WO2018166919A1 - Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen verbindung einer motorwelle einer elektrischen maschine mit einem drehmomentübertragenden element - Google Patents

Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen verbindung einer motorwelle einer elektrischen maschine mit einem drehmomentübertragenden element Download PDF

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motor shaft
transmitting element
coupling
speed
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Gerhard Hofer
Wolfgang Schweiger
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D43/00—Automatic clutches
    • F16D43/02—Automatic clutches actuated entirely mechanically
    • F16D43/04—Automatic clutches actuated entirely mechanically controlled by angular speed
    • F16D43/06—Automatic clutches actuated entirely mechanically controlled by angular speed with centrifugal masses actuating axially a movable pressure ring or the like
    • F16D43/08—Automatic clutches actuated entirely mechanically controlled by angular speed with centrifugal masses actuating axially a movable pressure ring or the like the pressure ring actuating friction plates, cones or similar axially-movable friction surfaces
    • F16D43/10—Automatic clutches actuated entirely mechanically controlled by angular speed with centrifugal masses actuating axially a movable pressure ring or the like the pressure ring actuating friction plates, cones or similar axially-movable friction surfaces the centrifugal masses acting directly on the pressure ring, no other actuating mechanism for the pressure ring being provided

Definitions

  • the present invention relates to a coupling arrangement for the torque and speed-dependent connection of a motor shaft of an electric machine with a torque transmitting element comprising the motor shaft of the electric machine, the torque transmitting element, a clutch, wherein the torque transmitting member via the clutch is drivingly connectable to the motor shaft, and a centrifugal mechanism.
  • Electric machines used in vehicles for traction or traction improvement are optimized in terms of power density and required space.
  • high-revving machine concepts are used.
  • the resulting speed level must be in accordance with the driving speed proportional speed level of the driven axle be reduced by a suitable reduction gear.
  • This mechanical reduction causes a large moment of inertia of electric machine and reduction gear, which acts on axle level.
  • braking intervention for example ABS braking, or a sudden change in the coefficient of friction between the tire and the road can damage or even destroy components in the drive train due to the high mass moment of inertia of the electric machine and reduction gear acting on the axle level.
  • one or more electrical machines are used for traction in addition to an internal combustion engine.
  • the electric machine can often only cover part of the speed range. This means that at higher vehicle speeds, the electric machine must also be decoupled here in order not to damage it.
  • the object is achieved by a coupling arrangement for the torque and speed-dependent connection of a motor shaft of an electrical machine with a torque-transmitting element comprising the motor shaft of the electric machine, the torque-transmitting element, a clutch, wherein the torque transmitting member is drivingly connectable to the motor shaft via the clutch, and a centrifugal mechanism, the clutch being operable via the centrifugal mechanism in response to the rotational speed of the motor shaft such that the maximum torque transmittable by the motor shaft to the torque transmitting member is increasing speed of the motor shaft decreases to a decoupling speed and that the motor shaft is completely decoupled from reaching the decoupling speed of the torque transmitting element.
  • the clutch assembly according to the invention comprises a motor shaft of an electric machine, a torque-transmitting element, a clutch and a centrifugal mechanism.
  • the torque-transmitting element and the motor shaft can be connected to drive via the coupling.
  • the motor shaft can be connected directly via the coupling arrangement with the torque-transmitting element.
  • the motor shaft can also be connected indirectly via the coupling arrangement with the torque-transmitting element. This is done for example by the clutch assembly is arranged on an intermediate shaft, for example, after a reduction gear stage, in the drive train between the electric machine and a drive axle, that is generally between a first shaft and a second shaft.
  • the clutch can be actuated via the centrifugal force mechanism as a function of the rotational speed of the shaft in such a way that the maximum torque that can be transmitted from the shaft to the torque-transmitting element, or conversely the torque which can be transmitted by the torque-transmitting element to the shaft, increases as the rotational speed of the shaft increases Decoupling speed decreases and that the shaft from reaching the decoupling speed completely from the torque-transmitted the element is decoupled.
  • the maximum transmittable torque can be limited at constant speed.
