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Die
Erfindung betrifft eine Reibungskupplung zur Kopplung und Entkopplung
zweier relativ zueinander drehbarer Teile. Sie umfaßt einen
Kupplungskorb, der Außenlamellen
eines Lamellenpaketes trägt
und mit dem ersten der Teile verbindbar ist, eine Kupplungsnabe,
die Innenlamellen des Lamellenpakets trägt und mit dem zweiten der
Teile verbindbar ist, sowie einen axial verschiebbaren Kolben, der
das am Kupplungskorb oder an der Kupplungsnabe abgestützte Lamellenpaket
beaufschlagen oder entlasten kann, um die Reibungskupplung zu schließen oder
zu öffnen.
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In
mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugen sind solche Kupplungen häufig im
Antriebsstrang zu einer nur bedarfsweise angetriebenen Antriebsachse im
Einsatz. Aufgrund zunehmend komplizierterer Regelstrategien für den Antrieb
von mehrachsgetriebenen Fahrzeugen sind zur Betätigung solcher Reibungskupplungen
und damit zur Verstellung des genannten Kolbens unterschiedlichste
Lösung
vorgeschlagen worden. In vielen Fällen erfolgt die Verstellung über elektromotorisch
angetriebene Rampenscheibenpaare, bei der zwei stehende Rampenscheiben
gegensinnig verlaufende Kugelrillen variabler Tiefe aufweisen, in
denen Kugeln laufen, die die Rampenscheiben gegeneinander abstützen. Hierbei ist
eine der Scheiben axial abgestützt
und die andere axial verschiebbar. Bei Verdrehung einer der Scheiben
relativ zur anderen kann die eine der Scheiben gegenüber der
axial abgestützten
anderen verschoben werden und damit den Kolben beaufschlagen. Die
Bauweise, für
die sich Beispiele in der Veröffentlichung
DE 38 15 225 C2 der
Anmelderin finden, ist relativ aufwendig.
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Anstelle
der elektromotorischen Verdrehung der einen der Rampenscheiben in
Vorrichtungen der genannten Art sind auch Rückhaltemechanismen oder Bremsmechanismen
für die
eine der Scheiben von zwei miteinander umlaufenden Rampenscheiben vorgeschlagen
worden, die ebenfalls eine relative Verdrehung der beiden Scheiben
bewirken und somit ebenfalls die andere der Scheiben axial verschiebt und
einen Kolben zur Betätigung
der Kupplungslamellen beaufschlagt. Hierbei ist es bereits bekannt, die
drehbare der beiden Rampenscheiben von einer Viskokupplung von ringzylindrischer
Bauweise abbremsen zu lassen, die mit magneto-rheologischer Flüssigkeit
gefüllt
ist. Durch Veränderung
des magnetischen Flusses durch die Flüssigkeit läßt sich die Viskosität der Flüssigkeit
und damit das Ausmaß der Auswirkung
einer Drehzahldifferenz zwischen Kupplungskorb und Kupplungsnabe
auf die Verstellung der Reibungskupplung beeinflussen. Eine derartige Kupplung
ist in der
US 5 915 513 beschrieben.
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Gemäß einer
anderen einfacher aufbauenden Kupplungsanordnung ist es bekannt,
daß in
einer Reibungskupplung der genannten Art der Kolben eine mit dem
einen der Kupplungsteile – insbesondere
dem Kupplungskorb – umlaufende
ringzylindrische Kammer begrenzt, in der eine mit dem anderen der Kupplungsteile – insbesondere
der Kupplungsnabe – umlaufende
Rotorscheibe mit mehreren Verdrängerflügeln umläuft. Die
Verdrängerflügel nehmen
den Querschnitt der Kammer ein. Hierbei ist die Kammer weitestgehend
mit hochviskoser Flüssigkeit
gefüllt. Eine
Drehbewegung der Rotorscheibe in der Kammer erzeugt durch die Verdrängerflügel in der
Flüssigkeit
einen Druckaufbau, der proportional zur kinematischen Viskosität der Flüssigkeit
ist. Eine derartige Kupplung ist in der
US 5 056 640 beschrieben.
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Aus
der
JP 2001 221263
A ist eine Vorrichtung ähnlich
der vorstehend beschriebenen bekannt. Hierbei ist der Verdrängerflügel aus
metallischem Material. Koaxial zur Kammer ist ein ringförmiger Elektromagnet
mit axialem Abstand zum Verdrängerflügel angeordnet,
der diesen axial verschieben kann, um den Abstand zwischen Verdrängerflügel und
Kolben zu beeinflussen.
