DE102004015655B4

DE102004015655B4 - Elektromagnetische Reibkupplung

Info

Publication number: DE102004015655B4
Application number: DE102004015655.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hill; Dr. Mán Lászlo; Dr. Reik Wolfgang
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2024-04-01
Also published as: US20040256192A1; JP2004308903A; US7520373B2; DE102004015655A1

Abstract

Elektromagnetische Reibkupplung (1), die aufweist: relativ zueinander verdrehbar gelagerte Kupplungsteile (2, 3), die einen weichmagnetischen Werkstoff aufweisen, in dem ein Magnetkreis geführt ist, wobei die Kupplungsteile (2, 3) durch eine magnetische Kraft des Magnetkreises aneinander anpressbar sind, einen Elektromagnet, der zum Verändern eines magnetischen Flusses in den Kupplungsteilen (2, 3) in dem Magnetkreis angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis derart in den Kupplungsteilen (2, 3) geführt ist, dass der magnetische Fluss an mindestens fünf in einer Flussrichtung des magnetischen Flusses hintereinander angeordneten Flussübergangsstellen zwischen den Kupplungsteilen (2, 3) wechselt, und der weichmagnetische Werkstoff zumindest abschnittweise als ein Blechpaket mit quer zu der Flussrichtung des magnetischen Flusses elektrisch gegeneinander isolierten Schichten ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Reibkupplung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Reibkupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der EP 0 537 022 A1 bekannt.
Genauer gesagt wird eine Reibkupplung für einen Rasenmäher offenbart. Sie weist ein auf einer Antriebswelle eines Motors angeordnetes, etwa topfförmig ausgebildetes erstes Kupplungsteil und ein parallel zum Boden des topfförmigen Kupplungsteils angeordnetes zweites Kupplungsteil auf, das etwa scheibenförmig ausgebildet ist. Das zweite Kupplungsteil ist über Blattfedern drehfest mit einer mit einem Schneidmesser in Antriebsverbindung stehenden Riemenscheibe verbunden, die ebenfalls auf der Antriebswelle angeordnet ist und mittels einer Lagerung relativ zu dieser verdrehbar ist. Das zweite Kupplungsteil ist axial zur Antriebswelle relativ zu dem ersten Kupplungsteil verschiebar und in eine eingerückte Position, in der es reibschlüssig an dem ersten Kupplungsteil anliegt, und eine ausgerückte Position bringbar, in der es von dem ersten Kupplungsteil beabstandet ist. Zum Einrücken des zweiten Kupplungsteils ist ein Elektromagnet vorgesehen, der ein Feldgehäuse und eine Spule zum Erzeugen eines magnetischen Flusses aufweist. Das Feldgehäuse ist Teil eines die Kupplungsteile durchsetzenden Magnetkreises, der in einem weichmagnetischen Werkstoff und durch Luftspalte verläuft. Der Magnetkreis ist derart in den Kupplungsteilen geführt, dass der magnetische Fluss an sechs in Flussrichtung hintereinander angeordneten Flussübergangsstellen zwischen den Kupplungsteilen wechselt. Die Reibkupplung hat den Nachteil, dass die Zeitdauer für das Umschalten der Reibkupplung zwischen der eingerückten („Haften”) und der ausgerückten Stellung („Rutschen”) noch relativ groß ist. Die Reibkupplung ist deshalb für Anwendungen, bei denen ein schnelles Ein- und Auskuppeln erforderlich ist, praktisch nicht geeignet. Da die relativ zu einander verdrehbaren Kupplungsteile keine definierte Drehlage zueinander aufweisen, ist die Kupplung außerdem für Anwendungen, bei denen ein vorgegebener Verdrehwinkel zwischen den Kupplungsteilen eingestellt werden muss, nicht verwendbar.
Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die US 5 497 869 A , die US 3 384 213 A , die DE 38 15 697 C2 , die EP 0 215 962 A1 , die EP 0 810 384 A1 , die DE 103 24 487 A1 , die DE 35 01 680 A1 , die GB 1 178 355 A1 und die US 2 951 569 A verwiesen.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Reibkupplung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein schnelles Ein- und Auskoppeln ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein weichmagnetischer Werkstoff ist zumindest abschnittweise als Blechpaket mit quer zur Flussrichtung elektrisch gegeneinander isolierten Schichten ausgebildet. In vorteilhafter Weise wird durch diese Maßnahme auch bei einem schnellen Ein- und/oder Auskuppeln der elektromagnetischen Reibkupplung die Bildung von einer Änderung des magnetischen Flusses in dem Magnetkreis entgegenwirkenden Wirbelströmen in dem weichmagnetischen Werkstoff deutlich vermindert. Dennoch wird – vorzugsweise mit niedriglegierten FeSi-Blechen – ein niedriger magnetischer Widerstand in den weichmagnetischen Komponenten erreicht, womit eine Änderung der Anpresskraft nur eine relativ kleine Änderung der magnetischen Energie erfordert. Die Reibkupplung ermöglicht dadurch eine hohe Verstelldynamik.
Ein Magnetkreis kann in den Kupplungsteilen derart geführt sein, dass der magnetische Fluss an mindestens zehn in Flussrichtung hintereinander angeordneten Flussübergangsstellen zwischen den Kupplungsteilen wechselt. In vorteilhafter Weise wird durch diese ungewöhnlich große Anzahl von Flussübergangsstellen auch bei einem relativ kleinen Flussquerschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff eine für den Reibungseingriff der Kupplungsteile ausreichende Kraft ermöglicht. In dem Magnetkreis muss also für den Auf- oder Abbau eines magnetischen Flusses nur ein relativ kleines Volumen magnetisiert und damit eine relativ kleine Energie aufgebracht werden, d. h. der magnetische Fluss in dem Magnetkreis kann durch entsprechendes Bestromen der Spule des Elektromagneten schnell geändert werden. Dadurch wird eine hohe Verstelldynamik der Reibkupplung ermöglicht. Der weichmagnetische Werkstoff kann auch ein Pulververbundwerkstoff sein.
Der Querschnitt des magnetischen Flusses in wenigstens einem Luftspalt kann mindestens fünfmal so groß ist wie der kleinste Flussquerschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff des Magnetkreises sein. Aufgrund dieser ungewöhnlich großen Luftspaltfläche vergrößert sich zwar das Volumen in dem Luftspalt entsprechend, jedoch nimmt gleichzeitig die Flussdichte im Luftspalt umgekehrt proportional zu der Volumenvergrößerung ab. Da sich die magnetische Energie im Luftspalt quadratisch zur Flussdichte aber nur proportional zum Luftspaltvolumen verhält, ergibt sich insgesamt im Luftspalt eine geringe magnetische Energie. Auch bei dieser Lösung braucht also zum Verstellen der Reibkupplung nur eine kleine magnetische Energie im Luftspalt und somit auch im Magnetkreis aufgebaut bzw. abgebaut zu werden, was eine hohe Verstelldynamik ermöglicht. Unter einem Luftspalt wird ein vom magnetischen Fluss durchsetzter Spalt verstanden, in dem die magnetische Permeabilitätszahl etwa derjenigen von Luft entspricht. Der Luftspalt kann mit einem gasförmigen und/oder einem flüssigen Medium befüllt sein oder ein Vakuum enthalten. Bevorzugt ist der magnetische Fluss in beiden Luftspalten mindestens fünfmal so groß ist wie der kleinste Flussquerschnitt im magnetischen Kreis. Somit wird die magnetische Energie an den Stellen des Magnetkreises reduziert, an denen sie am größten und somit eine Reduzierung am wirkungsvollsten ist.
Der Querschnitt des magnetischen Flusses in den Luftspalten kann mindestens sechs-, gegebenenfalls sieben-, insbesondere acht- und bevorzugt zehnmal so groß sein wie der kleinste Flussquerschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff. Die Reibkupplung ermöglicht dann eine noch größere Verstelldynamik.
Besonders vorteilhaft ist, wenn ein erstes Kupplungsteil mindestens zwei aufeinander zu- und voneinander wegbewegbare Klemmbacken aufweist, wenn ein zweites Kupplungsteil zwischen diesen Klemmbacken angeordnet ist, und wenn der weichmagnetische Werkstoff der Kupplungsteile derart angeordnet ist, dass der magnetische Fluss mindestens einmal von der einen Klemmbacke durch das zweite Kupplungsteil zu der anderen Klemmbacke und gegebenenfalls von dieser zurück durch das zweite Kupplungsteil zu der zuerst genannten Klemmbacke wechselt. Es wird also jedes Mal, wenn der magnetische Fluss das zweite Kupplungsteil durchsetzt, an zwei beidseits des zweiten Kupplungsteils angeordneten Flussübergangsstellen ein Wechsel des magnetischen Flusses von dem einen zu dem anderen Kupplungsteil erreicht. Somit lässt sich auf einfache Weise und bei geringem Bauraum eine große Anzahl von Flusswechseln und somit ein entsprechend große Anpress- oder Reibkraft der Kupplungsteile erreichen.
