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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung betrifft Getriebekupplungen und insbesondere ein passives Kupplungskühlsystem, um die Widerstandsverluste zwischen den ineinandergreifenden Reibscheiben und Kupplungsscheiben einer drehenden Kupplung zu verringern.
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HINTERGRUND
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Drehende Kupplungen werden häufig als einer der Mechanismen für das Ein- oder Ausrücken der verschiedenen Zahnradkomponenten eines Getriebes verwendet, um unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen einem Eingangselement und einem Ausgangselement festzulegen. Eine herkömmliche drehende Kupplungsanordnung umfasst typischerweise einen Satz von Kupplungsscheiben und ein Satz von Reibscheiben, die zusammen manchmal als Kupplungssatz bezeichnet werden, und die in einem Kupplungsgehäuse ineinandergreifend angeordnet sind. Ist die Kupplungsanordnung ausgerückt, drehen sich die Kupplungsscheiben und Reibscheiben normalerweise ohne Kontakt nebeneinander. Sollen jedoch die entsprechenden Komponenten einer bestimmten Kupplung, d. h. ein Antriebselement und ein angetriebenes Element, in einem bestimmten Gangbereich eingerückt werden, drückt ein hydraulisch betätigter oder federbelasteter Kolben die Kupplungsscheiben und Reibscheiben aneinander. Reibungsflächen an den Kupplungsscheiben und den Reibscheiben wirken zusammen, bis das Antriebselement und das angetriebene Element der Kupplungsanordnung sich übereinstimmend drehen, ohne zu rutschen.
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Im Betrieb wird während des Einrückens und Ausrückens der Kupplungsscheiben und der Reibscheiben sowie während der Dauer des vollständigen Eingriffs thermische Energie in großem Umfang erzeugt, wenn die durch den eingerückten Kupplungssatz erzeugte kinetische Energie ebenfalls in thermische Energie in großem Umfang umgewandelt wird. Diese thermische Energie muss abgeleitet werden, um Schäden an den verschiedenen Komponenten der Kupplungsanordnung, insbesondere den Reibungsflächen der Kupplungsscheiben und der Reibscheiben zu verhindern. Zu diesem Zweck wird typischerweise eine ständige Zufuhr eines Kühlmittels, wie etwa Getriebefluid, an das Kupplungsgehäuse zugeführt. In einer drehenden Kupplungsanordnung kann das Getriebefluid an einen inneren Durchmesserabschnitt der eingerückten Kupplungsscheiben und Reibscheiben zugeführt werden und kann durch Zentrifugalkraft über die Scheibenoberfläche bis zu einem äußeren Durchmesserabschnitt fließen. Das heiße Getriebefluid wird dann von der Kupplungsanordnung weg geleitet, um durch einen Wärmetauschprozess zu laufen, um die in dem Getriebefluid absorbierte thermische Energie zu übertragen und freizusetzen.
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Ist die drehende Kupplungsanordnung nicht eingerückt, drehen sich die Kupplungsscheiben und Reibscheiben ohne Kontakt aneinander vorbei. Während des ausgerückten Zustands ist die Menge an thermischer Energie, die abgeführt werden muss, minimal. Darüber hinaus kann das einfache Aufrechterhalten eines ständigen Flusses von Getriebefluid zu dem Kupplungssatz während des ausgerückten Zustandes zu beträchtlichen Ineffizienzen führen. Zum Beispiel können in Abhängigkeit von der relativen Drehzahl des drehenden Antriebselements relativ zu dem ausgerückten angetriebenen Element Widerstandsverluste als Resultat einer Scherbeanspruchung entstehen, die das Getriebefluid zwischen den Kupplungsscheiben und den Reibscheiben erfährt. Diese Scherbeanspruchung nimmt proportional mit der Menge an Getriebefluid zu, die während des ausgerückten Zustands an den Kupplungssatz zugeführt wird. Somit ist es insbesondere in Gängen, in denen die relative Drehzahldifferenz zwischen den Kupplungsscheiben und den Reibscheiben am höchsten ist, wünschenswert, den Fluss von Kühlmittel an den Kupplungssatz zu begrenzen.
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Verschiedene Kupplungskühlsysteme wurden vorgeschlagen, um die Steuerung des Flusses von Kühlmittel an den Kupplungssatz anzusprechen. Zum Beispiel beschreibt das
US-Patent Nr. 5,988,335 die aktive Steuerung des Flusses an die Kupplung über ein Umlenkventil und eine Sensoranordnung zur Erfassung der Übersetzung des Getriebes und zur Umlenkung des Flusses von der Kupplungsanordnung in Ansprechen darauf, dass sich das Getriebe in einer ausgewählten Übersetzung befindet. Das
US-Patent Nr. 6,244,407 schlägt ein passiveres System vor, das sich nicht auf ein sensorbetätigtes Ventil stützt. Statt dessen ist ein Außenring auf dem Kolben montiert, der zur Betätigung der Einrückung des Kupplungssatzes verwendet wird. Der Außenring weist eine Öffnung auf, die durch diesen vorgesehen ist, um einen Fluss von Kühlmittel durch ihn zu erlauben. Der Außenring ist beweglich zwischen einer ersten Stellung, in der die Öffnung geschlossen ist und das Antriebs- sowie das angetriebene Element getrennt sind, und einer zweiten Stellung, in der die Öffnung offen ist, um den Fluss von unter Druck stehendem Fluid durch die Öffnung zu dem Kupplungssatz zu erlauben, wenn dies durch die Bewegung des Kolbens diktiert wird, um die Kupplungsscheiben und die Reibscheiben in Eingriff zu bringen. Andere Typen von ”Schieberventil”-Anordnungen sind in der Industrie üblich, bei denen der Kolben das Schieberventil in eine Richtung bewegt, um eine Öffnung zur Erhöhung des Kühlmittelflusses an den Kupplungssatz während des eingerückten Zustands freizugeben. Typischerweise kann zum Beispiel eine Feder eingesetzt werden, um das Schieberventil über der Öffnung zu schließen, wenn die Kupplung ausgerückt wird.
