Fliehkraftkupplung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kupplungsanordnung für ein Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 .

Eine gattungsgemäße Kupplungsanordnung mit einer Formschlusskupplung und einer dazu funktional parallel angeordneten Reibungskupplung geht bereits aus der DE 10 2015 201 931 A1 hervor und ist dort zwischen einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine angeordnet, um beispielsweise den Verbrennungsmotor bei elektrischem Fahrbetrieb mittels der Reibungskupplung an die elektrische Maschine anzukoppeln und diesen zu starten. Sobald eine Synchronisation von Kurbelwelle und Rotorwelle vorliegt, kann die Formschlusskupplung durch Ineinandergreifen einer Verzahnungsanordnung geschlossen werden, um darüber das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors an die Fahrzeugräder zu leiten. Zur Betätigung von Formschlusskupplung und Reibungskupplung ist ein gemeinsames Betätigungsmittel in Form eines hydraulischen oder elektromotorischen Aktors vorgesehen, wobei bei dessen Aktivierung eine stufenweise Kupplungsbetätigung erfolgt und zuerst die Elemente der Reibeinheit und danach bei erfolgter Synchronisierung der beteiligten Wellen die Elemente der Formschlusseinheit miteinander in Eingriff gebracht werden.

Infolge der stufenweisen wegabhängigen Betätigung kann es bei dieser Anordnung zu einem unerwünschten vorzeitigen Schließen der Formschlusskupplung kommen und zwar bevor die Reibungskupplung vollständig geschlossen ist, was wegen der konstruktiven Ausgestaltung der Formschlusskupplung den Fahrkomfort ungünstig beeinflussen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kupplungsanordnung darzustellen, welche das vorstehend genannte Problem sicher vermeidet. Diese Aufgabe wird durch eine Kupplungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.

Es wird demnach eine Kupplungsanordnung für ein Hybridfahrzeug vorgeschlagen, welche eine Eingangswelle und eine dazu koaxial angeordnete Ausgangswelle und weiter eine Reibungskupplung und eine Formschlusskupplung umfasst, welche funktional parallel zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle angeordnet sind und wobei die Reibungskupplung eine durch Betätigungsmittel betätigbare Reibeinheit und die Formschlusskupplung eine durch zugeordnete Betätigungsmittel betätigbare Formschlusseinheit aufweist.

Gemäß der Erfindung zeichnet sich die Kupplungsanordnung dadurch aus, dass die Formschlusskupplung als Fliehkraftkupplung zur drehzahlabhängigen selbsttägigen Betätigung ausgebildet ist, wobei die zugeordneten Betätigungsmittel mit der Eingangswelle oder der Ausgangswelle wirkverbunden sind.

Durch diese Ausgestaltung ergibt sich der grundlegende Vorteil, dass die Formschlusskupplung erst dann selbsttätig vom geöffneten in den geschlossenen Zustand übergeht, wenn eine vorgegebene Drehzahl überschritten wird. Beispielweise kann das Schließen der Reibungskupplung bei einer ersten vorgebbaren Drehzahl (Reibungskoppeldrehzahl) einer drehenden Welle erfolgen, welche die Ausgangs- oder die Eingangswelle sein kann, wobei die jeweils anzukoppelnde andere Welle durch den Koppelvorgang auf das Drehzahlniveau der drehenden Welle angehoben werden soll. Mit anderen Worten soll im Ergebnis eine Drehzahlgleichheit von Eingangswelle und Ausgangswelle vorliegen. Das Schließen der Fliehkraftkupplung kann dabei bereits in einem Zustand vorgenommen werden, bei welchem noch eine gewisse, insbesondere eine geringe Drehzahldifferenz in Form einer kleineren Drehzahl der anzukoppelnden Welle an die drehende Welle vorhanden ist und wobei eine vergleichsweise geringe Relativbewegung von Eingangswelle und Ausgangswelle auftritt. Wenn in diesem Zustand eine festgelegte Fliehkraftkoppeldrehzahl der Fliehkraftkupplung erreicht wird, so können nun im Verlauf der Relativdrehbewegung bei Einnahme einer drehstellungsabhängigen Formschlusskoppelstellung die zu koppelnde Elemente selbsttätig in eine drehfeste formschlüssige Mitnahme gelangen. Auf diese Weise kann durch die Reibungskupplung solange eine zunehmende Drehzahlangleichung von Eingangs- und Ausgangswelle erfolgen, wobei vor Erreichung einer Synchrondrehzahl der Wellen die Formschlusskupplung geschlossen wird.

