DE10139004A1 - Zweiwegkupplung mit begrenztem Schlupf - Google Patents

Abstract

Eine Zweiweg-Kupplung zum Ermöglichen der Übertragung eines begrenzten Drehmoments, bis eine Rollenkupplungsvorrichtung in eine Einrückposition gedrängt wird. Die vorliegende Erfindung umfasst eine Rollenkupplung mit einer daran angebrachten Drehmomenterzeugungsvorrichtung, umfassend einen Aktuator zum Erzeugen einer Axialkraft auf eine Kupplungspackung. Eine Drehmomentübertragungsvorrichtung ist zwischen der Drehmomenterzeugungsvorrichtung und der Rollenkupplung angeordnet. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung ist geeignet zum Aufnehmen eines Drehmoments von der Drehmomenterzeugungsvorrichtung und zum Übertragen eines Drehmoments auf die Rollenkupplung. Wenn ein vorbestimmter Wert eines Drehmoments durch die Drehmomenterzeugungsvorrichtung erreicht wird, so bewegt die Drehmomentübertragungsvorrichtung die Rollenkupplung zu einer Einrückposition.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN

Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen der verwandten vorläufigen Anmeldung mit der laufenden Eingangs- Nr. 60/223 744, eingereicht am 8. August 2000.

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Liefern eines Eingriffs für eine Reibkupplungsanordnung. Ge­ nauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Merkmal eines be­ grenzten Schlupfs für eine Kupplungsanordnung einer Rol­ len/Rampen-Vielzahl, welche eine begrenzte Drehmomentübertra­ gung liefert, bis die Kupplungsanordnung eingerückt ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Häufig erfordern Komponenten eines Systems einen selek­ tiven Eingriff. Zwei solcher Systeme, welche in Kraftfahrzeug­ anwendungen verwendet werden, sind Differentialanordnungen und Verteilergetriebe.

Differenzialanordnungen werden in Kraftfahrzeugen ver­ wendet, um zu ermöglichen, dass Räder sich mit verschiedenen Drehzahlen drehen, während noch immer Kraft auf die Räder übertragen wird. Verschiedene Typen von Differenzialanordnungen werden in Kraftfahrzeugen verwendet zum Umlenken der Übertra­ gung von Kraft auf die Antriebsachsen.

Eine Differentialanordnung mit begrenztem Schlupf ist ein Typ einer Differentialanordnung, welche selektiv einge­ rückt werden kann, um den Rädern eine positive Traktion zu liefern. Eine Differentialanordnung mit begrenztem Schlupf verwendet typischerweise Kupplungsbacken zum Verbinden eines Differentialgehäuses mit einem oder beiden Seitenzahnrädern, was zu einem begrenzten Betrag eines Drehmoments führt, wel­ ches auf ein nicht durchdrehendes Rad übertragen wird. Un­ glücklicherweise weisen Differentiale mit begrenztem Schlupf eine niedrige Drehmomentkapazität auf, welche während bestimm­ ter Hochleistungs-Betriebszustände dazu führen kann, dass nicht genügend Kraft durch die Differentialanordnung übertra­ gen wird. In diesen Fällen kann ein Verschleiß der Kupplungs­ backen auftreten, wodurch das Verhalten der Differentialanord­ nung ungünstig beeinflusst wird.

Eine weitere Gestaltung einer Differentialanordnung, welche verwendet wird zum Überwinden der Nachteile der Stan­ darddifferentialanordnung, ist als Sperrdifferential bekann. Ein Sperrdifferential rückt eine Klauenkupplung oder einen Axialzahnradsatz ein, um die beiden Achshälften starr miteinan­ der zu verbinden. Unglücklicherweise können Sperrdifferentiale nicht "on-the-fly" eingerückt werden, da jede Relativbewegung zwischen den Zähnen von Zahnrädern zu einer schweren mechani­ schen Beschädigung führen würde.

Ein Verteilergetriebe ist ein weiterer Typ einer Kraft­ fahrzeuganwendung, welche einen selektiven Eingriff bestimmter Systemkomponenten erfordert. Ein zuschaltbares Verteilerge­ triebe ist eine Vorrichtung, welche Kraft selektiv an die Alternativantriebsräder in einem Fahrzeug mit Vierradantrieb liefern kann. Verschiedene Typen von zuschaltbaren Verteiler­ getrieben sind bekannt. Unglücklicherweise tritt infolge der harten Betriebsbedingungen, welchen zuschaltbare Verteilerge­ triebe ausgesetzt sind, häufig Verschleiß in den Komponenten auf, was zu einem niedrigeren Niveau des Verhaltens im System führt.

Es ist in der Technik bekannt, verschiedene Antriebs­ strangkomponenten unter Verwendung von Rollen/Rampen- Kupplungsanordnungen selektiv zu sperren. Beispielsweise be­ schreibt die Zweiweg-Freilaufkupplungsanordnung, beschrieben im U.S.-Patent Nr. 5 927 456, übertragen an NTN Corporation und hierin durch Verweis enthalten, eine Kupplungsanordnung einer Rollen/Rampen-Vielheit und die Vorrichtung, durch welche die Rollen in der Anordnung gehalten und vorgespannt werden. Außerdem beschreibt die Drehübertragungsvorrichtung, beschrie­ ben im U.S.-Patent Nr. 5 924 510, ebenfalls übertragen an NTN Corporation und hierin durch Verweis enthalten, eine Vorrich­ tung, welche eine Kupplungsanordnung umfasst, welche in dem Verteilergetriebe eines Fahrzeugs mit Vierradantrieb ange­ bracht ist, welches eine Antriebskraft selektiv übertragen kann. Diese Rollenkupplungsvorrichtungen liefern jedoch häufig einen harten Eingriff zwischen Systemkomponenten, was den Ver­ schleiß erhöhen und die Leistung vermindern kann.