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Wie oben beschrieben können herkömmliche Kupplungskühlsysteme oft komplex sein und/oder die Hinzufügung verschiedener Komponenten erfordern, um einen variablen Fluss von Kühlmittel zu dem Kupplungssatz bereitzustellen. Die erhöhte Komplexität dieser Konstruktionen kann zu höheren Hersteilungs-, Bau- und Wartungskosten des Getriebes führen und erzeugt darüber hinaus zusätzliche mögliche Fehlerquellen während des Betriebs. Somit herrscht Bedarf nach einem Kupplungskühlsystem, das die Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten beseitigt, während sie aus den natürlichen Betriebseigenschaften drehender Kupplungsanordnungen Vorteile gewinnt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Der erwähnte Bedarf wird in großem Umfang durch Aspekte der vorliegenden Offenbarung erfüllt, wobei ein Getriebekupplungskühlsystem umfasst: ein Antriebselement mit einer um eine Drehachse angeordneten Antriebsnabe, ein angetriebenes Element mit einer konzentrisch um die Drehachse angeordneten Kupplungsnabe, wobei die Kupplungsnabe eine Nabenscheibe mit einer Vielzahl von durch dieselbe verlaufenden Bohrungen, einen sich von der Nabenscheibe axial erstreckenden Innenring, und einen sich axial von der Nabenscheibe erstreckenden Außenring aufweist, wobei der Außenring eine Vielzahl von durch denselben verlaufenden radialen Öffnungen sowie einen Lippenflansch umfasst, der sich von einem distalen Ende zu dem Innenring erstreckt. Zwischen der Antriebsnabe und der Kupplungsnabe ist ein Kupplungsgehäuse definiert, und eine Kupplungsanordnung ist in dem Kupplungsgehäuse untergebracht, die umfasst: eine Vielzahl von Kupplungsscheiben, die an der Antriebsnabe gesichert sind, um sich mit dem Antriebselement zu drehen, eine Vielzahl von Reibscheiben, die an dem angetriebenen Element gesichert sind, um sich mit der Kupplungsnabe zu drehen, sowie eine Kolbenanordnung zum In- und Außereingriffbringen der Vielzahl von Reibscheiben mit der Vielzahl von Kupplungsscheiben, um eine einheitliche Drehung des Antriebselements und des angetriebenen Elements zu verursachen oder aufzuheben.
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In Übereinstimmung mit weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Kupplungsnabe eine Nabenscheibe mit einer Vielzahl von durch dieselbe verlaufenden Bohrungen, einen sich von der Nabenscheibe axial erstreckenden Innenring, und einen sich axial von der Nabenscheibe erstreckenden Außenring, wobei der Außenring eine Vielzahl von durch denselben verlaufenden radialen Öffnungen sowie einen Lippenflansch umfasst, der sich von einem distalen Ende zu dem Innenring erstreckt.
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In Übereinstimmung mit noch weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Kühlung einer drehenden Kupplung das Zuführen eines Flusses von Kühlmittel an eine ringförmige Kupplungsnabe mit axialen Bohrungen und radialen Löchern, wobei die radialen Löcher in Fluidverbindung mit einem Kupplungssatz stehen, das Erhöhen des Kühlmittelflusses zu dem Kupplungssatz durch die radialen Löcher während des eingerückten Zustandes des Kupplungssatzes, sowie das Umlenken eines Teils des Flusses weg von dem Kupplungssatz durch die axialen Bohrungen, wenn der Kupplungssatz ausgerückt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Veranschaulichung einer Maschine mit einem Mehrganggetriebe in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Getriebes in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines Getriebekupplungskühlsystems in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist ein Diagramm, das die relative Drehzahl eines Antriebselements und eines angetriebenen Elements für einen gegebenen Satz von Übersetzungsverhältnissen in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
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5 ist ein Balkengraph, der den abgeschätzten Leistungsverlust in einer Kupplungsanordnung für eine gegebene Motordrehzahl über einen Bereich von Gängen veranschaulicht, wenn die Getriebefluidströmung zu der Kupplungsanordnung nicht beschränkt ist, in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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6 ist eine axiale Ansicht einer Kupplungsnabenkomponente eines Getriebekupplungskühlsystems in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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7 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, die Aspekte eines Getriebekupplungskühlsystems in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; and
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8 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, die Aspekte eines Getriebekupplungskühlsystems in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Offenbarung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen.
