeitsraum (6) bilden, der eine Zufuhreinrichtung (10) und einen Abfluss (11) für das Arbeitsmedium und eine Entlüftungseinrichtung (7) zur Be- und Entlüftung aufweist, derart, dass durch die Differenzdrehzahl zwischen Rotor (3) und Stator (5) und den entsprechenden Restschlupf eine innere Strömung im Arbeitsraum (6) aufbaubar ist, welche in einer Momentübertragung am Stator (5) resultiert, wobei die Größe des übertragenen Momentes durch den Füllgrad des Arbeitsraumes (6) mit Arbeitsmedium regelbar bzw. steuerbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltelement zum Verbinden drehender Teile, insbesondere Wellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Nach dem Stand der Technik werden, um drehende Teile, insbesondere Wellen miteinander sowohl lastfrei als auch unter Last zu verbinden Kupplungen unterschiedlicher Bauart oder Drehmomentwandler eingesetzt. Hierbei unterliegen Kupplungen einem erhöhten Verschleiß, wohingegen Wandler verschleißfrei sind aber einen hohen Aufwand an Zusatzaggregaten erfordern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltelement zum Verbinden drehender Teile anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll ein robustes und verschleißfreies Schaltelement angegeben werden, welches geringen Bauaufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Demnach wird ein Schaltelement vorgeschlagen, welches einen mit einer ersten Welle, vorzugsweise einer Antriebswelle verbindbaren Rotor und ein mit einer zweiten Welle verbindbares Rad (Stator), die einen Arbeitsraum miteinander bilden, umfasst. Erfindungsgemäß können diese zwei Wellen miteinander verbunden werden, indem der Arbeitsraum mit einem Arbeitsmedium, vorzugsweise Öl gefüllt wird, wobei durch die Differenzdrehzahl zwischen Rotor und Stator und den entsprechenden Restschlupf eine innere Strömung aufgebaut wird, die zu einem Moment am Stator führt und diesen mitnimmt. Die Wellen können dadurch getrennt werden, dass das Arbeitsmedium entfernt wird, so dass das Moment der ersten Welle nicht mehr übertragen werden kann.

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, konstruktiv d. h. durch die Wahl entsprechender Geometrien, einen Restschlupf einzustellen. Dies resultiert darin, dass durch den vorhandenen Restschlupf Schwingungsanregungen eliminiert werden. Zudem ist es möglich, für den Fall dass der Restschlupf unerwünscht oder zu groß ist, durch eine Lamellenkupplung oder ein druckgesteuert betreibbares Zusatzelement, eine feste Verbindung zwischen den beiden Wellen herzustellen.

Des weiteren ist es möglich, das übertragene Moment durch den Füllgrad des Arbeitsraumes feinfühlig zu regeln, wobei zur Be- und Entlüftung eine Entlüftung vorgesehen ist, die im Rahmen einer weiteren Ausführungsform automatisch aktivierbar ist, vorzugsweise zentral über ein vorgesehenes Schwimmerelement.

Das erfindungsgemäße Schaltelement wird von dem Arbeitsmedium durchflossen, wobei in den Arbeitsmediumkreislauf ein Wärmetauscher integriert sein kann, der die überschüssige Wärme abführt.

Es ist vorgesehen, die Zufuhreinrichtung bzw. den Zufluss für das Arbeitsmedium in der Nähe der Drehachse anzuordnen und den Abfluss weiter von der Drehachse entfernt; das Arbeitsmedium fließt in den Arbeitsraum, wird aufgrund der Bewegung des Rotors in Rotation versetzt und nimmt dabei das mit der zweiten Welle verbundene Rad (Stator) mit. Da der "Stator" mit geringerer Drehzahl dreht und der Ausfluss weiter von der Drehachse entfernt ist, als der Zufluss, baut sich hier eine Druckdifferenz auf, die erfindungsgemäß zum Pumpen des Arbeitsmediums und zum Entleeren des Systems verwendet wird. Hierbei kann das Arbeitsmedium entweder direkt oder über einen Wärmetauscher zurück zum Rotor geführt werden.

Vor oder nach dem Wärmetauscher ist eine Rohrleitung zur Befüll- und Entleereinrichtung vorgesehen. Die Steuerung der Befüll- und Entleereinrichtung kann hierbei pneumatisch, elektrisch oder mechanisch erfolgen. Wenn der Arbeitsraum gefüllt ist, kann durch eine Erhöhung des Druckes bzw. des Füllgrades keine Steigerung der Momentenübertragung erreicht werden. Andererseits kann mittels einer Drucküberhöhung eine feste Verbindung mittels der Ansteuerung von Zusatzelementen wie z. B. Klauenkupplungen, Überschiebemuffen, Synchronisierungen, Lamellenkupplungen oder eines Zip-Zap Verriegelungselementes hergestellt werden. Hierbei sind die Zusatzelemente mit dem Arbeitsmediumkreislauf verbindbar.

