DE10035276A1

DE10035276A1 - Elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung

Info

Publication number: DE10035276A1
Application number: DE2000135276
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schneider; Helmut Fronius
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2002-01-31

Abstract

Es wird eine elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung mit einem Rotorelement (2), einem feststehenden Magnetkörper (6) und einem axial verschieblich gelagerten, topfförmigen Ankerelement (28) vorgeschlagen. Ein zylindermantelförmiger Bereich (28B) des Ankerelements (28) erstreckt sich mit engem radialen Luftspalt entlang einer äußeren Mantelfläche (12) des Magnetkörpers (6). Zwischen dem Ankerelement (28) und einer Reibfläche (30) des Rotorelements befindet sich ein überbrückbarer Arbeitsluftspalt (S). Um das abtriebsseitige Massenträgheitsmoment möglichst gering zu halten, wird vorgeschlagen, das Rotorelement (2) abtriebsseitig und das Ankerelement (28) antriebsseitig anzuordnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätig bare, schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung mit einem topfartig ausgebildeten Ankerelement.

Eine elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung mit einem derartigen Ankerelement ist in der nicht vor veröffentlichten DE 199 51 630 gezeigt. Diese Kupplung weist ein drehbar gelagertes Rotorelement, einen festste henden Magnetkörper mit einer Magnetspule und ein dreh bares, jedoch axial verschieblich gelagertes, topfartiges Ankerelement auf. Das Ankerelement weist einen ringschei benförmigen Bereich und einen zylindermantelförmigen Bereich auf. Das Ankerelement taucht mit einem zylinderman telförmigen Bereich in eine Ringnut des Magnetkörpers ein, wobei über einen engen, radialen Luftspalt Magnetfluß über tragen werden kann. Diese Bauart von elektromagnetisch betätigbaren Kupplungen ist kostengünstig herstellbar, weist einen geringen Bauraumbedarf und eine hohe Zuverläs sigkeit auf. Eine derartige Kupplung eignet sich bei handgeführten Schlagbohrmaschinen zum wahlweisen Kuppeln oder Entkuppeln des Antriebsmotors vom abtriebsseitigen Bohrwerkzeug. Die Kupplung spricht auf hohe Lasten und/oder Auslenkbewegungen des Gehäuses der Schlagbohrmaschine an, wie sie beim Verhaken des Bohrwerkzeugs auftreten. Hier durch kann ein Verletzungsrisiko des Maschinenbedieners vermieden werden. Die in der DE 199 51 630 beschriebene Kupplung ist dafür vorgesehen, so in einer Schlagbohr maschine eingebaut zu werden, daß das Rotorelement trieblich ständig mit dem Antriebsmotor und das Ankerele ment trieblich ständig mit dem Bohrwerkzeug bzw. der Bohrwerkzeugaufnahme in Verbindung steht.

Es hat sich gezeigt, daß, bedingt durch abtriebssei tige Übersetzungen, nach dem Auslösen der Kupplung bis zum völligen Stillstand der abtriebsseitigen Elemente noch unerwünschte Reaktionsmomente auf das Gehäuse der Schlag bohrmaschine wirken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese unerwünschten Reaktionsmomente, die noch nach dem Auslösen der Kupplung auftreten können, auf ein Minimum zu reduzie ren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Demnach ist also das Rotorelement abtriebsseitig und das Ankerelement antriebs seitig angeordnet. Aufgrund der Topfform weist das Anker element an seiner Zylindermantelfläche in großem Abstand vom Drehzentrum erhebliche Anteile seiner Gesamtmasse auf und besitzt daher ein großes Massenträgheitsmoment. Das Rotorelement weist demgegenüber einen geringeren Durch messer und geringere Massenanteile, die weit vom Drehzen trum entfernt sind, auf. Es besitzt daher ein sehr viel kleineres Massenträgheitsmoment, wodurch der Drehimpuls, der nach dem Auslösen der Kupplung abtriebsseitig abgebaut werden muß, sehr viel kleiner ist. Ein Ausreißen eines handgeführten Werkzeugs nach dem Auslösevorgang der Kupp lung wird hierdurch auf ein Minimum reduziert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Reibfläche des Rotorelements der Seite des ringschei benförmigen Bereichs des Ankerelements zugeordnet, welche dem zylindermantelförmigen Bereich des Ankerelements ge genüberliegt. Im geschalteten Zustand der Kupplung liegt die Reibfläche des Rotorelements also sozusagen außerhalb des topfförmigen Ankers am Topfboden an, wobei das Rotor element im wesentlichen außerhalb des vom Ankerelement beanspruchten axialen Bauraums liegt. Das Rotorelement be findet sich dadurch sehr nahe an der Abtriebsseite, wodurch eine kurze, abtriebsseitige Welle mit entsprechend kleinem Trägheitsmoment ermöglicht wird.

