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Gebiet
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Die vorliegende Offenlegung betrifft eine Verbundstoffkupplungsnabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Zweikomponenten-Kupplungsnabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8, wie sie aus der
DE 84 33 502 U1 bekannt ist.
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Hintergrund
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Die Angaben in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation in Bezug auf die vorliegende Offenlegung und können den Stand der Technik darstellen oder nicht darstellen.
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Viele relativ große rotierende Komponenten in Antriebssträngen und Kraftübertragungen umfassen ein/en inneres/n Element oder Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser, das/der hohen Drehmomenten und Spannungen unterworfen ist, und ein/en äußeres/n Element oder Abschnitt mit einem größeren Durchmesser, das/der geringeren Drehmomenten und Spannungen unterworfen ist. Während diese Tatsache schon vor langer Zeit anerkannt wurde, bestand die diesbezügliche Reaktion bei der Herstellung darin, das Teil der einfachen Herstellung wegen nur aus einem Material herzustellen. Je nach Ausgefeiltheit des Herstellungsprozesses, z. B. Pressen oder Gießen, könnte das Material in dem äußeren Bereich mit einem größerem Durchmesser dünner hergestellt sein.
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Da Gewichts- und Materialeinsparungen als Konstruktionskriterien zunehmend wichtiger wurden, wurde dieser Tatsache mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Eine Lösung bestand darin, die innere Komponente mit einem kleineren Durchmesser aus einem relativ starken, schweren und hochfesten Material wie z. B. Stahl zu fertigen, während die äußere Komponente mit einem größeren Durchmesser aus einem relativ leichteren und weniger starken Material wie z. B. Aluminium gefertigt wird. Während dieser Ansatz im Hinblick auf Festigkeits- und Gewichtsüberlegungen eine Verbesserung gegenüber Ausgestaltungen nach dem Stand der Technik darstellte, brachte er das zusätzliche Problem mit sich, wie die zwei Komponenten miteinander zu verbinden oder aneinander zu befestigen sind.
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Es wurden mehrere Befestigungsmodelle entwickelt. Ein erstes umfasste, dass die zwei Komponenten zusammengenietet oder -geschraubt werden. Dies beinhaltete selbstverständlich nicht nur zusätzliche Komponenten und ein Montageverfahren, sondern machte auch eine exakte Steuerung des Montageverfahrens erforderlich. Ein zweiter Ansatz umfasste eine gezahnte Presspassung zwischen den Komponenten. Dies erforderte, dass die Komponenten zusätzliches Material benachbart zu der Presspassungsverbindung umfassen, um die Presspassungsbelastungen zu tragen und diesen standzuhalten. Es war auch zusätzliches Material um die Verbindung herum notwendig, um eine einwandfreie Führung einer Komponente auf der anderen während der Presspassungsmontage sicherzustellen.
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Es wurde auch eine Stahl/Aluminium-Schweißung an der Verbindung vorgeschlagen. Zunächst erfordert dieser Ansatz zusätzliches Material benachbart zu der Verbindung, um der Schweißwärme standzuhalten und diese zu zerstreuen. Außerdem stellt die Anwendung von ausreichend Wärme, um den Stahl ohne Schmelzen oder Verursachen einer Schädigung des Aluminiums zu schweißen, eine beträchtliche Herausforderung an das Verfahren dar. Schließlich wurde eine Kronenverbindung vorgeschlagen, die jedoch typischerweise ein geringes Längsspiel nach sich zieht, was zusätzliches Material an der Verbindung für die Kronenzähne, und um eine einwandfreie Führung während der Montage sicherzustellen, erfordert.
