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Die Erfindung betrifft eine drehzahldifferenzabhängige hydraulische Kupplung, bestehend aus einem rotierenden Triebgehäuse, einer in diesem angeordneten hydrostatischen Verdrängungsmaschine, einer Abtriebswelle und einer Reibungskupplung zur Verbindung der Abtriebswelle mit dem Triebgehäuse, wobei die Verdrängungsmaschine bei Auftreten einer Differenzdrehzahl zwischen dem Triebgehäuse und der Abtriebswelle in einer Druckkammer einen Druck aufbaut, der eine Beaufschlagung der Reibungskupplung bewirkt, wobei die Verdrängungsmaschine über mindestens einen ersten Kanal mit der Druckkammer und über mindestens einen zweiten Kanal mit einem Raum in Verbindung steht.
Derartige Kupplungen finden in verschiedenen Konstellationen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen Verwendung, zur direkten Übertragung eines Drehmomentes oder zur Sperrung eines verbundenen Differentialgetriebes für den Antrieb der Räder einer Achse oder für die Verteilung des Antriebsmomentes zwischen zwei Achsen. Die hydrostatische Verdrängungsmaschine besteht beispielsweise aus einem Innenrotor und aus
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einem Aussenrotor, genauso können aber auch hydrostatische Verdrän- gungsmaschinen anderer Bauart verwendet werden. In jedem Falle führen bei Drehzahldifferenz zwei Teile (beispielsweise Antriebsgehäuse und Ausgangswelle) eine Relativbewegung aus und erzeugen so einen den Kolben der Reibungskupplung beaufschlagenden Druck.
Um diesen Druck und damit den Schlupf der Kupplung zu steuern, sind Ventile vorgesehen, die gehäusefest sind und deren Aktuator aussen am Gehäuse angebracht ist. Nachteilig ist daran vor allem, dass zur Verbindung mit der Verdrängungsmaschine Drehdurchführungen und lange Kanäle nötig sind, und dass der Aktuator die Kupplung sperrig im Einbau macht und im Gelände leicht beschädigt wird. Ausserdem sind die Ventile empfindlich und erfordern ein Ölfilter im Fluidkreislauf, da deren Regelgüte durch Verunreinigungen beeinträchtigt wird, und die Aktuatoren sind sehr aufwendig. Dazu kommt noch, dass sowohl in der Verdrängungsmaschine als auch in den Drehdurchführungen erhebliche Leckagen auftreten, die den voll eingekuppelten Betrieb erschweren.
Eine derartige Kupplung ist beispielsweise in der WO 01/27487 Al beschrieben. Bei dieser wird das Arbeitsfluid aus einem Sumpf angesaugt und in diesen wieder entlassen, über ein kompliziertes von einem Schrittmotor betätigtes Ventil, und dann über eine Drehdurchführung der Verdrängungsmaschine zugeführt. Zwar ist es aus dem AT GM 5220 bekannt, ein mitrotierendes Ventil in einer der Wellen vorzusehen, die erwähnten Nachteile werden dadurch aber nicht behoben.
Andererseits sind Kupplungen bekannt, in denen ein magnetorheologisches oder elektrorheologisches Fluid (beide Begriffe werden hier und im folgenden fälschlich aber der Kürze Willen unter magnetorheologisch
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subsumiert) als Arbeitsmittel dient. Es wird dort aber als Schermedium zwischen berührungslosen Kupplungslamellen verwendet, dessen Scherwiderstand durch Variation der magnetischen Feldstärke gesteuert ist. Die damit übertragbaren Drehmomente sind aber im Verhältnis zur erforderlichen elektrischen Leistung und zum Bauraum klein. Auch sind magnetorheologische oder elektrorheologische Ventile an sich bekannt, etwa aus der DE 19820569 Al.
