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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kupplungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend wenigstens eine ein- und ausrückbare Reibungskupplung und eine auf ein Betätigungsorgan der Kupplung wirkende Betätigungseinrichtung zum Ein- und Ausrücken der Kupplung.
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Ein derartiges Kupplungssystem wird bei Kraftfahrzeugen beispielsweise dazu verwendet, das an der Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine bereitgestellte Drehmoment auf eine oder mehrere Eingangswellen eines Fahrzeuggetriebes wahlweise zu übertragen.
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Wenn das Kupplungssystem nur eine Reibungskupplung umfasst, also als so genanntes Einfachkupplungssystem ausgebildet ist, so wird ein Drehmoment ausgehend von der Ausgangswelle der Brennkraftmaschine üblicherweise über ein drehfest damit verbundenes Schwungrad und weiter über eine drehfeste Verbindung zwischen dem Schwungrad und einem Kupplungsgehäuse in die Kupplung eingeleitet. Innerhalb des Kupplungsgehäuses erfolgt die Drehmomentübertragung auf eine mit Reibbelägen versehene Kupplungsscheibe und schließlich auf eine Kupplungsausgangswelle bzw. Getriebeeingangswelle. Üblicherweise ist innerhalb des Kupplungsgehäuses eine zur Anpressung der Kupplungsscheibe gegen das Schwungrad geeignete Anpressplatte vorgesehen, die zum Einrücken der Kupplung von einem sich am Kupplungsgehäuse abstützenden Anpressglied (Betätigungsorgan) axial belastet wird. Ferner ist eine auf das Anpressglied wirkende Betätigungseinrichtung (z. B. Hydraulik Oder Pneumatik) zum Ein- und Ausrücken der Kupplung vorgesehen. Üblicherweise ist das Anpressglied als eine Membranfeder ausgebildet, die bei entsprechend verspanntem Einbau durch ihre inhärente Vorspannung eine die Anpressplatte in Einrückrichtung vorspannende Beaufschlagungswirkung erzeugt (so genannte ”normalerweise geschlossen”-Kupplung).
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Wenn das Kupplungssystem hingegen mehrere Reibungskupplungen umfasst, also als so genanntes Mehrfachkupplungssystem ausgebildet ist, so lässt sich ein Drehmoment ausgehend von der Ausgangswelle der Brennkraftmaschine auch auf mehrere Kupplungsausgangswellen bzw. Getriebeeingangswellen übertragen bzw. verteilen. Insbesondere in solchen Mehrfachkupplungssystemen (z. B. Doppelkupplungssystemen), kann es demgegenüber z. B. aus Sicherheitsgründen gewünscht sein, dass bei nicht vorhandener Betätigung eine Kupplung nicht eingerückt, sondern ausgerückt ist (”normalerweise offen”-Kupplung). Hierbei kann ebenfalls eine Membranfeder eingesetzt werden, die durch ihre eigene Vorspannwirkung dann in Ausrückrichtung vorgespannt ist und die durch die Betätigungseinrichtung dann entgegen ihrer eigenen Vorspannung beaufschlagt wird, um eine entsprechende Beaufschlagungswirkung an der Anpressplatte zu erzeugen.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 197 38 069 C2 ist ein Kupplungssystem bekannt. Bei diesem bekannten System mit einer Kupplung des oben beschriebenen ”normalerweise geschlossen”-Typs umfasst die Betätigungseinrichtung einen elektrisch angesteuerten Elektromotor zum aktiven Ausrücken der Kupplung. Bei einem solchen Ausrückvorgang wird die in Einrückrichtung vorgespannte Membranfeder an radial nach innen weisenden Membranfederzungen durch die Betätigungseinrichtung beaufschlagt, wodurch radial äußere, mit der Anpressplatte in Kontakt stehende Membranfederabschnitte entlastet werden und somit die Anpressplatte aus dem Reibkontakt mit der Kupplungsscheibe genommen wird (”gelüftet wird”).
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Der Vorteil dieses bekannten Systems, dass die Kupplung selbsttätig im eingerückten Zustand bleibt, wird mit sehr großen Betätigungsarbeiten erkauft. Nach Aufbau einer gewissen Federzungendurchbiegung muss nämlich über den gesamten Betätigungsweg ein hohes Kraftniveau durch die Betätigungseinrichtung bereitgestellt werden. Diese ”füllige” Kraft-Weg-Charakteristik der Betätigung ist nicht optimal, weil sie im Elektromotor zu relativ langen Zeiten hoher Bestromung führt.
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Aus der
DE 201 16 516 U1 ist ein Kupplungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem hat die Übersetzungscharakteristik eine degressive Form. Dadurch wird eine Proportionalität zwischen dem Kupplungsmoment und dem Aktuatorweg erreicht.
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US 5 353 902 A zeigt eine Aktuatoreinheit für eine Kupplung. Der Elektromotor der Aktuatoreinheit ist in zwei Richtungen betreibbar.
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DE 197 29 997 A1 offenbart einen Kupplungsaktuator mit integralem Verschleißausgleich.
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DE 198 48 584 A1 betrifft eine selbstverstärkende Reibungskupplung. Die Selbstverstärkung wird mit Anpressfedern erzielt.
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DE 100 59 546 A1 zeigt eine Ausrückeranordnung mit zwei Ausrückerbaugruppen. Diese dient zur Betätigung einer Doppelkupplung.
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Aus
DE 43 36 445 A1 geht eine Sicherungseinrichtung für eine Reibungskupplung hervor. Diese begrenzt das einwirkende Reibmoment.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kupplungssystem der eingangs genannten Art hinsichtlich der Betätigung zu verbessern.
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Das erfindungsgemäße Kupplungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung einen elektrisch angesteuerten und in Wirkverbindung mit dem Betätigungsorgan stehenden elektrischen Antrieb umfasst, mittels welchem das Betätigungsorgan, beispielsweise ein Anpressglied, zum Einrücken der Kupplung über die Wirkverbindung verlagert wird.