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Im Hinblick auf das Obenstehende ist es offensichtlich, dass Verbesserungen in dem Mittel und Verfahren zur Montage von Antriebsstrang- und Kraftübertragungskomponenten mit inneren und äußeren Elementen wünschenswert sind.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung sieht ein/e Verbundstoff-, d. h. Zweikomponenten-, Zweimaterial-Kupplungsnabe oder -gehäuse mit einer inneren Hülse aus einem schweren, hochfesten Material vor, an und um die herum ein/e äußere/s Element oder Glocke aus einem leichteren, weniger festen Material gegossen ist. Die Hülse umfasst typischerweise eine kerbverzahnte Öffnung, die auf einer oder zwei komplementär kerbverzahnten Welle/n aufgenommen ist, und eine Vielzahl von radial orientierten Fingern oder Höckern oder einen diskontinuierlichen Flansch, um welche/n herum das/die äußere Element oder Glocke gegossen ist. Das/die äußere Element oder Glocke ist mit den Reibplatten einer Kupplung oder anderen Komponente kerbverzahnt. Das hochfeste Material ist bevorzugt, wenngleich nicht unbedingt, Stahl, und das leichtere Element ist bevorzugt, wenngleich nicht unbedingt, eine Aluminiumlegierung. Alternativ kann die Hülse eine hochfeste Aluminiumlegierung wie z. B. ein Metallmatrix-Verbund (MMC) und das/die äußere Element oder Glocke kann eine weniger feste andere Aluminiumlegierung sein.
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Die Zweikomponenten-Kupplungsnabe der vorliegenden Erfindung sieht insofern ein/e reduzierte/s Gewicht, Masse und Trägheitsmoment und eine verbesserte Leistung vor, indem das Material mit höherer Festigkeit und höherem Gewicht in dem inneren Bereich mit höherer Spannung und höherem Drehmoment angeordnet wird und das leichtere, weniger feste Material in dem äußeren Bereich mit geringerer Spannung und geringerem Drehmoment angeordnet wird. Darüber hinaus sieht die Erfindung ein verbessertes, formschlüssiges Verfahren und Mittel zur Montage der zwei Komponenten vor.
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Es wird einzusehen sein, dass, wenngleich die Erfindung in Verbindung mit einer Kupplungsanordnung und einem Getriebe beschrieben ist, die Erfindung zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten besitzt, und ihre begleitenden Vorteile genutzt werden können, wenn sie mit einer breiten Vielfalt von Antriebsstrang- und Kraftübertragungskomponenten, sowohl fahrzeugtechnisch als auch nicht-fahrzeugtechnisch, verwendet wird.
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Somit besteht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, ein/e aus zwei verschiedenen Materialien hergestellte/s Kupplungsnabe oder -gehäuse vorzusehen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsnabe mit einer aus einem Material mit einer höheren Festigkeit hergestellten inneren Hülse und einem/r um die innere Hülse herum gegossenen äußeren Element oder Glocke aus einem weniger festen Material vorzusehen.
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Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsnabe mit einer aus einem schwereren Material hergestellten inneren Hülse und einem/r um die innere Hülse herum gegossenen äußeren Element oder Glocke aus einem leichteren Material vorzusehen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsnabe mit einer aus einem schwereren Material mit höherer Festigkeit hergestellten inneren Hülse und einem/r um die innere Hülse herum gegossenen äußeren Element oder Glocke aus einem leichteren, weniger festen Material vorzusehen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsnabe vorzusehen, die eine innere Hülse aufweist, welche eine kerbverzahnte Öffnung definiert.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsnabe vorzusehen, die ein/e äußere/s Element oder Glocke aufweist, das/die Kerbzähne aufweist, welche geeignet sind, mit Platten einer Reibkupplung in Eingriff zu stehen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsnabe vorzusehen, die eine innere Hülse, welche aus Stahl oder einem ähnlichen Material mit relativ hoher Festigkeit hergestellt ist, und ein/e äußere/s Element oder Glocke aufweist, welche/s aus Aluminium oder einem ähnlichen leichteren, weniger festen Material hergestellt und um die innere Hülse herum gegossenen ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kraftübertragungskomponente vorzusehen, die ein inneres Element, das aus einem Material höherer Festigkeit hergestellt ist, und ein äußeres Element aus einem weniger festen Material aufweist, welches um das innere Element herum gegossen ist.
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Weitere Aspekte, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich.