Daher ist es das Ziel der Erfindung, bei einer gattungsgemässen Kupplung die obigen Nachteile zu beheben ; sie soll ohne funktionelle Zugeständnisse eine schnelle und einfachere Steuerung erlauben und Leckagen minimieren, bei insgesamt minimalem Bauvolumen.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass das in der hydrostatischen Verdrängungsmaschine unter Druck gesetzte Fluidum eine magnetorheologische Flüssigkeit, und mindestens ein Ventil ein magnetorheologisches Ventil mit einer Magnetspule ist. Das Fluid wird hier somit als Druckfluid verwendet, seine magnetorheologische Eigenschaft wird nur in den Ventilen genutzt, die dadurch wesentlich einfacher und einfacher zu steuern sind, und viel weniger Bauraum in Anspruch nehmen.
Weil die kurzen Leitungen immer gefüllt sind, und weil weder Massenträgheiten noch Spiele zu überwinden sind, schnelles Ansprechen auf die Steuersignale. Auch der Stromverbrauch ist sehr gering, weil das Magnetfeld nur den kleinen Ventilquerschnitt durchsetzen muss. Insgesamt vermindert sich dadurch auch das Bauvolumen der ganzen Kupplung erheblich.
In Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens besteht die Möglichkeit, den Raum mit einer federbelasteten Wand zu versehen und so einen
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Ausgleichsraum zu schaffen (Anspruch 2), der Volumsänderungen durch
Temperaturänderungen ausgleicht. So braucht für das Arbeitsfluid kein
Sumpf im ortsfesten Gehäuse mehr vorgesehen zu werden, wodurch es noch kleiner wird. Vorzugsweise sind das mindestens ein Ventil, die
Kanäle und der Ausgleichsraum am bzw. im Treibgehäuse ausgebildet und rotieren mit diesem (Anspruch 3). Dadurch werden die Kanäle we- sentlich kürzer und die Leckagen minimiert.
Vorzugsweise sind zwei zweite Kanäle vorgesehen, in deren jedem ein magnetorheologisches Ventil vorgesehen ist (Anspruch 4). Damit ist die
Kupplung in beiden Fahrtrichtungen wirksam. Wenn zusätzlich noch im ersten Kanal ein magnetorheologisches Ventil vorgesehen ist (Anspruch
5), kann der Druckraum stromaufwärts der Verdrängungsmaschine abge- schlossen und die Kupplung so einige Zeit ohne Druckerzeugung im Eingriff gehalten werden. Dadurch kann die Kupplung auch bei Geradeausfahrt ohne nennenswerten Schlupf, wenn also mangels Drehzahldifferenz zwischen den beiden Wellen die Pumpe nicht fördert, in Eingriff gehalten werden.
Um ein sicheres und schnelles Öffnen der Kupplung und ein möglichst kleines Grundmoment (Schleifmoment bei ausgerückter Kupplung) sicherzustellen, auch nach langem Betrieb im voll eingerückten Zustand, ist die im Druckraum vorgesehene, dem hydraulischen Beaufschlagungsdruck entgegenwirkende zweite Feder stärker als die erste Feder (Anspruch 6). Bei längerem Betrieb mit Schlupf wird Arbeitsfluid umgepumpt und erwärmt sich so und dehnt sich folglich aus, was zu einer Kompression und damit zu einem Anstieg der Kraft der ersten Feder führt. Auch dann muss die zweite Feder noch stärker sein als die erste, um schnelles Öffnen sicherzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in Achsrichtung auf einer Seite der Verdrängungsmaschine der Druckraum und auf deren anderer Seite der mindestens eine erste Kanal mit dem magnetorheologischen Ventil angeordnet (Anspruch 7). Dadurch sind die Kanäle besonders kurz, ist der Stromzufuhrweg kürzer und der Zusammenbau erleichtert. In deren Weiterbildung ist bei einer Kupplung bei der das Triebgehäuse sich auf der Antriebsseite in einer Triebwelle fortsetzt, der mindestens eine erste Kanal ein Rohr, das das Triebgehäuse mit dem in der Triebwelle ausgebildeten Ausgleichsraum verbindet, wobei das Rohr Teil des magnetorheologischen Ventiles ist (Anspruch 8).
