WO2018215205A1 - Antriebsstrang mit thermischer überlastsicherung - Google Patents

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WO2018215205A1
WO2018215205A1 PCT/EP2018/061940 EP2018061940W WO2018215205A1 WO 2018215205 A1 WO2018215205 A1 WO 2018215205A1 EP 2018061940 W EP2018061940 W EP 2018061940W WO 2018215205 A1 WO2018215205 A1 WO 2018215205A1
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WO
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drive
thermal
drive train
critical temperature
overload protection
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PCT/EP2018/061940
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nikola Brk
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F16D9/00—Couplings with safety member for disconnecting, e.g. breaking or melting member
    • F16D9/02—Couplings with safety member for disconnecting, e.g. breaking or melting member by thermal means, e.g. melting member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F16D9/00—Couplings with safety member for disconnecting, e.g. breaking or melting member
    • F16D9/06—Couplings with safety member for disconnecting, e.g. breaking or melting member by breaking due to shear stress
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B31/021—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load by means of a frangible part

Definitions

  • the present invention relates to a drive train.
  • Overload clutches known from the prior art which are arranged in the load flow of a drive, act on torque overload, so that they trigger in the event of mechanical overload. If a preset limit torque has been reached, they decouple a drive element from an output element and thus prevent damage.
  • overload clutches on shear bolts, which break under mechanical overload, so when the preset limit torque is reached or exceeded.
  • slipping overload clutches are known. Such clutches may have balls that transmit the torque and are pressed against a spring force from a certain torque from its seat and cause disengagement. Alternatively, such clutches can transmit the torque frictionally, and it comes with overload to slip between frictionally connected torque-transmitting elements.
  • a component of the drive train in particular a bearing or a toothing, may already fail before the preset limit torque has been reached. This can lead to a failure of the drive train despite the overload clutch, since the overload clutch triggers only when reaching the preset limit torque.
  • a drive train comprising a drive element, an output element and a thermal overload protection.
  • the thermal overload protection is designed such that below a critical temperature there is a connection between the drive element and the driven element and above the critical temperature, the drive element and the driven element are mechanically decoupled from each other. For example, there is a positive and / or non-positive connection between the drive element and the output element.
  • the basic idea of the invention is that a transmission of motion from the drive element to the output element is dependent on an ambient temperature in the drive train.
  • the thermal overload protection thus interrupts torque transmission through the powertrain due to excessive temperature, which can potentially cause damage to the powertrain.
  • the mechanical decoupling above a critical temperature prevents a safety-critical blocking, which can prevent damage in the drive train. It is ensured that the components of the drive train are not weakened due to the thermal load so that they are already damaged before reaching a torque overload protection due to the forces acting.
  • the thermal overload protection thus protects the powertrain from overheating, which occurs, for example, in the absence of lubrication. A cost effective way is thus created to effectively protect a powertrain.
  • the critical temperature may correspond to a tempering temperature in the annealing process of a metal or a melting temperature of a plastic.
  • the drive element, the output element and the thermal overload protection can be part of a transmission.
  • a torque to be translated may be applied to the drive element, for example by an engine of the motor vehicle.
  • the drive element and the output element can be designed such that a torque of the drive element can be transmitted to the output element.
  • the drive element may preferably transmit a torque to the output element, which converts the torque and transmits to at least one further element, for example a wheel of the motor vehicle.
  • the transmission of the torque from the drive element to the output element can be done on the basis of a positive and / or non-positive connection via the thermal overload protection.
  • the overload protection is designed according to an embodiment as a thermal coupling, in particular as a thermal overload clutch.
  • a thermal coupling in particular as a thermal overload clutch.
  • it can assume an open position in which no torque is transmitted, and a closed position in which a torque is transmitted.
  • the thermal coupling ensures that it can react quickly to changing temperatures, so that the thermal coupling triggers when the critical temperature has been reached or exceeded.
  • a temperature which is below the critical temperature preferably prevails in the vicinity of the drive train.
  • the temperature may rise above the critical temperature. This is also called a critical operating condition.
  • a fluid for example, a Schmierbeck. Transmission oil to reduce friction and dissipate heat loss in the powertrain environment.
  • higher-viscous fluids such as lubricating greases are also used to additionally shield components against dirt.
  • the thermal overload fuse may comprise at least one thermal fuse element.
  • the function of thermal overload protection can be provided.
  • the at least one thermal securing element can act in the circumferential direction or in the axial direction.
  • a plurality of securing elements are provided which, for example, have different effective directions.
  • the thermal fuse element can be designed such that it changes its mechanical properties above the critical temperature. For example, that loses Fuse element above the critical temperature of strength, so that it is yielding or can be bent.
  • the securing element can be formed as a bolt, in particular as a threaded bolt, or as a spring.
  • Such security elements are particularly simple and inexpensive to produce, whereby the manufacturing and repair costs for the thermal overload protection are low, if the thermal overload protection has triggered.
  • the fuse element melts above the critical temperature.
  • the fuse element first loses strength, causing the thermal overload protection triggers.