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Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Mehrganggetriebe 10 Teil einer Maschine 12 sein. Ein Eingangselement 14 kann das Getriebe 10 mit einer Antriebsmaschine 16 über einen Drehmomentwandler 18 verbinden, und ein Ausgangselement 20 kann das Getriebe 10 mit einer oder mehreren Traktionseinrichtungen 22 verbinden. Obwohl die Maschine 12 als ein Lastwagen dargestellt ist, kann sie ein beliebiger Typ Maschine sein, der aus der Verwendung eines Mehrganggetriebes Nutzen ziehen kann. Die Antriebsmaschine 16 kann ein beliebiger Typ sein, der Leistung in einer durch das Mehrganggetriebe 10 verwendbaren Form ausgibt. Zum Beispiel kann die Antriebsmaschine 16 ein Verbrennungsmotor (wie etwa ein Dieselmotor, ein Benzinmotor, ein Turbinenmotor oder ein Erdgasmotor), ein Elektromotor oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, eine Leistungsabgabe zu erzeugen. Die Traktionseinrichtungen 22 können ein beliebiger Typ von Traktionseinrichtungen sein, wie beispielsweise etwa Räder, wie in 1 dargestellt, oder Ketten, Riemen oder beliebige Kombinationen davon.
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Wie in der schematischen Veranschaulichung von 2 gezeigt, kann das Mehrganggetriebe 10 ein Planetengetriebe mit einer Reihe von ringförmigen Komponenten sein, die drehbar gelagert und um eine Drehachse 24 herum angeordnet sind, wobei die schematische Darstellung nur Aspekte des Getriebes an einer Seite der Achse 24 zeigt. Ein Drehmoment kann zum Beispiel durch das Eingangselement 14 von der Antriebsmaschine 16 über den Drehmomentwandler 18 an das Eingangselement 14 geliefert werden. Zumindest ein, und oft eine Vielzahl von Zahnradsätzen, kann bzw. können zwischen das Eingangselement 14 und das Ausgangselement 20 geschaltet sein. Wie in 2 dargestellt kann das Mehrganggetriebe 10 vier untereinander verbundene Planetenradsätze 30, 32, 34 und 36 aufweisen, die konzentrisch und drehbar entlang der Drehachse 24 in einem Getriebegehäuse 28 gelagert sind. Jeder Planetenradsatz 30, 32, 34 und 36 umfasst zumindest ein Sonnenrad, zumindest ein Planetenträger und zumindest ein Hohlrad.
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Das Getriebe 10 kann auch eine Anzahl von Steuerelementen aufweisen, die operativ mit den Planetenradsätzen 30, 32, 34 und 36 gekoppelt sind. So wie er hierin verwendet wird, umfasst der Ausdruck ”Steuerelement” Kupplungen (welche in der Industrie alternativ auch als drehende Kupplungen bezeichnet werden), Bremsen (welche in der Industrie alternativ als feststehende Kupplungen bezeichnet werden), Synchronisatoren (einschließlich Klauen- und anderer Typen von Synchronkupplungen) oder anderen Drehmomentsteuerungskomponenten, die in herkömmlicher Weise in einem Getriebe verwendet werden können. Wie in 2 dargestellt kann das Getriebe 10 drei drehende Kupplungsanordnungen 40, 42 und 44 und drei Bremsanordnungen 50, 52 und 54 umfassen. Die drehenden Kupplungsanordnungen 40, 42 und 44 und die Bremsanordnungen 50, 52 und 54 wirken mit bestimmten Elementen der Planetenradsätze zusammen und koppeln mit diesen, um zum Beispiel einen Satz von zehn Vorwärts-Übersetzungsverhältnissen und einem Rückwärts-Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 20 festzulegen.
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3 veranschaulicht eine drehende Kupplungsanordnung 100 in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die drehende Kupplungsanordnung 100 kann in dem Getriebe 10 zum Beispiel als eine oder mehrere der drehenden Kupplungsanordnungen 40, 42 und 44 verwendet werden. Die Kupplungsanordnung 100 kann ein Antriebselement, allgemein mit 102 bezeichnet, und ein angetriebenes Element 104, allgemein mit 104 bezeichnet, umfassen, die sich um eine gemeinsame Achse drehen. Ein Kupplungsgehäuse 106 ist allgemein zwischen dem Antriebselement 102 und dem angetriebenen Element 104 definiert und ist so geformt, dass es einen Kupplungssatz, allgemein mit 110 bezeichnet, unterbringt, der durch Betätigung eines Kolbens 112, wie etwa durch hydraulische Betätigung oder Federkraftbetätigung, ein- oder ausgerückt wird. Eine Ausgleichskolbenanordnung 114 kann ebenfalls einbezogen und in dem Kupplungsgehäuse 106 zusammen mit dem Kolben 112 untergebracht sein, um einen Gegendruck auf der Niederdruckseite des Kolbens 112 auszuüben, um der starken Stoßkraft, die durch das Hydraulikdruckfluid auf der Hochdruckseite des Kolbens erzeugt wird, entgegenzuwirken und zu verhindern, dass der Kolben bei hohen Drehzahlen die Kupplung einrückt.
