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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lastschaltelement gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Lastschaltelemente
werden üblicherweise in Automatgetrieben, beispielsweise
in Automatgetrieben in Planetenbauweise eingesetzt.
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Automatgetriebe
in Planetenbauweise umfassen Planetensätze und als reibschlüssige
Lamellenkupplungen und Bremsen ausgebildete Lastschaltelemente zum
Schalten der Planetensätze, wobei die Schaltelemente in
der Regel mittels Kolben hydraulisch betätigt werden. Die
Dimensionierung der Schaltelemente, insbesondere hinsichtlich des Durchmessers
und der Anzahl der Lamellen sowie der Kolben richtet sich hierbei
nach den maximal zu übertragenden Drehmomenten in den verschiedenen Gängen
des Getriebes.
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Insbesondere
bei sehr großen zu übertragenden Drehmomenten
werden zum einen sehr große Durchmesser und eine große
Anzahl an Lamellen benötigt. Dies ist zum einen hinsichtlich
der auftretenden Schleppmomente der Schaltelemente in jenen Gängen,
in denen diese nicht geschaltet sind sehr ungünstig. Zum
anderen müssen die durch Öldruck und Kolbenfläche
erzeugten Kolbenkräfte sehr groß sein, was sich
hinsichtlich der Druckauflösung bzw. der Steuerbarkeit
unterschiedlicher Reibmomente und/oder der Befüllungsgeschwindigkeit
der Kolbenräume als ungünstig erweist.
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Bei
einigen bekannten Planetengetrieben, wie z. B. beim Getriebe gemäß
EP 0 434.525 B1 oder gemäß
US 4,070,927 A ist
ein Schaltelement vorgesehen, welches nur im ersten Vorwärtsgang
und im Rückwärtsgang betätigt wird und
welches speziell im Rückwärtsgang ein deutlich
höheres Drehmoment abstützen muss als im ersten
Vorwärtsgang. Beim Getriebe gemäß
EP 0 434.525 B1 wird
diese Funktion von der Bremse D übernommen.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, einen Kolben eines Lastschaltelementes
durch zwei getrennt voneinander ansteuerbare Druckräume, welche
entweder gegeneinander oder miteinander wirken, anzusteuern. In
nachteiliger Weise entsteht durch den zusätzlichen Kolbenraum
und die damit verbundene zusätzliche Bearbeitung, die zusätzliche Ölzuführung
und die zusätzliche Ansteuerung ein deutlicher Mehraufwand
gegenüber einer konventionellen Einkolben-Lösung.
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Aus
der noch nicht veröffentlichten
DE 10 2007 036 100 der Anmelderin
geht ein Lastschaltelement hervor, welches sowohl eine reibschlüssige
als auch eine formschlüssige Wirkungsweise aufweist. Das
bekannte Lastschaltelement umfasst ein reibschlüssiges
und ein formschlüssiges Schaltelement, die vorzugsweise
in Reihe geschaltet sind und zum Schließen des Schaltelementes
von einem Aktuator in dieser Reihenfolge betätigbar sind.
Hierbei wird mit einer Kraft ein axial bewegliches Element (beispielsweise
ein Kolben) verschoben, welches über ein Übertragungselement
sowohl auf ein Lamellenpaket eines reibschlüssigen Schaltelementes
als auch auf ein verschiebbares Klauenelement drückt.
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Des
weiteren ist aus der noch nicht veröffentlichten
DE 10 2007 036 097 der
Anmelderin ein weiteres Lastschaltelement bekannt, welches sowohl eine
reibschlüssige als auch eine formschlüssige Wirkungsweise
aufweist. Das bekannte Lastschaltelement umfasst ein reibschlüssiges
und ein formschlüssiges Schaltelement, die parallel geschaltet sind
und zum Schließen des Schaltelementes von einem Aktuator
in der Reihenfolge reibschlüssiges Schaltelement, formschlüssiges
Schaltelement betätigbar sind.
