DE4324809A1 - Rotationsdruckausgeglichene, hydrodynamische Lamellenkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine rotationsdruckaus­ geglichene hydrodynamische Lamellenkupplung für Lastschaltgetriebe, insbesondere für Pkw, Nkw und Arbeitsmaschinen mit einem einen Druckraum umschlie­ ßenden Zylinder und darin befindlichen, mit Druck beaufschlagten Kolben für aus Lamellenpaketen be­ stehende Kupplungen, die mit Mitnahmeeinrichtungen und Getrieberädern um eine Antriebswelle angeordnet sind, wobei alle äußeren Lamellen eines Lamellen­ paketes durch einen Außenlamellenträger und alle inneren Lamellen durch einen Innenlamellenträger auf­ genommen werden.

Zur kurzfristigen Unterbrechung des Kraftflus­ ses, wie zum Zweck des Einschaltens einer anderen Getriebeübersetzung, dienen Schaltkupplungen.

Je nach der Bedienungsmöglichkeit unterscheidet man zwischen nur im Stillstand schaltbaren und sol­ chen, die während des Betriebes bzw. unter Last ge­ schaltet werden können. Bei letzteren handelt es sich fast ausnahmslos um sogenannte Reibungskupplungen, bei denen das Drehmoment durch Reibung zwischen den auf­ einandergepreßten Kupplungsflächen übertragen wird. Die Flächen werden meist mit Belägen aus geeigneten Reibwerkstoffen versehen, die nach Verschleiß leicht erneuert werden können. Metallische Kupplungsflächen laufen im Ölbad, um "Fressen" zu vermeiden. Die er­ forderlichen Anpreßkräfte können mechanisch (z. B. durch Federn), pneumatisch, elektromagnetisch oder hydrostatisch erzeugt werden.

Bestehen die Reibflächen aus mehreren dünnen Scheiben (Lamellen), bezeichnet man die Kupplung als Lamellenkupplung, wie bei der vorliegenden Erfindung.

Diese Lamellenkupplungen werden vor allem dort eingesetzt, wo das Schalten bei hohen Umfangsge­ schwindigkeiten erfolgen soll.

Bei den hydraulisch betätigbaren Kupplungen baut sich im vom hydraulischen Zylinder umschlossenen Druckraum und den darin befindlichen betätigbaren Kolben aufgrund der Fliehkraft ein Öldruck auf. Dieser Öldruck steigt ungefähr quadratisch zur stei­ genden Drehzahl an.

Bei hohen Drehzahlen ist der Rotationsdruck da­ durch so stark, daß das Öffnen der Kupplung behindert wird. Auch das langsame und damit ruckfreie Schließen der Kupplung ist nicht möglich.

Man setzte in der Vergangenheit deshalb starke Federn ein, die eine Bewegung des Kolbens infolge des Rotationsdruckes verhinderten. Nachteil dabei ist aber, daß zum Betätigen nicht nur der Betätigungs­ druck, sondern auch der Federdruck überwunden werden muß.

Es fehlte aber auch nicht an Lösungen, den ent­ stehenden Rotationsdruck auszugleichen.

Eine solche Lösung besteht z. B. darin, den Rotationsdruck durch Entleerventile auszugleichen. Die Entleerventile öffnen sich aufgrund der Flieh­ kraft bei hohen Drehzahlen, wenn kein Betätigungs­ druck anliegt.

In der OS 19 63 557 ist eine derartige druckmit­ telbetätigbare Kupplung beschrieben.

Ein drehbares Kupplungsteil und zwei Kolben, die auf der Welle angeordnet sind, bilden mit dem Kupp­ lungsteil zwei Betätigungsräume. Radiale Durchlaß­ kanäle leiten das Druckmittel zu den Betätigungs­ räumen, um einen der beiden Kolben zu verschieben, damit die jeweils benachbarte Kupplung eingerückt werden kann. Für jeden Betätigungsraum ist ein zen­ trifugalkraftabhängiger Absperrschieber vorgesehen.

Nachteilig hierbei ist, daß keine definierte Lage der Schieber bzw. eine Steuerung vorhanden ist. Die Schließmechanismen mit aus Kugeln oder Membranen bestehenden Ventilelementen öffnen bzw. schließen lediglich. Diese Lösung dürfte sich heute vorwiegend nur noch für Baumaschinen eignen.

Eine hydraulische Kupplung ist ebenfalls aus der OS 20 26 968 bekannt.

