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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung
gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.
Stand der Technik
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Kupplungen zwischen einem Fahrzeugmotor und seinem Getriebe
sind gewöhnlich Reibungskupplungen. Diese umfassen als eine
Hälfte der Kupplung eine oder mehrere Scheiben, die mit dem
Fahrzeuggetriebe verbunden sind und die mit der anderen Hälfte
der Kupplung zusammenwirken, die gewöhnlich die Form eines
Motorschwungrades und einer daran angebrachten Druckplatte und
eventuell weiterer hieran befestigter Scheiben hat.
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Der Betrieb der Kupplung geschieht mittels eines
Ausrückmechanismus, der ein vom Fahrer betätigbares Kupplungspedal umfaßt.
Während eines Kupplungsvorganges tritt eine Drehzahldifferenz
zwischen den Teilen der Kupplung auf, was zu deren Gleiten
gegeneinander führt und Reibungswärme erzeugt. Insbesondere bei
Kupplungen, die ein hohes Drehmoment übertragen, z.B.
Kupplungen in Schwerlastfahrzeugen wie Lastwagen und Bussen, kann
diese Reibungswärme beträchtlich sein. Um sowohl das Auftreten
lokaler hoher Scheibentemperaturanstiege zu verhindern und das
Entfernen solcher Hitze zu erleichtern, ist es bekannt, daß die
Kupplung die Gestalt einer Naßkupplung annimmt. In einer
Naßkupplung sind die Kupplungsteile und -scheiben mehr oder
weniger in Öl getaucht.
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Ein Problem bei Naßkupplungen besteht darin, daß die Drehung
der Kupplungshälften in dem Öl Kupplungsschlupfverluste mit
sich bringt, die die Effizienz des Antriebsstrangs verringern.
Ein weiterer Nachteil der Schlupfverluste besteht darin, daß
sie zu steigender Öltemperatur beitragen, wodurch der
Temperaturbereich verkleinert wird, der für einen weiteren
Temperaturanstieg
im Zusammenhang mit Kupplungsbewegungen benutzt
werden kann.
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Die Druckschrift US-A-4 753 332 offenbart eine Anordnung für
eine Kupplung in einem Fahrzeug, bei der ein Kupplungsgehäuse
mit einem Sammler verbunden ist. Während eines
Kupplungsvorganges ist das Kupplungsgehäuse mit Öl aus dem Sammler gefüllt und
nach einem Kupplungsvorgang wird das Öl aus dem
Kupplungsgehäuse in einen separaten Ölsumpf entleert. Nach einem
Kupplungsvorgang wird der Sammler unter Zuhilfenahme eines
federgetriebenen Kolbens mit Öl aus dem Ölsumpf gefüllt.
Ziele der Erfindung
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, die vorgenannten
Nachteile bekannter Naßkupplungen zu eliminieren oder zumindest zu
vermindern. Die Erfindung soll daher Kupplungsschlupfverluste
aufgrund der sich im Öl drehenden Kupplung verringern und den
durch Schlupfverluste bewirkten Öltemperaturanstieg reduzieren.
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Die Erfindung hat das weitere Ziel, einer ansonsten optimalen
Kupplungskonstruktion gute Fähigkeiten zur Abfuhr von
Reibungswärme von den Scheiben und zur Schaffung vorteilhafter
Betriebsbedingungen zu verleihen.
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Die Anordnung soll darüber hinaus leicht zu fertigen und
einzubauen und, wo möglich, leicht auf bereits existierende
Kupplungen anzuwenden sein.
Kurzbeschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist das Ziel der Erfindung durch eine
Kupplungskonstruktion erreicht, die die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale umfaßt. Die beigefügten
Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
an.