Vorteilhaft ist, wenn mindestens ein Kupplungsteil wenigstens einen nicht ferromagnetischen Träger aufweist, an dem mehrere voneinander beabstandete, jeweils mindestens zwei Flussübergangsstellen miteinander verbindende, aus dem weichmagnetischen Werkstoff gebildete Flussleitkörper angeordnet sind. Die einzelnen Flussleitkörper weisen dann quer zur Flussrichtung des magnetischen Flusses einen hohen magnetischen Widerstand auf, so dass praktisch der gesamte Magnetfluss die Flussübergangsstellen durchsetzt. Die Reibkupplung ermöglicht dadurch eine noch größere Anpress- oder Reibkraft zwischen den Kupplungsteilen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weisen die Flussleitkörper einen etwa U-förmigen Querschnitt auf und sind mit den freien Enden ihrer U-Schenkel den Flussübergangsstellen zugewandt. Dadurch ergibt sich ein kompakter Aufbau des weichmagnetischen Kreises. Außerdem ermöglichten die U-förmigen Flussleitkörper eine kostengünstige Herstellung des Kupplungsteils indem alle Flussleitkörper als einstückiges Umformteil vorgefertigt, dann eingegossen oder umspritzt und abschließend – z. B. mit einem Wasserstrahl – in zwei Hälften zerteilt werden.
Vorteilhaft ist, wenn sich die Flussleitkörper mit ihrem U-förmigen Querschnitt entlang mindestens einer zu einer Rotationsachse wenigstens eines der Kupplungsteile konzentrischen Kreisbahn erstrecken und vorzugsweise ringförmig um diese Rotationsachse umlaufen. Das Kupplungsteil mit den daran angeordneten Flussleitkörpern kann dann rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Dabei ermöglicht die Reibkupplung einen gleichmäßigen, vom Verdrehwinkel der Kupplungsteile unabhängigen Reibungseingriff.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Flussleitkörper auf zueinander etwa konzentrischen Kreisbahnen in unterschiedlichen Abständen zur Rotationsachse angeordnet, wobei die Querschnittsfläche der Flussleitkörper in einer Ebene, die durch die Rotationsachse und eine Normale auf die Rotationsachse aufgespannt ist, mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse abnimmt, derart, dass in dem durch die Flussleitkörper gebildeten Abschnitt des Magnetkreises die magnetische Flussdichte in etwa konstant ist, und wobei dazu vorzugsweise die Anzahl der Schichten der Blechpakete der Flussleitkörper in radialer Richtung von innen nach außen abnimmt. Die Kupplungsteile weisen dann trotz einer guten magnetischen Leitfähigkeit nur eine relativ geringe Menge weichmagnetischen Werkstoff auf, wodurch sich einerseits eine noch geringere magnetische Energie in dem Magnetkreis ergibt und andererseits aber auch ein kompakter Aufbau der Kupplungsteile mit geringer Massenträgheit ermöglicht wird.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weisen die Kupplungsteile Reibbeläge auf, wobei der Reibbelag bei wenigstens einem Kupplungsteil zwischen den U-Schenkeln der Flussleitkörper angeordnet ist. Der Reibbelag besteht dabei vorzugsweise aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, d. h. er erfüllt eine Doppelfunktion, nämlich einerseits die reibschlüssige Verbindung zwischen den Kupplungsteilen herzustellen und andererseits die U-Schenkel der Flussleitkörper quer zu ihrer Erstreckungsrichtung magnetisch gegeneinander zu isolieren.
