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Title:
COUPLING ARRANGEMENT FOR THE TORQUE-DEPENDENT AND ROTATIONAL SPEED-DEPENDENT CONNECTION OF A MOTOR SHAFT OF AN ELECTRIC MACHINE TO A TORQUE-TRANSMITTING ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/166919
Kind Code:
A1
Abstract:
A coupling arrangement (1) for the torque-dependent and rotational speed-dependent connection of a motor shaft (2) of an electric machine to a torque-transmitting element (3), comprising the motor shaft (2) of the electric machine, the torque-transmitting element (3), a coupling (4), wherein the torque-transmitting element (3) can be drive-connected to the motor shaft (2) via the coupling (4), and a centrifugal force mechanism (5), wherein the coupling (4) can be actuated via the centrifugal force mechanism (5) in a manner which is dependent on the rotational speed of the motor shaft (2) in such a way that the maximum torque which can be transmitted from the motor shaft (2) to the torque-transmitting element (3) drops as far as a decoupling rotational speed as the rotational speed of the motor shaft (2) rises, and that the motor shaft (2) is decoupled from the torque-transmitting element (3) completely when the decoupling rotational speed is reached.

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Inventors:
HOFER, Gerhard (Sinnersdorf 16, 7423 Pinggau, 7423, AT)
SCHWEIGER, Wolfgang (Schlägelweg 22, 9431 St. Stefan, 9431, AT)
Application Number:
EP2018/055943
Publication Date:
September 20, 2018
Filing Date:
March 09, 2018
Export Citation:
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Assignee:
MAGNA POWERTRAIN GMBH & CO KG (Industriestraße 35, 8502 Lannach, 8502, AT)
International Classes:
F16D43/10
Foreign References:
US4589296A1986-05-20
GB2461545A2010-01-06
CN102494085B2014-07-16
CN103912605A2014-07-09
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
ZANGGER, Bernd (Magna International Europe GmbH, PatentabteilungLiebenauer Hauptstrasse 317/VG-Nord, 8041 Graz, 8041, AT)
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Claims:
Patentansprüche

Kupplungsanordnung (1 ) zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle (2) einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element (3) umfassend

- die Motorwelle (2) der elektrischen Maschine,

- das drehmomentübertragende Element (3),

- eine Kupplung (4), wobei das drehmomentübertragende Element (3) über die Kupplung (4) antriebswirksam mit der Motorwelle (2) verbindbar ist, und

- einen Fliehkraftmechanismus (5), wobei die Kupplung (4) über den

Fliehkraftmechanismus (5) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Motorwelle (2) derart betätigbar ist, dass das von der Motorwelle (2) auf das drehmomentübertragende Element (3) maximal übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Motorwelle (2) bis hin zu einer Entkopplungsdrehzahl sinkt und dass die Motorwelle (2) ab Erreichen der Entkopplungsdrehzahl vollständig von dem drehmomentübertragenden Element (3) entkoppelt ist.

Kupplungsanordnung (1 ) nach Anspruch 1 ,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kupplung (4) eine reibschlüssige Kupplung (4') oder eine formschlüssige Kupplung ist. Kupplungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fliehkraftmechanismus (5) ein Druckelement (6) aufweist, wobei das Druckelement (6) axial bewegbar ist und über eine Vorspanneinrichtung (7) axial gegen die Kupplung (4) vorgespannt ist.

Kupplungsanordnung (1) nach Anspruch 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fliehkraftmechanismus (5) mehrere Fliehkraftelemente (8) aufweist, die in einer Führungselement (9) im Inneren des Druckelements (6) jeweils radial geführt sind und dass der Fliehkraftmechanismus (5) eine axial feste Steuergeometrie (10) und eine axial bewegbare Steuergeometrie (6') aufweist.

Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das drehmomentübertragende Element (3), die Kupplung (4) und der Fliehkraftmechanismus (5) auf einer Nabe (11) angeordnet sind, die mit der Motorwelle (2) verbunden ist.

Description:
Kupplunqsanordnunq zur drehmoment- und drehzahlabhänqiqen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertraqenden Element

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element umfassend die Motorwelle der elektrischen Maschine, das drehmomentübertragende Element, eine Kupplung, wobei das drehmomentübertragende Element über die Kupplung antriebswirksam mit der Motorwelle verbindbar ist, sowie einen Fliehkraftmechanismus.

