DE19810940A1 - Kupplungsvorrichtung zur Übertragung von Drehmoment - Google Patents

Abstract

Kupplungsvorrichtung zur Übertragung von Drehmoment zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Teilen, die eine Lamellenkupplung mit axial abwechselnd angeordneten ersten Lamellen und zweiten Lamellen umfaßt, deren erste Lamellen mit dem einen der zueinander drehbaren Teile und deren zweite Lamellen mit dem anderen der zueinander drehbaren Teile jeweils drehfest verbunden sind, und die eine Betätigungsvorrichtung zur axialen Beaufschlagung der Lamellenkupplung mit einem Stellkolben umfaßt, die eine mit hochviskoser Flüssigkeit gefüllte, vom Stellkolben begrenzte Ringkammer und einen in der Ringkammer angeordneten Rotationskörper umfaßt, deren Ringkammer in einem der zueinander drehbaren Teile gebildet ist und deren Rotationskörper drehfest mit dem anderen der gegeneinander drehbaren Teile verbunden ist, wobei eine relative Drehung zwischen den gegeneinander drehbaren Teilen eine Druckbeaufschlagung und Verschiebung des Stellkolbens in Richtung auf die Lamellenkupplung infolge von Scherung der hochviskosen Flüssigkeit in der Ringkammer bewirkt, wobei eine zwischen Stellkolben und Lamellenkupplung liegende Druckplatte und/oder der Stellkolben an den einander zugewandten Flächen Keil- oder Konusflächen aufweist, die einen in radialer Richtung sich nach außen verjüngenden Spalt miteinander bilden, in dem radial frei bewegliche Keilelemente spielfrei einsitzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zur Übertragung von Drehmoment zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Tei­ len, die eine Lamellenkupplung mit axial abwechselnd angeordne­ ten ersten Lamellen und zweiten Lamellen umfaßt, deren erste Lamellen mit dem einen der zueinander drehbaren Teile und deren zweite Lamellen mit dem anderen der zueinander drehbaren Teile jeweils drehfest verbunden sind, und die eine Betätigungsvor­ richtung zur axialen Beaufschlagung der Lamellenkupplung mit einem Stellkolben umfaßt, die eine mit hochviskoser Flüssigkeit gefüllte, vom Stellkolben begrenzte Ringkammer und einen in der Ringkammer angeordneten Rotationskörper umfaßt, deren Ringkammer in einem der zueinander drehbaren Teile gebildet ist und deren Rotationskörper drehfest mit dem anderen der gegeneinander dreh­ baren Teile verbunden ist, wobei eine relative Drehung zwischen den gegeneinander drehbaren Teilen eine Druckbeaufschlagung und Verschiebung des Stellkolbens in Richtung auf die Lamellenkupp­ lung infolge von Scherung der hochviskosen Flüssigkeit in der Ringkammer bewirkt.

Kupplungsvorrichtungen dieser Art werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Visco-Lok Kupplung angeboten und sind erstmals in der P 43 27 519.2 und in der P 43 43 307.3 beschrie­ ben. Zum Volumenausgleich innerhalb der Ringkammer bei Druck­ beaufschlagung des Stellkolbens ist üblicherweise in dem die Ringkammer enthaltenden der gegeneinander drehbaren Teile ein Reservoir vorgesehen, das seinerseits aus einem Ringraum und einem Ringkolben, der unter Vorspannung steht, gebildet wird. Der Rotationskörper deckt hierbei insbesondere innerhalb der Ringkammer eine in ihrer Umfangslänge begrenzte Nut ab, deren eines Ende mit dem Reservoir und deren anderes Ende mit dem unmittelbar an den Stellkolben angrenzenden Teil der Ringkammer verbunden ist. Es können Mittel vorgesehen sein, um bei Umkehr der relativen Drehrichtung zueinander auch eine Umkehr der Ver­ bindungen der Enden der Ringnut mit dem Reservoir bzw. dem un­ mittelbar an den Stellkolben angrenzenden Teil des Ringraumes zu bewirken.

Die Betätigungsvorrichtung einer Visco-Lok Kupplung der hiermit beschriebenen Art besitzt eine enorme Druckkapazität, jedoch ein begrenztes Fördervolumen. Dadurch ist zum ersten die Reaktions­ geschwindigkeit dadurch eingeschränkt, daß vor Schließen der Lamellenkupplung zunächst das Kupplungsspiel mit relativ gerin­ ger Stellgeschwindigkeit des Stellkolbens überwunden werden muß. Zum zweiten wirkt sich ein verschleißbedingt zunehmendes Kupp­ lungsspiel merklich auf die Ansprechzeit der Lamellenkupplung aus.