Das erfindungsgemäße Schaltelement kann als Fahrzeugkupplung und/oder als Lüfterkupplung für VISCO- oder Hydrostatantriebe bei Nkw's oder Bussen verwendet werden. Des weiteren ist ein Einsatz bei drehzahlgeregelten Kühlmittel-, Öl- oder Fluidpumpen oder bei Schaltelementen in Wende-, Lastschalt- oder Lenkgetrieben, bei Schaltern für Nebenabtriebe oder bei Torsionsschwingungsdämpfern möglich. Außerdem kann das Schaltelement bei Sicherheitsantrieben als dauerfeste Überlastsicherung verwendet werden.

Das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine einfache und feinfühlige Ansteuerung bei einer gleichzeitigen stufenlosen Regelbarkeit; zudem ist es aufgrund der durch die Pumpfunktion erzielbaren Selbstkühlung in das vorhandene Kühlsystem integrierbar.

Als weiterer Vorteil erweist sich die Verwendung als Zusatzpumpe sowie die Verwendung als Retarder, wobei eine entsprechende Verschaltung erforderlich ist.

Zudem können zur Herstellung Druckgussserienbauteile oder Kunststoffbauteile verwendet werden, was in geringen Kosten resultiert. Die Kosten werden auch langfristig gesenkt, da das erfindungsgemäße Schaltelement robust und verschleißfrei ist. Eine explosionssichere Ausführung kann durch die freie Wahl des Arbeitsmediums gewährleistet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen, die jeweils bevorzugte Ausführungsformen zeigen, näher erläutert.
In diesen stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schaltelements;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Schaltelements als geregelte Anfahrkupplung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Schaltelements als variabler Pumpenantrieb und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Schaltelements als variabler Lüfterantrieb.
Gemäß Fig. 1 umfasst das erfindungsgemäße Schaltelement 1 einen mit einer ersten Welle, vorzugsweise mit einer Antriebswelle 2 verbindbaren Rotor 3 und einen mit einer zweiten Welle, vorzugsweise einer Abtriebswelle 4 verbindbaren Stator 5 auf. Rotor 3 und Stator 5 sind derart angeordnet, dass zwischen Rotor 2 und Stator 3 ein Arbeitsraum 6 gebildet wird, der mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise Öl füllbar ist.
Des weiteren ist zur Be- und Entlüftung des Arbeitsraumes 6 eine Entlüftungseinrichtung 7 vorgesehen, welche im Rahmen der gezeigten Ausführungsform über ein Schwimmerelement 8 automatisch aktivierbar ist. Die Entlüftungseinrichtung 7 wird in der Figur in Vergrößerung dargestellt.
Vorteilhafterweise ist in den Arbeitsmediumkreislauf ein Wärmetauscher 9 integriert, der die überschüssige Wärme abführt. Das Arbeitsmedium wird dem Arbeitsraum 6 über eine Zufuhreinrichtung 10 zugeführt, die vorzugsweise in der Nähe der Drehachse der Wellen 2, 4 angeordnet ist; der Abfluss 11 weiter von der Drehachse entfernt angeordnet, wie in der Fig. 1 gezeigt. Ebenfalls in der Fig. 1 gezeigt ist ein Vorratsbehälter 12 für das Arbeitsmedium.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schaltelementes ist wie folgt:
Wenn der Arbeitsraum 6 mit einem Arbeitsmedium befüllt wird, wird durch die Differenzdrehzahl zwischen Rotor 3 und Stator 5 und den entsprechenden Restschlupf eine innere Strömung aufgebaut, die zu einem Moment am Stator 5 führt und diesen mitnimmt. Hierbei ist die Größe des übertragenen Momentes durch den Füllgrad des Arbeitsraumes 6 feinfühlig regelbar bzw. steuerbar.
Da der Stator 5 mit geringerer Drehzahl dreht und der Ausfluss 11 weiter von der Drehachse entfernt angeordnet ist, als der Zufluss 10, baut sich im Arbeitsraum 6 eine Druckdifferenz auf, die zum Pumpen des Arbeitsmediums und zum Entleeren des Systems verwendet wird.
Die Wellen 2, 4 können erfindungsgemäß dadurch getrennt werden, dass das Arbeitsmedium entfernt wird, so dass das Moment der ersten Welle 2 nicht mehr übertragen werden kann.
Wie bereits erläutert, kann ein Zusatzelement wie z. B. eine Klauenkupplung oder ein Verriegelungselement 19 vorgesehen sein, welches mit dem Arbeitsmediumkreislauf verbindbar ist und mittels einer Drucküberhöhung im Arbeitsraum 6 des Schaltelementes 1 ansteuerbar ist, so dass eine feste Verbindung zwischen den beiden Wellen 2, 4 erzielt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schaltelementes. Hierbei wird das Schaltelement 1 als geregelte Anfahrkupplung zwischen Motor 13 und Getriebe 14 eingesetzt.
In den Fig. 3 und 4 ist eine beispielhafte Darstellung der Verwendung des Schaltelementes gemäß der Erfindung als variabler Pumpen- bzw. Lüfterantrieb.
Gemäß Fig. 3 ist das Schaltelement 1 zwischen Antrieb 2 und Pumpe 15 angeordnet, wobei zur Leerlaufeinstellung ein Gegendruckventil 16 vorgesehen ist. Die Regelung erfolgt mittels einer Regeleinrichtung 17, welche einen Thermostaten oder ein elektrisches, hydraulisches oder pneumatisches Ventil aufweisen kann.
Gemäß Fig. 4 ist das Schaltelement 1 zwischen Antrieb 2 und Lüfter 18 angeordnet; analog zu Fig. 3 ist auch hier ein Gegendruckventil 16 vorgesehen, wobei die Regelung mittels eines Thermostaten oder eines elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Ventils erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Schaltelement ermöglicht eine einfache und feinfühlige Ansteuerung der Verbindung zwischen zwei drehenden Wellen und weist ein breites Anwendungsspektrum ohne aufwendige Modifikationen auf. Bezugszeichen 1 Schaltelement
2 Antriebswelle
3 Rotor
4 Abtriebswelle
5 Stator
6 Arbeitsraum
7 Entlüftungseinrichtung
8 Schwimmer
9 Wärmetauscher
10 Zufuhreinrichtung
11 Abfluss
12 Vorratsbehälter
13 Motor
14 Getriebe
15 Pumpe
16 Gegendruckventil
17 Regeleinrichtung
18 Lüfter
19 Verriegelungselement