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Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen führen zu einer Reihe von Vorteilen, die im einzelnen unten noch beschrieben werden.
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Als elektrischer Antrieb kommt beispielsweise ein Linearmotor in Frage. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung eines elektrischen Drehantriebs, bei welchem die Rotation einer Antrieb-Ausgangswelle über die Wirkverbindung in Form einer Getriebeverbindung in eine zum Einrücken der Kupplung geeignete Verlagerungsbewegung des Betätigungsorgans gewandelt wird.
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In einer besonderen Ausführungsform umfasst das System eine stationär angeordnete Aktuatoreinheit, die den elektrischen Antrieb sowie eine die Rotation einer Ausgangswelle des elektrischen Antriebs in eine Translation eines Aktuatorstößels umsetzendes Aktuatorgetriebe umfasst, wobei der Aktuatorstößel zum Einrücken der Kupplung über eine Einrücklageranordnung auf das Betätigungsorgan wirkt.
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Um im voll eingerückten Zustand der Kupplung den elektrischen Antrieb nicht permanent bzw. voll bestromen zu müssen, kann das Aktuatorgetriebe selbsthemmend ausgeführt sein, so dass nach einer vollständigen Einrückung der elektrische Antrieb im Wesentlichen stromlos geschaltet werden kann und die Einrückkraft durch in der Kupplung wirkende elastische Kräfte bereitgestellt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch eine so genannte Kompensationsfeder an der Aktuatoreinheit oder besonders vorteilhaft in einem Gehäuse der Aktuatoreinheit angeordnet sein, welche in einem voll eingerückten Zustand der Kupplung einen Teil der Aktuatorbetätigungskraft oder sogar im Wesentlichen die gesamte Aktuatorbetätigungskraft bereitstellt.
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In einer Ausführungsform ist die Reibungskupplung mit einem drehfest mit einem Schwungrad verbindbaren Kupplungsgehäuse und mit einer darin zur Anpressung einer mit Reibbelägen versehenen Kupplungsscheibe gegen das Schwungrad geeignet angeordneten Anpressplatte versehen, die zum Einrücken der Kupplung von einem sich am Kupplungsgehäuse abstützenden, als das Betätigungsorgan dienenden Anpressglied axial belastet wird. Bei einem solchen Kupplungsaufbau kann die Anpresskraft zwischen Anpressplatte und Kupplungsscheibe durch eine Elastizität der Kupplungskomponenten zwischen der Aktuatoreinheit und der Kupplungsscheibe (einschließlich der Elastizität einer bei Kupplungsscheiben üblicherweise vorgesehenen Belagfederung) aufgebracht werden, ohne den elektrischen Antrieb permanent bzw. voll zu bestromen.
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Als Alternative zu einer Selbsthemmung im Bereich des Aktuatorgetriebes kann auch ein so genannter Bremsmotor verwendet werden, der bei Wegnahme der Betriebsspannung selbsthemmend ist. Ein an sich bekanntes Konstruktionsprinzip für einen Bremsmotor besteht beispielsweise darin, dass beim Anlegen einer Spannung sich der Motoranker axial gegen eine Federvorspannung aus einem Konussitz hebt und bei Wegnahme der Spannung wieder in den Konussitz eintaucht und dort reibschlüssig festgesetzt wird.
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Des Weiteren kann im elektrischen Antrieb und/oder in einem nachgeschalteten Getriebe eine ausreichend hohe Reibung implementiert werden, so dass das Betätigungsorgan bzw. Anpressglied nach einer Wegnahme des Motorstroms in jeder beliebigen Lage verharren kann. In der Motorstrom-Betätigungsorganverlagerung-Charakteristik führt diese Maßnahme zu einer unter Umständen vorteilhaften Hysterese.
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Was die konstruktive Gestaltung einer Einrücklageranordnung anbelangt, so kann auf die von den ”normalerweise geschlossen”-Kupplungen her bekannten Konzepte einer ”gezogenen” oder ”gedrückten” Kupplung zurückgegriffen werden. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einrücklageranordnung einen um eine stationäre Schwenkachse verschwenkbaren Betätigungshebel sowie ein Einrücklager umfasst, wobei zum Einrücken der Kupplung ein Abschnitt des Betätigungshebels eine Stirnseite des Einrücklagers axial belastet und die andere Stirnseite dieses Einrücklagers das Betätigungsorgan bzw. Anpressglied axial belastet. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Einrücklageranordnung eine Spindel umfasst, die aus einer stationären Außenhülse und einer im Gewindeeingriff damit stehenden Innenhülse gebildet ist, wobei an der Außenhülse ein ein Kupplungsgehäuse drehbar lagerndes Lager angeordnet ist und wobei zum Einrücken der Kupplung der Aktuatorstößel die Innenhülse tangential belastet und somit ein Stirnabschnitt der Innenhülse eine Stirnseite eines Einrücklagers axial belastet und die andere Stirnseite dieses Einrücklagers das Betätigungsorgan bzw. Anpressglied axial belastet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein mit dem Ein- und Ausrücken der Kupplung verbundener Axialkraftfluss innerhalb der Kupplung geschlossen wird, dass also z. B. bei der Betätigung der Kupplung über einen konventionellen Betätigungshebel mit Einrücklager keine axiale Betätigungskraft an einer Komponente der stationären Umgebung der Kupplung abgestützt werden muss. In diesem Fall können bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug etwa ein verstärktes Kurbelwellenlager oder ein zusätzliches axiales Stützlager zwischen Schwungrad und Motorgehäuse entbehrlich sein, die sonst unter Umständen notwendig wären. Wenn Kupplungen des ”normalerweise offen”-Typs eingesetzt werden, so ist im Betrieb des Kraftfahrzeugs mit deutlich längeren Betätigungszeiten zu rechnen, als bei ”normalerweise geschlossen”-Kupplungen, so dass bei ”normalerweise offen”-Kupplungen die Abstützung der Betätigungslast über die Fahrzeuglebensdauer kritischer zu sehen ist.