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Der ringförmige Kupplungssatz 110 kann aus ringförmigen Kupplungsscheiben 116 zusammengesetzt sein, die mit einem Antriebsnabenabschnitt 118 des Antriebselements 102 verkeilt sind und sich von dieser nach innen erstrecken, sowie aus ringförmigen Reibscheiben 120, die mit einer Kupplungsnabe 122 des angetriebenen Elements 104 verkeilt sind und sich von diesem nach außen erstrecken. Die Kupplungsscheiben 116 und Reibscheiben 120 sind ineinandergreifend angeordnet, wie in 3 dargestellt. In Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung hält das Antriebselement 102, wenn die Kupplungsanordnung 100 in der ausgerückten Stellung ist, eine bestimmte Umdrehungsgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Eingangsdrehzahl des Eingangselements 14 des Getriebes 10 aufrecht, und das angetriebene Element 104 ist ausgerückt und dreht sich nicht oder dreht sich mit einer unterschiedlichen relativen Drehzahl. Befindet sich die Kupplungsanordnung 100 in der ausgerückten Stellung, drehen sich die Kupplungsscheiben 116 frei an den Reibscheiben 120 vorbei, ohne diese zu berühren. Soll jedoch der Kupplungssatz 110 während eines bestimmten Gangwechsels in eine eingerückte Stellung gebracht werden, zum Beispiel wenn in dem zuvor beschriebenen Getriebe 10 vom fünften Gang in den sechsten Gang gewechselt werden soll, wird unter Druck stehendes Hydraulikfluid in eine Druckkammer 124 eingeleitet, um eine axiale Bewegung des Kolbens 112 zu erzeugen. Die Betätigung des Kolbens 112 erzwingt wiederum einen Reibungseingriff der Kupplungsscheiben 116 mit den Reibscheiben 120, um die relative Drehung zwischen den Kupplungsscheiben 116 und den Reibscheiben 120 zu verringern oder zu eliminieren.
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Wie oben erörtert kann, während der Kupplungssatz 110 eingerückt ist, die relative Umdrehungsgeschwindigkeit des Antriebselements 102 und des angetriebenen Elements 104 synchronisiert werden. Die Reibungsenergie bzw. die kinetische Energie, die durch den eingerückten Kupplungssatz 110 erzeugt wird, verwandelt sich in eine große Menge thermischer Energie, die abgeführt werden muss, um Verschleiß oder Beschädigungen zu verringern oder zu beseitigen, die an den Kupplungsscheiben 116 und den Reibscheiben 120 auftreten können. Um während dieser Zeit die Kühlung zu erleichtern, kann ein ständiger Fluss von Kühlmittel, wie etwa Automatikgetriebefluid, an die Kupplungsnabe 122 bereitgestellt werden.
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In Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die Kupplungsnabe 122 mit einem Innenring 126 gebildet sein, der mit einem Außenring 128 über eine Nabenscheibe 130 verbunden ist. Der Innenring 126 und der Außenring 128 erstrecken sich von der Scheibe 130 in einer Richtung zu dem Kolben 112 hin und wirken mit der Gestalt der Nabenscheibe 130 zusammen, um einen Innenraum 132 zu bilden. Der Außenring 128 kann mit einer Reihe von radialen Bohrungen 134 versehen sein. Die radialen Bohrungen 134 stellen eine Fluidkommunikation von dem Innenraum 132 zu dem Kupplungssatz 110 bereit, damit ein Fluid durch den Außenring 128 zu dem Kupplungssatz 110 hin fließen kann. Wird somit der Kupplungssatz 110 eingerückt, um die Drehung der Kupplungsnabe 122 mit derselben Drehzahl wie das Antriebselement 102 zu verursachen, wird das Getriebefluid durch Zentrifugalwirkung durch die radialen Bohrungen 134 und mit einer beschleunigten Rate in den Kupplungssatz 110 gedrückt, verglichen mit jener, wenn der Kupplungssatz ausgerückt ist und die Bewegung des Getriebefluids in den Kupplungssatz 110 in erster Linie durch Schwerkraft erfolgt. Die radialen Bohrungen 134 sind so dimensioniert, dass sie einen maximalen Fluss an Kühlmittel während einer bestimmten Periode des Kupplungseingriffs bereitstellen, zum Beispiel um ausreichend Kühlung während des Einrückens und Ausrückens zwischen bestimmten Gängen bereitzustellen, wenn die Erzeugung thermischer Energie am stärksten ist. Gleichzeitig sind die radialen Bohrungen 134 auch so dimensioniert, dass sie einen Großteil des Kühlmittelflusses zu dem Kupplungssatz 110 während eines ausgerückten Zustands beschränken, wenn die Zentrifugalkraft verringert oder nicht vorhanden ist.