Claims

1. Schaltelement zum Verbinden drehender Teile, insbesondere Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass es einen mit einer ersten Welle (2) verbindbaren Rotor (3) und einen mit einer zweiten Welle (4) verbindbaren Stator (5) umfasst, die einen mit einem Arbeitsmedium über eine Befüll- und Entleereinrichtung füllbaren Arbeitsraum (6) bilden, der eine Zufuhreinrichtung (10) und einen Abfluss (11) für das Arbeitsmedium und eine Entlüftungseinrichtung (7) zur Be- und Entlüftung aufweist, derart, dass durch die Differenzdrehzahl zwischen Rotor (3) und Stator (5) und den entsprechenden Restschlupf eine innere Strömung im Arbeitsraum (6) aufbaubar ist, welche in einer Momentübertragung am Stator (5) resultiert, wobei die Größe des übertragenen Momentes durch den Füllgrad des Arbeitsraumes (6) mit Arbeitsmedium regelbar bzw. steuerbar ist.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (10) für das Arbeitsmedium in der Nähe der Drehachse der Wellen (2, 4) angeordnet ist und dass der Abfluss (11) weiter von der Drehachse entfernt angeordnet ist.

3. Schaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsraum (6) eine Druckdifferenz erzielbar ist, die zum Pumpen des Arbeitsmediums und zum Entleeren des Schaltelementes (1) verwendbar ist.

4. Schaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungseinrichtung (7) mittels eines vorgesehenen Schwimmerelementes (8) automatisch aktivierbar ist.

5. Schaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Arbeitsmediumkreislauf ein Wärmetauscher (9) integriert ist.

6. Schaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsbehälter (12) für das Arbeitsmedium vorgesehen ist.

7. Schaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Arbeitsraumes derart gewählt ist, dass ein Restschlupf einstellbar ist.

8. Schaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Schaltelement oder ein druckgesteuert betreibbares Zusatzelement (19) vorgesehen ist, welches mit dem Arbeitsmediumkreislauf verbindbar ist und mittels einer Drucküberhöhung im Arbeitsraum (6) des Schaltelementes (1) ansteuerbar ist, so dass eine feste Verbindung zwischen den beiden Wellen (2, 4) herstellbar ist.

9. Schaltelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzelement eine Klauenkupplung, eine Überschiebemuffe, eine Synchronisierung, eine Lamellenkupplung oder ein Zip-Zap-Verriegelungselement vorgesehen ist.

10. Schaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüll- und Entleereinrichtung pneumatisch, elektrisch oder mechanisch steuerbar ist.

11. Verwendung eines Schaltelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Fahrzeugkupplung und/oder als Lüfterkupplung.

12. Verwendung eines Schaltelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als variabler Pumpenantrieb, wobei zur Leerlaufeinstellung ein Gegendruckventil (16) vorgesehen ist.

13. Verwendung eines Schaltelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bei Schaltelementen in Wende-, Lastschalt- oder Lenkgetrieben, bei Schaltern für Nebenabtriebe oder bei Torsionsschwingungsdämpfern.

14. Verwendung eines Schaltelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als dauerfeste Überlastsicherung bei Sicherheitsantrieben.