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Eine konstruktiv einfache Implementierung eines geschlossenen Axialkraftflusses innerhalb einer Kupplung des Systems ist die Anordnung von mindestens zwei Axiallagern in der Kupplung, in deren Axialkraftfluss eine der Kupplung zugeordnete Betätigungseinrichtung angeordnet ist. Eine hinsichtlich des Kraftflusses derart in eine Einfach-Reibungskupplung integrierte Betätigungseinrichtung ist an sich z. B. aus der oben bereits erwähnten deutschen Patentschrift
DE 1 97 38 069 C2 bekannt. In dem dort behandelten speziellen Fall einer ”normalerweise geschlossen”-Kupplung spielt der geschlossene Axialkraftfluss jedoch keine besonders große Rolle, da bei diesem Kupplungstyp und bei Verwendung in Kraftfahrzeugen, der Zeitanteil, in welchem die Kupplung betätigt ist, gemessen an der Fahrzeuglebensdauer relativ gering ist.
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Ein Ausgleich des in der Praxis auftretenden Verschleißes der Kupplungsscheibenreibbeläge kann bei einer Kupplung konventionell über eine an der Druckplatte (zwischen Druckplatte und Anpressglied) angeordnete automatische Nachstelleinrichtung erfolgen. Derartige Verschleißausgleichseinrichtungen sind an sich bekannt und bedürfen daher keiner detaillierten Erläuterung. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch der Belagverschleiß in einfacher Weise auch durch ein Nachfahren des Verstellbereichs (z. B. Stellwegs) der Betätigungseinrichtung ausgeglichen werden. Daher ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass ein Reibbelagverschleiß wenigstens teilweise durch eine Veränderung des Verlagerungsbereichs des Betätigungsorgans ausgeglichen wird. Bei der oben beschriebenen Konstruktion mit einem Einrücklager, welches zum Einrücken der Kupplung axial bewegt wird, muss dann zwar ein zusätzlicher Weg für die Verschiebung des Verlagerungsbereichs infolge Belagverschleiß vorgehalten werden, was in der Praxis allerdings zumeist keine größeren Probleme bereitet. Soll jedoch im konkreten Anwendungsfall der hierfür notwendige zusätzliche axiale Bauraum reduziert oder ganz vermieden werden, so empfiehlt sich der erwähnte, in die Druckplatte integrierte automatische Verschleißausgleich. In diesem Fall kann der von der Betätigungseinrichtung vorzuhaltende Betätigungsbereich um den Betrag des (gegebenenfalls durch die Wirkverbindung übersetzten) Belagverschleißes verringert werden. Falls der Reibbelagverschleiß vollständig durch eine Veränderung des Verlagerungsbereichs des Anpressglieds ausgeglichen wird, so kann vorteilhafterweise ein mechanischer Belagverschleißausgleich ganz entfallen, so dass die Herstellungskosten der Kupplung bzw. des Kupplungssystems verringert sind.
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Die Anordnung eines mechanischen Verschleißausgleichs, wie des erwähnten in eine Druckplatte integrierten Verschleißausgleichsmechanismus, ist im Rahmen der Erfindung jedoch etwa dann interessant, wenn die Kupplung nicht durch eine elastische Kraft (etwa eine innere Vorspannung des Anpressglieds) in Einrückrichtung derart vorbelastet ist, dass die Kupplung ohne Betrieb des elektrischen Antriebs die maximal erreichbare Drehmomentübertragung (nominaler Drehmomentübertrag) vorsieht, es sich also nicht um eine konventionelle ”normalerweise geschlossen”-Kupplung handelt. Bei letzterem Kupplungstyp benötigt ein integrierter automatischer Verschleißausgleich in der Regel nämlich einen aufwändigen Ausgleichsmechanismus des im Laufe der Zeit mit zunehmendem Verschleiß sich ändernden (Maximal-)Betätigungskraftniveaus. Ein solch aufwändiger Ausgleichsmechanismus ist insbesondere für eine Ausführung der Kupplung nach dem ”normalerweise offen”-Typ nicht erforderlich. Daher ist insbesondere in diesem Fall eine Ausführung vorteilhaft, bei welcher die Kupplung einen zwischen Anpressglied und Anpressplatte angeordneten Reibbelagverschleißausgleichmechanismus aufweist.
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Um bei der Kupplung, insbesondere, wenn es sich nicht um eine ”normalerweise geschlossen”-Kupplung handelt, die Betätigungsarbeit zum Einrücken der Kupplung zu verringern, lässt sich vorsehen, dass eine sich am Kupplungsgehäuse abstützende und auf die Anpressplatte einwirkende Anpresskraftverstärkungseinrichtung vorgesehen ist, die bei positiver Drehmomentübertragung in einem eingerückten Zustand der Kupplung und abhängig von der durch das Anpressglied bereitgestellten axialen Belastung der Anpressplatte eine zusätzliche axiale Belastung der Anpressplatte in Einrückrichtung bereitstellt. Eine solche ”selbstverstärkende” Kupplung kann so ausgeführt sein, dass sie im Schubbetrieb (negative Drehmomentübertragung) selbstschwächend ist, um Überlasten im Antriebsstrang, z. B. aus Lastwechseln, abzudämpfen (z. B. beim Einlegen eines niedrigeren Getriebeganges im Fahrbetrieb). Eine konstruktiv einfache Verwirklichung dieses Prinzips der Selbstverstärkung ist für eine ”normalerweise geschlossen”-Einfachkupplung in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 1 98 48 584 A1 ausführlich beschrieben und kann auch bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Insbesondere ist eine konstruktive Gestaltung in Betracht zu ziehen, bei welcher die Anpresskraftverstärkungseinrichtung gebildet wird durch mindestens einen schwenkbar zwischen Kupplungsgehäuse oder Schwungrad und Anpressplatte angeordneten Hebel. Durch einen solchen geeignet angeordneten Hebel kann während des Zugbetriebes (positive Drehmomentübertragung) eine zusätzliche Anpresskraft auf die Anpressplatte aufgebracht werden. Der Hebel kann hierbei separat von einer an sich bekannten, so genannten Tangentialblattfeder vorgesehen sein, die dazu dient, die Anpressplatte drehfest jedoch in einem gewissen Bereich axial verlagerbar im Kupplungsgehäuse zu halten. Alternativ jedoch kann der erwähnte Hebel gerade durch diese Blattfedern gebildet sein, die zum Zwecke der Selbstverstärkung dann in ihrer Erstreckungsrichtung (Längsrichtung) eine Axialkomponente besitzen.
