DE2537064B2

DE2537064B2 - Steuervorrichtung für eine Reibscheibenkupplung

Info

Publication number: DE2537064B2
Application number: DE2537064A
Authority: DE
Inventors: Frank W. Rockford Ill. Groves (V.St.A.)
Original assignee: Twin Disc Inc
Current assignee: Twin Disc Inc
Priority date: 1974-08-22
Filing date: 1975-08-20
Publication date: 1978-08-10
Also published as: JPS5546529B2; GB1483548A; DE2537064A1; JPS5146648A; DE2537064C3; US3913715A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Bei einer aus der DE-OS 16 00 171 bekannten Steuervorrichtung ist der Ventilschließkörper ein Kolben, der in einer radial zur Kupplungsachse verlaufenden Bohrung verschiebbar ist. Ein solches Ventil spricht nur auf Zentrifugalkräfte an. Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte lassen sich damit nicht berücksichtigen. Ein in einer Bohrung verschiebbarer Kolben wirft außerdem Reibungsprobleme auf und muß zusammen mit der Bohrung sehr genau bearbeitet werden, was die Herstellung verteuert.

Aus der DE-OS 20 39 950 ist eine Steuervorrichtung für den Arbeitsdruck einer hydraulisch betätigbaren Reibscheibenkupplung bekannt, bei der das den Arbeitsdruck regelnde Ventil eine kugel- oder scheibenförmige Masse enthält, die in einer Bohrung geführt ist und auf eine Ventilschließkugel einwirkt. Die Orientierung der Bohrung relativ zur Kupplungsachse kann verstellt werden. Dadurch können die Fliehkraft und Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte im jeweils gewünschten Maß zur Einwirkung auf die Kugelmasse gebracht werden. Hier ist jedoch eine Steuerung des Ventils durch einen Hilfssteuerdruck nicht vorgesehen. Außerdem tritt auch hier das Problem auf, daß die Masse in einer Ausnehmung geführt werden muß, was Reibungsprobleme mit sich bringt und eine sehr genaue Bearbeitung der in Berührung miteinander stehenden Oberfläche bedingt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung so auszugestalten, daß bei der Regelung des Arbeitsdruckes sowohl die Fliehkraft als auch Beschleunigungsund Verzögerungskräfte berücksichtigt und in die Regelung mittels eines HilfsSteuerdruckes eingegriffen werden kann, wobei die Vorrichtung einfach in Aufbau und Herstellung und somit zuverlässig in der Wirkungsweise sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Beil dieser Steuervorrichtung wird der Ventilschließkörper durch ein Hebelelement gebildet. Ein solches Hebelelement läßt sich einfach und reibungsarm lagern, ohne daß hierfür ein großer Bauaufwand erforderlich wäre. Da die Massenkräfte an einem Hebelarm angreifen, ergibt sich eine Übersetzungswirkung, so daß eine kleinere Masse zum Durchführen der Steuervorgänge ausreicht bzw. größere Steuerkräfte zur Verfügung stehen. An dem Hebelelement greifen der Hilfssteuerdruck, die Fliehkraft und Beschleunigungsbzw. Verzögerungskräfte an, so daß alle für die Steuerung wesentlichen Parameter berücksichtigt werden können. Die Steuerung erfolgt über ein als Klappenventil ausgebildetes Auslaßventil.

In einem solchen Ventil treten keine translatorischen Verschiebungen des Ventilkörpers auf, so daß das Ventil feinfühlig anspricht und einfach in der Herstellung ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der erifndungsgemäßen Steuervorrichtung ergeben sich aus den angeschlossenen Uriteransprüchen.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Teilansicht einer Steuervorrichtung in Explosionsdarstellung,

F i g. 2 eine Teilansicht der Steuervorrichtung an einer hydraulisch gesteuerten Reibscheibenkupplung,

Fig.3 einen Längsschnitt durch die Steuervorrichtung und die Reibscheibenkupplung gemäß F i g. 2, längs der Ebene 3-3, in Verbindung mit einem Antriebsmotor und einem Drehmomentwandler,

Fig.4 eine weitere perspektivische Teilansicht in Explosionsdarstellung und

Fig.5 ein Schema der auf die Steuervorrichtung einwirkenden Kräfte.

Der Aufbau eines leistungsübertragenden Antriebs ist in F i g. 3 gezeigt. Er weist einen Antreibsmotor E auf, z. B. einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor, der einen Ring 1 einer hydraulisch betätigbaren Reibscheibenkupplung C in Rotation versetzt, der eine Nabe 2 antreibt. Die Nabe 2 ist über ein Zahnrad 3 auf einem Lager 4 einer Ausgangswelle 5 drehbar. Die Nabe 4 enhält mehrere Reibscheiben 6, die axial verschiebbar, aber drehfest in Keilnuten 7 befestigt sind.