Es wäre erwünscht, eine Anordnung zu schaffen, welche in verschiedenen Anwendungen verwendet werden kann und die Vorteile einer Rollenkupplungsvorrichtung aufweist, während sie einen weicheren Eingriff von Komponenten liefert, oder welche verwendet werden kann zum Verzögern eines Eingriffs von Komponenten, bis dieser absolut notwendig ist. Es wäre insbe­ sondere erwünscht, diese Technologie zur Verwendung bei Diffe­ rentialanordnungen oder Verteilergetrieben zu schaffen.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine Zweiweg-Freilaufkupplungsvorrichtung zu schaffen, welche in einem System eingebaut ist, welches bei Erregung ei­ ne begrenzte Drehmomentübertragung liefert, bevor eine Ein­ gangsvorrichtung und eine Ausgangsvorrichtung starr miteinan­ der verbunden werden. Diese Anordnung liefert einen verminder­ ten Verschleiß der Komponenten des Systems, wodurch deren Ver­ halten verbessert und der Lebensdauer verlängert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Kurz ausgedrückt, sind diese und andere Aufgaben erfin­ dungsgemäß gelöst durch Vorsehen einer Anordnung zum Ermögli­ chen einer Übertragung eines begrenzten Drehmoments, bis eine Rollenkupplungsvorrichtung zu einer Einrückposition gedrängt wird. Die vorliegende Erfindung umfasst eine Rollenkupplung. Eine Drehmomenterzeugungsvorrichtung ist an der Rollenkupplung angebracht und umfaßt einen Aktuator zum Erzeugen einer Axial­ kraft auf eine Kupplungspackung. Eine Drehmomentübertragungs­ vorrichtung ist zwischen der Drehmomenterzeugungsvorrichtung und der Rollenkupplung angeordnet. Die Drehmomentübertragungs­ vorrichtung ist geeignet zum Aufnehmen eines Drehmoments von der Drehmomenterzeugungsvorrichtung zum Übertragen eines Dreh­ moments auf die Rollenkupplung. Wenn ein vorbestimmter Wert eines Drehmoments durch die Drehmomenterzeugungsvorrichtung erzeugt wird, so bewegt die Drehmomentübertragungsvorrichtung die Rollenkupplung zu einer Einrückposition.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Draufsicht eines Antriebsstrangs eines typischen Fahrzeugs mit Vierradantrieb, dessen Komponenten ausgestattet sind mit einer Kupplung des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Querschnitts-Endansicht eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Zweiweg-Kupplung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine Teilendansicht der in Fig. 2 dar­ gestellten Zweiweg-Kupplung;

Fig. 4 ist eine Querschnitts-Seitenansicht der oberen Hälfte des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Spulenstrom/der Pulsbreite und dem Drehmoment darstellt, welches durch die Zweiweg-Kupplung der vorliegenden Erfindung übertragen wird;

Fig. 6 ist eine Querschnittsseitenansicht einer obe­ ren Hälfte des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 7 ist eine Querschnittsseitenansicht einer obe­ ren Hälfte des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zweiweg-Kupplung der vorliegenden Erfindung.

KURZE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die folgende Beschreibung der drei bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung beabsichtigt nicht, den Umfang der Erfindung auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele zu beschränken, sondern soll einer beliebigen Fachkraft auf die­ sem Gebiet ermöglichen, die Erfindung zu realisieren zu nut­ zen.

In Fig. 1 ist ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit Vierradantrieb mit Komponenten gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung generell mit 10 bezeichnet. Genauer um­ fasst der Antriebsstrang 10 drei Zweiweg-Kupplungen 11 der vorliegenden Erfindung und eine vordere Antriebslinie 12 und eine hintere Antriebslinie 14, welche beide von einer Kraft­ quelle, wie etwa einem Motor 16, über ein Getriebe 18 ange­ trieben werden können, welches von einem manuellen, einem au­ tomatischem oder einem stufenlosen Typ sein kann. Der An­ triebsstrang 10 umfasst ein Verteilergehäuse 20 zum Übertragen einer Antriebskraft von dem Motor 16 und dem Getriebe 18 auf die vordere Antriebslinie 12 und die hintere Antriebslinie 14. Die vordere Antriebslinie 12 umfasst ein Paar von Vorderrädern 24, welche an entgegengesetzten Enden einer vorderen Achsan­ ordnung 26 verbunden sind, die ein vorderes Differential 28 aufweist, dass mit einem Ende einer Antriebswelle 30 verbunden ist, deren entgegengesetztes Ende mit einer vorderen Ausgangs­ welle 32 des Verteilergetriebes 20 verbunden ist. In ähnlicher Weise umfasst die hintere Antriebslinie 14 ein Paar von hinte­ ren Rädern 34, welche an entgegengesetzten Enden einer hinte­ ren Achsanordnung 36 verbunden sind, die ein Differential 38 aufweist, welches mit einem Ende einer hinteren Antriebswelle 40, deren entgegengesetztes Ende mit einer hinteren Ausgangs­ welle 42 des Verteilergetriebes 20 verbunden ist. Während die Darstellung in Verbindung mit den Differentialanordnungen 28 und 38 und dem Verteilergetriebe 20 erfolgt, ist es selbstver­ ständlich, dass die Kupplung 11 der vorliegenden Erfindung auf ein beliebiges mechanisches System anwendbar ist, welches eine Rollenkupplungsvorrichtung umfasst. Einige Beispiele poten­ tieller Anwendungen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Fließbandantriebssysteme, längs welcher Artikel angetrieben werden bzw. ermöglicht wird, dass diese Artikel das Fließband frei herabgleiten, und Papierzuführvorrichtungen für Kopierer und Drucker.

Da Differentialanordnungen und Verteilergetriebe sowie deren Aufbau bekannt sind und die Einzelheiten davon für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht benötigt werden, werden diese im vorliegenden Dokument nicht genauer beschrie­ ben.

