DE19814831C2 - Selbstverstärkende Drehmoment-Übertragungseinrichtung, insbesondere Reibungskupplung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Selbstverstärkende Drehmoment-Übertragungseinrichtung, insbesondere Reibungskupplung für Kraftfahrzeuge

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Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung, insbesondere Reibungskupplung für Kraftfahrzeuge, umfassend
  • - ein Primärteil und ein Sekundärteil als Antriebsseite,
  • - eine aus verschiedenen Bauteilen bestehende Antriebsseite mit mindestens einem Übertragungselement, mittels dessen ein Kraftfluss von der Antriebsseite zur Abtriebsseite herstellbar ist,
  • - eine auf das Primärteil, das Sekundärteil und das Übertragungselement wirkende Stellkraft, die bei konstanter Größe eine sich zwischen dem Primärteil, dem Übertragungselement und dem Sekundärteil aufbauende Flächenpressung erzeugt, welche vom zu übertragenden Drehmoment abhängig ist und sich hierzu proportional verändert.
Eine solche Drehmoment-Übertragungseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 43 29 063 A1 bekannt. Die in einem Zweimassenschwungrad angeordnete Reibungskupplung weist u. a. eine Tellerfeder und eine Anpressplatte auf, wobei beide Teile gleitreibungsfrei zueinander verdrehbar gelagert sind und die Drehmomentübertragungskapazität von übertragendem Drehmoment beeinflusst wird. Bei diesem Stand der Technik geht es entweder um eine Reduzierung der erforderlichen Ausrückkraft unter Beibehaltung des übertragbaren Drehmomentes oder um Erhöhung der Drehmomentübertragungskapazität bei einer festgelegten Ausrückkraft. Die erwünschte Wirkung wird dabei beispielsweise durch Pendelstützen oder durch Wälzkörper erzielt.
Der nicht vermeidbare Unrundlauf der Brennkraftmaschine bewirkt Drehmomentschwankungen und Drehmomentspitzen, die übertragen werden müssen, ohne dass die Kupplung dabei durchrutscht, was zu erhöhtem Verschleiß führen würde. Ähnliches gilt beim Beschleunigen einer drehmomentstarken Brennkraftmaschine oder beim Anfahren eines Fahrzeuges im hohen Gang: Folglich muss die von der Membranfeder aufzubringende Anpresskraft entsprechend groß sein, was im Grunde genommen zu einer Überdimensionierung führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die Eingangs erläuterten Drehmoment-Übertragungseinrichtung zu Vermeidung der beschriebenen Nachteile zu verbessern, so dass insbesondere Torsionsschwingungen gedämpft und die Betätigung komfortabler wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die konstruktive Auslegung der Drehmoment-Übertragungseinrichtung zumindest auf der Antriebsseite nicht zu aufwendig ausfällt und deren Einzelteile nicht durch die von der Kurbelwelle eingeleiteten Torsionsschwingungen übermäßig beansprucht werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Ausbildung entsprechend dem Hauptanspruch vorgeschlagen. In vorteilhafter Weise weist das Primärteil und das Sekundärteil mindest eine im Querschnitt konische Ringnut auf, in die dem Konus der Ringnut jeweils angepasste Reibbeläge des mindestens einen Übertragungselementes eingreifen und das Übertragungselement ist auf einem vom Wirkradius der Anpresskraft verschiedenen Radius in Umfangsrichtung schwenkbar gelagert.