  • the centrifugal mechanism is thus connected to the clutch in such a way that the maximum of the shaft on the torque transmitting element, or vice versa, transferable torque decreases with increasing speed of the shaft, up to a maximum speed, namely the decoupling speed at which Finally, the shaft completely decoupled from the torque transmitting element.
  • the coupling arrangement according to the invention thus serves as a protective device for limiting unacceptably high torques and speeds.
  • an electrical machine can be protected from exceeding a maximum permissible limit speed (decoupling speed). Due to the torque and speed-dependent decoupling of the motor shaft also all components of the drive train, are protected from the electric machine to the axis of the motor vehicle against unacceptably high loads. Further developments of the invention are specified in the dependent claims, the description and the accompanying drawings.
  • the clutch may be designed as a frictional clutch or as a positive coupling.
  • the centrifugal mechanism preferably has a pressure element, wherein the pressure element is axially movable and is biased by a biasing means axially against the coupling.
  • the term "axial” describes a direction parallel or along a rotation axis of the motor shaft.
  • the centrifugal force mechanism preferably has a plurality of centrifugal force elements, which are each radially guided in a guide element in the interior of the pressure element. Furthermore, the centrifugal mechanism preferably has an axially fixed control geometry and an axially movable control geometry.
  • radial describes a direction normal to the axis of rotation of the motor shaft.
  • the torque transmitting member, the clutch and the centrifugal mechanism are arranged in a preferred embodiment of the present invention on a hub which is fixedly connected to the motor shaft.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section of a coupling arrangement according to the invention at standstill of the motor shaft or a speed below the decoupling speed.
  • FIG. 2 shows a cross section along the sectional plane A - A of a coupling arrangement according to the invention according to FIG. 1.
  • Fig. 3 shows a longitudinal section of a coupling arrangement according to the invention in a decoupled state, ie after Exceeding the decoupling speed. shows a cross section along the sectional plane BB of a coupling arrangement according to the invention according to FIG. 3 shows an isometric view of a coupling arrangement according to the invention. shows an exemplary speed and Drehmomentcharakte ristics, for which the clutch assembly according to the invention is adaptable. shows a further exemplary speed and torque characteristics for which the clutch assembly according to the invention is adaptable.
  • FIGS. 1 to 4 show a coupling arrangement 1 according to the invention in a coupled state (FIGS. 1, 2) as well as in a decoupled state (FIGS. 3, 4).
  • the clutch assembly 1 comprises a motor shaft 2, a torque-transmitting element 3, a clutch 4 and a centrifugal mechanism 5.
  • the clutch assembly 1 is arranged on a hub 11.
  • the hub 1 1 is fixedly connected to the motor shaft 2.
  • the exact nature of the motor shaft-hub connection plays no role for the function of the coupling arrangement 1 - all currently known in the prior art connection methods are applicable here. It is also possible to put the clutch assembly 1 without hub directly on the motor shaft 2.
  • the motor shaft 2 represents the motor shaft 2 of an electric machine (not shown).
  • the centrifugal force mechanism 5 is arranged axially between the pretensioning device 7 and the clutch 4 and the torque-transmitting element 3 on the hub 11 (FIGS. 1, 3).
  • the torque-transmitting element 3 is formed in the present exemplary embodiment of the clutch assembly 1 according to the invention as a gear 3 '.
  • the gear 3 ' is centered on the hub 1 1.
  • a slide bearing is provided for supporting the gear 3 ', but a roller bearing can also be used.
  • the motor shaft 2 In the coupled state of the clutch assembly 1, the motor shaft 2 is drivingly coupled to the gear 3 'and thus a drive power can be transmitted from the motor shaft 2 to the gear 3', or vice versa. This is the case at standstill of a motor vehicle or a speed below a decoupling speed.
  • the motor shaft 2 with the gear 3 ' is not driven and thus can not drive power from the motor shaft 2 to the gear 3', or vice versa, transferred. This is the case when the decoupling speed is exceeded.
  • the clutch 4 of the clutch assembly 1 is formed as a frictional clutch 4 '.