Die Zweiweg-Kupplung 11 der vorliegenden Erfindung um­ fasst eine Rollenkupplungsanordnung. Die Rollenkupplungsanord­ nung ist vorzugsweise von dem im U.S.-Patent Nr. 5 927 456 und im U.S.-Patent 5 924 510, welche beide der NTN Corporation übertragen sind, beschriebenen Typ. Diese Rollenkupplungsvor­ richtung verwendet einen Innenring und einen Außenring, welche eine Vielzahl von Rollen in einer Eingriffsposition einzwängen können.

In Fig. 2 ist eine Rollenkupplungsvorrichtung 58, wie im U.S.-Patent Nr. 5 927 456 beschrieben, dargestellt. Die Kupplungsvorrichtung 58 umfasst einen Außenring 60, einen In­ nenring 62, einen Käfig 64, eine Vielzahl von Rollen 66 und eine Rückstellfeder 68.

In Fig. 3 ist die Kupplungsvorrichtung 58 darge­ stellt mit einer Rolle 66 in einer gelösten bzw. neutralen Position, wie durch ein Bezugszeichen 78 dargestellt, und in einer Eingriffsposition, wie durch eine Strichlinie und ein Bezugszeichen 80 dargestellt. Der Außenring 60 weist eine zylindrisch geformte Innenfläche auf, und der Innen­ ring 62 weist eine Außenfläche auf, welche durch eine Vielzahl von Nockenflächen definiert ist. In dem gelösten Zustand 78 wird eine der Rollen 66 mittig innerhalb jeder der Nockenflächen durch den Käfig 64 gehalten. Der Abstand zwischen Mitten der Nockenflächen des Innenrings 62 und der Innenfläche des zylindrischen Außenrings 60 ist größer als der Durchmesser jeder der Rollen 66, so dass ein mit "A" bezeichneter Zwischenraum verbleibt und die Rollen 66 nicht beide der Flächen gleichzeitig berühren können, wenn die Rollen 66 in den Mitten der Nockenflächen gehalten werden.

Der Käfig 64 wird in Position bezüglich des Nocken- Innenrings 62 durch die (in Fig. 2 dargestellte) Rückstellfe­ der 68 gehalten, so dass jede der Rollen 66 in der Mitte jeder der Nockenflächen gehalten wird. Wenn ein ausreichendes Dreh­ moment angewandt wird, kann die Zentrierkraft der Zentrierfe­ der überwunden werden, so dass ermöglicht wird, dass der Käfig 64 die Rollen 66 zu einer Bewegung über die Nockenflächen des Innenrings 62 drängt, bis die Rollen 66 sich in dem Winkel ϕ verkeilen, welcher beschrieben ist durch die Tangente des zy­ lindrischen Außenrings 69 und die Nockenflächen des Innenrings 62.

Da die Vorrichtungen des Rollentyps hinsichtlich ihres Aufbaus bekannt sind und die Einzelheiten der bevorzugten Ty­ pen in den enthaltenen Verweisen zu finden sind, werden sie im vorliegenden Dokument nicht genauer beschrieben. Vielmehr kon­ zentriert sich die Beschreibung auf jene Aspekte der vorlie­ genden Erfindung, welche allgemein anwendbar sind, unabhängig von der speziellen Anwendung.

In Fig. 4 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel der Zweiweg-Kupplung der vorliegenden Erfindung generell mit 11 bezeichnet. Das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel 11 umfasst eine Rollenkupplungsvorrichtung 58, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Zweiweg-Kupplung 11 umfasst ferner eine Drehmomenterzeugungsvorrichtung 82 und eine Drehmomentübertra­ gungsvorrichtung 84.

Die Drehmomenterzeugungsvorrichtung 82 ist verbunden mit der Rollenkupplungsvorrichtung 58 und umfasst einen Aktua­ tor 86 und eine Kupplungspackung 88. Der Aktuator ist geeignet zum Erzeugen und Übertragen einer Axialkraft auf die Kupp­ lungspackung 88.

Die Drehmomenterzeugungsvorrichtung 82 umfasst ferner eine Kugelrampenvorrichtung 92, welche zwischen dem Aktuator 86 und der Kupplungspackung 88 angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst der Aktuator 86 eine elektromagnetische Spulenanord­ nung 90, jedoch ist es selbstverständlich, dass andere Betäti­ gungsvorrichtungen verwendet werden können, wie etwa eine Zentrifugal-Fliehgewichtvorrichtung, welche eine Axialkraft bei hohen Drehzahlen liefert, oder eine Rotorpumpe mit innen­ verzahntem Rotor, welche eine Flüssigkeit proportional pumpen könnte, um einen hydraulischen Axialdruck zu liefern, um die gleichen Ziele zu erreichen.

Wie dargestellt umfasst die elektromagnetische Spulen­ anordnung 90 eine Spule 94 und einen umgebenden Stator 96. Ei­ ne elektronische Steuereinheit bzw. ECU (nicht dargestellt) wird vorzugsweise verwendet zum senden eines Signals an die Spule 94, falls angemessen. Wenn ein vorbestimmter Parameter, wie etwa eine erfasste Geschwindigkeitsdifferenz oder ein er­ fasster Schlupf, erreicht wird, so wird die elektromagnetische Spule 94 durch die ECU betätigt. Diese Betätigung durch die ECU kann gesteuert und moduliert werden entweder durch Begren­ zen des an die Spule 94 gelieferten Stroms oder durch eine Pulsbreitenmodulation des Ausgangssignals.

