DE102022133640A1 - Drehmomentbegrenzer mit einer Rotationsachse für einen Antriebsstrang - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentbegrenzer (1) mit einer Rotationsachse (2) für einen Antriebsstrang (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:- einen Reibring (4);- einen Steuerring (5);- zumindest einen Steuerhebel (6,7), welcher an dem Steuerring (5) fixiert ist;- ein Spannelement (8), mittels welchem der Steuerhebel (6,7) definiert vorgespannt gehalten ist,- zumindest ein Summenband (9,10), welches beidendig an dem jeweiligen Steuerhebel (6,7) vorgespannt fixiert und mit dem Reibring (4) diesen mehrfach umschlingend reibschlüssig drehmomentübertragend verbunden ist.Mit dem hier vorgeschlagenen Drehmomentbegrenzer ist system-intrinsisch ein Grenzdrehmoment über eine angestrebte Lebensdauer exakt einstellbar.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Drehmomentbegrenzer mit einer Rotationsachse für einen Antriebsstrang, eine Reibscheibe mit einem solchen Drehmomentbegrenzer für einen Antriebsstrang, eine Trennkupplung mit einer solchen Reibscheibe für einen Antriebsstrang, einen Antriebsstrang mit einer solchen Trennkupplung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang.
• Drehmomentbegrenzer sind aus dem Bereich von Antriebssträngen für Kraftfahrzeuge bekannt, vor allem bei elektrifizierten Antriebssträngen, bei welchen eine elektrische Antriebsmaschine vor unvermeidbaren Drehmomentschlägen einer Verbrennungskraftmaschine (beispielsweise bei einer Fehlzündung) oder Drehmomentschlägen von einem Vortriebsrad (beispielsweise bei elektronisch unterstützter, sogenannter Anti-Blockier-Bremsung [ABS] auf unterschiedlich glattem Untergrund). Es gibt heute mehrere Projekte, bei denen solche Drehmomentbegrenzer, auch als Rutschkupplungen bezeichnet, integriert in einen Torsionsschwingungsdämpfer entwickelt werden. Dabei wird oft ein sehr enger Momenten-Bereich vorgegeben, in welchem der Drehmomentbegrenzer auslösen soll. Diese Grenze muss heute mit sehr großem Aufwand realisiert werden, beispielsweise mittels Einschränken der Toleranzen, mittels Sortieren von Teilen nach ihrer Güte und/oder mittels Einstellen eines möglichst konstanten Reibbeiwerts, was beispielsweise durch einen Einlaufprozess erzielt wird. Gleichwohl wird diese Grenze doch nicht über die gesamte Lebensdauer konstant gehalten.
• Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
• Die Erfindung betrifft einen Drehmomentbegrenzer mit einer Rotationsachse für einen Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
• - einen Reibring;
• - einen Steuerring;
• - zumindest einen Steuerhebel, welcher an dem Steuerring fixiert ist;
• - ein Spannelement, mittels welchem der Steuerhebel definiert vorgespannt gehalten ist,
• - zumindest ein Summenband, welches beidendig an dem jeweiligen Steuerhebel vorgespannt fixiert und mit dem Reibring diesen mehrfach umschlingend reibschlüssig drehmomentübertragend verbunden ist.
• Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
• Der hier vorgeschlagene Drehmomentbegrenzer ist mit einem Torsionsschwingungsdämpfer kombinierbar, aber ein Torsionsschwingungsdämpfer ist für die Funktion nicht notwendig. Somit ist der hier vorgeschlagene Drehmomentbegrenzer auch für einen rein elektrischen Antriebsstrang geeignet, in welchem aufgrund der technischen Anforderungen und dem Kostendruck oftmals kein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen wird. Gleichwohl treten bei einem rein elektrischen Antriebsstrang Drehmomentschläge auf, wie beispielsweise der oben genannte Schubmomentschlag in einem Kraftfahrzeug bei einer Radblockage, aber auch bei einer entsprechend robusten Ansteuerung einer elektrischen Antriebsmaschine, welche oftmals ein deutlich schnelleres Ansprechverhalten mit großen Drehmomentbeträgen aufweist als dies von der Trägheit des übrigen Antriebsstrangs aufnehmbar ist, also zu einem Zugdrehmomentschlag führen kann.
• Der Reibring ist ein Element, bei welchem eine umlaufende Reibfläche vorgesehen ist, mit welcher das Summenband in reibschlüssigem Eingriff steht, um so ein Drehmoment rein reibschlüssig zu übertragen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ein solches Summenband mittels einer (beispielsweise spanend erzeugten) gewindeartigen Nut in der Oberfläche des Reibrings geführt, sodass die Position des Summenbands auf dem Reibring gesichert ist. Der Steuerring ist mit dem Reibring in keiner anderen Weise drehmomentübertragend verbunden, sondern der Reibring und der Steuerring sind (ohne das Summenband) frei gegeneinander um die Rotationsachse verdrehbar. Der Steuerring ist im Einsatz mit einem Drehmomentanschluss verbunden, beispielsweise mittelbar oder unmittelbar mit einer Schwungscheibe und/oder einer Motorwelle. Der Steuerhebel, an welchem das Summenband beidendig befestigt ist, ist mit einem Schwenklager an dem Steuerring um einen Schwenkpunkt des Schwenklagers verschwenkbar fixiert. Das Summenband ist somit mittels des Steuerhebels definiert gehalten und gespannt, wobei bevorzugt für eine einfache Berechenbarkeit der Hebelabstand zu dem Schwenkpunkt (des Schwenklagers) des Steuerhebels des jeweiligen Anbindungspunkts der beiden Bandenden des Summenbands identisch ist und zudem einer der Anbindungspunkte auf einer Linie mit dem Steuerpunkt des Steuerhebels an dessen Hebelende angeordnet ist. Damit gilt dann die Euler-Eytelwein-Gleichung: $$M_R=rF\frac{l_S}{l_D}\frac{e^{\mathrm{\mu }\alpha }-1}{e^{\mathrm{\mu }\alpha }+1},$$