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Wenngleich bei einer erfindungsgemäß betätigten Kupplung, insbesondere bei einer ”normalerweise offen”-Kupplung und bei Einsatz eines elektrischen Drehmotors als elektrischen Antrieb die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik des elektrischen Antriebs im Allgemeinen sehr gut zu der Betätigungskraft-Einrückweg-Charakteristik der Kupplung passt, so kann es für bestimmte Ausführungen von elektrischen Antrieben bzw. damit aufgebauten Aktuatoreinheiten von Vorteil sein, wenn die Wirkverbindung zwischen elektrischen Antrieb und Betätigungsorgan (z. B. Anpressglied) eine degressive Übersetzungscharakteristik aufweist. Der Begriff ”degressive Übersetzungscharakteristik” soll hierbei den Umstand bezeichnen, dass sich das Übersetzungsverhältnis zwischen der Verstellung des elektrischen Antriebs (z. B. Drehwinkel eines elektrischen Drehmotors) und Verstellung des Betätigungsorgans (z. B. Stellwinkel eines Betätigungshebels zur Belastung eines Einrücklagers und/oder axialer Stellweg eines Einrücklagers bzw. eines Anpressglieds oder einer Anpressplatte) im Verlauf des Einrückvorgangs verändert, und zwar im Sinne einer geringer werdenden Verstellung des Betätigungsorgans (oder einer Anpressplatte) bezogen auf eine bestimmte Verstellung des elektrischen Antriebs. Diese veränderliche Übersetzung im Verlauf des Einrückvorgangs lässt sich konstruktiv beispielsweise mit einem ”nichtlinearen Getriebe” zwischen elektrischem Antrieb und einem Betätigungsorgan implementieren. Bei Verwendung einer oben bereits beschriebenen Aktuatoreinheit lässt sich wenigstens ein Teil der gewünschten Nichtlinearität besonders vorteilhaft im Bereich des Aktuatorgetriebes vorsehen. Der Vorteil derartiger Maßnahmen ist es, dass das von dem elektrischen Antrieb aufzubringende Kraftmaximum gegen Ende des Einrückweges deutlich gesenkt werden kann. Im Extremfall lässt sich sogar das Kraftniveau am Aktuatorstößel einer Aktuatoreinheit über den gesamten Stellweg auf näherungsweise konstantem Niveau halten, was für einige Aktuatorkonstruktionen in der Praxis von großem Vorteil ist.
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Bei der erfindungsgemäß betätigten Kupplung führen oben bereits beschriebene Ausgestaltungsaspekte insbesondere dann zu synergistischen Vorteilen, wenn die Kupplung nicht durch eine elastische Kraft und ohne Betätigung (”normalerweise”) im voll eingerückten Zustand gehalten wird. Daher ist in bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass die Kupplung durch eine elastische Kraft (z. B. durch eine innere Spannung des Anpressglieds und/oder von Tangentialblattfedern) in Ausrückrichtung vorbelastet ist und die Kupplung dazu geeignet ist, ohne Betrieb des elektrischen Antriebs eine Drehmomentübertragung von Null vorzusehen, oder dass die Kupplung durch eine solche elastische Kraft in Einrückrichtung vorbelastet ist und die Kupplung dazu geeignet ist, ohne Betrieb des elektrischen Antriebs eine Drehmomentübertragung im Bereich von 30% bis 70% des maximal übertragbaren Drehmoments vorzusehen. In letzterem Fall ist der elektrische Antrieb so auszubilden, dass die Betätigung nicht nur in Einrückrichtung, sondern auch in Ausrückrichtung erfolgen kann. Vorteilhaft kann dann bei gleicher maximaler Anpresskraft der elektrische Antrieb kleiner dimensioniert werden oder bei gleicher Dimensionierung des elektrischen Antriebs eine Einrückkraft bzw. Anpresskraft und folglich das maximale zu übertragene Drehmoment erhöht werden bzw. der Reibradius und folglich der radiale Bauraum der Kupplung bzw. des Systems verringert werden.
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In einer Ausführungsform umfasst das Kupplungssystem wenigstens zwei Reibungskupplungen, die unabhängig voneinander ein- und ausrückbar sind. Wenigstens eine der Kupplungen kann hierbei mit einem oder mehreren der oben erwähnten Ausführungsdetails ausgebildet sein. Ein solches Mehrfach-Kupplungssystem, z. B. Doppelkupplungssystem, findet zur Drehmomentübertragung hin zu Lastschaltgetrieben Anwendung, wobei aus Sicherheitsaspekten die Reibungskupplungen bevorzugt vom ”normalerweise offen”-Typ sind. Die Reibungskupplungen können von Kupplungsanordnungen einer selbst als ”Doppelkupplung” oder ”Mehrfachkupplung” angesprochenen Kupplungseinrichtung gebildet sein, die Teil des Kupplungssystems ist.
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Zusammenfassend wird mit der Erfindung ein System umfassend wenigstens eine mittels eines elektrischen Antriebs zum Einrücken betätigte Kupplung bereitgestellt. Insbesondere für eine Kupplung, bei welcher nicht eine Federbelastung zur Erzielung eines vollständig geschlossenen Zustands vorgesehen ist, insbesondere für eine Kupplung des ”normalerweise offen”-Typs, kann hierbei eine rasche Betätigung mit geringem Betätigungsarbeitsaufwand erzielt werden, wobei die für elektrische Antriebe typischerweise vorgegebenen Eigenschaften dann optimal genutzt werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Kupplung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
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2 eine Draufsicht auf wesentliche Komponenten der in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Aktuatoreinheit,
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3 eine Axialschnittansicht einer Kupplung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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4 eine Axialschnittansicht einer Kupplung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
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5 eine typische Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik eines Elektromotors.