An den Kolben ist ein sogenanntes Drift-Über­ wachungsventil und ein durch den Kolben verlaufender Überströmkanal vorgesehen. Bei Zunahme des Flüssig­ keitsdruckes im Betätigungsraum kann er den Über­ strömkanal sperren, während bei Druckabnahme durch die Fliehkraft die vorhandene Flüssigkeit über den Überströmkanal abfließt. Der kritische Innendruck, d. h. die Fliehkraftauswirkungen der Drehbewegung, läßt sich bei dieser Lösung nur durch Verändern der Relativlage des Ventilelementes, durch Material- oder Größenänderungen zur Gewichtsveränderung regulieren, was recht aufwendig ist.

Eine weitere Möglichkeit des Rotationsdruckaus­ gleiches hat der Anmelder dergestalt geschaffen, daß pro Kolben zwei Druckräume vorgesehen sind, nämlich einen vor dem Kolben und einen hinter dem Kolben als Ausgleich für den Rotationsdruck. D. h., jeder Kolben wird auf beiden Seiten mit Rotationsdruck beauf­ schlagt und befindet sich damit im Gleichgewicht. Der zusätzliche Druckraum entsteht mit der zusätzlichen Anordnung einer Stauscheibe mit jeweils einer Feder.

Als Nachteil ist hierbei anzusehen, daß ein zweiter Druckraum und die Stauscheibe mit Feder für jeden Kolben notwendig sind. Das erfordert zum einen einen großen Herstellungsaufwand und zum anderen zu­ sätzlichen Bauraum.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Auf­ gabe zugrunde, eine hydrostatisch arbeitende Lamel­ lenkupplung für Lastschaltgetriebe der eingangs er­ wähnten Art zu schaffen, die in einfacher, kurzer Bauweise, ohne wesentliche zusätzliche Bauteile ausgeführt, einen optimalen Rotationsdruckausgleich gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge­ löst, daß ein Kolben der einen Kupplung mit einem Kolben der anderen Kupplung derart gepaart um die Antriebswelle angeordnet ist, daß zwischen beiden Rückseiten der Kolben ein gemeinsamer Druckaus­ gleichsraum besteht, der innenseitig von der An­ triebswelle und außenseitig durch ein Ringelement begrenzt ist und die Innenseiten der Kolben jeweils ein Druckraum umgibt, wodurch bei Druckeinleitung in einen der beiden Druckräume der dem jeweiligen Druck­ raum zugeordnete Kolben der Kupplung in Richtung des Druckausgleichsraumes bewegbar ist.

Der Kolben ist erfindungsgemäß nunmehr auf seiner Innenseite und auf seiner Rückseite mit Druck beaufschlagt, so daß Gleichgewicht besteht. Somit ist eine genaue Druckansteuerung ohne Beeinflussung durch den Rotationsdruck möglich. Die mechanische Belastung der Kolben wird wesentlich geringer und erhöht so er­ heblich die Lebensdauer der Bauteile.

Durch die sich gegenüberliegenden bzw. gepaart angeordneten Kolben und ihrer Kupplungen kann ein zu­ sätzlicher Druckraum mit Stauscheibe entfallen. Der gemeinsame Druckausgleichsraum ermöglicht so den gleichen Effekt des Rotationsdruckausgleiches bei kürzerer und einfacherer Bauweise.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfin­ dung besteht darin, daß beide die Innenseiten der Kolben umgebenden Druckräume jeweils von mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Außenlamellen­ trägern begrenzt sind. Außerdem ist jedes auf der Antriebswelle als Losrad angeordnete Getrieberad fest mit einem Innenlamellenträger verbunden.

Im geschlossenen Zustand (eingerückten Zustand) einer der Kupplungen ist dadurch der Innenlamellen­ träger über den Außenlamellenträger reibschlüssig mit der Antriebswelle verbunden, wodurch die Drehmoment­ übertragung in unkomplizierter Weise auf die Getrie­ beräder erfolgt.

Die Kolben bestehen je aus einem außenseitig, parallel zur Antriebswelle abgewinkelten Teil und einer an der Abwinkelung befestigten Endscheibe.

Kolben dieser Art können aus Blechumformteilen, z. B. Tiefziehteilen bestehen, was eine kostengün­ stige Herstellung ermöglicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht auch darin, daß in dem von der Erweiterung der Kolben umfaßten Teil des Druckausgleichsraumes eine Druck­ feder angeordnet ist, welche sich an den Rückseiten der Kolben abstützt.

Gegenüber dem Stand der Technik braucht also nur eine Rückdruckfeder für zwei Kupplungen zur Überwin­ dung der Kolbenreibung vorhanden zu sein.

