DE10125733B4

DE10125733B4 - Kupplung

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Publication number: DE10125733B4
Application number: DE2001125733
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: DE10125733A1

Abstract

Kupplung, insbesondere zur Verbindung eines Rotors (111) eines Ultraleichtmodellhelikopters mit einem Antriebsmotor (114), mit einem ersten Antriebselement (102), das von dem Antriebsmotor (114) in Rotation versetzt werden kann, und mit mindestens einer Abtriebswelle (104), auf die ein von dem Antriebsmotor (114) geliefertes Antriebsmoment zumindest teilweise übertragen werden kann, wobei
– eine Momentenübertragung auf die Abtriebswelle (104) über ein Laufrad (106) erfolgt,
– eine wippenartig schwenkbare Stellvorrichtung auf die Abtriebswelle (104) eine variierbare Kraft (F) ausübt, um einen Kontakt des Laufrads (106) mit dem ersten Antriebselement (102) herzustellen oder zu unterbrechen, wobei die Stellvorrichtung einen in Richtung auf die Abtriebswelle (104) schwenkbar gelagerten, an der Abtriebswelle (104) angreifenden Hebel (108) und ein am Hebel (108) angeordnetes, magnetisierbares Element (109) aufweist,
– die Kraft (F) über ein auf das magnetisierbare Element (109) einwirkendes Magnetfeld variiert wird, das durch eine elektrische Ansteuerung von mindestens einer Spule (105) beeinflußbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung, insbesondere zur Verbindung eines Rotors eines Ultraleichtmodellhelikopters mit einem Antriebsmotor, mit einem ersten Antriebselement, das von einem Antriebsmotor in Rotation versetzt werden kann, und mit zumindest einer Abtriebswelle, auf die ein von dem Antriebsmotor geliefertes Antriebsmoment zumindest teilweise übertragen werden kann.

Trennbare Kupplungen sind schon seit langem bekannt, s. EP 1 010 911 A1 , worin eine trennbare Reibungskupplung für KFZ beschrieben ist. Dabei wird über eine elektromotorisch betriebene, rotatorische bewegte Stelleinrichtung eine translatorische Bewegung des Stellglieds (Kupplungsscheibe) erzeugt. Dieses Servosystem ist sehr aufwändig und für die Übertragung großer Kräfte gedacht. Ebenfalls eine trennbare Reibungskupplung beschreibt DE 196 00 244 A1 und DE 3021 998 A1 , jedoch wird hier das Stellglied direkt translatorisch über einen koaxial zum Stellglied angeordneten Elektromagneten bewegt. US 2 861 459 beschreibt eine elektromagnetische Reibkupplung, bei der das Stellglied gegen eine schräge Federplatte gedrückt wird, wobei je nach elektromagnetisch erzeugter Kraft ein mehr oder weniger großer Kontaktweg zwischen Stellglied und Federplatte hergestellt wird. GB 2 034 129 A beschreibt zwei parallel angeordnete Wellen, die elektromagnetisch über ein Reibrad miteinander in Verbindung ge bracht werden können. CH 17 043 beschreibt einen ähnlichen Kupplungsmechanismus, bei dem jedoch die beiden Wellen senkrecht zueinander stehen und der stellende Elektromagnet an einer der Wellen befestigt ist und auch gleichzeitig den Reibschluß zur anderen Welle herstellt. Bei CH 572 173 A5 wird der Stellantrieb als Reibungswendegetriebe mit zwei Rollen dargestellt, die elektromagnetisch gegen eine vertikal angeordnete Scheibe gezogen werden. Rollen und Scheibe müssen aus magnetisierbarem Material sein. US 2 921 479 beschreibt einen ein Kupplungsgehäuse benötigenden Stellmechanismus der auf einer im Kupplungsgehäuse befindlichen magnetisierbaren Flüssigkeit beruht. In US 3 538 780 bzw. GB 1 110 976 wird ein Kupplungsmechanismus ähnlich zu CH 17 043 beschrieben, allerdings ist hier der Elektromagnet nicht an bewegten Teilen befestigt sondern dient zur Auslenkung der Wellen in koaxiale bzw. vertikale Richtungen.

