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Die
Erfindung betrifft ein hydraulisch betätigbares Schaltelement
insbesondere eines automatischen Getriebes, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Automatische
Fahrzeuggetriebe mit Planetenradsätzen besitzen zur Schaltung
von Gangstufen mehrere, meist hydraulisch betätigbare,
als Gangkupplungen und Gangbremsen ausgebildete Schaltelemente.
Bei einem durch ein Fahrprogramm oder einen Fahrerwunsch initiierten
Gangwechsel werden überschneidend bestimmte Schaltelemente
einer eingelegten Gangstufe gelöst und andere Schaltelemente
einer einzulegenden Gangstufe geschlossen, wobei die jeweiligen
Schaltelemente bzw. deren Stellglieder über eine elektronische
Getriebesteuerung, die ein Hydrauliksystem regelt, betätigt
werden.
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Die
hydraulische Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt in konventionellen
Automatgetrieben meist in Schließrichtung, wobei ein mit
Drucköl beaufschlagter Schaltelementkolben korrespondierende
Kupplungs- bzw. Bremspartner in Reibschluss bringt. In drucklosem
Zustand wird der Reibschluss mittels eines Rückstellmittels,
beispielsweise einer Rückstellfeder oder über
eine hydraulische Beaufschlagung des Schaltelementkolbens in die
Gegenrichtung gelöst.
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Die
Druckbeaufschlagung des im Getriebe rotierenden Schaltelementkolbens
erfolgt üblicherweise über einen mit dem Schaltelementkolben
rotierenden Druckraum, dem das Drucköl zugeführt
wird. Durch die Rotation des Drucköls wird dem statischen Druck
ein dynamischer Druck überlagert. Der dynamische Druck
entsteht aufgrund der Bewegung des Hydraulikfluids. Durch die dabei
auftretenden Zentrifugalkräfte wird das Öl im
Druckraum ungleichmäßig verteilt, was wiederum,
je nach konstruktiven Gegebenheiten, zu einer drehzahlabhängigen
Axialkraftkomponente führt, die sich zu der statischen Axialkraft
auf den Schaltelementkolben in Schließrichtung hinzuaddiert.
Diese Störgröße wird in der Regel mit Hilfe
eines kolbenrückseitigen Druckausgleichsraumes kompensiert,
in welchem sich rotierendes Schmieröl ansammelt, welches
eine der Störkraft entgegen gerichtete Kraft erzeugt, die
im Idealfall die Störgröße genau kompensiert.
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Grundsätzlich
sind die Positionierung, die Geometrie und die Abmessungen der Druckausgleichsräume
der Schaltelemente den jeweiligen konstruktiven Vorgaben und den
vorhandenen Bauraumverhältnissen im Getriebe angepasst.
Um eine kompakte Bauform, insbesondere eine möglichst geringe
axiale Länge eines Automatdetriebes mit einer relativ hohen
Gangzahl zu erreichen, sind häufig bestimmte Schaltungskomponenten
radial übereinander angeordnet.
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Ein
solches Automatgetriebe zeigt die
US 2005/0279602 A1 .
Darin sind die Lamellenpakete zweier Schaltkupplungen radial übereinander
angeordnet. Jeder Schaltkupplung ist ein Druckausgleichsraum zugeordnet.
Die beiden Druckausgleichsräume sind unterschiedlich dimensioniert
und ebenfalls radial übereinander angeordnet. Eine gemeinsame
Schmiermittelzuführung versorgt beide Druckausgleichsräume,
wobei der radial außen liegende Druckausgleichsraum über
den radial innen liegenden Druckausgleichsraum mit Schmieröl
befüllbar ist.