  • the securing element can be designed such that it breaks above the critical temperature and a predefined force.
  • the volume of the fuse element may decrease or increase above the critical temperature.
  • the securing element is designed as an expansion element, which decreases above the critical temperature.
  • the fuse element may expand above the critical temperature.
  • the securing element is thermally reversible. As soon as the temperature drops below the critical temperature, the fuse element returns to its original state.
  • the at least one securing element has a shape memory alloy, so that it always returns to its original shape when the temperature drops below the critical temperature.
  • the at least one thermal securing element can be arranged between the drive element and the driven element.
  • the at least one thermal securing element can provide a mechanical, in particular positive, connection between the drive element and the driven element.
  • this is at least one thermal Secured element arranged in the radial direction between the drive element and the output element.
  • the at least one securing element may alternatively act in the axial direction on the drive or the driven element.
  • the at least one thermal securing element can act axially against at least one claw which attempts via a spring element, in particular a plate or helical spring, to lay itself out.
  • the spring element can be omitted if the at least one claw has bevels, so that it interprets itself due to the drive power, if the thermal overload protection is triggered.
  • a torque flow in the drive train is mechanically interrupted above the critical temperature.
  • the advantage can be achieved that components of the drive train are protected, in particular against mechanical overloading.
  • the thermal overload protection protects against mechanical overload, since it mechanically interrupts the torque flow.
  • Another advantage of the invention is that in a repair of the drive only the thermal fuse element must be replaced, if this has been damaged or destroyed when triggering the thermal overload protection. As a result, the costs and the workload of repair remain low.
  • the thermal fuse element may comprise a plastic, a metal or an expansion material, in particular consist of one of these materials. Further, the thermal fuse element may consist of a combination of two or more of these materials.
  • the powertrain may include an overload protection unit to decouple in both thermal and mechanical overload.
  • the thermal overload protection be designed such that the drive and the driven element are mechanically decoupled not only above a critical temperature, but also below a critical temperature above a predefined force or a predefined torque. This can ensure that it is both thermal and mechanical Overload does not come to a safety-critical blocking.
  • a force at which the fuse element breaks below the critical temperature is preferably greater than a force at which the fuse element breaks above the critical temperature.
  • the fuse element melts above the critical temperature and breaks below the critical temperature at a defined force acting on the fuse element.
  • the drive train may have at least one thermal overload protection and additionally at least one mechanical overload protection, for example a torque overload protection.
  • the overload protection unit then includes, in addition to the thermal overload protection, the mechanical overload protection, in particular the torque overload protection.
  • the drive element is a shaft.
  • the drive element may also be designed as a drive pinion, a piston or the like.
  • the output element may be formed as a hub. Alternatively, however, the output element can also be designed as a pinion, a shaft, for example a crankshaft, or the like.
  • overload protection for an application in a motor vehicle.
  • the overload protection can also be used in many other areas, for example in pumps, tool spindles or other power-leading components.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a drive train according to the invention with a thermal overload protection according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a drive train according to the invention with a thermal overload protection according to a second embodiment
  • - Figure 3 is a schematic sectional view of a drive train according to the invention with a thermal overload protection according to a third embodiment.
  • Figure 1 shows schematically a cross section through a drive train 10 for transmitting a torque.
  • a drive train 10 for transmitting a torque.
  • it is a drive train of a motor vehicle, so a motor vehicle powertrain.
  • the drive train 10 has a thermal overload protection 12, a drive element 14 and an output element 16.
  • the drive element 14 according to the embodiment shown in Figure 1 is formed as a shaft, whereas the output member 16 is formed as a hub.
  • the thermal overload protection 12 forms a thermal coupling 18, in particular a thermal overload clutch, which is provided between the drive element 14 and the output element 16.
  • the thermal overload protection 12 comprises a thermal securing element 20 which acts in the radial direction between the drive element 14 and the output element 16.
  • the drive member 14 is non-positively connected to the output member 16, wherein between the drive member 14 and the securing member 20 and the output member 16 and the fuse element 20 may each be a positive connection.
  • the thermal fuse element 20 is also arranged between the drive element 14 and the output element 16, in particular in the radial direction.
  • the thermal fuse element 20 is formed as a spring 22, in particular as a feather key. Both the drive element 14 and the output element 16 each have a receptacle 24, 25, in which the securing element 20 is positively received, in particular can engage, so that a torque from the drive member 14 can be transmitted to the output member 16.
  • the securing element 20 designed as a spring 22 can change its mechanical properties.
  • the spring 22 may lose strength due to their changed mechanical properties, whereby shearing forces occurring shear the spring 22 at least partially.
  • the securing element 20 may be formed as a bolt 26, which also changes its mechanical properties above the critical temperature.
  • the bolt 26 loses strength so that it breaks, provided that a (predetermined) force acts on the bolt 26.
  • the fuse element 20 may even melt above the critical temperature. To restore the clutch 18 or the thermal overload protection 12 after reaching or exceeding the critical temperature, it is sufficient to replace the fuse element 20. As a result, a repair in the case of thermal overload is particularly simple and inexpensive.