Im Zusammenhang mit Fluggeräten wie z.B. ultraleichten Modellhelikoptern ist es aus Gründen der Energieversorgung, Robustheit und Dynamik sehr wünschenswert z.B. zum Antrieb des Heckmotors (s. auch DE 200 01 233 U1 bzw. DE 200 06 526 U1 ) über besonders leichtgewichtige Kupplungen mit schnellen Ein- bzw. Auskoppelzeiten zu verfügen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kupplung dahingehend weiterzubilden, dass sie in Leichtbauweise und sehr kostengünstig herstellbar ist und eine schnelle und exakte Einstellung beziehungsweise Regelung des übertragenen Moments ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Vorgenannte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst wobei sich Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus den Unteransprüchen ergeben.

Dabei baut die erfindungsgemäße Kupplung auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf,

– daß eine Momentenübertragung auf die zumindest eine Abtriebswelle über ein Laufrad erfolgt,
– daß eine wippenartig schwenkbare Stellvorrichtung auf die Abtriebswelle eine variierbare Kraft ausübt, um einen Kontakt des Laufrads mit dem ersten Antriebselement herzustellen oder zu unterbrechen, wobei die Stellvorrichtung einen in Richtung auf die Abtriebswelle schwenkbar gelagerten, an der Abtriebswelle angreifenden Hebel und ein am Hebel angeordnetes, magnetisierbares Element aufweist, und
– daß die Kraft über ein Magnetfeld variiert wird, das durch die elektrische Ansteuerung von zumindest einer Spule beeinflussbar ist, die Bestandteil der Stellvorrichtung ist.

Beispielsweise im Zusammenhang mit einem Ultraleichtmodellhelikopter ermöglicht es die erfindungsgemäße Lösung, dass der Hauptrotor und der Heckrotor mit nur einem Antriebsmotor, insbesondere einem Elektromotor, angetrieben werden, wobei die Drehzahl des Heckrotors über die Einstellung der durch die erfindungsgemäße Kupplung übertragene Momente variiert werden kann, indem die zumindest eine Spule in geeigneter Weise angesteuert wird. Die erfindungsgemäße Lösung kann auch bei Fluggeräten eingesetzt werden, die mehrere Hauptrotoren aufweisen. Wenn beispielsweise drei an den Ecken eines Dreiecks vorgesehene Rotoren oder vier an den Ecken eines Vierecks vorgesehene Rotoren vorgesehen sind, ermöglicht es die erfindungsgemäße Kupplung, alle Rotoren mit nur einem zentralen Antriebsmotor anzutreiben. In diesem Fall sind drei beziehungsweise vier Abtriebswellen vorgesehen, denen vorzugsweise jeweils eine jeweilige Stellvorrichtung zugeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Kupplung kann in vielen Fällen auf aufwendige Getriebe verzichtet werden, die beim Stand der Technik dazu erforderlich sind, die Drehzahl der Abtriebswelle unabhängig von der Drehzahl des Antriebselementes zu variieren. Durch die Mehrfachverwendung der Kupplung kann statt mehrerer leistungsschwacher Motoren ein zentraler Motor verwendet werden, was in der Regel zu höherer Effizienz, besserer Ausfallsicherheit, Gewichtsersparnis und geringeren Herstellkosten führt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Stellvorrichtung weiterhin ein magnetisierbares Element aufweist, das in kraftschlüssiger Verbindung mit dem Laufrad steht. Das magnetisierbare Element leistet einen Beitrag zu dem Magnetfeld, über das die Kraft variiert wird, mit der das Laufrad gegen das erste Antriebselement gedrückt wird.

In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise vorgesehen, dass das magnetisierbare Element durch einen Permanentmagneten und/oder eine weitere Spule gebildet ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird nur ein Permanentmagnet verwendet, damit eine elektrische Ansteuerung der weiteren Spule nicht erforderlich ist.