Auf der Ausgangswelle 5 sitzt keilverzahnt eine Andruckscheibe 10, die mehrere bis zu einem bestimmten Grade axial verschiebbare Reibscheiben 11 aufweist. Die Reibscheiben 6 und 11 können fest gegeneinander-

geklemmt, ausgerückt oder in schleifendem Eingriff gehalten werden. Ein ringförmiger Kolben 13 zur betätigung der Reibscheiben ist in einem Zylinder 14 eines Trägers 15 axial verschiebbar und bildet eine Kammer 16. Ein Strömungsmittel wird der Kammer 16 zugeleitet, um den Kolben 13 zu verschieben, was zum Einrücken bzw. Lösen der Kupplung führt. Der Druck in der Kammer 16 bestimmt die Kupplungseinriickung. Das heißt, es sind auch Zwischensteliungen möglich, bei denen die Reibscheiben schlupfen. Federn 18 zwischen dem Kolben 13 und der Andruckscheibe 10 trennen die Reibscheiben, wenn die Kammer 16 drucklos ist.

Der Träger 15 wird durch eine Mutter 20 drehfest gegen eine Schulter 19 mit der Ausgangswelle 5 verbunden. Arbeitsströmungsmittel gelangt durch eine Bohrung 22 in der Ausgangswelle 5 von einer Strömungsmittelquelle, z. B. einer Pumpe 24, zu einem radialen Kanal 22a und über eine Drossel 50 zur Kammer 16. Der Druck ist konstant, z. B. 17,58 kp/cm² (250 psi) oder mehr.

Zusätzlich dazu wird Steuerdruckströmungsmittel über eine Durchlaßbohrung 30 der Ausgangswelle 5 von einer anderen Strömungsmitteldruckquelle, z. B. einer Pumpe 32, eingeführt. Die Höhe des HilfsSteuerdrucks ist mit Hilfe eines Ventils 34 regelbar, und zwar zwischen 0 und 21,09 kp/cm² (300 psi).

Die Ausgangswelle 5 ist mit einem Drehmomentwandler TCverbunden, der ein Turbinenrad Tmit einer Welle 36, einen Stator S und ein mit der Ausgangswelle 5 verbundenes Pumpenrad /aufweist.

Ein Hebelelement 40 ist schwenkbar auf dem Träge; 15 gelagert, um Strömungsmittel ablassen zu können, um die Kraft auf dem Kolben 13 zu reduzieren. Es ist auf einer Achse 42 gelagert, die von einem Bolzen 43 gebildet wird, und kann begrenzt schwenken. Die Achse 42 ist parallel zur Drehachse des Trägers 15. Das Hebelelement 40 trägt eine Ballast-Masse 44, deren radialer Abstand von der Achse 42 verstellbar ist. Jedoch befindet sich die Masse 44 in erheblichem Abstand von der Drehachse 46 der Kupplung C. Die Masse 44 enthält ein Schwermetall, z. B. Kennertrium oder ein sehr dichtes Material. Kennertriummetall ist ungefähr dreimal so schwer wie Stahl. Der Rest der Masse 44 besteht aus Aluminium oder einem anderen harten Leichtmetall. Diese Materialkombination sorgt für ein kleines Trägheitsmoment des Hebelelementes 40, das dessen Ansprechvermögen erhöht und die Schwerpunktlage des Hebelelementes im Zentrum der Masse 44 bestimmt.

Das Hebelelement 40 ist zweiarmig. Auf der anderen Seite der Achse 42 bestitzt es einen Arm 48, auf den der Steuerdruck an zwei im Abstand voneinander angeordneten Punkten einwirkt. Der Arbeitsdruck zur Betätigung der Kupplung C steht andererseits in Verbindung mit dem auf der anderen Seite der Achse 42 liegenden Arm des Hebelelementes 40. Die Angriffspunkte haben bezogen auf die Achse 42 in einem bestimmten Verhältnis stehende Hebelarme.

