Lamellenkupplungen nass- und trockenlaufend

Wärmehaushalt bei nassen Kupplungen

Sat, 12 Nov 2016 07:49:20 +0100

Bei Lamellenkupplungen wird Wärme nur im Schlupfbetrieb erzeugt, also wenn die Kupplungshälften unterschiedlich schnell drehen.
Bei Schaltkupplungen tritt Differenzdrehzahl in folgenden Fällen auf
- Beim Anfahren
- Beim Schalten
- Bei Mikroschlupf
Kommt eine nasse Kupplung wie beispielsweise eine Doppelkupplung als Anfahrelement zum Einsatz, so hängt die Höhe des Wärmeeintrags von der Zeit des Anfahrvorgangs und von der Motordrehzahl ab. Je nach Gewicht des Fahrzeugs mitsamt Anhänger, der Gangübersetzung im ersten Gang, des Steigungswinkels (Anfahren am Berg) und der Leistung des Motors dauert der Anfahrvorgang kürzer oder länger. Die Motordrehzahl und damit die Differenzdrehzahl sollte umso höher sein, je mehr der Motor Drehzahlungleichförmigkeiten erzeugt und vom Zweimassenschwungrad bzw. Torsionsdämpfer nicht mehr kompensiert werden können. Bei höherer Motordrehzahl treten weniger Torsionsschwingungen auf.
In diesem Falle muss die nasse Kupplung aktiv gekühlt werden. Es wird also zusätzlich Öl für den Kupplungsdruck noch Öl durch die Lamellen von innen nach außen geleitet, um diese zu kühlen und den Schmierfilm aufrecht zu erhalten.
Bei einer Anfahrkupplung können bei Kriechfahrt unter hoher Last hohe Verluste auftreten, die in Wärme gewandelt werden. Eine ausreichende Reibfläche und gute Kühlung ist daher sehr wichtig.

Beim Schalten wird bei Getrieben mit nur einer Kupplung diese geöffnet, um den Gangwechsel zu ermöglichen. Anschließend wird dann der Motor wieder zugeschaltet. Je schneller und damit härter die Kupplung geschlossen wird, umso weniger Wärme wird dabei erzeugt. Allerdings müssen Parameter wie Schaltkomfort und Bauteilschutz durch Schaltrucken ebenfalls berücksichtigt werden.
Bei Doppelkupplungen wird beim Gangwechsel von einer Kupplung auf die andere unter Last Drehmoment übergeblendet. Dabei tritt bei einer der beiden Kupplungen immer Differenzdrehzahl auf und es wird Wärme erzeugt.

Quelle: Robert Fischer, Das Getriebebuch

Bei Wandlerüberbrückungskupplungen wird oft Mikroschlupf eingesetzt, um bestimmte Drehschwingungen welche vom Motor kommen vom Getriebe fernzuhalten. Dabei treten Differenzdrehzahlen zwischen 20-40 1/min auf. Auch hier muss gekühlt werden, um lokale Überhitzungen der Lamellen zu verhindern.

Wärmeeintrag und Temperaturverlauf
Um die Schädigung und den Verschleiss der Kupplungslamellen zu begrenzen ist es wichtig, dass keine lokalen Hotspots an den Lamellen entstehen. Kommt es zu örtlichen Übertemperaturen, so verbrennen die Reibbeläge und ändern ihre mechanischen Eigenschaften. Aber auch die Gesamttemperatur sollte gewisse Grenzen nicht überschreiten.
Hauptgeschädigter von langanhaltend hohen Temperaturen ist sehr stark das Öl. Es beinhaltet Additive um Anforderungen wie Viskosität bei niedrigen Temperaturen zu senken, Temperaturen über dem Siedepunkt auszuhalten und vor allem um einen möglichst konstanten Reibbeiwert über der Differenzdrehzahl zu erreichen. Bei starker Übertemperierung kommt es zum Verdampfen und damit zur Verflüchtigung von bestimmten Anteilen und das Öl verschleisst sehr stark. Ändert sich der Reibwert so kann es zu ungewollten Komforteinbußen durch Kupplungsrupfen kommen.

Quelle: Robert Fischer, Das Getriebebuch

Die Temperatur erhöht sich bei Wärmeeintrag recht schnell, je besser gekühlt wird umso langsamer. Insgesamt wird die Wärme in den Bauteilen gespeichert. Ist die Kupplung geschlossen, so wird die Wärme sehr langsam abgebaut, da die Kühlnuten als einziger Kühlquerschnitt verbleiben. Ist die Kupplung offen, kann mit maximalem Kühlquerschnitt gekühlt werden.

