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Die
Erfindung betrifft eine Reibungskupplung, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
mit einer mit einem Ausrückhebel
in Verbindung stehenden, z. B. fremdkraftbetriebenen Betätigungseinrichtung,
wobei der Ausrückhebel über ein
Ausrücklager
mit einem auf eine Anpreßplatte
einwirkenden Federelement zusammenwirkt und mittels der Anpreßplatte eine
mit Reibbelägen
versehene Kupplungsscheibe gegen ein Schwungrad einer Brennkraftmaschine preßbar ist.
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Eine
solche Reibungskupplung ist beispielsweise aus der
DE 195 13 454 A1 bekannt.
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Über die
Betätigungseinrichtung
kann in einem Kraftfahrzeug elektronisch geregelt ein- und ausgekuppelt
werden, so daß der
Fahrer von der Kupplungsbetätigung
befreit ist und über
den Schalthebel nur den gewünschten
Gang einzulegen braucht. Eine Betätigungseinrichtung zur Verwendung
für diese
Reibungskupplung ist beispielsweise aus der
DE 44 33 824 A1 oder der
DE 195 03 137 C1 bekannt.
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Während der
Lebensdauer einer Reibungskupplung unterliegen die Reibbeläge der Kupplungsscheibe
einem Verschleiß,
der bewirkt, daß die
Anpreßplatte
von dem Federelement entsprechend dem Verschleiß weiter in Richtung des Schwungrades
gedruckt wird. Das Federelement liegt mit seinem äußeren Durchmesser
an der Anpreßplatte
an. Die nach radial innen ragenden Zungen des Federelements liegen
gegen das Ausrücklager
an, das über den
Ausrückhebel
in axialer Richtung hin- und herbewegbar ist. Mit zunehmendem Verkippen
des Federelements in Richtung Schwungrad schieben die Federzungen,
die in die entgegengesetze Richtung ausweichen, das Ausrücklager
und damit auch den Ausrückhebel
weiter zurück
in Richtung der Betätigungseinrichtung.
Dadurch erhöht
sich die Ausrückkraft
des Federelements. Um dies zu verhindern, gibt es Kupplungen mit
automatischem Verschleißausgleich,
wie sie beispielsweise in der
DE 44 12 107 A1 oder der
DE 295 08 087 U1 offenbart
sind.
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Eine
Einrichtung zum Ausgleich des Verschleißes erhöht natürlich das Gewicht der Kupplung,
was dem grundsätzlichen
Anspruch bei der Fahrzeugoptimierung, leichter zu werden, entgegenläuft. Darüberhinaus
verkompliziert eine Verschleißausgleichseinrichtung
den Kupplungsaufbau, so daß sich
die Kupplung nicht nur verteuert, sondern auch ihre Störanfälligkeit
erhöhen
kann und ein automatischer Verschleißausgleich häufig allein
aus Kostengründen
nicht in Erwägung
gezogen werden kann. Für
diesen Fall muß in
Kauf genommen werden, daß der
Ausrückhebel
sich in Richtung des Getriebes verlagert. Das die Reibungskupplung
in ihrem Inneren aufnehmende Getriebegehäuse muß axial entsprechend lang ausgebildet
sein, um diese Verschwenkung (Verschiebung) des Hebels zuzulassen.
Durch die veränderte
Lage des Ausrückhebels
muß dieser einen
längeren
Weg zurücklegen,
um die Kupplung vollständig,
trennen zu können.
Die Bewegung, die das Stellglied der Betätigungseinrichtung ausführen kann,
ist mechanisch festgelegt und folglich nicht veränderbar. Daher ist zwischen
der Betätigungseinrichtung
und dem Ausrückhebel
eine hydraulische Strecke integriert, die durch Aufnahme von mehr
bzw. weniger Hydraulikvolumen den infolge des Verschleißes benötigten geänderten
Verstellweg bereitstellen kann.
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Auch
diese Lösung
hat einen negativen Einfluß auf
das Gewicht und die Kosten.
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Insbesondere
problematisch kann jedoch die notwendige axiale Ausdehnung des Getriebegehäuses sein.
