DE102008042388A1

DE102008042388A1 - Kupplungsvorrichtung zum reibschlüssigen Verbinden zweier drehbarer Bauteile

Info

Publication number: DE102008042388A1
Application number: DE200810042388
Authority: DE
Inventors: Markus Wannags; Marc Abele; Kai Heinrich; Markus Moosmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Es wird eine Kupplungsvorrichtung (1) zum reibschlüssigen Verbinden zweier drehbarer Bauteile (2, 3) mit einer ersten Kupplungshälfte (4) und einer zweiten Kupplungshälfte (5), die jeweils mit einem der zu verbindenden Bauteile (2 bzw. 3) in Wirkverbindung stehen und über eine Betätigungseinrichtung (6) reibschlüssig miteinander in Eingriff bringbar sind, beschrieben. Wenigstens die erste Kupplungshälfte (4) umfasst zum Herstellen und Lösen der reibschlüssigen Verbindung zwischen den beiden drehbaren Bauteilen (2, 3) ein erstes Bauelement (4A) und ein zweites Bauelement (4B), die relativ zueinander verdrehbar ausgeführt und über eine Antriebswandlereinrichtung (7) zum Wandeln einer rotatorischen Antriebsbewegung der Betätigungseinrichtung (6) in eine in Bezug auf die zweite Kupplungshälfte (5) translatorische Betätigungsbewegung des zweiten Bauelementes (4B) miteinander gekoppelt sind. Eine über den rotatorischen Antrieb der Betätigungseinrichtung (6) und die Antriebswandlereinrichtung (7) gewandelte, die Verbindung zwischen den drehbaren Bauteilen (2, 3) zumindest teilweise herstellende Schließkraft ist durch eine durch die reibschlüssig in Eingriff stehenden Kupplungshälften (4, 5) ausgelöste Relativbewegung zwischen den Bauelementen (4A, 4B) im Bereich der Antriebswandlereinrichtung (7) erzeugbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zum reibschlüssigen Verbinden zweier drehbarer Bauteile gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der Praxis bekannte Getriebeeinrichtungen von Antriebssträngen von Maschinen oder Fahrzeuggetriebe sind üblicherweise mit Einrichtungen ausgeführt, mittels den eine Übersetzung und damit das Leistungsangebot einer Antriebsmaschine an den aktuellen Betriebszustand einer Maschine oder an einen Fahrzustand anpassbar ist.
Bei sogenannten Handschaltgetrieben von Maschinen oder Fahrzeugen wird der Gangwechsel von einer Bedienperson oder von einem Fahrer veranlasst und ausgeführt. Im Gegensatz dazu führt eine Getriebesteuerung bei vollautomatisierten Getrieben die Übersetzungsänderung automatisch herbei. Die Entlastung der Bedienperson oder des Fahrers von dieser Tätigkeit hängt bei teilautomatisierten Getrieben vom Grad der Automatisierung ab. Auch bei automatisierten Getrieben werden bestimmte Getriebefunktionen – Neutral, Rückwärts, Parken usw. – über einen Schalt- bzw. Wählhebel vom Fahrer bestimmt.
Eine wichtige Schnittstelle zwischen einem Fahrer und dem Fahrzeug stellt die Schalteinrichtung dar. Sie beeinflusst maßgeblich das Komfortempfinden. Aus welchen Elementen eine Schalteinrichtung aufgebaut ist, hängt wesentlich davon ab, ob mit oder ohne Zugkraftunterbrechung geschaltet wird. Aber auch die Fahrzeugart, wie PKW oder NKW, die Antriebsart, wie Front- oder Heckantrieb und die Einsatzbedingungen haben darauf Einfluss.
In der Getriebetechnik wird grundsätzlich zwischen inneren und äußeren Schaltelementen unterschieden, wobei vorliegend unter inneren Schaltelementen im Getriebe angeordnete Einrichtungen, beispielsweise Schaltstangen, Schaltschwingen, Synchronisierungen, Bandbremsen sowie form- oder reibschlüssige Kupplungen bzw. Bremsen, verstanden werden. Äußere Schaltelemente sind Schaltelemente, wie Wählhebel, Vier-Gelenk-Getriebe, Ferndrehwellen oder Seilzüge, die außerhalb des Getriebes angeordnet sind.
Insbesondere reibschlüssige Schaltelemente von Getrieben werden oftmals über hydraulische oder elektromotorische Betätigungseinrichtungen in einen geöffneten oder in einen geschlossenen Betriebszustand überführt.