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Derartige
Getriebeanordnungen, wie diese beispielhaft genannte, weisen zwar
eine relativ kurze axiale Baulänge auf, der für
die Druckausgleichsräume zur Verfügung stehende
radiale Bauraum ist aber eher eingeschränkt. Dies kann
dazu führen, dass in den Druckausgleichsräumen
mangels ausreichender Zentrifugalkräfte nicht genügend
Gegendruck zum Ausgleich des aufgrund der Rotation des druckmittelbefüllten
Druckraumes entstehenden dynamischen Druckes erzeugt werden kann,
so dass eine unerwünschte resultierende Schließdruckkomponente
an dem jeweiligen Schaltelement auftritt. Der Einbau ausreichend
dimensionierter Druckräume erscheint in modernen Getriebekon zepten
mit radial übereinander geschachtelten Komponenten zunehmend schwierig.
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Die
DE 101 31 816 A1 zeigt
hingegen ein Getriebe, bei dem zwei Schaltkupplungen nebeneinander
angeordnet sind. Jede der beiden Schaltkupplungen weist einen Schließdruckraum
auf, über den zur Kupplungsbetätigung jeweils
ein Primärkolben beaufschlagt wird, der seinerseits ein
Sekundärkolben betätigt, welcher wiederum ein
Lamellenpaket mit einer Stellkraft beaufschlagt. An den Rückseiten der
radial nach außen verlängerten Sekundärkolben ist
jeweils ein Entleerdruckraum radial oberhalb des Lamellenpaketes,
also auf einem größeren Durchmesser als das Lamellenpaket,
angeordnet. Die Entleerdruckräume besitzen jeweils eine Ölzuführung, über
die sie mit Druck beaufschlagbar sind, um den jeweiligen Schaltkolben
zurückzufahren, wobei dessen Schließdruckraum
entleert wird. Die Entleerdruckräume können über
eine elektro-hydraulische oder elektro-pneumatische Druckmodulation
aktiv als Rückstellmittel angesteuert werden.
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Solche
relativ aufwendige aktiven Steuerungsmaßnahmen sind zwar
geeignet, um kolbenrückseitige Räume und Ausnehmungen
auch bei kleinem radialen Durchmesser als regelbare Rückstellmittel
zu nutzten, für einen drehzahlabhängigen selbsttätigen
dynamischen Druckausgleich sind diese Entleerdruckräume
jedoch eher unzureichend.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
hydraulisch betätigbares Schaltelement insbesondere für
ein automatisches Getriebe vorzuschlagen, das mit einem vergleichsweise
geringen radialen Bauraum auskommt und dennoch eine effektive passive
Kompensation dynamischer Hydraulikdrücke ermöglicht.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des
Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar
sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem hydraulisch
betätigbaren Schaltelement eines Getriebes ein Ausgleich
eines dynamischen Druckes mit Hilfe mehrerer, sich in ihrer Wirkung
ergänzender Druckausgleichsräume mit vergleichsweise
geringem Radialdurchmesser realisiert werden kann.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einem Schaltelement insbesondere eines
Automatgetriebes eines Kraftfahrzeuges, mit einem über
einen Schließdruckraum hydraulisch betätigbaren
Schaltelementkolben und mit Druckausgleichsmitteln zur Kompensation
auf den Schaltelementkolben einwirkender, im mit Hydraulikfluid
befüllten Schließdruckraum rotationsbedingt entstehender
dynamischer Schließkräfte, wobei die Druckausgleichsmittel
als wenigstens ein mit Druckausgleichsfluid speisbarer Druckausgleichsraum
ausgebildet sind, in dem den dynamischen Schließkräften
entgegen gerichtete, rotationsbedingt entstehende dynamische Ausgleichskräfte erzeugbar
sind. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung
vor, dass zumindest zwei, dem Schließdruckraum gegenüberliegende
Druckausgleichsräume in einem Zylinderraum des Schaltelementkolbens
axial nebeneinander angeordnet sind.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Anordnung eines als Lamellenkupplung
ausgebildeten erfindungsgemäßen Schaltelementes
ist der Schaltelementkolben auf einer Kupplungszylindernabe verschiebbar
angeordnet, wobei der erste Druckausgleichsraum durch eine auf der
Kupplungszylindernabe feststehend angeordnete erste Stauscheibe,
einen Kolbenboden und eine erste radiale Mantelfläche des
Kupplungskolbens gebildet ist, und der zweite Druckausgleichsraum
durch eine auf der Kupplungszylindernabe feststehend angeordnete zweite
Stauscheibe, eine am Kolbenmantel feststehend angeordnete Ringscheibe
und eine zweite radiale Mantelfläche des Kupplungskolbens
gebildet ist.