  • the friction clutch 4 ' comprises in the exemplary embodiment
  • the first friction disk 13 ' is, with reference to FIGS. 1 and 3, to the left of the gear wheel 3', more precisely axially between the centrifugal force mechanism 5 and the gear wheel 3 ', non-rotatably but axially displaceably arranged on the hub 1 1.
  • the second friction disc 13 is rotatable with respect to Fig. 1 and Fig. 3 right to the gear 3', more precisely axially between the gear 3 'and an axial stop 16 However, axially displaceable on the hub 1 1 arranged.
  • the toothed wheel 3 ' can be frictionally connected with the hub 1 1 via the two friction discs 13', 13 "in an effective manner.
  • the axial stop 16 is formed in one piece with the hub 11.
  • the centrifugal mechanism 5 has a substantially annular pressure element 6, wherein the pressure element 6 is axially movable and is biased by a biasing device 7 axially against the frictional coupling 4 '.
  • the pressure element 6 has an axially movable control geometry 6 '.
  • the term "axial” describes a direction parallel or along a rotation axis 12 of the motor shaft 2.
  • the biasing device 7 comprises an axial fuse 14 and plate springs 15, wherein the plate springs 15 between the axial securing 14 and the pressure element 6 are arranged such that they In this way, the two friction plates 13 ', 13 "of the frictional clutch 4' receive the necessary axial prestressing via the pressure element 6.
  • the design of the pretensioning device 7 does not matter for the function of the coupling arrangement 1 , It can, for example, other spring elements, such as a coil spring, a wave spring package, etc., are used or, for example, a hydraulic biasing device 7 can be used.
  • the centrifugal force mechanism 5 furthermore has a plurality of centrifugal force elements 8 in the form of balls 8 ', which are each radially guided in a guide element 9 in the interior of the pressure element 6.
  • the centrifugal elements 8 can also be designed as a lever.
  • the centrifugal mechanism 5 has an axially fixed control geometry 10, which is arranged axially non-movably on the hub 11 - the axially fixed control geometry 10 is axially fixed on the hub 11 via a further axial securing means 18.
  • radial describes a direction normal to the axis of rotation 12 of the motor shaft 2.
  • the centrifugal force elements 8 designed as balls 8 'and movable in the radial direction via a guide element 9 cause a displacement of the pressure element 6 relative to the axially fixed control geometry 10 as a result of the centrifugal force increasing quadratically with the speed of the motor shaft 2 causes a reduction of the axial preload on the friction plates 13 ', 13 "of the frictional coupling 4' and leads to a reduction of the maximum transmittable torque.
  • the decoupling speed is essentially controlled by the parameters number, size and density of the balls 8 ', the diameter and the pressure angles of the axially movable control geometry 6' and the axially fixed control geometry 10 and the biasing force and the spring rate of the spring assembly 15.
  • the torque 21 is plotted against the rotational speed 22.
  • the differences in the two diagrams to each other arise only from the different choice of an electrical machine and the different dimensions of the coupling assembly 1 as a function of the electrical machine.
  • the diagrams each show two characteristics, namely a first characteristic curve 19 and a second characteristic curve 20.
  • the first characteristic curve 19, namely the dashed line respectively describes the limit curve of the torque-rotational speed characteristic of the electrical machine.
  • the second characteristic 20 namely the solid line, describes in each case the characteristic of the electric machine in combination with the clutch arrangement 1 according to the invention.
  • the maximum transferable by the clutch assembly 1 torque 21 is speed-dependent and decreases with increasing speed 22.
