DE4124894C2

DE4124894C2 - Kupplungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4124894C2
Application number: DE4124894A
Authority: DE
Inventors: Masao Teraoka
Original assignee: Tochigi Fuji Sangyo KK
Current assignee: GKN Driveline Japan Ltd
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2011-07-27
Also published as: US5398792A; JPH0483918A; DE4124894A1; JP3242646B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zur Steuerung des auf einen Frontantriebsstrang oder einen Heckantriebsstrang übertragenen Drehmomentes bei einem Fahr zeug mit 4-Rad-Antrieb.

Aus JP-PS 62-48 625 ist ein Fahrzeuggetriebe bekannt, bei welchem über eine elektromagnetisch betätigbare Lamellenkupp lung ein Bremsmoment an eine Ausgangswelle des Getriebes an gelegt werden kann. Die auf die einzelnen Lamellen wirkende Druckkraft entspricht der von einem Ankerelement elektroma gnetisch aufgebrachten Druckkraft.

Aus US-PS 47 18 303 ist ein Kraftfahrzeuggetriebe bekannt, bei welchem über eine elektromagnetisch betätigbare Lamellen kupplungseinrichtung ein zur Aufteilung der Motorantriebslei stung vorgesehenes Zentraldifferential in schaltbarer Weise überbrückt werden kann. Zur Erzeugung einer die Lamellenkupp lung in Schließstellung drängenden Druckkraft ist eine wei tere elektromagnetisch betätigbare Kupplungsvorrichtung vor gesehen, welche in Verbindung mit einem Nockenmechanismus ei ne entsprechende Druckkraft erzeugt.

Aus DE-OS 22 09 879 ist ein auf vorbestimmte Betriebsparame ter eingestelltes, selbsttätig kuppelndes Viskokupplungsele ment bekannt. Dieses Viskokupplungselement weist eine Lamel lenkupplung auf, welche durch eine Kupplungsvorrichtung mit einer, von einer Fluidreibungskupplung gesteuerten Druckkraft beaufschlagbar ist. Der Betrag, der auf die Lamellenkupplung einwirkenden Kupplungskraft ist dabei abhängig von einer zwi schen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle auftreten den Winkelgeschwindigkeitsdifferenz. Weder ein starres Kup peln der An- und Abtriebswellen miteinander, noch eine von außen steuerbare Drehmomentenübertragungscharakteristik ist mit einem derartigen Kupplungselement erreichbar.

Aus US-PS 2 861 225 ist eine Lamellen-Kupplungsvorrichtung bekannt zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen zwei koa xial zueinander angeordneten Stirnrädern. Die Lamellenkupp lung umfaßt eine Kupplungsnabe, welche einteilig mit dem er sten Stirnrad ausgebildet ist, sowie eine Kupplungstrommel, welche einteilig mit dem zweiten Stirnrad ausgebildet ist. Eine Anzahl von Lamellenkupplungselementen ist in einen zwi schen der Kupplungsnabe und der Kupplungstrommel ausgebilde ten Zwischenraum derart eingesetzt, daß diese wechselweise jeweils mit der Kupplungstrommel bzw. mit der Nabe in Ein griff stehen. Durch Aufbringen einer Druckkraft auf einen ebenfalls in den Zwischenraum eingesetzten Druckring kann die Lamellenkupplung in Wirkstellung gebracht werden, wodurch die beiden Stirnräder miteinander gekoppelt werden. Zur Betäti gung des Druckringes ist ein Nockenmechanismus mit zwei, je weils eine wellenförmig verlaufende Laufbahn bildenden Laufringen vorgesehen. Durch gegenseitiges Verdrehen der bei den Laufringe zueinander erzeugt der Nockenmechanismus eine auf den Druckring wirkende Druckkraft. Die Relativdrehung zwischen den beiden Laufringen des Nockenmechanismus erfolgt unter Zuhilfenahme einer zweiten, elektromagnetisch betätig baren Lamellenkupplungseinrichtung, welche ein Bremsmoment an den, dem Druckring abgewandten Laufring anlegt. Zwischen den Kupplungselementen der elektromagnetisch betätigbaren Lamel lenkupplung findet ständig ein der Drehzahldifferenz zwischen dem zweiten Stirnrad und einem stationären Gehäuse entspre chender Reibungsschlupf statt.