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Beide
Druckausgleichsräume besitzen jeweils eine, vorteilhaft
als Radialbohrung in der Schaltelementzylindernabe ausgebildete
Zuführung, über die sie drucklos mit Fluid, d.
h. mit Schmier- und Kühlöl, befüllbar
sind. Die Ölzuführungen können auch jeweils
mehrere Radialbohrungen aufweisen.
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Um
in drucklosem Zustand ein Lüftungsspiel der Schaltpartner
des Schaltelementes zu gewährleisten, kann in wenigstens
einem der Druckausgleichsräume ein vorteilhaft als Federelement
ausgebildetes Rückstellmittel angeordnet sein. Beispielsweise
stützt sich eine einfache Schraubendruckfeder in dem ersten
Druckausgleichsraum zwischen dem Kolbenboden und der ersten Stauscheibe
ab.
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Bei
rotierendem Kupplungszylinder baut sich in den zusammenwirkenden
rotierenden Druckausgleichsräumen ein axialer Gegendruck
auf, der dem dynamischen Schließdruck am Schaltelementkolben entgegenwirkt.
Dabei addieren sich vorteilhaft am Schaltelementkolben die dynamischen
Drücke in den beiden, in Abstimmung mit dem Schließdruckraum entsprechend
ausgebildeten, d. h. in Ausdehnung und Form gestalteten, Druckausgleichsräumen,
so dass entsprechend der Beziehung F →dyn_Kolben = –(F →dyn_Ausgleich_1 + F →dyn_Ausgleich_2)
im Kräftegleichgewicht ein vollständiger dynamischer
Druckausgleich realisierbar ist, wobei die Druckausgleichsräume
entsprechend eines vorgegebenen zur Verfügung stehenden begrenzten
radialen Durchmessers innerhalb des Kupplungszylinderraumes angeordnet
sind. Die beiden hintereinander geschalteten, axial nebeneinander
angeordneten Druckausgleichsräume ersetzen beispielsweise
einen einzelnen Druckausgleichsraum mit größerem
Durchmesser.
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Grundsätzlich
können auch mehr als zwei Druckausgleichsräume
in einem Schaltzylinderraum nebeneinander angeordnet sein. Das Schaltelement erhält
somit eine flexible Bauform, die sich auch bei begrenztem radialen
Bauraum ohne Einbußen beim dynamischen Druckausgleich relativ
einfach in ein vorgegebenes Getriebekonzept implementieren lässt.
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Außerdem
kann vorgesehen sein, dass zwischen den Druckausgleichsräumen
ein Zwischenraum vorhanden ist, über den ein Lamellenpaket
des Schaltelementes mit Fluid zur Schmierung und Kühlung
versorgbar ist. Das Fluid zur Schmier- und Kühlölversorgung
des Lamellenpaketes kann über einen Ringspalt zwischen
der Ringscheibe und der Schaltelementzylindernabe dem Zwischenraum
zuführbar sowie über einen Schmiermittelabfluss
im Schaltelementkolben aus dem Zwischenraum in Richtung des Lamellenpaketes
abführbar sein. Ein kleinerer Teil des Fluids aus dem zweiten
Druckausgleichsraum wird demnach vorteilhaft zur Schmierung und
Kühlung der Kupplung verwendet, der Hauptteil hingegen als
Druckausgleichsöl. Dadurch kann gegebenenfalls eine zusätzliche
Schmierölzuführung für das Lamellenpaket
der Kupplung eingespart werden, was weitere Bauraum- und Kostenvorteile
hat.