Das verzögerte Ansprechverhalten ist im Hinblick auf eine ABS-Kompatibilität eines mit einer Visco-Lok Kupplung im Längsan­ triebsstrang ausgestatteten Fahrzeugs mit hang-on-Konfiguration oft erwünscht. In anderen Fällen ist jedoch eine kurze Ansprech­ zeit notwendig. In jedem Fall nachteilig ist ein wesentlicher Einfluß des Verschleißzustandes der Kupplungslamellen und der Einbautoleranzen auf die genannte Ansprechzeit.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einfache Mittel bereitzustellen, mit denen ein gleichbleibendes Ansprechen einer Kupplungsvorrichtung der genannten Art unab­ hängig vom Verschleißzustand der Kupplungslamellen und den Ein­ bautoleranzen gewährleistet wird.

Eine erste Lösung besteht darin, daß eine zwischen Stellkolben und Lamellenkupplung liegende Druckplatte und/oder der Stell­ kolben an den einander zugewandten Flächen Keil- oder Konus­ flächen aufweist, die einen in radialer Richtung sich nach außen verjüngenden Spalt miteinander bilden, in dem radial frei be­ wegliche Keilelemente spielfrei einsitzen. Da die erfindungs­ gemäße Kupplungsanordnung in der Regel dreht, auch wenn die gegeneinander drehbaren Teile relativ zueinander stillstehen, werden im normalen Betrieb die genannten Keilelemente unter Fliehkrafteinfluß in die sich nach außen verjüngenden Spalte gedrückt. Hierdurch wird fertigungsbedingtes oder verschleißbe­ dingtes Axialspiel innerhalb der Lamellenkupplung und zwischen der Lamellenkupplung und der Betätigungsanordnung ausgeglichen. Bei beginnender Relativdrehzahl zwischen den gegeneinander dreh­ baren Teilen wird somit trotz geringer Förderrate ohne Verzug eine wirksame Belastung der Lamellenkupplung und eine Sperr­ wirkung der Kupplungsanordnung bewirkt.

Bei zunehmendem Lamellenverschleiß stellen sich die Keile unter Fliehkraftwirkung selbsttätig nach, so daß das Ansprechverhalten der Kupplung über der Lebensdauer unverändert und vom Ver­ schleißzustand unbeeinflußt gleichbleibt.

In günstiger Ausgestaltung können radial innerhalb der Keile Federelemente vorgesehen sein, die die Keile radial nach außen unter Vorspannung halten. Hiermit wird ein Klappern der Keile oder ein Zurückfallen im Stillstand vermieden.

In günstiger Ausgestaltung ist ohnehin der Keilwinkel an den Keilelementen so gering, daß an den Keilen Selbsthemmung auf­ tritt. Ein axialer Druck, der durch den Stellkolben aufgebracht wird, kann somit nie zu einem radialen Zurückdrängen der Keile nach innen führen, sondern wirkt sich notwendigerweise unmittel­ bar und axial auf die Lamellenkupplung aus.

Die genannten Keil- oder Konusflächen an der Druckplatte und/oder am Stellkolben können bevorzugt als Grundflächen ra­ dialer Nuten ausgebildet sein, die parallelwandig seitlich be­ grenzt sind, so daß die Keile seitlich, d. h. exakt in radialer Richtung geführt sind.

Unter Verzicht auf die mechanische Herstellung solcher Radialnu­ ten können zur Kostenersparnis an der Druckplatte und/oder am Stellkolben reine Konusflächen ausgeführt sein und zwischen Stellkolben und Druckplatte ein scheibenförmiges Käfigelement mit radialen Schlitzen liegen, in dem die Keilelemente seitlich, d. h. in radialer Richtung exakt geführt gehalten sind. Die Herstellung eines solchen Käfigelementes als einfaches Blech­ stanzteil ist erheblich kostengünstiger als die Fertigung einer Mehrzahl von Radialnuten nach der zuvor genannten Ausgestal­ tungsform.

In bevorzugter Ausführung sind zumindest drei, vorzugsweise nicht mehr als vier, Keile gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet.