Auch diese Maßnahme wirkt sich, da weniger Teile benötigt werden, auf ein geringeres Gewicht und eine kostengünstigere Herstellung aus.

Die Lamellenpakete, die in den Außenlamellen­ trägern gelagert sind, sind über die Endscheiben, die außenseitig an den Lamellenpaketen anschlagen, in axialer Richtung gegen den Druck der Druckfeder mit den Kolben ziehbar.

Dadurch wirken die Kolben nicht wie beim Stand der Technik als Druckkolben, die die Lamellen zusam­ mendrücken, sondern als Zugkolben. Der Kolbendruck wird praktisch umgeleitet über den axialen äußeren Bereich auf jeweils eine Endscheibe, wodurch bei Druckeinleitung in einen der beiden Druckräume die Kolben entsprechend nach innen, in Richtung Druckaus­ gleichsraum, bewegt werden.

Das bringt den Vorteil mit sich, daß die Kolben und Endscheiben nur sehr gering mechanisch belastet werden.

Von Vorteil ist es, wenn das Ringelement, mit dem der Druckausgleichsraum außenseitig verschließbar ist, mit einem der Kolben fest verbunden ist.

Zweckmäßig kann dabei vorgesehen sein, daß das Ringelement so an diesem Kolben angebracht ist, daß es über den abgewinkelten Teil des anderen Kolbens gleiten kann. Dadurch brauchen keine weiteren auf­ wendig herstellbaren Bauteile zur Abschottung des Druckausgleichsraumes geschaffen werden, was wieder­ um den Vorteil einer einfachen Bauweise in Form von nur wenigen Teilen sowie einer leichten und preis­ günstigen Montage erbringt.

Die Erfindung läßt sich außerdem weiter ausge­ stalten, indem der Radius des Druckraumes ungefähr gleich dem des Druckausgleichsraumes gewählt wird.

Dieser Wert ist am vorteilhaftesten für den Rotationsdruckausgleich.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schrieben.

Es zeigt:

Die erfindungsgemäße Lamellenkupplung ist im Längs schnitt dargestellt.

Die Lamellenkupplung, die aus rotationssymme­ trischen Bauteilen besteht, weist einen Kolben 1 einer Kupplung B, welche gepaart mit einem weiteren Kolben 2 einer anderen Kupplung A konzentrisch um eine Antriebswelle 3 angeordnet ist, auf.

Die gepaarte Anordnung der Kolben 1 und 2 ist so ausgeführt, daß beide Rückseiten der Kolben 1 und 2 einen gemeinsamen Druckausgleichsraum 4 bilden.

Der Druckausgleichsraum 4 ist innenseitig noch von der Antriebswelle 3 und außenseitig von einem Ringelement 5 begrenzt, welches am Kolben 2 befestigt ist und über den Kolben 1 beim Schließen der Kupp­ lung A dichtend gleiten kann. Der Druckausgleichs­ raum 4 ist über eine selbst nicht dargestellte Öl­ bohrung mit einem Ölvorratsraum verbunden. In diesem Raum herrscht geringer bzw. kein Überdruck.

Der Kolben 1 weist deshalb einen etwas kleineren Außendurchmesser als der Kolben 2 auf.

Beide Kolben 1 und 2 bestehen je aus einem Tief­ ziehteil 6, welches außenseitig zylinderartig abge­ winkelt ist und in seinem Inneren der die Antriebs­ welle 3 umgebende Bereich konvexartig gewölbt bzw. erweitert ist.

In dieser konvexartigen, sich in axialer und radialer Richtung erstreckenden Erweiterung befindet sich eine Druckfeder 7, die sich gegen die Rückseiten der Kolben 1 und 2 abstützt.

Beide Kolben 1 und 2 sind gegengleich (spiegel­ bildlich) zueinander eingebaut, so daß, wie bereits beschrieben, sich der Druckausgleichsraum 4, der mit dem Ringelement 5 und einem im abgewinkelten Bereich des Kolbens 1 außenseitig angebrachten Dichtring 8 verschlossen ist, zwischen beiden Kolbenrückseiten befindet.

Die Innen- bzw. Vorderseiten der Kolben 1 und 2 sind von einem Druckraum umgeben, wobei der an den Kolben 2 grenzende Druckraum mit 9A und der an den Kolben 1 grenzende Druckraum mit 9B bezeichnet werden soll.

Die Radien der Druckräume 9A und 9B sind unge­ fähr gleich dem des Druckausgleichsraumes 4, um ein Gleichgewicht zwischen dem in beiden Räumen herr­ schenden Rotationsdruck zu erreichen.