Die Kugelrampenvorrichtung 92 dieses Typs ist in der Technik bekannt und reagiert auf die Betätigung der elektro­ magnetischen Spulenanordnung 90. Wie dargestellt, umfasst die Kugelrampenvorrichtung 92 eine erste Hälfte 98, eine zweite Hälfte 100 und eine Vielzahl von Kugeln 102 (nur eine ist dar­ gestellt), welche dazwischen angeordnet sind. Die Kugelrampen­ vorrichtung 92 dreht gewöhnlich mit dem Außenring 60 der Rol­ lenkupplungsvorrichtung 58, wie dargestellt, jedoch ist es für eine Fachkraft auf diesem Gebiet selbstverständlich, dass die Kugelrampenvorrichtung 92 alternativ mit dem Innenring 62 der Rollenkupplungsvorrichtung 58 drehen könnte. Wird die elektro­ magnetische Spule 94 teilweise betätigt durch eine Stromsteue­ rung bzw. Pulsbreitenmodulation des elektrischen Signals zu der Spule 94, so wird die erste Hälfte 98 der Kugelrampenvor­ richtung 92 hin zur Spule 94 gezogen. Die erste Hälfte 98 der Kugelrampenvorrichtung 92 gelangt schließlich in Kontakt mit dem Stator 96, welcher feststehen ist und die Spule 94 umgibt. Die Reibung zwischen der ersten Hälfte 98 der Kugelrampenvor­ richtung 92 und dem Stator 996 bremst die Drehung der ersten Hälfte 98, wodurch bewirkt wird, dass die beiden Hälften 98, 100 der Kugelrampenvorrichtung 92 relativ zueinander drehen. Jede Hälfte 98, 100 der Kugelrampenvorrichtung 92 umfasst eine (nicht dargestellte Axiallaufbahn) zum Sitzen der Kugeln 102. Die Laufbahnen sind wie "Rampen" geformt, so dass, wenn die Kugeln 102 zwischen den beiden Laufbahnen die jeweiligen Ram­ pen hinaufrollen, eine Axialverschiebung der beiden Hälften 98, 10 relativ zueinander auftritt. Wenn die beiden Hälften 98, 100 mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten drehen, so werden die Kugeln folglich gedrängt, längs der Rampen inner­ halb der Laufbahnen zu rollen, wodurch die beiden Hälften 98, 100 weiter auseinander gedrängt werden.

Die Kupplungspackung 88 ist geeignet zum Aufnehmen der Axialkraft, welche erzeugt wird, wenn die beiden Hälften 98, 100 der Kugelrampenvorrichtung 92 auseinander gedrängt werden. Die Kupplungspackung 88 befindet sich zwischen dem Außenring 60 und dem Innenring 62 der Rollenkupplungsvorrichtung 58 und umfasst eine Vielzahl von Standardkupplungsplatten 104. Etwa die Hälfte der Kupplungsplatte 104 sind kerbverzahnt mit dem Außenring 60, und der Rest ist kerbverzahnt mit dem Innenring 62. Wenn die von der Kugelrampenvorrichtung 92 auf die Kupp­ lungsplatten 104 übertragene Axialkraft zunimmt, so werden die Kupplungsplatten 104, welche mit dem Innenring 62 kerbverzahnt sind, in Kontakt mit den Kupplungsplatten 104 gedrängt, welche mit dem Außenring 60 kerbverzahnt sind. Reibung zwischen den Platten 104 überträgt ein Drehmoment zwischen dem Innenring 62 und dem Außenring 60. Der Betrag des Drehmoments, welches übertragen wird, ist proportional u der Axialkraft, welche durch die Kugelrampenvorrichtung 92 geliefert wird und durch den Betrag eines Stroms gesteuert wird, welcher der elektro­ magnetischen Spule 94 zugeführt wird.

Die Zweiweg-Kupplung 11 umfasst ferner eine Drehmoment­ übertragungsvorrichtung 84. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Drehmomentübertragungsvorrichtung 84 eine Schwebe­ kupplungsplatte 106 und eine Käfigverbindung 108, verbunden mit dem Käfig 64 der Rollenkupplungsvorrichtung 58. Eine Stützdruckplatte 110 ist mit dem Außenring 60 der Rollenkupp­ lungsvorrichtung 58 zwischen der Kupplungspackung 88 und der Rollenkupplungsvorrichtung 58 kerbverzahnt. Alternativ könnte die Stützdruckplatte 110 mit dem Innenring 62 kerbverzahnt sein. Die Stückdruckplatte 110 Rückstopp für die Axialkräfte, welche während einer Betätigung der Kupplungspackung 88 auf­ treten. Die Schwebekupplungsplatte 106 befindet sich zwischen der letzten Standardkupplungsplatte 104 und der Stützdruck­ platte 110. Diese extra Kupplungsplatte 106 ist nicht mit dem Innenring 62 bzw. dem Außenring 60 kerbverzahnt, sonder schwebt statt dessen lose auf dem Innenring und im Innen des Außenrings 60 und ist drehbar mit der Käfigverbindung 108 ver­ bunden.

Da die anschließende Axialkraft, geliefert durch die Kombination der Spule 94 und der Kugelrampenvorrich­ tung 92, gesteuert werden kann, kann eine Modulation des Betrags eines durch die Kupplungspackung 88 gelieferten Drehmoments durchgeführt werden. Erfasst die ECU, dass ein vorbestimmter Parameter erreicht ist, wie etwa der Betrag eines Schlupfes zwischen dem rechten und dem linken Rad bei der Differentialanwendung und zwischen den vorderen und den hinteren Rädern bei der Verteilergetriebeanwen­ dung, so wird die Spule 94 erregt. Wenn die Reibung zwi­ schen der Schwebekupplungsplatte 106 und der Stützdruck­ platte 110 hoch genug ist, so beginnt die Schwebekupp­ lungsplatte 106, mit dem Außenring 60 zu drehen, wodurch eine Drehbewegung der Käfigverbindung 108 bewirkt wird, was wiederum eines Drehung des Käfigs 64 bewirkt.

