DE2752230A1

DE2752230A1 - Durch servokraft betaetigte reibungskupplung, insbesondere lamellenkupplung

Info

Publication number: DE2752230A1
Application number: DE19772752230
Authority: DE
Inventors: Johann Eichinger
Original assignee: Carl Hurth Maschinen und Zahnradfabrik GmbH and Co
Current assignee: Gleason Hurth Tooling GmbH
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1977-11-23
Publication date: 1979-06-07
Also published as: GB2008694A; FR2410182A1; ES475290A1; IT1157364B; IT7851425A0; BR7807549A; JPS5479340A; SE7808176L

Description

Durch Servokraft betätigte Reibungekupplung, insbesondere Lamellenkupplung

Die Erfindung betrifft eine durch Servokraft betätigte Reibungskupplung, insbesondere Lamellenkupplung, wie sie im Oberbegriff des Hauptanspruchea beschrieben ist. (Unter "durch Servokraft betätigte Lamellenkupplung" wird eine Kupplung verstanden, bei der zur Einleitung des Schaltvorganges von außen nur eine verhältnismäßig kleine Kraft aufzubringen ist und der weitere Ablauf des Schaltvorganges bis zur Beendigung, d.h. bis das Lamellenpaket zusammengedrückt ist, selbständig abläuft.)

Im gesamten Bereich der Antriebetechnik haben Lamellenkupplungen seit langem einen festen Platz. So sind z.B. Planeten-Schaltgetriebe in Kraftfahrzeugen oder Baumaschinengetriebe, um nur zwei Anwendungsgebiete zu nennen, ohne Lamellenkupplungen kaum noch denkbar, da diese im Vergleich zu formschlüssigen oder auch anderen kraftschlüssigen Kupplungen ein problemloses und verhältnismäßig weiches Schalten ermöglichen. Der am Ende eines Schaltvorganges häufig zu beobachtende Stoß wenn die Reibung zwischen den Lamellen von der gleitenden in die ruhende übergeht, ist auf das Reibwertverhalten der Üblichen Stahl/Sinterbronze-Paarung zurückzuführen, bei der der Haftreibwert höher ist als der Gleitreibwert. Zumindest bei hydraulisch oder pneumatisch geschalteten Kupplungen kann dieser Stoß, der die Folge eines schlagartigen Ansteigens des übertragenen Drehmomentes ist, durch einen zeitlich gesteuerten Druckaufbau verhindert werden.

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Ganx ander· liegen die Verhältnisse bei durch Servokraft betätigten Lamellenkupplungen, wie «ie u.a. au« der DT-PS 20 06 bekannt sind. Zur Einleitung des Schaltvorganges ist - wie erwähnt - nur eine verhältnismäßig kleine Kraft aufzubringen, der weitere Ablauf de· Schaltvorganges läuft bis zur Beendigung selbständig ab ohne daß von außen irgendwie steuernd eingegriffen werden könnte. Mit anderen Wörtern der Schaltvorgang wird von außen lediglich initiiert, der weitere Ablauf erfolgt unkontrollierbar. Somit besteht hier keine Möglichkeit, den am Ende des SchaItvorganges entstehenden Stoß su verringern oder gar zu vermeiden. Bei manchen Anwendungsfällen kann dieser Stoß in Kauf genommen werden. Vielfach wird er aber al· störend empfunden, K.B. bei Antrieben für Sport- und VergnUgungsboote.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe Bugrunde, bei einer durch Servokraft betätigten Lamellenkupplung.den am Ende de· Einschaltvorganges auftretenden erwähnten Stoß zu verhindern oder zumindest erheblich zu reduzieren. Dabei aollen notwendig werdende Änderungen möglichst nur an vorhandenen Bauteilen erfolgen, zusätzliche neue Teile sind su vermeiden. Die LHaung der der trfineVung zugrundeliegenden Aufgab· besteht nach Anspruch 1 darin, daß bei «laer durch fervokraft betätig* ten Lamellenkupplung für die ReibflMchett ein· Werketoffpaar*ftf verwendet wird, deren Haftreibwert (statischer Ä»ibwert) kleiner al· oder gleich groß wie deren &l«ltr*lbw«rt (Ifmjmiiehar Reibwert) iat. Dadurch kann «■ Inde dee SehAitirergamges belli übergang von der gleitenden in die ruh em*· Reibung kü*· artige Erhtthung de· Drehmoment·· «rfeigen·

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Eine hierfür sehr geeignete Werkstoffpaarung erhält man gemäß Anspruch 2 durch Verwendung von abwechselnd angeordneten Stahllamellen und Lamellen, die mit einem organischen Reibbelag beschichtet sind.

