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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lamellenkupplung.
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Für moderne Antriebsstränge (z. B. Allradantriebsstränge) sind so genannte ”Active-Yaw” oder ”Torque Vectoring” (TV)-Systeme bekannt. Mit einem TV-System wird die Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges aktiv gesteuert, wobei die Antriebsmomente ungleich auf die Räder verteilt werden können. Dadurch kann mehr Antriebsmoment beispielsweise zum kurvenäußeren Rad gelenkt werden, so dass bei normalen Fahrbedingungen ein übersteuerndes Verhalten eingestellt werden kann.
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Herkömmliche Differential-Einheiten umfassen ein Ausgleichsgetriebe oder Differential, das die Drehzahlunterschiede ausgleicht. Das Differential kann vorhandene Drehzahlunterschiede nicht allein vergrößern. Insbesondere benötigt die Differential-Einheit zusätzliche Komponenten, um den Drehzahlunterschied zu vergrößern (d. h. mehr Antriebsmoment auf ein bestimmtes Rad zu übertragen).
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Die Druckschrift
GB 426 407 A offenbart eine Reibungskupplung zum bedarfsweisen Koppeln einer Antriebswelle mit einer Abtriebswelle. Die Kupplung umfasst ineinandergreifende Lamellensätze, wobei die Lamellen des einen Satzes ringförmig sind und drehfest mit der Abtriebswelle verbunden sind, während die Lamellen des anderen Satzes frei drehbar auf exzentrisch an einem Antriebselement angebrachten Zapfen gelagert sind und entlang des Umfangs der ringförmigen Lamellen umlaufen.
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In der
DE 1 425 216 B ist ebenfalls eine Reibungskupplung offenbart. Beim Einrücken der Kupplung wird eine Scheibe, welche drehbar auf einem Kurbelabschnitt der Abtriebswelle gelagert ist, gegen eine drehfest mit der Antriebswelle verbundene Druckplatte gedrückt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lamellenkupplung vorzusehen, die in einem TV-System verwendbar ist, um ein vereinfachtes TV-System zu bilden.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Lamellenkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und insbesondere dadurch, dass eine erste Achse und eine zweite Achse der Komponenten der Lamellenkupplung feststehend und zueinander versetzt sind.
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Die erfindungsgemäße Lamellenkupplung weist einen Kupplungskorb und eine Kupplungsnabe auf. Der Kupplungskorb dreht sich um eine erste Achse und ist mit einem ersten Lamellensatz verbunden. Die Kupplungsnabe dreht sich um eine zweite Achse und ist mit einem zweiten Lamellensatz verbunden, wobei die Lamellen der Lamellensätze ineinander greifen. Die Lamellen der Lamellensätze sind zur Übertragung eines Momentes aneinander anpressbar, um zwischen den Lamellen der Lamellensätze eine Kraft zu übertragen, die an den gegenseitigen Berührpunkten eine tangentiale Komponente und zusätzlich eine radiale Komponente aufweist, wenn die Lamellensätze aneinander angepresst sind. Hierdurch bewirken die tangentialen Komponenten die Momentübertragung, während zusätzlich im Berührpunkt eine radiale Kraft entsteht, die letztlich daraus resultiert, dass die erste Achse und die zweite Achse zueinander versetzt sind. Durch gezieltes gegenseitiges Anpressen der Lamellensätze gestattet eine derartige Kupplung in einem TV-System eine aktive Beeinflussung der Momentübertragung.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung und den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Lamellenkupplung ist eine erste Welle drehfest mit dem Kupplungskorb verbunden, und eine zweite Welle ist mit der Kupplungsnabe drehwirksam gekoppelt. Ein Hohlrad ist drehfest mit der Kupplungsnabe verbunden und dreht sich um die zweite Achse. Ein Zahnrad ist drehfest mit der zweiten Welle verbunden und dreht sich um die erste Achse, wobei das Hohlrad und das Zahnrad kämmen.
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Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Lamellenkupplung ist eine erste Welle mit dem Kupplungskorb drehwirksam gekoppelt, und eine zweite Welle ist drehfest mit der Kupplungsnabe verbunden. Ein Hohlrad ist drehfest mit dem Kupplungskorb verbunden und dreht sich um die erste Achse. Ein Zahnrad ist drehfest mit der ersten Welle verbunden und dreht sich um die zweite Achse, wobei das Hohlrad und das Zahnrad kämmen.