Der in modernen Fahrzeugen zur Verfügung stehende Bauraum wird
infolge der zunehmenden Fahrzeugoptimierung bei gleichzeitigem Anstieg der
Ausstattungsvielfalt immer kleiner. An alle Bauteile wird deshalb
die Anforderung gestellt, daß sie möglichst
kompakt aufgebaut sind. Insbesondere bei quer ins Fahrzeug eingebaute
Motoren können manchmal
wenige Millimeter in der axialen Ausdehnung eines Bauteils darüber entscheiden,
ob es verwendbar ist oder nicht.
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Von
dieser Problemstellung ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, die eingangs definierte Reibungskupplung zu optimieren.
Dabei soll insbesondere auf einen zusätzlichen Verschleißausgleich
verzichtet werden, wobei die Kupplung einfach und kostengünstig aufgebaut
sein soll.
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Die
Problemlösung
kann durch zwei Varianten erfolgen. Zum einen kann sich die gattungsgemäße Reibungskupplung
dadurch auszeichnen, daß bei eingerückter Kupplung
der Ausrückhebel
mechanisch in seiner dem Neuzustand der Kupplung entsprechenden
Lage gehalten wird.
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Bei
der zweiten Variante zeichnet sich die gattungsgemäße Reibungskupplung
dadurch aus, daß innerhalb
der Betätigungseinrichtung
ein künstlicher
Verschleiß erzeugbar
ist, der in direkter Abhängigkeit
zum Verschleiß der
Reibbeläge
steht und so abgestimmt ist, daß der
Ausrückhebel
bei eingerückter
Kupplung 1 in seiner dem Neuzustand der Kupplung entsprechenden
Lage gehalten wird.
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Der
Ausrückhebel
ist also in seiner Lage fixiert, so daß durch eintretenden Verschleiß der Kupplungsscheibe
zwar das Federelement kippen kann, die Federzungen das Ausrücklager
jedoch nicht weiter in Richtung des Getriebegehäuses drücken können. Durch diese Maßnahme kann
auf den diese Schwenkbewegung ermöglichenden Raum in der Getriebeglocke
(Getriebegehäuse)
verzichtet werden. Dadurch kann zwangsläufig auch auf einen notwendigen
hydraulischen Ausgleich bei der Betätigungseinrichtung verzichtet
werden. Die erfindungsgemäß ausgebildete
Reibungskupplung ist folglich leichter, kompakter und preiswerter
aufgebaut als eine vergleichbare Reibungskupplung nach dem Stand
der Technik.
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Zur
Lagefixierung kann ein den Weg des Ausrückhebels in Richtung der Betätigungseinrichtung
begrenzender Anschlag vorgesehen sein. Der Betätigungsmechanismus der häufig Aktuator
genannten Betätigungseinrichtung
kann dann mit dem Ausrückhebel
rein mechanisch gekoppelt werden. Bei einer fremdkraftbetriebenen
Betätigungseinrichtung
(automatische Kupplung) kann die Lagefixierung durch diese selbst
erfolgen.
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Eine
weitere Vereinfachung im Aufbau und Reduzierung in den Abmaßen wird
erreicht, wenn die Betätigungseinrichtung
direkt auf dem Getriebegehäuse
befestigt ist und sein Betätigungsstößel am Ausrückhebel
anliegt. Der Aktuator selbst bildet dann die den Betätigungshebel
in seiner Position fixierende Einrichtung. Da der Verstellbereich
des Stellgliedes mechanisch begrenzt ist, wird eine Betätigungseinrichtung
immer so ausgebildet, daß der
Betätigungsstößel bei
eingerückter
Kupplung in seiner einen Endlage ist.
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Eine
andere Möglichkeit
den unvermeidbaren Belagverschleiß auszugleichen ist es, Maßnahmen
zu ergreifen, daß im
Ausrücksystem
ein gezielter Verschleiß erzeugt
wird, der sich in die entgegengesetzte Richtung auswirkt. Auch durch
diese Maßnahme
wird der Ausrückhebel
in seiner Lage gehalten, die er bei eingerückter Kupplung im Neuzustand hat,
und die Betätigungseinrichtung
kann über
die Lebensdauer in der gleichen Position verharren. Nie vermeidbare
Toleranzen sollen bei dieser Betrachtung unberücksichtigt bleiben.
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Der
gezielt zu erzeugende Verschleiß kann im
Bereich des Schwenkpunktes des Ausrückhebels eingeleitet werden.