Lamellen mit organischem Reibbelag sind für sich schon seit einigen Jahren bekannt. Sie zeichnen sich gegenüber den herkömmlichen Lamellen mit Sinterbronzebelag u.a. durch einen etwas höheren

Reibwert aus (m Ä* 1,5 ·M_n . ). Bei automatisch geschal-' organ." f Bronze

teten Pkw-Getrieben werden sie heute fast ausnahmslos verwendet, ermöglichten sie doch die Übertragung der aus den in den letzten Jahren bei Pkws erfolgten Leistungssteigerungen resultierenden höheren Drehmomente bei gegenüber den herkömmlichen Sinterbronzebelägen gleichbleibenden Außenabmessungen. Dazu kommen ein günstiges Verschleißverhalten und als Folge davon ein· hohe Lebensdauer.

Daneben besitzen die organischen Reibbeläge noch eine andere Eigenschaft, die ihre erfindungsgemäße Anwendung in durch Servokraft betätigten Lamellenkupplungen vorteilhaft ermöglicht, nämlich ihr beim übergang von der Haft- zur Gleitreibung zunächst etwa· ansteigender und dann auch bei höheren Relativgeschwindigkeiten zwischen den Lamellen annähernd gleichbleibender Reibwert. Damit kann der Schaltstoß beim übergang von Zustand der gleitenden Reibung auf den der Haftreibung wesentlich gemildert, vielfach sogar vermieden werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, für die Kühlung und Schal er tut g der Lamellen solche öle su verwenden, die 6a· geforderte BeibwertverhalteÄyH_et|it ■ gewährleisten. ·0Ι·23/0042

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines mit den Figuren bis 3 dargestellten Aueführungsbeispiels genauer beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Ausführung einer durch Servokraft betätigten Lamellenkupplung, anhand der Aufbau und Wirkungsweise beschrieben werden}

Fig. 2 zeigt als Teilschnitt die zwischen den Schrägflächen liegenden Wälzkörper;

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm das Reibwertverhalten einer Reibpaarung Sinterbronze/Stahl sowie das einer Reibpaarung organischer Belag/Stahl bei Verwendung unterschiedlicher Öle.

Die Kurven wurden nach Darstellungen aus einer Veröffentlichung über eine Veranstaltung der Society of Automotive Engineers im Jahre 1962 zusammengestellt. Für andere Werkstoffzusammensetzungen können die Reibwertkurven höher oder niedriger liegen, was aber ohne Bedeutung ist, da es hier nur auf den charakteristischen Verlauf der Kurven ankommt.

Fig. 1 zeigt eine Doppelkupplung, mit der eine Welle 10 wahlweise mit Zahnrädern 11,12 zu verbinden ist, die drehbar auf der Welle gelagert und axial mit Scheiben 13 oder einer Schulter Ik gehalten sind. Zwischen den beiden Zahnrädern ist die Welle mit einem Bund versehen, der als Schaltmuffenträger 15 dient. Der Schaltmuffenträger kann auch auf die Welle aufgesetzt und dort befestigt sein. Auf dem Schaltmuffenträger ist eine Schaltmuffe l6 längsverschiebbar geführt. Sie ist auf dem

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Schaltmuffenträger mit nicht gezeichneten Mitteln gegen Drehung gesichert. Beiderseits des Schaltmuffenträgers ist je ein Reibring 17,l8 drehbar zentriert. Der Außendurchmesser der Reibringe entspricht dem Außendurchmesser des Schaltmuffenträgers. Die Reibringe sind mit Aussparungen 19 zur Aufnahme der Außenverzahnung von sogenannten Außenlamellen 20 versehen. Die Außenlamellen wirken, wie bekannt, mit sogenannten Innenlamellen zusammen, die mit einer Innenverzahnung in eine entsprechende Außenverzahnung 22 der Zahnräder 11,12 eingreifen. Die so gebildeten Lamellenpakete werden axial nach außen von je einer Druckplatte 30,31 abgestützt.

