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Die Erfindung betrifft eine Trockenreibungskupplung für
Kraftfahrzeuge, die aufweist: eine Abtriebswelle, eine
Kupplungsscheibe, die an der Abtriebswelle angebracht und
zwischen einem treibenden Schwungrad und einer Druckplatte
positioniert ist, und ein ortsfestes, hydraulisch betätigtes
Balg- oder Membranbetätigungsorgan, das in bezug auf die
Drehachse mittig angeordnet ist und axiale Betätigungskräfte
über Wälzlager überträgt, um eine Reibungseinrückung
zwischen der Kupplungsplatte und dem Schwungrad zu bewirken,
ohne Rückstellkräfte auf Elemente außerhalb der Kupplung zu
übertragen.
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Eine balgbetätigte Kupplung, bei der die Rückstellkräfte
intern aufgenommen und daher nicht auf äußere Elemente
übertragen werden, ist aus DE 3 325 202 A1 bekannt. Diese
Kupplung eignet sich aber nicht für den Zweck, für den die
Erfindung verwendet werden soll, nämlich dazu, eine präzise
und zuverlässige Automatisierung mit guter Steuerbarkeit der
Kupplungsfunktion zu ermöglichen. Für diesen Zweck sind
folgende Faktoren von Wichtigkeit:
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- Positiv definierte Kupplungscharakteristiken, d. h. eine
bekannte Beziehung zwischen der Betätigungskraft oder
dem Betätigungsdruck und dem übertragenen Drehmoment.
Bevorzugt sollte die Kupplungscharakteristik so linear
wie möglich sein.
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- Die Kupplungscharakteristik sollte die kleinstmögliche
Hysterese aufweisen.
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- Die Kupplungscharakteristik sollte nicht von Verschleiß
und Temperatur abhängig sein.
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- Gutes Ansprechverhalten, d. h. eine kleine Zeitkonstante
ab dem Augenblick, in dem der volle Druck verlangt wird,
bis das übertragene Drehmoment Maximum ist. Das
ermöglicht eine präzise Steuerung und einen Dämpfungseffekt
durch kontrolliertes Durchdrehen (Schlupf).
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- Die Rückstellkraft von der Druckplatte sollte das
Axiallager des Motors nicht belasten, was bedeutet, daß aus
dem Ein- und Ausrücken der Kupplung resultierende Kräfte
intern in der Kupplungseinheit aufgenommen werden
sollten.
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- Die Steuerung sollte eine reine Drucksteuerung sein, was
bedeutet, daß die Kupplungscharakteristik von der
Position des Betätigungsorgans oder der Druckplatte, das
bzw. die direkt auf die Kupplungsplatte wirkt,
unabhängig sein sollte.
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FR-A-2 571 106 beschreibt eine Trockenreibungskupplung
für Kraftfahrzeuge, die aufweist: eine Abtriebswelle, eine
Kupplungsscheibe, die an der Abtriebswelle angebracht und
zwischen einem treibenden Schwungrad positioniert ist, und
ein hydraulisch betätigtes Betätigungsorgan, das in bezug
auf die Drehachse mittig angeordnet ist und axiale
Betätigungskräfte überträgt, um ein Reibungseinrücken zwischen der
Kupplungsscheibe und dem Schwungrad zu bewirken.
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Das Betätigungsorgan wirkt gegen ein fixiertes
ortsfestes Element, und ein weiteres Betätigungsorgan, das
ebenfalls gegen ein fixiertes ortsfestes Element wirkt, bringt
auf das Schwungrad in Richtung zu der Kupplungsscheibe eine
Kraft auf.
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US-A-2 688 610 beschreibt eine Trockenkupplung für
Kraftfahrzeuge, die aufweist: eine Abtriebswelle, eine
Kupplungsscheibe, die an der Abtriebswelle angebracht und
zwischen einem treibenden Schwungrad und einer Druckplatte
positioniert ist, die mit dem Schwungrad dreht, aber relativ
dazu axial beweglich ist, und ein ortsfestes hydraulisch
betätigbares Balg- oder Membranbetätigungsorgan, das mittig
in bezug auf die Drehachse der Kupplung angeordnet ist, um
axiale Betätigungskräfte über Wälzlager auf die Druckplatte
bzw. das Schwungrad zu übertragen. Eine solche Kupplung ist
gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das
Betätigungsorgan bei Druckbeaufschlagung die Druckplatte über das
zweite Lager in Richtung zu der Kupplungsscheibe und dem
Schwungrad drängt, um ein Reibungseinrücken der Kupplung zu
bewirken, und daß die Rückstellkräfte des Betätigungsorgans
über das erste Lager und über nur drehbare Elemente der
Kupplung auf das Schwungrad übertragen werden.
