WO2004104443A2

WO2004104443A2 - Reibungskupplung und deren aktuator

Info

Publication number: WO2004104443A2
Application number: PCT/AT2004/000178
Authority: WO
Inventors: Johannes Quehenberger
Original assignee: Magna Steyr Powertrain Ag & Co Kg
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2004-12-02
Also published as: DE112004000899D2; WO2004104443A3; US7690490B2; US20070199791A1; AT7019U1

Abstract

Eine Reibungskupplung besteht aus Primär- und Sekundärlamellen (2,3) und einer Andruckplatte (4) und hat einen Aktuator mit zwei koaxialen, voneinander unabhängig verdrehbaren Ringen (11,12), die bei Relativdrehung die Lamellen (2,3) zusammendrückt. Um einen Aktuator zu schaffen, der möglichst genau und verlustlos arbeitet, ist zur relativen Verdrehung der beiden Ringe (11,12) ein Elektromotor (18) mit mindestens einem Treibrad (20) vorgesehen, der über Zugmittel (21) mit den beiden Ringen (11,12) antriebsverbunden ist. Dabei führen vorn Treibrad (20) zwei Trume (22, 23) des Zugmittels (21) zu den verdrehbaren Ringen (11,12), wobei die Enden der Trume (22,23) an ihrem jeweiligen Ring (11,12) befestigt sind und die beiden Ringe (11,12) unterschiedliche Durchmesser haben.

Description

REIBUNGSKUPPLUNG UND DEREN AKTUATOR

Die Erfindung betrifft Reibungskupplungen mit einem Aktuator, wobei die Reibungskupplung Primär- und Sekundärlamellen und eine Andruckplatte, welche alle koaxial sind, und der Aktuator zwei koaxiale, voneinander unabhängig verdrehbare Ringe aufweist, von denen der erste Ring in achsialer Richtung abgestützt und über mindestens eine Schraubfläche mit dem zweiten Ring wirkverbunden ist, sodass der zweite Ring bei Relativdrehung zwischen den beiden Ringen die Andruckplatte gegen die Kraft einer Feder achsial verschiebt und so die Lamellen zusammendrückt.

Derartige Kupplungen finden im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen zur Steuerung des Sperrgrades von Differentialen oder zum Verstellen der Drehmomentverteilung zwischen zwei angetriebenen Achsen Verwendung. Dazu ist eine sehr genaue und reproduzierbare Einstellung des von der Kupplung zu übertragenden Drehmomentes erforderlich. Die Kupplung muss sehr schnell ausrückbar sein (Bremsen mit ABS), oder von selbst ausrücken (bei Ausfall der Steuerung); sie muss schnell einrückbar sein und in einer Stellung gehalten werden können. Bei all dem soll der Aktuator mit möglichst geringem Gewicht und kleinem Bauraum die zum Zusammenpressen der Lamellen erforderliche erhebliche Kraft mit geringen Verlusten aufbringen.

Eine gattungsgemäße Kupplung mit Aktuator ist in der WO 01/59331 AI der A melderin beschrieben. Bei dieser tragen die verdrehbaren Ringe Hebel, deren Enden auf einer verdrehbaren Steuerscheibe reiten, welche von einem elektrischen Getriebemotor mit hoher Übersetzung angetrieben ist. Wegen der Spiele und Reibungsverluste im Getriebemotor, die zur Selbsthemmung führen können, wodurch ein schnelles Ausrücken unmöglich wird, und weiters wegen hoher Kosten, großen Baugewichtes und schwierigen Einbaues ist diese Lösung nicht befriedigend.