  • the securing element 20 changes its volume above the critical temperature.
  • the fuse element 20 can reversibly return to its original shape, for example due to a shape memory alloy, so that a repair is not mandatory.
  • Figure 2 shows a section of a drive train 10 according to a second embodiment in a sectional view.
  • the drive element 14 and the output member 16 are each formed as a flange hub, which are arranged for example on a shaft end, not shown.
  • the thermal overload fuse 12 has the thermal fuse element 20, which is formed in the illustrated embodiment as a bolt 26, in particular as a breaking pin.
  • the drive element 14 and the driven element 16 each have at least one bore 28, 30.
  • the securing element 20 is arranged within the bores 28, 30.
  • the drive element 14 and the output element 16 are positively connected with each other, so that a torque can be transmitted from the drive element 14 to the output element 16.
  • Within the bores 28, 30 may optionally be arranged in each case a hardened sleeve 32, 33.
  • the securing element 20 has a material weakening 34, which serves as a predetermined breaking point, for example a notch. If the fuse element 20 loses strength under thermal overload, it may break along the predetermined breaking point.
  • thermal fuse element 20 shown in Figure 2 may also be designed such that it melts under thermal overload and breaks under mechanical overload along the predetermined breaking point.
  • FIG. 3 shows a part of a drive train 10 according to a third embodiment, which has a dog clutch 36.
  • the drive member 14 and the output member 16 are each formed as claws 38 with helical teeth, wherein the teeth engage in proper operation.
  • the drive element 14 and the driven element 16 can be frictionally connected by shrinking or positively by means of a feather key or the like with a shaft 40, 42.
  • the drive member 14 and the output member 16 are held by a thermal fuse element 20 with each other.
  • the securing element 20 is arranged on the output element 16 and acts on the output element 16 in the axial direction.
  • the securing element 20 can also be arranged at other positions in the drive train 10, for example in front of the drive element 14, as long as the drive element 14 and the output element 16 are acted upon by the securing element 20 in the form-fit.
  • the axial direction is the direction along which the shafts 40, 42 extend.
  • the axial direction thus defines the axis of rotation of the input and output elements 14, 16.
  • the drive train 10 shown in FIG. 3 has a holding element 44.
  • the retainer 44 may be shrunk onto the shaft 42 or otherwise connected thereto.
  • the output member 16 and the holding member 44 are movable relative to each other, in particular wherein the output member 16 is movable in the axial direction.
  • the securing element 20 is arranged between the output element 16 and the holding element 44.
  • the holding element 44 has a recess 46 in the axial direction.
  • the securing element 20 is arranged partly in the recess 46 and partly outside the recess 46.
  • the securing element 20 presses the output element 16 against the drive element 14, so that they are held in toothed engagement, so in positive engagement.
  • FIG. 3 the drive train 10 is shown in a state during normal operation.
  • the fuse element 20 may alter its volume or mechanical properties, such as melting, loss of strength, or breakage.
  • the output element 16 can be released from the toothed engagement with the drive element 14 and move on the holding element 44 in the axial direction in the axial direction, which also serves as a guide element.
  • the output element 16 moves in the mechanically decoupled state between the drive element 14 and a stop 48 of the retaining element 44 on the retaining element 44 back and forth.
  • the drive element 14 and the output element 16 are completely mechanically decoupled.
  • the securing element 20 can also be designed as a spring, which presses the output element 16 in the coupled position, wherein the spring force decreases with increasing temperature, so that the coupling 18, 36 decoupled automatically due to the acting torque.
  • the spring may be formed of a Dehnstoffmaterial.
  • the output element 16 does not necessarily have to be mounted on the holding element 44, it can also be mounted directly sliding on the shaft 42.
  • the drive element 14 may be slidably mounted and the driven element 16 may be fixed in position relative to the axial direction or longitudinal direction of the drive train 10.
  • the securing element 20 is not in the power flow in the embodiment shown in FIG.
  • the thermal overload protection 12 can be a mechanical connection between the drive member 14 and the output member 16 produce.

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Abstract

Es wird ein Antriebsstrang (10) angegeben, aufweisend ein Antriebselement (14), ein Abtriebselement (16) und eine thermische Überlastsicherung (12). Die thermische Überlastsicherung (12) ist derart ausgebildet, dass unterhalb einer kritischen Temperatur eine Verbindung zwischen dem Antriebselement (14) und dem Abtriebselement (16) vorliegt und oberhalb der kritischen Temperatur das Antriebselement (14) und das Abtriebselement (16) voneinander mechanisch entkoppelt sind.

Description

Antriebsstrang mit thermischer Überlastsicherung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Antriebsstrang.
