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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Eine derartige Kupplungseinrichtung, wie sie beispielsweise für ein Automatikgetriebe verwendet werden kann, ist aus der
DE 2 220 985 A bekannt. Bei dieser Kupplungseinrichtung sind die in Reibeingriff bringbaren Reibflächenanordnungen durch eine Anpressanordnung beaufschlagbar, die mit Druckfluid zu betätigen ist und über zwei Kolbenelemente verfügt, von denen bei Druckfluidbeaufschlagung das erste Kolbenelement die Reibflächenanordnungen in Reibeingriff bringt, während das zweite Kolbenelement auf das erste Kolbenelement einwirkt. Dem ersten Kolbenelement ist eine dieses in Richtung Aufheben des Reibeingriffs der Reibflächenanordnungen vorspannende erste Vorspannanordnung zugeordnet, dem zweiten Kolbenelement dagegen eine dieses in Richtung Mindern der Einwirkung auf das erste Kolbenelement vorspannende zweite Vorspannanordnung. Gemeinsam begrenzen die beiden Kolbenelemente einen Druckfluidraum, der zur Aufnahme des die beiden Kolbenelemente beaufschlagenden Druckfluids dient. Die beiden Kolbenelemente sind radial gestaffelt zueinander angeordnet, wobei das das zweite Kolbenelement radial außen umgebende erste Kolbenelement nicht nur gegenüber dem zweiten Kolbenelement fluiddicht bewegbar geführt ist, sondern auch gegenüber einem den Druckfluidraum mitbegrenzenden Gehäuse. Das zweite Kolbenelement ist weiterhin bezüglich eines den Druckfluidraum ebenfalls mitbegrenzenden Nabenelements fluiddicht bewegbar geführt.
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Bei Aufbau eines Überdruckes im Druckfluidraum wird zunächst das erste Kolbenelement gegen die Wirkung der ersten Vorspannanordnung in Richtung zu den Reibflächenanordnungen verlagert, und stellt hierdurch eine Reibwirkverbindung zwischen den einzelnen Reibflächenanordnungen her. Wird daraufhin das zweite Kolbenelement gegen die Wirkung der zweiten Vorspannanordnung in Richtung zu den Reibflächenanordnungen verlagert, um die Reibflächenanordnungen mit einer deutlich höheren Axialkraft in Anlage aneinander zu bringen, so ist zu befürchten, dass der Anstieg der Anpresskraft unharmonisch, gegebenenfalls sogar stoßbehaftet, erfolgt. Somit dürfte es bei der bekannten Anpressanordnung schwierig sein, bei den zum Herstellen des vollständig eingerückten Zustands erforderlichen sehr hohen Drücken eine feine Dosierung des Einrückvorgangs und selbstverständlich auch des Ausrückvorgangs vorzunehmen.
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Eine Kupplungseinrichtung, wie sie beispielsweise für eine hydrodynamische Kopplungseinrichtung verwendet werden kann, ist aus der
DE 27 31 719 A bekannt. Auch diese Kupplungseinrichtung verfügt über eine mit Druckfluid zu betätigende Anpressanordnung mit zwei Kolbenelementen, um mit zwei in Reibeingriff bringbaren Reibflächenanordnungen in Wirkverbindung zu treten. Während bei Druckfluidbeaufschlagung zunächst nur das radial weiter innen angeordnete erste Kolbenelement die Reibflächenanordnungen in Reibeingriff bringt, wirkt das radial weiter außen angeordnete zweite Kolbenelement erst bei höherer Druckfluidbeaufschlagung auf das erste Kolbenelement ein. Zwischen den beiden Kolbenelementen ist eine Vorspannanordnung angeordnet, deren Wirkrichtung derart gewählt ist, dass sie einen Abhub der Kolbenelemente voneinander zumindest unterstützt. Die Feder wird, unter Annäherung der beiden Kolbenelemente, verformt, wenn das erste Kolbenelement die Reibflächenanordnungen bereits in Reibeingriff gebracht und somit zumindest im wesentlichen seine Bewegung in Richtung zu den Reibflächenanordnungen eingestellt hat, während das zweite Kolbenelement aufgrund eines Überdruckes im Druckfluidraum noch eine Bewegung in Richtung zu den Reibflächenanordnungen vollzieht. Dadurch soll sich ein gleichmäßigerer Eingriff der Reibflächenanordnungen untereinander in derjenigen Phase eines Einrückvorganges ergeben, in welcher aufgrund der Wirkung des zweiten Kolbenelementes besonders hohe Anpresskräfte durch die Anpressanordnung bereitgestellt werden. Da dem ersten Kolbenelement allerdings eine Vorspannanordnung, insbesondere hierbei eine Vorspannanordnung, die dieses Kolbenelement in Richtung Aufheben des Reibeingriffs der Reibflächenanordnungen vorspannt, fehlt, muss damit gerechnet werden, dass die Einleitung einer begrenzten Axialkraft auf die beiden Reibflächenanordnungen, beispielsweise zu Beginn eines Einrückvorganges, ohne feinfühlige Dosierbarkeit erfolgen wird.