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6 eine typische Betätigungskraft-Betätigungsweg-Charakteristik einer herkömmlichen ”normalerweise geschlossen”-Kupplung (6 links) sowie eine idealisierte Betätigungskraft-Betätigungsweg-Charakteristik einer herkömmlichen ”normalerweise offen”-Kupplung (6 rechts),
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7 eine Axialschnittansicht wesentlicher Komponenten einer Kupplung gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
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8 eine Draufsicht auf Komponenten der Kupplung gemäß des vierten Ausführungsbeispiels,
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9 eine Draufsicht eines zur Verwendung bei Kupplungen geeigneten Anpressglieds,
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10 eine Draufsicht eines weiteren zur Verwendung bei Kupplungen geeigneten Anpressglieds,
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11 eine reale Betätigungskraft-Betätigungsweg-Charakteristik einer ”normalerweise offen”-Kupplung (Einrückkraftkennlinie),
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12 eine der 11 entsprechende Kennliniendarstellung zur Erläuterung des Einflusses einer erhöhten Reibbelagfedersteifigkeit,
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13 eine der 11 entsprechende Kennliniendarstellung zur Erläuterung des Einflusses eines Belagverschleißes auf die Einrückkraftkennlinie, und
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14 eine Axialschnittansicht im radial äußeren Bereich einer Kupplung gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels.
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1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kupplungssystems, ausgeführt als Einfachkupplungssystem, mit einer Reibungskupplung 10 zur Verwendung im Antriebsstrang eines von einer Brennkraftmaschine getriebenen Kraftfahrzeuges. Im eingebauten Zustand ist ein Kupplungsgehäuse 12 drehfest mit einem nicht dargestellten Schwungrad verbunden, welches wiederum drehfest mit der Ausgangswelle (Kurbelwelle) der Brennkraftmaschine verbunden ist. Im Kupplungsgehäuse 12 ist eine zur Anpressung einer mit Reibbelägen versehenen Kupplungsscheibe (nicht dargestellt) gegen das Schwungrad geeignet angeordnete Anpressplatte 16 vorgesehen, die zum Einrücken der Kupplung von einem sich am Kupplungsgehäuse abstützenden Anpressglied in Form eines Hebelrings 18 axial belastet wird. Beim Einrücken der Kupplung 10 kommt es durch eine Einrück-Betätigungskraft F zu einer Verschwenkung von radial sich erstreckenden Federzungen (Hebeln) des Hebelrings 18 um jeweils eine Schwenkachse im radial äußeren Bereich des Hebelrings 18, dessen radial äußerer Endbereich durch einen Federring 22 bei der Kupplungsbetätigung abgestützt wird.
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In 1 erkennt man ferner am Umfang des Kupplungsgehäuses verteilt angeordnete Verschraubungslöcher 24, mittels denen die drehfeste Verbindung mit dem Schwungrad der Brennkraftmaschine hergestellt wird, wobei in an sich bekannter Weise bei einem Einrücken der Kupplung die in 1 nicht dargestellte Kupplungsscheibe (links von der Anpressplatte 16) in Reibkontakt mit der Anpressplatte 16 sowie dem Schwungrad gebracht wird, um zwischen Schwungrad bzw. Kupplungsgehäuse einerseits und Kupplungsscheibe andererseits ein Drehmoment zu übertragen und mittels einer (nicht dargestellten) Zentralwelle in ein Fahrzeuggetriebe weiterzuleiten. Diese Zentralwelle verläuft in 1 durch eine Hohlwelle 26 hindurch in das Fahrzeuggetriebe.
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Im unbetätigten Zustand der Kupplung 10 ergibt sich ein gewisser Abstand (Lüftspiel) d zwischen einem Reibbereich der Anpressplatte 16 und den Reibbelägen der Kupplungsscheibe. Dieser normalerweise geöffnete Kupplungszustand wird erreicht durch entsprechende Anordnung von an sich bekannten Tangentialblattfedern zwischen Anpressplatte und Kupplungsgehäuse und eine lediglich geringe oder ganz fehlende innere Spannung des Hebelrings 18.
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Die Betätigung der Kupplung 10 zum Einrücken geschieht wie folgt: Ein stationär angeordneter Aktuator 30 mit einem Elektromotor 32 wird angesteuert und setzt die Drehung der Motorausgangswelle über ein in einem Aktuatorgehäuse 34 untergebrachtes Aktuatorgetriebe in eine Translation eines Aktuatorstößels 36 um, dessen freies Ende sodann gegen eine Aufnahme 38 eines gabelartig ausgebildeten Betätigungshebels 40 drückt. Dies führt zu einer Verschwenkung des Hebels 40 um eine stationäre Schwenkachse (Schwenklager 42), wodurch ein mittlerer Abschnitt 44 des Hebels 40 die in 1 rechte Stirnseite eines Einrücklagers 46 axial belastet, dessen andere Stirnseite axial im Kontakt mit den radial nach innen gerichteten Zungen 48 des Hebelrings 18 steht und somit diese Abschnitte des Hebelrings 18 axial belastet, um die oben erläuterte Verschwenkung der Hebelringabschnitte um die Schwenkachsen 20 zu bewirken. Um in jedem Zustand der Kupplung eine dichte Anordnung der Zungen 48, des Einrücklagers 46 und des mittleren Hebelabschnitts 44 aneinander zu gewährleisten, ist eine den Hebel 40 druckbelastende Spiralfeder 50 um die Hohlwelle 26 herum angeordnet, die sich fahrzeugseitig abstützt.
