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Die Erfindung betrifft Reibungskupplungen mit einem Aktuator, wobei die Reibungskupplung Primär- und Sekundärlamellen und eine Andruckplatte, welche alle koaxial sind, und der Aktuator zwei koaxiale, voneinander unabhängig verdrehbare Ringe aufweist, von denen der erste Ring in achsialer Richtung abgestützt und über mindestens eine Schraubfläche mit dem zweiten Ring wirkverbunden ist, sodass der zweite Ring bei Relativdrehung zwischen den beiden Ringen die Andruckplatte gegen die Kraft einer Feder achsial verschiebt und so die Lamellen zusammendrückt.
Derartige Kupplungen finden im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen zur Steuerung des Sperrgrades von Differentialen oder zum Verstellen der Drehmomentverteilung zwischen zwei angetriebenen Achsen Verwendung. Dazu ist eine sehr genaue und reproduzierbare Einstellung des von der Kupplung zu übertragenden Drehmomentes erforderlich. Die Kupplung muss sehr schnell ausrückbar sein (Bremsen mit ABS), oder von selbst ausrücken (bei Ausfall der Steuerung); sie muss schnell einrückbar sein und in einer Stellung gehalten werden können. Bei all dem soll der Aktuator mit möglichst geringem Gewicht und kleinem Bauraum die zum
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Zusammenpressen der Lamellen erforderliche erhebliche Kraft mit gerin- gen Verlusten aufbringen.
Eine gattungsgemässe Kupplung mit Aktuator ist in der WO 01/59331 A1 der Anmelderin beschrieben. Bei dieser tragen die verdrehbaren Ringe
Hebel, deren Enden auf einer verdrehbaren Steuerscheibe reiten, welche von einem elektrischen Getriebemotor mit hoher Übersetzung angetrieben ist. Wegen der Spiele und Reibungsverluste im Getriebemotor, die zur
Selbsthemmung fuhren können, wodurch ein schnelles Ausrücken unmög- lich wird, und weiters wegen hoher Kosten, grossen Baugewichtes und schwierigen Einbaues ist diese Lösung nicht befriedigend.
Weiters ist es aus der US 4,976,347 bekannt, jeden der beiden verdrehbaren Ringe mit einem Zahnrad zu versehen, welches jeweils mit einem Zahnrad aufder Motorwelle kämmt. Bei geringfügig unterschiedlicher Zähnezahl ist so ohne ein eigenes Untersetzungsgetriebe eine hohe Übersetzung erreichbar. Dabei aber entstehen in den Verzahnungen erhebliche Reibungsverluste, die zur Selbsthemmung führen können. Gerade die aber muss vermieden werden, wenn die Kupplung bei Ausfall der Steuerung von selbst öffnen soll. Durch die Eigenheiten der Verzahnung (Zahnspiel und Verdrehsteifigkeit des Systemes) treten bei schneller Betätigung Stö- #e auf, die Belastung und Verschleiss des Aktuators erhöhen. Die Reibung hat nicht nur Energieverluste zur Folge, sie erschwert auch das Einstellen des zu übertragenen Drehmomentes durch Messung und Steuerung des Motorstromes.
Die Auslegung der Verzahnung ist mit den Einbauerfordemissen schwer in Einklang zu bringen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zu schaffen, der möglichst genau und reibungslos arbeitet, und bei verminderten
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Kosten und vermindertem Gewicht leicht in einem Gehäuse unterbringbar ist.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass zur Verdrehung der bei- den Ringe ein Elektromotor mit mindestens einem Treibrad vorgesehen ist, das (die) über Zugmittel mit den beiden Ringen antriebsverbunden ist (sind). Unter Zugmittel istjedes Zugkräfte übertragende Übertragungsmit- tel zu verstehen : Beispiel Kette, Seil, Riemen, etc. Das Zugmittel ist nicht nur leichter und billiger als eine Verzahnung, es bringt auch eine er- hebliche Verringerung der Reibungsverluste (dadurch keine Selbsthem- mung), vor allem bei der grossen Übersetzung zwischen einem hochtouri- gen Elektromotor und der langsamen relativen Verdrehung zwischen den beiden Ringen, die nach dem Stand der Technik ein Mehrstufen- oder Schneckengetriebe erfordern würde.