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Schließlich sei auf die Kupplungsanordnung gemäß der
US 3 612 237 A verwiesen, bei welcher jedem von zwei Kolbenelementen einer Anpressanordnung jeweils eine Vorspannanordnung zugeordnet ist, wobei diese Vorspannanordnungen jeweils in einer Richtung wirksam sind, in welcher sie einen Abhub der Kolbenelemente von Reibflächenanordnungen unterstützen. Hierbei ist die Vorspannung der dem radial inneren ersten Kolbenelement zugeordneten ersten Vorspannanordnung geringer als die Vorspannung der dem radial äußeren zweiten Kolbenelement zugeordneten zweiten Vorspannanordnung. Deshalb wird, bei Druckaufbau in einem den Kolbenelementen zugeordneten Druckfluidraum, nach einer geringfügigen Auslenkung beider Kolbenelemente, zunächst das erste Kolbenelement in Kontakt mit den Reibflächenanordnungen gelangen, und dadurch eine Wirkverbindung unter denselben herstellen. Bei dieser Relativbewegung des ersten Kolbenelementes gegenüber dem zweiten Kolbenelement wird ein in dem letztgenannten vorgesehener Durchlass freigegeben, wodurch eine vorübergehende Druckentlastung im Druckfluidraum erzeugt wird, indem Druckfluid aus dem Druckfluidraum in einen Ausgleichsraum zwischen dem zweiten Kolbenelement und den Reibflächenanordnungen übertreten kann. Diese Maßnahme soll ein weiches Einrücken der Kupplungsanordnung begünstigen. Nach weiterem Druckaufbau im Druckfluidraum wird auch das zweite Kolbenelement mit den Reibflächenanordnungen in Kontakt gelangen, wobei der Durchlass zwischen dem Druckfluidraum und dem Ausgleichsraum wieder geschlossen wird. Damit ist die Voraussetzung für einen starken Druckanstieg im Druckfluidraum geschaffen, so dass die Kolbenelemente zusammen eine starke Anpresskraft auf die Reibflächenanordnungen ausüben, und somit für die Übertragungsfähigkeit hoher Drehmomente sorgen.
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Auch bei dieser bekannten Kupplungsanordnung ist davon auszugehen, dass mit dem Wirksamwerden des zweiten Kolbenelementes der Anstieg der Anpresskraft unharmonisch, gegebenenfalls sogar stoßbehaftet, erfolgt. Somit dürfte eine feinfühlige Dosierung der durch die Kolbenelemente für den Einrück- oder den Ausrückvorgang bereitzustellenden Anpresskräfte schwerlich möglich sein.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupplungseinrichtung vorzusehen, bei welcher eine verbesserte Einrück- bzw. Ausrückcharakteristik erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kupplungseinrichtung insbesondere für ein Automatikgetriebe, eine hydrodynamische Kopplungseinrichung oder eine nasslaufende Kupplung, umfassend zwei durch eine mit Druckfluid zu betätigende Anpressanordnung in Reibeingriff bringbare Reibflächenanordnungen, wobei die Anpressanordnung ein durch Druckfluid beaufschlagbares und bei Druckfluidbeaufschlagung die Reibflächenanordnungen in Reibeingriff pressendes erstes Kolbenelement sowie ein durch Druckfluid beaufschlagbares und bei Druckfluidbeaufschlagung auf das erste Kolbenelement einwirkendes zweites Kolbenelement umfasst.