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Eine Differential-Einheit ist vorgesehen, die zur Verwendung in einem TV-System zumindest eine Lamellenkupplung gemäß der Erfindung und einen entsprechenden Aktuator umfasst. Das Aktuator erzeugt eine Anpresskraft an den Lamellensätzen der Lamellenkupplung, um den TV-Betrieb zu ermöglichen.
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Ferner ist erfindungsgemäß ein Antriebsstrang vorgesehen, der eine Differential-Einheit aufweist, die zumindest eine Lamellenkupplung gemäß der Erfindung und einen entsprechenden Aktuator umfasst. Der Aktuator erzeugt eine Anpresskraft an den Lamellensätzen der Lamellenkupplung, um den TV-Betrieb zu ermöglichen. Der Antriebsstrang umfasst ferner eine Steuer-Einheit, die mit zumindest einem Sensor und vorzugsweise einer Vielzahl von Sensoren elektronisch verbunden ist, um zumindest einen Betriebszustand des Fahrzeuges zu erfassen. Die Steuer-Einheit erzeugt Steuersignale auf Grundlage des Betriebszustands des Fahrzeuges, um den Aktuator einzustellen und dabei die Anpresskraft und das übertragende Antriebsmoment zu steuern.
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Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf die Verwendung einer Lamellenkupplung oder eine Differential-Einheit der erläuterten Art zur aktiven Steuerung der Momentübertragung auf verschiedene Räder eines Kraftfahrzeuges, wobei die Erfindung jedoch nicht auf eine derartige Verwendung beschränkt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, der mit einer Differential-Einheit ausgerüstet ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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2 eine schematische Schnittdarstellung der Differential-Einheit, die Lamellenkupplungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst;
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3 eine schematische Teilschnittdarstellung der Differential-Einheit, die Lamellenkupplungen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst;
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4 ein Vektordiagramm, das die Kraftvektoren um einen Reibdurchmesser zwischen den Lamellen der Lamellenkupplung darstellt; und
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5 ein Diagramm, welches das Antriebsmoment über dem Drehzahlverhältnis von Kupplungskorb und Kupplungsnabe darstellt.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugantriebsstrangs 10 gezeigt, der einen Antrieb 12 umfasst, welcher eine Kraftübertragungsstrecke 16, einen Motor 18 und ein Getriebe 20 umfasst. Die Kraftübertragungsstrecke 16 umfasst eine Kardanwelle 28, die durch das Getriebe 20 angetrieben wird, und ein Paar Achswellen 30, das mit einem Paar Räder 32 verbunden ist, sowie eine Differential-Einheit 34, die wirksam ist, um ein Antriebsdrehmoment von der Kardanwelle 28 zu einer oder beiden Achswelle/n 30 zu übertragen.
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Eine Steuer-Einheit 40 steuert den Betrieb der Differential-Einheit 34 auf Grundlage einer Vielzahl von Fahrzeugparametern, um ein so genanntes ”torque-vectoring” (TV-Betrieb) zu ermöglichen. Die Steuer-Einheit 40 ist mit zumindest einem Sensor und vorzugsweise einer Vielzahl von Sensoren elektronisch verbunden. Beispielhafte Sensoren umfassen einen Giergeschwindigkeitssensor 42, Raddrehzahlsensoren 44, einen Lenkradwinkelsensor (nicht gezeigt) und/oder einen Lenkwinkelsensor 46. Andere Sensoren umfassen Seiten- und Längsbeschleunigungssensoren (nicht gezeigt). Die Sensoren erfassen eine Vielzahl von Betriebszuständen, z. B. die Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges, die Drehzahl jedes Rades 22, 32, den Lenkradwinkel und/oder den Lenkwinkel (α) der Vorderräder 22. Die Steuer-Einheit 40 bearbeitet das Signal oder die Signale und erzeugt ein Differentialsteuersignal, wobei zumindest ein Aktuator auf Grundlage des Differentialsteuersignals angesteuert wird, um mehr Antriebsmoment zum entsprechenden Rad 32 zu übertragen.