Eine zweite Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß im Stellkolben zumindest ein axial relativ zu diesem beweglicher Nachstell­ kolben eingelassen ist, der einen mit dem Ringraum hydraulisch in Verbindung stehenden Zylinderraum abdichtet und sich an einer zwischen Stellkolben und Lamellenkupplung liegenden Druckplatte abstützt. Unter der Voraussetzung, daß in der Ringkammer ein positiver Flüssigkeitsdruck herrscht, wird mittels dieser Nach­ stellkolben bei geringem Volumenbedarf ebenfalls ein Überwinden von fertigungsbedingten oder verschleißbedingten Spielen in der Lamellenkupplung oder zwischen der Lamellenkupplung der Betäti­ gungsvorrichtung ausgeglichen.

Der genannte positive Druck im Ringraum liegt üblicherweise selbst bei stehender Kupplungsanordnung dadurch vor, daß ein mit dem Ringraum verbundenes Reservoir bei den Kupplungen der ge­ nannten Art unter einer Vorspannung steht. Die Verbindung zwi­ schen Ringraum und Zylinderraum der Nachstellkolben wird bevor­ zugt durch Axialbohrungen geringen Querschnitts dargestellt, die das Ansprechverhalten der Kupplungsvorrichtung beeinflussen können.

Da der Stellkolben ein Ringkolben ist, kann auch der entspre­ chende zumindest eine Nachstellkolben als Ringkolben ausgeführt sein, der in einer Ringnut im Stellkolben einsitzt. Es sind jedoch auch umfangsverteilt zumindest drei zylindrische Nach­ stellkolben darstellbar, die einzeln leicht abzudichten sind und die für ihre Axialverstellung einen sehr viel geringeren Volu­ menbedarf haben.

Während wie zuvor beschrieben auch hier jedes Spiel erfindungs­ gemäß ausgeglichen werden soll, kann mit dieser erfindungsgemä­ ßen Ausführung auch ein verzögertes Ansprechverhalten der Kupp­ lung dargestellt werden, indem durch geeignete Wahl der hydrau­ lischen Verbindungswege zwischen Ringkammer und Zylinderräumen der Nachstellkolben bei Druckbeaufschlagung des Stellkolbens ein gleichzeitiges Nachgeben des zumindest einen Nachstellkolbens bewirkt werden kann. Die Auslegung der Verbindungsbohrungen entscheidet somit über das dynamische Verhalten des Systems. Bei geringer Geschwindigkeit des Stellkolbens wird die Flüssigkeit während des Betätigens aus den Zylinderräumen verdrängt, der Nachstellkolben gibt nach und die Sperrwirkung wird verzögert aufgebaut. Bei hoher Geschwindigkeit des Stellkolbens wird auch ein höherer Druck in den Zylinderräumen aufgebaut, was die an­ fängliche Sperrwirkung erhöht. Die Dimensionierung der Verbin­ dungsbohrungen in Relation zur Viskosität der hochviskosen Flüs­ sigkeit entscheidet über das dynamische Verhalten des Systems.

Mit Veränderung der Viskosität über der Temperatur ist damit zwangsläufig auch eine Temperaturabhängigkeit des dynamischen Verhaltens gegeben. Der Spalt zwischen Stellkolben und Druck­ platte, der wiederum von Einbautoleranzen und Lamellenverschleiß abhängt, definiert die Länge der Verzögerungsphase bei langsamen Druckaufbau.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgen­ den Beschreibung der Zeichnungen verständlich. Hierin zeigen

Fig. 1 einen Halbschnitt durch eine erfindungsgemäße Kupp­ lungsvorrichtung mit in Keilnuten geführten Keilen;

Fig. 2 einen Halbschnitt durch eine erfindungsgemäße Kupp­ lungsvorrichtung mit in einem Käfig gehaltenen Keil­ elementen;

Fig. 3 die Keilelemente und das Käfigelement nach Fig. 2 in axialer Ansicht;

Fig. 4 einen Halbschnitt durch eine erfindungsgemäße Kupp­ lungsvorrichtung mit einem Ausgleichskolben;

Fig. 5 Kennlinien einer Kupplungsvorrichtung nach Fig. 4.

Die in den Fig. 1, 2 und 4 übereinstimmenden Teile werden nachfolgend einleitend gemeinsam beschrieben. Die erfindungs­ gemäße Anordnung 11 umfaßt eine Lamellenkupplungseinheit 12 und eine Bestätigungsanordnung 13. Ein Kupplungsgehäuse 14 und ein darin eingesetztes Gehäuse 15 der Betätigungsvorrichtung, die drehfest miteinander verbunden sind, bilden das erste der ge­ geneinander drehbaren Teile. Eine Kupplungsnabe 16 und eine Nabe 17 der Betätigungsanordnung, die übereinstimmende Innenverzah­ nungen 18, 19 haben und mittels einer eingesteckten Keilwelle drehfest gekoppelt werden können, bilden das zweite der gegen­ einander drehbaren Teile. Im Kupplungsgehäuse sind erste Lamel­ len 20 drehfest und axial gegeneinander verschiebbar gehalten. Auf der Nabe 16 sind zweite Lamellen 22 drehfest und axial ge­ geneinander verschiebbar gehalten, die abwechselnd mit den er­ sten Lamellen 20 angeordnet sind. Im Gehäuse 15 sitzt ein Stell­ kolben 21, der mit ersterem eine Ringkammer 23 bildet. Die die Ringkammer 23 bildenden Teile laufen mit dem Gehäuse 14 um.