Entsprechend dem höheren antriebsseitigen Massen trägheitsmoment der Kupplung verbleibt nach einem Aus lösevorgang ein höherer antriebsseitiger Drehimpuls im System. Um ein längeres Auslaufen der Antriebsseite nach einem Auslösevorgang zu vermeiden, ist in einer vorteilhaf ten Ausgestaltung der Erfindung das Ankerelement zwischen zwei Endlagen axial verschiebbar, wobei es in der ersten Endlage reibschlüssig mit dem Rotorelement gekoppelt ist und in der zweiten Endlage reibschlüssig an einem festste henden Bremsring anliegt.

Diese Ausgestaltung kann vorteilhaft dadurch weiterge bildet werden, daß das Ankerelement mittels eines axial auslenkbaren Federelements mit einer Ankerwelle verbunden bzw. verbindbar ist, wobei das Ankerelement durch das Federelement axial gegen den Bremsring vorgespannt ist. Im stromlosen Zustand, der nach einer Auslösung der Kupplung herrscht, wird diese mit einfachen Mitteln gebildete Bremse durch die Vorspannkraft des Federelements betätigt. Insbe sondere in Kombination mit einer Ausführungsform, bei der die Reibfläche des Rotorelements der Seite des ringschei benförmigen Bereichs des Ankerelements zugeordnet ist, welche dem zylindermantelförmigen Bereich des Ankerelements gegenüberliegt, wird mit äußerst einfachen Mitteln eine Kupplungs-Bremskombination geschaffen. Das Ankerelement weist dann an beiden axialen Enden jeweils eine Reibfläche auf. Eine Reibfläche ist am ringscheibenförmigen Bereich des Ankers, sozusagen am Topfboden, gegenüber dem Rotorele ment und eine Reibfläche an der Stirnfläche des zylinder mantelförmigen Bereichs gegenüber dem Bremsring angeordnet. Die Reibflächen des Rotorelements und des Bremsrings bilden axiale Anschläge, zwischen denen das Ankerelement hin- und herbewegbar ist.

Eine bauraumgünstige Ausgestaltung der Kupplung zeich net sich dadurch aus, daß auf der Ankerwelle ein Flansch zur Verbindung mit dem Federelement, welches das Ankerele ment trägt, vorgesehen ist, welcher bei stromdurchflossener Magnetspule einen Magnetfluß zwischen dem Magnetkörper und dem Rotorelement leitet. Wenn ein erster Teil des Flansches sich mit engem radialen Luftspalt axial entlang einer in neren Mantelfläche des Magnetkörpers erstreckt und ein zweiter Teil des Flansches eine Nabe des Rotorelements mit engem radialen Luftspalt umfaßt, kann der Magnetfluß jeweils über die engen radialen Luftspalte mit geringem Verlust zwischen den mit unterschiedlichen Drehzahlen sich drehenden Teilen übertragen werden. Neben der Funktion, das Ankerelement an die antriebsseitige Ankerwelle mechanisch zu koppeln, wird von dem Flansch also auch die Funktion, das Rotorelement magnetisch an den Magnetkörper zu koppeln, erfüllt.

Die erfindungsgemäße, elektromagnetisch betätigbare Kupplung und ihre Ausführungsformen eignen sich aufgrund ihres geringen abtriebsseitigen Massenträgheitsmoments, ihrer kompakten Bauform und ihrer geringen Herstellkosten zur wahlweisen Koppelung bzw. Entkoppelung eines An triebsmotors und eines Bohr- oder Schlagbohrwerkzeugs in einer handgeführten Bohr- oder Schlagbohrmaschine.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

In der einzigen Figur ist mit 2 ein auf einer Rotor welle 4 angeordnetes Rotorelement bezeichnet. Die Rotorwel le 4 ist mittels nicht dargestellter Lager drehbar gela gert. Ein feststehender Magnetkörper 6 ist mit einer Ma gnetspule 8 versehen, die zwischen einer inneren Mantelflä che 10 und einer äußeren Mantelfläche 12 des Magnetkörpers angeordnet ist. Der Magnetkörper 6 ist feststehend im Ge häuse 14 der Kupplung angeordnet, so daß die Stromversor gung der Magnetspule 8 schleifringlos erfolgt. Im Innenman tel 10 des Magnetkörpers 6 ist ein Kugellager 16 durch ei nen Sicherungsring 18 gehalten, welches auf einer an triebsseitigen Ankerwelle 20 sitzt. Auf der Ankerwelle 20 sitzt drehfest ein Flansch 22, an dem mittels Befestigungs schrauben 24 ein axial federndes, jedoch drehsteifes Fe derelement 26 befestigt ist. Eine mögliche Ausgestaltung des Federelements ist in der erwähnten DE 199 51 630 be schrieben. Es wird erklärt, daß der Inhalt dieser früheren Anmeldung vom Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung umfaßt wird.