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Das
reibschlüssige Schaltelement umfasst gemäß der
DE 10 2007 036 097 ein
Lamellenpaket, wobei das formschlüssige Schaltelement eine
Klauenbaugruppe, umfassend ein axial verschiebbares und im Gehäuse
des Schaltelementes geführtes Klauenelement aufweist. Zudem
ist ein Federelement vorgesehen, welches einerseits mit einem Aktuator,
der vorzugsweise als hydraulisch betätigter Kolben ausgeführt
ist und andererseits mit der Endlamelle des Lamellenpakets und mit
dem Klauenelement in Wirkverbindung steht.
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Hierbei
sind das reibschlüssige und das formschlüssige
Schaltelement mittels eines Kolbens bzw. eines Aktuators über
ein Federelement derart betätigbar, dass zuerst das reibschlüssige
Schaltelement zur Erzeugung eines Reibmomentes (und auch zum Synchronisieren)
und ab einer definierten Kolben- bzw. Aktuatorkraft das formschlüssige
Schaltelement betätigt wird, wodurch das Klauenelement
in eine korrespondierende Klauenverzahnung eines Lamellenträgers
des Lamellenpakets eingerückt wird, so dass eine formschlüssige
Verbindung hergestellt wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lastschaltelement
anzugeben, welches klein dimensioniert werden kann, zur Übertragung
von hohen Drehmomenten geeignet ist, in einem spezifischen Arbeitsbereich
mit geringeren Kräften ansteuerbar ist und im geöffneten
Zustand geringere Schleppmomente aufweist, als die aus dem Stand
der Technik bekannten Lastschaltelemente. Des weiteren soll das
erfindungsgemäße Schaltelement bei Signal- oder
Energieunterbrechung öffnen, so dass ein bestehendes Sicherheitskonzept
im Getriebe unverändert bleiben kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach
wird ein als reibschlüssiges Schaltelement ausgeführtes
Lastschaltelement vorgeschlagen, umfassend ein Lamellenpaket, wobei
zur Betätigung bzw. Beaufschlagung des Lamellenpakets mit
Kraft zumindest zwei Kolben vorgesehen sind, welche radial versetzt
im selben Kolbenraum angeordnet sind. Diese Kolben werden durch
Federkraft in der Ausgangsposition gehalten und in diese zurückgestellt,
wobei für jeden der zumindest zwei Kolben in Abhängigkeit
von der Kolbenfläche und/oder der Federauslegung ein Druck
definiert ist, ab dem sich der Kolben bewegt.
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Das
reibschlüssige Schaltelement kann hierbei als Lamellenkupplung,
Lamellenbremse, als Konuskupplung etc. ausgebildet sein.
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Gemäß der
Erfindung ist zwischen zwei radial benachbarten Kolben jeweils eine
axial verschiebbare Dichtung angeordnet, wodurch die Kolben zueinander
abgedichtet sind, so dass durch die bewegliche Dichtstelle der Druckraum
auch bei Axialbewegung eines oder beider Kolben gegen die Umgebung abgedichtet
ist; die zumindest zwei Kolben werden demnach mit dem gleichen Druckmedium
betätigt, beispielsweise mit Öl, Luft, Wasser
etc. Alternativ oder zusätzlich zu der axial verschiebbaren
Dichtung kann für den Fall, dass zwei Kolben vorgesehen
sind, wenn die Reihenfolge der Bewegung der Kolben bei Druckbeaufschlagung
festgelegt ist, der erst bei höherem Druck bewegliche Kolben
einen Dichtring zur Abdichtung gegenüber dem anderen Kolben
aufweisen.
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Des
weiteren werden gemäß der Erfindung beide Kolben
durch Federkraft in der Ausgangsposition gehalten, wobei die Federkraft
auch zur Rückstellung der Kolben dient. Vorzugsweise ist
für jeden Kolben eine separate Feder vorgesehen; alternativ kann
vorgesehen sein, dass auf die zumindest zwei Kolben eine einzige
Feder über ein gemeinsames Widerlager wirkt.
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Die
Federn können beispielsweise als Tellerfedern mit oder
ohne Schlitzung und mit beliebiger linearer oder nicht-linearer
Kennlinie oder als Spiralfedern ausgebildet sein, wobei auch jeder
andere mechanische Federbauart als Feder eingesetzt werden kann.