  • the maximum torque of the clutch assembly 1 21 in the active speed range of the electric machine is always higher than the maximum torque 21 of the electric machine. Above the speed 22 of the active operating range of the electric machine, the transmittable torque 21 of the clutch assembly 1 drops to zero and thus prevents exceeding of the permissible limit speed of the electric machine. LIST OF REFERENCES

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Kupplungsanordnung (1) zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle (2) einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element (3) umfassend die Motorwelle (2) der elektrischen Maschine, das drehmomentübertragende Element (3), eine Kupplung (4), wobei das drehmomentübertragende Element (3) über die Kupplung (4) antriebswirksam mit der Motorwelle (2) verbindbar ist, und einen Fliehkraftmechanismus (5), wobei die Kupplung (4) über den Fliehkraftmechanismus (5) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Motorwelle (2) derart betätigbar ist, dass das von der Motorwelle (2) auf das drehmomentübertragende Element (3) maximal übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Motorwelle (2) bis hin zu einer Entkopplungsdrehzahl sinkt und dass die Motorwelle (2) ab Erreichen der Entkopplungsdrehzahl vollständig von dem drehmomentübertragenden Element (3) entkoppelt ist.

Description

Kupplunqsanordnunq zur drehmoment- und drehzahlabhänqiqen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertraqenden Element
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element umfassend die Motorwelle der elektrischen Maschine, das drehmomentübertragende Element, eine Kupplung, wobei das drehmomentübertragende Element über die Kupplung antriebswirksam mit der Motorwelle verbindbar ist, sowie einen Fliehkraftmechanismus.
Stand der Technik
In modernen Antriebssträngen kommen zusätzlich zur Verbrennungskraftmaschi- ne immer häufiger auch elektrische Maschinen zur Unterstützung beim Beschleunigen („Boosten") bzw. zum Rückgewinnen der Bewegungsenergie beim Verzögern („Rekuperieren") zum Einsatz. Auch das rein elektrische Fahren im unteren Geschwindigkeitsbereich, zum Beispiel„eParking", gewinnt zunehmend an Bedeutung.
Elektrische Maschinen, die in Fahrzeugen zur Traktion bzw. zur Traktionsverbesserung eingesetzt werden, sind hinsichtlich Leistungsdichte und benötigtem Bauraum optimiert. Um trotz kompakter Bauweise ausreichende Fahrleistungen zu erzielen, kommen hochdrehende Maschinenkonzepte zur Anwendung. Das dabei resultierende Drehzahlniveau muss entsprechend dem zur Fahrgeschwindigkeit proportionalen Drehzahlniveau der angetriebenen Radachse durch ein geeignetes Reduktionsgetriebe untersetzt werden. Diese mechanische Untersetzung verursacht ein großes Massenträgheitsmoment von elektrischer Maschine und Reduktionsgetriebe, welches auf Achsniveau wirkt. In hochdynamischen Fahrsituationen kann ein Bremseneingriff, zum Beispiel eine ABS-Bremsung, oder eine sprunghafte Änderung des Reibwertes zwischen Reifen und Straße durch das auf Achsniveau wirkende hohe Massenträgheitsmoment von elektrischer Maschine und Reduktionsgetriebe Komponenten im Antriebsstrang schädigen oder sogar zerstören. Bei Hybrid-Kraftfahrzeugen werden neben einer Verbrennungskraftmaschine auch eine oder mehrere elektrische Maschinen zur Traktion verwendet. Abhängig vom Grad der Hybridisierung kann die elektrische Maschine oft nur einen Teil des Geschwindigkeitsbereichs abdecken. Dies bedeutet, bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten muss auch hier die elektrische Maschine entkoppelt werden um diese nicht zu schädigen.
Zusammenfassung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element anzugeben, die sich durch eine zuverlässige Funktionsweise ohne externe Ansteuerung sowie durch eine einfache und kompakte Bauweise und damit durch ein bauraum- und kostenoptimiertes Design auszeichnet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element umfassend die Motorwelle der elektrischen Maschine, das drehmomentübertragende Element, eine Kupplung, wobei das drehmomentübertragende Element über die Kupplung antriebswirksam mit der Motorwelle verbindbar ist, und einen Fliehkraftmechanismus, wobei die Kupplung über den Fliehkraftmechanismus in Abhängigkeit von der Drehzahl der Motorwelle derart betätigbar ist, dass das von der Motorwelle auf das drehmomen- tübertragende Element maximal übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Motorwelle bis hin zu einer Entkopplungsdrehzahl sinkt und dass die Motorwelle ab Erreichen der Entkopplungsdrehzahl vollständig von dem drehmomentübertragenden Element entkoppelt ist. Die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung umfasst eine Motorwelle einer elektrischen Maschine, ein drehmomentübertragendes Element, eine Kupplung und einen Fliehkraftmechanismus.