Aus dem Stand der Technik bekannte Überlastkupplungen, die im Lastfluss eines Antriebes angeordnet sind, wirken auf Drehmoment-Überlast, sodass sie bei mechanischer Überlast auslösen. Sofern ein voreingestelltes Grenzdrehmoment erreicht worden ist, entkoppeln sie ein Antriebselement von einem Abtriebselement und verhindern so Schäden. Beispielsweise weisen solche bekannten Überlastkupplungen Brechbolzen auf, die bei mechanischer Überlast brechen, also wenn das voreingestellte Grenzdrehmoment erreicht oder überschritten ist. Des Weiteren sind durchrutschende Überlastkupplungen bekannt. Solche Kupplungen können Kugeln aufweisen, die das Drehmoment übertragen und ab einem bestimmten Drehmoment entgegen einer Federkraft aus ihrem Sitz herausgedrückt werden und ein Auskuppeln bewirken. Alternativ können solche Kupplungen das Drehmoment reibschlüssig übertragen, wobei es bei Überlast zu einem Rutschen zwischen reibschlüssig verbundenen Drehmomentübertragungselementen kommt. Wird der Antriebsstrang während des Betriebs kritischen Betriebszuständen ausgesetzt, beispielsweise thermisch belastet, so kann ein Bauteil des Antriebsstrangs, insbesondere ein Lager oder eine Verzahnung, bereits versagen, bevor das voreingestellte Grenzdrehmoment erreicht worden ist. Hierdurch kann es trotz der Überlastkupplung zu einem Ausfall des Antriebsstrangs kommen, da die Überlastkupplung ausschließlich bei Erreichen des voreingestellten Grenzdrehmoments auslöst.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang mit einem Schutzmechanismus bereitzustellen, der einen Ausfall auch bei kritischen Betriebszuständen wirkungsvoll verhindert.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Antriebsstrang, aufweisend ein Antriebselement, ein Abtriebselement und eine thermische Überlastsicherung. Die thermische Überlastsicherung ist derart ausgebildet, dass unterhalb einer kritischen Temperatur eine Verbindung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement vorliegt und oberhalb der kritischen Temperatur das Antriebselement und das Abtriebselement voneinander mechanisch entkoppelt sind. Beispielsweise liegt zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung vor.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass eine Bewegungsübertragung vom Antriebselement auf das Abtriebselement von einer Umgebungstemperatur im Antriebsstrang abhängig ist. Die thermische Überlastsicherung unterbricht demnach die Drehmomentübertragung über den Antriebsstrang aufgrund einer zu hohen Temperatur, aufgrund derer es möglicherweise zu Schäden im Antriebsstrang kommen kann. Durch die mechanische Entkopplung oberhalb einer kritischen Temperatur wird ein sicherheitskritisches Blockieren verhindert, wodurch sich Schäden im Antriebsstrang verhindern lassen. Es ist sichergestellt, dass die Komponenten des Antriebsstrangs aufgrund der thermischen Belastung nicht derart geschwächt werden, dass sie bereits vor Erreichen einer Drehmoment- Überlastsicherung aufgrund der wirkenden Kräfte beschädigt werden. Generell schützt die thermische Überlastsicherung somit den Antriebsstrang davor, zu überhitzen, was beispielsweise bei einer ausbleibenden Schmierung auftritt. Eine kostengünstige Möglichkeit ist somit geschaffen, um einen Antriebsstrang wirkungsvoll zu schützen. Die kritische Temperatur kann einer Anlasstemperatur beim Vergütungsprozess eines Metalls oder einer Schmelztemperatur eines Kunststoffs entsprechen.
Insbesondere handelt es sich um einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Das Antriebselement, das Abtriebselement sowie die thermische Überlastsicherung können Bestandteil eines Getriebes sein. An dem Antriebselement kann ein zu übersetzendes Drehmoment anliegen, beispielsweise von einem Motor des Kraftfahrzeugs.
Das Antriebselement und das Abtriebselement können derart ausgebildet sein, dass ein Drehmoment des Antriebselements auf das Abtriebselement übertragen werden kann. Das Antriebselement kann vorzugsweise ein Drehmoment auf das Abtriebselement übertragen, das das Drehmoment umwandelt und auf zumindest ein weiteres Element überträgt, beispielsweise auf ein Rad des Kraftfahrzeugs. Die Übertragung des Drehmoments vom Antriebselement auf das Abtriebselement kann aufgrund einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung über die thermische Überlastsicherung erfolgen.
Die Überlastsicherung ist gemäß einer Ausführungsform als thermische Kupplung ausgebildet, insbesondere als eine thermische Überlastkupplung. Insofern kann sie eine geöffnete Stellung, in der kein Drehmoment übertragen wird, und eine geschlossene Stellung einnehmen, in der ein Drehmoment übertragen wird. Des Weiteren stellt die thermische Kupplung sicher, dass sie schnell auf sich ändernde Temperaturen reagieren kann, sodass die thermische Kupplung auslöst, wenn die kritische Temperatur erreicht oder überschritten worden ist.
Im normalen Betrieb eines Kraftfahrzeugs herrscht in der Umgebung des Antriebsstrangs vorzugsweise eine Temperatur, welche unterhalb der kritischen Temperatur liegt. Bei Störungen oder Fehlern im Betrieb, beispielsweise bei einer fehlenden Schmierung, kann es jedoch dazu kommen, dass die Temperatur über die kritische Temperatur steigt. Dies wird auch als kritischer Betriebszustand bezeichnet.