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Gemäß der
Erfindung sind die Federn und/oder die Kolbenflächen so
aufeinander abgestimmt, dass einer der zumindest zwei Kolben ab
einem ersten Druck, vorzugsweise ab dem Anlegedruck, bewegt wird
und sich an das Lamellenpaket anlegt, wobei der zweite Kolben sich
erst bei einem (deutlich) höheren Druck bewegt und ebenfalls
an das Lamellenpaket anlegt, um eine zusätzliche Kraft auf
das Lamellenpaket auszuüben.
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Für
den Fall, dass mehr als zwei Kolben vorgesehen sind, ist vorgesehen,
dass jedem weiteren Kolben mittels der Federauslegung und der Kolbenfläche
ein Druck zugeordnet ist, ab dem sich der Kolben bewegt, wobei die
den Kolben zugeordneten Drücke unterschiedliche Werte aufweisen.
Auf diese Weise kann die Charakteristik des Schaltelementes beliebigen
Anforderungen genügen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dient der erste Druckbereich,
in dem nur der erste Kolben wirkt, zum Steuern/Regeln des Reibmoments
im Schlupfzustand des reibschlüssigen Schaltelementes während
einer Anfahrt, eines Einlegens eines Ganges oder während
eines Gang-Wechsels oder zur Einstellung eines definierten Schlupfs
zur Schwingungsentkopplung innerhalb eines Ganges. Der zweite Druckbereich,
in dem der zweite Kolben zusätzlich wirkt, dient dahingegen
zum sicheren Übertragen eines anliegenden Moments am reibschlüssigen
Schaltelement ohne Schlupf innerhalb eines eingelegten Ganges.
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In
vorteilhafter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen
Schaltelement das fail-safe Prinzip, wie bei Schaltelementen nach
dem Stand der Technik beibehalten, so dass bei Signal- oder Energieunterbrechung
das Schaltelement öffnet, wodurch ein bestehendes Sicherheitskonzept
im Getriebe unverändert bleiben kann.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren
beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1:
Eine schematische Schnittansicht einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung im offenen Zustand;
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2:
Eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten
Ausführungsform der Erfindung in einem Zustand, bei dem
der erste Kolben angelegt ist;
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3:
Eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten
Ausführungsform der Erfindung in einem Zustand, bei dem
der erste und der zweite Kolben angelegt sind; und
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4:
Ein Druck-Kraft-Diagramm, welches einen beispielhaften Druck-Kraft
Verlauf eines erfindungsgemäßen Schaltelementes
darstellt.
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Bezugnehmend
auf 1 ist das erfindungsgemäße Lastschaltelement
als Lamellenbremse, umfassend ein Lamellenpaket 1 ausgebildet.
Wie der Figur zu entnehmen sind zur Betätigung bzw. zur Beaufschlagung
des Lamellenpakets 1 mit Kraft zwei Kolben 2, 5 vorgesehen,
welche radial versetzt im selben Kolbenraum 7 angeordnet
sind.
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Zwischen
den Kolben 2, 5 ist vorzugsweise eine axial verschiebbare
Dichtung 4 angeordnet, wodurch die Kolben 2, 5 zueinander
abgedichtet sind. Durch die Dichtung 4 ist der gemeinsame
Druckraum 7 auch bei Axialbewegung eines oder beider Kolben 2, 5 gegen
die Umgebung abgedichtet. In 1 ist mit
G ein Gehäuse bezeichnet.
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Bei
dem in 1 gezeigten Beispiel ist jedem Kolben 2, 5 eine
Feder 3 bzw. 6 zugeordnet, welche zum Halten des
jeweiligen Kolbens in der Ausgangsposition und zur Rückstellung
desselben dient.
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Vorzugsweise
sind die Federn 3, 6 und/oder die Kolbenflächen
der Kolben 2, 5 so aufeinander abgestimmt, dass
ein Kolben ab dem Anlegedruck, bewegt wird und sich an das Lamellenpaket 1 anlegt,
so dass dies zum Steuern/Regeln des Reibmoments im Schlupfzustand
des reibschlüssigen Schaltelementes dient wobei der zweite
Kolben sich erst bei einem höheren Druck bewegt und ebenfalls
an das Lamellenpaket anlegt, was zum sicheren Übertragen
eines anliegenden Moments am reibschlüssigen Schaltelement
ohne Schlupf dient.