Nutzt sich die Kugelpfanne oder die Kugel ab, wan dert der Schwenkpunkt
weiter in Richtung des Getriebegehäuses, so daß das mit der Betätigungseinrichtung
in Verbindung stehende Ende in die andere Richtung geschwenkt wird.
Auch kann an den Federzungen, die an dem Ausrücklager anliegen, gezielt Verschleiß erzeugt
werden, der der Kippbewegung der Anpreßfeder entgegenwirkt und wodurch
eine axiale Verschiebung des Ausrücklagers verhindert wird.
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Als
Reibpartner kommen Stahl und Kunststoff in Frage. Dem Kunststoff
können
feste Schmieranteile, wie beispielsweise Teflon, Molybdändisulfit oder
Graphit beigemischt sein, damit eine ausreichende Gleiteigenschaft
gegeben ist, um Geräusche zu
vermeiden.
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Auch
kann an der Stelle, an der der Ausrückhebel mit dem Ausrücklager
in Verbindung steht, Verschleiß erzeugt
werden, was ebenfalls zu einer Bewegung des mit der Betätigungseinrichtung
in Verbindung stehenden Endes des Hebels in Richtung Kupplungsgehäuse führt. Die
vorgeschlagenen Verschleißstellen
können
alternativ oder kumulativ vorgesehen sein.
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Insbesondere
vorteilhaft ist es, wenn das Federelement überdimensioniert ist und dabei
so dimensioniert wird, daß die Übertragungssicherheit
bei maximal eintretendem Verschleiß der Reibbeläge größer oder
gleich 1 ist. Dadurch wird über
die gesamte Lebensdauer der Kupplung ein Durchrutschen der Kupplungsscheibe
vermieden. Weiterhin vorteilhaft ist es, die Kupplungsscheibe mit
einer Elastomerfederung zu versehen, wodurch der potentielle Verschleiß der Beläge nochmals
reduziert werden kann. Eine solche Elastomerfederung ist beispielsweise
aus der
EP 0 504 033
A1 bekannt.
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Eine
andere Maßnahme
zur Reduzierung des potentiellen Verschleißes der Beläge wird erreicht, wenn die
Oberfläche
der Reibbeläge
feinstbearbeitet, insbesondere geläppt ist. Durch die optimierte
Oberfläche
wird Verschleiß beim
Einlauf der Kupplung vermieden, was entweder bei der konstruktiven
Ausgestaltung der Reibbeläge
gleich zu Beginn berücksichtigt
werden kann (dünnere
Beläge)
oder dazu führt,
daß die
Lebensdauer der Kupplung steigt.
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Eine
weitere Reduzierung des notwendigen Bauraumes in axialer Richtung
ist erzielbar, wenn das Verhältnis
von Außendurchmesser
Da zu Innendurchmesser Di der
Reibbeläge
bezogen auf das Kupplungsgehäuse
den größtmöglichen
Wert annimmt. Gegenüber
einer vergleichbaren herkömmlichen
Kupplung wird dadurch die Reibfläche
der Beläge
vergößert. Die
beim Einkuppeln entstehende Wärme
nimmt ab, wodurch weniger Verschleiß auftritt. Infolge des aus
physikalischen Gründen
geringeren Verschleißes
kann die bisher benötigte
Verschleißdicke
reduziert werden und die Reibbeläge
dünner ausgestaltet
sein. Bei gleichen Volmen und einer Erhähung des Verhältnisses
Da/Di können die
Beläge dünner gestaltet
werden. Im gleichen Maß nimmt
die Verschleißdicke
ab. Über
die Lebensdauer der Kupplungsscheibe stellt sich dann nur noch eine
geringe Dickenänderung
des Belags ein. Dadurch wird bereits eine quasi konstante Lagerung
des Ausrücksystems
bzw. des Betätigungselements über die
Lebensdauer erreicht. Zu weiteren Erhöhung der Verschleißgrenze
können
extrem verschleißfeste
Reibbeläge
Verwendung finden, die aus Keramik oder Glas bestehen können. Auch
durch Verwendung eines Anteils von mehr als 35% Kupfer und/oder
35% Kevlarfasern in den Reibbelägen
wird eine extreme Verschleißfestigkeit
erreicht.
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Insbesondere
vorteilhaft ist es, wenn die Innendurchmesser Di und
Außendurchmesser
Da so gewählt sind, daß das Verhältnis Da/Di ≥ 1,4 vorzugsweise ≥ 1,7 ist.