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Zeichnungen
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1 ist eine schematische Schnittansicht einer Kupplungsnabe gemäß der vorliegenden Erfindung und zugeordneter Komponenten innerhalb eines Getriebes;
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2 ist eine vergrößerte fragmentarische Darstellung einer Kupplungshülse gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 ist eine vergrößerte fragmentarische Darstellung einer alternativen Konfiguration einer Kupplungshülse gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Abschnitt eines automatischen Kraftfahrzeuggetriebes, welches die vorliegende Erfindung beinhaltet, veranschaulicht und durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das automatische Getriebe 10 umfasst ein typischerweise gegossenes Metallgehäuse 12 mit verschiedenen Öffnungen, Flanschen, Anschlüssen, Schultern und dergleichen (nicht veranschaulicht), welche die internen Komponenten des automatischen Getriebes 10 aufnehmen, fixieren, tragen und schützen. Unter diesen internen Komponenten befinden sich eine erste Planetenradanordnung 14 mit einem ersten Sonnenrad 16, das an einem ersten Wellenstumpf 18 befestigt ist, welcher einen ersten Keil- oder äußeren Kerbzahnsatz 22 aufweist. Das automatische Getriebe 10 umfasst auch eine zweite Planetenradanordnung 24 mit einem zweiten Sonnenrad 26, das an einem zweiten Wellenstumpf 28 befestigt ist, welcher einen zweiten Keil- oder äußeren Kerbzahnsatz 32 aufweist. Die erste und die zweite Planetenradanordnung 14 und 24 sind herkömmlich und umfassen zusätzlich zu den Sonnenrädern 16 und 26 jeweilige Planetenradträger, viele Planetenräder und Hohlräder (alle nicht veranschaulicht).
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 1 und 2 koppelt eine Kupplungsnabe 40 gemäß der vorliegenden Erfindung den ersten und den zweiten Kerbzahnsatz 22 und 32 auf der ersten und der zweiten Welle 18 bzw. 28 und steht damit in Eingriff. Die Kupplungsnabe 40 ist eine Zweikomponentenanordnung und umfasst eine innere Hülse 42 mit einem zylindrischen Körper 44, welcher eine axiale Durchgangsöffnung 46 definiert, die durch einen inneren oder Keilnutsatz 48, der komplementär zu den Keilsätzen 22 und 32 auf den Wellenstümpfen 18 und 28 ist, begrenzt ist oder diesen definiert. Die innere Hülse 42 umfasst auch einen integralen Kreisring 52, der den zylindrischen Körper 44 bevorzugt an seinem axialen Mittelpunkt umgibt. Eine Vielzahl von radialen Fingern oder Höckern 54 erstreckt sich von der äußeren Kante des Kreisringes 52 weg. Es wurde festgestellt, dass zwischen acht und zwölf um den Umfang gleich beabstandete Finger oder Höcker 54 ausreichen und zweckdienlich sind, wenngleich die tatsächliche verwendete Anzahl je nach Größe der Finger oder Höcker 54, der Größe (des Durchmessers) der inneren Hülse 42, ihrer Drehmomentbelastung und anderen technischen und Konstruktionsvariablen größer oder kleiner sein kann.
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Auf der inneren Hülse 42 wird nach deren Herstellung ein äußeres Element 62 in Position gegossen. Das äußere Element 62 kann glocken-(oder „L”)-förmig im Querschnitt sein, wie in 1 veranschaulicht, oder es kann z. B. T-förmig oder von beliebiger anderer Form oder Ausgestaltung sein, wie durch die Getriebe- oder Kraftübertragungskomponenten, denen es zugeordnet ist, und deren Unterbringung vorgegeben. Das äußere Element 62 ist in Position gegossen und umfasst einen sich radial erstreckenden Abschnitt 64 mit einem inneren Bereich mit vergrößerter Dicke oder ein Joch 66, der/das mit den Fingern oder Höckern 54 der inneren Hülse 42 in Eingriff steht und diese aufnimmt.
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Wie in 2 veranschaulicht, weisen die Finger oder Höcker 54 bevorzugt, wenngleich nicht unbedingt, äußere Oberflächen 58 auf, die zerschlissen, gestaucht oder unregelmäßig sind, was die Bindung zwischen diesen und dem äußeren Element 62 verbessert.