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Aus
der
DE 102 15 738
A1 ist eine Lamellenkupplung bekannt, die abwechselnd Außenlamellen, die
mit einer ersten Welle verbunden sind, und Innenlamellen, die mit einer
zweiten Welle verbunden sind, umfaßt. Außenlamellen und Innenlamellen
sind jeweils axial festgelegt und bilden miteinander Spalte konstanter
Dicke. Diese Spalte enthalten magnetorheologische oder elektrorheologische
Substanz. Durch Anlegen eines Magnetfeldes oder eines elektrischen
Feldes kann die Substanz verfestigt werden, so daß die Lamellenkupplung
in Eingriff kommt, ohne daß die
Lamellen in unmittelbaren Kontakt miteinander treten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reibungskupplung
mit einem einfachen Aufbau bereitzustellen, die verbesserte Regelmöglichkeiten
zeigt. Die Lösung
hierfür
besteht darin, daß der
Kolben auf einer Seite eine mit dem einen der Kupplungsteile umlaufende
ringzylindrische Kammer begrenzt, in der eine mit dem anderen der Kupplungsteile
verbundene Rotorscheibe mit zumindest einem . Verdrängerflügel umläuft, daß die ringzylindrische
Kammer zumindest zu einem großen Anteil
mit magneto-rheologischer Flüssigkeit
gefüllt und
nach außen
abgedichtet ist, der Kolben aus ferromagnetischem Material besteht
und gegenüberliegend
zum Kolben auf der anderen Seite der ringzylindrischen Kammer eine
steuerbare Ma gnetspule angeordnet ist, die einen magnetischen Fluß über die Kammer
und den Kolben erzeugen kann. Mit der hiermit beschriebenen Kupplung
sind stark erweiterte Regelstrategien möglich. Während bisher das Schließen der
Kupplung gemäß einer
festen Kennlinie an die Drehzahldifferenz zwischen Eingangsseite
und Ausgangsseite angebunden war und beispielsweise eine gesonderte
Schaltkupplung zum Entkoppeln von Eingangsseite und Ausgangsseite
bei bestimmten Fahrzuständen
erforderlich war, ist es mit einer Reibungskupplung nach der vorliegenden
Erfindung möglich,
die entsprechenden Regelstrategien alleine mit einer Steuerung der
Kupplung darzustellen. Bei nicht magnetisierter magneto-rheologischer
Flüssigkeit
kann die Viskosität
so gering sein, daß selbst
bei nennenswerten Drehzahldifferenzen kein Druckaufbau in der Kammer
erfolgt, damit die Kupplung offenbleibt und kein Drehmoment übertragen
wird, das den Fahrzustand beeinflußt. Das bedeutet, daß die Reibungskupplung
durch Schalten des Modus „nicht-magnetisiert" die Funktion einer
Freischaltkupplung mit übernehmen
kann. Bei magnetisierter magneto-rheologischer Flüssigkeit
kann jedoch wahlweise durch Veränderung
der Viskosität
und damit frei wählbarem
Druckaufbau in der Kammer auch schon bei geringen Drehzahldifferenzen
bei Bedarf die Kupplung geschlossen werden kann und Drehmoment wirksam übertragen
werden kann. Auf diese Weise sind im Modus „magnetisiert" Sperrwirkungen der
Reibungskupplung bereits bei sehr geringen Drehzahldifferenzen zwischen
Eingangsseite und Ausgangsseite zu erzielen, die bisher nicht mit
einfachen Mitteln darzustellen waren.
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Nach
einer bevorzugten Ausführung
ist vorgesehen, daß die
Magnetspule in einem stehenden Gehäuseteil angeordnet ist. Die
erleichtert die Stromzuführung,
die damit keine schleifenden Kontakte braucht.
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In
der später
beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungsform einer ausgeführten Reibungskupplung
ist der Kupplungskorb mit der Eingangswelle und die Kupplungsnabe
mit der Ausgangswelle verbunden, wobei insbesondere die Magnetspule ausgangsseitig
in Bezug auf das Lamellenpaket angeordnet ist.
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Zum
Ausgleich der Volumenänderung
in der Kammer infolge von Wärmedehnung
in der magneto-rheologischen Flüssigkeit
und zum Ausgleich der Volumenänderung
in der Kammer infolge einer Verschiebung des Kolbens sind besondere
Maßnahmen vorzunehmen.
Nach einem ersten Ansatz kann die Kammer außer der magneto-rheologischen Flüssigkeit
zu einem geringen Anteil ein Gasvolumen enthalten, dessen Kompressibilität den Volumenausgleich herstellt.
Nach einem anderen Ansatz kann die Kammer vollständig mit magneto-rheologischer
Flüssigkeit
gefüllt
sein und mit einer volumenveränderlichen Ausgleichskammer
verbunden sein, die ebenfalls mit magneto-rheologischer Flüssigkeit
gefüllt
ist.