Wenn das Drehmoment auf der Schwebekupplungsplatte 106 ausreicht, um das entgegengerichtete Drehmoment der Torsions­ rückstellfeder 68 zu überwinden, so dreht der Käfig 64 relativ zur Nockenfläche, wodurch die Rollen 66 in ihre Eingriffsposi­ tionen zwischen den Nocken- und Glatt-Flächen der Rollenkupp­ lungsvorrichtung 58 bewegt werden. Dieser Eingriffspunkt kann gesteuert werden durch eine Anzahl von Parametern, einschließ­ lich der Torsionssteifigkeit der Rückstellfeder 68 und des Reibungskoeffizienten zwischen der Schwebekupplungsplatte 106 und sowohl der letzen Standardkupplungsplatte 104 als auch der Stützdruckplatte 110.

In Fig. 5 ist die Beziehung von Spulen­ strom/Pulsbreite zum übertragenen Drehmoment dargestellt. Aus­ gehend von Nullstrom bzw. Nullpulsbreite des Spulenbetäti­ gungssignals der ECU bis zum Eingriffswert, welcher zum Betä­ tigen der Rollenkupplung 58 erforderlich ist, überträgt die Zweiwegkupplung 11 ein Drehmoment proportional zum Strom bzw. zur Pulsbreite. Das Drehmoment wird bei dem Strom bzw. bei der Pulsbreite maximiert, bei welchem bzw. welcher die Rückstell­ feder 68 überwunden wird, und die Rollenkupplung 58 sperrt.

In Fig. 6 wird ein zweites bevorzugtes Ausführungs­ beispiel allgemein mit 211 bezeichnet, wobei Komponenten, wel­ che den im ersten bevorzugen Ausführungsbeispiel 11 beschrie­ benen ähnlich sind, um 200 erhöht wurden. Das zweite bevorzug­ te Ausführungsbeispiel 211 umfaßt ähnliche Komponenten mit ähnlichen Funktionen wie das erste bevorzugte Ausführungsbei­ spiel, mit Ausnahme des nachfolgend Beschriebenen. Wie darge­ stellt, umfaßt das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel 211 die in Fig. 2 und 3 beschriebene Rollenkupplungsvorrichtung 58. Die Anordnung umfaßt ferner eine Drehmomenterzeugungsvor­ richtung 282 sowie eine Drehmomentübertragungsvorrichtung 284.

Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 282 ist mit der Rollenkupplungsvorrichtung 58 verbunden und umfaßt einen-Aktu­ ator 286 und ein Kupplungspaket 288. Der Aktuator 286 ist zum Erzeugen und Übertragen einer Axialkraft auf das Kupplungspa­ ket 288 geeignet. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 282 umfaßt ferner eine Kugelrampenvorrichtung 292, welche zwischen dem Aktuator 286 und dem Kupplungspaket 288 angeordnet ist. Vorzugsweise umfaßt der Aktuator 286 eine elektromagnetische Spulenanordnung 290. Wie dargestellt, umfaßt die elektromagne­ tische Spulenanordnung 290 eine Spule 294, ein Gehäuse sowie einen zweiten Stator 297, welche mit dem Außenring 60 kombi­ niert ist. Eine (nicht dargestellte) elektronische Steuerein­ heit, ECU, wird vorzugsweise zum Senden eines modulierten Stromsignals zu der Spule 294, wenn angemessen, verwendet. Wird ein vorbestimmtes Parameter erreicht, so wird die elekt­ romagnetische Spule 294 durch die ECU betätigt.

Die Kugelrampenvorrichtung 292 ist von dem Typ, wel­ cher in der Technik wohl bekannt ist und auf die Betätigung der elektromagnetischen Spulenanordnung 290 reagiert. Wie dar­ gestellt, umfaßt die Kugelrampenvorrichtung 292 einen ersten Abschnitt eines geteilten Ankers 298a, eine zweite Hälfte 300, sowie eine Vielzahl von dazwischen angeordneten Kugeln 302 (wovon lediglich eine dargestellt ist). Die Kugelrampenvor­ richtung 292 dreht sich normalerweise mit dem Innenring 62 der Rollenkupplungsvorrichtung 58, wie dargestellt.

Der Betrag des Reibungsdrehmoments, welches zwischen dem ersten Abschnitt des geteilten Ankers 298a und dem Stator 297, welcher das Gehäuse 296 um die stationäre Spule 294 um­ gibt, erzeugt wird, ist proportional zu dem der Spule 294 zu­ geführten Strom. Bei niedrigem Strom ist das Reibungsdrehmo­ ment gering, und der erste Abschnitt des geteilten Ankers 298a dreht leicht und zwingt die Kugelrampenvorrichtung 292 zum Be­ ginn einer Betätigung. Da Reibung zwischen dem Stator 297 und dem ersten Abschnitt des geteilten Ankers 298a erzeugt wird, gelangt die Kugelrampenvorrichtung 292 teilweise in Eingriff, wodurch eine Axialkraft erzeugt wird.

Das Kupplungspaket 288 ist geeignet zum Aufnehmen der Axialkraft von der Kugelrampenvorrichtung 292. Das Kupplungs­ paket 288 umfaßt eine Vielzahl von Standardkupplungsplatten 304. Etwa die Hälfte der Standardkupplungsplatten 304 ist kerbverzahnt mit dem Innenring 62, und die verbleibenden Stan­ dardkupplungsplatten 304 sind kerbverzahnt mit dem Außenring 60. Eine Reibung zwischen den Platten 304 überträgt ein Dreh­ moment, welches proportional ist zur Axialkraft, die von der zweiten Hälfte 300 der Kugelrampenvorrichtung 292 geliefert wird.