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Die Anpressanordnung umfasst also zwei Kolbenelemente, von welchen eines unter Druckfluidbeaufschlagung entweder direkt oder indirekt auf die Reibflächenformation einwirkt, die durch dieses Kolbenelement also generierte Einrückkraft tatsächlich auch auf die Reibflächenanordnungen übertragen wird, während das andere dieser Kolbenelemente druckabhängig auf das erste Kolbenelement einwirkt bzw. einwirken kann. Jedes dieser Kolbenelemente stellt selbstverständlich eine durch Druckfluid beaufschlagbare Kolbenfläche bereit, so dass abhängig davon, ob bzw. wie stark das zweitgenannte Kolbenelement auf das erstgenannte einwirkt, eine druckabhängige Variation der wirksamen Kolbenfläche vorhanden ist.
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Um diese druckabhängige Variation der wirksamen Kolbenfläche definierter vorgeben zu können, ist dem ersten Kolbenelement eine dieses in Richtung Aufheben des Reibeingriffs der Reibflächenanordnungen vorspannende erste Vorspannanordnung zugeordnet und dem zweiten Kolbenelement eine dieses in Richtung Mindern der Einwirkung auf das erste Kolbenelement vorspannende zweite Vorspannanordnung zugeordnet, wobei die erste Vorspannanordnung und die zweite Vorspannanordung jeweils eine Vorspannfeder umfassen können. Durch die Abstimmung der durch die Vorspannanordnungen generierten Vorspannkräfte auf die bei den jeweiligen Kolbenelementen vorhandenen Kolbenflächen wird es möglich, dafür zu sorgen, dass beispielsweise bei vergleichsweise geringen Drücken die Vorspannwirkung der zweiten Vorspannanordnung noch nicht überwunden wird, eine druckabhängige Variation der Einwirkung des zweiten Kolbenelements auf das erste Kolbenelement also nicht vorliegt, während der Druck bereits ausreicht, um das erste Kolbenelement entgegen der Vorspannwirkung der ersten Vorspannanordnung zum Herstellen des Reibeingriffs zwischen den Reibflächenanordnungen zu bewegen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Wechselwirkung zwischen den beiden Kolbenelementen unter Zwischenlagerung einer elastischen Anordnung, wie zum Beispiel einer Wellfeder oder dergleichen. Dabei wird durch den Einsatz der elastischen Anordnung dafür gesorgt, dass kein schlagartiger Übergang zum zusätzlichen Wirksamwerden des zweiten Kolbenelements auftritt, sondern ein allmählicher Anstieg der von diesem auf das erste Kolbenelement ausgeübten Kraft erhalten wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Figur detailliert beschrieben, welchem in prinzipartiger Darstellung einen Teil-Längsschnitt einer erfindungsgemäß aufgebauten Kupplungseinrichtung veranschaulicht.
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Die erfindungsgemäße Kupplungseinrichtung 10 ist als so genannte Lamellenkupplung aufgebaut, umfasst also zwei Reibflächenanordnungen 12, 14 jeweils mit einer Mehrzahl von ringscheibenartig aufgebauten Reibelementen 16, 18. Die Reibelemente von einer der Reibflächenanordnungen 14, 16 können Reibbeläge tragen, während die anderen als Belchringe ausgebildet sind. Grundsätzlich können auch die Reibelemente 16, 18 beider Reibflächenanordnungen 12, 14 Reibbeläge tragen, oder es können beide Reibflächenanordnungen 12, 14 mit ohne Reibbeläge versehenen Metallscheiben oder dergleichen aufgebaut sein.
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Die Reibelemente 16 der Reibflächenanordnung 12 können mit einem allgemein mit 20 bezeichneten Gehäuse oder Kupplungszylinder zur gemeinsamen Drehung um eine Drehachse A gekoppelt sein, beispielsweise über jeweilige Verzahnungsformationen, die eine gewisse Axialbewegbarkeit der Reibelemente 16 bezüglich des Gehäuses 20 zulassen. Die Reibelemente 18 der Reibflächenanordnung 14 können mit einem Reibelemententräger 22 zur gemeinsamen Drehung um die Drehachse A gekoppelt sein, wobei auch hier zum Durchführen von Ein- und Ausrückvorgängen eine Axialrelativbewegbarkeit gewährleistet ist. Bei Einsatz der Kupplungseinrichtung 10 in einem Automatikgetriebe kann das Gehäuse 12 ein Gehäuse der Kupplung oder eine andere Kupplungskomponente sein, während der Träger 22 mit einer Getriebebaugruppe gekoppelt sein kann, die zum Einlegen oder Auslegen einer Gangstufe mit dem Gehäuse 20 zu verkoppeln oder von dieser freizugeben ist. Bei Einsatz der Kupplungseinrichtung 10 in einem hydrodynamischen Drehmomentwandler oder als nasslaufende Kupplung in einem Antriebsstrang kann das Gehäuse 20 dann das Wandler- bzw. Kupplungsgehäuse sein, das mit einer Antriebswelle zur Drehung um die Drehachse A zu koppeln ist, während der Träger 22 beispielsweise über eine Torsionsschwingungsdämpferanordnung mit einer Abtriebsnabe bzw. gegebenenfalls auch einem Turbinenrad gekoppelt oder zu koppeln ist.