Treten Torsionsschwingungen auf - und diese sind bei einer Brennkraftmaschine konstruktionsbedingt immer vorhanden - schwenkt das mindestens eine Übertragungselement in Drehrichtung und verkantet sich innerhalb der konischen Nut, wodurch seine radiale Wirkfläche auf der radial äußeren Seite mit dem in Drehrichtung hinteren Bereich gegen die Seitenfläche der Ringnut gepresst und mit seiner radial inneren Fläche mit der in Drehrichtung vorderen Seite an die gegenüberliegende Seitenfläche der Ringnut gepresst wird. Je stärker die Torsionsschwingungen sind, umso größer ist der Schwenkwinkel des Übertragungselements und dadurch die Kraft, mit der die Reibflächen radial angepresst werden, ohne dass es eine Erhöhung der Stellkraft bedarf.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Reibbeläge axial am Grund der Ringnuten anliegen und zwischen den Reibbelägen und den Ringnuten in radialer Richtung spiel in Form eines Spaltes vorgesehen ist. Dadurch ist, wenn die Erfindung als Reibungskupplung verwendet wird, das Ein- und Auskuppeln erleichtert und sichergestellt, dass beim Einkuppeln nicht sofort ein Reibschluss zwischen Übertragungselement und Primär- bzw. Sekundärseite erfolgt. In der Grundstellung (eingekuppelt, Motor steht) können aber über die axiale Wirkfläche dennoch Reibkräfte übertragen werden, so dass es möglich ist, ein mit der Drehmoment- Übertragungseinrichtung ausgerüstetes Fahrzeug anzuschleppen oder anzuschieben. Sowie die ersten Torsionsschwingungen auftreten findet das Eingangs beschriebene Verkanten des Übertragungselementes statt.
Zur Erhöhung des übertragbaren Drehmomentes können eine Mehrzahl zueinander radial versetzte Ringnuten sowohl im Primärteil als auch im Sekundärteil vorgesehen sein. Dadurch kann die notwendige Stellkraft weiter reduziert werden.
Vorzugsweise sind die Reibbeläge des Übertragungselementes für die Primärseite und die Sekundärseite im Querschnitt spiegelsymmetrisch ausgebildet. Hierdurch wird die Herstellung vereinfacht.
Bei einer im Querschnitt unsymmetrischen Ausbildung der Reibbeläge ist es möglich, die Oberfläche (Wirkfläche) der Reibbeläge für den Primärteil und Sekundärteil unterschiedlich groß auszubilden und damit entsprechend der Wärmespeicherkapazität der benachbarten Bauteile anzugleichen. Dies kann erreicht werden, indem die axiale Stärke der Reibbeläge für den Primärteil und den Sekundärteil unterschiedlich groß gewählt wird.
Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Übertragungselementen in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet. Die Übertragungselemente können dann die Reibscheibe einer Reibungskupplung bilden. Um eine Kühlung der Reibscheibe während des Betriebs zu gestatten, ist es vorteilhaft, wenn zwischen Übertragungselementen Hohlräume vorgesehen sind, die von der Umgebungsluft durchströmt werden können.
Die eine Reibscheibe bildenden Übertragungselemente sind vorzugsweise auf einer mit der Getriebeeingangswelle verbundenen Mitnehmerscheibe angeordnet. Diese Mitnehmerscheibe kann zum Ausgleich eines Mittenversatzes in Umfangsrichtung steif und in radialer Richtung elastisch ausgebildet sein.
Um ein sicheres Verschwenken des Übertragungselementes zu erreichen, liegt der Schwerpunkt bezogen auf die Umfangsrichtung bzw. die Drehrichtung außermittig. Zur Anpassung der Klemmkraft liegt der Schwerpunkt des Übertragungselementes außerdem radial außerhalb der durch die Reibbeläge gebildeten Wirkfläche, wobei die Exzentrizität abhängig ist von dem notwendigen Schwenkwinkel.
Durch eine entsprechende Bemessung des Mittenversatzes, d. h. den Versatz mit dem die Übertragungselementes bezogen auf die Mitte der Reibbeläge an den Blechen befestigt sind, kann ein Durchrutschen der Kupplung im Schiebebetrieb bewirkt werden. Abhängig vom Mittenversatz verstärkt sich die Aufstützung des Übertragungselementes bei einer Drehrichtung bezogen auf die Abtriebsseite. Bei Umkehrung des Drehrichtungsverhältnisses ist der Aufstützeffekt und damit das übertragbare Moment dann geringer. Eine solche Auslegung hat die vorteilhafte Wirkung, dass bei (meist ungewolltem) Herunterschalten des Getriebes in eine höhere Untersetzungsstufe bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit der Motor nicht auf Überdrehzahl gebracht und nicht den damit einhergehenden hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt wird.