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Unter Bezugnahme auf 2 werden nun die Komponenten der Differential-Einheit 34 beschrieben. Die Differential-Einheit 34 umfasst ein Differentialgehäuse 50, das ein Ausgleichsgetriebe 52, zwei Lamellenkupplungen 54 und zwei entsprechende Aktuatoren 56, 58 beinhaltet. Eine Antriebswelle 60, die drehfest mit der Kardanwelle 28 verbunden ist, ist in dem Differentialgehäuse 50 durch Lageranordnungen 62 drehbar gelagert und durch eine nicht gezeigte Dichtungsanordnung relativ zu dem Differentialgehäuse 50 abgedichtet. Zwei Abtriebswellen 64, die drehfest mit den Achswellen 30 verbunden sind, sind in dem Differentialgehäuse 50 durch Lageranordnungen drehbar gelagert und durch nicht gezeigte Dichtungsanordnungen relativ zu dem Differentialgehäuse 50 abgedichtet. Die Abtriebswellen 64 drehen sich um eine Achse A. Ein Antriebskegelrad 70 ist an einem Ende der Antriebswelle 60 ausgebildet.
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Das Ausgleichsgetriebe 52 ist in dem Differentialgehäuse 50 durch Lageranordnungen 72 drehbar gelagert und umfasst eine Tragtrommel 74, zwei Kegelradsätze (Kegelräder 76A, 76B; 78A, 78B), und ein Tellerrad 80, das an der Tragtrommel 74 befestigt ist und mit dem Antriebskegelrad 70 in Eingriff steht, so dass eine angetriebene Drehung der Kardanwelle 28 eine Drehung des Ausgleichgetriebes 52 bewirkt. Die Kegelräder 76A, 76B sind mit einer entsprechenden Abtriebswelle 64 drehfest verbunden. Bei dem Ausgleichsgetriebe 52 erfolgt der Antrieb über die Tragtrommel 74 auf die einander gegenüberliegenden Kegelräder 76A, 76B; 78A, 78B. Bei Geradeausfahrt drehen die Kegelräder 76A, 76B; 78A, 78B sich nicht relativ zu einander. Das gesamte Ausgleichsgetriebe 52 läuft als Block um und überträgt das Drehmoment gleichmäßig auf die beiden Abtriebswellen 64. Erst bei Drehzahlunterschieden (z. B. bei Kurvenfahrt) zwischen den beiden Abtriebswellen 64 drehen sich die beiden Kegelräder 76A, 76B entgegengesetzt in der Tragtrommel 74, um das Drehmoment grundsätzlich gleichmäßig auf beide Abtriebswellen 64 zu verteilen.
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Wie nachstehend noch näher erläutert wird, kann durch Betätigung wenigstens einer der Lamellenkupplungen 54 erfindungsgemäß ein zusätzliches Drehmoment auf eine der beiden Abtriebswellen 64 übertragen werden, um die Antriebsmomente ungleich auf die Räder 32 zu verteilen. Hierdurch wird über die Tragtrommel 74 und die betreffende Lamellenkupplung 54 (mit Kupplungskorb 90 und Kupplungsnabe 92) ein Antriebsmoment gezielt an dem eigentlichen Ausgleichsgetriebe 52 (Kegelräder 76A, 76B) vorbei auf die jeweilige Abtriebswelle 64 übertragen. Selbstverständlich kann das erwähnte Ausgleichsgetriebe 52 auch durch ein anderes Ausgleichsgetriebe (z. B. ein Planetenradsatz-Differential) ersetzt werden.
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Die Lamellenkupplungen 54 umfassen einen jeweiligen Kupplungskorb 90 und eine jeweilige Kupplungsnabe 92. Der Kupplungskorb 90 dreht sich um die Achse A und ist mit einem ersten Lamellensatz 94 verbunden. Die Kupplungsnabe 92 dreht sich um eine Achse B und ist mit einem zweiten Lamellensatz 96 verbunden, wobei die Lamellen des zweiten Lamellensatzes 96 und die Lamellen des ersten Lamellensatzes 94 ineinander greifen. Die Achse A und die Achse B sind um einen Achsabstand Δx zueinander versetzt, wobei die Lamellen der Lamellensätze 94, 96 zur Übertragung eines Moments insbesondere so aneinander anpressbar sind, dass zwischen den Lamellen der Lamellensätze 94, 96 eine Kraft übertragen wird, die eine tangentiale Komponente und eine radiale Komponente aufweist, wenn die Lamellensätze 94, 96 aneinander angepresst sind.
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Bei einer ersten Ausführungsform (2) sind die Kupplungskörbe 90 durch entsprechende Hohlwellen 98 drehfest mit der Tragtrommel 74 verbunden. Die Hohlwellen 58 sind koaxial zu den Abtriebswellen 64 angeordnet. Die Abtriebswellen 64 sind folgendermaßen mit den Kupplungsnaben 92 drehwirksam gekoppelt: Ein jeweiliges Hohlrad 100 ist drehfest mit der zugeordneten Kupplungsnabe 92 verbunden und dreht sich um die Achse B. Ein jeweiliges Zahnrad 102 ist drehfest mit der zugeordneten Abtriebswelle 64 verbunden und dreht sich um die Achse A, wobei das Hohlrad 100 und das Zahnrad 102 kämmen, um ein Drehverhältnis zu bilden.