Die Zweiwegkupplung 211 umfaßt ferner eine Drehmo­ mentübertragungsvorrichtung 284, welche einen zweiten Ab­ schnitt des geteilten Ankers 298b und eine mit dem Käfig 64 der Rollenkupplungsvorrichtung 58 verbundene Käfigverbindung 308 umfasst.

Bei Erhöhen des Stroms zu der Spule 294 wird in dem Kupplungspaket 288 mehr Axialkraft erzeugt, wodurch proportio­ nal mehr Drehmoment übertragen wird. Während dieses mittleren Drehmomentbetriebs drehen die beiden Abschnitte des geteilten Ankers 298a und 298b relativ zueinander, wobei der erste Ab­ schnitt 298a die Kugelrampenvorrichtung 292 betätigt und der zweite Abschnitt 298b durch die Rückstellfeder 68 der Rollen­ kupplungsvorrichtung 58 in Position gehalten wird und mit dem Nocken-Innenring 62 dreht. Das erzeugte Drehmoment reicht zum Überwinden der Rückstellfeder 68 nicht aus, so dass der Käfig 64 und die Rollen 66 in deren neutraler, gelöster Position verbleiben.

Da die durch die Kombination der Spule 294 und der Kugelrampenvorrichtung 292 gelieferte anschließende Axialkraft gesteuert werden kann, kann eine Modulation des durch das Kupplungspaket 288 gelieferten Drehmomentbetrags erfolgen. Er­ fasst die ECU, dass ein vorbestimmtes Parameter erfüllt wurde, wie etwa der Schlupfbetrag zwischen den rechten und linken Rä­ dern bei der Differentialanwendung und zwischen den Vorder- und Hinterrädern bei der Verteilergetriebeanwendung, so wird die Spule 294 erregt, wodurch die zwischen dem Stator 297 und dem geteilten Anker 208a und b erzeugte Reibungskraft stetig erhöht wird. Ist die Reibung zwischen dem Stator 297 und dem zweiten Abschnitt des geteilten Ankers 298b hoch genug, so dreht der zweite Abschnitt des geteilten Ankers 298b mit dem Stator 297. Ist das Drehmoment ausreichend, um das Drehmoment der Rückstellfeder 68 zu überwinden, so drängt der zweite Ab­ schnitt des geteilten Ankers 298b den Käfig 64 zu einer Rela­ tivdrehung mit den Nockenflächen, wodurch die Rollen 66 in Eingriffsposition gebracht werden. Unter diesen Bedingungen werden der Innenring 62 und der Außenring 60 miteinander ge­ sperrt, und es existiert kein Schlupf bei den Kupplungsplatten 288. Dieser Eingriffspunkt kann durch eine Anzahl von Parame­ tern gesteuert werden, einschließlich der Torsionssteifigkeit der Rückstellfeder, dem Reibungskoeffizienten zwischen den Kupplungsplatten und der Gestaltung des geteilten Ankers 298a und b.

Wie bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel 11 besteht die Wirkung des zweiten bevorzugten Ausführungsbei­ spiels 211 in der proportionalen Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Innen- und dem Außenring 60, 62 bis zu einer Grenze, an welcher der gesperrte Zustand eintritt. Daher ist die Beziehung zwischen einem Spulenstrom und einem übertrage­ nen Drehmoment die gleiche wie in Fig. 5 dargestellt.

In Fig. 7 ist ein drittes bevorzugtes Ausführungs­ beispiel allgemein mit 411 bezeichnet, wobei Komponenten, wel­ che den beim zweiten Ausführungsbeispiel 211 beschriebenen ähnlich sind, um weitere 200 erhöht wurden. Das dritte bevor­ zugte Ausführungsbeispiel 411 umfaßt ähnliche Komponenten mit ähnlichen Funktionen wie das erste und das zweite Ausführungs­ beispiel 11 und 211 mit Ausnahme des nachfolgend Erläuterten. Wie dargestellt, umfaßt das dritte bevorzugte Ausführungsbei­ spiel 411 die in den Fig. 2 und 3 beschriebene Rollenkupp­ lungsvorrichtung 58. Die Anordnung umfaßt ferner eine Drehmo­ menterzeugungsvorrichtung 482 sowie eine Drehmomentübertra­ gungsvorrichtung 484.

Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 482 ist mit der Rollenkupplungsvorrichtung 58 über den Außenring 60 verbunden und umfaßt einen Aktuator 486 und ein Kupplungspaket 488. Der Aktuator 488 ist geeignet zum Erzeugen und Übertragen einer Axialkraft auf das Kupplungspaket 488.

Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 482 umfaßt eine elektromagnetische Spulenanordnung 490. Wie dargestellt, um­ faßt die elektromagnetische Spulenanordnung 490 eine Spule 494 und ein Gehäuse 496 sowie einen umgebenden Stator 497, welcher mit dem Außenring 60 kombiniert ist. Eine (nicht dargestellte) elektronische Steuereinheit, ECU, wird vorzugsweise, wenn an­ gemessen, zum Senden eines modulierten Stromsignals an die Spule 494 verwendet. Wird ein vorbestimmtes Parameter er­ reicht, so wird die elektromagnetische Spule 494 durch die ECU betätigt.

Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel 211 wird das Kupplungspaket 288 durch eine Axialdruckkraft von der Kugelrampenvorrichtung 292 eingerückt. Bei dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel 411 jedoch wird das Kupplungspaket 488 durch den Magnetzug des Aktuators 486 in Eingriff mit dem Stator 497 ge­ bracht.

Der Betrag eines innerhalb des Kupplungspakets 488 erzeugten Reibungsdrehmoments ist proportional zu dem der Spu­ le 494 zugeführten Strom. Bei niedrigem Strom ist das Rei­ bungsdrehmoment gering, und der Aktuator 486 erzeugt eine Rei­ bung zwischen dem Stator 497 und dem Kupplungspaket 488.

