DE2537064C3

DE2537064C3 - Steuervorrichtung ffir eine Reibscheibenkupplung

Info

Publication number: DE2537064C3
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: 1979-04-05
Also published as: JPS5546529B2; DE2537064B2; GB1483548A; DE2537064A1; JPS5146648A; US3913715A

Description

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

Bei einer aus der DE-OS 1600171 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 üie im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst

Bei dieser Steuervorrichtung wird der Vcntilschließkörper 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 Obersetzungswirkung, 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 eich aus den angeschlossenen Unteransprüchen.

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

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

Fig.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 U 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 Kupplungseinrückung. Das heißt, es sind auch Zwischenstellungen 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 Strömungsmitteldnickquelle, z. B. einer Pumpe 32, eingeführt Die Höhe des HilfsSteuerdrucks ist mit Hilfe eines Ventils 34 regelbar, und zwar zwischen 0und 21,09 kp/cm²(300 psi).

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

Ein Hebelelement 40 ist schwenkbar auf dem Träger 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 enthalt 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 C die 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, 4Oe ist geschlossen, wenn die Ventilklappfc 40a auf der Auslaßöffnung 52a des Ventilbauteils 52 liegt Dann wird der Arbeitsdruck für die Kupplung C gehalten. Wenn das Hebelelement vom Ventilbameil 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. Damit das Hebelelement 40

in seine Funktion erfüllt, ohne vom Arbeitsdruck für die Kupplung C selbst beeinflußt zu werden, ist das Hebelelement 40 auf seiner dem Ventilbauteil 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 Cwirkt auf die Kugel 58, die gegen eine Seite des Hebelelementes 40 stößt, welche dem Ventilbauteil 52 gegenüberliegt Der Arbeitsdruck ^;; der Druckleitung 57 zwingt die Kuge! 58 gegen das Hebe'eiement 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 de? 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 Arbeitsdruck der Kupplung und <£?;m Reibungskoeffizienten der Reibscheiben. Mit dieser Steuerung wird ein konstanter Drehzahlwert zwischen Stillstead 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:

Pc x Ab χ R\,

ω wobei

Pc = der Steuerdruck,
Ab = die Querschnittsfläche der Kugel 70 und
Wi - der Hebelarm zwischen P_c und der Achse 42
und

Pc' χ A₁ χ R₇,

Arobei

Pe — der Druck, abhängig vom Steuerdruck P_a

einer Drosselbohrung 76 und der
Winkelstellung des Hebelelementes 40,
die Querschnittsfläche des Auslasses für P₁'
der Hebelarm zwischen /V und der Achse 42.

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

Mx R_CMx W² χ

wobei

W² = F₁

M — die Masse 44, Row=der Radius des Schwerpunktes der Masse 44

von der Drehachse der Kupplung C,
W = die Drehzahl des Trägers 15,
Rc — der Radius df r Achse 42 von der

Kupplungsd ehachse.

Das Beschleunig ingsdrehmoment ist gegeben durch
Fa χ Ra,

wobei

Fa = M χ Rcm x λ und

λ — die Beschleunigung des Trägers IS.

Dieses Drehmoment wirkt im Uhrzeigersinn, wenn der Träger bei der angezeigten Drehprhtung (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 (Fc 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 Hebe'elementes 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 Feiles 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 Übe die Kugel 70 und das Klappenventil 72, um eine in Uhrzeigersinn wirkende Kraft auf das Hebelelement 4 um seine Achse 42 zu erzeugen, wodurch ein SchlieOei der Auslaßöffnung 52a des Arbeitsdruckes veranlaß wird. Zusammenfassend wird die Stellung des Hebelele mentes 40 bestimmt durch (A) die Zentrifugalkraft fti die Masse 44, (B) die Beschleunigungs- oder Bremskraf auf der Masse 44 und (C) die kombinierte Steuerwirkunj

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

r. Die Öffnung des Klappenventils 72 licgi in einen Kanal 71a mit einer Drossel 76 für den Steuerdruck. Si« bewirken gemeinsam eine Änderung des Steuerdrucke in Abhängigkeit von der Stellung des Hebelelemente' 40. Wenn nur Arbeitsdruck für die Kupplung, ζ. ΰ

τη i7pö kp/cm¹ aniiegi, wird jede Drehung des Trägers i:

ein Wegschwenken des Hebelelementes 40 von de

Auslaßöffniing 52a bewirken, wodurch der Träger 1!

verlangsamt wird.

Die Bedienungsperson kann den Steuerdruck wählen

r> bei welchem die Auslaßöffnung 52a verschlossen wird wodurch die Kammer 16 mit vollem Arbeitsdrucl gefüllt wird und die Kupplung voll hingerückt wird infolgedessen beschleunigen der Träger 15 "rid da Pumpern ad / des Drehmomentwandlers TC innerhal

ίο der durch das Hebelelement 40 erlaubten Grenzen.

Wenn die Beschleunigungskraft über die Masse 44 eil Drehmoment erzeugt, das das Drehmoment von Steuerdruck überwindet, wird das Hebelelement 4( derart geschwenkt, daß die Auslaßöffnung 52a geöffne

ίο und der Druck in der Kammer 16 verringert wire wodurch die Beschleunigung abnimmt. Innerhalb diese Grenzen wird weiter eine Beschleunigung ausgeübt, bi die Zentrifugalkraft über die Masse 44 ein Drehmomen erzeugt, das dem Steuerdruckdrehmoment gleich isi Dann hält das Hebelelement 40 eine konstanti Drehgeschwindigkeit des Trägers 15 aufrecht. Da Klappenventil 72 hat die Aufgabe, eine negative Rückkopplung zum Arm des Hebelelementes 40 zi schaffen. Der vom Ventil 34 geregelte Steuerdrucl bleibt so, wie er von der Bedienungsperson eingestell ist. Wenn jedoch die Ventilstellung sich ändert, ander sich auch der Druck P/. Hierdurch wird ein Übersteuert des Armes verhindert.

Die Verwendung der Kugel 70 würde allein nich

einen Steuerdruck erbringen, der sich mit der Stellung des Hebelelementes 40 ändert Dafür dienen da Klappenventil 72 und die Drosselbohrung 76. Die öffnung des Klappenventils 72 hinter der Drosselboh rung 76 erzeugt einen variablen Steuerdruck ir 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 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 Empfindlichkeil (Abfühlen der Zentrifugal- und Winkelgeschwindigkeitskräfte, welche direkt proportional zum Drehradius sind) bei minimaler Ventilträgheit erzielt, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes des Schwer-Punktes 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 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) <^s 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 (40a) 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 Ausgleichsdruc'/ieiement (58), das unter einem dem Druck in der Auslaßöffnung proportionalen Druck am Hebelelement angreift, kompensiert ist

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 ^3S bis 4, dadurch gekennzeichnet, dab der Hilfssteuerdruck über ein bewegliches Druckelement (70) und eine zusammen mit dem Hebelelement (40) ein Klappenventil bildende Ausströmöffnung (72) am Hebelelement angreift

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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