Stand der Technik

In modernen Antriebssträngen kommen zusätzlich zur Verbrennungskraftmaschi- ne immer häufiger auch elektrische Maschinen zur Unterstützung beim Beschleunigen („Boosten") bzw. zum Rückgewinnen der Bewegungsenergie beim Verzögern („Rekuperieren") zum Einsatz. Auch das rein elektrische Fahren im unteren Geschwindigkeitsbereich, zum Beispiel„eParking", gewinnt zunehmend an Bedeutung.

Elektrische Maschinen, die in Fahrzeugen zur Traktion bzw. zur Traktionsverbesserung eingesetzt werden, sind hinsichtlich Leistungsdichte und benötigtem Bauraum optimiert. Um trotz kompakter Bauweise ausreichende Fahrleistungen zu erzielen, kommen hochdrehende Maschinenkonzepte zur Anwendung. Das dabei resultierende Drehzahlniveau muss entsprechend dem zur Fahrgeschwindigkeit proportionalen Drehzahlniveau der angetriebenen Radachse durch ein geeignetes Reduktionsgetriebe untersetzt werden. Diese mechanische Untersetzung verursacht ein großes Massenträgheitsmoment von elektrischer Maschine und Reduktionsgetriebe, welches auf Achsniveau wirkt. In hochdynamischen Fahrsituationen kann ein Bremseneingriff, zum Beispiel eine ABS-Bremsung, oder eine sprunghafte Änderung des Reibwertes zwischen Reifen und Straße durch das auf Achsniveau wirkende hohe Massenträgheitsmoment von elektrischer Maschine und Reduktionsgetriebe Komponenten im Antriebsstrang schädigen oder sogar zerstören. Bei Hybrid-Kraftfahrzeugen werden neben einer Verbrennungskraftmaschine auch eine oder mehrere elektrische Maschinen zur Traktion verwendet. Abhängig vom Grad der Hybridisierung kann die elektrische Maschine oft nur einen Teil des Geschwindigkeitsbereichs abdecken. Dies bedeutet, bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten muss auch hier die elektrische Maschine entkoppelt werden um diese nicht zu schädigen.

Zusammenfassung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element anzugeben, die sich durch eine zuverlässige Funktionsweise ohne externe Ansteuerung sowie durch eine einfache und kompakte Bauweise und damit durch ein bauraum- und kostenoptimiertes Design auszeichnet.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Kupplungsanordnung zur drehmoment- und drehzahlabhängigen Verbindung einer Motorwelle einer elektrischen Maschine mit einem drehmomentübertragenden Element umfassend die Motorwelle der elektrischen Maschine, das drehmomentübertragende Element, eine Kupplung, wobei das drehmomentübertragende Element über die Kupplung antriebswirksam mit der Motorwelle verbindbar ist, und einen Fliehkraftmechanismus, wobei die Kupplung über den Fliehkraftmechanismus in Abhängigkeit von der Drehzahl der Motorwelle derart betätigbar ist, dass das von der Motorwelle auf das drehmomen- tübertragende Element maximal übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Motorwelle bis hin zu einer Entkopplungsdrehzahl sinkt und dass die Motorwelle ab Erreichen der Entkopplungsdrehzahl vollständig von dem drehmomentübertragenden Element entkoppelt ist. Die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung umfasst eine Motorwelle einer elektrischen Maschine, ein drehmomentübertragendes Element, eine Kupplung und einen Fliehkraftmechanismus.

Über die Kupplung sind das drehmomentübertragende Element und die Motorwel- le antriebswirksam verbindbar. Die Motorwelle kann dabei direkt über die Kupplungsanordnung mit dem drehmomentübertragenden Element verbindbar sein. Die Motorwelle kann jedoch auch indirekt über die Kupplungsanordnung mit dem drehmomentübertragenden Element verbindbar sein. Dies erfolgt beispielsweise indem die Kupplungsanordnung an einer Zwischenwelle, zum Beispiel nach einer Reduktionsgetriebestufe, im Antriebsstrang zwischen der elektrischen Maschine und einer Antriebsachse angeordnet ist, also im Allgemeinen zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle.