Der Kanal 22a im Träger 15 steht mit einem Ventilbauteil 52 in Verbindung, das gegen das Hebelelement 40 stößt. Nachdem der Arbeitsdruck der Kupplung Cdie Drossel 50 passiert hat, gelangt er zum Ventilbauteil 52 und gelangt zu einer Auslaßöffnung 52a, die durch eine Ventilklappe 40a am Hebelelement 40 verschließbar ist. Das Ventil 52a, 40a ist geschlossen, wenn die Ventilklappe 40a auf der Auslaßöffnung 52a des Ventilbauteils 52 liegt. Dann wird der Arbeitsdruck für die Kupplung C gehalten. Wenn das Hebelelement vom Ventilbauteil 52 wegschwenkt, wird Arbeitsdruck abgelassen, so daß der Druck in der Kammer 16 sinkt

Eine schwache Feder 53, welche gegen das Hebelelement 40 drückt, hält das Ventil 52a, 40a offen, wenn der Träger 15 in der gezeigten Stellung anhält

Das Hebelelement 40 spricht auf Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 15 an, d. h, es ist empfindlich gegenüber einer Beschleunigung oder Bremsung des Trägers. Damii das Hebelelement 40

ίο seine Funktion erfüllt, ohne vom Arbeitsdruck für die Kupplung C selbst beeinflußt zu werden, ist das Hebelelement 40 auf seiner dem Venülbauteil 52 abgewandten Seite hydraulisch ausbalanciert Das Hebelelement 40 arbeitet in »Unkenntnis« vom Arbeitsdruck. Dies bewirkt eine Ausgleichseinrichtung 56, welche eine Druckleitung 57 aufweist, die an ihrem Ende ein Ausgleichsdruckelement in Form einer verschiebbaren Kugel 58 trägt Der Arbeitsdruck der Kupplung C wirkt auf die Kugel 58, die gegen eine Seite des Hebelelementes 40 stößt, welche dem Ventilbauteil 52 gegenüberliegt Der Arbeitsdruck in der Druckleitung 57 zwingt die Kugel 58 gegen das Hebelelement 40, so daß die Wirkung des auf der anderen Seite anstehenden Arbeitsdrucks neutralisiert wird. Anders ausgedrückt, die Funktion des Hebelelementes 40, soweit es den Arbeitsdruck betrifft, besteht darin, das Ventil 52a, 40a zu schließen oder das Ablassen von Strömungsmittel entsprechend den Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 15 zu regeln.

Mit der Anordnung wird der Druck in der Kammer 16 durch (A) den konstanten Arbeitsdruck, (B) die Größe der Drosselbohrung 50 und (C) die öffnung des Ventils 52a, 40a, die von der Stellung des Hebelelementes 40 abhängt, bestimmt

Wenn der Druck in der Kammer 16 ansteigt, wird sich die Drehzahl der Welle 36 der Drehzahl des Antriebsmotors E annähern. Die Drehmomentübertragungsfähigkeit der Kupplung C ist proportional zum Produkt aus Arbeilsdruck der Kupplung und dem Reibungskoeffizienten der Reibscheiben. Mit dieser Steuerung wird ein konstanter Drehzahlwert zwischen Stillstand und voller Motordrehzahl aufrechterhalten durch Veränderung des Arbeitsdruckes der gegebenenfalls schleifenden Kupplung C.

Der Reibungskoeffizient der Reibscheiben ändert sich jedoch erheblich, und zwar von einem geringen Wert bei großem Schlupf auf einen hohen Wert bei sehr geringen Geschwindigkeiten bzw. voll eingerückter Kupplung. Die Steuervorrichtung regelt die Kupplung

so in gleichem Maß wie sich der Reibungskoeffizient der Reibscheiben ändert.

In F i g. 5 sind die Drehmomente dargestellt, die auf die Steuervorrichtung wirken. Ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment am Hebelelement ergibt sich aus dem an zwei Punkten angreifenden Steuerdruck. Dieses Drehmoment errechnet sich wie folgt
Das Drehmoment ist:

P_c χ Ab χ Rn

wobei

Pc = der Steuerdruck,
Ab = die Querschnittsfläche der Kugel 70 und
Äi = der H ebelarm ζ wischen P₀ und der Achse 42
und

Pc X /42 X /?2,

wobei

Pc = der Druck, abhängig vom Steuerdruck P_a

einer Drosselbohrung 76 und der
Winkelstellung des Hebelelementes 40,
die Querschnittsfläche des Auslasses für PJ
der Hebelarm zwischen PJ und der Achse 42.

Ein im Gegenuhrzeigersinn wirkendes Drehmoment ergibt sich aus der Zentrifugalkraft F_a und zwar ist die bestimmt durch:

wobei

M χ Rcm x W² χ R_c,

Mx Rcmx W² = F_c

M = die Masse 44,

RcM=der Radius des Schwerpunktes der Masse 44

von der Drehachse der Kupplung Q W = die Drehzahl des Trägers 15,
R_c — der Radius der Achse 42 von der

Kupplungsdrehachse.