Über die Kupplung sind das drehmomentübertragende Element und die Motorwel- le antriebswirksam verbindbar. Die Motorwelle kann dabei direkt über die Kupplungsanordnung mit dem drehmomentübertragenden Element verbindbar sein. Die Motorwelle kann jedoch auch indirekt über die Kupplungsanordnung mit dem drehmomentübertragenden Element verbindbar sein. Dies erfolgt beispielsweise indem die Kupplungsanordnung an einer Zwischenwelle, zum Beispiel nach einer Reduktionsgetriebestufe, im Antriebsstrang zwischen der elektrischen Maschine und einer Antriebsachse angeordnet ist, also im Allgemeinen zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle.
Die Kupplung ist über den Fliehkraftmechanismus in Abhängigkeit von der Dreh- zahl der Welle derart betätigbar, dass das von der Welle auf das drehmomentübertragende Element, oder umgekehrt das von dem drehmomentübertragenden Element auf die Welle maximal übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Welle bis hin zu einer Entkopplungsdrehzahl sinkt und dass die Welle ab Erreichen der Entkopplungsdrehzahl vollständig von dem drehmomentübertragen- den Element entkoppelt ist. Zusätzlich ist derart bei konstanter Drehzahl das maximal übertragbare Drehmoment begrenzbar.
Der Fliehkraftmechanismus ist mit der Kupplung somit in solcher Art und Weise verbunden, dass das maximal von der Welle auf das drehmomentübertragende Element, oder umgekehrt, übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Welle sinkt, bis hin zu einer Maximaldrehzahl, nämlich der Entkopplungsdrehzahl, bei der sich die Welle schließlich vollständig von dem drehmomentübertragenden Element entkoppelt. Die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung dient somit als Schutzvorrichtung zur Begrenzung unzulässig hoher Drehmomente und Drehzahlen.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung kann eine elektrische Maschine vor dem Überschreiten einer maximal zulässigen Grenzdrehzahl (Entkopplungsdrehzahl) geschützt werden. Durch die drehmoment- und drehzahlabhängige Entkopplung der Motorwelle werden zudem alle Komponenten des Antriebsstranges, von der elektrischen Maschine bis hin zur Achse des Kraftfahrzeugs vor unzulässig hohen Belastungen geschützt. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Die Kupplung kann als eine reibschlüssige Kupplung oder als eine formschlüssige Kupplung ausgebildet sein.
Der Fliehkraftmechanismus weist bevorzugt ein Druckelement auf, wobei das Druckelement axial bewegbar ist und über eine Vorspanneinrichtung axial gegen die Kupplung vorgespannt ist. Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung parallel oder entlang einer Drehachse der Motorwelle.
Weiterhin bevorzugt weist der Fliehkraftmechanismus mehrere Fliehkraftelemente auf, die in einem Führungselement im Inneren des Druckelements jeweils radial geführt sind. Des Weiteren weist der Fliehkraftmechanismus vorzugsweise eine axial feste Steuergeometrie und eine axial bewegbare Steuergeometrie auf.
Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse der Motorwelle.
Das drehmomentübertragende Element, die Kupplung und der Fliehkraftmechanismus sind in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einer Nabe angeordnet, die mit der Motorwelle fest verbunden ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäße Kupplungsanordnung bei Stillstand der Motorwelle oder einer Drehzahl unterhalb der Entkopplungsdrehzahl.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung gemäß Fig. 1 .
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung in einem entkoppelten Zustand, d.h. nach Überschreitung der Entkopplungsdrehzahl. zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene B-B einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung gemäß Fig. 3. zeigt isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung. zeigt eine beispielhafte Drehzahl- und Drehmomentcharakte ristik, für welche die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung adaptierbar ist. zeigt eine weitere beispielhafte Drehzahl- und Drehmomentcharakteristik, für welche die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung adaptierbar ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung 1 in einem gekoppelten Zustand (Fig. 1 , Fig. 2) wie auch in einem entkoppelten Zustand (Fig. 3, Fig. 4).