Bei bestimmten Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn das Laufrad ohne elektrische Ansteuerung der Spule eine Ruhestellung einnimmt, in der keine Momentenübertragung stattfindet. Es sind jedoch ebenfalls Ausführungsformen denkbar, bei denen das Laufrad ohne elektrische Ansteuerung der Spule derart vorgespannt wird, dass es mit einem geeigneten Druck an dem ersten Antriebselement anliegt.

Insbesondere im vorstehend erläuterten Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Abtriebswelle elastisch biegbar ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Stellvorrichtung direkt oder über einen Hebel auf die Abtriebswelle einwirkt.

Insbesondere wenn die Abtriebswelle elastisch biegbar ist, kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Abtriebswelle eine Ruhestellung des Laufrades vorgibt. Diese Ruhestellung kann entweder derart gewählt werden, dass kein Moment übertragen wird, oder derart, dass ein gewünschtes Moment übertragen wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kupplung sieht vor, dass das erste Antriebselement auf einer Welle angeordnet ist, und dass auf der Welle ein zweites Antriebselement angeordnet ist, gegen das das Laufrad ebenfalls mit einer variierbaren Kraft gedrückt werden kann, um die Abtriebswelle mit entgegengesetzter Drehrichtung anzutreiben. Wenn die Abtriebswelle eine elastisch biegbare Abtriebswelle ist, kann bei einer derartigen Ausführungsform beispielsweise vorgesehen sein, dass sich das Laufrad in der Ruhestellung der Abtriebswelle derart zwischen dem ersten Antriebselement und dem zweiten Antriebselement befindet, dass keine Momente übertragen werden.

Weiterhin ist in besonders bevorzugter Weise vorgesehen, dass die Verbindung zwischen Laufrad und einem ersten Antriebselement beziehungsweise einem zweiten Antriebselement reibschlüssig erfolgt.

Insbesondere im Zusammenhang mit einem Ultraleichtmodellhelikopter kann vorgesehen sein, dass die Welle eine Hauptrotorwelle ist, die einen Hauptrotor antreibt. Wie erwähnt können gegebenenfalls auch mehrere Hauptrotoren vorgesehen sein.

Insbesondere im vorstehend erläuterten Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Abtriebswelle mit einem Rotor in Verbindung steht.

Im Zusammenhang mit einem Helikopter kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Rotor ein Heckrotor ist.

Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass die Abtriebswelle im Bereich des Rotors durch ein Lager gelagert ist. Dies ist insbesondere bei Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Abtriebswelle elastisch biegbar ist und bei denen die Stellvorrichtung auf einen Endabschnitt der Abtriebswelle einwirkt, der dem Rotor gegenüberliegt.

Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Lösung bei bestimmten Einsatzgebieten vorsehen, dass zumindest eine weitere Abtriebswelle vorgesehen ist, die wie die zumindest eine Antriebswelle angetrieben wird. Diese Ausführungsform ist beispielsweise bei Fluggeräten vorteilhaft, die mehrere (Haupt-) Rotoren aufweisen.

In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Momentenübertragung auf die weitere Abtriebswelle unabhängig von der Momentenübertragung auf die zumindest eine Abtriebswelle variierbar ist. Es sind jedoch ebenfalls Ausführungsformen denkbar, beispielsweise wenn vier Abtriebswellen vorgesehen sind, die jeweils einen Rotor antreiben, bei denen jeweils zwei oder mehr Abtriebswellen gekoppelt sind, beispielsweise indem sie durch eine gemeinsame Stellvorrichtung angelenkt werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das erste Antriebselement und/oder das zweite Antriebselement eine Außenverzahnung aufweist, die in ein auf der Antriebsmotorabtriebswelle angeordnetes Zahnrad eingreift, um das erste Antriebselement und/oder das zweite Antriebselement in Rotation zu versetzen. Es sind jedoch ebenfalls Ausführungsformen denkbar, bei denen ein Riemenantrieb oder ein Reib- beziehungsweise Laufradantrieb oder dergleichen eingesetzt wird.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kupplung ist vorgesehen, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule impulsförmig erfolgt. Dabei kann durch die Polarität der Impulse die Arbeitsrichtung der Stellvorrichtung variiert werden.