Das Beschleunigungsdrehmoment ist gegeben durch
Fa χ Ra,

wobei

F_A = M χ Rcm χ <x und

<x = die Beschleunigung des Trägers 15.

Dieses Drehmoment wirkt im Uhrzeigersinn, wenn der Träger bei der angezeigten Drehrichtung (Pfeil) abzubremsen versucht. Im Gegenuhrzeigersinn wirkt es hingegen, wenn der Träger in Drehrichtung beschleunigt.

Die Stellung des Hebelelementes 40 relativ zum Ventilbauteil 52 wird durch Kräfte bestimmt. Eine dieser Kräfte ist die Zentrifugalkraft (F_c in Fig.5) auf die Masse 44, die von der Masse 44, der lage des Schwerpunktes der Masse 44 und der Drehgeschwindigkeit abhängig ist. Wenn die Drehgeschwindigkeit ansteigt, steigt auch die auf die Masse 44 wirkende Zentrifugalkraft, was eine Verschiebung des Hebelelementes 40 mit öffnen der Auslaßöffnung 52a bewirkt. Wenn der Träger rotiert (in Richtung des gezeigten Pfeiles), verursacht die Geschwindigkeit eine Verschiebung des Hebelelementes 40 weg vom Ventilbauteil 52, wodurch die Auslaßöffnung 52a geöffnet und der Druck in der Kammer 16 reduziert wird. Eine andere auf das Hebelelement 40 wirkende Kraft leitet sich aus Veränderungen der Drehgeschwindigkeit her, z. B. eine Beschleunigungskraft (Fa in Fig.5) für die Masse 44, welche proportional zur Beschleunigung des Trägers 15 ist. Wenn der Träger seine Geschwindigkeit in Richtung des gezeigten Pfeiles vergrößert, dreht sich das Hebelelement 40 im Gegenuhrzeigersinn und gibt die Auslaßöffnung 52a frei. Wenn hingegen der Träger abbremst, wird das Hebelelement die Auslaßöffnung 52a schließen. Die Stellung des Hebelelementes 40 wird auch von einer dritten Kraft bestimmt, nämlich von der Kraft des Steuerdruckes, der auf das andere Ende des Hebelelementes 40 wirkt, was nachfolgend beschrieben wird.

Der Steuerdruck wirkt auf das Hebelelement 40 über zwei getrennte Druckerzeugungseinrichtungen. Eine dieser Einrichtungen besteht aus einer Kugel 70, die in einem Durchlaß 71 im Träger 15 angeordnet ist und durch den Steuerdruck gegen das Hebelelement 40 gepreßt wird. Hinter die Kugel 40 dringt sehr wenig Strömungsmittel. Die andere Einrichtung besteht aus einem Klappenventil 72, das vom Hebelelement 40 selbst gebildet wird. Das Steuerdruckmittel wirkt über die Kugel 70 und das Klappenventil 72, um eine im Uhrzeigersinn wirkende Kraft auf das Hebelelement 40 um seine Achse 42 zu erzeugen, wodurch ein Schließen der Auslaßöffnung 52a des Arbeitsdruckes veranlaß wird. Zusammenfassend wird die Stellung des Hebelelementes 40 bestimmt durch (A) die Zentrifugalkraft für die Masse 44, (B) die Beschleunigungs- oder Bremskrafi auf der Masse 44 und (C) die kombinierte Steuerwirkung

ίο des Klappenventils 72, einer Drosselbohrung 76 und des von der Kugel 70 ausgeübten Druckes. Zusätzlich ändert sich der Steuerdruck auch in Abhängigkeit von der Stellung des Hebelelementes 40, wie im folgenden erläutert wird.

Die öffnung des Klappenventils 72 liegt in einem Kanal 71a mit einer Drossel 76 für den Steuerdruck. Sie bewirken gemeinsam eine Änderung des Steuerdruckes in Abhängigkeit von der Stellung des Hebelelementes 40. Wenn nur Arbeitsdruck für die Kupplung, z. B.

17,58 kp/cm² anliegt, wird jede Drehung des Trägers 15 ein Wegschwenken des Hebelelementes 40 von der Auslaßöffnung 52a bewirken, wodurch der Träger 15 verlangsamt wird.