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Das Vorsehen eines Sammlers ermöglicht es, daß das Öl in dem
Kupplungsgehäuse für die Zeitdauer entleert wird, in der es
nicht benötigt wird, d.h. beim normalen Betrieb, wenn die
Kupplung lediglich die Antriebskraft weiterleitet. Das Ölniveau
in dem Kupplungsgehäuse kann dadurch herabgesetzt werden, so
daß die Kupplung entweder überhaupt nicht oder nur unbedeutend
im Öl rotiert. Das bedeutet, daß Schlupfverluste eliminiert
oder reduziert werden können, ebenso wie der durch sie bewirkte
Öltemperaturanstieg.
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Der Sammler ermöglicht es auch, während eines
Kupplungsvorganges Öl direkt in das Kupplungsgehäuse zu leiten, um in einer
bei einer Naßkupplung per se bekannten Weise Reibungswärme
abzuführen und einen lokalen Scheibentemperaturanstieg zu
verhindern. Da das Kupplungsgehäuse nur für eine kurze Zeit mit
Öl gefüllt ist, sind die negativen Eigenschaften einer
Naßkupplung kaum spürbar.
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Vorteilhaft wird der Sammler durch einen Pneumatikzylinder
gesteuert, der entsprechend der Betätigung der Kupplung mit
Druckluft versorgt wird. Ein pneumatisches Steuersystem hat den
Vorteil, daß das normalerweise in Schwerlastfahrzeugen für
deren Bremssystem vorhandene Druckluftsystem dazu benutzt
werden kann, die erforderliche Druckluft zu liefern.
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Da viele Schwerlastfahrzeuge heutzutage Kupplungsservos haben,
die Druckluft aus dem Fahrzeugbremssystem verwenden, erfordert
die erfindungsgemäße Anordnung nur geringe Abwandlungen an
bestehenden Komponenten. Dies macht es einfach, die Erfindung
auch auf bestehende Fahrzeuge anzuwenden.
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Wo anwendbar, ist es vorteilhaft, die Kupplungsbetätigung
mittels eines mit dem Kupplungspedal zusammenwirkenden Sensors
zu erfassen.
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Weitere die Erfindung kennzeichnende Vorteile und Merkmale
gehen aus der folgenden Beschreibung eines vorteilhaften
Ausführungsbeispiels hervor.
Zeichnung
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Die Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügte Zeichnung, in
der Figur 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zeigt, die
teilweise schematisch und teilweise im Detail die Anordnung der
verschiedenen Bauteile wiedergibt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die beigefügte Figur 1 gibt eine Anordnung für eine Kupplung
wieder, die einen Teil einer Kraftübertragung für ein
Schwerlastfahrzeug wie etwa einen Lastwagen oder einen Bus bildet.
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Die Kraftübertragung umfaßt eine Kupplung 1, die dazu
vorgesehen ist, Antriebskraft von einem Motor zu einem Getriebe zu
übertragen und es zu ermöglichen, die Antriebskraft während
eines Gangwechsels oder anderer ähnlicher Anforderungen zu
unterbrechen. Die Kupplung 1 ist in einem Kupplungsgehäuse 2
aufgenommen, das am rückwärtigen Ende des Motors befestigt ist,
wodurch die Kurbelwelle 3 des Motors mit dem Motorschwungrad 4
verbunden ist. Im vorliegenden Fall ist eine Reihe von Scheiben
5 zur gemeinsamen Drehung mit dem Schwungrad 4 verbunden und
bildet zusammen mit dem Schwungrad 4 und einer Druckplatte 9
eine Hälfte der Kupplung 1. Die andere Hälfte der Kupplung 1
ist mit einer Ausgangswelle 8 verbunden und besteht aus einer
treibenden Scheibe 6, an der eine Reihe weiterer Scheiben 7
befestigt ist. Diese Scheiben 7 sind abwechselnd zwischen den
mit dem Schwungrad 4 verbundenen Scheiben 5 angeordnet. Die
Druckplatte 9 ist auf eine per se herkömmliche Weise
angeordnet, so daß eine Kupplungsfeder 10 sie gegen das Schwungrad 4
drückt, um damit die Scheiben 5, 7 gegeneinander zu pressen,
damit eine Antriebskraftverbindung zwischen den zwei Hälften
der Kupplung hergestellt wird.