  

  wobei M_R das übertragbare Reibmoment ist, r der Radius des Reibrings, F die auf den Steuerpunkt des Steuerhebels aufgebrachte Kraft zum Schwenken (Schwenkkraft) des Steuerhebels, l_S der Hebelabstand zwischen dem Schwenkpunkt des Schwenklagers und dem Steuerpunkt, l_D (mit l_D = l_D1 = l_D2) der Hebelabstand zwischen dem Schwenkpunkt des Schwenklagers und dem jeweiligen Anbindungspunkt, e die Euler'sche Zahl, µ der Reibbeiwert zwischen dem Summenband und dem Reibring, und α der gesamte Umschlingungswinkel. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, dass mit einem zunehmenden Umschligungswinkel α sich das nominelle Reibmoment, also das Verhältnis von dem Reibmoment und dem Produkt aus der Schwenkkraft und dem Radius des Reibrings, sich asymptotisch dem Wert eins [1] annähert. Der Einfluss des tatsächlich vorliegenden Reibbeiwerts µ wird also zunehmend geringer. Schon ab drei [3] vollständigen Umwicklungen beträgt ein Unterschied zwischen einem nominellen Reibmoment bei einem ersten Reibbeiwert µ₁ von beispielsweise 0,2 [zwei Zehntel] im Vergleich zu einem zweiten Reibbeiwert µ₂ vοn beispielsweise 0,4 [vier Zehntel] weniger als 5 % [fünf Prozent]. Es ist also mit einem geringen Aufwand über eine Lebenszeit eine (nahezu) konstante reibschlüssige Drehmomentübertragung einstellbar mit einem mittleren Reibbeiwert µ von 0,3 [3 Zehntel] mit bis zu ± 0,1 [plus/minus ein Zehntel] Toleranz in der Fertigung und Montage, aber vor allem auch über eine angestrebte Lebenszeit.
• Für unterschiedliche Grenzdrehmomente für jeweils ein Zugmoment oder Schubmoment sind die Hebelabstände l_D1 und l_D2 zu dem Schwenkpunkt unterschiedlich ausgeführt, sodass die oben angegebene Formel (1) etwas komplexer ist.
• Hier ist nun weiterhin ein Spannelement für die Funktion eines sicheren Lösens der reibschlüssigen Drehmomentübertragung bei einem Drehmomentschlag vorgeschlagen, also einem plötzlichen, beispielsweise sprunghaften, Abweichen von dem derzeit anliegenden Drehmoment. Dafür ist das Spannelement vorgesehen, mittels welchem die Schwenkkraft auf den Steuerhebel aufgebracht ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das (dann elastische) Spannelement einen Federweg auf, über welchen die erforderliche Spannkraft für einen Monteur leicht einstellbar ist beziehungsweise aufgrund dessen keine zu strengen (und damit teuren) Toleranzanforderungen gestellt werden müssen; denn mit einem elastischen Spannelement, beispielsweise einemgummi-elastischen Element oder einer Druckfeder, ist ein (im Vergleich zu einer Stellschraube) großer Federweg mit einer geringen Steifigkeitsänderung erzielbar. Das Summenband ist also mittels der Vorspannung des Spannelements angelegt und eine reibschlüssige (Haftreibung) Übertragung eines vorbestimmten Reibmoments ist sichergestellt. Ein nützlicher Effekt dabei ist auch, dass damit zumindest ein Teil eines Drehmomentschlags verschliffen, also in dem Drehmomentbegrenzer dissipiert wird.
• Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Drehmomentbegrenzers vorgeschlagen, dass ein erstes Summenband mit einem ersten Steuerhebel und ein zweites Summenband mit einem zweiten Steuerhebel vorgesehen sind, wobei die Steuerhebel einander entgegengesetzt ausgerichtet sind, und das Spannelement eingerichtet ist, auf beide Steuerhebel in einander gegensätzlicher Richtung zu wirken.
• Mit zwei Summenbändern ist ein größeres (Grenz-) Drehmoment übertragbar beziehungsweise eine geringere Vorspannung auf das jeweilige Summenband realisierbar.
• Bei dieser Ausführungsform ist mittels des beidseits eingespannten Spannelements erreicht, dass das (bevorzugt elastische) Spannelement keine oder (beispielsweise baulich bedingt umgelenkte Reaktionskräfte und/oder zur Verliersicherung) lediglich eine geringe Kraftabstützung an dem Steuerring benötigt. Vielmehr ist das Spannelement in seiner vorgesehenen Arbeitsrichtung an den sich jeweils gegenläufig bewegenden Steuerhebeln abgestützt. In einer Ausführungsform weist der Steuerring für das Spannelement einzig eine Führung beziehungsweise Aufnahme auf, in welcher das Spannelement geführt beziehungsweise gehalten ist, beispielsweise axial gesichert ist.
• Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Drehmomentbegrenzers vorgeschlagen, dass das Spannelement einen Keil und ein Energiespeicherelement umfasst,
  wobei mittels einer kraftübertragenden Verbindung zwischen dem Keil und dem jeweiligen Steuerhebel eine definierte Vorspannung auf das jeweilige Summenband vorgehalten ist.