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Insbesondere
vorteilhaft ist es, wenn die Reibbungskupplung Bestandteil einer
Modulkupplung ist.
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Mit
Hilfe einer Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung
nachfolgend näher
erläutert
werden. Es zeigt:
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1 den
Axialschnitt durch ein Getriebegehäuse mit darin angeordneter
Reibungskupplung in teilweise aufgebrochener Darstellung und der
zugehörigen
Betätigungseinrichtung
eines ersten Ausführungsbeispiels;
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2 den
Axialschnitt durch ein Getriebegehäuse mit darin angeordneter
Reibungskupplung in teilweise aufgebrochener Darstellung und der
zugehörigen
Betätigungseinrichtung
eines zweiten Ausführungsbeispiels;
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3 den
Axialschnitt durch ein Getriebegehäuse mit darin angeordneter
Reibungskupplung in teilweise aufgebrochener Darstellung und der
zugehörigen
Betätigungseinrichtung
eines dritten Ausführungsbeispiels;
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4 die
Einzelheit "X" nach 3.
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Das
Kupplungsgehäuse
2 der
Reibungskupplung
1 ist drehfest mit dem Schwungrad
3 einer hier
nicht näher
dargestellten Brennkraftmaschine verbunden. Im Inneren des Kupplungsgehäuses
2 ist eine
drehfest mit dem Kupplungsgehäuse
1 verbundene
Anpreßplatte
7 angeordnet,
die von einer sich am Kupplungsgehäuse
2 abstützenden
Membranfeder
8 axial belastet wird. Die Anpreßplatte
7 preßt die mit
den Reibbelägen
5,
6 versehene
Kupplungsscheibe
4 gegen das Schwungrad
5. Zwischen
den Reibbelägen
5,
6 und
der Kupplungsscheibe
4 kann eine Federung, beispielsweise
durch ein zwischengelegtes Elastomermaterial
20 vorgesehen
sein. In der
EP 0 504
033 A1 ist hierzu die Ausgestaltung einer Silikonbelagfeder
offenbart. Nach radial innen ist die Membranfeder
8 mit
Zungen
9 versehen, die gegen das in axialer Richtung bewegbare
Ausrücklager
10 anliegen.
Mit dem Ausrücklager
10 in
Verbindung steht der Ausrückhebel
11,
der an seinem einen Ende eine Pfanne
19 aufweist, der mit
einem im Getriebegehäuse
12 sitzenden
kugelförmigen
Bolzen
13 verbunden ist und für den am Bolzen
13 ein
Schwenkpunkt gegeben ist. Eine axiale Bewegung des Ausrückhebels
11 bewirkt
eine entgegengerichtete Bewegung des Ausrücklagers
10. Wird
der Ausrückhebel
11 auf
der Zeichnung nach links gedrückt,
entlastet das Ausrücklager
10 die
Zungen
9 der Membranfeder
8, die dadurch zurückschwenkt
und die Kupplung
1 trennt. Unmittelbar mit dem Getriebegehäuse
12 verbunden
ist die Betätigungseinrichtung
14,
deren Betätigungsstößel
15 durch
eine Ausnehmung
16 im Getriebegehäuse
12 hindurchragt
und unmittelbar in einer Vertiefung
17 am Ausrückhebel
11 anliegt.
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Es
sei angenommen, daß die
in den Figuren gezeigte Stellung eine neue Kupplung im eingekuppelten
Zustand zeigt. Der Betätigungsstößel
15 der Betätigungseinrichtung
14 befindet
sich in seiner am weitesten in das Innere der Betätigungseinrichtung
14 eingefahrenen
Position und wird bei der
2 dargestellten Ausführung in
nicht näher
dargestellter Weise dort mechanisch fixiert. Tritt an den Reibbelägen
5,
6 Verschleiß auf, wandert
die Anpreßplatte
7 weiter
in Richtung des Schwungrades
3. Die mit ihrem radial äußeren Bereich
an der Anpreßplatte
7 anliegende
Membranfeder
8 kippt und verändert ihre radial äußere Lage.
Da der Betätigungshebel
7 durch den
Stößel
15 der
Betätigungseinrichtung
14 in
seiner Position fixiert ist, kann auch das Ausrücklager
10 von den
Zungen
9 nicht aus seiner axialen Position herausbewegt
werden. Durch eine entsprechende Auswahl der Membranfeder
8 ist
diese im Neuzustand überdimensioniert.