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Die Kupplung 1 ist dazu vorgesehen, mittels eines
Kupplungspedals betätigt zu werden, das mechanisch, hydraulisch oder auf
andere bekannte Weise auf die Kupplung wirkt. Da die Kupplung 1
per se und die zu ihrem Betrieb erforderlichen Bauteile
wohlbekannt sind, ist deren Beschreibung auf das zum Verständnis
der vorliegende Erfindung Notwendige beschränkt.
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Der untere Abschnitt des Kupplungsgehäuses 2 besteht aus einem
Ölsumpf 12, der unter bestimmten Betriebsbedingungen dazu
vorgesehen ist, Öl zu enthalten, in das die Kupplungsscheiben
5, 7 mehr oder weniger eingetaucht sind. Während solcher
Betriebsbedingungen ist Kupplung funktionell eine Naßkupplung.
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Ein Sammler 13 ist vorhanden, um zumindest einen beträchtlichen
Anteil des Öls während anderer Betriebsbedingungen aufzunehmen,
während derer die Kupplung 1 funktionell eine Trockenkupplung
ist. Das Öl bewegt sich somit zwischen dem Ölsumpf 12 im
Kupplungsgehäuse und dem Sammler 13, wie unten genauer beschrieben
ist.
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Der Sammler 13 ist mittels zweier Halter 14 in der Nähe des
Kupplungsgehäuses 2 an einem der Fahrzeugrahmenträger 15
angebracht.
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Der Sammler 13 besteht aus einem Zylinder 16 mit einem Kolben
17, der zwei Räume 18, 19 in dem Zylinder 16 begrenzt. Eine
Endwand 20 des Sammlers 13 ist mit einer Verbindung 21 für ein
Ende einer Hydraulikleitung 22 versehen, deren anderes Ende mit
der Unterseite des Kupplungsgehäuses 2 verbunden ist. Der eine
Raum 18 im Zylinder 16 (in dem Schema der rechte Raum 18) steht
demnach über die Hydraulikleitung 22 mit dem Ölsumpf 12 im
Kupplungsgehäuse in Verbindung. Der andere Raum im Zylinder 16
ist mittels eines Kanals (nicht dargestellt) zwischen dem Raum
19 und der umgebenden Atmosphäre entlüftet.
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Die andere Endwand 23 des Sammlers 13 (in dem Schema die linke
Endwand) ist mit einem Flansch 24 versehen, an dem ein
Luftzylinder 25 befestigt ist. Der Luftzylinder 25 enthält einen
Luftkolben 26, der über eine Kolbenstange 27 direkt mit dem
Kolben 17 im Sammler 13 verbunden ist. Der Luftzylinder 25
umfaßt zwei Anschlüsse 28, 29 zur Zufuhr von Druckluft zum
Bewegen des Kolbens 26 in jede seiner beiden Endstellungen.