Die Kupplung ist über den Fliehkraftmechanismus in Abhängigkeit von der Dreh- zahl der Welle derart betätigbar, dass das von der Welle auf das drehmomentübertragende Element, oder umgekehrt das von dem drehmomentübertragenden Element auf die Welle maximal übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Welle bis hin zu einer Entkopplungsdrehzahl sinkt und dass die Welle ab Erreichen der Entkopplungsdrehzahl vollständig von dem drehmomentübertragen- den Element entkoppelt ist. Zusätzlich ist derart bei konstanter Drehzahl das maximal übertragbare Drehmoment begrenzbar.

Der Fliehkraftmechanismus ist mit der Kupplung somit in solcher Art und Weise verbunden, dass das maximal von der Welle auf das drehmomentübertragende Element, oder umgekehrt, übertragbare Drehmoment mit steigender Drehzahl der Welle sinkt, bis hin zu einer Maximaldrehzahl, nämlich der Entkopplungsdrehzahl, bei der sich die Welle schließlich vollständig von dem drehmomentübertragenden Element entkoppelt. Die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung dient somit als Schutzvorrichtung zur Begrenzung unzulässig hoher Drehmomente und Drehzahlen.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung kann eine elektrische Maschine vor dem Überschreiten einer maximal zulässigen Grenzdrehzahl (Entkopplungsdrehzahl) geschützt werden. Durch die drehmoment- und drehzahlabhängige Entkopplung der Motorwelle werden zudem alle Komponenten des Antriebsstranges, von der elektrischen Maschine bis hin zur Achse des Kraftfahrzeugs vor unzulässig hohen Belastungen geschützt. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.

Die Kupplung kann als eine reibschlüssige Kupplung oder als eine formschlüssige Kupplung ausgebildet sein.

Der Fliehkraftmechanismus weist bevorzugt ein Druckelement auf, wobei das Druckelement axial bewegbar ist und über eine Vorspanneinrichtung axial gegen die Kupplung vorgespannt ist. Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung parallel oder entlang einer Drehachse der Motorwelle.

Weiterhin bevorzugt weist der Fliehkraftmechanismus mehrere Fliehkraftelemente auf, die in einem Führungselement im Inneren des Druckelements jeweils radial geführt sind. Des Weiteren weist der Fliehkraftmechanismus vorzugsweise eine axial feste Steuergeometrie und eine axial bewegbare Steuergeometrie auf.

Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse der Motorwelle.

Das drehmomentübertragende Element, die Kupplung und der Fliehkraftmechanismus sind in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einer Nabe angeordnet, die mit der Motorwelle fest verbunden ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäße Kupplungsanordnung bei Stillstand der Motorwelle oder einer Drehzahl unterhalb der Entkopplungsdrehzahl.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung gemäß Fig. 1 .

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung in einem entkoppelten Zustand, d.h. nach Überschreitung der Entkopplungsdrehzahl. zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene B-B einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung gemäß Fig. 3. zeigt isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung. zeigt eine beispielhafte Drehzahl- und Drehmomentcharakte ristik, für welche die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung adaptierbar ist. zeigt eine weitere beispielhafte Drehzahl- und Drehmomentcharakteristik, für welche die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung adaptierbar ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung 1 in einem gekoppelten Zustand (Fig. 1 , Fig. 2) wie auch in einem entkoppelten Zustand (Fig. 3, Fig. 4).

Die Kupplungsanordnung 1 umfasst eine Motorwelle 2, ein drehmomentübertra- gendes Element 3, eine Kupplung 4 sowie einen Fliehkraftmechanismus 5. Die Kupplungsanordnung 1 ist auf einer Nabe 1 1 angeordnet. Die Nabe 1 1 ist fest mit der Motorwelle 2 verbunden. Die genaue Art der Motorwelle-Nabe-Verbindung spielt für die Funktion der Kupplungsanordnung 1 keine Rolle - alle derzeit dem Stand der Technik entsprechenden Verbindungsmethoden sind hier anwendbar. Es ist auch möglich die Kupplungsanordnung 1 ohne Nabe direkt auf die Motorwelle 2 zu setzen.

Die Motorwelle 2 stellt die Motorwelle 2 einer elektrischen Maschine (nicht darge- stellt) dar.

Der Fliehkraftmechanismus 5 ist axial zwischen der Vorspanneinrichtung 7 und der Kupplung 4 sowie dem drehmomentübertragenden Element 3 auf der Nabe 1 1 angeordnet (Fig. 1 , Fig. 3).