Weiters ist es aus der US 4,976,347 bekannt, jeden der beiden verdrehbaren Ringe mit einem Zahnrad zu versehen, welches jeweils mit einem Zahnrad auf der Motorwelle kämmt. Bei geringfügig unterschiedlicher Zähnezahl ist so ohne ein eigenes Untersetzungsgetriebe eine hohe Über- setzung erreichbar. Dabei aber entstehen in den Verzahnungen erhebliche Reibungsverluste, die zur Selbsthemmung führen können. Gerade die aber muss vermieden werden, wenn die Kupplung bei Ausfall der Steuerung von selbst öffnen soll. Durch die Eigenheiten der Verzahnung (Zahnspiel und Verdrehsteifigkeit des Systemes) treten bei schneller Betätigung Stö- ße auf, die Belastung und Verschleiss des Aktuators erhöhen. Die Reibung hat nicht nur Energieverluste zur Folge, sie erschwert auch das Einstellen des zu übertragenen Drehmomentes durch Messung und Steuerung des Motorstromes. Die Auslegung der Verzahnung ist mit den Einbauerfordernissen schwer in Einklang zu bringen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zu schaffen, der möglichst genau und reibungslos arbeitet, und bei verminderten Kosten und vermindertem Gewicht leicht in einem Gehäuse unterbringbar ist.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass zur Verdrehung der beiden Ringe ein Elektromotor mit mindestens einem Treibrad vorgesehen ist, das (die) über Zugmittel mit den beiden Ringen antriebsverbunden ist (sind). Unter Zugmittel ist jedes Zugkräfte übertragende Übertragungsmittel zu verstehen: zum Beispiel Kette, Seil, Riemen, etc. Das Zugmittel ist nicht nur leichter und billiger als eine Verzahnung, es bringt auch eine erhebliche Verringerung der Reibungsverluste (dadurch keine Selbsthem- mung), vor allem bei der großen Übersetzung zwischen einem hochtouri- gen Elektromotor und der langsamen relativen Verdrehung zwischen den beiden Ringen, die nach dem Stand der Technik ein Mehrstufen- oder Schneckengetriebe erfordern würde.

Die Folge davon sind schnelles und zuverlässiges Öffnen der Kupplung im ABS-Fall und bei Ausfall der Steuerung, reproduzierbare Einstellung des zu übertragenden Drehmomentes. Nebstbei kann das Zugband so ausgebildet sein, dass es Stöße dämpft. Unter Umständen darf es dabei auch auf dem Treibrad rutschen. Ein weiterer Vorteil des Zugmittels besteht darin, dass die Achsen der beiden Räder (Treibrad und Ring) nicht parallel sein müssen. Sie können auch windschief und beliebig weit voneinander entfernt sein. Dadurch ist große Freiheit der Auslegung und Unterbringung des Aktuators, insbesondere des Motors, im/am Gehäuse der Kupplung geschaffen.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist am Elektromotor ein Treibrad vorgesehen, von dem zwei Trume des Zugmittels zu den verdrehbaren Ringen fuhren, und zwar ein Trum zu dem ersten Ring und das zweite Trum zu dem zweiten Ring, wobei die Enden der Trume an ihrem jeweiligen Ring befestigt sind und die beiden Ringe unterschiedliche Durchmesser haben (Anspruch 2). Das Zugmittel ist also nicht geschlossen, sondern von endlicher Länge, es kann den Ring und/oder die Treibrolle auch mehrfach umschlingen. So drehen sich die beiden Ringe mit verschiedener Drehzahl in demselben Drehsinn. Lediglich die Drehzahldifferenz bewirkt das Einrücken beziehungsweise Ausrücken der Kupplung. Das Zugmittel wird dabei durch die Federn in der Kupplung gespannt gehalten, weil diese die beiden Ringe über die mindestens eine Schraubfläche in entgegengesetztem Drehsinn zu verdrehen trachten. Es muss also keine eigene Spannvorrichtung für das Zugmittel vorgesehen sein.