Im Getriebe wird üblicherweise ein Fluid verwendet, zum Beispiel ein Schmierbzw. Getriebeöl, um die Reibung zu reduzieren und die Wärmeverlustleistung in der Umgebung des Antriebsstrangs abzuführen. Bei anspruchsvollen Umgebungsbedingungen werden auch höher-viskose Fluide wie Schmierfette genutzt, um Bauteile beispielsweise zusätzlich vor Schmutz abzuschirmen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die thermische Überlastsicherung zumindest ein thermisches Sicherungselement umfassen. Über das thermische Sicherungselement kann die Funktion der thermischen Überlastsicherung bereitgestellt werden. Das zumindest eine thermische Sicherungselement kann in Umfangsrichtung oder in axialer Richtung wirken.
Insbesondere sind mehrere Sicherungselemente vorgesehen, die beispielsweise unterschiedliche Wirkrichtungen haben.
Um das Antriebselement und das Abtriebselement oberhalb der kritischen Temperatur mechanisch zu entkoppeln, kann das thermische Sicherungselement derart ausgebildet sein, dass es oberhalb der kritischen Temperatur seine mechanischen Eigenschaften verändert. Beispielsweise verliert das Sicherungselement oberhalb der kritischen Temperatur an Festigkeit, sodass es nachgiebig wird bzw. sich verbiegen lässt.
Das Sicherungselement lässt sich als ein Bolzen, insbesondere als ein Gewindebolzen, oder als eine Feder ausbilden. Solche Sicherungselemente sind besonders einfach und kostengünstig herstellbar, wodurch die Herstellungs- und Instandsetzungskosten für die thermische Überlastsicherung gering sind, sofern die thermische Überlastsicherung ausgelöst hat.
Beispielsweise schmilzt das Sicherungselement oberhalb der kritischen Temperatur. Somit verliert das Sicherungselement zunächst an Festigkeit, wodurch die thermische Überlastsicherung auslöst. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Sicherungselement derart ausgebildet sein, dass es oberhalb der kritischen Temperatur und einer vordefinierten Kraft bricht. Somit weist der Antriebsstrang durch die thermische Überlastsicherung eine thermische Sollbruchstelle auf, da die thermische Überlastsicherung oberhalb der kritischen Temperatur bricht.
Alternativ oder zusätzlich kann sich das Volumen des Sicherungselements oberhalb der kritischen Temperatur verringern oder erhöhen. Beispielsweise ist das Sicherungselement als ein Dehnstoffelement ausgebildet, das sich oberhalb der kritischen Temperatur verringert. Alternativ kann sich das Sicherungselement oberhalb der kritischen Temperatur ausdehnen.
Insbesondere ist das Sicherungselement thermisch reversibel. Sobald die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur sinkt, kehrt das Sicherungselement in seinen Ursprungszustand zurück.
Beispielsweise weist das zumindest eine Sicherungselement eine Formgedächtnislegierung auf, sodass es stets in seine Ursprungsform zurückkehrt, wenn die Temperatur unter die kritische Temperatur sinkt.
Das wenigstens eine thermische Sicherungselement kann zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement angeordnet sein. Dadurch kann das wenigstens eine thermische Sicherungselement für eine mechanische, insbesondere formschlüssige, Verbindung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement sorgen. Insbesondere ist das wenigstens eine thermische Sicherungselement in radialer Richtung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement angeordnet.
Das wenigstens eine Sicherungselement kann alternativ in axialer Richtung auf das Antriebs- oder das Abtriebselement wirken. Beispielsweise kann bei einer Klauenkupplung das wenigstens eine thermische Sicherungselement axial gegen zumindest eine Klaue wirken, die über ein Federelement versucht, insbesondere eine Teller- oder Schraubenfeder, sich selbst auszulegen.
Alternativ hierzu kann das Federelement entfallen, wenn die zumindest eine Klaue Abschrägungen aufweist, sodass sie sich aufgrund der Antriebsleistung selbst auslegt, sofern die thermische Überlastsicherung ausgelöst ist.
Insbesondere ist oberhalb der kritischen Temperatur ein Drehmomentfluss im Antriebsstrang mechanisch unterbrochen. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass Bauteile des Antriebsstrangs geschützt werden, insbesondere vor einer mechanischen Überlastung. Insofern schützt die thermische Überlastsicherung vor einer mechanischen Überlast, da sie den Drehmomentfluss mechanisch unterbricht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass bei einer Wiederinstandsetzung des Antriebs lediglich das thermische Sicherungselement ersetzt werden muss, sofern dieses beim Auslösen der thermischen Überlastsicherung beschädigt oder zerstört worden ist. Dadurch bleiben die Kosten und der Arbeitsaufwand der Instandsetzung gering.