Um derartige reibschlüssige Schaltelemente in einen zugeschlossenen Zustand zu führen oder im geschlossenen Zustand zu halten, sind diese jeweils mit einer im Bereich der Betätigungseinrichtungen zu erzeugenden Schließkraft sowie mit einer zu dem geschlossenen Zustand der Schaltelemente äquivalenten Haltekraft hydraulisch oder elektromotorisch zu beaufschlagen. Die erforderliche Schließkraft sowie die permanent aufzubringende Haltekraft ist von einer Kraftquelle durch einen Energieeinsatz zur Verfügung zu stellen, wodurch jedoch nachteilhafterweise ein Gesamtwirkungsgrad einer Getriebeeinrichtung oder einer Maschine beeinträchtigt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kupplungsvorrichtung zum reibschlüssigen Verbinden zweier drehbarer Bauteile mit einer ersten Kupplungshälfte und einer zweiten Kupplungshälfte zur Verfügung zu stellen, die mit geringem Energieaufwand betreibbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kupplungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung zum reibschlüssigen Verbinden zweier drehbarer Bauteile mit einer ersten Kupplungshälfte und einer zweiten Kupplungshälfte, die jeweils mit einem der zu verbindenden Bauteile in Wirkverbindung stehen und die über eine Betätigungseinrichtung miteinander reibschlüssig in Eingriff bringbar sind, umfasst wenigstens die erste Kupplungshälfte zum Herstellen und Lösen der reibschlüssigen Verbindung zwischen den beiden drehbaren Bauteilen ein erstes Bauelement und ein zweites Bauelement, die relativ zueinander verdrehbar ausgeführt und die über eine Antriebswandlereinrichtung zum Wandeln einer rotatorischen Antriebsbewegung der Betätigungseinrichtung in eine in Bezug auf die zweite Kupplungshälfte translatorische Betätigungsbewegung des zweiten Bauelementes miteinander gekoppelt sind, wobei ein über den rotatorischen Antrieb der Betätigungseinrichtung und die Wandlerantriebseinrichtung gewandelte, die Verbindung zwischen den drehbaren Bauteilen zumindest teilweise herstellende Schließkraft durch eine durch die reibschlüssig in Eingriff stehenden Kupplungshälften ausgelöste Relativbewegung zwischen den Bauelementen im Bereich der Antriebswandlereinrichtung erzeugbar ist.
Damit wird die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung ab einem Betriebspunkt, zu dem sich die beiden Kupplungshälften in reibschlüssigem Eingriff befinden und eine Relativbewegung zwischen den Bauelementen auslösen, über eine sogenannte Selbstverstärkung ohne betätigungseinrichtungsseitige Schließkraft wirkungsgradoptimiert in einen geschlossenen Betriebszustand überführt oder in geschlossenem Zustand gehalten, wodurch beispielsweise ein Gesamtwirkungsgrad einer mit der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung ausgeführten Getriebeeinrichtung oder eines Antriebsstranges einer Maschine im Vergleich zu herkömmlichen Getriebeeinrichtungen bzw. Maschinenantriebssträngen verbessert ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Kupplungsvorrichtung nach der Erfindung ist die Betätigungseinrichtung über eine Getriebeeinrichtung mit dem zweiten Bauelement der ersten Kupplungshälfte verbunden, womit die von der Betätigungseinrichtung zu erzeugende Antriebsenergie übersetzbar und die Betätigungseinrichtung kostengünstig mit geringerer Leistungsfähigkeit und kleinerem Bauraumbedarf ausführbar ist.
Eine konstruktiv einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung ist mit einer Antriebswandlereinrichtung ausgebildet, die im Bereich der einander zugewandten Stirnseiten der beiden Bauelemente miteinander zusammenwirkende Keilelemente aufweist, so dass eine Relativbewegung zwischen den beiden Bauelementen eine translatorische Bewegung des zweiten Bauelementes in Bezug auf eine zweite Kupplungshälfte bewirkt.
Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, die Antriebswandlereinrichtung als ein zwischen den beiden Bauelementen angeordnetes Kugel-Rampe-System auszubilden.
Eine kostengünstige und mit geringem Steuer- und Regelaufwand betreibbare Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung weist eine mit einer elektrischen Maschine ausgeführte Betätigungseinrichtung auf, welche bei einer werteren Ausführungsform sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist. Bei letztgenannter Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung ist die Kupplungsvorrichtung während Bremsvorgängen und im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine zur Energierückgewinnung nutzbar.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Längsschnittansicht der Kupplungsvorrichtung nach der Erfindung.
Die Figur zeigt einen schematischen Aufbau einer Kupplungsvorrichtung 1 einer nicht näher dargestellten Getriebeeinrichtung eines Fahrzeuges zum reibschlüssigen Verbinden zweier drehbarer Bauteile 2, 3, die vorliegend als Wellen ausgebildet sind. Die Kupplungsvorrichtung 1 weist eine erste Kupplungshälfte 4 und eine zweite Kupplungshälfte 5 auf, die jeweils mit einem der zu verbindenden drehbaren Bauteile 2 bzw. 3 in Wirkverbindung stehen und die über eine Betätigungseinrichtung 6 reibschlüssig miteinander in Eingriff bringbar sind.