Die Übertragungssicherheit einer
Kupplung errechnet sich näherungsweise
aus der minimalen Kupplungsanpreßkraft F
min,
dem Reibwert μ und
der Anzahl Z der Reibflächen,
dem mittleren Reibradius r
m sowie dem maximalen
Moment M
max, das der Verbrennungsmotor liefert.
Sie errechnet sich näherungsweise
gemäß der Formel:
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Durch
entsprechende Auslegung kann die Übertragungssicherheit der Kupplung
beispielsweise auf den Faktor 2 (ÜS = 2) eingestellt sein. Mit
zunehmendem Belagverschleiß wird
zwar die Federkraft reduziert, die Überdimensionierung sorgt aber
dafür, daß auch bei
maximalem Belagverschleiß die Übertragungssicherheit
nicht kleiner als 1 ist und somit ein Durchrutschen der Kupplung 1 vermieden
wird.
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Das
Verhältnis
der Durchmesser Da zu Di der Reibbeläge 5, 6 ist
so gewählt,
daß es
bei vorgegebener Größe des Kupplungsgehäuses 2 einen
maximalen Wert annimmt. Das bedeutet, die Reibbeläge reichen
radial außen
nahezu an das Kupplungsgehäuse 2 heran.
Das Ausrücklager 10 muß so dimensioniert
sein, daß es über die
Lebensdauer eine infolge der sich an ihm abstützenden Membranfeder entstehende
Vorlast bewältigen
kann, die durchaus bei 50% der absoluten Ausrückkraft im Neuzustand liegt. Auch
die Betätigungseinrichtung 14 muß so ausgelegt
sein, daß sie
die über
die Lebensdauer entstehende Vorlast betätigen kann. Eine solche konstruktive
Auslegung liegt jedoch im Rahmen des fachmännischen Könnens, so daß es hier
keiner tiefer gehenden Erläuterung
dazu bedarf.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführung ist am Getriebegehäuse 12 ein
nach axial innen ragender Anschlag 18 ausgebildet, gegen
den der Hebel 11 anliegt. Eine weitere Schwenkbewegung
ist unmöglich.
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Der
durchschnittliche Belagverschleiß bei einer vorgegebenen Betriebsdauer
kann empirisch ermittelt werden. Ebenso ist die durchschnittliche
Anzahl der Betätigungsvorgänge einer
Kupplung während
dieser Betriebszeit ermittelbar. An den Stellen A (3)
muß die
Materialpaarung dann so gewählt werden,
daß der
Verschleiß bei
den vorgegebenen durchschnittlichen Betätigungsfolgen dem Verschleiß der Reibbeläge entspricht,
und der Ausrückhebel 11 mit
seinem mit der Betätigungseinrichtung 14 zusammenwirkenden
Ende eine der durch Belagverschleiß hervorgerufenen Bewegung
entgegengerichtete Bewegung ausführt.
Als Reibpartner kommen Stahl/Kunststoff in Frage. Dem Kunststoff
können feste
Schmieranteile, wie beispielsweise PTFE (Teflon), MoS2 (Molybden
Disulfid) oder Graphit beigemischt sein, damit eine ausreichende
Gleiteigenschaft gegeben ist, um Geräusche – nicht Verschleiß – zu vermeiden.
Auch an der Kontaktstelle 21 zwischen den Federzungen 9 und
dem Ausrücklager kann
Verschleiß gezielt
eingestellt werden. Die Verschleißstellen A können alternativ
oder kumulativ vorgesehen sein.
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- 1
- Kupplung
- 2
- Kupplungsgehäuse
- 3
- Schwungrad
- 4
- Kupplungsscheibe
- 5
- Reibbelag
- 6
- Reibbelag
- 7
- Anpreßplatte
- 8
- Federelement/Membranfeder
- 9
- Zungen/Federzungen
- 10
- Ausrücklager
- 11
- Ausrückhebel
- 12
- Getriebegehäuse/Getriebeglocke
- 13
- Bolzen
- 14
- Betätigungseinrichtung/Aktuator
- 15
- Betätigungsstößel
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Vertiefung
- 18
- Anschlag
- 19
- Pfanne
- 20
- Elastomer/Silikon
- 21
- Kontaktstelle