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Wie oben erläutert kann das Problem der Bereitstellung einer ausreichenden Kühlung während des eingerückten Zustands der Kupplungsanordnung 100 auch zu Ineffizienzen auf Grund einer Scherwirkung auf das Getriebefluid während des ausgerückten Zustands führen. 4 ist ein Diagramm, das die relative Drehzahldifferenz zwischen dem sich konstant drehenden Antriebselement 102, einschließlich der Kupplungsscheiben 116, und dem angetriebenen Element 104, einschließlich der Reibscheiben 120, für einen typischen Bereich von Gängen in einem Mehrganggetriebe 10 veranschaulicht. Die Linie der relativen Drehzahl zeigt an, dass die relative Umdrehungsgeschwindigkeit zwischen dem angetriebenen Element und dem Antriebselement in den Vorwärtsgängen 1 (1F) und 2 (2F) am größten ist. In den Vorwärtsgängen 3 (3F) bis 5 (5F) wird das angetriebene Element 104 gesteuert, um die Drehzahl relativ zu dem Antriebselement 102 zu erhöhen, bis die Kupplungsanordnung 100 während einer Umschaltung von Gang 5F in den Vorwärtsgang 6 (6F) eingerückt wird, wo sie bis zum Vorwärtsgang 10 (10F) eingerückt bleibt. Wie durch das Diagramm veranschaulicht, ist die Differenz in der relativen Drehzahl Null, da die Drehzahlen der Kupplungsscheiben 116 und der Reibscheiben 120 in den Gängen 6F bis 10F synchronisiert sind. Wird das Getriebe gesteuert, um den Rückwärtsgang (R) bereitzustellen, ist die relative Drehzahldifferenz zwischen den Kupplungsscheiben 116 und den Reibscheiben wieder an ihrem höchsten Punkt.
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5 ist vorgesehen, um den abgeschätzten Leistungsverlust zu veranschaulichen, der als Ergebnis der Scherwirkung des Schmierfluids in dem Kupplungssatz 110 erfahren wird, wenn kein Schmierfluid in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung umgeleitet wird. Wie in dem Diagramm gezeigt, sind, wenn die Eingangsdrehzahl des Getriebes auf einer konstanten Drehzahl von zum Beispiel 1500 u/min gehalten wird, die Leistungsverluste in den Gängen 1F, 2F und Rückwärts klar am höchsten, wenn die relative Drehzahldifferenz zwischen dem Antriebselement 102 und dem angetriebenen Element 104 am höchsten ist, wie in 4 veranschaulicht. Umgekehrt nimmt der Leistungsverlust sukzessive in den Gängen 3F bis 5F ab, wenn die relative Drehzahldifferenz geringer wird, bis die Leistungsverluste durch die Scherwirkung in den Gängen 6F bis 10F im Wesentlichen Null sind, und zwar auf Grund der übereinstimmenden Drehung der Kupplungsscheiben 116 und der Reibscheiben 120 bei eingerückter Kupplungsanordnung 100. Es ist anzumerken, dass die bestimmten Leistungszahlen, die in 5 dargestellt sind, abhängig von einer Anzahl von Faktoren, die zum Beispiel die Anzahl und Durchmesser der Kupplungsscheiben 116 und/oder der Reibscheiben 120 umfassen, beträchtlich variieren können. Die relativen Mengen an Leistungsverlust, der über den Gangbereich erfahren wird, bleibt jedoch im Wesentlichen wie in 5 dargestellt, wobei z. B. der Leistungsverlust in den Gängen 1F, 2F und 1R am höchsten ist.
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Wie in den 6 und 7 dargestellt kann ein Kühlsystem in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Erfindung eine Reihe von in die axiale Richtung weisenden Bohrungen 136 umfassen, die in der Nabenscheibe 130 der Kupplungsnabe 122 vorgesehen sind. Die in die axiale Richtung weisenden Bohrungen 136 können in Umfangsrichtung zu einem äußeren Durchmesser der Nabenscheibe 130 hin beabstandet und so dimensioniert sein, dass sie eine beträchtliche Menge des fließenden Kühlmittels aus dem Innenraum 132 entweichen lassen, in erster Linie in einem ausgerückten Zustand der Kupplungsanordnung. Die Anordnung der in die axiale Richtung weisenden Bohrungen 136 nahe des äußeren Durchmessers der Nabenscheibe 130 erlaubt auch der Kupplungsnabe 122, eine beträchtliche Menge des fließenden Kühlmittels zu halten und während des eingerückten Zustands durch die radialen Bohrungen 134 zu leiten, um den Kupplungssatz 110 zu schmieren und zu kühlen. Die Verlängerung des Verlaufs der Fluidströmung ermöglicht die Entwicklung eines beträchtlichen Maßes an Zentrifugalkraft, die auf das Fluid wirkt, während es zu den radialen Bohrungen 134 strömt.