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In diesem Ausführungsbeispiel einer Kupplung 10 wird also eine zugeordnete Betätigungseinrichtung zum Ein- und Ausrücken der Kupplung gebildet durch den Aktuator 30, den Aktuatorstößel 36, den Betätigungshebel 40 und das Einrücklager 46. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 könnten noch andere Betätigungskinematiken bzw. -getriebe zwischengeschaltet werden, beispielsweise ein hydraulisches Getriebe mit Geber- und Nehmerzylinder. Eine bevorzugte Anwendung der in 1 dargestellten elektromechanisch betätigten Kupplung ist die Drehmomentübertragung hin zu einem Schalt-, Lastschalt-, Automatik- oder CVT-Getriebe eines Kraftfahrzeugs.
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Die Kupplung 10 erlaubt es, das Einrücken der Kupplung zumindest über einen Großteil des Einrückwegs (Verlagerungsbereich des Anpressglieds 18) mit vergleichsweise niedriger Bestromung des elektrischen Antriebs 32 zu realisieren.
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2 zeigt den Aktuator 30 (mit abgenommenen Gehäusedeckel) detaillierter. Bei Betrieb des Elektromotors 32 wird die Rotation der Motorausgangswelle 52 über einen Schneckentrieb 54 zunächst in eine Verschwenkung eines Ankerteils 56 um eine Schwenkachse 58 und schließlich in eine Translation des bei 60 angelenkten Aktuatorstößels 36 umgesetzt. Die Figur zeigt die Aktuatorkomponenten im voll ausgerückten Zustand der Kupplung. Ersichtlich ist eine mit 62 bezeichnete Druckfeder, die einerseits am Aktuatorgehäuse und andererseits am Ankerteil 56 festgelegt ist und deren Wirklinie im dargestellten Zustand knapp an der Schwenkachse 58 vorbeigeht, so dass die Feder 62 geringfügig in Richtung einer Beibehaltung des ausgerückten Zustands wirkt (Übertotpunktfeder). Beim Einrückvorgang kommt es zu einer Verschwenkung des Ankerteils 56 entgegen dem Uhrzeigersinn und einer Verschiebung des Aktuatorstößels 36 nach links, wobei der elektrische Antrieb 32 zunehmend durch die Feder 62 unterstützt wird.
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Um im eingekuppelten Zustand der Kupplung den Elektromotor 32 nicht permanent bestromen zu müssen, ist der Schneckentrieb 54 selbsthemmend ausgeführt. Abweichend von der dargestellten Ausführungsform kann auch ein Bewegungwiderstand (z. B. Reibung) für eine Ankerbewegung kraft- und/oder wegabhänig und/oder richtungsabhänig vorgesehen sein und gewünschtenfalls auch zu- und abschaltbar sein bzw. in seiner Wirkung frei wählbar sein. Schließlich kann auch die Verwendung eines handelsüblichen Bremsmotors bei der dargestellten Konstruktion verwirklicht werden.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für analoge Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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3 zeigt eine der 1 entsprechende Ansicht einer Kupplung 10a gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 1 wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein mit dem Ein- und Ausrücken der Kupplung 10a verbundener Axialkraftfluss innerhalb der Kupplung geschlossen, so dass vorteilhaft eine Kupplungsbetätigung z. B. zu keiner nennenswerten Belastung der Kurbelwellenlager führt. Die Betätigung der Kupplung 10a zum Einrücken erfolgt wieder mittels eines stationär befestigten Aktuators (nicht dargestellt), dessen Aktuatorstößel hier jedoch tangential gegen eine Aufnahmepfanne 38a anläuft, die mit einer Innenhülse 66a eines Spindeltriebs 68a verbunden ist, um eine tangentiale Verschwenkung in eine Translation dieser Innenhülse 66a umzusetzen. Zu diesem Zweck steht die Innenhülse 66a in Gewindeeingriff mit einer Außenhülse 70a der Spindel 68a. Am Umfang der Außenhülse 70a ist ein Wälzlager 72a angeordnet, welches das Kupplungsgehäuse 12a drehbar lagert. An der axial dem Hebelring 18a zugewandten Stirnseite der Innenhülse 66a ist ein weiteres Wälzlager 46a (Einrücklager) angeordnet, welches axial in Kontakt mit den Zungen 48a des Hebelrings 18a steht, um eine Betätigung der Kupplung 10a wie oben mit Bezug auf 1 bereits beschrieben vorzusehen. Die stationäre Festlegung der Außenhülse 70a erfolgt durch eine bei 76a dargestellte Verschraubung mit einem stationären Fahrzeugteil.
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Anstatt einer gedrückten Betätigung der Kupplung kann ebenso gut eine ”gezogene” Variante realisiert werden, bei welcher ein mittlerer Abschnitt des Hebelrings verschwenkbar am Kupplungsgehäuse zu halten ist und die Anpressplatte durch einen radial weiter außen liegenden Abschnitt des Hebelrings axial zur Einrückung belastet wird.
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4 zeigt eine solche Ausführungsform einer Kupplung 10b, bei welcher die Betätigung der Kupplung nicht durch eine Druckkraft in Richtung der Brennkraftmaschine (gedrückt), sondern durch eine entgegengesetzte Kraft, z. B. zentral durch eine Getriebeeingangswelle, erfolgt (gezogen). In 4 ersichtlich ist auch die Anordnung einer Kupplungsscheibe 14b zwischen Anpressplatte 16b und Schwungrad. Zum Zwecke der gezogenen Betätigung sind radial sich erstreckende Abschnitte eines Hebelrings 18b in einem radial mittleren Bereich verschwenkbar am Kupplungsgehäuse 12b festgelegt (bei 20b). Die präzise Festlegung der Schwenkachse für die Verschwenkung in beiden Richtungen wird durch zwei Federringe 22b und 22b' gewährleistet. Radial äußere Endabschnitte des Hebelrings 18b dienen bei der Kupplungsbetätigung zur Druckbeaufschlagung der Anpressplatte 16b. Die Konstruktion ähnelt einer konventionellen gedrückten ”normalerweise geschlossen”-Kupplung. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch die sonst übliche Membranfeder durch ein entsprechendes Element mit abgesenktem inneren Moment (Hebelring 18b) ersetzt und die Betätigung erfolgt gezogen zum Einrücken der Kupplung. Vorteilhaft kann daher, abgesehen von der abgwandelten Ausbildung des Anpressglieds, größtenteils auf an sich bekannte Konstruktionen zurückgegriffen werden.