So ist das ausserhalb des Triebgehäuses liegende Rohr für die Steuerung besonders leicht zugänglich und das in der Fertigung aufwendige Bohren von Kanälen eingespart Das magnetorheologische Ventil kann im Rahmen der Erfindung sehr verschieden gestaltet sein. In zwei besonders guten Ausführungsformen besteht es entweder aus einem zylindrischen Kanalteil, der von einer Magnetspule mit einem ihn umhüllenden Eisenkern umgeben ist, wobei sich die magnetischen Feldlinien über das Fluid im Kanalteil schliessen (Anspruch 9) ;
oder das magnetorheologische Ventil besteht aus einem Kanalteil mit radialer Durchströmung und einer Magnetspule mit einem ihn umhüllenden Eisenkern, wobei der Kanalteil mit radialer Durchströmung vom Eisenkern begrenzt werden, und wobei sich die magnetischen Feldlinien über das Fluid im Kanalteil mit radialer Durchströmung schlie- ssen (Anspruch 10). Im ersten Fall verlaufen die Feldlinien in Strömungsrichtung, im zweiten zur Strömungsrichtung. In beiden wird auf minimalem Bauraum maximale Sperrwirkung erzielt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar :
Fig. l : ein Schema einer erfindungsgemässen Kupplung,
Fig. 2 : dieselbe, in einem anderen Betriebszustand,
Fig. 3 : eine Variante zur Fig. 1,
Fig. 4 : einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform,
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In Fig. 1 ist eine hydrostatische Verdrängungsmaschine nur angedeutet und mit l bezeichnet. Von ihr führt mindestens ein erster Kanal 2 über ein Rückschlagventil 3 zu einer Druckkammer 4 einer allgemein mit 10 bezeichneten Reibungskupplung. Weiters führt von der Maschine 1 mindestens ein zweiter Kanal 6 durch ein magnetorheostatisches Ventil 8 zu einem Ausgleichsraum 7. Um die Maschine 1 in beiden Richtungen betreiben zu können, wobei Druckseite und Saugseite der Maschine 1 Platz tauschen, sind die Kanäle verdoppelt. Es gibt somit einen weiteren ersten Kanal 2'und einen weiteren zweiten Kanaal 6'mit einem weiteren magnetorheostatischen Ventil 8'. Die beiden zweiten Kanäle 6, 6' führen beide in den Ausgleichsraum 7 und sind so auch miteinander verbunden, was mit der Leitung 9 angedeutet ist.
Auch das Rückschlagventil wäre zu verdoppeln, doch ist es hier als ein einziges in beiden Richtungen wirkendes Rückschlagventil ausgebildet.
Von der Lamellenkupplung 10 ist nur ein Triebgehäuse 11 und eine Abtriebswelle 12 angedeutet, zwischen denen Aussenlamellen 13 und Innenlamellen 14 ein Drehmoment übertragen, wenn sie von dem Kolben 15 zusammengepresst werden. Das geschieht, wenn der Druck in der Druckkammer 4 die Kraft einer ersten Feder 16 überwindend den Kolben 15 im
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Bild nach rechts bewegt. Der Ausgleichsraum 7 seinerseits enthält einen Kolben 18, der bei Ausdehnung des Arbeitsfluids gegen die Kraft einer Feder 17 nach links bewegt wird. Das Arbeitsfluid ist eine magnetorheologische Flüssigkeit ; das ist eine Flüssigkeit, die entweder selbst unter der Einwirkung eines Magnetfeldes oder eines elektrostatischen Feldes ihre Viskosität erhöht, oder diesen Effekt zeigende Teilchen in Suspension enthält.
In Fig. 1 sind die beiden magnetorheologischen Ventile 8, 8' nicht bestromt, sodass die zweiten Kanäle 6, 6' offen sind und die bei Auftreten einer Drehzahldifferenz fördernde Maschine 1 das Fluid durch die Kanäle 6, 9, 6' im Kreis fördert, sodass sich in den ersten Kanälen 2, 2' kein Druck aufbaut, der eine Kraft auf den Kolben auswirken könnte.