Insbesondere in diesem Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule volldigital erfolgt. Eine volldigitale Ansteuerung ergibt zum einen vielfältige Regelungs- beziehungsweise Steuerungsmöglichkeiten und lässt sich zum anderen kostengünstig verwirklichen.

Insbesondere im Zusammenhang mit einem Helikopter, insbesondere einem Ultraleichtmodellhelikopter, kann vorgesehen sein, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule in Abhängigkeit von Signalen erfolgt, die von einem Gyro-System geliefert werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Abtriebswelle mit einem Heckrotor in Verbindung steht.

Unabhängig vom Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Kupplung kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebswelle und/oder in Abhängigkeit von dem auf die Abtriebswelle übertragenen Moment erfolgt. Die Drehzahl beziehungsweise das Moment werden hierzu vorzugsweise durch geeignete Sensoren erfasst, so dass geschlossene Regelkreise verwirklicht werden können.

Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass der Antriebsmotor derart angesteuert wird, dass die Drehzahl des ersten Antriebselements und/oder des zweiten Antriebselements unabhängig von dem auf die zumindest eine Abtriebs welle übertragene Moment einstellbar ist. Dies kann insbesondere im Zusammenhang mit Helikoptern erforderlich sein, damit beispielsweise die Drehzahl des Hauptrotors nicht abnimmt, wenn ein größeres Moment auf den Heckrotor übertragen wird, um beispielsweise eine Drehung des Helikopters um die Hauptrotorachse zu vermeiden oder hervorzurufen.

Jeder Bausatz, der zur Herstellung einer Kupplung, insbesondere zur Verbindung eines Rotors eines Ultraleichtmodellhelikopters, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geeignet ist, fällt in den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche.

Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnung noch näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung zum Antrieb eines Heckrotors;
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die folgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels erfolgt beispielhaft für einen Ultraleichtmodellhelikopter.
1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung zum Antrieb eines Heckrotors. Der in 1 dargestellte Heckrotorantrieb basiert auf dem Prinzip der elektromechanischen Kupplung. Dabei wird die Kraft von einem Elektromotor 114 über das aus den Zahnrädern 113 und 102 bestehende Getriebe auf die Hauptrotorwelle 101 und damit auf den Hauptrotor 112 übertragen. Das auf der Hauptrotorwelle 101 angebrachte, an seiner Unterseite ebene Zahnrad 102 dient als Lauffläche für ein axial an der elastischen Heckrotorwelle 104 angebrachtes Laufrad 106. Die vom Zahnrad 102 auf das Laufrad 106 übertragene Leistung kann reguliert werden, indem die Andruckkraft über den über die Spule 105 und den Permanentmagneten 109 betriebenen Hebel 108 durch unterschiedlich lange Stromimpulse 107 variiert wird. Dabei erfolgt die Rückstellung des Laufrades 106 nach jedem Impuls durch die Rückstellkraft der elastischen Heckrotorwelle 104. Durch ein genügend weit vom Laufrad 106 angebrachtes Festlager 110 der Heckrotorwelle 104, können die elastischen Rückstellkräfte so eingestellt werden, dass einerseits genügend Kraft als Rückstellkraft zur Verfügung steht, um das Laufrad 106 wieder in die Ursprungsposition zu überführen, andererseits die Rückstellkraft jedoch klein genug gehalten werden kann, um von der Hebelvorrichtung überwunden zu werden. Optional besteht noch die Möglichkeit der Schubumkehr des Heckrotors 111, indem ein zweites Laufrad 103 an die Hauptrotorwelle 101 angebracht wird, so dass das Laufrad 106 je nach Impulsfolge entweder durch das obere Zahn- beziehungsweise Laufrad 102 oder das untere Laufrad 103 ange trieben wird oder in einer inaktiven Mittelstellung verharrt.