Der Winkel α des Konus der Reibbeläge liegt vorzugsweise zwischen 5° und 60°, insbesondere vorzugsweise zwischen 10° und 30°.
Die Erfindung eignet sich auch bei dem Einsatz in einer Scheibenbremse oder dergleichen.
Mit Hilfe einer Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine als Reibungskupplung ausgestaltete Drehmo­ ment-Übertragungseinrichtung im oberen Quer­ schnitt in vereinfachter Darstellung;
Fig. 2 die Draufsicht auf die Kupplungsscheibe gemäß Sichtpfeil II nach Fig. 1;
Fig. 3 ein Übertragungselement im Querschnitt;
Fig. 4 eine die geometrischen Verhältnisse des Übertra­ gungselements verdeutlichende Skizze;
Fig. 5 den Schnitt entlang der Linie V-V nach Fig. 4.
Die Drehmoment-Übertragungseinrichtung kann als Reibungskupplung oder beispielsweise als Scheibenbremse verwendet werden. Nach­ folgend soll sie anhand einer Reibungskupplung erläutert werden.
Wie Fig. 1 zeigt, ist das Primärteil 1 über die Schraube 11 drehfest mit dem Schwungrad 10 einer hier nicht näher darge­ stellten Brennkraftmaschine verbunden. Drehfest, aber in axialer Richtung beweglich, ist die Anpreßplatte 2 als Sekundärteil mit dem Primärteil 1 verbunden. Über eine Membranfeder 3 wird die Anpreßplatte 2 mit einer äußeren Stellkraft belastet. Zwischen dem Primärteil 1 und der Anpreßplatte 2 ist eine Kupplungsschei­ be 21 vorgesehen, die radial außen beidseitig mit Reibbelägen 4, 9 versehen ist, die an einer Mehrzahl von Übertragungselementen 40 ausgebildet sind. Die Übertragungselemente 40 sind schwenkbar an der aus zwei Scheiben 6, 8 gebildeten, mit einer Torsions­ dämpfungseinrichtung 7 versehenen Mitnehmerscheibe 12 verbunden, die wiederum drehfest mit einer Getriebeeingangswelle (wie bei 13 angedeutet) verbunden ist.
Das Primärteil 1 und die Anpreßplatte 2 sind mit im Querschnitt konischen Ringnuten 15, 16 versehen, die zueinander radial be­ abstandet sind. Dem Konus der Ringnuten 15, 16 angepaßt, sind auch die Reibbeläge 4, 9 konisch ausgebildet. Der Konuswinkel α beträgt zwischen 10° und 30°, vorzugsweise um 15°. Die Reibbelä­ ge 4, 9 sind auf zwei Scheiben 17, 18 aufgebracht, insbesondere aufgesintert, die mit mehreren Löchern 22, 23 versehen sind, um die Verbindung zwischen den Reibbelägen 4, 9 und den Scheiben 17, 18 zu erhöhen. Die Reibbeläge 4, 9 bilden zusammen mit den Scheiben 17, 18 das Übertragungselement 40. In der in Fig. 3 gezeigten Nullage (keine Bewegung des Primärteils 1) ist radial zwischen den Reibbelägen 4, 9 und der zugehörigen Ringnut 15, 16 ein Spalt 24 vorhanden. Axial liegen die Reibbeläge 4, 9 am Nutgrund 19, 20 an.