Das Kupplungspaket 288 umfaßt eine Vielzahl von Stan­ dardkupplungsplatten 504. Etwa die Hälfte der Standardkupp­ lungsplatten 504 ist mit dem Außenring 60 kerbverzahnt, und die verbleibenden Standardkupplungsplatten 504 sind mit einem Ausgangsabschnitt 506 kerbverzahnt. Wird das Kupplungspaket 488 in Eingriff mit den Stator 497 gebracht, so werden die Kupplungsplatten 504 in Eingriff miteinander gedrängt. Eine Reibung zwischen den Platten 504 überträgt ein Drehmoment, welches proportional zu dem durch den Aktuator 486 gelieferten Magnetzug ist.

Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 484 umfaßt ei­ nen Anker 498, welcher mit dem Käfig 64 der Rollenkupplungs­ vorrichtung 58 verbunden ist.

Da die anschließende, durch die Kombination der Spule 494 mit dem Aktuator 482 gelieferte Axialkraft gesteuert wer­ den kann, kann eine Modulation des durch das Kupplungspaket 488 gelieferten Drehmomentbetrags erfolgen. Erfasst die ECU, dass ein vorbestimmtes Parameter erfüllt wurde, wie der Schlupfbetrag zwischen den rechten und linken Rädern bei der Differentialanwendung und zwischen den Vorder- und Hinterrä­ dern bei der Verteilergetriebeanwendung, so wird die Spule 494 erregt, wodurch die zwischen dem Aktuator 486 und dem Kupp­ lungspaket 488 erzeugte Reibungskraft stetig erhöht wird. Ist der der Spule 494 zugeführte Strom hoch genug, so wird der An­ ker 498 in Reibeingriff mit dem Stator 497 gebracht und dreht mit dem Stator 497. Ist das Drehmoment ausreichend, um das Drehmoment der Rückstellfeder 68 zu überwinden, so drängt der Anker 498 den Käfig zu einer Relativdrehung bezüglich der No­ ckenflächen, wodurch die Rollen 66 in Eingriffsposition ge­ bracht werden. Unter diesen Bedingungen werden der Innenring 62 und der Außenring 60 miteinander gesperrt, und es existiert kein Schlupf bei den Kupplungsplatten 488. Dieser Eingriffs­ punkt kann durch eine Anzahl von Parametern, einschließlich der Torsionssteifigkeit der Rückstellfeder, dem Reibungskoef­ fizienten zwischen dem Anker 498 und dem Stator 497, gesteuert werden.

Wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel 11 und 211 besteht die Wirkung des dritten Ausführungsbeispiels 411 in der proportionalen Übertragung eines Drehmoments zwi­ schen dem Innen- und dem Außenring 60, 62 bis zu einer Grenze, an welcher der gesperrte Zustand eintritt. Daher ist die Be­ ziehung zwischen Spulenstrom und übertragenem Drehmoment die gleiche wie in Fig. 5 dargestellt.

Die Zweiwegkupplung 11, 211, 411 ist in der Lage, den Eingriff der Rollenkupplung 58 zu verzögern, wodurch ein "wei­ cher Eingriff" durch das Kupplungspaket 88, 288, 488 vor einem Eingriff mit der Rollenkupplungsvorrichtung 58 geliefert wird. Jedes der Ausführungsbeispiele 11, 211, 411 kann dazu verwen­ det werden, eine Kombination eines Sperrdifferentials mit be­ grenztem Schlupf und einer Verteilergetriebe- Kupplungsvorrichtung mit weichem Eingriff zu liefern.

Das vorgeschlagene Sperrdifferentialsystem mit be­ grenztem Schlupf verwendet die Sperrwirkung der Rollenkupp­ lungsvorrichtung 58 zum Sperren der Standarddifferentialanord­ nung, wodurch unter allen Umständen eine Traktion geliefert wird. Dieses System weist die Wirkung eines Sperrens der Dif­ ferentialanordnung auf, wobei beide Seiten der Achse zum Dre­ hen mit gleicher Geschwindigkeit gezwungen werden.

Während die Beschreibung Kraftfahrzeuganwendungen, insbesondere sportliche Freizeitfahrzeuge mit Vierradantrieb, betrifft, kann das System ferner bei Schwerlastzugmaschinen und Off-Road-Fahrzeugen, wie ATV's (Allwegfahrzeuge), bzw. jeglichen anderen geeigneten Fahrzeugen angewandt werden.

Bei Differentialanwendungen kann die Anordnung inner­ halb des Differentials bzw. Gehäuses auf der Seite des Diffe­ rentialträgers untergebracht werden. Eine Schmierung kann ge­ meinsam zwischen dem Differential und der Kupplung bzw. ge­ trennt erfolgen. Die Kupplung kann ein getrenntes Modul sein, welches einem offenen Standarddifferential hinzugefügt wird, wodurch eine einfache und flexible Achsmontage geliefert wird.

Obenstehende Beschreibung offenbart und beschreibt drei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Fachleute auf diesem Gebiet werden anhand dieser Erörterung sowie anhand der beigefügten Zeichnung und der beigefügten Ansprüche leicht erkennen, dass Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom wahren Wesen und klaren Umfang der Erfindung, definiert in den nachfolgenden Ansprü­ chen, abzuweichen. Die Erfindung wurde in veranschaulichender Weise beschrieben, und es sollte ersichtlich sein, dass die verwendete Terminologie von beschreibender, nicht von ein­ schränkender Natur sein soll.

