In der vorliegenden Arbeit werden zunächst allgemein Funktionsweise und Aufgabe der Kupplung beleuchtet. In der sich eine Darstellung der existierenden Bauarten und Einsatzgebiete einreiht. Sich anschließend wird mit dem Einsatz von Kupplungen im Automobilbau ein Schwerpunkt der Arbeit behandelt. Es werden die vorherrschenden Typen ausführlich beschrieben und die Auslegung einer Reibungskupplung analytisch veranschaulicht. Im Anschluss folgt eine Beschreibung des Direktschaltgetriebes von VW und in diesem Rahmen eine eingehende Darstellung der Funktionsweise der Doppelkupplung. Abschließend erörtert die Arbeit zukünftige Marktchancen des Systems.
Inhaltsverzeichnis
1. Die Aufgabe von Kupplungen im Maschinenbau
1.1. Nicht schaltbare Kupplungen
1.1.1. Starre Kupplungen
1.1.2. Drehstarre Ausgleichskupplungen
1.1.3. Drehnachgiebige Ausgleichskupplungen
1.2. Schaltbare Kupplungen
1.2.1. Fremdbetätigte Kupplungen
1.2.2. Selbstschaltende Kupplungen
2. Kupplungen im Automobilbau
2.1. Reibungskupplung
2.2. Drehmomente der Reibungskupplung
2.3. Auslegung der Reibungskupplung anhand eines Schaltvorganges
3. Doppelkupplungssystem im Direktschaltgetriebe von VW
3.1. Funktionsweise der Doppelkupplung
3.2. Drehmomentübertragung
3.3. Direktschaltgetriebe bei VW
4. Zukunft der Doppelkupplungssysteme
Anhang
A. Physikalische Größen
Literaturverzeichnis
In der vorliegenden Arbeit werden zunächst allgemein Funktionsweise und Aufgabe der Kupplung beleuchtet. In der sich eine Darstellung der existierenden Bauarten und Einsatzgebiete einreiht. Sich anschließend wird mit dem Einsatz von Kupplungen im Automobilbau ein Schwerpunkt der Arbeit behandelt. Es werden die vorherrschenden Typen ausführlich beschrieben und die Auslegung einer Reibungskupplung analytisch veranschaulicht. Im Anschluss folgt eine Beschreibung des Direktschaltgetriebes von VW und in diesem Rahmen eine eingehende Darstellung der Funktionsweise der Doppelkupplung. Abschließend erörtert die Arbeit zukünftige Marktchancen des Systems.
1. Die Aufgabe von Kupplung im Maschinenbau
Kupplungen dienen der Übertragung von Drehmomenten und Drehbewegungen zwischen zwei Wellen. So ist im typischen Fall eines Antriebsstranges die Kupplung mit dem Getriebe das Glied zwischen Antriebs- und Arbeitsmaschine (im Beispiel ein Kraftfahrzeuges zwischen Motor und den Rädern). Kupplungen erfüllen dabei nicht die Aufgabe der Energiewandlung (im Gegensatz zum Getriebe) und weisen im stationären Zustand gleiche Drehmomente im Eingang und Ausgang auf[[1]]. Darüber hinaus werden Kupplungen auch als Begrenzung, zum Ausgleich von Verlagerungen und zum Schalten des Drehmomentes eingesetzt[[2]]. Roloff & Matek[[3]] unterscheiden drei Funktionen von Kupplungen.
Leitungsfunktion
Die Drehmomentübertragung findet durch Form- oder Kraftschluss an einer oder mehreren Wirkflächen statt. Formschluss wird baulich bedingt erreicht (Klauenkupplung , Zahnkupp- lungen) während kraftschlüssige Übertragung durch Druck- oder Reibungskräfte erreicht werden kann. Der Zusammenschluss wird einzig über die wirkende Kraft gewährleistet.
Ausgleichfunktion
Ausgleichskupplungen werden eingesetzt, um einen möglichen Versatz zwischen zwei Wellen aufzuheben. Wellenverlagerungen und Fluchtungsfehler, resultierend aus Montagefehlern, elastischer und thermischer Verformung, sowie Stöße und Schwingungen können so zum Teil ausgeglichen bzw. abgemildert werden. Der Versatz kann dabei in axiale, radialer, winklig oder in drehgerichteter Form auftreten. Zusätzlich können auch Elastische Bauteile (Elastomere und Federn) als Übertragungselemente verwendet werden. Diese fungieren als Energiespeicher und verleihen der Kupplung dämpfende Eigenschaften.