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Der Verlauf der Charakteristik einer solchen Kupplung
ist nahezu linear. Das Ansprechverhalten ist hoch und die
Steuerung daher präzise. Das ermöglicht es, den gewünschten
Dämpfungseffekt durch kontrollierten Schlupf zu erhalten. Da
in der Übertragung der Bewegung des Betätigungsorgans auf
die Kupplungsscheibe keine Übertragungselemente vorhanden
sind, die eine Reibung bedeuten würden, ist die Hysterese
sehr klein. Außerdem ist die Kupplung selbsteinstellend, und
die Betätigungskraft und das übertragene Drehmoment sind
unabhängig von Verschleiß (unter der Voraussetzung, daß sich
der Reibungskoeffizient nicht durch Verschleiß ändert).
Temperaturschwankungen beeinflussen den Verlauf der
Charakteristik nur sehr geringfügig. Die Konstruktion ist einfach
und hat nur eine kleine Zahl von Teilen. Die meisten Teile
sind Standard-Kraftfahrzeugkupplungsteile, und bestehende
Kupplungen aller populären Fahrzeugmarken können modifiziert
werden, um die Erfindung zu enthalten.
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Eine Kupplung gemäß der Erfindung und ihre Eigenschaften
werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
erläutert.
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Fig. 1 ist ein Axialschnitt durch eine Kupplung gemäß
der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt die Kupplungscharakteristik (den Verlauf
der Charakteristik), d. h. die Beziehung zwischen dem Druck
des Betätigungsorgans und der axialen Kraft auf die
Kupplungsscheibe, bei einem statischen Test.
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Fig. 3 zeigt die Kupplungscharakteristik, d. h. die
Beziehung zwischen dem Druck des Betätigungsorgans und dem
übertragenen Drehmoment, bei einem dynamischen Test.
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Fig. 4 zeigt die dynamische Kupplungscharakteristik,
wenn der Abstand zwischen der Kupplungsscheibe und der
Druckplatte im gelösten (ausgerückten) Zustand ca. 2 mm
beträgt (Simulation einer abgenützten Kupplung).
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Fig. 5 zeigt die dynamische Kupplungscharakteristik bei
drei verschiedenen Kupplungstemperaturen.
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Fig. 6 zeigt den Druck des Betätigungsorgans sowie das
übertragene Drehmoment als Funktion der Zeit.
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Die Kupplung nach Fig. 1 besteht weitgehend aus
Elementen, die nicht nur herkömmlich, sondern sogar
Standardelemente für die meisten in Massenfertigung hergestellten
Kraftfahrzeuge sind. Das gilt für die getriebene Welle 1,
die die Antriebswelle für das Getriebe bildet, für die auf
der Welle 1 angebrachte Nabe 2, die eine Nabenscheibe 3 und
eine Kupplungsscheibe 4 hat, sowie für das Schwungrad 5, das
das treibende Teil bildet.
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Die Kupplungseinheit umfaßt ferner einen Kupplungsdeckel
6, der an dem Schwungrad 5 befestigt und mit einem äußeren
Lagergehäuse 7 verbunden ist, sowie eine Druckplatte 8, die
mit dem Kupplungsdeckel 6 durch eine Verbindungseinheit 9
verbunden ist, die der Druckplatte 8 eine axiale Bewegung
relativ zu dem Deckel 6 erlaubt, aber eine Drehung der
Druckplatte gemeinsam mit dem Deckel vorsieht. Schließlich
hat die Kupplung ein konzentrisches Balgbetätigungsorgan 10,
das zwischen zwei Betätigungsorganringen 11, 12 wirksam ist
und somit diesen beiden Ringen erlaubt, in Axialrichtung
voneinander weg bewegt zu werden, wenn dem Inneren des Balgs
durch eine Zuführleitung 13 und eine Ventileinheit 14
hydraulisches Druckmedium zugeführt wird. Anstelle eines
Balgbetätigungsorgans kann ein Membranbetätigungsorgan
verwendet werden.