Quelle: Robert Fischer, Das Getriebebuch

Verschleiss-Mechanismen

Sat, 12 Nov 2016 07:44:55 +0100

In Nasskupplungen herrscht Mischreibung zwischen den Reibbelägen und den Gegenflächen. Es gelten die gleichen Abhängigkeiten wie bei allen tribologischen Vorgängen, nämlich Relativgeschwindigkeit, lokale Pressung und Oberflächeneigenschaften. Dabei ist nicht die Rautiefe, sondern der Flächentraganteil wichtig, insbesondere wenn härtere Reibflächen verwendet werden. Daher kommt der Stahllamelle als härterem Reibpartner eine besondere Rolle zu. Es ist bekannt, dass bei niederen Belastungen und geeigneten Oberflächen (z. B. gleitgeschliffen oder kaltgewalzt, das bedeutet hohen Flächentraganteil) nahezu verschleißfreier Betrieb möglich ist. In Ölwanne und Filter von lang gelaufenen Getrieben konnte bei entsprechender Auslegung kein Lamellenabrieb gefunden werden.
Bei zu hoher Belastung tritt nach Schädigung der Oberfläche Verschleiß auf. Die Lebensdauer hängt also von den Belastungen ab, es ergibt sich ein Verlauf ähnlich einer Wöhlerkurve.

Quelle: Robert Fischer, Das Getriebebuch

Schleppmoment nasslaufender Lamellenkupplungen

Wed, 17 Aug 2016 15:59:22 +0200

Nasslaufende Lamellenkupplungen haben den großen Vorteil dass sie über das Fluid gekühlt werden können. Dabei wird immer mittels Druckbeölung von innen Fluid in die Kupplung befördert und dort radial nach außen durch die Lamellenpakete hindurch geleitet. Diese „eingebaute Pumpe“ hat eine drehzahlabhängige und bauartbedingte Förderleistung.
Dadurch ist es möglich, dass Hitze zügig abtransportiert werden kann. Die meisten Lamellenkupplungen werden zusätzlich mit Drucköl beaufschlagt, um situativ die Kühlleistung zu erhöhen und nicht nur von der Drehzahl abhängig zu sein.

Das Schleppmopment
Im geöffneten Zustand soll die Lamellenkupplung idealerweise kein Moment übertragen. In der Realität gibt es aber immer ein gewisses Moment mit der die eine Kupplungsseite die andere mitnehmen möchte ... das Schleppmoment.

Tragen wir das Schleppmoment über der Differenzdrehzahl ab, so kann man die Kennlinie in 3 Phasen unterteilen. In der ersten Phase erhöht sich zuerst das Schleppmoment und erreicht dann ein lokales Maximum. Danach sinkt es wieder ab. In der zweiten Phase haben wir ein konstantes Schleppmoment (lokales Minimum). In der dritten Phase bei hohen Differenzdrehzahlen steigt das Schleppmoment wieder an.

Phase 1
In der ersten Phase ist die Differenzdrehzahl gering. Zuerst wird das Schleppmoment nahezu linear erhöht, was mit den Fluidgleichungen erklärt werden kann. Da Lamellenpakete mit Öl benetzt sind, baut sich eine Scherspannung zwischen den Drehpartnern auf. Um die radiale Förderwirkung der Kupplung zu erhöhen und damit mehr kaltes Öl durch die Lamellen zu fördern, gibt es unterschiedlich gestaltete Nutgeometrien in den Reibbelägen. Diese können radial, bogenförmig, spiralförmig oder waffelförmig ausgeführt werden.
Es kann daher drehzahlabhängig Luft in die Nuten gelangen, was die Scherspannung wieder reduziert. Ist durch die Drehzahlerhöhung irgendwann alles Öl zwischen den Lamellen abgeschleudert worden, dann ist nur noch Luft in den Fördernuten und das Schleppmoment erreicht sein lokales Minimum.
Abhängig von der Geometrie der Nuten ist die Grenzdrehzahl niedriger oder höher.

Phase 2
In der zweiten Phase stellen die Lamellen ein einheitliches Lüftspiel im gesamten Kupplungspaket her. Je nach Höhe des Lüftspiels wirkt dann nur die Höhe des Ölfilms zwischen den Flächen (die Nuten enhalten Luft bzw. ein Ölschaum).

Phase 3
In der dritten Phase treten sogenannte Taumeleffekte auf. Die Lamellenscheiben und die Reibbelagsscheiben haben eine geringe Führungslänge und können bei ihren Eigenfrequenzen zum Taumeln angeregt werden. Dann ist das Lüftspiel nicht mehr konstant über dem Umfang und es kommt vermehrt zur Erhöhung der Scherspannung. Auch eine Festkörperreibung infolge von Kontakten könnte dann die Folge sein, was über eine minimale Druckbeölung ausgeschlossen werden kann. Trotzdem erhöht sich dann aber das Schleppmoment.