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Um die beiden Reibflächenanordnungen 12, 14 in gegenseitigen Reibeingriff pressen zu können, ist eine allgemein mit 24 bezeichnete Anpressanordnung vorgesehen. Diese umfasst zwei im dargestellten Fall radial gestaffelt liegende und jeweils ringartig ausgebildete Kolbenelemente 26, 28. Das Kolbenelement 26 ist in seinem radial äußeren Bereich unter Zwischenlagerung eines Dichtungselements 30 an einem zylindrischen Abschnitt 32 des Gehäuses 20 in Richtung der Drehachse A fluiddicht bewegbar geführt. Das radial innere Kolbenelement 28 ist unter Zwischenlagerung eines Dichtungselements 34 in Richtung der Drehachse A an einem Nabenelement 36 oder dergleichen fluiddicht bewegbar geführt. Das Nabenelement 36 kann beispielsweise mit dem Gehäuse 20 fest verbunden sein, kann beispielsweise aber auch als Welle oder dergleichen ausgebildet sein. Auf diese Art und Weise wird ein Druckfluidraum 38 durch die beiden Kolbenelemente 26, 28, das Gehäuse 20 und das Nabenelement 36 begrenzt, wobei durch eine nicht dargestellte Leitungsanordnung Druckfluid in den Druckfluidraum 38 eingeleitet bzw. aus diesem abgezogen werden kann.
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Man erkennt in der 1 weiter, dass das radial äußere Kolbenelement 26 unter Zwischenlagerung eines Dichtungselements 40 auf dem radial inneren Kolbenelement 28 fluiddicht und bezüglich diesem in Richtung der Drehachse A bewegbar geführt ist, so dass grundsätzlich die Möglichkeit besteht, die beiden Kolbenelemente 26, 28 unabhängig voneinander zu bewegen.
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Die beiden Kolbenelemente können in einfacher Art und Weise beispielsweise als Belch- oder Drehbauteile hergestellt werden. Die verschiedenen Dichtungselemente 30, 34 bzw. 40 können als herkömmliche Bohrringe oder Profildichtringe ausgebildet sein.
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Dem radial äußeren ersten Kolbenelement ist eine in Form einer Rückstellfeder 42 ausgebildete erste Vorspannanordnung zugeordnet. Dem radial inneren zweiten Kolbenelement 28 ist eine ebenfalls in Form einer Rückstellfeder 44 ausgebildete zweite Vorspannanordnung zugeordnet. Die beiden Rückstellfedern 42, 44 stützten sich axial bezüglich des Nabenelements 36 ab und erzeugen somit eine Vorspannwirkung für die beiden Kolbenelemente 26, 28, welche diese in Richtung Verringerung des Volumens des Druckfluidraums 38 belastet.
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Bei der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung können die beiden durch die Kolbenelemente 26, 28 bereitgestellten und letztendlich den Druckfluidraum 38 auch begrenzenden Kolbenflächen 46, 48 so aufeinander und auch auf die Vorspannwirkung der beiden Rückstellfedern 42, 44 abgestimmt sein, dass sich im Betrieb die im Folgenden erläuterte Wirkcharakteristik ergibt.