Die Bedienungsperson kann den Steuerdruck wählen, bei welchem die Auslaßöffnung 52a verschlossen wird, wodurch die Kammer 16 mit vollem Arbeitsdruck gefüllt wird und die Kupplung voll hingerückt wird, infolgedessen beschleunigen der Träger 15 und da: Pumpenrad / des Drehmomentwandlers TC innerhalb der durch das Hebelelement 40 erlaubten Grenzen.

Wenn die Beschleunigungskraft über die Masse 44 ein Drehmoment erzeugt, das das Drehmoment vom Steuerdruck überwindet, wird das Hebelelement 4( derart geschwenkt, daß die Auslaßöffnung 52a geöffne und der Druck in der Kammer 16 verringert wird wodurch die Beschleunigung abnimmt. Innerhalb dieser Grenzen wird weiter eine Beschleunigung ausgeübt, bi: die Zentrifugalkraft über die Masse 44 ein Drehmomen erzeugt, das dem Steuerdruckdrehmoment gleich ist Dann hält das Hebelelement 40 eine konstante Drehgeschwindigkeit des Trägers 15 aufrecht. Da Klappenventil 72 hat die Aufgabe, eine negativt Rückkopplung zum Arm des Hebelelementes 40 zi schaffen. Der vom Ventil 34 geregelte Steuerdruck bleibt so, wie er von der Bedienungsperson eingestell ist. Wenn jedoch die Ventilstellung sich ändert, ander sich auch der Druck PJ. Hierdurch wird ein Übersteuen des Armes verhindert.

Die Verwendung der Kugel 70 würde allein nich

so einen Steuerdruck erbringen, der sich mit der Stellung des Hebelelementes 40 ändert. Dafür dienen da! Klappenventil 72 und die Drosselbohrung 76. Di« öffnung des Klappenventils 72 hinter der Drosselboh rung 76 erzeugt einen variablen Steuerdruck ii Abhängigkeit von der Stellung des Hebelelementes 40 mit dem die Stellung des Hebelelementes 40 stabilisier und ein konstanter Arbeitsdruck erzeugt wird. Wenn di( Änderung des Reibungskoeffizienten schneller erfolgt als das Hebelelement 40 anspricht, wird der Arbeits druck eine Schwingung geringer Amplitude und hohe Frequenz ausführen, welche jedoch der Drehmoment wandler vollständig abdämpft.

Diese Steuervorrichtung zeichnet sich durch ein< stabile Steuercharakteristik aus. Drehgeschwindigkeits

t>5 änderungen werden durch eine proportionale Korrek tür des Arbeitsdruckes vorweggenommen. Die Steuer vorrichtung reagiert darüber hinaus besonders schnei auf Änderungen der Winkelgeschwindigkeit.

In der Steuervorrichtung wird eine hohe Empfindlichkeit (Abfühlen der Zentrifugal- und Winkelgeschwindigkeitskräfte, welche direkt proportional zum Drehradius sind) bei minimaler Ventilträgheit erzielt, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes des Schwerpunktes der Masse 44 von der Achse 42 ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuervorrichtung für den Druck der den Betätigungskolben einer Reibscheibenkupplung in -*> einer Betätigungskammer beaufschlagenden Arbeitsflüssigkeit, mit einem mit der Betätigungskammer in Fließverbindung stehenden Ventil, dessen Ventilschließkörper durch die Zentrifugalkraft und einen HilfsSteuerdruck bewegbar ist, dadurch ^|0 gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper als ein auch durch Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte um eine Schwenkachse (42) schwenkbares Hebelelement (40) ausgebildet ist, das ventilklappenartig mit einer mit der Betätigungskammer (16) in Fließverbindung stehenden Auslaßöffnung (52a) zusammenwirkt.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (42) parallel zur Kupplungsachse (46) und radial im Abstand von dieser angeordnet ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelelement (40) als zweiarmiger Hebel ausgebildet ist, dessen einer Hebelarm eine Masse (44) trägt und die Ventilklappe (4Oa^ bildet, während an dem anderen Hebelarm (48) der HilfsSteuerdruck angreift.

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Druck in der Auslaßöffnung (52a,} auf das Hebelelement (40) ausgeübte Drehmoment durch ein Ausgleichsdruckelement (58), das unter einem dem Druck in der Auslaßöffnung proportionalen Druck am Hebelelement angreift, kompensiert ist.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 ^J> bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfssteuerdruck über ein bewegliches Druckelement (70) und eine zusammen mit dem Hebelelement (40) ein Klappenventil bildende Ausströmöffnung (72) am Hebelelement angreift. ^4Ü

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßöffnung (52a^ und/oder der Ausströmöffnung (72) eine Drosselstelle (50 bzw. 76) vorgeordnet ist.

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