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Zurück zu 3 kann ein Lippenflansch 140 zu einem distalen Ende des Außenrings 128 hin vorgesehen werden, so dass er sich um einen vorbestimmten Abstand zu dem Innenring 126 hin erstreckt. Die axialen Bohrungen 136 können radial nach innen von dem inneren Durchmesser des Außenrings 128 versetzt werden, um eine Abstufung 138 zu erzeugen. Der Lippenflansch 140 kann so gebildet werden, dass er sich zu dem Innenring 126 um ein Abstand erstreckt, der größer als die radiale Dimension der Abstufung 138 ist. Entsprechend wird ein Wannenbereich 142 in dem Außenring 128 zwischen der Abstufung 138 und dem Lippenflansch 140 gebildet, um eine geringe Menge Kühlmittel in dem Wannenbereich 142 zu halten, wenn die Kupplungsnabe 122 sich nicht oder nur langsam dreht. Somit können gerade während eines ausgerückten Kupplungszustands, obwohl ein Großteil der Kühlmittelfluidströmung in der Lage ist, aus dem Innenraum 132 durch die axialen Bohrungen 136 abzufließen, die radialen Bohrungen 134 in geeigneter Weise dimensioniert sein, um einer geeigneten Menge Kühlmittel zu erlauben, durch die Schwerkraft aus dem Wannenbereich 142 in den Kupplungssatz 110 abzufließen. Somit kann eine minimale Menge an Fluidströmung während des ausgerückten Zustands der Kupplungsanordnung 100 festgelegt werden, und zwar genug Fluidströmung aus dem Innenraum 132 zu dem Kupplungssatz 110, um die Gängigkeit und Effizienz der beweglichen Komponenten aufrecht zu erhalten, ohne die Ineffizienzen durch Scherwirkung einzuführen, die durch die exzessive Fluidströmung während des ausgerückten Zustands verursacht wird. Wie in 3 dargestellt können zum Beispiel Durchgangslöcher 139 in einer Gehäusekomponente des Antriebselements vorgesehen sein, um weiteres Fluid von der Kupplungsanordnung weg zu leiten.
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6 und 7 veranschaulichen, dass die axialen Bohrungen 136 bogenförmig in gleichen Winkeln θ um den Umfang der Nabenscheibe 130 herum beabstandet sein können, so dass zumindest ein Abschnitt einer oder mehrerer der axialen Bohrungen 136 immer unterhalb des Fluidpegels in dem Wannenbereich 142 liegt, der in dem Außenring 128 der Kupplungsnabe 122 gebildet ist, wenn die Kupplungsnabe 122 sich nicht dreht, d. h., wenn der Kupplungssatz 110 ausgerückt ist. Wenn die Kupplungsnabe 122 gestoppt ist und die relative Drehzahl zwischen den Kupplungsscheiben 116 und den Reibscheiben 120 am höchsten ist, wie zum Beispiel etwa in den Gängen 1F, 2F und R, sind dementsprechend die größeren axialen Bohrungen 136 dazu ausgebildet, einen Großteil des Getriebefluids abzuleiten, und die kleineren radialen Bohrungen 134 sind dazu ausgebildet, nur eine ausgewählte Menge Getriebefluid in den Kupplungssatz 110 zu lassen. In ähnlicher Weise wird die Zentrifugalkraft, wenn die Kupplungsnabe 122 des angetriebenen Elements 104 sich relativ zu dem Antriebsnabenabschnitt 118 des Antriebselements 102 schneller zu drehen beginnt, wie etwa in den Gängen 3F bis 5F, oder wenn die Kupplungsanordnung 100 in den Gängen 6F bis 10F eingerückt ist, wieder bewirken, dass das Getriebefluid durch den Außenring 128 und in den Kupplungssatz 110 gepumpt wird.
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In Übereinstimmung mit noch weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann eine Dichtung (nicht dargestellt) vorgesehen werden, um einen Spalt 146 zu schließen, der zwischen dem Lippenflansch 140 und Komponenten des angetriebenen Elements 104, wie etwa dem Ausgleichskolben 114 (siehe 3) bestehen kann, wenn festgestellt wird, dass Überschussmengen an Getriebefluid im ausgerückten Zustand der Kupplungsanordnung 100 über den Lippenflansch 140 in den Kupplungssatz 110 überlaufen.
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8 veranschaulicht eine drehende Kupplungsanordnung 200 in Übereinstimmung mit noch weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die drehende Kupplungsanordnung 200 kann in dem Getriebe 10 zum Beispiel als eine oder mehrere der drehenden Kupplungsanordnungen 40, 42 und 44 verwendet werden. Die Kupplungsanordnung 200 kann ein Antriebselement, allgemein mit 202 bezeichnet, und ein angetriebenes Element, allgemein mit 204 bezeichnet, umfassen, die sich um eine gemeinsame Achse drehen. Ein Kupplungsgehäuse 206 ist allgemein zwischen dem Antriebselement 202 und dem angetriebenen Element 204 definiert und ist so geformt, dass es einen Kupplungssatz, allgemein mit 210 bezeichnet, unterbringt, der durch Betätigung eines Kolbens 212, wie etwa durch hydraulische Betätigung oder Federkraftbetätigung, ein- oder ausgerückt wird. Eine Ausgleichskolbenanordnung 214 kann ebenfalls einbezogen und in dem Kupplungsgehäuse 206 zusammen mit dem Kolben 212 untergebracht sein, um einen Gegendruck auf der Niederdruckseite des Kolbens 212 auszuüben, um der starken Stoßkraft, die durch das Hydraulikdruckfluid auf der Hochdruckseite des Kolbens erzeugt wird, entgegenzuwirken und zu verhindern, dass der Kolben bei hohen Drehzahlen die Kupplung einrückt.