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Zurückkommend auf 1 umfasst das äußere Element 62 auch einen sich axial erstreckenden Abschnitt 68, der Keile oder äußere Kerbzähne 72 auf seiner äußeren Fläche 74 umfasst. Die Keile oder äußeren Kerbzähne 72 sind zu Keilnuten oder inneren Kerbzähnen 76 auf einer Vielzahl von beabstandeten ersten oder kleineren Reibplatten oder -scheiben 78, welche einen Abschnitt einer Reibkupplungssatzanordnung 80 bilden, komplementär und stehen damit in Eingriff. Mit der Vielzahl von ersten Reibplatten oder -scheiben 78 ist eine Vielzahl von zweiten oder größeren Reibplatten oder -scheiben 82, die Keile oder äußere Kerbzähne 84 umfassen, welche mit komplementären feststehenden Keilnut- oder inneren Kerbzähnen 86 in Eingriff stehen, verschachtelt. Die feststehenden Keilnuten oder inneren Kerbzähne 86 können eine integrale Komponente des Gehäuses 12 sein oder können ein Abschnitt einer Anordnung sein, die daran angebracht oder befestigt ist.
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Die Reibkupplungssatzanordnung 80 umfasst auch Reaktionselemente 88 und einen Anschlag 92, der entweder ein Abschnitt des Gehäuses 12 sein kann oder ein Schnappring oder eine ähnliche Komponente (nicht veranschaulicht) sein kann, der/die in dem Gehäuse 12 eingebaut ist. Ein hydraulischer oder elektrischer Aktuator 96 wirkt auf die Reibkupplungssatzanordnung 80 über eine Betätigungsplattenanordnung 98 ein, um die Platten oder Scheiben 78 und 82 zusammenzudrücken und um selektiv ein Drehmoment von den Wellenstümpfen 18 und 28 über die Kupplungsnabe 40 und zu dem Gehäuse 12 zu übertragen.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Finger oder Höcker 54 einer inneren Hülse 42' veranschaulicht.
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Die alternative Konfiguration weist die Form einer Vielzahl von um den Umfang beabstandeten Rippen oder Stegen 102 auf, welche einen diskontinuierlichen Flansch 104 schaffen oder bilden. Wiederum können die Oberflächen 106 der Rippen oder Stege 102 zerschlissen, gestaucht oder unregelmäßig sein, um die Bindung zwischen ihnen und dem gegossenen äußeren Element 62 zu verbessern.
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Die in den inneren Hülsen 42 und 42' sowie in dem äußeren Element 62 verwendeten Materialien können verändert werden, entsprechen jedoch allgemein der Regel, dass das schwerere, stärkere Material, typischerweise ein Metall, die innere Hülse 42 bildet, während ein leichteres, weniger starkes Material, typischerweise auch ein Metall, um die innere Hülse 42 herum gegossen ist und das äußere Element 62 bildet. Die inneren Hülsen 42 und 42' können z. B. aus Stahl hergestellt sein, der geschmiedet und maschinell bearbeitet und in einem Werkzeug (nicht veranschaulicht) angeordnet wird. Dann wird das äußere Element 62 aus einer Aluminiumlegierung wie z. B. A380 oder A390 um die innere Hülse 42 oder 42' herum gegossen und danach maschinell bearbeitet. Diese Herangehensweise besitzt den Vorteil, dass der Härtegussversatz zwischen den Wellenstümpfen 18 und 28 und den inneren Hülsen 42 und 42' minimiert ist. Alternativ können die inneren Hülsen 42 und 42' aus einem Aluminium-Siliziumcarbid-Metallmatrix-Verbundstoff (MMC) gegossen werden und das äußere Element 62 wird aus den gleichen oder ähnlichen unmittelbar zuvor angeführten Aluminiumlegierungen gegossen und dann maschinell bearbeitet. Als eine weitere Alternative kann die innere Hülse 42 aus Metallpulver gebildet sein. Es wird einzusehen sein, dass auch andere Materialien und Metalle außer den unmittelbar zuvor genannten, welche die zu Beginn dieses Absatzes angeführten Eigenschaften aufweisen, zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
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Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur und Abwandlungen, die nicht von dem Hauptinhalt der Erfindung abweichen, sollen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem Geist und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