• Bei dieser Ausführungsform ist von dem (bevorzugt elastischen) Spannelement ein lineare, bevorzugt gerade (beispielsweise tangentiale), Bewegung ausführbar, wobei der Keil mittels des Energiespeicherelements gegen den Steuerpunkt des Steuerhebels gepresst ist. Hierbei ist erzielt, dass die vorgehaltene Vorspannung, beispielsweise mit tangentialer Ausrichtung, geeignet auf den jeweiligen Steuerhebel umgelenkt ist. Gleichzeitig ist damit eine Kraftübersetzung erzielbar, also ein kürzerer Steuerhebel (vergleiche oben Formel (1): l_S der Hebelabstand zwischen dem Schwenkpunkt des Schwenklagers) einsetzbar ist und/oder die Vorspannung reduzierbar ist.
• In einer einfachen Ausführungsform ist das Energiespeicherelement eine Schraubendruckfeder oder ein Gasdruckspeicher. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein einziges Energiespeicherelement für zwei Keile vorgesehen, welche damit einander antagonistisch verspannt sind. Der erste Keil wirkt auf den ersten Steuerhebel und der zweite Keil wirkt entsprechend auf den zweiten Steuerhebel, wie oben beschrieben. Die Keile und das Energiespeicherelement sind dann bevorzugt in dem Steuerring ausschließlich geführt, bevorzugt axial gesichert, und es werden keine Steuerkräfte auf den Steuerring übertragen, also das (elastische) Spannelement (insgesamt) in dem Steuerring steuerkraftfrei gehalten.
• Es sei darauf hingewiesen, dass mit dem beidseitigen Abstützen des Spannelements weiterhin sichergestellt ist, dass die Schwenkkräfte auf die Steuerhebel (aufgrund von actio gleich reactio) stets gleich sind, also beide Summenbänder zu gleichen Teilen belastet sind und das gewünschte Grenzdrehmoment sicher bereitgestellt ist.
• Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Drehmomentbegrenzers vorgeschlagen, dass das Spannelement von einer Schenkelfeder gebildet ist.
• Bei dieser Ausführungsform ist ein Schenkel einer Schenkelfeder zum Ausüben der Schwenkkraft auf den Steuerpunkt des Steuerhebels vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist kein weiteres Zwischenelement zwischen dem Schenkel und dem Steuerpunkt vorgesehen, diese also in unmittelbarem kraftübertragendem Kontakt miteinander. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine einzige Schenkelfeder für zwei Steuerhebel vorgesehen, welche damit einander antagonistisch verspannt sind. Der erste Schenkel wirkt auf den ersten Steuerhebel und der zweite Schenkel wirkt entsprechend auf den zweiten Steuerhebel, wie oben beschrieben. Die Schenkelfeder ist dann bevorzugt in dem Steuerring ausschließlich gehalten, bevorzugt axial gesichert, und es werden keine Steuerkräfte auf den Steuerring übertragen, also das (elastische) Spannelement (insgesamt) in dem Steuerring mit geringen Kräften gehalten.
• Es sei darauf hingewiesen, dass das elastische Spannelement im Einsatz keine Hubbewegung ausführt, sondern lediglich einmal bei der Montage eingerichtet wird beziehungsweise worden ist. Somit findet keine dauerhafte relative Bewegung zwischen dem Steuerring und dem elastischen Spannelement statt. Somit sind geringe Anforderungen an eine Lagergüte einer entsprechenden Aufnahme für das elastische Spannelement gestellt.
• Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Drehmomentbegrenzers vorgeschlagen, dass radial innerhalb des Reibrings ein mit diesem drehmomentübertragend verbundener Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen ist.
• Bei dieser Ausführungsform ist rein optional ein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen. Weil für ein großes übertragbares Reibmoment ein großer Durchmesser des Reibrings vorteilhaft ist, ist hier vorgeschlagen, dass der Torsionsschwingungsdämpfer radial innerhalb des Reibrings angeordnet ist. Ein solcher Torsionsschwingungsdämpfer ist beispielsweise ein Mehrflanschdämpfer, ein Pendelwippendämpfer und/oder ein Fliehkraftpendel.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Reibscheibe für einen Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
• - eine Trägerscheibe;
• - ein Reibelement, welches von der Trägerscheibe mitrotierend gehalten ist;
• - eine Nabe zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der Trägerscheibe und einer Welle; und
• - einen Drehmomentbegrenzer nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
wobei die Trägerscheibe mit dem Steuerring und die Nabe mit dem Reibring des Drehmomentbegrenzers verbunden und/oder jeweils von dieser einstückig gebildet ist.
• Die hier vorgeschlagene Reibscheibe ist für eine konventionelle Verwendung (beispielsweise in einer Trennkupplung) eingerichtet. Bevorzugt weist die hier vorgeschlagene Reibscheibe eine konventionelle oder im Vergleich dazu eine geringere Bauraumforderung bei gleicher Funktion auf. Besonders bevorzugt ist die Reibscheibe einzig hinsichtlich des Drehmomentbegrenzers und gegebenenfalls daraus resultierenden Anpassungen, bevorzugt ohne notwendige Anpassungen, anders als eine konventionelle Reibscheibe (mit oder ohne Torsionsschwingungsdämpfer).