Fig. 2 zeigt das selbe Schema in einem anderen Betriebszustand : Das magnetorheologische Ventil 8 ist hier bestromt, sodass der Kanal 6 auf der Druckseite der Maschine 1 gesperrt ist. Dadurch wird in Kanal 2 ein Druck aufgebaut, der durch das geöffnete Rückschlagventil 3 hindurch in der Druckkammer 4 auf den Kolben 15 wirkt und so die Kupplung 10 schliesst. Die Förderrichtung der Maschine 1 ist mit einem Pfeil angedeutet. Fördert die Maschine in der entgegengesetzten Richtung, so wird das magnetorheologische Ventil 8'im Kanal 6'bestromt. Wenn sich bei längerem Betrieb in diesem Zustand das Fluidum erwärmt, bewegt sich der Kolben 18 im Ausgleichsraum 7 wegen der Wärmeausdehnung gegen die Kraft der Feder 17 in die Stellung 18'.
In Fig. 3 ist in der vorgehend beschriebenen Anlage ein weiteres magnetorheostatisches Ventil 19 hinzugefügt, welches die Verbindung zwischen der Druckkammer 4 und den ersten Kanälen 2, 2" behindert bzw. sperrt.
Wird dieses Ventil 19 bei eingerückter Kupplung 10 - die Druckkammer 4 steht unter Druck - geschlossen, so wird der Druck gehalten bzw. kann er
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nur langsam absinken. Das ist erwünscht, wenn die Maschine 1 nicht fördert und die Kupplung 10 trotzdem eingerückt bleiben soll. Wird entweder das magnetorheologische Ventil 19 oder in einem anderen Betriebszustand eines der beiden magnetorheologischen Ventile 8, 8' geöffnet, so soll die Kupplung möglichst schnell und zuverlässig öffnen. Dem dient die zweite Feder 16 in der Druckkammer 4. Dass das mit dem magnetorheologischen Fluid gefüllte Leitungssystem keine Luft enthält bedeutet, dass die aus der Druckkammer verdrängte Menge vom Ausgleichsraum 7 aufgenommen werden muss, der aber auch unter dem von der ersten Feder
17 bestimmten Druck steht.
Dieser kann aber noch durch den Temperaturanstieg des Fluids weiter vergrössert sein, sodass die zweite Feder 17 weiter zusammengedrückt ist und entsprechend ihrer Kennlinie einen höheren Druck entfaltet. Daher muss die Kraft der Feder 16 signifikant grösser als die Kraft der Feder 17 bei einem thermisch bedingt höheren Druck sein.
In Fig. 4 tragen die aus dem Vorhergehenden bekannten Teile wieder die selben Bezugszeichen. Das fahrzeugfeste, also nicht rotierende Gehäuse ist mit 20 bezeichnet. In ihm sind in Lagern 21 an seinem vorderen und hinteren Ende die ersten rotierenden Teile gelagert. Dies sind die Primärwelle oder Triebwelle 22 mit Flansch 23, an diese anschliessend das Triebgehäuse 11, welches aus einem Pumpengehäuseteil 24 mit einem Pumpengehäusedeckel 25 und aus einem Kupplungsteil 26 und schliesslich aus einem Abschlussteil 28 besteht, der seinerseits im rechten Lager 21 gelagert ist. Der Kupplungsteil 26 hat innen Kuppelzähne 27 für die Aussenlamellen 13.
Im Inneren dieses ersten rotierenden Teiles befindet sich ein zweiter rotierender Teil, der gebildet wird von einer Sekundär- oder Ausgangs-
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welle 12 am anderen Ende des Gehäuses 1, an dessen Ende über Kuppelzähne 30 die Kupplungsnabe 31 drehfest angebracht ist, auf deren äusseren Kuppelzähnen 32 die Innenlamellen 14 drehfest, aber axial verschiebbar geführt sind. Weiters hat die Kupplungsnabe 31 im gezeigten Ausführungsbeispiel Mitnehmer 33, die einen Pumpeninnenteil 34, auf dem der Innenrotor 35 der hydrostatischen Verdrängungsmaschine 1 sitzt, antreibt.