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Zur
Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung
eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser
zeigt die einzige Figur ein als Lamellenkupplung 1 ausgebildetes
Schaltelement eines Automatgetriebes eines Kraftfahrzeuges in einem
Längsschnitt, wobei zur Vereinfachung lediglich ein schematischer
Teilschnitt oberhalb einer Längsachse dargestellt ist.
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In
einem derart ausgestatteten Automatgetriebe werden mehrere Lamellenkupplungen
zum Schalten von Übersetzungsstufen angeordnet sein. Da
die Anordnung und Funktionsweise von Schaltelementen, d. h. von
Schaltkupplungen und Schaltbremsen in Automatikgetrieben, beispielsweise
aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist, beschränkt
sich die folgende Beschreibung auf die erfindungsgemäße
Bauweise der Betätigungsvorrichtung der Lamellenkupplung 1.
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Die
Lamellenkupplung 1 umfasst einen Kupplungszylinder 2,
der die Außenlamellen 9 eines Lamellenpaketes 3 trägt.
Innerhalb des Kupplungszylinders 2 ist ein Zylinderraum 4 ausgebildet,
in dem ein Kupplungskolben 5 aufgenommen ist. Der Kupplungskolben 5 ist
auf einer Kupplungszylindernabe 6 axial verschiebbar angeordnet
und gegenüber einem stirnseitig vorgelagerten Schließdruckraum 7 abgedichtet.
Zur Betätigung des Kupplungskolbens 5 ist der
Schließdruckraum 7 über eine Betätigungsölzuführung 8 mit
Druck beaufschlagbar. Bei einer Druckbeaufschlagung wirkt der Kupplungskolben 5 axial auf
das Lamellenpaket 3, so dass dessen Außenlamellen 9 und
Innenlamellen 10 relativ gegeneinander in Richtung Reibschluss
verschoben werden und ein Drehmoment übertragen können.
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Im
Zylinderraum 4 sind kolbenrückseitig, d. h. dem
Schließdruckraum 7 gegenüberliegend,
erfindungsgemäß zwei Druckausgleichsräume 11 und 12 axial
nebeneinander angeordnet. Der erste, schließdruckraumnahe
Druckausgleichsraum 11 ist begrenzt durch einen Boden 13 und
eine erste radiale Mantelfläche 14 des Kolbens 5 sowie
eine erste Stauscheibe 15, die auf der Zylindernabe 6 fixiert
ist. Die Stauscheibe 15 ist mittels eines Befestigungsringes 19 an
einer Nut der Zylindernabe 6 gehalten und gegenüber
der Mantelfläche 14 mittels eines nicht weiter
bezeichneten Dichtringes abgedichtet. In dem ersten Druckausgleichsraum 11 stützt
sich zudem zwischen dem Kolbenboden 13 und der ersten Stauscheibe 15 ein
als zylindrische Schraubendruckfeder ausgebildetes Rückstellmittel 22 ab.
Die Rückstellfeder 22 gewährleistet im
drucklosen Zustand der Kupplungsbetätigungsvorrichtung
ein Zurückstellen des Kolbens 5 und in dessen
Folge ein Lüftungsspiel 23 des Lamellenpaketes 3.
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Der
zweite, schließdruckraumferne Druckausgleichsraum 12 ist
begrenzt durch eine an dem Kolben 5 fixierte Ringscheibe 16 und
eine zweite radiale Mantelfläche 17 des Kolbens 5 sowie
eine zweite Stauscheibe 18, wobei letztere auf der Zylindernabe 6 fixiert
ist. Die Ringscheibe 16 ist zwischen einem radialen Absatz
der Mantelfläche 17 des Kolbens 5 und
einem in einer Nut in der Mantelfläche 17 sitzenden
Haltering 20 fixiert sowie gegenüber der Mantelfläche 17 abgedichtet.
Die Stauscheibe 18 ist mittels eines Befestigungsringes 21 an
einer Nut in der Zylindernabe 6 gehalten und gegenüber
der Mantelfläche 17 des Kolbens 5 abgedichtet.