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Bei einer im Übrigen gleichartig wirkenden zweiten Ausführungsform (3) drehen sich die Kupplungskörbe 90 um die Achse B und die Kupplungsnaben 92 um die Achse A. Die Kupplungskörbe 90 sind drehwirksam mit entsprechenden Hohlwellen 98' gekoppelt und die Kupplungsnaben 92 sind drehfest mit den Abtriebswellen 64 verbunden. Ein jeweiliges Hohlrad 100' ist drehfest mit dem zugeordneten Kupplungskorb 90 verbunden und dreht sich um die Achse B. Ein jeweiliges Zahnrad 102' ist über die jeweilige Hohlwelle 98' drehfest mit der Tragtrommel 74 des Ausgleichsgetriebes 52 verbunden und dreht sich um die Achse A, wobei das Hohlrad 100' und das Zahnrad 102' kämmen, um ein Drehverhältnis zu bilden.
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Bei den beiden genannten Ausführungsformen können die Aktuatoren 56, 58 beispielsweise hydraulische Kolben umfassen. Die Kolben erzeugen entsprechende Anpresskräfte, um die Lamellen der Lamellensätze 94, 96 aneinander anzupressen und hierdurch zusätzlich zu der Kraftübertragung über die Tragtrommel 74 und die Kegelräder 76A, 76B; 78A, 78B eine Kraftübertragung direkt über die Tragtrommel 74 und die Lamellenkupplungen 54 an die Abtriebswellen 64 zu erreichen. Wie oben erwähnt sind die Aktuatoren 56, 58 auf Grundlage der Steuersignale von der Steuer-Einheit 40 ansteuerbar, um einen TV-Betrieb zu ermöglichen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Lamellen mit einer Anpresskraft aneinander anpressbar, die entlang des jeweiligen Umfangs der Lamellensätze 94, 96 ungleich verteilt werden kann. Insbesondere wird auf Aktuatorringe verzichtet, die bei bekannten Lamellenkupplungen zwischen dem Aktuator und dem betreffenden Lamellensatz angeordnet sind und für eine entlang des Umfangs im Wesentlichen gleichmäßige Kraftübertragung sorgen. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Anpresskraft in einem ersten Winkelsegment WS1 des jeweiligen Lamellensatzes (linke Hälfte von 4) höher ist als in einem zweiten Winkelsegment WS2 des jeweiligen Lamellensatzes (rechte Hälfte von 4), wobei in dem hier gezeigten Beispiel die gegenseitige Überdeckung der Lamellensätze 94, 96 in dem ersten Winkelsegment WS1 größer ist als in dem zweiten Winkelsegment WS2.
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Wie 4 zeigt, ergeben sich bei einer Lamellenkupplungsanordnung zusätzliche Anteile in radialer Richtung, und zwar abhängig von der Größe des Achsversatzes und vom Drehzahlverhältnis von Ein- und Ausgangsdrehzahl. In 4 ist ein Lamellenpaar der Lamellensätze 94, 96 mit eifern Achsabstand Δx dargestellt. Die Lamelle A des Lamellensatzes 94 ist die Antriebslamelle und dreht sich etwas schneller als die Lamelle B des Lamellensatzes 96, die angetrieben werden soll. In 4 ist punktiert ein Reibkreis mit dem Reibdurchmesser dREIB auf der Lamelle B dargestellt, die sich um die Achse B (vgl. 2) dreht. Die Lamelle A dreht sich um die Achse A (vgl. 2).