Das Federelement 26 trägt das Ankerelement 28, das somit drehsteif mit dem Flansch 22 verbunden ist, jedoch gegenüber dem Flansch axial auslenkbar ist. Das Ankerele ment 28 ist topfförmig mit einem ringscheibenförmigen Be reich 28A und einem zylindermantelförmigen Bereich 28B aus gebildet. Zwischen dem zylindermantelförmigen Bereich 28B des Ankerelements und der äußeren Mantelfläche 12 des Ma gnetkörpers 6 befindet sich ein enger radialer Luftspalt, über den ein Magnetfluß vom Ankerelement auf den Magnetkör per bzw. umgekehrt übertragen werden kann. Zwischen dem ringscheibenförmigen Bereich 28A des Ankerelements und einer axial gegenüberliegenden, ringscheibenförmigen Reib fläche 30 des Rotorelements 2 befindet sich ein überbrück barer, axialer Arbeitsluftspalt S. Wird die Magnetspule 8 von elektrischem Strom durchflossen, bilden sich im Bereich des Arbeitsluftspalts S am Rotorelement und am Ankerelement magnetische Pole aus, die eine Anziehungskraft bewirken. Durch die Anziehungskraft wird das Ankerelement 28 axial in Richtung des Rotorelements ausgelenkt, so daß der Arbeits luftspalt S überbrückt ist und die beiden Elemente reib schlüssig miteinander verbunden sind.

Diese Schaltstellung nimmt die Kupplung in einer hand geführten Bohr- oder Schlagbohrmaschine während des Be triebs ein. Ein Bohr- bzw. Schlagbohrwerkzeug wird dann von einem Antriebsmotor angetrieben. Tritt eine Überlast auf oder wird eine über ein vorgegebenes Maß hinausgehende Aus lenkbewegung des Gehäuses der Maschine festgestellt, so wird das abtriebsseitige Werkzeug vom Antriebsmotor entkop pelt, indem die Magnetspule 8 stromlos geschaltet wird. Durch eine Vorspannkraft des Federelements 26 wird das An kerelement 28 vom Rotorelement getrennt.

Die Abtriebsseite der Kupplung, die vom Rotorelement 2 und der Rotorwelle 4 gebildet wird, weist nur ein sehr ge ringes Massenträgheitsmoment auf, wodurch eine weitere Aus lenkbewegung nach der Auslösung der Kupplung auf ein Mini mum reduziert wird.

Die Reibfläche 30 des in Fig. 1 dargestellten Rotor elements 2 ist der Seite des ringscheibenförmigen Be reichs 28A des Ankerelements 28 zugeordnet, welche dem zy lindermantelförmigen Bereich 28B des Ankerelements 28 ge genüberliegt. Die axiale Bewegung des Ankerelements 28 wird einerseits durch das Rotorelement 2 und auf der anderen Seite durch einen Bremsring 32 begrenzt. Das Ankerele ment 28 ist zwischen zwei Endlagen axial verschiebbar, wo bei es in der ersten, linken Endlage reibschlüssig mit dem Rotorelement 2 gekoppelt ist und in der zweiten, rechten Endlage reibschlüssig an dem feststehenden Bremsring 32 anliegt. Im stromlosen Zustand der Kupplung übt dabei das Federelement 26 eine axiale Vorspannkraft auf das Ankerele ment 28 aus, durch welche das Ankerelement axial gegen den Bremsring gedrückt wird. Nach einem Auslösen der Kupplung wird die Ankerwelle 20 mit dem Ankerelement 28 sowie der damit trieblich verbundene Antriebsmotor in kurzer Zeit bis zum Stillstand abgebremst. Dadurch ergibt sich für den Ma schinenbediener nur eine sehr kurze Wartezeit, bis die Ma schine nach einem Auslösevorgang wieder betriebsbereit ist.