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Der
zumindest eine Verdrängerflügel nimmt den
Querschnitt der Kammer in Umfangsrichtung betrachtet zur Hälfte von
der Peripherie bis zur Mittelachse im wesentlichen ganz ein.
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Die
Konfiguration von Magnetspule, Kammer und Kolben ist so aufeinander
abzustimmen, daß bei Erregung
der Magnetspule ein möglichst
gleichförmiges
Magnetfeld im Bereich der Kammer erzeugt wird, so daß eine gleichmäßige Viskosität der Flüssigkeit eingestellt
werden kann.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Kupplung
- a) im Längsschnitt
- b) im Halbschnitt durch die Rotorscheibe;
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2 zeigt ein Prinzipbild
der Kupplung nach 1
- a) bei offener Kupplung
- b) bei geschlossener Kupplung;
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Kupplung
im Halbschnitt in einer zweiten Ausführung;
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4 zeigt ein Prinzipbild
zur Druckerzeugung in der Kammer.
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In 1a ist eine erfindungsgemäße Kupplung
gezeigt, deren Eingangsseite einen Kupplungskorb 11 umfaßt und deren
Ausgangsseite eine Kupplungsnabe 12 umfaßt. Der
Kupplungskorb ist in einem feststehenden Gehäuse 13 mittels zweier
Kugellager 14, 15 drehbar gelagert. Der Kupplungskorb 11 endet
links in einem Wellenzapfen 16, auf den ein Antriebsflansch 17 aufgesetzt
ist. Die Kupplungsnabe 12 hat eine Steckhülse 18,
in die eine Abtriebswelle 19 eingesteckt ist. In den Kupplungskorb 11 ist
ein Deckel 21 verdrehgesichert eingesetzt, der abgedichtet
an der Hülse 12 aufsitzt.
Kupplungskorb 11 und Kupplungsnabe 12 sind über ein
weiteres Kugellager 22 ineinander gelagert. Der Deckel 21 ist
unmittelbar über
das Kugellager 15 in einem Gehäuseeinsatz 23 gelagert,
der eine ringförmige
Magnetspule 24 trägt.
Zwischen Kupplungskorb 11 und Kupplungsnabe 12 sitzt
in axialem Abstand zum Deckel 21 ein Kolben 25,
der gegenüber
Kupplungskorb 11 und Kupplungsnabe 12 abgedichtet
ist und axial verschiebbar ist. Deckel 21 und Kolben 25 bilden
eine ringzylindrische Kammer 26, die im wesentlichen ganz
mit magneto-rheologischer Flüssigkeit
gefüllt ist.
In der ringzylindrischen Kammer 26 liegt eine Rotorscheibe 27 mit
zwei radialen Verdrängerflügeln 29, die über eine
Wellenverzahnung 28 drehfest mit der Kupplungsnabe 12 verbunden
ist. Mittels der Magnetspule 24 können der Kolben 25 und
die magneto-rheologische Flüssigkeit
in der ringzylindrischen Kammer 26 magnetisiert werden.
Hierdurch ändert sich
die Viskosität
der magneto-rheologischen Flüssigkeit.
Bei einer relativen Drehung zwischen Rotorscheibe 27 und
Gehäuse 21 kommt
es in der Kammer 26 zu einem Druckaufbau, der zu einer
Verschiebung des Kolbens 25 führt. Der Kolben 25 ist
bei Vergrößerung der
ringzylindrischen Kammer 26 imstande, ein Lamellenpaket 30 axial
zu belasten, das sich am Kupplungskorb 11 axial abstützt und
sich aus mit dem Kupplungskorb 11 verbundenen Außenlamellen 31 und
mit der Kupplungsnabe 12 verbundenen Innenlamellen 32 zusammensetzt.
Durch Belasten des Lamellenpaketes 30 wird die Kupplungsnabe 12 an den
Kupplungskorb 11 und damit die Abtriebswelle 19 an
den Wellenzapfen 16 angekoppelt.
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In 1b ist in einem Querschnitt
durch die Kammer 26, die innen von der Hülse 18 und
außen vom
Kupplungskorb 11 begrenzt wird, die Rotorscheibe 27 mit
der Wellenverzahnung 28 und zwei radialen Verdrängerflügeln 29 erkennbar.
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In 2 sind die wesentlichen
funktionellen Teile der Kupplung nach 1 prinzipiell
dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern belegt sind.
Insoweit wird auf die vorangehende Beschreibung Bezug genommen.