In der Antriebswelle 3 befinden sich radiale Öl­ bohrungen, die zu den Druckräumen 9A und 9B führen und eine radiale Entlüftungsbohrung, die vom Druck­ ausgleichsraum 4 abzweigt und die Verbindung den öl­ gefüllten, aber drucklosen oder mit sehr niedrigem Druck beaufschlagten Raum herstellt. Diese Bohrungen sind in der Figur gestrichelt, aber ohne besondere Numerierung, dargestellt.

Außerdem sind in der Antriebswelle 3 zwei weitere Dichtringe 8 in den Bereich eingelassen, wo die konvexartige Wölbung der Kolben 1 und 2 an der Antriebswelle 3 anliegt, um so eine Abdichtung des Druckausgleichsraumes 4 zu ermöglichen.

Den Druckraum 9A begrenzt außenseitig ein Außen­ lamellenträger 10, der alle äußeren Lamellen des Lamellenpaketes 11 der Kupplung A aufnimmt und mit der Antriebswelle 3 drehfest verbunden ist.

In dem Bereich, wo der Außenlamellenträger 10 die Lamellen aufnimmt, grenzt er innenseitig an den abgewinkelten Teil des Zugkolbens 2 und ist dazu mit einem weiteren Dichtring 8 versehen. In gleicher Art und Weise ist ein weiterer Außenlamellenträger 12 für das Lamellenpaket 11 der Kupplung B spiegelbildlich zu diesem vorhanden.

Je ein weiterer Dichtring 8 befindet sich in den Außenlamellenträgern 10 und 12 zur Abdichtung der Druckräume 9A bzw. 9B gegenüber der Antriebswelle 3.

Alle inneren Lamellen der beiden Lamellen­ pakete 11 der Kupplung A und B nimmt je ein Innen­ lamellenträger 13 auf, der jeweils mit einem auf der Antriebswelle 3 lose gelagerten Getrieberad bzw. Zahnrad 14 fest, z. B. durch eine Schweißnaht, ver­ bunden ist.

Um die Drehmomentübertragung auf ein Getriebe­ rad 14 zu erreichen, wird über eine mit dem abgewin­ kelten Teil eines der Kolben 1 oder 2 in Verbindung stehende Endscheibe 15 für die Kupplung A oder eine Endscheibe 16 für die Kupplung B jeweils ein Lamel­ lenpaket 11 zusammengedrückt. Die eigentliche Kraft­ übertragung erfolgt jeweils über einen in den Kol­ ben 1 und 2 eingelassenen Sicherungsring 17, der jeweils gegen die Endscheibe 15 oder 16 drückt.

Darauf, wie die Außenlamellenträger und die Getrieberäder mit der Antriebswelle verbunden sind sowie Sicherungsringe, Dichtringe und Endscheiben gestaltet sind, soll nicht näher eingegangen werden, da keine Besonderheiten gegenüber dem Stand der Technik gegeben sind.

Die erfindungsgemäße Lamellenkupplung arbeitet wie folgt:

Im geöffneten Zustand wird der Kolben 1 der einen Kupplung B mittels der Druckfeder 7 gegen den mit der Antriebswelle 3 drehfest verbundenen Außen­ lamellenträger 10 gedrückt.

Die Feder 7 stützt sich dabei gegen den Kolben 2 der anderen Kupplung A ab und hält damit auch diese Kupplung offen.

Soll nun eine der beiden Kupplungen, beispiels­ weise Kupplung A, geschlossen werden, so wird der Druckraum 9A mit einem flüssigen Druckmittel, z. B. Öl, befüllt, und der Kolben 2 bewegt sich in axialer Richtung gegen den Druck der Feder 7. Dabei gleitet das Ringelement 5 des Kolbens 2 über den Außenrand des Kolbens 1 der anderen Kupplung B, so daß der Druckausgleichsraum 4 geschlossen ist bzw. bleibt.

Durch diese Verschiebung des Kolbens 2 erfolgt eine Kraftübertragung über den axialen äußeren Be­ reich auf den Sicherungsring 17, wodurch mit der anliegenden Endscheibe 15 das Lamellenpaket 11 in Pfeilrichtung c zusammengedrückt wird. Es entsteht dadurch Reibschluß, wodurch eine Verbindung des Innenlamellenträgers 13 und des mit ihm fest ver­ bundenen Zahnrades 14 über den Außenlamellenträger 15 mit der Antriebswelle 3 zustande kommt.