Die Reibungskupplung kann grundsätzlich als normal-offen oder als normalgeschlossen Typ ausgeführt werden, während die Formschlusskupplung als normaloffen Typ ausgeführt ist und erst bei Erreichen der Fliehkraftkoppeldrehzahl von einer der beteiligten Wellen selbsttätig geschlossen wird.

Die Formschlusseinheit kann mit Vorteil zumindest ein verlagerbares erstes Element, insbesondere eine Klinke mit einem ersten Formschlussprofil und ein zweites Element, insbesondere ein Klinkenrad mit einem zweiten Formschlussprofil aufweisen, wobei das erste Element mit der Eingangswelle und das zweite Element mit der Ausgangswelle in Drehmitnahmeverbindung steht und wobei die Formschlussprofile durch das Überschreiten der Formschlusskoppeldrehzahl durch Fliehkraftwirkung gegenseitig in Eingriff bringbar sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kupplungsanordnung können die Betätigungsmittel zur elektromagnetischen Betätigung der Reibungskupplungen ausgebildet sein. Ein zu diesem Zweck vorgesehener Elektromagnet kann mir Vorteil als ein konzentrisch zu der Eingangs- bzw. Ausgangswelle ausgebildeter Ringmagnet ausgebildet sein, der mit einem axial verlagerbaren Magnetanker und mit einem verlagerbaren Kupplungselement von der Reibungskupplung zusammenwirkt, wie dieses nachstehend erläutert wird.

Mit Vorteil kann die Reibeinheit eine axial verlagerbare Anpressplatte, eine Widerlageranordnung mit einer Gegenanpressplatte und eine zwischen diesen angeordnete Reibscheibe aufweisen, wobei die Anpressplatte und die Gegenanpressplatte mit der Eingangswelle oder der Ausgangswelle und wobei die Reibscheibe mit der jeweils anderen von Eingangswelle und Ausgangswelle in Drehmitnahmeverbindung steht.

Eine insbesondere axial bauraumsparende Anordnung kann erzielt werden, indem die Formschlusskupplung und die Reibungskupplung radial gestaffelt zueinander angeordnet werden und sich gegenseitig zumindest teilweise axial überlappen. Insbesondere können dabei die Reibeinheit und die Formschlusseinheit radial gestaffelt zueinander angeordnet sein und sich zumindest teilweise axial überlappen, wobei insbesondere die Formschlusseinheit radial innerhalb der Reibeinheit angeordnet ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann bei der Kupplungsanordnung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und mit einem Stator vorgesehen sein, wobei der Rotor mit der Ausgangswelle in Drehmitnahmeverbindung steht und wobei die elektrische Maschine einen zentralen Aufnahmeraum aufweist, in welchem die Reibungskupplung und die Formschlusskupplung vollständig oder zumindest teilweise aufgenommen sind.

Davon ausgehend kann mit Vorteil die Widerlageranordnung der Reibungskupplung am Rotor ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die elektrische Maschine einen Teil der Reibungskupplung ausbilden.

Mit noch weiterem Vorteil kann der Stator einen Statorträger mit einem den Aufnahmeraum begrenzenden Radialwandbereich umfassen oder der Aufnahmeraum kann benachbart zu einem Radialwandbereich einer weiteren Komponente angeordnet sein, an welchem die Betätigungsmittel der Reibungskupplung und der Formschlusskupplung festgelegt werden können.

Eine räumlich gegenüber weiteren Antriebsstrangkomponenten abgegrenzte Kupplungsanordnung kann erzielt werden, indem der Rotor einen sich radial erstreckenden Rotorträger aufweist, wobei der Aufnahmeraum von Reibungskupplung und Formschlusskupplung und von deren Betätigungseinheiten axial zwischen dem besagten Radialwandbereich und dem Rotorträger ausgebildet ist. Mit weiterem Vorteil kann die Reibungskupplung eine elektronische Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Betätigungsmittel aufweisen, wobei die Ansteuereinheit an dem Radialwandbereich, insbesondere innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist.

