DE10325222A1

DE10325222A1 - Wandlerüberbrückungskupplung eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers

Info

Publication number: DE10325222A1
Application number: DE2003125222
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Ing. Heim
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wandlerüberbrückungskupplung (1) eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers zur bedarfsweisen Überbrückung eines Wandlergehäuses (2) respektive eines Pumpenrades mit einem Turbinenrad, wobei die Wandlerüberbrückungskupplung (1) einen axial auf einer Nabe (3) beweglichen Kolben (5), eine Reibflächenverbindung (6-10) mit dem Wandlergehäuse (2) sowie Federelemente zum Andrücken des Kolbens (5) an die Reibflächen (6-10) aufweist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Federelemente als scheibenförmiges, insbesondere ringscheibenförmiges Federelement (Scheibenfeder 12) ausgebildet sind, welches einerseits gegen den Kolben (5) und andererseits gegen ein mit der Nabe verbundenes Abstützteil (11) abgestützt sowie formschlüssig mit dem Kolben (5) und dem Abstützteil (11) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wandlerüberbrückungskupplung eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 – bekannt durch die DE-A 43 06 598.

Wandlerüberbrückungskupplungen, im Folgenden auch kurz Kupplung genannt, haben die Aufgabe, bei einem hydrodynamischen Wandler das Wandlergehäuse bzw, das Pumpenrad mit dem Turbinenrad kurzzuschließen, um somit den Schlupf zu eliminieren. Diese Maßnahme dient der Verbrauchsoptimierung. Durch die DE-A 43 06 598 wurde eine Wandlerüberbrückungskupplung bekannt, bei welcher ein Kolben auf einer mit dem Wandlergehäuse verbundenen Nabe axial gleitend angeordnet ist und mit dem Wandlergehäuse zusammen mit einer Reiblamelle Reibflächenpaarungen bildet. Über die zwischen Kolben und Wandlergehäuse eingeschlossene Reiblamelle und einen Mitnehmer wird eine starre Verbindung zum Turbinenrad hergestellt. Im Bereich der Nabe stützt sich der Kolben über Blattfederelemente gegenüber einer Mitnehmerscheibe ab, die fest mit der gehäusefesten Nabe verbunden ist. Die tangential angeordneten, auf dem Umfang verteilten Blattfedern, so genannte Tangentialblattfedern, bewirken gleichzeitig eine Mitnahme des Kolbens durch die Mitnehmerscheibe. Die Tangentialblattfedern haben die Aufgabe, den Kolben im nicht eingerückten Zustand der Kupplung an die Reibflächen anzudrücken, sodass die axiale Position des Kolbens definiert ist. Beim Einrücken bzw. Zuschalten der Kupplung wird der Kolben durch Ventilumsteuerung derart mit Öldruck beaufschlagt, dass eine reibschlüssige Verbindung zwischen Kolben und Wandlergehäuse unter gleichzeitiger Mitnahme des Turbinenrades erfolgt. Für diesen Umschaltvorgang ist ein so genanntes Anfedern des Kolbens in Richtung Wandlergehäuse erwünscht und vorteilhaft, was durch die erwähnten Tangentialblattfedern erfolgt. Nachteilig bei dieser Blattfederlösung ist, dass die Verbindung eine Vielzahl von Teilen, Blattfedern und Nieten, aufweist, die einzeln montiert werden müssen. Beim Vernieten der Blattfedern kann es auch zu Verfälschungen der Federcharakteristik kommen. Im Übrigen ist die Federkennlinie von Blattfedern linear steigend oder progressiv ausgebildet, was in Verbindung mit den Bauteil- und Einstelltoleranzen der Wandlerüberbrückungskupplung zu relativ großen Federkrafttoleranzen führt.