• Die Reibscheibe umfasst zumindest eine Trägerscheibe, welche als mechanischer Träger für zumindest eine der weiteren Komponenten der Reibscheibe eingerichtet ist. Bevorzugt ist die Trägerscheibe aus einem Metall (beispielsweise aus Stahl oder Aluminium) gefertigt.
• Weiterhin umfasst die Reibscheibe ein Reibelement, welcher drehmomentübertragend mit der Trägerscheibe verbunden ist. Beispielsweise ist das Reibelement eine separate Komponente, beispielsweise aus einem Organomaterial, und mittels Nieten und/oder Schweißen mit der Trägerscheibe verbunden. In einer Ausführungsform ist das Reibelement einstückig mit der Trägerscheibe gebildet, beispielsweise von einem Oberflächenabschnitt der Trägerscheibe. In einer Ausführungsform sind das Reibelement und/oder die Trägerscheibe jeweils mehrstückig ausgeführt.
• Die Trägerscheibe ist mit einer Nabe drehmomentübertragend verbunden, wobei die Nabe zum Übertragen eines Drehmoments einer (beispielsweise Getriebe-) Welle eingerichtet ist. Beispielsweise weist die Nabe eine Kerbverzahnung zum Aufnehmen einer korrespondierend verzahnten Welle auf, sodass das an der Welle anliegende Drehmoment mittels der Kerbverzahnung beziehungsweise dem Formschluss von der Nabe auf die Trägerscheibe übertragbar ist. In einer Ausführungsform ist die Nabe mittels (bevorzugt Kalt-) Umformen, beispielsweise Stanzen und/oder Umkanten, aus einer Blechplatine gebildet. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Trägerscheibe und die Nabe einzig mittelbar drehmomentübertragend miteinander verbunden.
• Zusätzlich umfasst die hier vorgeschlagene Reibscheibe einen Drehmomentbegrenzer, welcher nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt ist. Der Drehmomentbegrenzer ist je nach Ausführungsform zum Unterbrechen einer Übertragung und gegebenenfalls zudem zum Dissipieren von einer Drehmomentüberhöhung, also dem Anteil eines Drehmomentschlags, welcher oberhalb eines vorbestimmten Grenzdrehmoments liegt, eingerichtet. Der Drehmomentbegrenzer ist zu der Trägerscheibe und/oder zu der Nabe fixiert. In einer Ausführungsform ist der Steuerring mit der Trägerscheibe unmittelbar verbunden oder mit dieser einstückig gebildet.
• Ein optional vorhandener Torsionsschwingungsdämpfer ist in Reihe zwischen die Nabe beziehungsweise den Drehmomentbegrenzer und die Trägerscheibe oder umgekehrt geschaltet. In einer Ausführungsform ist die Trägerscheibe zum Halten von zumindest einer Pendelmasse eines Fliehkraftpendels eingerichtet. Alternativ oder zusätzlich ist die Trägerscheibe (mittelbar oder unmittelbar) über zumindest eine Dämpferfeder und zumindest einen Flansch (mittelbar oder unmittelbar) mit der Nabe drehmomentübertragend verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist ein Pendelwippendämpfer mit zumindest einem Wippen-Element, zumindest einer Wippenfeder und zumindest einer Rolle in einem Kurvengetriebe vorgesehen.
• Es sei darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform die Reibscheibe eine Mehrzahl von Torsionsschwingungsdämpfern umfasst. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Reibscheibe eine (einzige oder mehrere) Hysterese-Baugruppe(n) und zwei oder mehr Dämpfervorrichtungen, beispielsweise einen Vordämpfer nach Art eines Zweimassenschwungrads und einen Mehrflanschdämpfer oder einen Pendelwippendämpfer, sowie gegebenenfalls weiterhin oder alternativ ein oder mehrere Fliehkraftpendel.
• Mit der hier vorgeschlagenen Reibscheibe, welche den oben beschriebenen Drehmomentbegrenzer umfasst, ist mit geringen Toleranzanforderungen (und somit verringerten Fertigungskosten) ein gewünschtes Grenzdrehmoment sehr exakt und (zumindest nahezu) konstant über eine angestrebte Lebensdauer erzielbar. Zugleich ist diese Reibscheibe etwa mit gleichen oder geringeren Kosten wie eine konventionelle Reibscheibe mit Drehmomentbegrenzer fertigbar.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Trennkupplung für einen Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend eine Reibscheibe nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung und zumindest einen Reibpartner zum reibschlüssigen Übertragen eines Drehmoments, wobei die Trennkupplung über einen Kupplungsbefehl lösbar zum Übertragen eines Drehmoments eingerichtet ist.