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Es sei zunächst angenommen, dass der Fluiddruck im Druckfluidraum 38 vergleichsweise gering ist, so dass durch die beiden Vorspannanordnungen bzw. Rückstellfedern 42, 44 die beiden Kolbenelemente 26, 28 maximal in Richtung von den Reibflächenanordnungen 12, 14 weg bewegt sind. Wird zum Einrücken der Kupplungseinrichtung 10 dann der Fluiddruck im Druckfluidraum 38 erhöht und erreicht das Druckniveau eine vorbestimmte Schwelle, so wird zunächst das radial äußere erste Kolbenelement 26 entgegen der Vorspannwirkung der Rückstellfeder 42 axial verschoben, während die Rückstellfeder 44 noch eine ausreichend große Vorspannkraft erzeugt, um das Kolbenelement 28 in seiner Ausgangsstellung zu halten. Da bei ungefähr gleicher radialer Erstreckung der beiden Kolbenelemente 26, 28 auf Grund der Anordnung weiter radial außen das Kolbenelement 26 eine größere Kolbenfläche 46 haben wird, als das Kolbenelement 28, können zum Erreichen dieser Charaktertstik die beiden Rückstellfedern 42, 44 grundsätzlich mit gleicher Kraftwirkung bereitgestellt werden. Ein vorbestimmter Druck wird auf Grund der größeren Kolbenfläche 46 zunächst zur Verschiebung des Kolbenelements 26 führen.
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Die Anpressanordnung 24 wird daher mit einer im Vergleich zur Gesamtkolbenfläche vergleichsweise kleinen Kolbenfläche 46 des radial äußeren ersten Kolbenelements wirksam sein und somit mit vergleichsweise feiner Dosierbarkeit die beiden Reibflächenanordnungen 12, 14 in Richtung Herstellen des Reibzustandes bewegen können. Bei weiterem Druckanstieg wird allmälich dann auch die Vorspannkraft der Rückstellfeder 44 überwunden, und das zweite Kolbenelement 28 wird beginnen, sich in der gleichen axialen Richtung zu bewegen, wie das erste Kolbenelement 26. Dabei bewirkt das zweite Kolbenelement 28 beispielsweise über eine elastische Anordnung 50, wie zum Beispiel eine Wellfeder, auf das erste Kolbenelement 26 ein und erzeugt somit eine zusätzliche Kraft, die über das erste Kolbenelement 26 auf die Reibflächenanordnungen 12, 14 übertragen wird und diese somit dann verstärkt in Richtung Einrücken belastet. Dabei wird durch den Einsatz der elastischen Anordnung 50 dafür gesorgt, dass kein schlagartiger Übergang zum zusätzlichen Wirksamwerden des Kolbenelements 28 auftritt, sondern ein allmälicher Anstieg der von diesem auf das radial äußere Kolbenelement 26 ausgeübten Kraft erhalten wird.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kupplungseinrichtung 10 wird es möglich, druckabhängig mit verschieden großen wirksamen Gesamtkolbenflächen zu arbeiten, so dass insbesondere bei kleineren Drücken auch eine kleinere wirksame Kolbenfläche genutzt wird und somit eine feinere Dosierbarkeit beim Einrücken und beim Ausrücken der Kupplungseinrichtung 10 erhalten wird. Dabei ist auch von Vorteil, dass das bei diesen kleineren Drücken wirksame und unmittelbar auch auf die Reibflächenanordnungen 12, 14 einwirkende erste Kolbenelement 26 das radial äußere der beiden Kolbenelemente ist, so dass im Rotationszustand auch auftretende Fliehkrafteinflüsse auf dieses Kolbenelement 26 stärker wirken, als auf das radial innere Kolbenelement 28. Fliehkrafteinflüsse haben somit nicht zur Folge, dass eine der Intention des Ausgestaltens mit zwei verschiedenen Kolbenelementen gegenläufige Einwirkung erzielt wird.
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Durch die Abstimmung der Kolbenflächen 46, 48 der beiden Kolbenelemente 26, 28 auch auf die durch die Rückstellfedern 42, 44 generierten Kräfte wird es möglich, den Übergang von der Wirksamkeit nur des Kolbenelements 26 zu dem Zustand, in welchem beide Kolbenelemente 26, 28 sozusagen als ein einheitliches Kolbenelement wirksam sind, und zwar dann gegen die Rückstellwirkung beider Rückstellfedern 42, 44, eine bessere Regelbarkeit der Einrückvorgänge und der Ausrückvorgänge erzielt wird. Diese Regelbarkeit bzw. die Durchführung von Ein- und Auskuppelvorgängen kann noch unterstützt werden durch den an der von der Druckfluidkammer 38 abgewandten Seite der beiden Kolbenelemente 26, 28 vorherrschenden Fluiddruck, dessen Größe ggf. ebenfalls eingestellt werden kann, um entsprechend der dann vorhandenen Druckdifferenz die gewünschten Bewegungen der Kolbenelemente 26, 28 erzielen zu können.