Durch die DE-A 30 29 860 wurde eine weitere Bauart einer Wandlerüberbrückungskupplung eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers bekannt, wobei der Kolben der Kupplung auf einer Nabe des Turbinenrades axial beweglich angeordnet ist. Die Drehmomentübertragung zwischen Kolben und Turbinenrad erfolgt primär über einen Satz von Schraubenfedern, welche die von der Kurbelwelle übertragenen Drehschwingungen vom Wandlerabtrieb fernhalten sollen. Parallel zu den Schraubenfedern ist eine so genannte Reibeinrichtung vorgesehen, die als Dämpfer der Torsionsschwingungen dient. Die Reibeinrichtung besteht aus einer zwischen Kolben und einer tellerfederartigen Feder eingespannten Reiblamelle, die ihrerseits mit dem Turbinenrad bzw. der Turbinennabe verbunden ist. Die Reiblamelle erzeugt somit bei Relativbewegungen zwischen Kolben und Turbinenrad eine Reibungskraft, welche als Dämpfungskraft gegen die Torsionsschwingungen wirkt und nicht für eine Übertragung des Motorantriebsmomentes ausgelegt ist. Weiterhin ist die Reiblamelle als axialelastische Scheibe derart gestaltet, dass sie den Kolben in Richtung auf das Turbinenrad vorspannt, damit eine definierte Lüftstellung der Wandlerkupplung, d. h. ein definierter Spalt zwischen Kolben und Wandlergehäuse eingehalten wird. Beim Zuschalten dieser Kupplung muss diese Federvorspannung der axialelastischen Scheibe durch den Druck des Hydraulikmediums überwunden werden. Dies hat ein verzögertes Zuschalten der Kupplung zur Folge.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wandlerüberbrückungskupplung der eingangs genannten Art konstruktiv einfacher zu gestalten und die Herstellungskosten zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist zum Andrücken bzw. dem so genannten Anfedern des Kolbens in Richtung Reibflächen eine Scheibenfeder vorgesehen, d. h. ein Federelement, das ringscheibenförmig ausgebildet ist. Erfindungsgemäß stützt sich das Federelement einerseits gegen den Kolben und andererseits gegen ein Abstützteil, welches an der Nabe befestigt, d. h. mit dem Wandlergehäuse verbunden ist, ab. Weiterhin ist das Federelement erfindungsgemäß formschlüssig mit Kolben und Abstützteil verbunden. Als Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich, dass das Anfedern des Kolbens durch ein einziges Federelement, d. h. nur ein Teil bewirkt wird. Damit ist die Zahl der Einzelteile, die jeweils vormontiert werden müssen, erheblich reduziert, was auch eine Senkung der Herstellungskosten zur Folge hat.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Scheibenfeder als Tellerfeder ausgebildet, welche auch als Normteil verfügbar und somit relativ preisgünstig beziehbar ist. Unter Umständen kann es zur Veränderung der Federkraft auch vorteilhaft sein, mehrere Tellerfedern als Paket hintereinander anzuordnen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Scheibenfeder als Wellfeder ausgebildet, d. h. mit einer sich über den Umfang erstreckenden Wellung, wobei Wellenkämme und Wellentäler jeweils in radialer Richtung verlaufen. Wellfedern sind an sich bekannte Konstruktionselemente.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Federelement innen und außen so genannte Mitnahmeverzahnungen auf, die in entsprechende Mitnahmeverzahnungen am Kolben und am Abstützsteil eingreifen. Vorteilhafterweise können die Mitnahmeverzahnungen am Kolben und am Abstützteil geprägt werden, d. h. durch spanlose Umformung, was die Fertigung vereinfacht und die Herstellkosten reduziert. Ein derartiges Ausformen der Mitnahmeverzahnung ist insofern günstig, weil Kolben und Abstützteil als Blechteile ausgebildet sind. Durch diese formschlüssige Verbindung ist eine Mitnahme des Kolbens durch die Nabe sichergestellt, und zwar ohne weitere Teile, sondern nur durch das Federelement, das somit zwei Funktionen übernimmt. Dies erlaubt eine einfache Montage.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Tellerfeder hinsichtlich ihrer Federkennlinie so ausgelegt, dass während des Kolbenhubes, d. h. zwischen der ein- und ausgerückten Position der Wandlerüberbrückungskupplung eine annähernd konstante Federkraft, d. h. konstante Anpresskraft eingehalten wird. Die Anpresskraft ist dabei weitgehend unabhängig von den Bauteil- und Einstelltoleranzen der Wandlerkupplung. Dadurch wird die Federkrafttoleranz, insbesondere im Vergleich zu Blattfedern nach dem Stand der Technik reduziert.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Abstützteil und dem Kolben vorgesehen, und zwar vorteilhafterweise durch ineinander greifende Mitnahmeverzahnungen. Insofern erfolgt eine Drehmomentübertragung hier nicht über die Scheibenfeder, sondern direkt zwischen Kolben und Abstützteil. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft bei Verwendung einer Wellfeder.

Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind Abstützteil und Nabe entweder als separate Bauteile ausgeführt, die über geeignete Mittel miteinander kraft-, form- oder stoffschlüssig verbunden sind, oder als einstückiges Bauelement ausgebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Tellerfeder,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Wellfeder und
3 ein Federkennliniendiagramm.
1 zeigt einen Ausschnitt einer Wandlerüberbrückungskupplung 1, im folgenden auch kurz Kupplung genannt, eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers, von dem lediglich Ausschnitte eines Wandlergehäuses 2 und einer Nabe 3 dargestellt sind, wobei die Nabe 3 auf nicht dargestellte Weise mit dem Wandlergehäuse 2 verbunden ist. Auf der Nabe 3 ist, axial gleitend und durch einen Dichtring 4 abgedichtet, ein Kolben 5 angeordnet, welcher in seinem radial äußeren Bereich eine Reib- und Anpressfläche 6 aufweist. Auf gleicher Höhe weist das Wandlergehäuse 2 eine Reib- und Anpressfläche 7 auf. Zwischen den beiden Reibflächen 6, 7 ist ein Satz von Reiblamellen 8, 9, 10 angeordnet, von denen die beiden außen angeordneten Lamellen 8, 10 auf nicht dargestellte Weise mit einem nicht dargestellten Turbinenrad des Drehmomentwandlers verbunden sind. Die mittlere Reiblamelle 9 ist auf nicht dargestellte Weise mit dem Wandlergehäuse 2 verbunden. An der Nabe 3 ist stirnseitig, d. h. auf der dem nicht dargestellten Turbinenrad zugewandten Seite ein ringförmig ausgebildetes, abgewinkeltes Abstützteil 11 befestigt, beispielsweise durch Verschweißung mit der Nabe 3. Zwischen dem Kolben 5 und dem Abstützteil 11 ist eine Tellerfeder 12 angeordnet, die auf ihrem Außenumfang eine Außen-Mitnahmeverzahnung 13 und auf ihrem Innenumfang eine Innen-Mitnahmeverzahnung 15 aufweist. Die Außen-Mitnahmeverzahnung 13 liegt an einem Bereich des Kolbens 5 an, welcher eine entsprechende Innen-Mitnahmeverzahnung 15 aufweist, welche durch Prägen des Kolbens 5 hergestellt werden kann. Das Abstützteil 11 weist eine Außen-Mitnahmeverzahnung 16 auf, in welche die Innen-Mitnahmeverzahnung 15 der Tellerfeder 12 eingreift.
Die Funktion der Kupplung 1 und insbesondere die der Tellerfeder 12 wird im Folgenden beschrieben: Im offenen bzw. gelüfteten Zustand der Kupplung 1 wird der Kolben 5 auf der dem Wandlergehäuse 2 zugewandten Seite von innen durch ein Hydraulikmedium angeströmt. Dabei baut sich ein hydraulischer Druck auf, welcher auf den Kolben 5 eine Kraft in Richtung des nicht dargestellten Turbinenrades und entgegen der Federkraft der Tellerfeder 12 ausübt. Das Hydraulikmedium strömt zwischen dem Wandlergehäuse 2 und den Reiblamellen 8, 9, 10 sowie dem Kolben 5 der gelüfteten Kupplung nach außen ab. Beim Zuschalten der Kupplung 1 wird die Strömungsrichtung des Hydraulikmediums umgekehrt, d. h. der Kolben 5 wird nun auf seiner dem nicht dargestellten Turbinenrad zugewandten Seite angeströmt. Dabei wird zunächst der Kolben 5 mittels der Federkraft der Tellerfeder 12 auf die Reiblamellen 8, 9, 10 gedrückt bzw. „angefedert", sodass ein Überströmen des Hydraulikmediums durch die Reiblamellen 8, 9, 10 auf die gegenüber liegende, d. h. dem Wandlergehäuse 2 zugewandte Seite des Kolbens 5 weitgehend verhindert wird. Der hydraulische Druck kann nun soweit erhöht werden, bis eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Reiblamellen 8, 9, 10 sowie dem Wandlergehäuse 2 und dem Kolben 5 entsteht. Damit wird das mit den Reiblamellen 8 und 10 verbundene nicht dargestellte Turbinenrad mit dem Wandlergehäuse 2 bzw. dem nicht dargestellten Pumpenrad drehfest verbunden – der Schlupf zwischen Pumpenund Turbinenrad ist eliminiert. Das von der Kupplung 1 zu übertragende Drehmoment wird zum Teil vom Wandlergehäuse 2 und der damit verbundenen Nabe 3 und dem Abstützteil 11 über deren Mitnahmeverzahnung 16 mittels den entsprechenden Mitnahmeverzahnungen 14, 13 über die Verzahnung 15 auf den Kolben 5 übertragen.