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Die beiden Anschlüsse 28, 29 des Luftzylinders 25 sind mit
einem Elektromagnetventil 30 verbunden, das es ermöglicht, die
Anschlüsse 28, 29 mit einer Druckluftquelle 31 zu verbinden. Im
vorliegenden Fall bildet die Druckluftquelle 31 einen Teil des
Fahrzeugbremssystems. Das Schema zeigt die Druckluftquelle als
einen der Drucklufttanks 31 des Bremssystems, der durch eine
Zufuhrleitung 32 mit einem ersten Ventilanschluß 33 des
Elektromagnetventils 30 verbunden ist. Ein zweiter Ventilanschluß
34 ist durch eine erste Leitung 37 direkt mit einem Anschluß 28
des Luftzylinders 25 verbunden. Ein dritter Ventilanschluß 35
ist durch eine zweite Leitung 38 mit dem anderen Anschluß 29
des Luftzylinders 25 verbunden. Diese zweite Leitung 38 umfaßt
zwei zueinander parallele Zweigleitungen 39, 40. Die erste
Zweigleitung 39 umfaßt eine Verengung 41, die den Fluß in beide
Richtungen verringert. Die zweite Zweigleitung 40 umfaßt ein
Rückschlagventil 42 welches so gerichtet ist, daß es die
Druckluftzufuhr zum Zylinder 25 von der Druckluftquelle 31 absperrt,
während es in der entgegengesetzten Richtung einen im
wesentlichen freien Fluß erlaubt. Das Elektromagnetventil 30 umfaßt
darüber hinaus einen vierten Ventilanschluß 36, der zur
Atmosphäre vollständig offen ist, um ein Entlüften des
Druckluftzylinders 25 zu erlauben. Das Elektromagnetventil 30 kann
entweder eine Ruhestellung 43 oder eine aktivierte Stellung 44
einnehmen. In der Ruhestellung 43 ist der erste Anschluß 33 mit
dem dritten Anschluß 35 verbunden und der zweite Anschluß 34
ist mit dem vierten Anschluß 36 verbunden. In der aktivierten
Stellung 44 ist der erste Anschluß 33 mit dem zweiten Anschluß
34 verbunden und der dritte Anschluß 35 ist mit dem vierten
Anschluß 36 verbunden. Das Elektromagnetventil 30 wird mittels
einer elektrischen Spule 45 in seine aktivierte Stellung 44
gebracht und kehrt unter der Wirkung einer Rückstellfeder 46 in
seine Ruhestellung 43 zurück. Das Elektromagnetventil 30 ist zu
seinem Betrieb mit einer elektrischen Steuereinheit 47
verbunden, an die ein Kupplungspedalkontakt 48 zum Erfassen der
Betätigung des Kupplungspedals durch den Fahrer angeschlossen
ist. Vorteilhaft ist der Kupplungspedalkontakt 48 ein
herkömmlicher Positionssensor, der einen Kontakt gibt, wenn das
Kupplungspedal bis zu einer bestimmten Grenzstellung niedergedrückt
wird, und der ein Signal so lange gibt, wie das Pedal über
diese Grenzstellung hinaus niedergedrückt ist.
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Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt. Es wird
angenommen, daß die Anordnung sich anfänglich in einer
Ruhestellung befindet, die einem kontinuierlichen Fahrzustand
entspricht, bei dem Antriebskraft durch die Kupplung 1 zwischen
dem Motor und dem Getriebe weitergeleitet wird. Das
Elektromagnetventil 30 ist in seiner Ruhestellung 43 und Druckluft aus
der Druckluftquelle 31 wirkt auf den Luftkolben 26 des
Luftzylinders, um ihn seine linke Endstellung einnehmen zu lassen,
was auch bedeutet, daß der Sammlerkolben 17 sich in seiner
linken Endstellung befindet.