Als Dichtmittel für den Kolben 5, die beiden Stauscheiben 15, 18 und die
Ringscheibe 16 sind, nicht weiter bezeichnete, übliche
Dichtringe vorgesehen. Beide Druckausgleichsräume 11, 12 besitzen
jeweils eine eigene Schmierölzuführung 24 bzw. 25,
die als Radialbohrungen in der Zylindernabe 6 realisiert
sind.
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Zwischen
den beiden Druckräumen 11, 12 ist ein
Zwischenraum 26 zur Versorgung des Lamellenpaketes 3 mit
Schmier- und Kühlöl vorgesehen. Der Zwischenraum 26 ist
von der ersten Stauscheibe 15 und der Ringscheibe 16 sowie
dem Kolbenmantel 29 und der Zylindernabe 6 begrenzt.
Der Zwischenraum 26 ist über einen Ringspalt 27 zwischen
der Ringscheibe 16 und der Zylindernabe 6 mit Öl
aus dem zweiten Druckausgleichsraum 12 befüllbar.
Das Schmier- und Kühlöl wird über einen
als Radialöffnung im Kolbenmantel 29 ausgebildeten
Schmiermittelabfluss 28 aus dem Zwischenraum 26 heraus
dem Lamellenpaket 3 zugeführt.
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Die
Funktionsweise des dynamischen Druckausgleichs der Lamellenkupplung 1 ist
wie folgt:
Bei einer Druckbeaufschlagung des Schließdruckraumes 7 mit
dem Kupplungsbetätigungsöl aus der Zuführung 8 stellt
sich rotationsbedingt durch das im Schließdruckraum 7 mit
rotierende Drucköl eine in der Figur mit F1 bezeichnete
dynamische Axialkraftkomponente F_dyn_Kolben ein, die den Kolben 5 zusätzlich
zu dem aufgebauten Druck in Schließrichtung drückt.
In den zumindest zum Teil mit Schmier- und Kühlöl
drucklos befüllten Druckausgleichräumen 11, 12,
werden durch das ebenfalls mit rotierende Öl die dynamischen
Axialkraftkomponenten F_dyn_Ausgleich_1 und F_dyn_Ausgleich_2 erzeugt (in
der Figur mit F2 bzw. F3 bezeichnet), die in der Gegenrichtung wirken,
also den Kolben 5 in seine Nichtbetätigungsstellung
zurück drücken. Im Kräftegleichgewicht F →dyn_Kolben = –(F →dyn_Ausgleich_1 + F →dyn_Ausgleich_2) heben sich die dynamischen
Kräfte gerade auf, so dass die rotationsabhängige
Störgröße der Kupplungsansteuerung im
Idealfall genau, im praktischen Betrieb zumindest aber weitgehend
neutralisiert wird.
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- 1
- Lamellenkupplung
- 2
- Schaltelementzylinder,
Kupplungszylinder
- 3
- Lamellenpaket
- 4
- Zylinderraum
- 5
- Schaltelementkolben,
Kupplungskolben
- 6
- Schaltelementzylindernabe,
Kupplungszylindernabe
- 7
- Schließdruckraum
- 8
- Schließdruckzuführung
- 9
- Außenlamellen
- 10
- Innenlamellen
- 11
- Druckausgleichsraum
- 12
- Druckausgleichsraum
- 13
- Kolbenboden
- 14
- Kolbenmantelfläche
- 15
- Stauscheibe
- 16
- Ringscheibe
- 17
- Kolbenmantelfläche
- 18
- Stauscheibe
- 19
- Befestigungsring
- 20
- Haltering
- 21
- Befestigungsring
- 22
- Rückstellmittel,
Rückstellfeder
- 23
- Lüftungsspiel
- 24
- Fluidzuführung
- 25
- Fluidzuführung
- 26
- Zwischenraum
- 27
- Ringspalt
- 28
- Schmiermittelabfluss
- 29
- Kolbenmantel
- F1
- Dynamische
Kolbenkraft
- F2
- Dynamische
Ausgleichskraft
- F3
- Dynamische
Ausgleichskraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0279602
A1 [0006]
- - DE 10131816 A1 [0008]