Es sind im wesentlichen der Korb 11, die Nabe 12,
das Lamellenpaket 30 mit Außenlamellen 31 und
Innenlamellen 32, der Kolben 25, die ringzylindrische
Kammer 26, die Rotorscheibe 27, der Deckel 21,
der Gehäuseeinsatz 23 sowie
die Magnetspule 24 dargestellt. In der Darstellung a ist die
Magnetspule 24 nicht erregt, somit hat die magnetorheologische
Flüssigkeit
in der Kammer 26 eine geringere Viskosität. Bei einer
unterstellten Drehzahldifferenz zwischen Kupplungskorb 11 als
Eingangsseite und Kupplungsnabe 12 als Ausgangsseite erfolgt
kein wesentlicher Druckaufbau in der ringzylindrischen Kammer 26.
Der Kolben 25 übt
keine Kräfte auf
das Lamellenpaket 29 aus. In der Darstellung b ist die
Magnetspule 24 erregt. Die magneto-rheologische Flüssigkeit
in der Kammer 26 ist in ihrer Viskosität wesentlich gesteigert. Bei
einer angenommenen Drehzahldifferenz zwischen Kupplungskorb 11 als Eingangsseite
und Kupplungsnabe 12 als Ausgangsseite erzeugt die Rotorscheibe 27 in
der Kammer 26 einen Druck, der den Kolben 25 gegen
das Lamellenpaket 29 verschiebt, das damit die Kupplungsnabe 12 an
den Kupplungskorb 11 ankoppelt. Wie durch Pfeile 33, 34, 35 angedeutet,
kommt es zu einem Drehmomentfluß von
der Eingangsseite zur Ausgangsseite, d. h. vom Kupplungskorb 11 über das
Lamellenpaket 29 zur Kupplungsnabe 12.
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In 3 sind gleiche Einzelheiten
mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 dargestellt.
Auf die dortige Beschreibung wird insoweit Bezug genommen. Abweichend
davon ist jedoch im Kolben 25 ein Ausgleichsreservoir 36 ausgebildet,
das mit der Kammer 26 offen verbunden ist und im vorliegenden Fall
auf sein Minimalvolumen begrenzt ist. Das Ausgleichsreservoir 36 wird
von einem Ausgleichskolben 37 begrenzt, der sich über eine
Tellerfeder 38 und eine Scheibe 39 axialelastisch
am Kolben 25 abstützt.
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In 4 ist das Prinzip der Druckerzeugung in
der Kammer verdeutlicht, wobei die Drehbewegung der Verdrängerflügel in der
Kammer zu einer Linearbewegung von zwei Flügelenden 29', 29'' in einer Kammer 26' abgewandelt
ist. Die Kammer wird im übrigen
von einem feststehenden Gehäuse 21' und einem verschiebbaren
Kolben 25' gebildet,
die jeweils nur als Abschnitte gezeigt sind. Vor dem Flügel 29' baut sich in
der angezeigten Bewegungsrichtung ein Druck auf, während hinter
dem Flügel 29'' in Bewegungsrichtung der geringste
Druck ansteht, so daß sich
hier ein Gasvolumen 40 sammelt. Über dem Kolben 25' ist das Profil
des Druckes in Richtung der Kammerlänge L aufgetragen, wobei unmittelbar
vor dem Verdrängerflügel 29' des höchste Druck
p1 herrscht und im Gasvolumen 40 der innerhalb des Volumens
geringste konstante Druck p2. Der örtliche Druck in der Kammer
ist jeweils angegeben mit p = 12μL/h·U + p2,
wobei L und h die Abmessungen der Kammer, U die Umfangsgeschwindigkeit
der Verdrängerflügel 29', 29'' und μ die kinematische Viskosität der magneto-rheologischen
Flüssigkeit
darstellen, letztere läßt sich
variieren. Die Kolbenkraft ist hierbei angegeben mit F = ∫A PdA,
wobei A die Gesamtkolbenfläche
des Kolbens 25' ist.
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- 11
- Kupplungskorb
- 12
- Kupplungsnabe
- 13
- Gehäuse
- 14
- Kugellager
- 15
- Kugellager
- 16
- Wellenzapfen
- 17
- Flansch
- 18
- Steckhülse
- 19
- Antriebswelle
- 20
- Kugellager
- 21
- Deckel
- 22
- Kugellager
- 23
- Gehäuseeinsatz
- 24
- Magnetspule
- 25
- Kolben
- 26
- Kammer
- 27
- Rotorscheibe
- 28
- Wellenverzahnung
- 29
- Verdrängerflügel
- 30
- Lamellenpaket
- 31
- Außenlamellen
- 32
- Innenlamellen
- 33
- Pfeil
- 34
- Pfeil
- 35
- Pfeil
- 36
- Ausgleichsreservoir
- 37
- Ausgleichskolben
- 38
- Tellerfeder
- 39
- Scheibe
- 40
- Gasvolumen