Die erste Kupplungshälfte 4 umfasst zum Herstellen und Lösen der reibschlüssigen Wirkverbindung zwischen den beiden drehbaren Bauteilen 2 und 3 ein erstes Bauelement 4A und ein zweites Bauelement 4B, die relativ zueinander verdrehbar ausgeführt und über eine Antriebswandlereinrichtung 7 zum Wandeln einer rotatorischen Antriebsbewegung der Betätigungseinrichtung 6 in eine in Bezug auf die zweite Kupplungshälfte 5 translatorische Betätigungsbewegung des zweiten Bauelementes 4B miteinander gekoppelt sind.
Ein über den rotatorischen Antrieb der Betätigungseinrichtung 6 und die Antriebswandlereinrichtung 7 gewandelte, die Verbindung zwischen den drehbaren Bauteilen 2 und 3 zumindest teilweise herstellende Schließkraft ist durch einen Betriebszustand der Kupplungsvorrichtung 1, zu dem die beiden Kupplungshälften 4 und 5 in reibschlüssigem Eingriff stehen, ausgelöste Relativbewegung zwischen den Bauelementen 4A und 4B im Bereich der Antriebswandlereinrichtung 7 erzeugbar.
Hierfür ist das erste Bauelement 4A drehfest mit dem drehbaren Bauteil 2 verbunden und das zweite Bauelement 4B drehbar auf dem Bauteil 2 gelagert. Des Weiteren ist die Antriebswandlereinrichtung 7 im Bereich der einander zugewandten Stirnseiten 4A1 und 4B1 der beiden Bauelemente 4A und 4B mit miteinander zusammenwirkenden Keilelementen 7A1, 7A2, 7B1 und 7B2 ausgebildet, wobei die Bauelemente 4A und 4B jeweils vier über den Umgang verteilt angeordnete Keilelemente 7A1, 7A2, 7B1 und 7B2 aufweisen, die in der nachbeschriebenen Art und Weise in dem Betrieb der Kupplungsvorrichtung 1 zusammenwirken.
Die Betätigungseinrichtung 6 ist vorliegend mit einer elektrischen Maschine 8 ausgeführt, mittels der der zum Öffnen und Schließen der Kupplungsvorrichtung 1 erforderliche rotatorische Antriebsbewegung der Betätigungsreinrichtung 6 erzeugt wird. Die elektrische Maschine 8 ist über eine Ausgangswelle 9 und eine vorliegend als Stirnradverzahnung ausgebildete Getriebeeinrichtung mit dem zweiten Bauelement 4B der ersten Kupplungshälfte 4 verbunden, wobei die Getriebeeinrichtung 10 ein mit der Ausgangswelle 9 drehfest verbundenes Stirnrad 11 und eine am äußeren Umfang des zweiten Bauelementes 4B vorgesehene Außenstirnradverzahnung 12 umfasst.
Die Kupplungsvorrichtung 1 befindet sich in der in der Figur dargestellten Position des zweiten Bauelementes 4B in geöffnetem Zustand, da das zweite Bauelement 4B außer Eingriff mit der zweiten Kupplungshälfte 5 ist. Dieser Betriebszustand der Kupplungsvorrichtung 1 wird durch einen entsprechenden Betrieb der Betätigungseinrichtung 6 bzw. der elektrischen Maschine 8 eingestellt, indem über den rotatorischen Antrieb der Betätigungseinrichtung 6 die Drehzahl des ersten Bauelementes 4A und des zweiten Bauelementes 4B synchron eingestellt wird. Wird die Drehzahl des zweiten Bauelementes 4B in Bezug auf die Drehzahl des ersten Bauelementes 4A abgesenkt und tritt eine Relativbewegung zwischen den Bauelementen 4A und 4B auf, gleiten die miteinander korrespondieren Keilelemente 7A1, 7A2, 7B1 und 7B2 der Bauelemente 4A und 4B über die schrägen Ebenen aneinander ab und drücken das zweite Bauelement 4B in axialer Richtung in Richtung der zweiten Kupplungshälfte 5, bis das zweite Bauelement 4B der ersten Kupplungshälfte 4 mit der zweiten Kupplungshälfte 5 in Reibkontakt kommt. Durch diesen Reibkontakt wird eine sogenannte Selbstverstärkung der Kupplungsvorrichtung 1 über die Keilelemente 7A1 bis 7B2 initialisiert, da die Relativbewegung zwischen den beiden Bauelementen 4A und 4B nunmehr aufgrund der Drehzahldifferenz zwischen dem zweiten Bauelement 4B und der zweiten Kupplungshälfte 5 bewirkt wird. Die Kupplungsvorrichtung 1 schließt dann ohne Aufwendung zusätzlicher Schließenergie selbstständig.