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wandlerüberbrückungskupplung 20, ebenfalls als Ausschnitt mit einem Wandlergehäuse 21, einer Nabe 22 und einem Kolben 23, wobei zwischen Kolben 23 und Wandlergehäuse 21 ein Satz 24 von Reiblamellen angeordnet ist. An der Nabe 22 ist ein als Ringsscheibe ausgebildetes, abgewinkeltes Abstützteil 25 befestigt, vorzugsweise durch eine Schweißnaht. Zwischen dem Abstützteil 25 und dem Kolben 23, der wie im vorherigen Ausführungsbeispiel axial beweglich auf der Nabe 22 angeordnet und abgedichtet ist, ist eine Wellfeder 26 unter Vorspannung angeordnet. Die Wellfeder 26 erstreckt sich über den gesamten Umfang, sie weist in radialer Richtung verlaufende Wellenberge und Wellentäler mit Kammlinien auf, die am Kolben und am Abstützteil anliegen. In der Zeichnung stützt sich eine Kammlinie 26a am Kolben 23 und eine Kammlinie 26b am Abstützteil 25 ab. Zur Zentrierung der Wellfeder 26 ist am Kolben 23 ein Zentrierabsatz 27 vorgesehen. Das Abstützteil 25 weist an seinem radial außen liegenden Bereich eine Rußenmitnahmeverzahnung 28 auf, während der Kolben 23 eine entsprechende Innen-Mitnahmeverzahnung 29 aufweist, die aus dem Kolben 23 vorzugsweise durch Prägen, d. h. durch spanlose Umformung hergestellt wird. Durch die beiden miteinander in Eingriff stehenden, axial gegeneinander beweglichen Mitnahmeverzahnungen 28, 29 wird der Kolben 23 durch die Nabe 22 mitgenommen und dreht somit mit derselben Drehzahl wie das Wandlergehäuse 21. Die Wellfeder 26 übt, wie zuvor beschrieben, eine Axialkraft auf den Kolben 23 in Richtung des Lamellenpaketes 24 aus. Damit wird der Kolben 23 beim Umschalten durch so genanntes Anfedern stabilisiert. Die Wellfeder 26 hat also nur eine Anfederfunktion, während die Mitnahme des Kolbens 23 direkt über das Abstützteil 25 erfolgt.
3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Federkennlinien (Federkraft, aufgetragen über dem Federweg) nach dem Stand der Technik und der Erfindung eingezeichnet sind. Auf der Abszisse sind zwei Bereiche A und Z eingezeichnet, wobei A den Toleranzbereich des Federweges bei geöffneter Wandlerüberbrückungskupplung und Z den Toleranzbereich des Federweges bei geschlossener Kupplung darstellt. Die Tole ranzbereiche ergeben sich aus der Summe von Bauteil- und Einstelltoleranzen der Wandlerüberbrückungskupplung. Ein erster schraffierter Bereich F_B stellt den Toleranzbereich einer linear ansteigenden Federkennlinie für eine Blattfeder nach dem Stand der Technik dar. Aufgrund des Gradienten der Federkennlinie ergeben sich über die Bereiche A und Z relativ große effektive Federkrafttoleranzen bei geöffneter und geschlossener Kupplung, gekennzeichnet mit F_BATol bzw. F_BZTol.
Eine weitere Federkennlinie, zeigt den Verlauf der Federkraft einer erfindungsgemäßen Tellerfeder, wobei der schraffierte Bereich FT den Toleranzbereich der Federkraft angibt. Die erfindungsgemäße Tellerfeder ist so ausgelegt, dass die Federkraft im Toleranzbereich A und Z annähernd konstant verläuft. Damit ergibt sich eine sehr geringe effektive Federkrafttoleranz bei geschlossener und geöffneter Kupplung, welche in dem Diagramm mit FT_ZTol bzw. FT_ATol gekennzeichnet ist. Aufgrund dieser etwa horizontal verlaufenden Kennlinie der erfindungsgemäßen Tellerfeder ergibt sich eine deutlich verbesserte Federkrafttoleranz gegenüber dem Stand der Technik.
Die in 3 verwendeten Abkürzungen ergeben sich aus der nachfolgenden Legende:
L_ZV1 = Federweg bei geschlossener Kupplung und max. Einbauraum nach Verschleiß der Reiblamellen
L_Z1 = Federweg bei geschlossener Kupplung und max. Einbauraum
L_Z2 = Federweg bei geschlossener Kupplung und min. Einbauraum
L_A1 = Federweg bei geöffneter Kupplung und max. Einbauraum
L_A2 = Federweg bei geöffneter Kupplung und min. Einbauraum
FB = Toleranzfeld für die Federkraft der Blattfedern
FT = Toleranzfeld für die Federkraft der Tellerfeder
FB_ZTol = effektive Federkrafttoleranz bei geschlossener Kupplung und Verwendung von Blattfedern
FT_ZTol = effektive Federkrafttoleranz bei geschlossener Kupplung und Verwendung einer Tellerfeder
FB_ATol = effektive Federkrafttoleranz bei geöffneter Kupplung und Verwendung von Blattfedern
FT_ATol = effektive Federkrafttoleranz bei geöffneter Kupplung und Verwendung einer Tellerfeder