Das drehmomentübertragende Element 3 ist in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 als Zahnrad 3' ausgebildet. Das Zahnrad 3' ist auf der Nabe 1 1 zentriert gelagert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel (Fig. 1 - Fig. 5) ist eine Gleitlagerung zur Lagerung des Zahnrads 3' vorgesehen, jedoch kann eine Wälzlagerung ebenso eingesetzt werden.

Im gekoppelten Zustand der Kupplungsanordnung 1 ist die Motorwelle 2 mit dem Zahnrad 3' antriebswirksam gekoppelt und es kann so eine Antriebsleistung von der Motorwelle 2 auf das Zahnrad 3', oder umgekehrt, übertragen werden. Dies ist bei Stillstand eines Kraftfahrzeugs oder einer Drehzahl unterhalb einer Entkopplungsdrehzahl der Fall.

Im entkoppelten Zustand der Kupplungsanordnung 1 ist die Motorwelle 2 mit dem Zahnrad 3' antriebswirksam nicht gekoppelt und es kann so keine Antriebsleistung von der Motorwelle 2 auf das Zahnrad 3', oder umgekehrt, übertragen werden. Dies ist bei Überschreitung der Entkopplungsdrehzahl der Fall.

Die Kupplung 4 der Kupplungsanordnung 1 ist als reibschlüssige Kupplung 4' ausgebildet. Die reibschlüssige Kupplung 4' umfasst in der beispielhaften Ausfüh- rungsvariante zwei Reibscheiben, nämlich eine erste Reibscheibe 13' und eine zweite Reibscheibe 13". Die erste Reibscheibe 13' ist in Bezug auf Fig. 1 und Fig. 3 links neben dem Zahnrad 3', genauer axial zwischen dem Fliehkraftmechanismus 5 und dem Zahnrad 3', drehfest jedoch axial verschiebbar auf der Nabe 1 1 angeordnet. Die zweite Reibscheibe 13" ist in Bezug auf Fig. 1 und Fig. 3 rechts neben dem Zahnrad 3', genauer axial zwischen dem Zahnrad 3' und einem axialen Anschlag 16, drehfest jedoch axial verschiebbar auf der Nabe 1 1 angeordnet. Das Zahnrad 3' ist über die beiden Reibscheiben 13', 13" reibschlüssig mit der Nabe 1 1 antriebswirksam verbindbar. Der axiale Anschlag 16 ist einteilig mit der Nabe 1 1 ausgebildet.

Der Fliehkraftmechanismus 5 weist ein im Wesentlichen ringförmig ausgebildetes Druckelement 6 auf, wobei das Druckelement 6 axial bewegbar ist und über eine Vorspanneinrichtung 7 axial gegen die reibschlüssige Kupplung 4' vorgespannt ist. Das Druckelement 6 weist eine axial bewegbare Steuergeometrie 6' auf.

Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung parallel oder entlang einer Drehachse 12 der Motorwelle 2. Die Vorspanneinrichtung 7 umfasst eine axiale Sicherung 14 und Tellerfedern 15, wobei die Tellerfedern 15 zwischen der axialen Sicherung 14 und dem Druckelement 6 derart angeordnet sind, dass sie das Druckelement 6 in Richtung der reibschlüssigen Kupplung 4' vorspannen. Derart erhalten die beiden Reibscheiben 13', 13" der reibschlüssigen Kupplung 4' die notwendige axiale Vorspannung über das Druckelement 6. Die Ausbildung der Vorspanneinrichtung 7 spielt hierbei für die Funktion der Kupplungsanordnung 1 keine Rolle. Es können beispielsweise andere Federelemente, wie beispielsweise eine Spiralfeder, ein Wellenfederpaket etc., verwendet werden oder zum Beispiel auch eine hydraulische Vorspanneinrichtung 7 eingesetzt werden. Der Fliehkraftmechanismus 5 weist weiterhin mehrere Fliehkraftelemente 8 in Form von Kugeln 8' auf, die in einem Führungselement 9 im Inneren des Druckelements 6 jeweils radial geführt sind. Die Fliehkraftelemente 8 können jedoch auch als Hebel ausgeführt sein. Des Weiteren weist der Fliehkraftmechanismus 5 eine axial feste Steuergeometrie 10 auf, die axial nicht bewegbar auf der Nabe 1 1 angeordnet ist - die axial feste Steuergeometrie 10 ist über eine weitere axiale Sicherung 18 axial auf der Nabe 1 1 festgelegt.

Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse 12 der Motorwelle 2.

Bei steigender Drehzahl werden die Kugeln 8' durch die Zentrifugalkraft immer stärker radial nach außen gedrückt. Die Richtung in der die Fliehkraft wirkt und somit die Bewegungsrichtung der Kugeln 8' wird durch die Richtungspfeile 17 in Fig. 3 und Fig. 4 angezeigt. Die als Kugeln 8' ausgeführten und in radialer Richtung über ein Führungselement 9 beweglich geführten Fliehkraftelemente 8 bewirken zufolge der quadratisch mit der Drehzahl der Motorwelle 2 steigenden Zentrifugalkraft über die axial bewegbare Steuergeometrie 6' eine Verschiebung des Druckelements 6 relativ zur axial festen Steuergeometrie 10. Dies bewirkt eine Verringerung der axialen Vorspannung auf die Reibscheiben 13', 13" der reibschlüssigen Kupplung 4' und führt zu einer Reduktion des maximal übertragbaren Drehmoments.

Bei Überschreiten der Entkopplungsdrehzahl (Fig. 3, Fig. 4) führen die durch die Fliehkraft nach außen gedrückten Kugeln 8' zu einem vollständigen Abheben des Druckelements 6 von der der formschlüssigen Kupplung 4', genauer der ersten Reibscheibe 13' der reibschlüssigen Kupplung 4', und damit zu einer Entkoppelung von Zahnrades 3' und Motorwelle 2. Die Entkopplungsdrehzahl wird im Wesentlichen von den Parametern Anzahl, Größe und Dichte der Kugeln 8', dem Durchmesser und den Druckwinkeln der axial bewegbaren Steuergeometrie 6' sowie der axial festen Steuergeometrie 10 und der Vorspannkraft sowie der Federrate des Federpakets 15 gesteuert.

In den Diagrammen in Fig. 6 und Fig. 7 ist jeweils das Drehmoment 21 über der Drehzahl 22 aufgetragen. Die Unterschiede in den beiden Diagrammen zueinander ergeben sich lediglich aus der unterschiedlichen Wahl einer elektrischen Maschine und der unterschiedlichen Dimensionierung der Kupplungsanordnung 1 in Abhängigkeit von der elektrischen Maschine. Die Diagramme zeigen jeweils zwei Kennlinien, nämlich eine erste Kennlinie 19 und eine zweite Kennlinie 20. Die erste Kennlinie 19, nämlich die gestrichelte Linie, beschreibt jeweils die Grenzkurve der Drehmoment-Drehzahl Charakteristik der elektrischen Maschine. Mit steigender Drehzahl 22 sinkt das maximale Drehmoment 21 . Die zweite Kennlinie 20, nämlich die durchgezogene Linie, beschreibt jeweils die Charakteristik der elektrischen Maschine in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung 1 . Das von der Kupplungsanordnung 1 maximal übertragbare Drehmoment 21 ist drehzahlabhängig und sinkt mit steigender Drehzahl 22. Dabei ist das von der Kupplungsanordnung 1 maximal übertragbare Drehmoment 21 im aktiven Dreh- zahlbereich der elektrischen Maschine stets höher als das maximale Drehmoment 21 der elektrischen Maschine. Oberhalb der Drehzahl 22 des aktiven Betriebsbereichs der elektrischen Maschine sinkt das übertragbare Drehmoment 21 der Kupplungsanordnung 1 auf Null und verhindert somit ein Überschreiten der zulässigen Grenzdrehzahl der elektrischen Maschine. Bezuqszeichenliste

I Kupplungsanordnung

2 Motorwelle (einer elektrischen Maschine)

3 Drehmomentübertragendes Element 3' Zahnrad

4 Kupplung

4' Reibschlüssige Kupplung

5 Fliehkraftmechanismus

6 Druckelement

6' Axial bewegbare Steuergeometrie

7 Vorspanneinrichtung

8 Fliehkraftelement

8' Kugel

9 Führungselement

10 Axial feste Steuergeometrie

I I Nabe

12 Drehachse (der Motorwelle)

13', 13" Reibscheibe

14 Axiale Sicherung

15 Tellerfeder

16 Axialer Anschlag

17 Richtungspfeil

18 Weitere axiale Sicherung

19 Erste Kennlinie

20 Zweite Kennlinie

21 Drehmoment

22 Drehzahl