Schaltfunktion
Durch das Schalten einer Kupplung wird es ermöglicht den Antriebsstrang, entweder durch ein äußeres Signal (fremdbetätigt) oder durch selbstschaltende Elemente innerhalb der Kupplung zu unterbrechen bzw. wiederherzustellen. Dabei ist zu unterscheiden, ob eine Kupplung trennbar (nur Trennung ist jederzeit möglich) oder auch schaltbar (Trennung und Verbindung auch bei unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten) ist.
Im Folgenden wird ein Überblick über die verschiedenen Typen von Kupplungen und deren systematischen Einteilung anhand der VDI Richtlinie 2240 gegeben. Primär lassen sich Kupplungen nach der jeweiligen Bauart und deren Aufgaben in schaltbare und nicht schaltbare Kupplungen unterscheiden. Einen schematische Einteilung gibt Abbildung 1[[4]]:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Einteilung der Kupplungen nach VDI Richtlinie 2240
1.1. Nicht schaltbare Kupplungen
1.1.1. Starre Kupplungen
Drehstarre Kupplungen erfüllen die alleinige Funktion der Drehmomentübertragung , aller- dings bei höchsten Drehmomenten und Drehzahlen. Sie werden aufgrund ihrer Wartungsfrei- heit und Kosteneffizienz in einfachen Antrieben eingesetzt. Starre Kupplungen weisen keiner- lei Nachgiebigkeit und müssen die zu verbindenden Wellen genau fluchten. Mit ihnen werden vorwiegend lange durchgehende Wellenstränge miteinander verbunden. Das Drehmoment kann dabei für beide Drehrichtungen übertragen werden. Drehmomentstöße und Schwingun- gen werden ungedämpft weitergegeben und können zu unvorhersehbarer Beanspruchung der Bauteile führen. Man unterscheidet folgende Bauarten Scheibenkupplung : Mmax = 10[[6]] Nm, die Schalenkupplung (kleinere Abmessung) Mmax = 0,3[[6]] Nm und die Stirnzahnkupplung.
1.1.2. Drehstarre Ausgleichskupplungen
Verlagerungen treten häufig in Folge von radialen und winkeligen Fluchtungsfehlern auf. Der Ausgleich erfolgt nicht kräftefrei und es entstehen Rückstellkräfte und Momente, welche die Kupplung zusätzlich belasten. Fehler können in verschiedenen Ebenen auftreten und im idealen Fall muss die Kupplung querbeweglich, längsbeweglich und zusätzlich winkelbeweglich sein. Die Kraftübertragung erfolgt dabei ausschließlich durch Formschluss. Klauen-, Parallelund Kreutzschlitzkupplungen sind die typischen Bauarten.
Gelenke und Gelenkwellen
Gelenke und Gelenkwellen können Kräfte und Drehmomente auch winkelnachgiebig übertra- gen. Ein Kreuzgelenk erlaubt Beugwinkel von bis zu 45°[[5]]. Dabei wird die Winkelgeschwin-
digkeit 1 der Eingangswelle sinusförmig mit
2
ω =ω cosβ /(1−sin
β sin
2
α ) auf die Aus-
2 1
gangswelle übertragen, wobei β der Beugewinkel ( Kw) und
1
α der Drehwinkel der Ein-
1
gangswelle ist. Bei der Gelenkwelle wird durch ein zweites Kreuzgelenk die Ungleichförmig- keit des Abtriebes aufgehoben. Die beiden Gelenkwellen müssen in einer Ebene liegen und
die gleichen Beugungswinkel aufweisen (β = β
). Sie eignen sich zur Übertragung kleinerer
1 2
Drehmomente (Mmax = 2000 Nm)[[6]] und der größte Ablenkungswinkel beträgt 90°[[7]]. In der Au- tomobilindustrie verdrängen Gleichlaufgelenke fast vollständig die Kreuzgelenke. Sie sind zwar schwerer als diese, übertragen aber im Gegensatz die Drehbewegung gleichförmig.
1.1.3. Drehnachgiebige Ausgleichskupplungen
Dieser Kupplungstyp zeichnet sich durch Übertragungselemente aus metallischen oder nicht- metallischen (Elastomere) Werkstoffen innerhalb der Kupplung aus. Durch Kraft- bzw. Mo- mentbelastungen kommt es zu elastischen Verformungen, die dazu beitragen Drehmoment- stöße zu mildern und Schwingungen zu dämpfen. Die elastischen Bauteile zwischen Antriebs- und Abtriebsseite ermöglichen einen Verdrehwinkel innerhalb der Kupplung und haben zur Folge, dass das Drehmoment nicht zeitgleich auf den Abtriebsstrang übertragen wird. Dreh- elastische Kupplungen werden deshalb besonders für folgende Funktionen eingesetzt[[8]]:
- Drehmomentspitzen (Stöße) werden reduziert
- Dämpfung von Schwingungsamplituden
- Resonanzverschiebungen und Reduzierung von Torsionsschwingungen
- Schlupffreie Übertragung von Drehbewegungen.