Da sich nun auf beiden Seiten des Kolbens 2 ein Druckraum (Druckraum 9A und Druckausgleichsraum 4) befindet, kann sich auch auf beiden Seiten ein gleich großer Rotationsdruck aufbauen. Der bei den rotieren­ den Kupplungen aufgrund der Fliehkraft mit steigender Drehzahl sich erheblich steigernde Rotationsdruck wird dadurch zuverlässig ausgeglichen, so daß die Kupplung genau angesteuert werden kann, d. h. es braucht nur der Betätigungsdruck der Kupplung ausge­ übt zu werden.

Bezugszeichenliste

1 Kolben
2 Kolben
3 Antriebswelle
4 Druckausgleichsraum
5 Ringelement
6 Tiefziehteil
7 Druckfeder
8 Dichtring
9A Druckraum (Kolben 2)
9B Druckraum (Kolben 1)
10 Außenlamellenträger
11 Lamellenpaket
12 Außenlamellenträger
13 Innenlamellenträger
14 Getriebe-/Zahnrad
15 Endscheibe
16 Endscheibe
17 Sicherungsring
A Kupplung
B Kupplung

Claims (10)

1. Rotationsdruckausgeglichene, hydrodynamische Lamellenkupplung für Lastschaltgetriebe, insbesondere für Pkw, Nkw und Arbeitsmaschinen mit einem einen Druckraum umschließenden Zylinder und darin befind­ lichen, mit Druck beaufschlagten Kolben für aus Lamellenpaketen bestehende Kupplungen (A und B), die mit Mitnahmeeinrichtungen und Getrieberädern um eine Antriebswelle angeordnet sind, wobei alle äußeren Lamellen eines Lamellenpaketes einen Außen­ lamellenträger und alle inneren Lamellen einen Innen­ lamellenträger aufnehmen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kolben (1) der einen Kupplung (B) mit einem Kolben (2) der anderen Kupp­ lung (A) derart gepaart um die Antriebswelle (3) angeordnet ist, daß zwischen beiden Rückseiten der Kolben (1, 2) ein gemeinsamer Druckausgleichsraum (4) besteht, der innenseitig von der Antriebswelle (3) und außenseitig durch ein Ringelement (5) begrenzt ist und die Innenseiten der Kolben (1, 2) jeweils ein Druckraum (9A, 9B) umgibt, wobei bei Druckein­ leitung in einen der beiden Druckräume (9A, 9B) der dem jeweiligen Druckraum (9A, 9B) zugeordnete Kol­ ben (1, 2) der Kupplung (A, B) in Richtung des Druck­ ausgleichsraumes (4) bewegbar ist.

2. Lamellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck­ raum (9A, 9B) jeweils von einem mit der Antriebs­ welle (3) drehfest verbundenen Außenlamellen­ träger (10, 12) begrenzt ist.

3. Lamellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes lose auf der Antriebswelle (3) angeordnete Getrieberad (14) fest mit einem Innenlamellenträger (13) verbunden ist.

4. Lamellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (1, 2) je aus einem außenseitig, parallel zur Antriebs­ welle (3) abgewinkelten Teil (6) und einer an der Abwinkelung befestigten Endscheibe (15, 16) bestehen.

5. Lamellenkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagefixie­ rung der Endscheibe (15, 16) ein Sicherungsring (17) im Bereich des freien Endes des abgewinkelten Tei­ les (6) angeordnet ist.

6. Lamellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben in ihren der Antriebswelle (3) zugewand­ ten inneren Bereichen eine Erweiterung aufweisen, wobei in dem von der Erweiterung der Kolben (1, 2) umfaßten Teil des Druckausgleichsraumes (4) eine Druckfeder (7) angeordnet ist, welche sich an den Rückseiten der Kolben (1, 2) abstützt.

7. Lamellenkupplung nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellenpakete (11), die in den Außen­ lamellenträgern (10, 12) gelagert sind, über die Endscheiben (15, 16), die außenseitig an den Lamel­ lenpaketen (11) anschlagen, in axialer Richtung gegen den Druck der Druckfeder (7) mit den Kolben (1, 2) ziehbar sind.

8. Lamellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringele­ ment (5) mit dem Kolben (2) fest verbunden ist.

9. Lamellenkupplung nach Anspruch 1, 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (5) so am Kolben (2) angebracht ist, daß es über den abgewinkelten Teil des anderen Kol­ bens (1) gleitbar ist.

10. Lamellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien der Druckräume (9A, 9B) ungefähr dem des Druckausgleich­ raumes (4) entsprechen.