Die Übertragungselemente 40 sind mit den Blechen 6, 8 im Gelenk 5, das den Schwenkpunkt P bildet, über Nieten oder dergleichen beweglich verbunden. Sie sind in einer solchen Anzahl vorhanden, daß sie eine Reibscheibe bilden. Zwischen den einzelnen Über­ tragungselementen 40 ist ein Hohlraum 14 vorgesehen, der ein Durchströmen mit Luft gestattet, so daß eine Innenkühlung der Reibscheibe gegeben ist. In Umfangsrichtung D, die gleichzeitig auch die Drehrichtung ist, sind die Übertragungselemente 40 bezogen auf die Mitte M der Reibbeläge 4, 9 mit dem Versatz a schwenkbar an den Blechen 6, 8 befestigt. Dadurch wird das Ver­ kippen der Übertragungselemente 40 in Drehrichtung D erleich­ tert. Die Exzentrizität e vom Schwenkpunkt P zur Mitte des Wirk­ radius rm bestimmt ebenfalls das Maß der Kippbewegung der Über­ tragungselemente 40 und damit die Krafterhöhung bei konstanter, von der Membranfeder 3 aufgebrachter Stellkraft.
Durch eine entsprechende Bemessung des Mittenversatzes a (vgl. Fig. 4) kann ein Durchrutschen der Reibungskupplung im Schiebe­ betrieb bewirkt werden. Abhängig von der Größe des Mittenver­ satzes verstärkt sich die Aufstützung des Übertragungselements 40 bei einer Drehrichtung gemäß Sichtpfeil D bezogen auf die Abtriebsseite. Bei Umkehrung des Drehrichtungsverhältnisses ist der Aufstützeffekt und damit das übertragbare Moment T dann geringer. Eine solche Auslegung hat die vorteilhafte Wirkung, daß bei einem versehentlichen Herunterschalten des Getriebes in eine hohe Untersetzungsstufe bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit der Motor nicht auf Überdrehzahlen gebracht und nicht der damit einhergehenden hohen mechanischen Belastung ausgesetzt wird.
Die bei einem Verschwenken der Übertragungselemente 40 auf die radial äußere Seite der Ringnuten 15, 16 übertragbare Anpreß­ kraft FP ist in Fig. 4 gekennzeichnet. Die Reaktionskraft F, die im Schwenkpunkt P angreift und das Verschwenken der Über­ tragungselemente 40 bewirkt, bildet sich aus dem Quotienten von Drehmoment T und dem Radius R des Schwenkpunkts P. Das übertrag­ bare Drehmoment T ermittelt sich gemäß der Formel
T = Σpi × Ai × ri,
wobei p = Flächenpressung, A = Flächenelement und r = korrespon­ dierender Radius zu A ist. Die Anpreßkraft ist bekanntlich das Produkt aus Flächenpressung und Reibfläche. Wie Fig. 3 zeigt, kann die axiale Stärke t1 des dem Primärelement 1 zugehörigen Reibbelages 9 größer gewählt werden als die axiale Stärke t2 des der Anpreßplatte 2 zugeordneten Reibbelages 4. Dadurch kann die Wirkfläche nach der Wärmespeicherkapazität der Bauteile ausge­ richtet werden.
Anstatt wie in der Zeichnung dargestellt drei zueinander radial versetzte Ringnuten 15, 16 vorzusehen, können auch weniger oder mehr realisiert werden, je nach dem welches maximale Drehmoment übertragen können werden soll.