Man unterscheidet mitunter Kupplungen mit metallischen Zwischenelementen (Schlangenfe- derkupplung) und Elastomerkupplungen mittlere (Bolzen und Klauenkupplung) und hoher Elastizität (z.B. Wulstkupplung). Letztere verfügen über günstigere Dämpfungseigenschaften. Sie sind allerdings auch anfälliger gegenüber hohen Temperaturen.
1.2. Schaltbare Kupplungen
Bei schaltbaren Kupplungen gilt es den Unterschied zwischen fremdbetätigten und selbstständig schaltenden Kupplungen zu beachten. Bei der Fremdbetätigten kann die Übertragung des Drehmomentes zwischen zweier Wellen durch Betätigung der Kupplung unterbrochen bzw. wiederhergestellt werden. Von einer Schaltkupplungen spricht man, wenn sich die Übertragung des Momentes in allen Betriebszuständen unterbrechen bzw. herstellen lässt [[9]]. Dagegen lässt sich eine Trennkupplung nur in bestimmten Betriebszuständen trennen bzw. verbinden. Das Drehmoment kann dabei form- oder kraftschlüssig übertragen werden. Schaltbare Kupplungen bilden die umfangreichste Gruppe innerhalb der Kupplungen. Selbstschaltende Kupplungen benötigen keinen Impuls von Außen. Der Schaltvorgang wird dabei durch einen der Parameter Drehzahl, Drehmoment oder Drehrichtung ausgelöst.
1.2.1 Fremdbetätigte Kupplungen
Nach der VDI Richtlinie 2241[[10]] lassen sich fremdgeschaltete Kupplungen nach folgenden Kriterien einteilen:
- Art der Betätigung: mechanisch, elektromagnetisch oder durch Druckmittel (hydraulisch, pneumatisch)
- Art der Kraftübertragung:
Form- oder kraftschlüssig (auch reibschlüssig, da äußere Anpresskräfte erforderlich sind) hier runter fallen auch hydrodynamische Kupplungen.
- Konstruktive Gestaltung: schließende Kupplungen übertragen im eingeschalteten Zustand das Drehmoment. Öffnende Kupplungen dagegen unterbrechen die Übertragung beim Einschalten.
1. Formschlüssige Schaltkupplungen
Formschlüssigen Kupplungen sind nur im Stillstand bzw. im Synchronlauf der Wellen schaltbar. Durch den Formschluss (Klauen, Zähne etc. dienen der Kraftübertragung) sind kompakte Bauformen möglich die hohe Drehmomente übertragen. Die bekanntesten Bauarten sind die ausrückbare Klauenkupplung und die Zahnkupplung. Der Schaltvorgang wird bei letzterer durch Synchronisation mit dem Getriebe ermöglicht (Kfz-Bau).
2. Kraft-(Reib-)schlüssige Kupplungen
Kraftschlüssige Kupplungen lassen sich auch unter Last schalten. Die Drehmomentübertra- gung erfolgt dabei durch das Aneinanderpressen von mindestens zwei Reibflächen[[11]]. Die Kupplung rutscht während des Schaltvorganges (Schlupf) und es kommt zu Übertragungsver- lusten und einem Verschleiß der Reibflächen. Eine Einteilung erfolgt anhand der Anzahl der Reibflächen und ob die Kupplung trocken- oder nasslaufend (ölgeschmiert) ausgelegt ist. Man unterscheidet folgende Typen: a) Einflächenkupplung b) Zweiflächenkupplung (eine Scheibe)
c) Mehrflächenkupplung (Lamellenkupplung) d) Kegel- und Zylinderkupplungen. Im weite- ren werden die Einscheiben- und Lamellenkupplung ausführlicher behandelt und damit die theoretischen Grundlagen der im Kraftfahrzeugbau vorherrschenden Bauarten dargestellt. Als Reibstoffpaarungen werden für den Nasslauf meist Stahl/Stahl oder Stahl/Sinterbronze und für trockenlaufende Kupplungen Stahl/organischer Belag angewendet[[12]]. Im Kfz-Bau sind Gleit- und Haftreibkoeffizient nahezu identisch und liegen zwischen 0,3 und 0,45[[13]].