Der Pumpengehäusedeckel 25 enthält auf der der Pumpe angewandten Seite einen Kolben 15, der die Druckkammer abschliesst und auf die La- mellen 13, 14 wirkt.
An den Pumpengehäuseteil 24 sind auf der der Pumpe 1 abgewandten Seite magnetorheologische Ventile 8, 8' befestigt, hier von aussen angeschraubt. Sie sind durchsetzt von einem Rohr 40, das von der Pumpe 1, ein Knie bildend zur Triebwelle 22 führt, welche den Ausgleichsraum 7 enthält. Dieser reicht hier in das Innere des Pumpeninnenteiles 34 hinein, in welchem der Kolben 18 und die Feder 17 untergebracht sind, die den Ausgleichsraum beaufschlagen. Eine Ausgleichsbohrung 36 stellt die Beweglichkeit des Kolbens 18 sicher. An dem Ende des Gehäuse 1 auf der Seite des Flansches 23 ist ein Ring 41 mit Schleifkontakten oder dergleichen vorgesehen, der die Leitungsverbindung vom stationären Gehäuse 1 zu den ersten rotierenden Teilen und zu den magnetorheologischen Ventilen 8, 8' erstellt. Die entsprechenden Leitungen sind im geschnittenen Teil der Triebwelle 22 angedeutet.
Fig. 5 zeigt das magnetorheologische Ventil 8. Es besteht aus dem an den Pumpengehäuseteil 24 angeschraubten Gehäuse 50 mit einem Deckel 51, welche eine Magnetspule 52 aufnehmen. Die Gehäuseteile 50, 51 und die Magnetspule 52 sind von dem Rohr 40 durchsetzt, welches hier einen zylindrischen Kanalteil 53 bildet. Wird die Magnetspule 52 bestromt, so
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erzeugt sie ein Magnetfeld, dessen Feldlinien 54 angedeutet sind. Es ist zu erkennen, dass diese sich über dem zylindrischen Kanalteil 53 schliessen.
Das in der Zone 55 des zylindrischen Kanalteiles 53 wirkende Magnetfeld führt zu einer erheblichen Erhöhung der Viskosität des Fluides, sodass sich dort im Extremfall (die Stärke des Magnetfeldes ist ja von aussen steuerbar) ein Pfropfen bildet. Eine Dichtung 56 zwischen dem Rohr 40 und dem Gehäuse 50 ist auch vorgesehen.
In Fig. 6 ist das magnetorheologische Ventil 8'in einer Variante dargestellt. Auch hier ist wieder ein Gehäuse 60 mit Deckel 61 an den Pumpengehäuseteil 24 angeschraubt und enthält eine Magnetspule 62. Weiters ist hier am inneren Ende des Rohres 40 ein Kernstück 63 angebracht. Es
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Magnetfeld ausbildet. Zum Unterschied von Fig. 5 begrenzt das an seinem Ende verschlossene Rohr 40'Kanäle 64 mit radialer Strömung und daran anschliessend Kanäle 65 mit axialer Strömung. Über diese vorzugsweise über den Umfang des Rohres verteilten Kanäle schliessen sich die Feldlinien, sodass hier bei Bestromung der Magnetspule 62 in beiden Kanälen eine Erhöhung der Viskosität des magnetorheologischen Fluides auftritt.
Auch hier bildet sich im Extremfall in der aus den Kanälen 64 und 65 bestehenden Region 67 ein Pfropfen.
Die eben beschriebenen magnetorheologischen Ventile sind bevorzugte Ausführungsformen, sie könnten im Rahmen der Erfindung auch erheblich anders ausgebildet sein. Ebenso kann im Rahmen der Erfindung Anordnung und Bauweise der Kanäle, der Kupplung und der hydrostatischen Verdrängungsmaschine, auch deren Anordnung zueinander, in
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mannigfaltiger Weise variiert werden. In allen Fällen treten die weiter oben gepriesenen Vorteile auf.