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Durch vektorielle Subtraktion der jeweiligen Geschwindigkeitsvektoren der Lamellen A und B an verschiedenen Berührpunkten entlang des genannten Reibkreises lässt sich der Vektor der Geschwindigkeitsdifferenz ermitteln. Dieser Geschwindigkeitsdifferenzvektor (v-Differenz) umfasst eine tangentiale Komponente und eine radiale Komponente, wobei nur die tangentiale Komponente ein Antriebsmoment an der Lamelle B ergibt. Die Richtung und die Länge des Geschwindigkeitsdifferenzvektors variieren entlang der Reibspur. In dem ersten Winkelsegment WS1 (linke Seite gemäß 4) ist der Geschwindigkeitsdifferenzvektor am längsten und in dem zweiten Winkelsegment WS2 (rechte Seite) am kürzesten. Für die Übertragung des Antriebsmoments ist nur die Richtung des Geschwindigkeitsdifferenzvektors, nicht aber dessen Länge wichtig. Generell ist die Anpresskraft in einem solchen Winkelsegment WS1 des jeweiligen Umfangs der Lamellensätze 94, 96 höher gewählt als die Anpresskraft in einem anderen Winkelsegment WS2, in dem der Geschwindigkeitsdifferenzvektor der beiden Lamellensätze 94, 96 in diejenige Richtung zeigt, in der ein Moment zwischen den beiden Lamellensätzen 94, 96 übertragen werden soll. Dies gilt insbesondere bei einer Differenzdrehzahl der Lamellensätze 94, 96 von Null oder näherungsweise Null.
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Wird die Differenzdrehzahl zwischen der Kupplungskorbdrehzahl und der Kupplungsnabendrehzahl fast Null, zeigen nämlich alle Geschwindigkeitsdifferenzvektoren in dieselbe Richtung. Auf der rechten Seite gemäß 4 (d. h. in dem zweiten Winkelsegment WS2) wird die Abtriebslamelle dann gebremst und auf der linken Seite (d. h. in dem ersten Winkelsegment WS1) wird die Abtriebslamelle angetrieben. In Summe ist kein Antriebsmoment mehr übertragbar. Es kann nur dann Antriebsmoment übertragen werden, wenn die Anpresskraft auf die Lamellensätze nicht gleich ist, sondern auf der hier linken Seite größer ist. Das lässt sich mechanisch und/oder hydraulisch durch entsprechend ausgelegte Aktuatoren 56, 58 realisieren (z. B. mit unterschiedlich großen Kolbenquerschnitten).
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Da trotzdem Reibarbeit geleistet wird, ist dennoch ein Antriebsmoment vorhanden. Wenn der Achsabstand Δx relativ zum Reibdurchmesser dREIB klein ist, so ist dieses Antriebsmoment gering (z. B. bei richtiger Auslegung in etwa 5% bis 10% vom maximal übertragbaren Antriebsmoment bei hoher Geschwindigkeitsdifferenzdrehzahl oder kleiner Desaxierung). Die Verhältnisse sind nur leicht unterschiedlich, wenn der Reibkreis um die Achse A gelegt wird.
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In 5 ist das Antriebsmoment über dem Drehzahlverhältnis des Kupplungskorbs 90 und der Kupplungsnabe 92 aufgetragen. Der Knick, bei dem das übertragene Antriebsmoment stark abfällt, ist abhängig vom Verhältnis von Reibdurchmesser zu Achsversatz. Je kleiner der Achsversatz oder je größer der Reibdurchmesser, desto mehr Antriebsmoment kann bei kleinem Drehzahlverhältnis übertragen werden. Ein Vorteil ergibt sich in der besseren Einregelbarkeit einer Differenzdrehzahl, z. B. kann man über das Soll-Antriebsmoment einen Radschlupf und daraus eine Soll-Differenzdrehzahl errechnen. Durch die ausgeprägte abfallende Charakteristik lässt sich diese Drehzahl gut einstellen. Zusätzlich oder alternativ zu der an sich bekannten Steuerung des übertragenen Moments gestattet die erfindungsgemäße Kupplung somit eine selbstregelnde Einstellung der Differenzdrehzahl.
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Obwohl in 1 beispielhaft ein Antriebsstrang mit Heckantrieb dargestellt ist, kann die Lamellenkupplung gemäß der Erfindung in verschiedenen Antriebssträngen verwendet werden. Beispielsweise kann die Lamellenkupplung in einen Antriebstrang mit Frontantrieb und/oder einen Allrad-/Vierrad-Antriebsstrang eingebaut werden. Weiterhin kann die Lamellenkupplung nicht nur ein zusätzliches Drehmoment an einer Abtriebswelle einer Achsdifferential-Einheit verteilen, sondern sie kann auch zwischen den Achsdifferentialen in einem Zentraldifferential (Verteilergetriebe) eines Allrad-/Vierrad-Antriebstranges vorgesehen sein, um wahlweise ein zusätzliches Drehmoment an die Vorderachsdifferential-Einheit oder die Hinterachsdifferential-Einheit zu übertragen.