Aus US-PS 3 138 232 ist ein Kupplungsmechanismus bekannt, über welchen in schaltbarer Weise jeweils ein erstes Stirnrad und/oder ein zweites Stirnrad mit einem Wellenelement koppel bar sind. Die Betätigung dieser Kupplungsvorrichtung erfolgt vermittels einer Elektromagneteinrichtung derart, daß bei Wirksamwerden der Elektromagneteinrichtung der Anpreßdruck auf eine zur Koppelung des zweiten Stirnrades mit der Welle vorgesehene Lamellenkupplungspackung erhöht und gleichzeitig eine zur Koppelung des ersten Stirnrades mit der Welle vorge sehene Lamellenkupplungspackung in eine Freigabestellung ge bracht wird.

Aus DE 41 06 203 A1 ist ein Kraftübertragungssystem mit einem schaltbar überbrückbaren Zentraldifferential bekannt. Dieses Zentraldifferential ermöglicht eine Aufteilung des von einem Motor erzeugten Antriebsdrehmomentes auf die Antriebsräder eines Kraftfahrzeuges. Wird dieses Zentraldifferential über brückt, so sind ein Vorderachsantriebsstrang und ein Hinter achsantriebsstrang starr miteinander gekoppelt. Die zur Über brückung des Zentraldifferentiales vorgesehene Überbrückungs kupplung ist als elektromagnetisch betätigbare Lamellenkupp lung ausgebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kupplungsele ment für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welchem im Be reich niedriger Drehmomentenübertragung eine genaue Steuerung des momentan übertragenen Drehmomentes möglich wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kupplungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Kupplungsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausfüh rungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1(a) einen Querschnitt eines Kupplungselementes gemäß ei ner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1(b) einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1(a);

Fig. 2 einen Graph zur Erläuterung eines Merkmals der in den Fig. 1(a) und (b) gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Fahrzeug-Antriebs systems, in dem die Ausführungsform der Fig. 1 und 2 verwendet wird.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kupplungselementes beschrieben. In Fig. 1 ist das Kupplungselement gemäß dieser Ausführungsform gezeigt. In Fig. 3 ist ein Antriebssystem eines Fahrzeugs mit Vierradantrieb (der im folgen den mit 4WD bezeichnet wird), in dem dieses Kupplungselement ver wendet wird, gezeigt, wobei die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs in Fig. 3 nach oben weist. Der rechte Teil in Fig. 1 weist zum vorderen Teil des Fahrzeugs (also in Fig. 3 nach oben). Bauteile ohne Bezugs zeichen sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt das Antriebssystem einen Motor 1 ein Getriebe 3, ein vorderes Differential 5 (vorderradseitiges Differential), Vorderradantriebswellen 7 und 9, ein linkes Vorderrad 11 und ein rechtes Vorderrad 13, eine Kraftflußumlenkung 15, eine Antriebswelle (Kardanwelle) 17, ein Kupplungselement 19 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein hinteres Differential 21 (hinterradseitiges Differential), Hinterrad-Antriebswellen 23 und 25, ein linkes Hinterrad 27 und ein rechtes Hinterrad 29.

In dem in Fig. 1(a) gezeigten Kupplungselement 19 verläuft eine Ver bindungsstange 31 durch das vordere Ende eines das hintere Differen tial 21 aufnehmenden Trägers 33 und wird mittels Lager 35 vom Trä ger 33 unterstützt. Diese Verbindungsstange 31 ist mit der Seite der Antriebswelle 17 durch einen Keilnutbereich 37 verbunden. Die An triebswelle 17 ist mit der Seite des Motors 1 über die Kraftflußumlen kung 15 und das vordere Differential 5 verbunden. Daher wird die Verbindungsstange 31 von der vom Motor 1 übertragenen Antriebs kraft angetrieben und gedreht.