In der Ringkammer 23 ist ein lamellenartiger Rotationskörper 25 angeordnet, der über eine Innenverzahnung mit der Nabe 17 und damit mit der Nabe 16 drehfest verbunden ist. In der Ringkammer 23 sitzt weiterhin ein Nutkörper 26 ein, der eine in Umfangs­ richtung begrenzte Ringnut 27 bildet, die vom Rotationskörper 25 abgedichtet wird.

Über Bohrungen 28 und Kanäle 29 ist die Ringnut mit einem Reser­ voir 30 verbunden, das von einem verschiebbaren Ringkolben 31 abgeschlossen wird. Dieser wird von Tellerfedern 32 beauf­ schlagt, die sich an einem Sicherungsring 33 im Gehäuse 14 ab­ stützen. Der Stellkolben 21 wird durch Tellerfedern 34, die sich am Gehäuse 14 abstützen, im Sinne einer Entlastung der Lamellen­ kupplung beaufschlagt. Wie im zitierten Stand der Technik aus­ führlich beschrieben, erhöht die Betätigungsanordnung bei einer Relativdrehzahl zwischen dem ersten und dem zweiten der gegen­ einander drehbaren Teile aufgrund der Relativdrehung des Rota­ tionskörpers gegenüber der im Nutkörper 26 geformten Nut 27, deren Flüssigkeitsdruck in dem unmittelbar vom Stellkolben 21 begrenzten Teil der Ringkammer 23.

In Fig. 1 ist die zur Lamellenkupplung weisende Stirnfläche des Stellkolbens 21 ₁ vollkommen plan und radial. Zwischen Stell­ kolben 21 und Lamellenkupplung 12 sitzt eine Druckplatte 35 ₁, in der eine Mehrzahl von Keilnuten 36 über dem Umfang verteilt ausgeführt sind, deren Boden mit der genannten Stirnfläche des Stellkolbens 21 einen sich nach außen verjüngenden Spalt bildet.

In jeder Keilnut 36 sitzt ein Keilelement 37 ₁ ein, das sich unter Fliehkraftwirkung nach außen bewegt und die Druckplatte 35 ₁ so gegen die Kupplungsanordnung drückt, daß sich die Lamel­ len spielfrei zueinander einstellen. Die Keilelemente 37 ₁ ver­ klemmen sich dabei, so daß ein Rückfallen auch bei Nachlassen der Fliehkraft ausgeschlossen bleibt.

In Fig. 2 ist der Stellkolben 21 ₂ an seiner zur Lamellenkupp­ lung weisenden Stirnseite mit einer Konusfläche 38 ausgebildet. Eine zwischen Stellkolben 21 ₂ und Kupplungsanordnung 12 angeord­ nete Druckplatte 35 ₂ weist eine hierzu symmetrische Konusfläche 39 auf. Zwischen den Konusflächen sitzt eine Mehrzahl von Keil­ elementen 37 ₂, die in einem plattenförmigen Käfigelement 40 geführt sind. Die genannten Konusflächen 38, 39 sind vollständi­ ge Rotationsflächen.

In Fig. 3 ist das Käfigelement 40 in Form eines Blechringes mit vier ausgestanzten Schlitzen 41 gezeigt, die die radiale Führung für die Keilelemente 37 ₂ bilden.

In Fig. 4 ist der Stellkolben 21 ₃ auf Seiten der Lamellenkupp­ lung 12 mit einer Ringnut 51 versehen, in der ein Ringkolben 52 als Ausgleichskolben einsitzt. Diese ist über eine Bohrung 53 mit der Ringkammer 23 verbunden. Der Ringkolben 51 stützt sich mit einer radialen Stirnfläche gegen eine ebenso radiale Stirn­ fläche einer zwischen Stellkolben 21 und Lamellenkupplungsanord­ nung 12 liegenden Druckplatte 35 ₃ ab.