Claims

Kupplung, insbesondere zur Verbindung eines Rotors (111) eines Ultraleichtmodellhelikopters mit einem Antriebsmotor (114), mit einem ersten Antriebselement (102), das von dem Antriebsmotor (114) in Rotation versetzt werden kann, und mit mindestens einer Abtriebswelle (104), auf die ein von dem Antriebsmotor (114) geliefertes Antriebsmoment zumindest teilweise übertragen werden kann, wobei – eine Momentenübertragung auf die Abtriebswelle (104) über ein Laufrad (106) erfolgt, – eine wippenartig schwenkbare Stellvorrichtung auf die Abtriebswelle (104) eine variierbare Kraft (F) ausübt, um einen Kontakt des Laufrads (106) mit dem ersten Antriebselement (102) herzustellen oder zu unterbrechen, wobei die Stellvorrichtung einen in Richtung auf die Abtriebswelle (104) schwenkbar gelagerten, an der Abtriebswelle (104) angreifenden Hebel (108) und ein am Hebel (108) angeordnetes, magnetisierbares Element (109) aufweist, – die Kraft (F) über ein auf das magnetisierbare Element (109) einwirkendes Magnetfeld variiert wird, das durch eine elektrische Ansteuerung von mindestens einer Spule (105) beeinflußbar ist.
Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (105, 109) weiterhin ein magnetisierbares Element (109) aufweist, das in kraftschlüssiger Verbindung mit dem Laufrad (106) steht.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad ohne elektrische Ansteuerung der Spule (105) eine Ruhestellung einnimmt, in der keine Momentenübertragung stattfindet.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (104) elastisch biegbar ist.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (104) eine Ruhestellung des Laufrades (102) vorgibt.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebselement (102) auf einer Welle (101) angeordnet ist, und dass auf der Welle (101) ein zweites Antriebselement (103) angeordnet ist, gegen das das Laufrad (102) ebenfalls mit einer variierbaren Kraft gedrückt werden kann, um die Abtriebswelle (104) mit entgegengesetzter Drehrichtung anzutreiben.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Laufrad (106) und einem ersten Antriebselement (102) beziehungsweise einem zweiten Antriebselement (103) reibschlüssig erfolgt.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (101) eine Hauptrotorwelle (101) ist, die einen Hauptrotor (112) antreibt.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (104) mit einem Rotor (111) in Verbindung steht.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (111) ein Heckrotor (111) ist.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (104) im Bereich des Rotors (111) durch ein Lager (110) gelagert ist.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Abtriebswelle vorgesehen ist, die wie die zumindest eine Abtriebswelle (104) angetrieben wird.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenübertragung auf die weitere Abtriebswelle unabhängig von der Momentenübertragung auf die zumindest eine Abtriebswelle (104) variierbar ist.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebselement (102) und/oder das zweite Antriebselement (103) eine Außenverzahnung aufweist, die in ein auf der Antriebsmotorabtriebswelle angeordnetes Zahnrad (113) eingreift, um das erste Antriebselement (102) und/oder das zweite Antriebselement (103) in Rotation zu versetzen.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule (105) impulsförmig erfolgt.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule (105) volldigital erfolgt.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule (105) in Abhängigkeit von Signalen erfolgt, die von einem Gyro-System geliefert werden.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung der zumindest einen Spule (105) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle (104) und/oder in Abhängigkeit von dem auf die Abtriebswelle (104) übertragenen Moment erfolgt.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (114) derart angesteuert wird, dass die Drehzahl des ersten Antriebselements (102) und/oder des zweiten Antriebselements (103) unabhängig von dem auf die zumindest eine Abtriebswelle (104) übertragenen Moment einstellbar ist.
Bausatz zur Herstellung einer Kupplung, insbesondere zur Verbindung eines Rotors eines Ultraleichtmodellhelikopters, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.