• Die Trennkupplung ist dazu eingerichtet, in einem Antriebsstrang ein Drehmoment um die Rotationsachse von ihrer Eingangsseite auf die Ausgangsseite, und bevorzugt umgekehrt, lösbar zu übertragen. Dazu sind zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite axial verpressbare Reibpartner vorgesehen, welche zumindest eine Reibscheibe nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfassen. Beispielsweise umfassen die Reibpartner eine (axial fixierte) Gegenplatte, eine (axial verschiebbare) Anpressplatte und eine axial dazwischen angeordnete Reibscheibe. Alternativ umfassen die Reibpartner weiterhin eine oder mehrere Zwischenplatten und eine korrespondierende Anzahl von Reibscheiben, wobei dann bevorzugt eine einzige Reibscheibe wie oben beschrieben ausgeführt ist und die anderen Reibscheiben einfacher aufgebaut sind. Die Platten (Anpressplatte, Gegenplatte und gegebenenfalls Zwischenplatte(n)) sind bevorzugt mit deren ersten Anschlussseite verbunden (beispielsweise die Motorseite) und die Reibscheibe(n) mit der deren zweiten Anschlussseite (entsprechend beispielsweise der Getriebeseite). Alternativ ist dies umgekehrt ausgeführt.
• Die Reibpartner sind derart eingerichtet, dass diese mittels eines Kupplungsbefehls ein Drehmoment lösbar übertragen. Der Kupplungsbefehl ist im Betrieb von dem Fahrer eines Fahrzeugs oder dem (Automatik-) Getriebe initiiert und veranlasst ein Einkuppeln beziehungsweise Auskuppeln der Reibpartner.
• Beispielsweise wird dieser Kupplungsbefehl mittels eines elektrischen Aktuators und/oder eines hydraulischen Systems und/oder mittels eines mechanischen Seilzugs als Anpresskraft beziehungsweise eine Anpresskraft (beispielsweise einer Tellerfeder) aufhebende Lösekraft in die Reibpartner eingeleitet. Somit ist ein Reibschluss mittels Verpressung der Reibpartner miteinander für eine lösbare Drehmomentübertragung steuerbar. Im unverpressten Zustand (ausgekuppelt) der Reibpartner ist kein Drehmoment oder nur ein zulässig geringes Schleppmoment zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite übertragbar.
• Mit der hier vorgeschlagenen Trennkupplung, welche den oben beschriebenen Drehmomentbegrenzer umfasst, ist mit geringen Toleranzanforderungen (und somit verringerten Fertigungskosten) ein gewünschtes Grenzdrehmoment sehr exakt und (zumindest nahezu) konstant über eine angestrebte Lebensdauer erzielbar. Zugleich ist diese Reibscheibe etwa mit gleichen oder geringeren Kosten wie eine konventionelle Reibscheibe mit Drehmomentbegrenzer fertigbar.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
• - zumindest eine Antriebsmaschine zum Abgeben eines Drehmoments;
• - zumindest einen Verbraucher zum Aufnehmen eines Drehmoments;
• - ein Getriebe zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der zumindest einen Antriebsmaschine und einem Verbraucher; und
• - eine Trennkupplung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung und/oder einen Drehmomentbegrenzer nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
wobei mittels des Drehmomentbegrenzers eine Drehmomentübertragung auf ein vorbestimmtes maximales Grenzdrehmoment begrenzt ist.
• Der hier vorgeschlagene Antriebsstrang umfasst eine erste Antriebsmaschine, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Verbrennerwelle und ein Getriebe zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der Verbrennerwelle und einem Verbraucher, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug die Vortriebsräder. Mittels der Trennkupplung, welche nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt ist, ist die Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Verbraucher übertragbar. Eine Drehmomentübertragung zwischen dem Verbraucher und der Verbrennerwelle ist bevorzugt in beiden Richtungen möglich, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Beschleunigen des Kraftfahrzeugs (Zugbetrieb) und in Gegenrichtung (Schubbetrieb) beispielsweise zum Einsatz der Motorbremse zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs oder zur Rekuperation dieser Entschleunigungsenergie.
• In einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebsstrangs ist weiterhin eine elektrische Antriebsmaschine mit einer Rotorwelle in den Drehmomentfluss ausgangsseitig der Trennkupplung und vor den Verbraucher geschaltet. Beispielsweise ist so bei geöffneter Trennkupplung ein rein elektrischer Betrieb der Verbraucher ermöglicht. In einer Ausführungsform bilden die elektrische Antriebsmaschine und die Trennkupplung gemeinsam ein sogenanntes Hybrid-Modul, welches als eine Baueinheit in den Antriebsstrang einfach integrierbar ist.
• Mit dem hier vorgeschlagenen Antriebsstrang, welcher den oben beschriebenen Drehmomentbegrenzer umfasst, ist mit geringen Toleranzanforderungen (und somit verringerten Fertigungskosten) ein gewünschtes Grenzdrehmoment sehr exakt und (zumindest nahezu) konstant über eine angestrebte Lebensdauer erzielbar. Zugleich ist diese Reibscheibe etwa mit gleichen oder geringeren Kosten wie eine konventionelle Reibscheibe mit Drehmomentbegrenzer fertigbar.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend einen Antriebsstrang nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung und zumindest ein Vortriebsrad, wobei zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs das zumindest eine Vortriebsrad mittels des Antriebsstrangs antreibbar ist.