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Der Betätigungsorganring 11 ist an dem Innenring eines
Pendelkugellagers 15 angebracht, dessen Außenring im
Lagergehäuse 7 angebracht ist. Der andere Betätigungsorganring 12
ist an dem Innenring eines Pendelkugellagers 16 angebracht,
dessen Außenring mit der Druckplatte 8 verbunden ist.
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Es ist ersichtlich, daß der Druck in dem
Balgbetätigungsorgan 10 auf die beiden Betätigungsorganringe 11, 12
und durch die Kugellager 15, 16, das äußere Lagergehäuse 7
und den Kupplungsdeckel 6 auf das Schwungrad 5 bzw. die
Druckplatte 8 übertragen wird, um dadurch die
Kupplungsscheibe 4 gegen das Schwungrad 5 zu pressen.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist die statische
Kupplungscharakteristik wohldefiniert und linear sowie frei von Hysterese.
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Fig. 3 zeigt ferner, daß die dynamische Charakteristik
typischerweise ebenfalls ungefähr linear ist und eine kleine
Hysterese hat. Die gezeigte charakteristische Kurve wurde
bei einer Drehzahl von ca. 950 U/min und im kalten Zustand
der Kupplung aufgezeichnet.
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Fig. 4 zeigt das Resultat eines dynamischen Tests mit
dem Zweck der Ermittlung, ob sich die Charakteristik bei
Verschleiß ändert. Die dynamische Charakteristik in Fig. 4
wurde erhalten durch Vergrößern des Abstands zwischen der
Druckplatte und der Kupplungsscheibe von 0,5 mm, was der
Wert des Abstands bei Aufzeichnung der charakteristischen
Kurve von Fig. 3 war, auf 2,0 mm, was einer "verschlissenen"
Kupplung entspricht. Die Kupplung kann als "halbwarm"
bezeichnet werden. Die beiden Charakteristiken sind gleich und
zeigen somit, daß die Charakteristik von Verschleiß nur in
geringem Umfang beeinflußt wird.
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In Fig. 5 sind die dynamischen Charakteristiken bei ca.
950 U/min und drei verschiedenen Temperaturen (von links
nach rechts ansteigend) gezeigt. Der Nullpunkt für
übertragenes Drehmoment wurde verlagert, um die Kurven
voneinander getrennt verlaufen zu lassen. Es ist ersichtlich, daß
sich die Charakteristik nicht einmal durch eine
Temperaturänderung erheblich ändert.
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Schließlich zeigt Fig. 6 das Betriebsverhalten (die
Reaktionsgeschwindigkeit) der Kupplung. Der Druck des
Betätigungsorgans sowie das übertragene Drehmoment wurden auf
einem Aufzeichnungsgerät als Funktion der Zeit
aufgezeichnet. Fig. 6 ist ein Extrakt der Aufzeichnungen. Der Test
wurde ausgeführt durch Aufbringen bzw. Aufheben eines Drucks
von ca. 35 bar auf das Betätigungsorgan 10 durch das Ventil
14. Die Motordrehzahl änderte sich zwischen 2000 und
1600 U/min bei Belastung. Das Übersetzungsverhältnis im
Getriebe war 2,125. Ein Vergleich des Kupplungsdrehmoments mit
dem Druck im Betätigungsorgan zeigt, daß die zeitliche
Verzögerung extrem gering ist. Die noch vorhandene geringe
Verzögerung resultiert wahrscheinlich daraus, daß das
Balgbetätigungsorgan geringfügig bewegt werden muß, was einen
gewissen Ölfluß erfordert, der etwas Zeit braucht.
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Der vermutlich größte Vorteil der Kupplung gemäß der
Erfindung besteht darin, daß sie sehr präzise gesteuert werden
kann, um beispielsweise einen relativen Schlupf von
50-100 U/min zu erreichen, was es möglich macht, einen
ausgleichenden Dämpfungseffekt auf die Kraftübertragung von
einer Brennkraftmaschine auf ein Getriebe und weiter auf die
Antriebsräder zu erzielen.