Gemäß einem vorteilhaften Lagerungskonzept der Kupplungsanordnung kann vorgesehen sein, die Eingangswelle an dem Radialwandbereich und die Ausgangswelle zweifach zur Eingangswelle zu lagern. Im Weiteren kann die Ausgangswelle an einem Eingangsbereich einer im Drehmomentfluss nachfolgenden Komponente eines vorliegenden Antriebstrangs gelagert sein. Beispielsweise kann die Ausgangswelle zumindest mittelbar mit einer Eingangswelle eines Gangwechselgetriebes verbunden und durch diese gelagert sein.

Für eine bauliche Integration einer elektrischen Maschine in die Kupplungsanordnung kann vorteilhaft die elektrische Maschine ist als Innenläufer ausgebildet sein, wobei der Rotor radial innerhalb des Stators angeordnet ist. Dabei kann die Außen- umfangsfläche des Rotors in bekannter Weise über einen radialen Luftspalt mit dem Stator zusammenwirken und die Innenumfangsfläche des Rotors kann die Widerlageranordnung der Reibungskupplung tragen oder ausbilden.

Insgesamt kann die Kupplungsanordnung als ein räumlich kompaktes und separates Modul zum Einbau in einen Fahrzeugantriebsstrang ausgebildet sein, wobei sich deren einzelne Elemente gegenseitig abstützen und eine feste Lagezuordnung aufweisen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Kupplungsanordnung mit einer normal-offenen Reibungskupplung, einer als Fliehkraftkupplung ausgebildeten Formschlusskupplung und einer elektrischen Maschine;

Fig. 2 eine Radialschnittdarstellung der Fliehkraftkupplung in einem geöffneten Zustand; Fig. 3 eine Radialschnittdarstellung der Fliehkraftkupplung in einem geschlossenen Zustand.

Fig. 1 zeigt eine Kupplungsanordnung 10 für ein Hybridfahrzeug, welche zunächst eine Eingangswelle 12 und eine dazu koaxial angeordnete Ausgangswelle 14 und eine Reibungskupplung 20 und eine Formschlusskupplung 40 umfasst, welche funktional parallel zwischen der Eingangswelle 12 und der Ausgangswelle 14 angeordnet sind. Der Kupplungsanordnung 10 ist vorliegend ein Torsionsdämpfer 16 in Form eines Zweimassenschwungrades vorgeschaltet, welches mit einer Eingangsseite 16a zur Verbindung mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Die Eingangsseite 16a ist unter Zwischenschaltung von mehreren als Schraubendruckfedern ausgeführten Energiespeichern 16c mit einer Ausgangsseite 16b verbunden, welche im Weiteren mittels einer Steckverzahnung mit der Eingangswelle 12 in Drehmitnahme steht.

Die Kupplungsanordnung 10 umfasst weiter eine elektrische Maschine 60 mit einem Stator 62 und mit einem Rotor 66, welcher mit der Ausgangswelle 14 verbunden ist und in Drehmitnahmeverbindung steht. Innerhalb der elektrischen Maschine 60 ist ein zentraler Aufnahmeraum 68 vorgesehen, in welchem die Reibungskupplung 20 und die Formschlusskupplung 40 vollständig aufgenommen sind. Die elektrische Maschine 60 ist hier als Innenläufer ausgebildet, wobei der Rotor 66 radial innerhalb des Stators 62 angeordnet und drehbar um eine Achse A ist und wobei der Aufnahmeraum 68 zur Aufnahme der Kupplungen 40, 60 im Wesentlichen innerhalb des Rotors 66 vorliegt.

Der Stator 62 umfasst einen Statorträger 64 mit einem sich axial erstreckenden Zylinderwandbereich 64a zur Anordnung einer elektromagnetischen Statorkomponente und weiter einen den Aufnahmeraum 68 einseitig begrenzenden Radialwandbereich 64b. Eine Drehmomentabstützung des Statorträgers 64 kann beispielsweise an einem hier nicht zeichnerisch nicht dargestellten Getriebegehäuse oder einer anderen zu den Wellen 12, 14 und dem Rotor 66 drehentkoppelten Komponente erfolgen. Der Rotor 66 weist einen sich radial erstreckenden Rotorträger 66a auf, wobei wie in Fig. 1 erkennbar, der Aufnahmeraum 68 axial zwischen dem Radialwandbereich 64b und dem Rotorträger 66a ausgebildet und axial beidseitig abgeschlossen ist.