• Der Bauraum ist gerade bei Kraftfahrzeugen aufgrund der zunehmenden Anzahl von Komponenten besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, einen Antriebsstrang kleiner Baugröße zu verwenden. Mit dem gewünschten sogenannten Downsizing der Antriebsmaschine bei einer gleichzeitigen Verringerung der Betriebsdrehzahlen wird die Intensität der störenden Torsionsschwingungen erhöht. Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich bei der sogenannten Hybridisierung, bei welcher eine elektrische Antriebsmaschine im Betrieb immer häufiger in Einsatz gebracht wird oder sogar die Hauptdrehmomentquelle bildet und eine möglichst kleine Verbrennungskraftmaschine einzusetzen ist, welche aber deutlich häufiger dem Antriebsstrang zugeschaltet und wieder weggeschaltet werden muss. Auch bei einem rein elektrischen Antriebsstrang ist der zur Verfügung stehende Bauraum meist gering, weil viele solche Antriebsstränge ohne Dämpfungsmaßnahmen konzipiert worden sind und/oder der Bauraum für andere Komponenten wie beispielsweise einen Pulswechselrichter und/oder eine Traktionsbatterie vorgehalten werden muss. Es ist daher eine Herausforderung, eine ausreichende Vergleichmäßigung von Drehungleichförmigkeiten bei gleichzeitig geringen Teilekosten und geringem verfügbarem Bauraum bereitzustellen.
• Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner.
• Bei dem hier vorgeschlagenen Kraftfahrzeug, dessen Antriebsstrang den oben beschriebenen Drehmomentbegrenzer umfasst, ist mit geringen Toleranzanforderungen (und somit verringerten Fertigungskosten) ein gewünschtes Grenzdrehmoment sehr exakt und (zumindest nahezu) konstant über eine angestrebte Lebensdauer erzielbar. Zugleich ist diese Reibscheibe etwa mit gleichen oder geringeren Kosten wie eine konventionelle Reibscheibe mit Drehmomentbegrenzer fertigbar.
• Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Audi A1, Volkswagen Polo, Opel Corsa oder Renault Clio. Bekannte (Mild-) Hybrid-Fahrzeuge sind Fiat Panda oder der Mazda3 (BP). Als vollelektrische Kraftfahrzeuge bekannt sind beispielsweise ein Audi Q4 e-tron oder ein BMW i3 oder VWID.3.
• Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
• 1: ein in eine Reibscheibe integrierter Drehmomentbegrenzer in einer Draufsicht;
• 2: der Drehmomentbegrenzer gemäß 1 in einer räumlichen Seitenansicht;
• 3: ein Drehmomentbegrenzer in einer Draufsicht in einer alternativen Ausführungsform; und
• 4: ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang in einer Draufsicht.
• In 1 ist ein in eine Reibscheibe 16 integrierter Drehmomentbegrenzer 1 in einer Draufsicht mit einer zentralen Rotationsachse 2 gezeigt. Radial-außen ist mit gestrichelter Linie ein umlaufendes Reibelement 18 angedeutet, welche mit einer Trägerscheibe 17 drehmomentfest verbunden ist. Die Trägerscheibe 17 ist hier einstückig mit einem Steuerring 5 gebildet. Der Steuerring 5 ist ausschließlich mittels eines ersten Summenbands 9 und eines zweiten Summenbands 10 (letzteres in dieser Ansicht verdeckt, vergleiche 2) mit einem Reibring 4 (reibschlüssig) drehmomentübertragend verbunden. Bei dieser rein optionalen Ausführungsform ist zentral zwischen dem Reibring 4 und einer Nabe 19 (hier mit Innenverzahnung) ein Torsionsschwingungsdämpfer 15 zwischengeschaltet. Das (erste) Summenband 9 ist hier mittels eines (ersten) Steuerhebels 6 gegen den Reibring 4 verspannt. Der (erste) Steuerhebel 6 ist über ein Schwenklager 28 an dem Steuerring 5 schwenkbar befestigt. Das (erste) Summenband 9 ist mit einem ersten Bandende an einem ersten Anbindungspunkt 29 und mit dem zweiten Bandende an einem zweiten Anbindungspunkt 30 an dem (ersten) Steuerhebel 6 befestigt, wobei hier zwischen den Anbindungspunkten 29,30 und dem Schwenkpunkt des Schwenklagers 28 des (ersten) Steuerhebels 6 ein gleicher Hebelabstand gewählt ist. Der (erste) Steuerhebel 6 weist an seinem Hebelende 32 einen Steuerpunkt 31 auf, welcher in dieser Ausführungsform auf einem (ersten) Keil 11 des (hier rein optional elastischen) Spannelements 8 aufliegt.