In einer anderen Ausführungsform ist jeder der beiden Ringe mittels eines eigenen Zugmittels mit dem mindestens einen Treibrad antriebsverbunden, wobei die Enden der Zugmittel an ihrem jeweiligen Ring und an dem Treibrad befestigt sind und die beiden Ringe und/oder Treibrad unterschiedliche Durchmesser haben (Anspruch 3). Wegen der beidseitigen Befestigung ist kein Schlupf zwischen dem Zugmittel und seinem Ritzel beziehungsweise seinem Ring möglich. Dank der Kupplungsfeder bleiben wieder beide Zugmittel gespannt.

In einer weiteren Ausfuhrungsform ist jeder der beiden Ringe mittels eines eigenen in sich geschlossenen Zugmittels mit dem mindestens einen Treibrad antriebsverbunden und die beiden Ringe und/oder Treibrad haben unterschiedliche Durchmesser (Anspruch 5). Es sind somit zwei um- laufende Zugmittel vorhanden, auf die sich die Betätigungskräfte verteilen. Für die Ausführung des Zugmittels gibt es verschiedene vorteilhafte Möglichkeiten, je nach Anforderungen und gewählter Ausführungsform: Ist es ein Treibriemen (Anspruch 5), stehen die Dämpfungseigenschaften im Vordergrund; ist es ein Seil (Anspruch 6), insbesondere ein Drahtseil, so kann es auf dem Treibrad beziehungsweise auf den Ringen wie auf einer Trommel in nebeneinander liegenden Schlägen aufgewickelt werden. Dadurch sind besonders hohe Drehzahlen möglich, was einen ruhigen Lauf und sehr kleine Kräfte im Zugmittel bei großer resultierender Kraft ergibt (man denke an einen Flaschenzug).

Auch für die Ausgestaltung der mindestens einen Schraubfläche, die zwischen erstem Ring ist und zweitem Ring wirkt, gibt es verschiedene konstruktive Möglichkeiten. Es könnte eine gewindeartige Nut mit Kugeln sein. Vorzugsweise hat mindestens einer der verdrehbaren Ringe an der dem anderen Ring zugewandten Seite mindestens zwei in Umfangsrich- tung axial ansteigende Rampen, die jeweils mit einem Rollkörper zusammenwirken (Anspruch 7). So hat man ein Maximum an Gestaltungsfreiheit für die Steigung der Rampe, was eine Verteilung der Gesamtuntersetzung zwischen Elektromotor und Achsialbewegung der Kupplungslamellen auf die verschiedenen Übertragungsglieder gestattet, und für deren Ausgestaltung beispielsweise mit rampenformigen Nuten.

Für die Regelung des Motors zum Einstellen eines bestimmten von der Kupplung übertragenen Drehmomentes stehen dank der erfindungsgemäßen Anordnung viele Möglichkeiten offen. Es kann durch den Motorstrom ausgedrückt werden. Es kann aber auch durch die Zugkraft des Zugmittels ausgedrückt werden. Diese ist besonders leicht zu ermitteln, wenn am Zugmittel ein Kraftsensor angreift, der ein Signal angibt, das der Anpresskraft der Andruckplatte (4) entspricht (Anspruch 8). Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Kupplung schematisch im Längsschnitt, in einer ersten Ausfiihrungsform, Fig. 2: Querschnitt zu Fig. 1,

Fig. 3: wie Fig. 1, in einer zweiten Ausfuhrungsform, Fig. 4: Querschnitt zu Fig. 3, Fig. 5: wie Fig. 1, in einer dritten Ausfuhrungsform, Fig. 6: Querschnitt zu Fig. 5.

In Fig. 1, ist eine Reibungskupplung 1 nur teilweise angedeutet. Sie enthält abwechselnd Innenlamellen 2 und Außenlamellen 3 und schließlich eine Andruckplatte 4, die die Lamellen 2, 3 unter Überwindung der Kraft von Kupplungsfedern 5 gegen einen nicht dargestellten Anschlag zusam- menpresst und so die Kupplung einrückt. Der Anschlag ist beispielsweise Teil eines ebenfalls nicht dargestellten Gehäuses, in dem die Außenlamellen 3 drehfest angebracht sind. Das Gehäuse könnte etwa der Primärteil der Kupplung sein und eine Welle 6 der Sekundärteil. Die Kupplungsfedern 5 sind hier als Tellerfedern dargestellt, könnten aber beliebig anders ausgebildet oder angeordnet sein. Jedenfalls trachten sie, die Kupplungslamellen 2, 3 voneinander zu trennen, die Kupplung also zu lösen.