Der Reibring bzw. die Reibringe und der Muffenträger sind an der zugewendeten Seite mit Einfräsungen 6O,6l versehen. Die Einfräsungen weisen je zwei flache Schrägflächen 62,63*64,65 auf. Dazwischen liegen als Wälzkörper 66 Kugeln. Wenn Reibring und Muffenträger relativ gegeneinander verdreht werden, können die Kugeln 66 auf die flachen Schrägflächen, die so als Rampe dienen, auflaufen und dabei den Reibring oder die Reibringe von dem Muffenträger fortdrücken und dabei die vorher genannten Lamellen zusammenpressen. Dadurch werden die Zahnräder über die Lamellen, den betreffenden Reibring, die betreffenden Kugeln und den Muffenträger mit der Welle gekuppelt. Abweichend von Fig. 2 können die Einfräsungen auch so ausgebildet sein, daß die Wälzkörper nur in einer Drehrichtung auf die Rampe auflaufen können.

Der Reibring 17 wird oder die Reibringe 17»l8 werden mit einer oder mehreren Rückholfedern auf den Muffenträger hingedrückt. Dabei können die Feder oder die Federn außen am Umfang des oder

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der Reibringe angeordnet und als gewundene Flachfedern, sogenannte Haarnadelfedern oder Schenkelfedern, ausgebildet sein. Zum Einhängen der Federn sind am Umfang der Reibringe Knaggen vorgesehen. Die Federn und Knaggen sind da si· für die Erfindung nicht von Bedeutung sind, nicht gezeichnet.

Die Schaltauffe l6 besteht aus einem Muffenkörper 33» der außen am Umfang mit einer Ringnut Jk für eine Schaltgabel 32 versehen ist. Am inneren Umfang ist der Körper stirnseitig mit zwei nach der Mitte hin zusammenlaufenden schrägen Flächen versehen, die Initialflächen 35,36 genannt werden. Venn die als Rampe für die Wälzkörper dienenden Schrägflächen z.B. 62 der Reibkörper in eine bestimmte Umfangerichtung, die Einfräaung 60,6l erweiternd (vertiefend), geneigt sind, dann verlaufen die Initialflächen 35,36 in der gleichen Richtung zur Mitteleben· (Rotationaebene) des Muffenkörpers zusammen. An den die Initialflächen bildenden Teil des Muffenkörper· schließen sich Durchbrüche an, die die genannten Rückholfedern aufnehmen. In einem axialen Abstand von den Initialflächen 35.36 sind am Muffenkörper Steg· 38 vorgesehen, die auf der den Initialflächen zugekehrten Seit· mit diesen parallele Gegenflächen bilden. Dar Muffenkörper und die Stege bilden so nach innen offene Nuten 42. Auf dam Umfang der Reibkörper sind Zähne 44 vorgesehen, die auf dar der Schaltmuffe zugekehrten Seit· mit Je einer sogenannten Initialflank· versehen sind, die zu den vorher genannten Initialflächen aa Muffenkörper parallel liegen. Auf der anderen Seit· ist dar Zahn mit einer Gegenflank· versehen, dl« parallel liegt zu der jeweils zugekehrten Gegenfläche am Steg. In axialer Richtung sind die Nuten 42 breiter al· die Zahn· %4. Etwa In «ln«r durch

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die Drehachse der Kupplung verlaufenden Ebene sind auf der dem Steg zugewendeten Seite die Zähne mit einer Flanke versehen, die etwa rechtwinkelig zur Rotationsebene (Rotationsrichtung) gerichtet ist. Auf der den Zähnen zugekehrten Seite sind die Stege 38 mit einer Anschlagfläche versehen, die ebenfalls etwa rechtwinkelig zur Rotationsebene gerichtet ist. Beim Einschalten der Kupplung wird durch Verschieben der Schaltmuffe die Initialfläche auf die Initialflanke gedrückt, dadurch der Reibring auf die Reibflächen (Lamellen) hin verschoben, wodurch die Drehmomentübertragung eingeleitet wird. Durch die auf die Rampen auflaufenden Kugeln 66 wird das übertragbare Drehmoment erhöht. Ausgeschaltet wird, indem die Gegenflächen der Schaltmuffe auf die Gegenflanken des Reibrings gedrückt werden. Durch das Zusammenwirken der Anschlagflachen mit den Anschlagflanken wird verhindert, daß der ausgerückte Reibring ungewollt einschaltet. Im Muffenträger ist ein von einer Feder belasteter Raststift 46 radial verschiebbar geführt. In der Mitte des Muffenkörpers ist eine passende Rastkerbe zum Arretieren der Schaltmuffe im ausgeschalteten Zustand vorgesehen. An den Stirnseiten der Schaltmuffe befinden sich zwei nach der Seite offene, d.h. also halbe, Rastkerben 48,49, die den beiden Einschaltzuständen entsprechen und*das Einschalten unterstützen. Die Druckplatten 30,31 sind ■it Spiel axial zu den Innen- und Außenlamellen angeordnet.