Der Flansch 22, der die triebliche Verbindung zwischen Ankerwelle 20 und dem Federelement 26 bzw. dem Ankerele ment 28 herstellt, erstreckt sich mit engem radialen Luftspalt entlang einem Teil der inneren Mantelfläche 10 des Magnetkörpers 6. Über den engen radialen Luftspalt wird ein Magnetfluß von dem Magnetkörper auf den Flansch über tragen. In einem zweiten Bereich des Flansches wird eine Nabe 34 des Rotorelements 2 mit engem radialen Luftspalt umfaßt. Ein Magnetfluß, der durch die Linie 36 dargestellt ist und der sich bei stromdurchflossener Magnetspule 8 ein stellt, fließt also von der radial inneren Mantelfläche 10 des Magnetkörpers 6 über einen Luftspalt auf den Flansch 22, von dort über einen engen radialen Luftspalt auf die Nabe 34 des Rotorelements, von dort über den über brückten Arbeitsluftspalt S auf das topfförmige Ankerele ment 28 und von dort über einen engen radialen Luftspalt auf die äußere Mantelfläche 12 des Magnetkörpers 6.

Bezugszeichen

2

Rotorelement

4

Rotorwelle

6

Magnetkörper

8

Magnetspule

10

innere Mantelfläche

12

äußere Mantelfläche

14

Gehäuse

16

Lager

18

Sicherungsring

20

Ankerwelle

22

Flansch

24

Schraube

26

Federelement

28

Ankerelement

28

A ringscheibenförmiger Bereich

28

B zylindermantelförmiger Bereich

30

Reibfläche

32

Bremsring

34

Nabe

36

Magnetfluß

Claims

1. Elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Ein flächen-Reibungskupplung mit einem drehbar gelagerten Rotorelement (2), mit einem feststehenden Magnetkörper (6), welcher mit einer Magnetspule (8) versehen ist und mit ei nem drehbaren, jedoch axial verschieblich gelagerten An kerelement (28), wobei das Ankerelement (28) topfartig mit einem ringscheibenförmigen Bereich (28A) und einem zylin dermantelförmigen Bereich (28B) ausgebildet ist, wobei sich der zylindermantelförmige Bereich des Ankerelements (28B) mit engem radialen Luftspalt axial entlang einer äußeren Mantelfläche (12) des Magnetkörpers erstreckt, und zwischen dem ringscheibenförmigen Bereich (28A) des Ankerelements und einer axial gegenüberliegenden, ringscheibenförmigen Reibfläche (30) des Rotorelements (2) ein überbrückbarer, axialer Arbeitsluftspalt (5) vorhanden ist, wobei das An kerelement (28) durch Magnetkraft axial verschiebbar und reibschlüssig mit dem Rotorelement (2) kuppelbar ist, und wobei das Rotorelement (2) abtriebsseitig und das Ankerele ment (28) antriebsseitig angeordnet ist.

2. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Reibfläche (30) des Rotorelements der Seite des ringscheibenförmigen Be reichs (28A) des Ankerelements (28) zugeordnet ist, welche dem zylindermantelförmigen Bereich (28B) des Ankerele ments (28) gegenüberliegt.

3. Reibungskupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankerelement (28) zwischen zwei Endlagen axial verschiebbar ist, wobei es in der ersten Endlage reibschlüssig mit dem Rotorelement (2) gekoppelt ist und in der zweiten Endlage reibschlüssig an einem feststehenden Bremsring (32) anliegt.

4. Reibungskupplung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ankerelement (28) mit tels eines axial auslenkbaren Federelements (26) mit einer Ankerwelle (20) verbunden ist, wobei das Ankerelement (28) durch das Federelement (26) axial gegen den Bremsring (32) vorgespannt ist.

5. Reibungskupplung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß auf der Ankerwelle (20) ein Flansch zur Verbindung mit dem Federelement (26) vorgesehen ist, der bei stromdurchflossener Magnetspule (8) einen Ma gnetfluß (26) zwischen dem Magnetkörper (6) und dem Rotor element leitet.

6. Reibungskupplung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß ein erster Teil des Flan sches sich mit engem radialen Luftspalt axial entlang einer inneren Mantelfläche (10) des Magnetkörpers (6) erstreckt und ein zweiter Teil des Flansches eine Nabe (34) des Rotorelements mit engem radialen Luftspalt umfaßt.

7. Handgeführte Bohr- oder Schlagbohrmaschine mit ei nem Antriebsmotor und einem Bohr- oder Schlagbohrwerkzeug mit einer elektromagnetisch betätigbaren Einflächen- Reibungskupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.