Die Reibungskupplung 20 weist eine Reibeinheit 22 auf, welche durch ein zur elektromagnetischen Betätigung ausgebildetes Betätigungsmittel 24 betätigbar ist. Die Betätigungsmittel 24 umfassen einen ringförmigen um die Drehachse A ausgebildeten Elektromagnet 24a dessen Magnetfeld bei einer Strom beaufsch lag ung im Wesentlichen in axialer Richtung aus einer U-förmig ausgeführten Gehäuseschale austreten kann. Der Elektromagnet 24a ist am Radialwandbereich 64b des Statorträgers 64 festgelegt und dort in einen dafür geschaffenen Aufnahmebereich eingesetzt.

Die Reibungskupplung 20 und die Formschlusskupplung 40 sind in dem mit Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel beide vom normal-offen Typ.

Die Reibeinheit 22 der trockenlaufenden Reibungskupplung 20 umfasst eine axial verlagerbare Anpressplatte 26, eine Widerlageranordnung 28 mit einer ringscheibenförmigen Gegenanpressplatte 28a und eine zwischen diesen angeordnete Reibscheibe 30 mit einem Trägerbereich 30a.

Die Anpressplatte 26 und die Gegenanpressplatte 28a stehen über den Rotorträger 66a mit der Ausgangswelle 14 und die Reibscheibe 30 steht mit der Eingangswelle 12 in Drehmitnahmeverbindung. Die Widerlageranordnung 28 mit der Gegenanpressplatte 28a der Reibungskupplung 20 ist an einem sich axial erstreckenden Abschnitt des Rotorträgers 66a am und drehfest zum Rotor 66 ausgebildet. Zur Ermöglichung eines Reibschlusses ist die Anpressplatte 26 einerseits innerhalb des Rotors 66 axial verlagerbar eingesetzt und andererseits mittels mehrerer am Umfang verteilter und axial abstehender Zugbolzen 24c, welche durch entsprechende Ausnehmungen der Gegenanpressplatte 28a geführt sind mit einem gleichfalls ringscheibenförmigen Magnetanker 24b fest verbunden. Dadurch kann bei einer Aktivierung des Elektromagneten 24a eine Zugkraft auf den Magnetanker 24b und die Anpressplatte 26 übertragen und die Reibscheibe 30 reibschlüssig zwischen der An- pressplatte 26 und der Gegenanpressplatte 28a zum Schließen der Reibungskupplung 20 eingeklemmt werden. Zur Ermöglichung einer Rückstellbewegung der Anpressplatte 26 ist ein als Druckfeder ausgebildetes Rückstellelement 24d zwischen dem Magnetanker 24b und einer Abstützung 24e vorgesehen.

Die Formschlusskupplung 40 umfasst ein mit der Eingangswelle 12 verbundenes Trägerrad 45 mit einem scheibenförmigen Abschnitt 45a und mit einem sich an dessen Außenumfang anschließenden hohlzylindrischen Abschnitt 45b. An dem scheibenförmigen Abschnitt 45a sind mittels Zapfen 45c mehrere am Umfang verteilte Klinken 45d gelagert, welche sich unter dem Einfluss einer wirkenden Fliehkraft entgegen der Wirkung von als Druckfedern ausgebildeten Rückstelleelementen 45e verschwenken können und dabei mit einem an diesen ausgebildeten ersten Formschlussprofil 45f nach radial außen verlagern können, wie dieses besonders anhand der Fig. 2, 3 erkennbar ist. Das erste Formschlussprofil 45f kann somit jeweils arretierend in ein dazu korrespondierendes zweites Formschlussprofil 46a eingreifen, welches als Ausnehmungen an einer Innenumfangsfläche 46b eines als Hohlrad ausgebildeten Klinkenrades 46 vorhanden ist. Durch das Ineinandergreifen der Formschlussprofile 45f, 46a wird in einer Drehrichtung des Trägerrades 45, hier linksdrehend, eine Drehmitnahme des Klinkenrades 46 ermöglicht, während in der Gegendrehrichtung die Klinken 45d infolge der nicht-formschlüssigen Formgebung des Klinkenrades 45 abgewiesen werden und nicht einrasten können.