Die Kupplungsanordnung 1 umfasst eine Motorwelle 2, ein drehmomentübertra- gendes Element 3, eine Kupplung 4 sowie einen Fliehkraftmechanismus 5. Die Kupplungsanordnung 1 ist auf einer Nabe 1 1 angeordnet. Die Nabe 1 1 ist fest mit der Motorwelle 2 verbunden. Die genaue Art der Motorwelle-Nabe-Verbindung spielt für die Funktion der Kupplungsanordnung 1 keine Rolle - alle derzeit dem Stand der Technik entsprechenden Verbindungsmethoden sind hier anwendbar. Es ist auch möglich die Kupplungsanordnung 1 ohne Nabe direkt auf die Motorwelle 2 zu setzen.
Die Motorwelle 2 stellt die Motorwelle 2 einer elektrischen Maschine (nicht darge- stellt) dar.
Der Fliehkraftmechanismus 5 ist axial zwischen der Vorspanneinrichtung 7 und der Kupplung 4 sowie dem drehmomentübertragenden Element 3 auf der Nabe 1 1 angeordnet (Fig. 1 , Fig. 3).
Das drehmomentübertragende Element 3 ist in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 als Zahnrad 3' ausgebildet. Das Zahnrad 3' ist auf der Nabe 1 1 zentriert gelagert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel (Fig. 1 - Fig. 5) ist eine Gleitlagerung zur Lagerung des Zahnrads 3' vorgesehen, jedoch kann eine Wälzlagerung ebenso eingesetzt werden.
Im gekoppelten Zustand der Kupplungsanordnung 1 ist die Motorwelle 2 mit dem Zahnrad 3' antriebswirksam gekoppelt und es kann so eine Antriebsleistung von der Motorwelle 2 auf das Zahnrad 3', oder umgekehrt, übertragen werden. Dies ist bei Stillstand eines Kraftfahrzeugs oder einer Drehzahl unterhalb einer Entkopplungsdrehzahl der Fall.
Im entkoppelten Zustand der Kupplungsanordnung 1 ist die Motorwelle 2 mit dem Zahnrad 3' antriebswirksam nicht gekoppelt und es kann so keine Antriebsleistung von der Motorwelle 2 auf das Zahnrad 3', oder umgekehrt, übertragen werden. Dies ist bei Überschreitung der Entkopplungsdrehzahl der Fall.
Die Kupplung 4 der Kupplungsanordnung 1 ist als reibschlüssige Kupplung 4' ausgebildet. Die reibschlüssige Kupplung 4' umfasst in der beispielhaften Ausfüh- rungsvariante zwei Reibscheiben, nämlich eine erste Reibscheibe 13' und eine zweite Reibscheibe 13". Die erste Reibscheibe 13' ist in Bezug auf Fig. 1 und Fig. 3 links neben dem Zahnrad 3', genauer axial zwischen dem Fliehkraftmechanismus 5 und dem Zahnrad 3', drehfest jedoch axial verschiebbar auf der Nabe 1 1 angeordnet. Die zweite Reibscheibe 13" ist in Bezug auf Fig. 1 und Fig. 3 rechts neben dem Zahnrad 3', genauer axial zwischen dem Zahnrad 3' und einem axialen Anschlag 16, drehfest jedoch axial verschiebbar auf der Nabe 1 1 angeordnet. Das Zahnrad 3' ist über die beiden Reibscheiben 13', 13" reibschlüssig mit der Nabe 1 1 antriebswirksam verbindbar. Der axiale Anschlag 16 ist einteilig mit der Nabe 1 1 ausgebildet.
Der Fliehkraftmechanismus 5 weist ein im Wesentlichen ringförmig ausgebildetes Druckelement 6 auf, wobei das Druckelement 6 axial bewegbar ist und über eine Vorspanneinrichtung 7 axial gegen die reibschlüssige Kupplung 4' vorgespannt ist. Das Druckelement 6 weist eine axial bewegbare Steuergeometrie 6' auf.
Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung parallel oder entlang einer Drehachse 12 der Motorwelle 2. Die Vorspanneinrichtung 7 umfasst eine axiale Sicherung 14 und Tellerfedern 15, wobei die Tellerfedern 15 zwischen der axialen Sicherung 14 und dem Druckelement 6 derart angeordnet sind, dass sie das Druckelement 6 in Richtung der reibschlüssigen Kupplung 4' vorspannen. Derart erhalten die beiden Reibscheiben 13', 13" der reibschlüssigen Kupplung 4' die notwendige axiale Vorspannung über das Druckelement 6. Die Ausbildung der Vorspanneinrichtung 7 spielt hierbei für die Funktion der Kupplungsanordnung 1 keine Rolle. Es können beispielsweise andere Federelemente, wie beispielsweise eine Spiralfeder, ein Wellenfederpaket etc., verwendet werden oder zum Beispiel auch eine hydraulische Vorspanneinrichtung 7 eingesetzt werden. Der Fliehkraftmechanismus 5 weist weiterhin mehrere Fliehkraftelemente 8 in Form von Kugeln 8' auf, die in einem Führungselement 9 im Inneren des Druckelements 6 jeweils radial geführt sind. Die Fliehkraftelemente 8 können jedoch auch als Hebel ausgeführt sein. Des Weiteren weist der Fliehkraftmechanismus 5 eine axial feste Steuergeometrie 10 auf, die axial nicht bewegbar auf der Nabe 1 1 angeordnet ist - die axial feste Steuergeometrie 10 ist über eine weitere axiale Sicherung 18 axial auf der Nabe 1 1 festgelegt.
Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse 12 der Motorwelle 2.
Bei steigender Drehzahl werden die Kugeln 8' durch die Zentrifugalkraft immer stärker radial nach außen gedrückt. Die Richtung in der die Fliehkraft wirkt und somit die Bewegungsrichtung der Kugeln 8' wird durch die Richtungspfeile 17 in Fig. 3 und Fig. 4 angezeigt. Die als Kugeln 8' ausgeführten und in radialer Richtung über ein Führungselement 9 beweglich geführten Fliehkraftelemente 8 bewirken zufolge der quadratisch mit der Drehzahl der Motorwelle 2 steigenden Zentrifugalkraft über die axial bewegbare Steuergeometrie 6' eine Verschiebung des Druckelements 6 relativ zur axial festen Steuergeometrie 10. Dies bewirkt eine Verringerung der axialen Vorspannung auf die Reibscheiben 13', 13" der reibschlüssigen Kupplung 4' und führt zu einer Reduktion des maximal übertragbaren Drehmoments.
Bei Überschreiten der Entkopplungsdrehzahl (Fig. 3, Fig. 4) führen die durch die Fliehkraft nach außen gedrückten Kugeln 8' zu einem vollständigen Abheben des Druckelements 6 von der der formschlüssigen Kupplung 4', genauer der ersten Reibscheibe 13' der reibschlüssigen Kupplung 4', und damit zu einer Entkoppelung von Zahnrades 3' und Motorwelle 2. Die Entkopplungsdrehzahl wird im Wesentlichen von den Parametern Anzahl, Größe und Dichte der Kugeln 8', dem Durchmesser und den Druckwinkeln der axial bewegbaren Steuergeometrie 6' sowie der axial festen Steuergeometrie 10 und der Vorspannkraft sowie der Federrate des Federpakets 15 gesteuert.