Claims (12)

1. Zweiweg-Kupplungsanordnung, umfassend:
eine Rollenkupplung mit einem Innenring und einem Außen­ ring;
eine Drehmomenterzeugungsvorrichtung mit einem Aktuator, welcher geeignet ist zur Erzeugung einer Axialkraft, und einer Kupplungspackung, welche zwischen dem Innenring und dem Außen­ ring verbunden ist und geeignet ist zur Aufnahme der Axial­ kraft;
eine Drehmomentübertragungsvorrichtung, welche geeignet ist zum Übertragen eines Drehmoments von der Drehmomentüber­ tragungsvorrichtung auf die Rollenkupplung, wobei bei einem vorbestimmten Wert eines Drehmoments, welches durch die Dreh­ momenterzeugungsvorrichtung erzeugt wird, die Drehmomentüber­ tragungsvorrichtung ein Einrücken der Rollenkupplung bewirkt, wodurch eine Relativbewegung zwischen dem Innen- und dem Au­ ßenring verhindert wird.

2. Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Außenring eine zylindrische Innenfläche aufweist und drehbar um eine Achse ist; wobei der Innenring eine Außenfläche aufweist, wel­ che koaxial mit der zylindrischen Innenfläche ist und einen Zwischenraum zwischen diesen definiert, wobei der Innenring drehbar um die Achse mit einer zulässigen Drehbewegung relativ zum Außenring ist; wobei die Rollenkupplung ferner umfasst:
eine Vielzahl von Rampenflächen, ausgebildet an in Ab­ stand befindlichen Stellen auf der Außenfläche, wobei die Ram­ penflächen eine Vielzahl von Nockenflächen auf der Außenfläche definieren;
eine Vielzahl von Rollen, angeordnet zwischen dem Außen­ ring und dem Innenring, wobei eine der Rollen sich in der Mit­ te jeder der Nockenflächen befindet, wobei die Rollen einen Durchmesser aufweisen, welcher kleiner ist als der Zwischen­ raum zwischen der zylindrischen Innenfläche und den Mittel­ punkten der Nockenflächen;
einen Käfig, welcher sämtliche der Rollen miteinander verbindet und bewirkt, dass sich die Rollen in Umfangsrichtung in Einheit miteinander bewegen, wobei der Käfig drehbar um die Achse mit einer begrenzten Relativbewegung bezüglich des In­ nenrings ist; und
ein Vorspannelement, welches an dem Käfig gelagert ist, um den Käfig in Radialrichtung vorzuspannen, so dass jede der Rollen auf dem Mittelpunkt der Nockenflächen gehalten wird; und
wobei die Drehmomenterzeugungsvorrichtung die Drehmoment­ übertragungsvorrichtung umfasst, um zu bewirken, dass der Kä­ fig das Vorspannelement überwindet, wodurch sich die Rollen längs der Nockenflächen zu einer Position bewegen, wo die Rol­ len in Eingriff gelangen und sich zwischen dem Innen- und dem Außenring verkeilen, so dass eine Relativbewegung zwischen dem Innen- und dem Außenring verhindert wird.

3. Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Drehmoment­ übertragungsvorrichtung ferner eine Kugelrampenvorrichtung um­ fasst, welche zwischen dem Aktuator und der Kupplungspackung angeordnet ist, wobei der Aktuator bewirkt, dass die Kugelram­ penvorrichtung eine Axialkraft auf die Kupplungspackung aus­ übt.

4. Kupplungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Kugelrampen­ vorrichtung drehbar mit dem Innenring oder dem Außenring ver­ bunden ist.

5. Kupplungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die Kugelrampen­ vorrichtung eine erste Hälfte, eine zweite Hälfte und eine Vielzahl von dazwischen angeordneten Kugeln umfasst, wobei je­ de der ersten und zweiten Hälfte eine Laufbahn zum Sitzen der Kugel aufweist, wobei die Laufbahnen wie Rampen geformt sind, so dass, wenn die Kugeln die Laufbahnen hinaufrollen, die ers­ te und die zweite Hälfte in Axialrichtung gegeneinander ver­ schoben werden.

6. Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kupplungspa­ ckung eine Vielzahl von Standardkupplungsplatten umfasst, wo­ bei ein Abschnitt der Standardkupplungsplatten an dem Innen­ ring befestigt ist und der Rest der Standardkupplungsplatten an dem Außenring befestigt ist.

7. Kupplungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die Drehmoment­ übertragungsvorrichtung eine Stützdruckplatte, welche an dem Innenring oder dem Außenring angebracht ist, eine Schwebekupp­ lungsplatte, welche zwischen der Stützdruckplatte und einer letzten der Standardkupplungsplatten angeordnet ist, und eine Käfigverbindung umfasst, welche geeignet ist zum drehbaren Verbinden der Schwebekupplungsplatte mit dem Käfig.

8. Kupplungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die Drehmoment­ übertragungsvorrichtung einen zweiten Abschnitt eines geteil­ ten Ankers, angeordnet zwischen der Drehmomenterzeugungsvor­ richtung und dem Außenring, und eine Käfigverbindung, welche geeignet ist zum drehbaren Verbindung des zweiten Abschnitts mit der Rollenkupplung, umfasst.

9. Kupplungsanordnung nach Anspruch 6, wobei ein Abschnitt des Außenrings einen Stator definiert, wobei der Stator zwi­ schen dem Aktuator und der Kupplungspackung angeordnet ist, wobei die Kupplungsplatten geeignet sind, durch den Aktuator in Eingriff mit dem Stator gedrängt zu werden.

10. Kupplungsanordnung nach Anspruch 9, wobei die Drehmoment­ übertagungsvorrichtung einen mit dem Käfig verbundenen Anker umfasst, wobei der Anker geeignet ist, durch den Aktuator in Eingriff mit dem Stator gedrängt zu werden.

11. Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ei­ ne elektromagnetische Spule ist, welche durch einen Stator um­ geben ist, welcher feststehend relativ zum Innen- und zum Au­ ßenring angebracht ist.

12. Kupplungsanordnung nach Anspruch 11, ferner umfassend eine elektronische Steuereinheit, welche geeignet ist zum Betätigen der elektromagnetischen Spule und zum Steuern und Modulieren des Stroms zu der elektromagnetischen Spule.