Die Klinken 45d mit dem ersten Formschlussprofil 45f und das Klinkenrad 46 mit dem zweiten Formschlussprofil 46a bilden gemeinsam eine Formschlusseinheit 42, welche durch die hier zudem als Betätigungsmittel 44 fungierenden und vorliegend mit der Eingangswelle 12 wirkverbundenen und verschwenkbaren Klinken 45d fliehkraftbedingt betätigt werden. Der hohlzylindrische Abschnitt 45b ist axial endseitig mit dem Trägerbereich 30a der Reibscheibe 30 und das Klinkenrad 45 ist vorliegend mittels einer Steckverzahnung oder einer Verschweißung drehfest mit der Ausgangswelle 14 verbunden. Der Eingriff der Formschlussprofile 45f, 46a und die gegenseitige Drehmitnahme der Wellen 12, 14 kann bei Unterschreiten einer Formschlusskoppeldrehzahl in Verbindung mit einer zumindest kurzzeitigen gegenseitigen Drehmomententlastung aufgehoben werden, wobei die Klinken 45d durch die Wirkung der Rückstellelemente 45e wieder zurück in deren in Fig. 2 dargestellte Ausgangslage gelangen.

In Fig. 1 ist erkennbar, dass die Formschlusskupplung 40 und die Reibungskupplung 20 radial gestaffelt zueinander angeordnet sind und sich gegenseitig zumindest teilweise axial überlappen. Insbesondere sind die Reibeinheit 22 und die Formschlusseinheit 42 radial gestaffelt zueinander angeordnet und können sich zumindest teilweise axial überlappen, wobei insbesondere die Formschlusseinheit 42 radial innerhalb der Reibeinheit 22 angeordnet ist.

Die Reibungskupplung 20 weist weiterhin eine elektronische Ansteuereinheit 80 zur Ansteuerung der Betätigungsmittel 24, insbesondere des Elektromagnete 24a auf. Die Ansteuereinheit 80 ist räumlich unmittelbar benachbart zu dem Elektromagnet 24a an dem Radialwandbereich 64b, insbesondere innerhalb des Aufnahmeraums 68 angeordnet ist.

Es ist ferner erkennbar, dass die Eingangswelle 12 mittels eines Wälzlagers 90b an dem Radialwandbereich 64b und die Ausgangswelle 14 mittels der Wälzlager 90a, 90c zweifach zur Eingangswelle 12 gelagert ist, wobei die Ausgangswelle 14 im eingebauten Zustand der Kupplungsanordnung 10 in einem Fahrzeug zumindest mittelbar mit einer Eingangswelle eines Gangwechselgetriebes verbunden und durch diese gelagert sein.

Bei der erläuterten Kupplungsanordnung 10 wird zum Starten eines mit der Eingangswelle 12 gekoppelten Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeuges bei elektromotorischen Fahrbetrieb zunächst die Reibungskupplung 20 geschlossen und dabei der Verbrennungsmotor unter Hochschleppen von dessen Kurbelwelle angeworfen. Kurz vor Erreichen einer Synchrondrehzahl von Eingangs- und Ausgangswelle und damit der Einnahme einer drehfesten Koppelung von Eingangs- 12 und Aus- gangswelle 14 wird bei Erreichen einer vorgegebenen Formschlusskoppeldrehzahl die Formschlusskupplung 20 selbsttätig geschlossen.

Da die Formschlusskupplung 40 zur vollständigen Übertragung des Antriebsmomentes des Verbrennungsmotors ausgelegt ist, ist die Reibungskupplung 20 dadurch entlastet und kann deaktiviert werden, was jedoch nicht zwangsweise erfolgen muss. Das heißt, dass der Reibschluss bzw. die Koppelung auch bei geschlossener Formschlusskupplung 20 aufrechterhalten werden kann.

Bezuqszeichen

Kupplungsanordnung

Eingangswelle 44c Rückstellelement

Ausgangswelle 45 Trägerrad

Torsionsdämpfer 45a scheibenförmiger Abschnitta Eingangsseite 45b hohlzylindrischer Abschnittb Ausgangsseite 45c Zapfen

c Energiespeicher 45d Klinke

Reibungskupplung 45e Rückstellelement

Reibeinheit 45f erstes Formschlussprofil

Betätigungsmittel 46 Klinkenrad

a Elektromagnet 46a zweites Formschlussprofilb Magnetanker 46b Innenumfangsflächec Zugbolzen 60 elektrische Maschined Rückstellelement 62 Stator

e Abstützung 64 Statorträger

Anpressplatte 64a Zylinderwandbereich

Widerlageranordnung 64b Radialwandbereicha Gegenanpressplatte 66 Rotor

Reibscheibe 66a Rotorträger

a Trägerbereich 68 Aufnahmeraum

Formschlusskupplung 80 Ansteuereinheit

Formschlusseinheit 90a-c Lager

Betätigungsmittel A Drehachse