In den Diagrammen in Fig. 6 und Fig. 7 ist jeweils das Drehmoment 21 über der Drehzahl 22 aufgetragen. Die Unterschiede in den beiden Diagrammen zueinander ergeben sich lediglich aus der unterschiedlichen Wahl einer elektrischen Maschine und der unterschiedlichen Dimensionierung der Kupplungsanordnung 1 in Abhängigkeit von der elektrischen Maschine. Die Diagramme zeigen jeweils zwei Kennlinien, nämlich eine erste Kennlinie 19 und eine zweite Kennlinie 20. Die erste Kennlinie 19, nämlich die gestrichelte Linie, beschreibt jeweils die Grenzkurve der Drehmoment-Drehzahl Charakteristik der elektrischen Maschine. Mit steigender Drehzahl 22 sinkt das maximale Drehmoment 21 . Die zweite Kennlinie 20, nämlich die durchgezogene Linie, beschreibt jeweils die Charakteristik der elektrischen Maschine in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 . Das von der Kupplungsanordnung 1 maximal übertragbare Drehmoment 21 ist drehzahlabhängig und sinkt mit steigender Drehzahl 22. Dabei ist das von der Kupplungsanordnung 1 maximal übertragbare Drehmoment 21 im aktiven Dreh- zahlbereich der elektrischen Maschine stets höher als das maximale Drehmoment 21 der elektrischen Maschine. Oberhalb der Drehzahl 22 des aktiven Betriebsbereichs der elektrischen Maschine sinkt das übertragbare Drehmoment 21 der Kupplungsanordnung 1 auf Null und verhindert somit ein Überschreiten der zulässigen Grenzdrehzahl der elektrischen Maschine. Bezuqszeichenliste
I Kupplungsanordnung
2 Motorwelle (einer elektrischen Maschine)
3 Drehmomentübertragendes Element 3' Zahnrad
4 Kupplung
4' Reibschlüssige Kupplung
5 Fliehkraftmechanismus
6 Druckelement
6' Axial bewegbare Steuergeometrie
7 Vorspanneinrichtung
8 Fliehkraftelement
8' Kugel
9 Führungselement
10 Axial feste Steuergeometrie
I I Nabe
12 Drehachse (der Motorwelle)
13', 13" Reibscheibe
14 Axiale Sicherung
15 Tellerfeder
16 Axialer Anschlag
17 Richtungspfeil
18 Weitere axiale Sicherung
19 Erste Kennlinie
20 Zweite Kennlinie
21 Drehmoment
22 Drehzahl

Claims

Patentansprüche
Kupplungsanordnung (1 ) zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle (2) einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element (3) umfassend
- die Motorwelle (2) der elektrischen Maschine,
- das drehmomentübertragende Element (3),
- eine Kupplung (4), wobei das drehmomentübertragende Element (3) über die Kupplung (4) antriebswirksam mit der Motorwelle (2) verbindbar ist, und
- einen Fliehkraftmechanismus (5), wobei die Kupplung (4) über den
Fliehkraftmechanismus (5) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Motorwelle (2) derart betätigbar ist, dass das von der Motorwelle (2) auf das drehmomentübertragende Element (3) maximal übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Motorwelle (2) bis hin zu einer Entkopplungsdrehzahl sinkt und dass die Motorwelle (2) ab Erreichen der Entkopplungsdrehzahl vollständig von dem drehmomentübertragenden Element (3) entkoppelt ist.
Kupplungsanordnung (1 ) nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kupplung (4) eine reibschlüssige Kupplung (4') oder eine formschlüssige Kupplung ist. Kupplungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fliehkraftmechanismus (5) ein Druckelement (6) aufweist, wobei das Druckelement (6) axial bewegbar ist und über eine Vorspanneinrichtung (7) axial gegen die Kupplung (4) vorgespannt ist.
Kupplungsanordnung (1) nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fliehkraftmechanismus (5) mehrere Fliehkraftelemente (8) aufweist, die in einer Führungselement (9) im Inneren des Druckelements (6) jeweils radial geführt sind und dass der Fliehkraftmechanismus (5) eine axial feste Steuergeometrie (10) und eine axial bewegbare Steuergeometrie (6') aufweist.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das drehmomentübertragende Element (3), die Kupplung (4) und der Fliehkraftmechanismus (5) auf einer Nabe (11) angeordnet sind, die mit der Motorwelle (2) verbunden ist.
PCT/EP2018/055943 2017-03-14 2018-03-09 Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen verbindung einer motorwelle einer elektrischen maschine mit einem drehmomentübertragenden element Ceased WO2018166919A1 (de)

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