• Der Steuerpunkt 31 und der erster Anbindungspunkt 29 liegen hier auf einer gemeinsamen (gedachten) Linie zwischen dem Schwenkpunkt des Schwenklagers 28 und dem Steuerpunkt 31 des (ersten) Steuerhebels 6. Der (erste) Steuerhebel 6 ist mittels der Vorspannkraft 35 des Energiespeicherelements 13 (hier eine Schraubendruckfeder) des (elastischen) Spannelements 8 mit der gezeigten Schwenkkraft 33 vorgespannt. Es sei darauf hingewiesen, dass bevorzugt das System aus zweitem Summenband 10, zweitem Steuerhebel 7 und zweitem Keil 12 gleich oder identisch aufgebaut ist und die vorhergehende Beschreibung analog dafür gilt. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, dass das Energiespeicherelement 13 hier zwischen dem ersten Keil 11 und dem zweiten Keil 12 eingespannt ist und damit keine (Steuer-) Kraftabstützung an dem Steuerring 5 gebildet ist. Weiterhin ist damit sichergestellt, dass die Schwenkkräfte 33 auf die Steuerhebel 6,7 (aufgrund von actio gleich reactio) stets gleich sind, also beide Summenbänder 9,10 zu gleichen Teilen belastet sind und das gewünschte Grenzdrehmoment sicher bereitgestellt ist. Diejenigen die Keile 11,12 umfassenden Bauelemente sind hier in einer Schiene (etwa) tangential zu der Rotationsachse 2 in dem Steuerring 5 geführt und axial gehalten.
• In 2 ist der Drehmomentbegrenzer 1 gemäß 1 in einer räumlichen Seitenansicht gezeigt. Insoweit wird auf die dortige Beschreibung verwiesen. Hier ist gut das zweite Summenband 10 mit demjenigen dem ersten Steuerhebel 6 entgegengesetzt ausgerichteten zweiten Steuerhebel 7 zu erkennen. Weiterhin ist hier gut der erste Keil 11 im Eingriff mit dem ersten Steuerhebel 6 und der zweite Keil 12 im Eingriff mit dem zweiten Steuerhebel 7 zu erkennen. Die Summenbänder 9,10 sind hier beide jeweils (rein optional) dreifach um den Reibring 4 gewickelt.
• In 3 ist ein Drehmomentbegrenzer 1 in einer Draufsicht in einer alternativen Ausführungsform gezeigt. Für gleiche Komponenten wird auf die Beschreibung zu 1 und 2 verwiesen und es wird einzig das hier deutlich anders ausgeführte (auch hier rein optional elastische) Spannelement 8 beschrieben. Das (elastische) Spannelement 8 ist hier von einer Schenkelfeder 14 gebildet, welche in dem Steuerring 5 aufgenommen, bevorzugt axial gehalten ist. Die Schenkelfeder 14 weist zwei Schenkel auf, von welchen hier einzig der erste Schenkel 34 zu sehen ist. Der zweite Schenkel ist verdeckt, bevorzugt aber gleich aufgebaut und genauso mit einem zweiten Steuerhebel 7 (ebenfalls verdeckt) in kraftübertragendem Kontakt. Der (erste) Schenkel 34 wirkt mit seiner Vorspannung auf den Steuerpunkt 31 an dem Hebelende 32 des (ersten) Steuerhebels 6. Somit ist auch hier in gleicher Weise wie zu 1 beschrieben ein gewünschtes Grenzdrehmoment exakt eingestellt vorgehalten.
• In 4 ist ein Kraftfahrzeug 27 mit einem Antriebsstrang 3 in einer Draufsicht schematisch gezeigt, wobei in einer Quer-Front-Anordnung eine erste Antriebsmaschine 22, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine 22, mit ihrer Verbrennerwelle 37 und rein optional eine zweite Antriebsmaschine 23, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine 23, mit einer Rotorwelle 38 entlang der Motorachse 39 und quer zu der Längsachse 40 und vor der Fahrerkabine 41 des Kraftfahrzeugs 27 angeordnet sind. Dieses Konzept wird als Hybridantrieb bezeichnet. Hinter der Verbrennungskraftmaschine 22 ist hier eine Trennkupplung 21 mit einem Drehmomentbegrenzer 1 gemäß 1 bis 3 angeordnet, welche über eine Welle 20 mit der elektrischen Antriebsmaschine 23 verbunden ist. Der Antriebsstrang 3 ist zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs 27 mittels Antreiben eines linken Vortriebsrads 24 und eines rechten Vortriebsrads 25 (hier optional der Vorderachse des Kraftfahrzeugs 27) mittels einer Drehmomentabgabe an die Getriebeeingangswelle 42 von zumindest einer der Antriebsmaschinen 22,23 eingerichtet.
• Die Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine 22 und von der elektrischen Antriebsmaschine 23 ist (mittels der Trennkupplung 21 aktiv oder mittels des Drehmomentbegrenzers 1 passiv) unterbrechbar. Rein optional sind mittels eines integrierten Torsionsschwingungsdämpfers 15 (vgl. 1 bis 3) Drehungleichförmigkeiten der Verbrennungskraftmaschine 22 frühzeitig in dem Antriebsstrang 3 reduziert. Die Rotorwelle 38 ist dauerhaft (oder mit einer weiteren nicht dargestellten Drehmomentkupplung trennbar) über die Getriebeeingangswelle 42 mit einem Getriebe 26 verbunden, welches beispielsweise als stufenlos veränderbar übersetzendes Umschlingungsgetriebe ausgeführt ist. Alternativ ist die Verbrennungskraftmaschine 22 eine elektrische Antriebsmaschine und die weitere elektrische Antriebsmaschine 23 ist nur optional vorgesehen. Dann ist bevorzugt die Trennkupplung 21 mit dem Drehmomentbegrenzer 1 allein ein Drehmomentbegrenzer 1, wobei also keine aktive (also von außen gesteuerte) Trennung der elektrischen Antriebsmaschine von dem Getriebe 26 möglich ist.
• Mit dem hier vorgeschlagenen Drehmomentbegrenzer ist system-intrinsisch ein Grenzdrehmoment über eine angestrebte Lebensdauer exakt einstellbar.
• Bezugszeichenliste