Wird Bubi Einrücken beispielsweise der Kupplung des Zahnrades 12 die Schaltgabel 32 mit bekannten Mitteln, z.B. einem Schaltnocken, USi eine geringe Wegstrecke nach links bewegt, dann wird die Schaltmuff· l6 nach der gleichen Seite geschoben. Die InI-tialflMch· 35 stößt auf die Initialflanke de· Reibringe· l8.

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Infolge der Wirkung der Initialfläche 35 treten die Wälzkörper 66 in Tätigkeit, die den Reibring im Sinne dee Einrückens weiterverschieben bis das Spiel zwischen den Lamellen aufgehoben ist und zwischen Reibring, Lamellen und Druckplatte 31 eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt ist.

In der letzten Phase des Einkuppeins, d.h. beim eigentlichen Synchronisieren wenn sich die Relativgeschwindigkeit zwischen den Lamellen dem Wert Null nähert, steigt (Fig.3, Kurve 8O) bei einer Reibpaarung Sinterbronze/Stahl der Reibwert zunächst merklich an, erreicht unmittelbar vor Erreichen des Gleichlaufes einen Höchstwert 83 und fällt dann wieder etwas ab. Dieses kurzzeitige Ansteigen des Reibwertes hat ein plötzliches Ansteigen und Absinken des von der Kupplung abgegebenen Drehmomentes zur Folge, den erwähnten "Einschaltstoß".

Bei normalen, z.B. hydraulisch betätigten Lamellenkupplungen besteht für das vom Lamellenpaket übertragene Drehmoment M. die Beziehung

^Md " ^Pa ' ^rL * *

Hierin sind P die auf die Lamellen aufgebrachte Axialkraft

r. der mittlere Radius der Reibflächen

//L der Reibwert im jeweiligen Betriebszustand i die Anzahl der Lamellen.

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Bei durch Servokraft betätigten Laraellenkupplungen, wie sie als Ausgangspunkt der Erfindung bekannt sind, ist die von den Wälzkörpern 66 initiierte Axialkraft P ' abhängig von Form und Lage der Schrägflächen 62,65 nach der Beziehung

P · = ^Md

r„ a der Abstand der Wälzkörper 66 von der Rotationsachse der Kupplung

OC = der Schrägungswinkel der Schrägflächen 62,65 M = das jeweils übertragene (auftretende) Drehmoment.

Für ein funktionsgerechtes Einschalten und um das volle Drehmoment sicher übertragen zu können muß die Bedingung

P · > P = ^Md

• ' » : TT

erfüllt sein. Umgekehrt wäre es für ein leichtes Ausschalten der Kupplung, wie es bei Oootswendegetrieben notwendig ist, zweckmäßig, wenn P ' < P wäre, eine Forderung, die im Interesse der Funktionssicherheit aber nicht erfüllbar ist. Es soll deshalb P ' nicht wesentlich größer sein als P , um die zum Ausschalten aufzuwendende Kraft nicht zu groß werden zu lassen. Je weniger sich der Reibwert mit der Gleitgeschwindigkeit ändert, desto leichter sind die Forderung für sichere Übertragungsfähigkeit und die eingeschränkte Forderung für ein leichtes Ausschalten miteinander in Einklang zu bringen.

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In Figur 3 ist die Veränderung des Reibwertes M. für eine typische Reibpaarung Sinterbronze/Stahl über der Gleitgeschwindigkeit ν zwischen den Lamellen in der Kurve 8θ dargestellt. Der Reibwertyu. ist im Punkt 8l, d.h. bei Haftreibung, rund 50% höher als im Punkt 62, der einer Gleitgeschwindigkeit von ca. 4OO m/min, entspricht, also einem z.B. bei Bootewendegetrieben durchaus üblichen Wert.