Einscheibenkupplung
Das Funktionsprinzip: eine Druckplatte ist über ein Schwungrad mit der Antriebswelle ver- bunden. Die so genannte Mitnehmerscheibe verbindet die Kupplungsscheibe, auf der beidsei- tig Reibbeläge aufgebracht sind, mit der Abtriebswelle. Zur Herstellung der Kraftübertragung spannen Federn die Reibbeläge der Kupplungsscheibe zwischen Druckplatte und Schwungrad ein. Das Drehmoment fließt so von der Antriebswelle über das Schwungrad auf die Druck- platte und weiter über die Reibbeläge und die Mitnehmerscheibe auf die Kupplungsscheibe und damit auf die Abtriebswelle.
Lamellenkupplung
Lamellenkupplungen haben einen durch die Verteilung der Reibfläche auf mehrere Reib- scheiben (Lamellen) kleinere Aussendruchmesser und damit eine niedrigere Masseträgheit. Allerdings ergeben sich höhere Ansprechzeiten, da die Lamellen gegeneinander verschoben werden müssen. Im nicht geschalteten Zustand treten deshalb Leer- und Schleppmomente auf, da die Lamellen nicht sofort getrennt werden, sondern noch aneinander haften. Dies führt zu Leistungsverlusten und übermäßiger Wärmebelastung. Lamellenkupplungen können mecha- nisch, hydraulisch oder elektrisch betätigt werden. Eine Spezielle Ausführung ist die Sinus- Lamellenkupplung. Sie wird mechanisch betätigt und findet sich vom Aufbau her auch im Automobilbau (s.u.). Sinusförmige Innenlamellen befinden sich axial verschiebbar aber dreh- fest auf dem Innenmitnehmer. Außenlamellen sind in gleicher Weise mit dem Außenmitneh- mer verbunden. Dies sind meist gehärtete und glatt geschliffene Stahllamellen die mit Öl ge- schmiert werden müssen (Tauchschmierung oder Umlaufschmierung). Ein Hebel drückt auf
[...]
[1] Vgl. Dietz, P., Kupplungen und Bremsen, in: Beitz, Wolfgang. und Grote, Karl-Heinrich (Hrsg.): Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, Berlin/Heidelberg/New York, 2001 S. G64
[2] Vgl. Freund, Hermann: Konstruktionselemente Band 2: Lage, Kupplungen, Getriebe, Mannheim/Leipzig/Wien/Zürich 1992, Seite 70 ff.
[3] Vgl. Roloff, Hermann & Matek, Wilhelm (Verf.): Maschinenelemente, Normung, Berechnung und Gestaltung, Braunschweig 2003, S. 385.
[4] Vgl. VDI-Richtlinie 2240: Wellenkupplungen. Systematische Einteilung nach ihren Eigenschaften (VDIHandbuch Konstruktion). Düsseldorf: VDI-Verlag 1971.
[5] Vgl. Roloff , Herrmann und Matek, Wilhelm: Maschinenelemente, S.406.
[6] Vgl. Dietz, P.: Kupplungen und Bremsen, S. G 65
[7] Vgl. Roloff, Herman und Matek, Wilhelm: Maschinenelemente, S. 406.
[8] Vgl Freund, Hermann: Konstruktionselemente Band 2, S. 81.
[9] Vgl. Freund, Herrmann: Konstruktionselemente Band 2, S. 89.
[10]Vgl. VDI-Richtlinie 2241: Schaltbare fremdbetätigte Reibkupplungen und -bremsen; Begriffe, Bauarten, Kennwerte, Berechnungen, VDI-Handbuch Konstruktion, VDI-Verlag 1982.
[11] Winkelmann, Siegfried. und Harmuth, Harry.: Schaltbare Reibkupplungen. Berlin 1985, S. 156.
[12]Vgl. Gauger, D.: Wirkmechanismen und Belastungsgrenzen von Reibpaarungen trockenlaufender Kupplungen. VDI Fortschrittsberichte Reihe 1 Konstruktionstechnik/Maschinenelemente. Düsseldorf: VDI-Verlag 1998
[13]Vgl. Braess; Hans-Hermann und Seiffert, Ulrich: Vieweg-Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, Braun- schweig/Wiesbaden 2001, S.232.
- Citation du texte
- Carl Christian Stein (Auteur), 2005, Kupplungen im Automobilbau und insbesondere im Direktschaltgetriebe von VW, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/58804
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