1

Drehmomentbegrenzer

2

Rotationsachse

3

Antriebsstrang

4

Reibring

5

Steuerring

6

erster Steuerhebel

7

zweiter Steuerhebel

8

Spannelement

9

erstes Summenband

10

zweites Summenband

11

erster Keil

12

zweiter Keil

13

Energiespeicherelement

14

Schenkelfeder

15

Torsionsschwingungsdämpfer

16

Reibscheibe

17

Trägerscheibe

18

Reibelement

19

Nabe

20

Welle

21

Trennkupplung

22

Verbrennungskraftmaschine

23

elektrische Antriebsmaschine

24

linkes Vortriebsrad

25

rechtes Vortriebsrad

26

Getriebe

27

Kraftfahrzeug

28

Schwenklager

29

erster Anbindungspunkt

30

zweiter Anbindungspunkt

31

Steuerpunkt

32

Hebelende

33

Schwenkkraft

34

(erster) Schenkel

35

Vorspannkraft

36

Federweg

37

Verbrennerwelle

38

Rotorwelle

39

Motorachse

40

Längsachse

41

Fahrerkabine

42

Getriebeeingangswelle

Claims (9)

1. Drehmomentbegrenzer (1) mit einer Rotationsachse (2) für einen Antriebsstrang (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - einen Reibring (4); - einen Steuerring (5); - zumindest einen Steuerhebel (6,7), welcher an dem Steuerring (5) fixiert ist; - ein Spannelement (8), mittels welchem der Steuerhebel (6,7) definiert vorgespannt gehalten ist, - zumindest ein Summenband (9,10), welches beidendig an dem jeweiligen Steuerhebel (6,7) vorgespannt fixiert und mit dem Reibring (4) diesen mehrfach umschlingend reibschlüssig drehmomentübertragend verbunden ist.
2. Drehmomentbegrenzer (1) nach Anspruch 1, wobei ein erstes Summenband (9) mit einem ersten Steuerhebel (6) und ein zweites Summenband (10) mit einem zweiten Steuerhebel (7) vorgesehen sind, wobei die Steuerhebel (6,7) einander entgegengesetzt ausgerichtet sind, und das Spannelement (8) eingerichtet ist, auf beide Steuerhebel (6,7) in einander gegensätzlicher Richtung zu wirken.
3. Drehmomentbegrenzer (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Spannelement (8) einen Keil (11,12) und ein Energiespeicherelement (13) umfasst, wobei mittels einer kraftübertragenden Verbindung zwischen dem Keil (11,12) und dem jeweiligen Steuerhebel (6,7) eine definierte Vorspannung auf das jeweilige Summenband (9,10) vorgehalten ist.
4. Drehmomentbegrenzer (1) nach einem Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Spannelement (8) von einer Schenkelfeder (14) gebildet ist.
5. Drehmomentbegrenzer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei radial innerhalb des Reibrings (4) ein mit diesem drehmomentübertragend verbundener Torsionsschwingungsdämpfer (15) vorgesehen ist.
6. Reibscheibe (16) für einen Antriebsstrang (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - eine Trägerscheibe (17); - ein Reibelement (18), welches von der Trägerscheibe (17) mitrotierend gehalten ist; - eine Nabe (19) zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der Trägerscheibe (17) und einer Welle (20); und - einen Drehmomentbegrenzer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerscheibe (17) mit dem Steuerring (5) und die Nabe (19) mit dem Reibring (4) des Drehmomentbegrenzers (1) verbunden und/oder jeweils von dieser einstückig gebildet ist.
7. Trennkupplung (21) für einen Antriebsstrang (3), aufweisend eine Reibscheibe (16) nach Anspruch 6 und zumindest einen Reibpartner zum reibschlüssigen Übertragen eines Drehmoments, wobei die Trennkupplung (21) über einen Kupplungsbefehl lösbar zum Übertragen eines Drehmoments eingerichtet ist.
8. Antriebsstrang (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - zumindest eine Antriebsmaschine (22,23) zum Abgeben eines Drehmoments; - zumindest einen Verbraucher (24,25) zum Aufnehmen eines Drehmoments; - ein Getriebe (26) zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der zumindest einen Antriebsmaschine (22,23) und einem Verbraucher (24,25); und - eine Trennkupplung (21) nach Anspruch 7 und/oder einen Drehmomentbegrenzer (1) nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 5, wobei mittels des Drehmomentbegrenzers (1) eine Drehmomentübertragung auf ein vorbestimmtes maximales Grenzdrehmoment begrenzt ist.
9. Kraftfahrzeug (27), aufweisend einen Antriebsstrang (3) nach Anspruch 8 und zumindest ein Vortriebsrad (24,25), wobei zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs (27) das zumindest eine Vortriebsrad (24,25) mittels des Antriebsstrangs (3) antreibbar ist.