Das thermische Sicherungselement kann einen Kunststoff, ein Metall oder einen Dehnstoff umfassen, insbesondere aus einem dieser Materialien bestehen. Ferner kann das thermische Sicherungselement aus einer Kombination von zwei oder mehr dieser Materialien bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Antriebsstrang eine Überlastsicherungseinheit aufweisen, um sowohl bei thermischer als auch bei mechanischer Überlast zu entkoppeln. Beispielsweise kann die thermische Überlastsicherung derart ausgebildet sein, dass das Antriebs- und das Abtriebselement nicht nur oberhalb einer kritischen Temperatur, sondern auch unterhalb einer kritischen Temperatur oberhalb einer vordefinierten Kraft bzw. einem vordefinierten Drehmoment mechanisch entkoppelt sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass es sowohl bei thermischer als auch bei mechanischer Überlast nicht zu einem sicherheitskritischen Blockieren kommt. Eine Kraft, bei der das Sicherungselement unterhalb der kritischen Temperatur bricht, ist vorzugsweise größer als eine Kraft, bei der das Sicherungselement oberhalb der kritischen Temperatur bricht. Beispielsweise schmilzt das Sicherungselement oberhalb der kritischen Temperatur und bricht unterhalb der kritischen Temperatur bei einer definierten Kraft, die auf das Sicherungselement wirkt.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung kann der Antriebsstrang zumindest eine thermische Überlastsicherung und zusätzlich zumindest eine mechanische Überlastsicherung aufweisen, beispielsweise eine Drehmoment- Überlastsicherung. Die Überlastsicherungseinheit umfasst dann neben der thermischen Überlastsicherung die mechanische Überlastsicherung, insbesondere die Drehmoment-Überlastsicherung.
Vorzugsweise ist das Antriebselement eine Welle. Das Antriebselement kann jedoch auch als ein Antriebsritzel, ein Kolben oder Ähnliches ausgebildet sein.
Das Abtriebselement kann als Nabe ausgebildet sein. Alternativ kann das Abtriebselement aber auch als ein Ritzel, eine Welle, beispielsweise eine Kurbelwelle, oder ähnlich ausgebildet sein.
Im Vorhergehenden ist eine Verwendung der Überlastsicherung für eine Anwendung in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Die Überlastsicherung kann jedoch auch auf vielen anderen Gebieten Anwendung finden, beispielsweise bei Pumpen, Werkzeugspindeln oder anderen Leistung führenden Bauteilen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebstrangs mit einer thermischen Überlastsicherung gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebstrangs mit einer thermischen Überlastsicherung gemäß einer zweiten Ausführungsform, und - Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebstrangs mit einer thermischen Überlastsicherung gemäß einer dritten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Antriebsstrang 10 zum Übertragen eines Drehmoments. Beispielsweise handelt es sich um einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, also einen Kraftfahrzeugantriebsstrang.
Der Antriebsstrang 10 weist eine thermische Überlastsicherung 12, ein Antriebselement 14 und ein Abtriebselement 16 auf. Das Antriebselement 14 gemäß der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist als eine Welle ausgebildet, wohingegen das Abtriebselement 16 als eine Nabe ausgebildet ist.
Die thermische Überlastsicherung 12 bildet eine thermische Kupplung 18 aus, insbesondere eine thermische Überlastkupplung, die zwischen dem Antriebselement 14 und dem Abtriebselement 16 vorgesehen ist.
Die thermische Überlastsicherung 12 umfasst in der gezeigten Ausführungsform ein thermisches Sicherungselement 20, das in radialer Richtung zwischen dem Antriebselement 14 und dem Abtriebselement 16 wirkt. Über das thermische Sicherungselement 20 ist das Antriebselement 14 mit dem Abtriebselement 16 kraftschlüssig verbunden, wobei zwischen dem Antriebselement 14 und dem Sicherungselement 20 sowie dem Abtriebselement 16 und dem Sicherungselement 20 jeweils ein Formschluss vorliegen kann. Das thermische Sicherungselement 20 ist zudem zwischen dem Antriebselement 14 und dem Abtriebselement 16 angeordnet, insbesondere in radialer Richtung.
Das thermische Sicherungselement 20 ist als eine Feder 22 ausgebildet, insbesondere als eine Passfeder. Sowohl das Antriebselement 14 als auch das Abtriebselement 16 weisen jeweils eine Aufnahme 24, 25 auf, in denen das Sicherungselement 20 formschlüssig aufgenommen ist, insbesondere eingreifen kann, sodass ein Drehmoment von dem Antriebselement 14 auf das Abtriebselement 16 übertragen werden kann.
Bei einer thermischen Überlast, insbesondere bei Überschreiten einer kritischen Temperatur, kann das als Feder 22 ausgebildete Sicherungselement 20 seine mechanischen Eigenschaften verändern. Hierbei kann die Feder 22 aufgrund ihrer veränderten mechanischen Eigenschaften an Festigkeit verlieren, wodurch auftretende Scherkräfte die Feder 22 zumindest teilweise abscheren. Dies führt dazu, dass die thermische Kupplung 18 auslöst, wodurch die Drehmomentübertragung mechanisch unterbrochen ist. Folglich sind das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 mechanisch entkoppelt. Dadurch lässt sich verhindern, dass weitere Elemente des Antriebsstrangs 10, die beispielsweise mit dem Abtriebselement 16 in Verbindung stehen, beschädigt werden.