Bezugszeichenliste
1
Primärteil
2
Anpreßplatte Sekundärteil
3
Feder/Membranfeder
4
Belag/Reibbelag
5
Gelenk
6
Scheibe
7
Torsionsdämpfungseinrichtung
8
Scheibe
9
Belag/Reibbelag
10
Schwungrad
11
Schraube
12
Mitnehmerscheibe
13
Getriebeeingangswelle
14
Hohlraum
15
Ringnut
16
Ringnut
17
Blech
18
Blech
19
Nutgrund
20
Nutgrund
21
Kupplungsscheibe/Reibscheibe
22
Bohrung
23
Bohrung
24
Spalt
40
Übertragungselement
Ai Flächenelement
a Mittenversatz
e Exzentrizität
rm
Wirkradius
t1
Stärke/Belagstärke
t2
Stärke/Belagstärke
D Umfangsrichtung/Drehrichtung
F Umfangskraft
FP
Anpreßkraft
M Mitte
P Schwenkpunkt
R Schwenkradius
ri
korrespondie­ render Radius
α Konuswinkel
T Moment
rm
Wirkradius der Anpreßkraft

Claims (16)

1. Drehmoment-Übertragungseinrichtung, insbesondere Reibungskupplung für Kraftfahrzeuge, umfassend
ein Primärteil (1) und ein Sekundärteil (2) als Antriebsseite,
eine aus verschiedenen Bauteilen (6, 8, 12) bestehende Abtriebsseite mit mindestens einem Übertragungselement (40), mittels dessen ein Kraftfluss von der Antriebsseite zur Abtriebsseite herstellbar ist,
eine auf das Primärteil (1), das Sekundärteil (2) und das Übertragungselement (40) wirkende Stellkraft, die bei konstanter Größe eine sich zwischen dem Primärteil (1), dem Übertragungselement (40) und dem Sekundärteil (2) aufbauende Flächenpressung erzeugt, welche vom zu übertragenden Drehmoment abhängig ist und sich hierzu proportional verändert,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Primärteil (1) und das Sekundärteil (2) mindestens eine im Querschnitt konische Ringnut (15, 16) aufweisen und die dem Konus der Ringnut (15, 16) jeweils angepassten Reibbeläge (4, 9) des mindestens einen Übertragungselementes (40) in die jeweilige Ringnut (15, 16) eingreifen und dass das Übertragungselement (40) auf einem vom Wirkradius (rm) der Anpresskraft verschiedenen Radius (R) in Umfangsrichtung schwenkbar gelagert ist.
2. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeläge (4, 9) axial am Grund (19, 20) der Ringnuten (15, 16) anliegen und zwischen den Reibbelägen (4, 9) und den Ringnuten (15, 16) in radialer Richtung ein Spalt (24) vorgesehen ist.
3. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl zueinander radial versetzte Ringnuten (15, 16) vorgesehen sind.
4. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeläge (4, 9) des Übertragungselementes (40) im Querschnitt spiegelsymmetrisch ausgebildet sind.
5. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Übertragungselementen (40) in Umfangsrichtung (D) angeordnet sind.
6. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungselemente (40) eine Reibscheibe (21) bilden.
7. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt (P) der Übertragungselementes (40) radial außerhalb der durch die Reibbeläge (4, 9) gebildeten Wirkfläche liegt.
8. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt (P) der Übertragungselements (40) bezogen auf die Umfangsrichtung (D) außermittig liegt.
9. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) des Konus zwischen 5° und 60° beträgt.
10. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) des Konus zwischen 10° und 30° beträgt.
11. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Stärke (t1, t2) der Reibbeläge (4, 9) unterschiedlich ist.
12. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Reibbeläge (4, 9) für den Primärteil (1) und den Sekundärteil (2) unterschiedlich groß ist.
13. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Übertragungselementen (40) Hohlräume (14) zur Durchströmung mit Luft vorgesehen sind.
14. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungselemente (40) auf einer mit der Getriebeeingangswelle (13) verbundenen Mitnehmerscheibe (12) angeordnet sind.
15. Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerscheibe (12) in Umfangsrichtung (D) steif und in radialer Richtung elastisch ist.
16. Verwendung einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche als Reibungskupplung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wobei der Primärteil (1) das Schwungrad (10) einer Brennkraftmaschine oder mit diesem fest verbunden und der Sekundärteil (2) die von einer Feder (3) beaufschlagte Anpressplatte ist.
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