Zum Öffnen der Kupplungsvorrichtung 1 wird die Drehzahl des zweiten Bauelementes 4B über die Betätigungseinrichtung in Bezug auf die Drehzahl des ersten Bauelementes 4A der ersten Kupplungshälfte 4 erhöht, womit wiederum eine Relativbewegung zwischen den beiden Bauelementen 4A und 4B ausgelöst wird, die eine translatorische Relativbewegung zwischen den beiden Bauelementen 4A und 4B sowie zwischen dem zweiten Bauelement 4B und der zweiten Kupplungshälfte 5 in Öffnungsrichtung der Kupplungsvorrichtung 1 bewirkt.
Grundsätzlich ist die Übertragungsfähigkeit der Kupplungsvorrichtung 1 zwischen einem vollständig geöffneten Betriebszustand und einem vollständig geschlossenen Betriebszustand, zu dem ein über die Kupplungsvorrichtung 1 zu führendes Drehmoment im Wesentlichen schlupffrei über die Kupplungsvorrichtung 1 geführt wird, über einen entsprechenden Betrieb der Betätigungseinrichtung 6 betriebszustandsabhängig stufenlos variierbar.
Im geschlossenen Betriebszustand der Kupplungsvorrichtung 1 und während eines generatorischen Betriebes der elektrischen Maschine 8 besteht in geeigneten Betriebszuständen eines Fahrzeugs die Möglichkeit, im Bereich der Kupplungsvorrichtung 1 ein abzustützendes Abtriebsmoment wenigstens teilweise zur Energiegewinnung zu nutzen.

1: Kupplungsvorrichtung
2, 3: Bauteil
4: erste Kupplungshälfte
4A: erstes Bauelement
4A1: Stirnseite des ersten Bauelementes
4B: zweites Bauelement
4B1: Stirnseite des zweiten Bauelementes
5: zweite Kupplungshälfte
6: Betätigungseinrichtung
7: Antriebswandlereinrichtung
7A1, 7A2, 7B1, 7B2: Keilelement
8: elektrische Maschine
9: Ausgangswelle
10: Getriebeeinrichtung
11: Stirnrad
12: Außenstirnradverzahnung

Claims

Kupplungsvorrichtung (1) zum reibschlüssigen Verbinden zweier drehbarer Bauteile (2, 3) mit einer ersten Kupplungshälfte (4) und einer zweiten Kupplungshälfte (5), die jeweils mit einem der zu verbindenden Bauteile (2, 3) in Wirkverbindung stehen und über eine Betätigungseinrichtung (6) reibschlüssig miteinander in Eingriff bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste Kupplungshälfte (4) zum Herstellen und Lösen der reibschlüssigen Verbindung zwischen den beiden drehbaren Bauteilen (2, 3) ein erstes Bauelement (4A) und ein zweites Bauelement (4B) umfasst, die relativ zueinander verdrehbar ausgeführt und über eine Antriebswandlereinrichtung (7) zum Wandeln einer rotatorischen Antriebsbewegung der Betätigungseinrichtung (6) in eine in Bezug auf die zweite Kupplungshälfte (5) translatorische Betätigungsbewegung des zweiten Bauelementes (4B) miteinander gekoppelt sind, wobei ein über den rotatorischen Antrieb der Betätigungseinrichtung (6) und die Antriebswandlereinrichtung (7) gewandelte, die Verbindung zwischen den drehbaren Bauteilen (2, 3) zumindest teilweise herstellende Schließkraft durch eine durch die reibschlüssig in Eingriff stehenden Kupplungshälften (4, 5) ausgelöste Relativbewegung zwischen den Bauelementen (4A, 4B) im Bereich der Antriebswandlereinrichtung (7) erzeugbar ist.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (6) über eine Getriebeeinrichtung (10) mit dem zweiten Bauelement (4B) der ersten Kupplungshälfte (4) verbunden ist.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswandlereinrichtung (7) im Bereich der einander zugewandten Stirnseiten der beiden Bauelemente (4A, 4B) miteinander zusammenwirkende Keilelemente (7A1, 7A2, 7B1, 7B2) aufweist, so dass eine Relativbewegung zwischen den beiden Bauelementen (4A, 4B) eine translatorische Bewegung des zweiten Bauelementes (4B) in Bezug auf die zweite Kupplungshälfte (5) bewirkt.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswandlereinrichtung als ein zwischen den beiden Bauelementen angeordnetes Kugel-Rampe-System ausgebildet ist.
Kupplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (6) mit einer elektrischen Maschine (8) ausgeführt ist.
Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (8) sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.