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Der ringförmige Kupplungssatz 210 kann aus ringförmigen Kupplungsscheiben 216 zusammengesetzt sein, die mit einem Antriebsnabenabschnitt 218 des Antriebselements 202 verkeilt sind und sich von dieser nach innen erstrecken, sowie aus ringförmigen Reibscheiben 220, die mit einer Kupplungsnabe 222 des angetriebenen Elements 204 verkeilt sind und sich von diesem nach außen erstrecken. Die Kupplungsscheiben 216 und Reibscheiben 220 sind ineinandergreifend angeordnet, wie in 8 dargestellt. In Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung hält das Antriebselement 202, wenn die Kupplungsanordnung 200 in der ausgerückten Stellung ist, eine bestimmte Umdrehungsgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Eingangsdrehzahl eines Eingangselements 10 des Getriebes 204 aufrecht, und das angetriebene Element 104 ist ausgerückt und dreht sich nicht oder dreht sich mit einer niedrigeren relativen Drehzahl. Befindet sich die Kupplungsanordnung 200 in der ausgerückten Stellung, drehen sich die Kupplungsscheiben 216 frei an den Reibscheiben 220 vorbei, ohne diese zu berühren. Soll jedoch der Kupplungssatz 210 während eines bestimmten Gangwechsels in eine eingerückte Stellung gebracht werden, zum Beispiel wenn in dem zuvor beschriebenen Getriebe 10 vom fünften Gang in den sechsten Gang gewechselt werden soll, wird unter Druck stehendes Hydraulikfluid in eine Druckkammer 224 eingeleitet, um eine axiale Bewegung des Kolbens 212 zu erzeugen. Die Betätigung des Kolbens 212 erzwingt wiederum einen Reibungseingriff der Kupplungsscheiben 216 mit den Reibscheiben 220, um die relative Drehung zwischen den Kupplungsscheiben 216 und den Reibscheiben 220 zu verringern oder zu eliminieren.
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Wie oben erörtert kann, während der Kupplungssatz 210 eingerückt ist, die relative Umdrehungsgeschwindigkeit des Antriebselements 202 und des angetriebenen Elements 204 synchronisiert werden. Um die Kühlung während des Übergangs in oder aus einem eingerückten Zustand zu erleichtern und die übertragene kinetische Energie zu verringern, während die Elemente eingerückt sind, kann ein ständiger Fluss von Kühlmittel, wie etwa Automatikgetriebefluid, an die Kupplungsnabe 222 vorgesehen werden. In Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die Kupplungsnabe 222 mit einem Innenring 226 gebildet sein, der mit einem Außenring 228 über eine Nabenscheibe 230 verbunden ist. Der Innenring 226 und der Außenring 228 erstrecken sich von dem Deck 230 in einer Richtung zu dem Kolben 212 hin und wirken zusammen, um einen Innenraum 232 zu bilden. Der Außenring 228 kann mit einer Reihe von radialen Bohrungen 234 versehen sein, die eine Fluidkommunikation von dem Innenraum 232 mit dem Kupplungssatz 210 bereitstellen, damit ein Fluid durch den Außenring 228 zu dem Kupplungssatz 210 hin fließen kann.
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Eine Schleuderplatte 250 kann an der Nabenscheibe 230 montiert und dazu ausgebildet sein, den Innenraum 232 in einen oberen Raum 233 und einen unteren Raum 235 zu unterteilen, während eine Wanne 242 zum Sammeln von Getriebefluid, das in den Innenraum 232 gepumpt wird, bereitgestellt wird. Eine Reihe von in die axiale Richtung weisenden Bohrungen 236 kann in der Nabenscheibe 230 der Kupplungsnabe 222 vorgesehen sein. Die in die axiale Richtung weisenden Bohrungen 236 sind in Umfangsrichtung radial zu dem Mittelpunkt der Nabenscheibe 230 beabstandet und zwar genau überhalb der Stelle, wo die Schleuderplatte 250 den Innenraum 232 unterteilt. Die axialen Bohrungen 236 sind so dimensioniert, dass sie einer wesentlichen Menge des fließenden Kühlmittels gestatten, den oberen Raum 233 zu verlassen, und zwar in erster Linie während eines ausgerückten Zustands der Kupplungsanordnung 200.
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Die Schleuderplatte 250 ist auch mit einer Reihe von radial angeordneten Schleuderbohrungen 244 an dem Boden der Wanne 242 versehen. Die Schleuderbohrungen 244 sorgen für die Fluidkommunikation von dem oberen Raum 233 zu dem unteren Raum 235, durch welche das Getriebefluid fließen kann. Wird somit der Kupplungssatz 210 eingerückt, um die Drehung der Kupplungsnabe 222 mit derselben Drehzahl wie das Antriebselement 202 zu verursachen, oder während einer Periode, in der die Drehung des angetriebenen Elements 204 relativ zu der Drehung des Antriebselements 202 erhöht ist, wie etwa in den Gängen 3F bis 10F, wird Getriebefluid durch die Zentrifugalwirkung durch die Schleuderbohrungen 244 und in den unteren Raum 235 gedrückt. Ist es in dem unteren Raum 235, kann das Getriebefluid unter Einfluss der Zentrifugalkraft weiter durch die radialen Bohrungen 234 in den Kupplungssatz 210 hineinfließen. Die Größe der Schleuderbohrungen 244 und der radialen Bohrungen 234 sind so bestimmt, dass ein Großteil des Kühlmittelflusses in den unteren Raum 235 und somit zu dem Kupplungssatz 210 während eines ausgerückten Zustands beschränkt wird, wenn das meiste Getriebefluid von der Wanne 242 durch die axialen Bohrungen 236 abfließen soll.