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Gemäß der
Erfindung kann folgender beispielhafter Schaltablauf realisiert
werden:
In einem ersten Schritt wird der gemeinsame Kolbenraum 7 befüllt
und der erste Kolben 2 gegen die Kraft der Feder 3 an
das Lamellenpaket 1 angelegt. Anschließend wird
der Druck im Kolbenraum 7 erhöht, wodurch durch
den Kolben 2 ein Reibmoment im Lamellenpaket erzeugt wird.
Anschließend kann die Schaltung durchgeführt werden,
wobei durch Modulation des Drucks eine Steuerung/Regelung des Reibmoments
im Lamellenpaket möglich ist.
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Nach
Abschluss der Schaltung kann der Druck auf einen ersten Haltedruck
erhöht werden, wobei der zweite Kolben noch nicht bewegt
wird, da der Haltedruck unterhalb des Drucks liegt, ab dem der zweite
Kolben 5 gegen die Kraft der Feder 6 bewegt werden
kann.
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Gemäß der
Erfindung kann in definierten Gängen und bei einer geforderten
Haltefunktion der Kolbendruck weiter erhöht werden, wodurch
der Kolben 5 angelegt wird und ein höheres Drehmoment abgestützt
werden kann.
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In 2 ist
das in 1 gezeigte Lastschaltelement in einem Zustand
gezeigt, bei dem der Kolben 2 angelegt ist, wobei in 3 das
in 1 und 2 gezeigte Schaltelement in
einem Zustand gezeigt ist, bei dem beide Kolben 2, 5 angelegt
sind.
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In 4 ist
ein beispielhafter Druck-Kraft-Verlauf eines erfindungsgemäßen
Schaltelementes dargestellt. Hierbei wirkt im ersten Bereich A nur
der erste Kolben 2 und erzeugt eine der Kolbenflächen
entsprechende Kraft F auf das Lamellenpaket 1. In einem
zweiten Bereich, der anhand des Knicks im Kraftverlauf als Funktion
des Drucks P erkennbar ist, fängt auch der zweite Kolben 5 entsprechend
seiner Fläche eine zusätzliche Kraft F auf das
Lamellenpaket zu erzeugen. Der erste Bereich A kann in vorteilhafter
Weise der Schlupfregelung und der zweite Bereich B der sicheren
Momentübertragung bzw. Momentabstützung dienen.
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Das
erfindungsgemäße Lastschaltelement ist bei beliebigen
automatischen Getriebesystemen einsetzbar, beispielsweise bei Planetengetrieben, Vorgelegelastschaltgetriebe,
Doppelkupplungsgetrieben oder bei stufenlosen Getrieben. In vorteilhafter
Weise kann das Lastschaltelement in der V/R-Gruppe von stufenlosen
Umschlingungsgetrieben und in einer Bereichsgruppe von leistungsverzweigten
Mehrbereichs-Reibradgetrieben, stufenloshydrostatischen Getrieben
oder Mehrbereichs-elektrisch-leistungsverzweigten Getrieben eingesetzt werden.
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Selbstverständlich
fällt auch jede konstruktive Ausbildung, insbesondere jede
räumliche Anordnung der Bauteile des erfindungsgemäßen
Schaltelementes an sich sowie zueinander und soweit technisch sinnvoll,
unter den Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche, ohne
die Funktion des Schaltelementes, wie sie in den Ansprüchen
angegeben ist, zu beeinflussen, auch wenn diese Ausbildungen nicht explizit
in den Figuren oder in der Beschreibung dargestellt sind.
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- 1
- Lamellenpaket
- 2
- Kolben
- 3
- Feder
- 4
- Dichtung
- 5
- Kolben
- 6
- Feder
- 7
- Kolbenraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0434525
B1 [0005, 0005]
- - US 4070927 A [0005]
- - DE 102007036100 [0007]
- - DE 102007036097 [0008, 0009]