Am hinteren Ende der Verbindungsstange 31 ist ein Flanschbereich 39 ausgebildet. Eine Kupplungstrommel 41 ist so angeordnet, daß sie in den Flanschbereich 39 integriert ist. Im Inneren der Kupplungstrommel 41 ist ein Nabengehäuse 43 mit einer Nabe 45 vorgesehen. Das Naben gehäuse 43 mit der Nabe 45 wird vom Unterstützungsbereich 47 des Flanschbereichs 39 und einem Lager 49 drehbar unterstützt.

Über eine Keilnut ist eine Antriebs-Ritzelwelle 51 mit der Nabe 45 des Nabengehäuses 43 drehfest verbunden. Die Welle 51 wird vom Träger 33 über Lager 53 und 53′ unterstützt. Am hinteren Ende der Welle 51 ist ein Antriebsritzel 57 integral ausgebildet und mit einem Tellerrad 55 des hinteren Differentials 21 in Eingriff.

Zwischen der Kupplungstrommel 41 und dem Nabengehäuse 43 ist eine Mehrscheiben-Hauptkupplung 59 (erste Reibungskupplung) angeordnet, um die Trommel 41 mit dem Nabengehäuse 43 zu koppeln. An der Vorderseite der Hauptkupplung 59 ist ein Preß- oder Druckring 61 für die Hauptkupplung 59 angeordnet. Der Preßring 61 ist mit der Nabe 45 des Nabengehäuses 43 über eine Keilnut drehfest verbunden, um so entlang der Nabe 45 nach vorne oder nach hinten beweglich zu sein. Zwischen dem Preßring 61 und einem davor drehbar angeordneten Nockenring 63 ist eine Kugel 65 eingesetzt, wie in Fig. 1(b) genauer gezeigt ist. Der Preßring 61, der Nockenring 63 und die Kugel 65 bil den einen Nockenmechanismus 67.

Zwischen dem Nabengehäuse 43 und dem Preßring 61 ist eine Feder 69 (Belastungselement) angeordnet. Die Feder 69 dient dazu, den Preß ring 61 in der Figur nach rechts zu zwingen und dabei die Hauptkupp lung 59 so zu belasten, daß sie in den ausgekuppelten Zustand über geht.

Zwischen dem Nockenring 63 und der Kupplungstrommel 41 ist eine Mehrscheiben-Vorkupplung 71 (zweite Reibungskupplung) angeordnet, um den Nockenring 63 mit der Kupplungstrommel 41 zu koppeln. An der Rückseite der Vorkupplung 71 ist ein Beschlag 73 so angeordnet, daß er nach vorne und nach hinten beweglich ist.

In einem vorderen Bereich des Flanschbereichs 39 der Kupplungs trommel 41 ist ein ringförmiger Elektromagnet 75 angeordnet. Der Elektromagnet 75 umfaßt ein Poljoch 77 und eine elektromagnetische Spule 79. Das Poljoch 77 ist am Träger 33 mittels eines Schraubbol zens befestigt.

Zwischen Vorsprüngen 83 und 85 des Flanschbereichs 39 und des Poljochs 77 ist ein Luftspalt ausgebildet, der den Durchgang einer Ma gnetfeldlinie 87 des Elektromagneten 75 ermöglicht. In den Flanschbe reich 39 ist ein Ring 89 aus einem nichtmagnetischen Material einge bettet. Dieser Ring 89 dient dazu, einen Kurzschluß der Magnetfeldli nie zu verhindern und diese statt dessen durch den Beschlag 73 zu lei ten.