Die Folge davon sind schnelles und zuverlässiges Öffnen der Kupplung im ABS-Fall und bei Ausfall der Steuerung, reproduzierbare Einstellung des zu übertragenden Drehmomentes. Nebstbei kann das Zugband so aus- gebildet sein, dass es Stösse dämpft. Unter Umständen darf es dabei auch auf dem Treibrad rutschen. Ein weiterer Vorteil des Zugmittels besteht darin, dass die Achsen der beiden Räder (Treibrad und Ring) nicht parallel sein müssen. Sie können auch windschief und beliebig weit voneinander entfernt sein. Dadurch ist grosse Freiheit der Auslegung und Unterbrin- gung des Aktuators, insbesondere des Motors, im/am Gehäuse der Kupp- lung geschaffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist am Elektromotor ein Treibrad vorgesehen, von dem zwei Trume des Zugmittels zu den verdrehbaren Ringen führen, und zwar ein Trum zu dem ersten Ring und das zweite
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Trum zu dem zweiten Ring, wobei die Enden der Trume an ihrem jeweili- gen Ring befestigt sind und die beiden Ringe unterschiedliche Durchmes- ser haben (Anspruch 2). Das Zugmittel ist also nicht geschlossen, sondern von endlicher Länge, es kann den Ring und/oder die Treibrolle auch mehr- fach umschlingen. So drehen sich die beiden Ringe mit verschiedener
Drehzahl in demselben Drehsinn. Lediglich die Drehzahldifferenz bewirkt das Einrücken beziehungsweise Ausrücken der Kupplung.
Das Zugmittel wird dabei durch die Federn in der Kupplung gespannt gehalten, weil die- se die beiden Ringe über die mindestens eine Schraubfläche in entgegengesetztem Drehsinn zu verdrehen trachten. Es muss also keine eigene Spannvorrichtung für das Zugmittel vorgesehen sein.
In einer anderen Ausführungsform ist jeder der beiden Ringe mittels eines eigenen Zugmittels mit dem mindestens einen Treibrad antriebsverbunden, wobei die Enden der Zugmittel an ihrem jeweiligen Ring und an dem Treibrad befestigt sind und die beiden Ringe und/oder Treibrad unterschiedliche Durchmesser haben (Anspruch 3). Wegen der beidseitigen Befestigung ist kein Schlupfzwischen dem Zugmittel und seinem Ritzel beziehungsweise seinem Ring möglich. Dank der Kupplungsfeder bleiben wieder beide Zugmittel gespannt.
In einer weiteren Ausführungsform ist jeder der beiden Ringe mittels eines eigenen in sich geschlossenen Zugmittels mit dem mindestens einen Treibrad antriebsverbunden und die beiden Ringe und/oder Treibrad haben unterschiedliche Durchmesser (Anspruch 5). Es sind somit zwei umlaufende Zugmittel vorhanden, auf die sich die Betätigungskräfte verteilen.
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Für die Ausführung des Zugmittels gibt es verschiedene vorteilhafte Mög- lichkeiten, je nach Anforderungen und gewählter Ausführungsform: Ist es ein Treibriemen (Anspruch 5), stehen die Dämpfungseigenschaften im
Vordergrund ; ist es ein Seil (Anspruch 6), insbesondere ein Drahtseil, so kann es auf dem Treibrad beziehungsweise auf den Ringen wie auf einer
Trommel in nebeneinander liegenden Schlägen aufgewickelt werden. Da- durch sind besonders hohe Drehzahlen möglich, was einen ruhigen Lauf und sehr kleine Kräfte im Zugmittel bei grosser resultierender Kraft ergibt (man denke an einen Flaschenzug).