Die Kurve 8k in Fig. 3 zeigt im Vergleich dazu das typische Reibwertverhalten einer Reibpaarung organischer Belag/Stahl. Wie auch die Kurve 8θ gilt die Kurve Sk für die Verwendung handelsüblicher Öle der Qualität ATF-A. Beim Vergleich der Punkte 85 und 86 wird deutlich, daß der Reibwert fß. für die Haftreibung wesentlich geringer ist als der für die gleitende Reibung. Ein Einschaltstoß im beschriebenen Sinne kann hier nicht auftreten. Die Kurve 8k zeigt auch, daß die für das Ausschalten einer servokraftunterstützten Lamellenkupplung obenstehend beschriebene Forderung von Lamellen mit einer Reibpaarung organischer Belag/Stahl erfüllt wird, indem zwischen dem HaftreibwertM_mt + und dem Gleitreibwert^ . bei Betriebedrehzahl kein Maximum ähnlich Punkt 83 durchfahren wird, das für die Größe von P ' maßgebend wäre.

Hier ist noch darauf hinzuweisen, daß sich das Reibverhalten mit der Temperatur ändert. Die Kurv· 84 ist, ebenso wie die Kurve 80, auf eine Betriebstemperatur von etwa 90 C bezogen. Bei niedrigeren Temperaturen, wie ale insbesondere bei Betrieb·· beginn vorliegen, verläuft die Kurv· oberhalb der gezeichneten, bei höheren Temperaturen liegt si· darunter·

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Nun sind auch spezielle Öle für Reibpaarungen mit hohen Reibwerten entwickelt worden. Gerade diese Öle können aber das Reibwertverhalten in einer Weise beeinflussen, die das Merkmal der Erfindung zunichte macht. Die Kurve 87 zeigt wieder das typische Reibwertverhalt en einer Reibpaarung organischer Belag/Stahl, im Gegensatz zur Kurve 8k aber für ein Öl der Qualität ATF-F. Beim Vergleich der Punkte 88 und 89 stellt man zwar fest, daß der dynamische und der statische Reibwert annähernd gleich groß sind, aber kurz vor Erreichen des Gleichlaufes der Lamellen ist auch hier, ähnlich wie bei der Reibpaarung Sinterbronze/Stahl, ein Ansteigen des Reibwertes festzustellen mit einem Maximum bei 90 . Wegen des hierdurch wieder bedingten Einschaltstoßes sind Öle, die das Reibverhalten so verändern, für durch Servokraft betätigte Lamellenkupplungen nach der Erfindung nicht brauchbar.

Die Erfindung bringt für durch Servokraft betätigte Lamellenkupplungen eine erhebliche Verbesserung des Einschaltverhaltens, indem durch Verwendung von Lamellen mit organischen Reibbelägen eine Verringerung des sonst vorhandenen Schaltstoßes erreicht oder sogar fast völlig beseitigt wird. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die im Ausfiihrungsbeispiel beschriebene

Kupplungsbauart beschränkt sondern auf jeder durch Servokraft betätigten Lamellenkupplung anwendbar.

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Claims

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PL

(Mil) 3»11

ANSPRÜCHE

Durch Servokraft zu betätigende Reibungskupplung, insbesondere Lamellenkupplung, bei der über eine axial zu den zu kuppelnden Wellen verschiebbare Schaltmuffe mindestens ein axial verschiebbarer Reibring betätigt wird, der sich drehbar mittels zwischen zu einer Stirnfläche des Reibringes geneigten Schrägflächen gelagerter Wälzkörper an einer der zu kuppelnden Wellen abstützt und an seiner anderen Stirnseite die Reibflächen, z.B. die Lamellen, zusammendrückt, dadurch gekennzeichnet, daß für die Reibflächen eine Werkstoff paarung verwendet wird, deren statischer Reibwert u * * kleiner als oder gleich groß wie deren dynamischer Reibwert /dyn
2) Durch Servokraft zu betätigende Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffpaarung für die Reibflächen aus organischem Reibbelag/Stahl besteht.
3) Durch Servokraft zu betätigende Reibungskupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung und Schmierung ein Öl verwendet wird, das über alle Betriebs· zustände der Reibflächen die Eigenschaftylt_etat ■" /ü_dyn <*·«" Werkstoffpaarung gewährleistet.

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ORIGINAL INSPECTED