Auf der Welle 6, und um diese frei drehbar, ist ein erster verdrehbarer Ring 11 und ein zweiter verdrehbarer Ring 12 angeordnet. Der erste Ring 11 stützt sich über ein Axiallager 8 auf einem Bund 9 der Welle 6, der zweite Ring 12 über ein Axiallager 7 auf der in Axialrichtung verschiebbaren Andruckplatte 4 ab. Zwischen den beiden Ringen 11, 12 sind Kugeln 15 zu sehen, die in Umfangsrichtung Rampen bildenden Umfangsnu- ten laufen. Dadurch wird bei Relativdrehung zwischen den Ringen 11,12 der zweite Ring 12 im Einrücksinn der Kupplung (in Fig.l nach rechts) bewegt. Für die Anordnung von Nuten und Rollkörpern sind verschiedene Ausführungen bekannt. Die Umwandlung der Relativdrehung zwischen den beiden Ringen 11,12 in eine axiale Bewegung des zweiten Ringes 12 kann im Rahmen der Erfindung auch auf andere Weise erfolgen, etwa durch in einer Zylinderfläche liegenden schraubenförmigen Nuten mit dazwischenliegenden Rollkörpern, in der Art einer Kugelrollspindel.

Am äußeren Umfang des ersten Ringes 11 und des zweiten Ringes 12, sind Angriffsflächen 13,14 für die Zugmittel vorgesehen. Durch Wahl des Radius dieser Angriffsflächen und des Treibrades ist die Übersetzung zwischen Drehzahl des Motors und relativer Verdrehung der Ringe bestimmt. Aus einem abseits der Drehachse 10 vorgesehenen Elektromotor 18 ragt eine Motorwelle 19 mit einem drehfest auf ihr sitzenden Treibrad 20 heraus. Da zwischen dem Motor 18 und dem Treibrad 20 kein Unterset- zungsgetriebe vorgesehen ist, dreht sich dieses mit Motordrehzahl. Das Treibrad 20 ist über ein Zugmittel 21 mit den beiden Ringen 11, 12 antriebsverbunden. Das Zugmittel 21 ist hier ein Seil, etwa ein Drahtseil, und besteht aus zwei Trumen 22,23, wovon das erste zur Angriffsfläche 13 am ersten Ring führt, diese über eine gewisse Bogenlänge oder mehre- re Schläge umschlingt und schließlich mit seinem Ende am ersten Ring 11 befestigt ist. Die Befestigung ist nicht dargestellt. In ähnlicher Weise läuft das zweite Trum 23 vom Treibrad 20 zur Angriffsfläche 14 des zweiten Ringes 12, deren Radius kleiner als der Angriffsfläche 13 am ersten Ring ist.

Wegen der Unterschiede der Radien der beiden Angriffsflächen 13,14 und der Umschlingungsrichtungen drehen sich die beiden Ringe 11,12 hier gleichsinnig, aber mit verschiedener Drehzahl. Bei entsprechender Wahl der Radien der beiden Angriffsflächen 13,14 ist trotz hoher Drehzahl des Treibrads 20 und noch immer hoher Drehzahl der beiden Ringe 11,12 eine sehr kleine Drehzahldifferenz zwischen den beiden Ringen 11,12 und damit eine sehr hohe Kraftübersetzung mit sehr geringen Reibungsverlusten erreichbar. Diese sind so klein, dass die Kraft der Kupplungsfedern 5 aus- reicht, um zwischen den beiden Ringen 11,12 ein Drehmoment zu erzeugen, das bei der in Fig.2 eingezeichneten Drehrichtung A des Treibrads 20 das erste Trum 22 gespannt hält. Schließlich ist noch ein Kraftsensor 24 angedeutet, der bei der bevorzugten Steuerung des Elektromotors 18 über den von ihm aufgenommenen Strom aber überflüssig ist.