Wenn der Beschlag 73 vom Elektromagneten 75 angezogen wird, wird die Vorkupplung 71 durch die Anziehungskraft des Elektromagneten 75 gepreßt. Daher gelangen die Mehrzahl der Scheiben der Vorkupplung 71 in gegenseitigen Eingriff. Dies hat zur Folge, daß die Seite der Verbindungsstange 31 (Vorderradseite) mit der Seite des An triebsritzels 51 (Hinterradseite) über die Kupplung 71, den Nockenme chanismus 67, den Preßring 61 und die Nabengehäuse 43 gekoppelt wird. Die Eigenschaft des Drehmoments der mit dem Elektromagneten 75 verbundenen Mehrscheiben-Vorkupplung 71 ist in Fig. 2 durch den Graphen 91 dargestellt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, werden in dem Fall, in dem das übertragene Drehmoment gleich oder kleiner als T₁ ist (Bereich niedrigen Dreh moments), nur die Mehrzahl der Kupplungsscheiben der Vorkupplung 71 miteinander verbunden, während die Hauptkupplung 59 nicht einge kuppelt wird. Bei niedrigem Drehmoment wird daher das übertragene Drehmoment nur durch die Vorkupplung 71 gesteuert.

Wenn die Kupplungsscheiben der Vorkupplung 71 in gegenseitigen Eingriff gelangen, wird die Antriebskraft des Motors 1 auf den Noc kenmechanismus 67 ausgeübt, so daß eine nach hinten gerichtete Schubkraft 93 erzeugt wird. Wenn dann das übertragene Drehmoment den Wert T₁ übersteigt (Bereich hohen Drehmoments) und diese Schubkraft 93 die Belastungskraft der Feder 69 übersteigt, werden die Mehrzahl der Kupplungsscheiben der Hauptkupplung 59 mittels des Preßrings 61 gepreßt und gelangen so in gegenseitigen Eingriff. Wenn die Schubkraft 93 geringer als die Belastungskraft der Feder 69 ist, gelangen die Mehrzahl der Scheiben der Hauptkupplung 59 nicht in Eingriff. Die Belastungskraft der Feder 69 wird im voraus festgesetzt, um die Schubkraft 93 mit der oberen Grenze T₁ des Bereichs A niedri gen Drehmoments, der in Fig. 1 gezeigt ist, abzustimmen.

Dadurch kann ein Drehmomentverhalten erzielt werden, wie es durch den Graphen 95 in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn die Feder 69 nicht verwen det wird, wird das Drehmomentverhalten durch einen Graphen 97 wie dergegeben, der anhand der Zweipunkt-Strichlinie gezeigt ist. Wenn der Drehmomentwert gleich T₁ ist, erreicht der Strom durch den Elektromagneten 75 den Wert I₁, wie aus dem Graphen 97 ersichtlich ist. Im Vergleich dazu nimmt der Strom durch den Elektromagneten 75 für den Fall des Graphen 95 auf den Wert I₂ zu. Da in diesem Bereich nur die Vorkupplung 71 in Betrieb ist, wird die Drehmomentänderung relativ zur Stromänderung geringer. Daher kann eine genaue Drehmo mentsteuerung erzielt werden.

Das bedeutet, daß ein Teil der Schubkraft durch die Belastungskraft der Feder (Belastungsmittel) aufgehoben wird, um einen Arbeitspunkt der ersten Reibungskupplung in einen Bereich hohen Drehmoments zu ver schieben. Daher wird der Bereich, in dem nur die zweite Reibungs kupplung betätigt wird, größer. Folglich wird die Drehmomentände rung relativ zur Änderung der Betätigungskraft der zweiten Reibungs kupplung ausreichend gering, um eine genaue Drehmomentsteuerung zu ermöglichen.