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Die axialen Bohrungen 236 können bogenförmig in gleichen Winkeln θ um den Umfang der Nabenscheibe 230 herum beabstandet sein, so dass zumindest ein Abschnitt einer oder mehrerer der axialen Bohrungen 236 immer unterhalb des Fluidpegels in dem Wannenbereich 242 liegt, wenn die Kupplungsnabe 222 sich nicht dreht, d. h., wenn der Kupplungssatz 210 ausgerückt ist. Wenn die Kupplungsnabe 222 gestoppt ist und die relative Drehzahl zwischen den Kupplungsscheiben 216 und den Reibscheiben 220 am höchsten ist, wie zum Beispiel etwa in den Gängen 1F, 2F und R, leiten dementsprechend die größeren axialen Bohrungen 236 einen Großteil des Getriebefluids ab, bevor das Kühlmittel durch die Schleuderbohrungen 244 und die kleineren radialen Bohrungen 234 in den Kupplungssatz 210 abfließen kann. Ist die Kupplungsanordnung 200 eingerückt und/oder beginnt die Kupplungsnabe 222 zu drehen, arbeiten die Schleuderbohrungen 244 und die radialen Bohrungen 234 erneut, um das Getriebefluid in den Kupplungssatz 210 zu pumpen, um eine entsprechende Entfernung der darin erzeugten thermischen Energie bereitzustellen.
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Verschiedene Aspekte von Systemen und Verfahren zur Kühlung einer Kupplungsanordnung können veranschaulicht werden, indem Komponenten beschrieben werden, die verbunden, montiert oder vereinigt sind. So wie sie hierin verwendet werden, sollen die Begriffe ”verbunden”, ”montiert”, und/oder ”vereinigt” entweder eine direkte Verbindung zwischen zwei Komponenten oder, wo dies geeignet erscheint, eine indirekte Verbindung miteinander durch intervenierende oder zwischengeschaltete Komponenten anzeigen. Im Gegensatz dazu liegen keine intervenierenden Komponenten vor, wenn die Komponente als ”direkt gekoppelt”, ”direkt montiert”, und/oder ”direkt vereinigt” mit einer weiteren Komponente bezeichnet wird.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die Offenbarung umfasst ein Kupplungskühlsystem und Verfahren zur Kühlung einer Kupplung, die das passive Steuern des Flusses an Kühlmittel zu einem Kupplungssatz in der Kupplung umfassen. Das Kühlsystem überträgt wirksam die thermische Energie, die durch das Einrücken und Ausrücken des Kupplungssatzes erzeugt wird, während es gleichzeitig Widerstandsverluste der Kupplungsanordnung reduziert, wenn die Kupplung ausgerückt ist. Das Kupplungskühlsystem ist zur Verwendung in Getrieben in Fahrzeugen offenbart, welche zum Beispiel schwere Schleppfahrzeuge oder Erdbewegungsmaschinen umfassen, doch kann es in beliebigen Maschinen verwendet werden, die Kupplungen für das In- und Außereingriffbringen von Komponentenelementen verwenden.
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In einer drehenden Kupplung mit einem Antriebselement und einem angetriebenen Element setzt das Kupplungskühlsystem eine einheitliche Kupplungsnabe ein, die an dem angetriebenen Element angebracht ist und axiale Bohrungen und radiale Löcher aufweist, wobei die radialen Löcher mit einem Kupplungssatz in Fluidverbindung stehen und die axialen Bohrungen einen Auslass aus der Kupplungsanordnung bereitstellen. Durch die Anordnung und Dimensionierung der axialen Bohrungen und radialen Löcher hängt die passive Kühlungssteuerung einfach von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Kupplungsnabe ab, indem ein Fluss an Kühlmittel zu dem Kupplungssatz durch die radialen Löcher während des eingerückten Zustands des Kupplungssatzes, wenn die Kupplungsnabe sich dreht, erhöht wird, während ein größerer Teil des Flusses von dem Kupplungssatz über die axialen Borungen weggeleitet wird, wenn die Kupplungsnabe sich nicht dreht oder sich mit einer viel niedrigeren Drehzahl dreht.
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Die vielen Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden aus der detaillierten Beschreibung deutlich, und somit ist die Absicht der nachfolgenden Ansprüche, alle solchen Merkmale und Vorteile der Offenbarung abzudecken, die in den wahren Schutzbereich und Umfang der Offenbarung fallen. Des Weiteren werden dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und Variationen in den Sinn kommen, und es ist nicht beabsichtigt, die Offenbarung auf den genauen Aufbau und Betrieb, wie sie hierin beschrieben werden, zu beschränken; dementsprechend können alle geeigneten Abwandlungen und Äquivalente als solche betrachtet werden, die innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung fallen.