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5 zeigt schematisch eine typische Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik eines elektrischen Drehantriebs, wie sie beispielsweise bei den hier verwendeten elektrischen Antrieben vorgegeben sein kann. Es ist ersichtlich, dass bei vergleichsweise niedriger Drehzahl n ein hohes Moment M geliefert werden kann (Bereich I), wohingegen bei höheren Drehzahlen n das Moment M absinkt (Bereich II). Wenn also hohe Stellgeschwindigkeiten gefordert werden, kommt es entscheidend darauf an, dass dem Elektromotor nur kleine äußere Lasten abverlangt werden. Diese den elektrischen Antrieben inhärente Charakteristik passt besonders gut zu der Betätigungscharakteristik einer ”normalerweise offen”-Kupplung, wie sie idealisiert (kraftlose Zustellung) in 6 rechts dargestellt ist. Die unten noch beschriebenen 11, 12 und 13 zeigen reale Charakteristiken. Die Betätigungsarbeit einer derartigen Kupplung, anschaulich das Integral der Betätigungskennlinie, ist in diesem idealisierten Fall gleich Null. Anders bei einer herkömmlichen ”normalerweise geschlossen”-Kupplung, bei welcher über den gesamten Betätigungsweg eine mehr oder weniger große Betätigungskraft aufzubringen ist, wie aus dem in 6 links angegebenen typischen Verlauf einer entsprechenden Kennlinie ersichtlich. Die im Rahmen der Erfindung besonders interessante Kombination eines elektrischen Antriebs mit einer prinzipiellen Kennlinie nach 5 mit einer Kupplung, welche eine prinzipielle Betätigungscharakteristik nach 6 rechts aufweist, ermöglicht somit ein besonders rasches Einrücken der Kupplung bis zum Beginn der Anpressung, auf welche dann die Anpresskraft mit geringerer Stellgeschwindigkeit (jedoch auf hohem Kraftniveau) geliefert werden kann.
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Um den Arbeitsaufwand bis zur Erreichung eines beliebigen Zielpunkts in der Kraft-Weg-Charakteristik zu minimieren, muss also die Fläche unter der Kennlinie minimiert werden. Um dies zu erreichen, sollte der bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendete Hebelring 18 bzw. 18a anders als bei herkömmlichen ”normalerweise geschlossen”-Kupplungen ein geringes inneres Moment aufweisen. Dieses herkömmlicherweise als Kraftspeicher zur Beaufschlagung der Anpressplatte im Sinne einer vollständigen Einrückung dienende Element (”Membranfeder”) entartet hier quasi zu einem reinen Hebelelement, wie es weiter unten noch mit Bezug auf die 9 und 10 beschrieben wird.
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Die in den 7 und 8 gezeigte Ausführungsform einer Kupplung 10c veranschaulicht nochmals das bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen verwirklichte Prinzip einer zum Einrücken ”gedrückten” Kupplung, bei welcher eine Verschwenkung von Hebelzungen 48c um radial weit außen liegende Schwenkachsen 20c erfolgt. In der Draufsicht nach 8 sind auch Tangentialblattfedern 80c zu erkennen, die zur drehfesten Lagerung der Anpressplatte 16c relativ zum Kupplungsgehäuse 12c dienen.
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Die 9 und 10 zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Anpressgliedern in Form von Hebelringen 18d (9) bzw. 18e (10), welche besonders gut zur Erzielung eines vergleichsweise geringen inneren Moments geeignet sind.
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Der in 9 dargestellte Hebelring 18d (z. B. für die Kupplung gemäß 4) kann beispielsweise nach Art einer schwach vorgespannten Membranfeder wirksam sein und umfasst eine in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Vielzahl von Zungen 48d, die in einem radial mittleren Bereich durch Kopplungsabschnitte 84d miteinander verbunden sind. Diese Kopplungsabschnitte 84d bilden zusammen einen im Wesentlichen ringartig umlaufenden Körperbereich 86d. Im Bereich der radial inneren Enden der Zungen 48d kann eine Einrückkraft nach Art einer gezogenen Kupplungsbetätigung in axialer Richtung wirken, die zu einer Verschwenkung der Zungen 48d um eine in deren mittleren Bereich vorgesehene Festlegung am Kupplungsgehäuse führt. Infolge dieser Verschwenkung kommt es zu einer axial entgegengesetzten Verlagerung der radial äußeren Enden der Zungen 48d, welche in diesem Fall die Anprassplatte zur Einrückung der Kupplung belasten.
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Demgegenüber ist der in 10 dargestellte Hebelring 18e für eine gedrückte Kupplungsbetätigung ausgebildet. Der Hebelring 18e kann beispielsweise bei den mit Bezug auf die 1 und 3 beschriebenen Kupplungen eingesetzt werden.
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Nochmals zurückkommend auf die Einrückkraft-Einrückweg-Charakteristik einer ”normalerweise offen”-Kupplung ist in 11 eine reale Kennlinie dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass in der Praxis ein kraftloses Zustellen und eine weglose Krafterzeugung nur näherungsweise realisierbar sind. Zu Beginn des Einrückens (Phase 1) führt ein gewisses inneres Moment des Anpressglieds zu einer endlichen und etwa linear ansteigenden Einrückkraft, die sich gegen Ende des Einrückvorgangs (Phase 2) stark erhöht.