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Der Raum 18 vom Sammlerkolben 17 ist voll Öl und der Sammler 13
ist deshalb in einem ölgefüllten Zustand. Der
Kupplungsgehäuseölsumpf 12 ist im wesentlichen öllos oder enthält nur eine
geringe Menge an Öl. Dementsprechend können die
Kupplungsscheiben 5, 7 sich in dem Kupplungsgehäuse 2 mit reduzierten oder
gar keinen Schlupfverlusten drehen. Wenn der Fahrer durch
Niederdrücken des Kupplungspedals einen Gangwechsel initiiert,
erfaßt der Pedalkontakt 48 dies und leitet ein Signal zur
Steuereinheit 47, das eine Kupplungsbetätigung anzeigt. Die
Steuereinheit 47 leitet daraufhin ein Ausgangssignal an das
Elektromagnetventil 30, um dieses seine aktivierte Stellung 44
einnehmen zu lassen. Druckluft aus der Druckluftquelle 31
erreicht nun den linken Raum des Druckluftzylinders 25, während
dessen rechter Raum entlüftet wird, hauptsächlich durch die das
Rückschlagventil 42 umfassende zweite Zweigleitung 40. Der
Luftkolben 26 wirkt über die Kolbenstange 27 direkt auf den
Kolben 17 im Sammler 13, so daß im wesentlichen das gesamte Öl
im rechten Raum 18 des Sammlers durch die Hydraulikleitung 22
in das Kupplungsgehäuse 2 eintritt und den Ölsumpf 12 bis zu
einem bestimmten Niveau füllt. In dem Schema ist dieses
Ölniveau durch eine strichpunktierte Linie 49 angegeben. Da die
Druckluftzufuhr durch die erste Leitung 37 stattfindet, ist die
Zufuhr relativ schnell. Vorteilhaft ist das System so
ausgelegt, daß die Zeit, die Fahrer zum Niederdrücken des
Kupplungspedals braucht, der Zeit entspricht, die es benötigt, das Öl
aus dem Sammler 13 in den Ölsumpf 12 zu überführen. Die
Steuereinheit 47 hat auf diese Weise zumindest indirekt den Sammler
13 einen entleerten Zustand einnehmen lassen, wenn der
Sammlerkolben 17 sich in seiner rechten Endstellung befindet.
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Das Niederdrücken des Kupplungspedals durch den Fahrer führt
auch, in einer per se herkömmlichen Weise, zum Ausrücken der
Kupplung 1, wenn deren Scheiben 5, 7 voneinander gelöst werden
und ihnen erlaubt wird, sich relativ zueinander zu drehen. Die
durch die Relativdrehung der Scheiben 5, 7 zum Zeitpunkt des
Lösen erzeugte Wärme kann von dem Öl aufgenommen werden, das
auch das Auftreten eines jeglichen starken, lokalen
Temperaturanstiegs verhindert. Während des Zeitraums, in dem sich das
Öl in dem Kupplungsgehäuse 2 befindet, profitiert die Kupplung
1 von den Vorteilen, die daraus entstehen, das die Kupplung 1
während dieser Zeitdauer eine Naßkupplung ist.
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Wenn der Fahrer den Gangwechsel ausgeführt hat und das
Kupplungspedal zurück nach oben gleitet, erreicht der Pedalkontakt
48 die Grenzstellung, bei der er nicht länger ein Signal
dahingehend erzeugt, daß das Pedal betätigt ist. Das
Elektromagnetventil 30 wird dann nicht länger ein Aktivierungssignal von der
Steuereinheit 47 erhalten und wird in seine Ruhestellung 43
zurückkehren. Gleichzeitig wird der Raum links des Luftkolbens
26 entlüftet werden. Der Raum rechts des Luftkolbens 26 wird
über die zweite Zweigleitung 39 mit Druckluft versorgt, in der
die Zufuhr die Verengung 41 passiert, was den Druckabfall in
dem rechten Raum des Luftzylinders verzögert.
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Der Sammlerkolben 17 wird sich daher, unter gleichzeitigem
Ansaugen von Öl aus dem Kupplungsgehäuse 2 in den Sammler 13,
relativ langsam in seine linke Endstellung bewegen. Vorteilhaft
ist die Verzögerung aufgrund der Verengung 41 so ausgelegt, daß
Öl nicht in den Sammler 13 gesaugt wird, bevor der
Kupplungseingriff
erfolgt ist und die Scheiben 5, 7 sich wieder ohne
Relativgleiten zusammen drehen. Das bedeutet, daß die während
des gegenseitigen Gleitens der Scheiben 5, 7 erzeugte
Reibungswärme ebenfalls von dem Öl aufgenommen werden kann.
