Kupplungen im Automobilbau und insbesondere im Direktschaltgetriebe von VW

Inhaltsverzeichnis

  Inhaltverzeichnis  I

1.  Die Aufgabe von Kupplungen im Maschinenbau  1

1.1.  Nicht schaltbare Kupplungen  2

1.1.1.  Starre Kupplungen  2

1.1.2.  Drehstarre Ausgleichskupplungen  3

1.1.3.  Drehnachgiebige Ausgleichskupplungen  3

1.2.  Schaltbare Kupplungen  4

1.2.1.  Fremdbetätigte Kupplungen  4

1.2.2.  Selbstschaltende Kupplungen  6

2.  Kupplungen im Automobilbau  6

2.1.  Reibungskupplung  7

2.2.  Drehmomente der Reibungskupplung  7

2.3.  Auslegung der Reibungskupplung anhand eines Schaltvorganges  8

3.  Doppelkupplungssystem im Direktschaltgetriebe von VW  11

3.1.  Funktionsweise der Doppelkupplung  11

3.2.  Drehmomentübertragung  12

3.3.  Direktschaltgetriebe bei VW  13

4.  Zukunft der Doppelkupplungssysteme  13

  Anhang  

  A Physikalische Größen  14

  Literaturverzeichnis  15

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 Energie-wandlung (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 , Zahnkupplungen) 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.

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.

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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 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 , allerdings bei höchsten Drehmomenten und Drehzahlen. Sie werden aufgrund ihrer Wartungsfreiheit und Kosteneffizienz in einfachen Antrieben eingesetzt. Starre Kupplungen weisen keinerlei 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 Schwingungen werden ungedämpft weitergegeben und können zu unvorhersehbarer Beanspruchung der Bauteile führen. Man unterscheidet folgende Bauarten Scheibenkupplung : M max = 10 6 Nm, die Schalenkupplung (kleinere Abmessung) M max = 0,3 6 Nm und die Stirnzahnkupplung.

⁴ Vgl. VDI-Richtlinie 2240: Wellenkupplungen. Systematische Einteilung nach ihren Eigenschaften (VDI-

Handbuch Konstruktion). Düsseldorf: VDI-Verlag 1971.

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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-, Parallel-und 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- ^{2 2} digkeit 1 der Eingangswelle sinusförmig mit ) sin sin 1 /( cos auf die Aus- gangswelle übertragen, wobei β der Beugewinkel (K w ) und ¹ gangswelle ist. Bei der Gelenkwelle wird durch ein zweites Kreuzgelenk die Ungleichförmigkeit des Abtriebes aufgehoben. Die beiden Gelenkwellen müssen in einer Ebene liegen und die gleichen Beugungswinkel aufweisen ( β = ). Sie eignen sich zur Übertragung kleinerer

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Drehmomente (M max = 2000 Nm) ⁶ und der größte Ablenkungswinkel beträgt 90° ⁷ . In der Automobilindustrie 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 nichtmetallischen (Elastomere) Werkstoffen innerhalb der Kupplung aus. Durch Kraft- bzw. Momentbelastungen kommt es zu elastischen Verformungen, die dazu beitragen Drehmomentstöße 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 (Schlangenfederkupplung) und Elastomerkupplungen mittlere (Bolzen und Klauenkupplung) und hoher

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.

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