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Die anhand der 5 erläuterten Eigenschaften elektrischer Antriebe kommt eine Betätigungskennlinie wie in 11 dargestellt sehr entgegen: Im Bereich der großer Wegstrecke (Phase 1) liegt das Kraftniveau niedrig, so dass der Weg schnell durcheilt werden kann. Für das gegen Ende des Einrückwegs (Phase 2) erforderliche, lediglich für eine vergleichsweise kurze Wegstrecke aufzuwendende höhere Kraftniveau hingegen läßt sich das für niedrigere Antriebsgeschwindigkeiten höhere Antriebsmoment nutzen.
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In Phase 1 spielt auch die Rückstellkraft der Tangentialblattfedern eine Rolle und dominiert sogar bei starr ausgeführten Hebelringzungen. Bis zum Anliegen der Anpressplatte an den Reibbelag der Kupplungsscheibe ist die aufzuwendende Betätigungsarbeit sehr klein. Die Phase 2 beginnt mit der Anlage der Anpressplatte auf dem Reibbelag. Die Anpresskraft kommt dann nicht wie bei der herkömmlichen ”normalerweise geschlossen”-Kupplung aus einer vorgespannten Membranfeder, sondern aus der elektrisch getriebenen Betätigungseinrichtung. Die Abweichung von der oben mit Bezug auf 6 rechts beschriebenen Idealkennlinie in der Phase 2 rührt im Wesentlichen aus der Belagfederung her, welche in der letzten Phase des Einrückvorgangs überwunden werden muss. Um die Einrückarbeit also zu reduzieren, sollte eine möglichst steife Belagfederung vorgesehen werden. Diese vorteilhafte Maßnahme sei anhand 12 erläutert.
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12 ist eine der 11 entsprechende Darstellung mit zwei Kennlinien für zwei verschieden steife Belagfederungen. Die Kennlinie c1 entspricht hierbei einer relativ steifen Belagfederung, wohingegen die Kennlinie c2 einer weicheren Belagfederung entspricht. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass die Gesamteinrückarbeit (Fläche unter der Kennlinie) für die steifere Belagfederung reduziert ist. Die Summe der Einrückarbeiten in Phase 1 und Phase 2 zusammen kann in der Praxis kleiner als ein Viertel der Ausrückarbeit einer in der Übertragungsfähigkeit vergleichbaren konventionellen ”normalerweise geschlossen”-Kupplung sein. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Dynamik des Auskuppelvorganges. Bedingt durch das ”normalerweise offen”-Prinzip hat die Kupplung von sich aus das Bestreben sich zu öffnen, so dass z. B. im Falle einer ABS-Bremsung eines Fahrzeuges, bei welcher innerhalb von dem Bruchteil einer Sekunde ausgekuppelt werden sollte, die Kupplung den Ausrückvorgang inhärent unterstützt. Ferner entspricht das ”normalerweise offen”-Prinzip wie eingangs bereits erwähnt den Sicherheitsaspekten bei automatisierten Getrieben, insbesondere Lastschaltgetrieben.
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Falls die Kupplung als ”normalerweise offen”-Kuplung ausgebildet ist, ergeben sich weitere Vorteile im Hinblick auf den in der Praxis unvermeidlichen Belagverschleiß. Bei konventionellen ”normalerweise geschlossen”-Kupplungen ohne mechanischen Belagverschleißausgleich kommt es mit zunehmendem Belagverschleiß bekanntermaßen zu einer meist unerwünschten Erhöhung der Betätigungskraft. Bei der ”normalerweise offen”-Kupplung führt ein Belagverschleiß nur zu einer äußerst geringen Erhöhung der maximalen Betätigungskraft. Es kommt im Wesentlichen lediglich zu einer Verschiebung der gesamten Einrückkennlinie entlang der linearen Steigung der oben erläuterten Phase 1 (11). Dies ist anhand von 13 veranschaulicht.
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13 ist eine der 11 entsprechende Darstellung sowohl für einen neuen Reibbelag (Kurve a) als auch für einen verschlissenen Reibbelag (Kurve b). Die durch die gestrichelte Linie bei c zum Ausdruck kommende Anfangssteigung ergibt sich aus der Steifigkeit von Blattfedern und Kupplungsgehäuse. Wie aus der Figur ersichtlich, führt der Verschleiß im Wesentlichen zu einer Verschiebung der Kennlinie. Das maximale Betätigungskraftniveau verändert sich jedoch praktisch nicht, so dass hier auf eine aufwändige Nachführkinematik wie bei herkömmlichen ”normalerweise geschlossen”-Kupplungen zum Ausgleich des Arbeitsbereichs (hinsichtlich des Kraftniveaus) verzichtet werden kann, was Bauraum und Gewicht spart.
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14 veranschaulicht ein auch für die bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele einsetzbares Ausführungsdetail einer Kupplung 10e, bei welcher eine Rückstellung der Anpressplatte 16f in Ausrückrichtung unabhängig von einer gegebenenfalls vorgesehenen entsprechenden Vorspannung der Tangentialblattfedern durch speziell zu diesem Zweck vorgesehene Federn 92f bewerkstelligt wird. Diese als ”Schwanenhalsfedern” ausgebildeten Elemente umgreifen bei der dargestellten Ausführungsform den Außenumfang eines Hebelrings 18f, um bei einem Zurückschwenken der Zungen 48f (entgegen der Einrückkraft F) die Anpressplatte 16f aus dem Reibeingriff mit der Kupplungsscheibe (nicht dargestellt) zu bringen. Jede Schwanenhalsfeder 92f ist hierzu einerseits bei 94f im äußeren Umfangsbereich der Anpressplatte 16f angenietet und stützt sich andererseits auf der der Anpressplatte 16f entgegengesetzten axialen Seite des Hebelrings 18f an diesem ab.
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Die beschriebenen Ausführungen der Erfindung besitzen vorteilhafte Betätigungseigenschaften und ein breites Anwendungsspektrum. Die Erfindung kann vorteilhaft in trocken- und nasslaufenden Einscheiben-, Mehrscheiben- und Doppelkupplungen, insbesondere auch für Lastschaltgetriebe eingesetzt werden.