1: Wandlerüberbrückungskupplung
2: Wandlergehäuse
3: Nabe
4: Dichtring
5: Kolben
6: Reibfläche, Kolben
7: Reibfläche, Wandlergehäuse
8: Reiblamelle
9: Reiblamelle
10: Reiblamelle
11: Abstützteil
12: Tellerfeder
13: Außen-Mitnahmeverzahnung, Tellerfeder
14: Innen-Mitnahmeverzahnung, Tellerfeder
15: Innen-Mitnahmeverzahnung, Kolben
16: Außen-Mitnahmeverzahnung, Abstützteil
20: Wandlerüberbrückungskupplung
21: Wandlergehäuse
22: Nabe
23: Kolben
24: Reiblamellensatz
25: Abstützteil
26: Wellfeder
26a: Kammlinie
26b: Kammlinie
27: Zentrierabsatz
28: Außen-Mitnahmeverzahnung
29: Innen-Mitnahmeverzahnung

Claims

Wandlerüberbrückungskupplung eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers zur bedarfsweisen Überbrückung eines Wandlergehäuses (2, 21) respektive eines Pumpenrades mit einem Turbinenrad, wobei die Wandlerüberbrückungskupplung (1, 20) einen axial auf einer Nabe (3, 22) beweglichen Kolben (5, 23), eine Reibflächenverbindung (6–10; 24) mit dem Wandlergehäuse (2, 21) sowie Federelemente zum Andrücken des Kolbens (5, 23) an die Reibflächen (6–10; 24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als scheibenförmiges, insbesondere ringscheibenförmiges Federelement (Scheibenfeder) ausgebildet sind, welches einerseits gegen den Kolben (5, 23) und andererseits gegen ein mit der Nabe (3, 22) verbundenes Abstützteil (11, 25) abgestützt sowie formschlüssig mit dem Kolben (5, 23) und dem Abstützteil (11, 25) verbunden ist.
Wandlerüberbrückungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenfeder als Tellerfeder (12) ausgebildet ist.
Wandlerüberbrückungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenfeder als Wellfeder (26) ausgebildet ist.
Wandlerüberbrückungskupplung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss durch eine Innen- und eine Außenmitnahmeverzahnung (13, 14) gebildet ist.
Wandlerüberbrückungskupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (5) eine geprägte Innen-Mitnahmeverzahnung (15) aufweist, in welche die Außenverzahnung (13) der Scheibenfeder eingreift.
Wandlerüberbrückungskupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützteil (11) eine geprägte Außen-Mitnahmeverzahnung (16) aufweist, in welche die Innen-Mitnahmeverzahnung (14) der Scheibenfeder eingreift.
Wandlerüberbrückungskupplung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 4 bis b, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (12) eine Federkennlinie FT (Federkraft über Kolbenweg) aufweist, die im Bereich des Kolbenweges (A, Z) zwischen ein- und ausgerückter Kupplung (1) annähernd konstant verläuft.
Wandlerüberbrückungskupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützteil (25) formschlüssig mit dem Kolben (23) verbunden ist.
Wandlerüberbrückungskupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützteil (25) eine Außen-Mitnahmeverzahnung (28) und der Kolben eine Innen-Mitnahmeverzahnung (29) aufweisen, die miteinander in Eingriff stehen.
Wandlerüberbrückungskupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (3, 22) und das Abstützteil (11, 25) als separate Bauelemente ausgebildet und formschlüssig oder kraftschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Wandlerüberbrückungskupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (3, 22) das Abstützteil (11, 25) einstückig ausgebildet sind.