Auch für die Ausgestaltung der mindestens einen Schraubfläche, die zwi- schen erstem Ring ist und zweitem Ring wirkt, gibt es verschiedene kon- struktive Möglichkeiten. Es könnte eine gewindeartige Nut mit Kugeln sein. Vorzugsweise hat mindestens einer der verdrehbaren Ringe an der dem anderen Ring zugewandten Seite mindestens zwei in Umfangsrich- tung axial ansteigende Rampen, die jeweils mit einem Rollkörper zusam- menwirken (Anspruch 7). So hat man ein Maximum an Gestaltungsfrei- heit für die Steigung der Rampe, was eine Verteilung der Gesamtunterset- zung zwischen Elektromotor und Achsialbewegung der Kupplungslamel- len aufdie verschiedenen Übertragungsglieder gestattet, und für deren Ausgestaltung beispielsweise mit rampenförmigen Nuten.
Für die Regelung des Motors zum Einstellen eines bestimmten von der Kupplung übertragenen Drehmomentes stehen dank der erfindungsgemä- #en Anordnung viele Möglichkeiten offen. Es kann durch den Motorstrom ausgedrückt werden. Es kann aber auch durch die Zugkraft des Zugmittels ausgedrückt werden. Diese ist besonders leicht zu ermitteln, wenn am Zugmittel ein Kraftsensor angreift, der ein Signal angibt, das der Anpress- kraft der Andruckplatte (4) entspricht (Anspruch 8).
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1: Eine erfindungsgemässe Kupplung schematisch im Längs- schnitt, in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 : zu Fig. 1,
Fig. 3: wie Fig. 1, in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 4: Querschnitt zu Fig. 3,
Fig. 5: wie Fig. 1, in einer dritten Ausführungsform, Fig. 6 : zu Fig. 5.
In Fig. 1,2 ist eine Reibungskupplung 1 nur teilweise angedeutet. Sie ent- hält abwechselnd Innenlamellen 2 und Aussenlamellen 3 und schliesslich eine Andruckplatte 4, die die Lamellen 2,3 unter Überwindung der Kraft von Kupplungsfedern 5 gegen einen nicht dargestellten Anschlag zusam- menpresst und so die Kupplung einrückt. Der Anschlag ist beispielsweise Teil eines ebenfalls nicht dargestellten Gehäuses, in dem die Aussenlamel- len 3 drehfest angebracht sind. Das Gehäuse könnte etwa der Primärteil der Kupplung sein und eine Welle 6 der Sekundärteil. Die Kupplungsfe- dem 5 sind hier als Tellerfedern dargestellt, könnten aber beliebig anders ausgebildet oder angeordnet sein. Jedenfalls trachten sie, die Kupplungs- lamellen 2,3 voneinander zu trennen, die Kupplung also zu lösen.
Auf der Welle 6, und um diese frei drehbar, ist ein erster verdrehbarer Ring 11und ein zweiter verdrehbarer Ring 12 angeordnet. Der erste Ring 11stützt sich über ein Axiallager 8 auf einem Bund 9 der Welle 6, der zweite Ring 12 über ein Axiallager 7 auf der in Axialrichtung verschieb- baren Andruckplatte 4 ab. Zwischen den beiden Ringen 11, 12 sind Ku- geln 15 zu sehen, die in in Umfangsrichtung Rampen bildenden Umfangs- nuten laufen. Dadurch wird bei Relativdrehung zwischen den Ringen
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11,12 der zweite Ring 12 im Einrücksinn der Kupplung (in Fig.l nach rechts) bewegt. Für die Anordnung von Nuten und Rollkörpem sind ver- schiedene Ausführungen bekannt.