Alternativ kann das Sicherungselement 20 als ein Bolzen 26 ausgebildet sein, der ebenfalls oberhalb der kritischen Temperatur seine mechanischen Eigenschaften verändert. Beispielsweise verliert der Bolzen 26 an Festigkeit, sodass er bricht, sofern eine (vor-)bestimmte Kraft auf den Bolzen 26 wirkt.
Ferner kann das Sicherungselement 20 oberhalb der kritischen Temperatur sogar schmelzen. Zur Wiederinstandsetzung der Kupplung 18 bzw. der thermischen Überlastsicherung 12 nach Erreichen oder Überschreiten der kritischen Temperatur genügt es, das Sicherungselement 20 zu ersetzen. Dadurch ist eine Instandsetzung im Falle einer thermischen Überlast besonders einfach und kostengünstig.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Sicherungselement 20 sein Volumen oberhalb der kritischen Temperatur verändert. Das Sicherungselement 20 kann dabei reversibel in seine Ursprungsform zurückkehren, beispielsweise aufgrund einer Formgedächtnislegierung, sodass eine Instandsetzung nicht zwingend erforderlich ist.
Unabhängig von der Art des Sicherungselements 20 ist aufgrund der thermischen Überlastsicherung 12 sichergestellt, dass ein Drehmomentfluss über das Antriebs- und das Abtriebselement 14, 16, also im Antriebsstrang 10, mechanisch unterbrochen ist, sofern die kritische Temperatur erreicht oder überschritten wurde.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Antriebsstrang 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Schnittdarstellung.
In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform sind das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 jeweils als Flanschnabe ausgebildet, die beispielsweise an einem nicht dargestellten Wellenende angeordnet sind. Die thermische Überlastsicherung 12 weist das thermische Sicherungselement 20, das in der gezeigten Ausführungsform als ein Bolzen 26 ausgebildet ist, insbesondere als ein Brechbolzen. Das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 weisen jeweils mindestens eine Bohrung 28, 30 auf. Das Sicherungselement 20 ist innerhalb der Bohrungen 28, 30 angeordnet. Dadurch sind das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 kraftschlüssig miteinander verbunden, sodass ein Drehmoment von dem Antriebselement 14 auf das Abtriebselement 16 übertragen werden kann. Innerhalb der Bohrungen 28, 30 kann optional jeweils eine gehärtete Hülse 32, 33 angeordnet sein.
Das Sicherungselement 20 hat eine Materialschwächung 34, die als Sollbruchstelle dient, beispielsweise eine Kerbe. Wenn das Sicherungselement 20 bei thermischer Überlast an Festigkeit verliert kann es entlang der Sollbruchstelle brechen.
Das in Figur 2 gezeigte thermische Sicherungselement 20 kann jedoch auch derart ausgebildet sein, dass es bei thermischer Überlast schmilzt und bei mechanischer Überlast entlang der Sollbruchstelle bricht.
Figur 3 zeigt einen Teil eines Antriebsstrangs 10 gemäß einer dritten Ausführungsform, der eine Klauenkupplung 36 aufweist. Das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 sind jeweils als Klauen 38 mit Schrägverzahnung ausgebildet, wobei die Zähne in ordnungsgemäßem Betrieb ineinandergreifen. Das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 können kraftschlüssig durch Aufschrumpfen oder formschlüssig mittels einer Passfeder oder ähnlichem mit einer Welle 40, 42 verbunden sein.
Das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 werden durch ein thermisches Sicherungselement 20 miteinander in Eingriff gehalten. Das Sicherungselement 20 ist am Abtriebselement 16 angeordnet und beaufschlagt das Abtriebselement 16 in axialer Richtung. Das Sicherungselement 20 kann auch an anderen Positionen im Antriebsstrang 10 angeordnet sein, beispielsweise vor dem Antriebselement 14, solange das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 durch das Sicherungselement 20 in den Formschluss beaufschlagt werden.
Generell ist als axiale Richtung die Richtung anzusehen, entlang der sich die Wellen 40, 42 erstrecken. Die axiale Richtung definiert demnach die Drehachse des Antriebs- und Abtriebselements 14, 16.
Der in Figur 3 gezeigte Antriebsstrang 10 weist ein Halteelement 44 auf. Das Halteelement 44 kann auf die Welle 42 aufgeschrumpft oder auf andere Weise mit dieser verbunden sein. Das Abtriebselement 16 und das Halteelement 44 sind relativ zueinander beweglich, insbesondere wobei das Abtriebselement 16 in axialer Richtung beweglich ist.
Das Sicherungselement 20 ist zwischen dem Abtriebselement 16 und dem Halteelement 44 angeordnet. Das Halteelement 44 weist in axialer Richtung eine Vertiefung 46 auf.