Die Ausführungsform der Fig. 3,4 unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, dass an Stelle des einzigen Treibrades ein erstes Treibrad 30 und ein zweites Treibrad 31 vorgesehen sind, die jeweils über ein eigenes Zugmittel 32,33 mit den Ringen 11,12 verbunden sind. Es sind also zwei Zugmittel 32, 33 vorhanden, von denen jedes mit seinen beiden Enden am jeweiligen Treibrad 30,31 und am jeweiligen Ring 11,12 befestigt ist.

Die Ausführungsform der Fig. 5,6 unterscheidet sich von der der Fig.3 dadurch, dass die beiden Zugmittel 52,53 geschlossene umlaufende Riemen (zum Beispiel Treibriemen) sind, die jedes der beiden Treibräder 50,51 in der Art eines gewöhnlichen Riementriebes mit dem jeweiligen Ring 54,55 treibend verbinden.

Claims

A n s p r ü c h e

1. Reibungskupplung mit einem Aktuator, wobei die Reibungskupplung Primär- und Sekundärlamellen (2,3) und eine Andruckplatte (4), und der Aktuator zwei koaxiale, voneinander unabhängig verdrehbare Ringe (11,12) aufweist, von denen der erste Ring in achsialer Richtung abge- stützt ist und über mindestens eine Schraubfläche mit dem zweiten Ring wirkverbunden ist, sodass der zweite Ring bei Relativdrehung der beiden Ringe die Andruckplatte gegen die Kraft einer Feder achsial verschiebt und so die Lamellen zusammendrückt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdrehung der beiden Ringe (11,12;54,55) ein Elektromotor (18) mit mindestens einem Treibrad (20; 30,31; 50,51) vorgesehen ist, das über Zugmittel (21; 32,33; 52,53) mit den beiden Ringen (11,12; 54,55) antriebsverbunden ist.

2. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Elektromotor (18) ein Treibrad (20) vorgesehen ist, von dem zwei

Trume (22, 23) des Zugmittels (21) zu den verdrehbaren Ringen (11,12) führen, und zwar ein erstes Trum (22) zu dem ersten Ring (11) und das zweite Trum (23) zu dem zweiten Ring (12), wobei die Enden der Trume (22,23) an ihrem jeweiligen Ring (11,12) befestigt sind und die beiden

Ringe (11,12) unterschiedliche Durchmesser haben.

3. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Ringe (11,12) mittels eines eigenen Zugmittels (32,33) mit dem mindestens einen Treibrad (30; 30,31) antriebsverbunden ist, wobei die Enden der Zugmittel an ihrem jeweiligen Ring (11,12) und an dem Treibrad (30; 30,31) befestigt sind und die beiden Ringe (11,12) und/oder Treibrad (30; 30,31) unterschiedliche Durchmesser haben.

4. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Ringe (54,55) mittels eines eigenen in sich geschlossenen Zugmittels (52,53) mit dem mindestens einen Treibrad (50,51) antriebsverbunden ist und die beiden Ringe (54,55) und/oder Treibrad (50,51) unterschiedliche Durchmesser haben.

5. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (21; 32,33; 52,53) ein Treibriemen ist.

6. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (21; 32,33) ein Seil ist.

7. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der verdrehbaren Ringe (11,12; 54,55) an der dem anderen Ring zugewandten Seite mindestens zwei in Umfangsrichtung axial ansteigende Rampen aufweist, die jeweils mit einem Rollkörper (15) zusammenwirken.

8. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zugmittel ein Kraftsensor angreift, der ein Signal angibt, das der Anpresskraft der Andruckplatte (4) entspricht.