Die Umwandlung der Relativdrehung zwischen den beiden Ringen 11,12 in eine axiale Bewegung des zweiten
Ringes 12 kann im Rahmen der Erfindung auch auf andere Weise erfol- gen, etwa durch in einer Zylinderfläche liegenden schraubenförmigen Nu- ten mit dazwischenliegenden Rollkörpern, in der Art einer Kugelrollspin- del.
Am äusseren Umfang des ersten Ringes 11und des zweiten Ringes 12, sind Angriffsflächen 13,14 für die Zugmittel vorgesehen. Durch Wahl des Radius dieser Angriffsflächen und des Treibrades ist die Übersetzung zwi- schen Drehzahl des Motors und relativer Verdrehung der Ringe bestimmt.
Aus einem abseits der Drehachse 10 vorgesehenen Elektromotor 18 ragt eine Motorwelle 19 mit einem drehfest auf ihr sitzenden Treibrad 20 her- aus. Da zwischen dem Motor 18 und dem Treibrad 20 kein Unterset- zungsgetriebe vorgesehen ist, dreht sich dieses mit Motordrehzahl. Das Treibrad 20 ist über ein Zugmittel 21 mit den beiden Ringen 11, 12 an- triebsverbunden. Das Zugmittel 21 ist hier ein Seile, etwa ein Drahtseil, und besteht aus zwei Trumen 22,23, wovon das erste zur Angriffsfläche 13 am ersten Ring führt, diese über eine gewisse Bogenlänge oder mehre- re Schläge umschlingt und schliesslich mit seinem Ende am ersten Ring 11 befestigt ist. Die Befestigung ist nicht dargestellt. In ähnlicher Weise läuft das zweite Trum 23 vom Treibrad 20 zur Angriffsfläche 14 des zweiten Ringes 12, deren Radius kleiner als der Angriffsfläche 13 am ersten Ring ist.
Wegen der Unterschiede der Radien der beiden Angriffsflächen 13,14 und der Umschlingungsrichtungen drehen sich die beiden Ringe 11,12 hier
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gleichsinnig, aber mit verschiedener Drehzahl. Bei entsprechender Wahl der Radien der beiden Angriffsflächen 13,14 ist trotz hoher Drehzahl des
Treibrads 20 und noch immer hoher Drehzahl der beiden Ringe 11,12 eine sehr kleine Drehzahldifferenz zwischen den beiden Ringen 11,12 und da- mit eine sehr hohe Kraftübersetzung mit sehr geringen Reibungsverlusten erreichbar. Diese sind so klein, dass die Kraft der Kupplungsfedern 5 ausreicht, um zwischen den beiden Ringen 11,12 ein Drehmoment zu erzeugen, das bei der in Fig. 2 eingezeichneten Drehrichtung A des Treibrads 20 das erste Trum 22 gespannt hält.
Schliesslich ist noch ein Kraftsensor 24 angedeutet, der bei der bevorzugten Steuerung des Elektromotors 18 über den von ihm aufgenommenen Strom aber überflüssig ist.
Die Ausführungsform der Fig. 3,4 unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, dass an Stelle des einzigen Treibrades ein erstes Treibrad 30 und ein zweites Treibrad 31vorgesehen sind, die jeweils über ein eigenes Zugmittel 32,33 mit den Ringen 11,12 verbunden sind. Es sind also zwei Zugmittel 32, 33 vorhanden, von denen jedes mit seinen beiden Enden am jeweiligen Treibrad 30,31 und am jeweiligen Ring 11,12 befestigt ist.
Die Ausführungsform der Fig. 5,6 unterscheidet sich von der der Fig.3 dadurch, dass die beiden Zugmittel 52,53 geschlossene umlaufende Riemen (zum Beispiel Treibriemen) sind, die jedes der beiden Treibräder 50,51in der Art eines gewöhnlichen Riementriebes mit dem jeweiligen Ring 54,55 treibend verbinden.