Die jeweiligen Gegenkräfte zur Schubkraft 93 und zur Belastungskraft der Feder 69 werden über ein Lager 99 und eine Schubscheibe 101 an den Flanschbereich 39 übertragen und von der Schubkraft 93 und der Belastungskraft der Feder 69 in der Kupplungstrommel 41 aufgeho ben. Die obenerwähnte Drehmomentsteuerung mittels des Elektroma gneten 75 wird entweder manuell vom Fahrersitz aus oder ent sprechend dem Zustand der Fahrbahnoberfläche oder eines Lenkzu standes des Fahrzeugs oder dergleichen automatisch ausgeführt.

Nun wird mit Bezug auf die in Fig. 3 gezeigte Antriebseinheit des Fahrzeugs die Funktion des Kupplungselementes 19 beschrieben.

Die Antriebskraft des Motors 1 wird vom Getriebe 3 über das vordere Differential 5 an die Vorderräder 11 und 13 übertragen, ferner wird durch die Antriebskraft über die Kraftflußumlenkung 15 die Antriebs- oder Kardanwelle 17 gedreht.

Wenn in diesem Moment das Kupplungselement 19 ausgekuppelt ist, ist die Übertragung der Antriebskraft an die Hinterräder 27 und 29 unter brochen. Dadurch ist das Fahrzeug in einen Vorderradantriebszustand versetzt, so daß die Eigenschaften eines Fahrzeugs mit Frontantrieb erhalten werden und folglich der Kraftstoffverbrauch abgesenkt werden kann.

Wenn die Kupplungsscheiben des Kupplungselementes 19 in gegensei tigen Eingriff gelangen, wird die Antriebskraft des Motors 1 über die ses Kupplungselement 19 an die Hinterradseite 19 übertragen. Dadurch ist das Fahrzeug in einen 4WD-Zustand versetzt. Selbst wenn daher ein Vorderrad gegenüber einer in einem schlechten Zustand befindlichen Straße einen Schlupf aufweist, kann das Fahrzeug aufgrund der an die Hinterradseite übertragenen Antriebskraft weiterhin fahren. In der Umgebung des Pfeils B in Fig. 2 wird das Kupplungselement 19, des sen Kupplungsscheiben in gegenseitigem Eingriff sind, verriegelt. Je größer die Verbindungs- oder Kopplungskraft des Kupplungselementes 19 wird, desto höher wird die an die Hinterräder übertragene Antriebs kraft. Dadurch wird die Fahrfähigkeit des Fahrzeugs wirksam verbes sert und im verriegelten Zustand des Kupplungselementes 19 maxi miert.

Je stärker die Verbindungskraft des Kupplungselementes 19 wird, desto mehr wird die die Differenz zwischen den Vorderrädern und den Hin terrädern begrenzende Kraft erhöht. Dadurch wird die Fahreigenschaft des Fahrzeugs bei Geradeausfahrt verbessert und im verriegelten Zu stand des Kupplungselementes 19 maximiert.

Wenn die Kraft, die die Differenz zwischen den Vorderrädern und den Hinterrädern begrenzt, durch das Kupplungselement 19 durch den Schlupf zwischen den Kupplungsscheiben der Vorkupplung 71 einge stellt wird, ist zwischen diesen Kupplungsscheiben eine differentielle Rotation möglich. Dadurch kann das Fahrzeug eine gleichmäßige Kurve fahren. Wenn das Fahrzeug ferner in eine Garage oder derglei chen gefahren wird, kann ein in einer engen Kurve auftretender Bruch verhindert werden.

Selbst wenn die Vorderräder aufgrund einer starken Bremsung blockie ren, kann ein daraus sich ergebendes Blockieren der Hinterräder ver mieden werden, indem die Kopplungskraft des Kupplungselementes 19 erniedrigt wird oder das Kupplungselement 19 ausgekuppelt wird.

Die Steuerung dieser Leistungsmerkmale wird im Bereich A niedrigen Drehmoments des Kupplungselementes 19 ausgeführt. In diesem Drehmomentbereich wird die oben erwähnte genaue Drehmomentsteue rung ausgeführt.