Im Normalbetrieb des Antriebsstrangs 10, insbesondere wenn eine Temperatur im Antriebsstrang unterhalb der kritischen Temperatur liegt, ist das Sicherungselement 20 zum Teil in der Vertiefung 46 und zum Teil außerhalb der Vertiefung 46 angeordnet. Das Sicherungselement 20 drückt das Abtriebselement 16 gegen das Antriebselement 14, sodass diese in verzahntem Eingriff gehalten sind, also in Formschluss. In Figur 3 ist der Antriebsstrang 10 in einem Zustand während des Normalbetriebs dargestellt.
Wenn die Temperatur innerhalb des Antriebsstrangs 10 über die kritische Temperatur steigt, kann das Sicherungselement 20 sein Volumen oder seine mechanischen Eigenschaften verändern, beispielsweise schmelzen, an Festigkeit verlieren oder brechen. Dadurch kann sich das Abtriebselement 16 aus dem verzahnten Eingriff mit dem Antriebselement 14 lösen und sich auf dem Halteelement 44 in axiale Richtung in axialer Richtung bewegen, das gleichzeitig als Führungselement dient.
Insbesondere bewegt sich das Abtriebselement 16 im mechanisch entkoppelten Zustand zwischen dem Antriebselement 14 und einem Anschlag 48 des Halteelements 44 auf dem Halteelement 44 hin und her. Wenn das Abtriebselement 16 an den Anschlag 48 anstößt, sind das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 mechanisch vollkommen entkoppelt.
Aufgrund der Schrägverzahnung der dargestellten Klauen ist kein Federelement notwendig um das Antriebselement 14 und das Abtriebselement 16 voneinander zu entkoppeln, in diesem Fall entlastet sich die Kupplung 18, 36 automatisch aufgrund des wirkenden Drehmoments.
Ferner kann das Sicherungselement 20 auch als Feder ausgebildet sein, die das Abtriebselement 16 in die gekoppelte Stellung drückt, wobei die Federkraft mit steigender Temperatur nachlässt, sodass sich die Kupplung 18, 36 automatisch aufgrund des wirkenden Drehmoments auskoppelt. Die Feder kann aus einem Dehnstoffmaterial ausgebildet sein.
Es sind jedoch auch alternative Gestaltungsmöglichkeiten denkbar, bei denen die mechanische Entkopplung von Antriebselement 14 und Abtriebselement 16 durch ein Federelement unterstützt wird. Beispielsweise handelt es sich um eine Zugfeder, die das Abtriebselement 16 aktiv auskoppelt, sofern das Sicherungselement 20 seine mechanischen Eigenschaften verändert, sodass die Zugkraft die Haltekraft des Sicherungselements 20 übersteigt.
Das Abtriebselement 16 muss nicht zwingend auf dem Halteelement 44 gelagert sein, es kann auch auf der Welle 42 direkt gleitend gelagert sein.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Antriebselement 14 gleitend gelagert sein und das Abtriebselement 16 bezogen auf die axiale Richtung bzw. Längsrichtung des Antriebsstrangs 10 lagefixiert sein.
Generell liegt das Sicherungselement 20 bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform nicht im Kraftfluss.
Über die thermische Überlastsicherung 12 lässt sich eine mechanische Verbindung zwischen dem Antriebselement 14 und dem Abtriebselement 16 herstellen.

Claims

Patentansprüche
1 . Antriebsstrang (10), aufweisend ein Antriebselement (14), ein Abtriebselement (16) und eine thermische Überlastsicherung (12), wobei die thermische Überlastsicherung (12) derart ausgebildet ist, dass unterhalb einer kritischen Temperatur eine Verbindung zwischen dem Antriebselement (14) und dem Abtriebselement (16) vorliegt und oberhalb der kritischen Temperatur das Antriebselement (14) und das Abtriebselement (16) voneinander mechanisch entkoppelt sind.
2. Antriebsstrang (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastsicherung eine thermische Kupplung (18) ist, die zwischen dem Antriebselement (14) und dem Abtriebselement (16) angeordnet ist.
3. Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Überlastsicherung (12) zumindest ein thermisches Sicherungselement (20) umfasst.
4. Antriebsstrang (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Sicherungselement (20) oberhalb der kritischen Temperatur seine mechanischen Eigenschaften verändert.
5. Antriebsstrang (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Sicherungselement (20) als ein Bolzen (26) oder eine Feder (22) ausgebildet ist.
6. Antriebsstrang (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Sicherungselement (20) oberhalb der kritischen Temperatur schmilzt.
7. Antriebsstrang (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Sicherungselement (20) oberhalb einer kritischen Temperatur und einer vordefinierten Kraft bricht.
8. Antriebsstrang (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Volumen des thermischen Sicherungselements (20) oberhalb der kritischen Temperatur verringert.
9. Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der kritischen Temperatur ein Drehmomentfluss im Antriebsstrang (10) mechanisch unterbrochen ist.
10. Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (14) als Welle und das Abtriebselement (16) als Nabe ausgebildet ist.
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