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Wenn der Kupplungseingriff erfolgt ist und das Öl in den
Sammler 13 zurückgekehrt ist, können die Kupplung und ihre Scheiben
5, 7 praktisch frei drehen, ohne von Öl in dem Kupplungsgehäuse
2 behindert zu werden. Die Kupplung 1 profitiert somit von den
durch eine Trockenkupplung gegebenen Vorteilen.
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Die beschriebene Anordnung hat demnach die Vorteile sowohl
einer Naßkupplung als auch einer Trockenkupplung unter
gleichzeitiger Vermeidung der jeweiligen Nachteile.
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Die Erfindung kann im Umfang der beigefügten Ansprüche
abgewandelt und anders als in der Beschreibung beispielhaft erklärt
ausgeführt werden. Es ist nicht notwendig, das gesamte Öl aus
dem Kupplungsgehäuse zu entleeren, da eine bestimmte, kleine
Menge immer ohne großen Nachteil zurückbleiben kann. Die
Erfindung ermöglicht es, vorausgesetzt, daß das Fassungsvermögen des
Sammlers 13 geeignet dimensioniert ist, während eines
Gangwechsels in dem Kupplungsgehäuse 2 einen höheren Ölstand zu
verwenden als für eine herkömmliche Naßkupplung als normal angesehen
wird, um von den Vorteilen einer großen Ölmenge zu profitieren.
Selbst wenn dies große Schlupfverluste während eines
Gangwechsels verursacht, ist die Zeitdauer, in der dies der Fall ist,
so kurz, daß sie in der Praxis vernachlässigt werden kann.
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In dem beschriebenen Beispiel wird ein separater Luftzylinder
25 zum Betreiben des Sammlerkolbens 17 benutzt, was eine
vorteilhafte Lösung darstellt, wenn es erwünscht ist, ein zu
starkes Inanspruchnehmen eines bestehenden Druckluftsystems zu
vermeiden. Eine alternative Lösung besteht darin, der Druckluft
zu erlauben, direkt auf den Sammlerkolben 17 zu wirken und
dadurch den gesamten Druckluftzylinder 25 zu vermeiden. In
einem solchen Fall ist es vorteilhaft, eine Rückstellfeder dazu
einzusetzen, den Sammlerkolben 17 in die linke Endstellung
zurückkehren zu lassen.
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Die beispielhaft wiedergegebene Anordnung umfaßt ein
fahrerbetätigtes Kupplungspedal, dessen Stellung direkt erfaßt wird, um
eine Betätigung der Kupplung anzuzeigen. In anderen
Ausführungsformen, bei denen Gangwechsel und Kupplungsbetrieb mehr
oder weniger automatisch erfolgen und bei denen eventuell kein
Kupplungspedal vorhanden ist, kann ein zweiter Sensor dazu
eingesetzt werden, auf eine ähnliche Weise eine unmittelbar
bevorstehende Kupplungsbewegung anzuzeigen. Bei einer solchen
abgewandelten Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß die
Steuereinheit 47 integriert ist mit einer Steuereinheit für die
gesamte Kraftübertragung und/oder einer Steuereinheit für das
Motormanagement.
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In einer einfachen Ausführungsform kann die Steuereinheit 47
vollständig durch eine Leitungsverbindung zwischen dem Sensor
48 und dem Elektromagnetventil 30 ersetzt sein. In diesem Fall
ist der Sensor beispielsweise mit einer Spannungsquelle
verbunden, die zum Zeitpunkt der Kupplungsbetätigung über den Sensor
mit der Spule 45 des Elektromagnetventils verbunden wird und
direkt auf letztere wirkt.
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Anstelle der Verwendung von Druckluft als Betriebsmedium ist es
natürlich möglich, andere Druckmittel oder andere Arten von
Betätigungseinrichtungen zu verwenden. Druckmittel schließt
auch Unterdruck ein.