Beispielhafte Ausführungsformen für die zweite Reibungskupplung können eine von einem Betätigungselement betätigte Kupplung oder eine Kupplung, die durch die Umwandlung eines Motordrehmoments in einen Nockenschub betätigt wird, enthalten.

Claims

1. Kupplungsvorrichtung zur Steuerung des auf einen Frontan triebsstrang oder Heckantriebsstrang übertragenen Drehmomen tes bei einem Fahrzeug mit 4-Rad-Antrieb, mit:
einem Gehäuse (19), welches eine erste Welle (31) und eine zweite Welle (51) drehbar lagert,
einer mit der ersten Welle verbundenen Kupplungstrommel (41), mit ersten und zweiten Seitenwänden,
einem mit der zweiten Welle (51) verbundenen Nabenelement (43),
einer mit dem Gehäuse (19) verbundenen Elektromagneteinrich tung (79),
einer ersten Kupplungseinrichtung (59) mit, mit der Kupp lungstrommel (41) gekoppelten, ersten Lamellenkupplungsschei ben sowie mit abwechselnd mit den ersten Lamellenkupplungs scheiben angeordneten, zweiten Lamellenkupplungsscheiben, welche mit dem Nabenelement (43) gekoppelt sind,
einem auf dem Nabenelement (43) axial verschiebbar und mit diesem drehbar gehalterten Druckring (61), wobei die erste Kupplungseinrichtung (59) durch Zusammenpressen der ersten und zweiten Lamellenkupplungsscheiben zwischen dem ersten Seitenwandbereich der Kupplungstrommel (41) und dem Druckring (61), über die Kupplungstrommel (41) und das Nabenelement (43) ein Drehmoment überträgt,
einer zweiten Kupplungseinrichtung (71) mit einem das Na benelement (43) umgebenden Nockenring (63), dritten, mit der Kupplungstrommel (41) gekoppelten Lamellenkupplungsscheiben,
sowie vierten, mit dem Nockenring (63) gekoppelten Lamellen kupplungsscheiben, welche abwechselnd mit den dritten Lamel lenkupplungsscheiben einander nachfolgend angeordnet sind,
einem, in einem peripheren Bereich des Nockenrings (63) axial verschiebbar und mit diesem drehbar gehalterten Ankerelement (73),
wobei die zweite Kupplungseinrichtung den Nockenring (63) mit der Kupplungstrommel (41) durch Zusammenpressen der dritten und vierten Lamellenkupplungsscheiben zwischen dem zweiten Seitenwandbereich und dem durch die Elektromagneteinrichtung (79) anziehbaren Ankerelement (73) koppelt,
einen Nockenmechanismus zur Erzeugung einer auf den Druckring (61) einwirkenden Druckkraft durch Aktivieren der zweiten, zum Verdrehen des Nockenringes (63) gegenüber dem Druckring (61) vorgesehenen zweiten Kupplung,
wobei der Nockenmechanismus das zwischen dem Nabenelement (43) und der Kupplungstrommel (41) übertragene Drehmoment vermittels der durch den Druckring (61) auf die erste Kupp lungseinrichtung einwirkenden Schließkraft dosiert,
einer Druckfeder (69) zum Drängen des Druckringes (61) entge gen der von dem Nockenmechanismus erzeugten Schließkraft zum Lösen der ersten Kupplungseinrichtung, wobei die Druckfeder (69) zwischen dem Nabenelement (43) und dem Druckring (61) angeordnet ist.

2. Kupplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenmechanismus den Druckring (61), den Nockenring (67) und mindestens ein zwischen dem Druckring (61) und dem Nockenring (67) angeordnetes Kugelelement (65) umfaßt.

3. Kupplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Druckfeder (69) eine Federsteifigkeit auf weist, welche hinsichtlich einer durch den Nockenmechanismus erzeugten, zur Übertragung eines vorbestimmten Drehmomentes aufgebrachten Druckkraft abgeglichen ist.