In Fig. 5 ist das Ansprechverhalten einer Kupplung nach Fig. 4 für zwei Differenzdrehzahlen (delta n1, delta n2) und den entsprechenden Ausgangsdrehmomenten (T1, T2) dargestellt. Bei großer und schnell aufgebauter Differenzdrehzahl delta n1 wird ein hohes Drehmoment T1 schnell aufgebaut, das dann noch etwas nachgibt. Bei geringer und langsamer ansteigender Differenz­ drehzahl delta n2 erfolgt ein verzögerter Aufbau eines Drehmo­ ment T2, das einen entsprechend niedrigeren Maximalwert hat.

Claims (8)

1. Kupplungsvorrichtung zur Übertragung von Drehmoment zwi­ schen zwei relativ zueinander drehbaren Teilen, die eine Lamellenkupplung mit axial abwechselnd angeordneten ersten Lamellen und zweiten Lamellen umfaßt, deren erste Lamellen mit dem einen der zueinander drehbaren Teile und deren zweite Lamellen mit dem anderen der zueinander drehbaren Teile jeweils drehfest verbunden sind, und die eine Betäti­ gungsvorrichtung zur axialen Beaufschlagung der Lamellen­ kupplung mit einem Stellkolben umfaßt, die eine mit hoch­ viskoser Flüssigkeit gefüllte, vom Stellkolben begrenzte Ringkammer und einen in der Ringkammer angeordneten Rota­ tionskörper umfaßt, deren Ringkammer in einem der zuein­ ander drehbaren Teile gebildet ist und deren Rotations­ körper drehfest mit dem anderen der gegeneinander drehbaren Teile verbunden ist, wobei eine relative Drehung zwischen den gegeneinander drehbaren Teilen eine Druckbeaufschlagung und Verschiebung des Stellkolbens in Richtung auf die La­ mellenkupplung infolge von Scherung der hochviskosen Flüs­ sigkeit in der Ringkammer bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen Stellkolben (21) und Lamellenkupplung (12) liegende Druckplatte (35) und/oder der Stellkolben (21) an den einander zugewandten Flächen Keil- oder Konus­ flächen aufweist, die einen in radialer Richtung sich nach außen verjüngenden Spalt miteinander bilden, in dem radial frei bewegliche Keilelemente (37) spielfrei einsitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keil- oder Konusflächen als Grundflächen radialer Nuten (36) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stellkolben (21) und Druckplatte (35) ein scheibenförmiges Käfigelement (40) mit insbesondere außen offenen radialen Schlitzen (41) liegt, in denen die Keil­ elemente (37) geführt gehalten sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Federelemente vorgesehen sind, die die Keile radial nach außen unter Vorspannung halten.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel so gering ist, daß an den Keilelementen (37) Selbsthemmung auftritt.

6. Vorrichtung zur Übertragung von Drehmoment zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Teilen, die eine Lamellenkupp­ lung mit axial abwechselnd angeordneten ersten Lamellen und zweiten Lamellen umfaßt, deren erste Lamellen mit dem einen der zueinander drehbaren Teile und deren zweite Lamellen mit dem anderen der zueinander drehbaren Teile jeweils drehfest verbunden sind, und die eine Betätigungsvorrichtung zur axialen Beaufschlagung der Lamellenkupplung mit einem Stellkolben umfaßt, die eine mit hochviskoser Flüssigkeit gefüllte, vom Stellkolben begrenzte Ringkammer und einen in der Ringkammer angeordneten Rotationskörper umfaßt, deren Ringkammer in einem der zueinander drehbaren Teile gebildet ist und deren Rotationskörper drehfest mit dem anderen der gegeneinander drehbaren Teile verbunden ist, wobei eine relative Drehung zwischen den gegeneinander drehbaren Tei­ len eine Druckbeaufschlagung und Verschiebung des Stell­ kolbens in Richtung auf die Lamellenkupplung infolge von Scherung der hochviskosen Flüssigkeit in der Ringkammer bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß im Stellkolben (21) zumindest ein axial relativ zu diesem beweglicher Nachstellkolben (52) eingelassen ist, der einen mit dem Ringraum (23) hydraulisch in Verbindung stehenden Zylinderraum (51) abdichtet und sich an einer zwischen Lamellenkupplung (12) und Stellkolben (21) liegen­ den Druckplatte (35) anlegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachstellkolben (52) ein Ringkolben und der Zylin­ derraum (51) ein Ringraum ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest drei zylindrische Nachstellkolben über den Umfang verteilt im Stellzylinder (21) eingelassen sind (ohne Figur).