Vorteilhaft ist, wenn das zweite Kupplungsteil als zwischen den Klemmbacken angeordnete dünne Scheibe ausgebildet ist, die vorzugsweise Schlitze aufweist, die sich in dem weichmagnetischen Werkstoff in mehreren Reihen nebeneinander vorzugsweise auf zu der Rotationsachse etwa konzentrischen Kreisbahnen erstrecken, wobei in den Schlitzen gegebenenfalls ein Reibbelag angeordnet ist. Auch bei dieser Anordnung besteht der Reibbelag bevorzugt aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, der einerseits dazu dient, die reibschlüssige Verbindung zwischen den Kupplungsteilen herzustellen, und andererseits die in radialer Richtung zwischen den Schlitzen befindlichen Stege des weichmagnetischen Werkstoffs magnetisch gegeneinander zu isolieren.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weisen die Schlitze Unterbrechungen auf, an denen die Stege durch aus dem weichmagnetischen Werkstoff gebildete, vorzugsweise etwa radial zur Rotationsachse verlaufende Querstege miteinander verbunden sind. Das scheibenförmige zweite Kupplungsteil ist dann kostengünstig durch einen Stanzvorgang beispielsweise aus einer Blechtafel herstellbar. Dabei können die Stege und Querstege der Scheibe gleich in einer vorgesehen Lage zueinander angeordnet und miteinander verbunden sein. Gegebenenfalls ist es sogar denkbar, dass das zweite Kupplungsteil mindestens zwei auf diese Weise hergestellte Lagen aus dem weichmagnetischen Werkstoff aufweist, die zu einem Schichtstapel miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Klebstoff. Dabei sind die Querstege zueinander benachbart aufeinanderfolgender Lagen vorzugsweise in Umfangsrichtung des Kupplungsteils zueinander versetzt, um eine hohe mechanische Festigkeit des Kupplungsteils zu ermöglichen.
Vorteilhaft ist, wenn der Elektromagnet mit ortsfester Spule ausgebildet ist, und wenn die Kupplungsteile auf einer gemeinsamen Welle relativ zur Spule und relativ zueinander verdrehbar gelagert sind. Die Spule kann dann auf einfache Weise über entsprechende Leiterbahnen mit elektrischem Strom versorgt werden. Die jeweils relativ zur Spule verdrehbar gelagerten Kupplungsteile drehen sich bei eingerückter oder eingekuppelter Reibkupplung gemeinsam um die Rotationsachse und können bei ausgerückter oder ausgekuppelter Reibkupplung gegeneinander verdreht werden. Dabei ist es sogar möglich, durch entsprechendes Bestromen der Spule den Reibschluss nur kurzzeitig zu unterbrechen, um die beiden Kupplungsteile um einen vorgegebenen Winkel, der zum Beispiel zwischen Null und 60 Grad betragen kann, gegeneinander zu verdrehen. Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass eines der Kupplungsteile drehfest mit der Spule verbunden ist. In diesem Fall kann das sich relativ zum Gehäuse der elektrischen Maschine drehende andere Kupplungsteil durch Schließen der Reibkupplung abgebremst werden. Erwähnt werden soll noch, dass die Reibkupplung auch bei einem Zweimassenschwungrad zur Anwendung kommen kann, wobei das eine Kupplungsteil mit der einen Masse und das andere Kupplungsteil mit der anderen Massen des Zweimassenschwungrades verbunden ist. Durch Schließen der Reibkupplung können dann Schwingungen, welche die beiden Massen relativ zueinander um eine Welle ausführen, gezielt gedämpft werden.
Die beiden Luftspalte sind bevorzugt derart angeordnet, dass sie etwa radial zur Rotationsachse vom magnetischen Fluss durchsetzt werden. Die zwischen den Kupplungsteilen und dem stationären Kern an den beiden Luftspalten wirkenden Magnetkräfte werden in den Bauteilen aufgenommen und belasten nicht die Lager.
Vorteilhaft ist, wenn die Klemmbacken durch eine Verzahnung oder dergleichen Führungselement bezüglich der Rotationsachse drehfest, aber axial verschiebbar miteinander verbunden sind. Dadurch wird eine noch bessere Übertragung der Reibkräfte zwischen den Kupplungsteilen ermöglicht. Außerdem wird erreicht, dass sich die beiden Klemmbacken stets in der gleichen Drehlage relativ zueinander befinden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsfor ist eines der Kupplungsteile drehfest mit einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, verbunden und das andere Kupplungsteil als Rad ausgebildet ist, das an seinem Außenumfang eine Angriffsstelle für einen Riemen, eine Kette oder dergleichen Zugmittel aufweist, das vorzugsweise mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Antriebsverbindung steht. Dabei macht sich diese Ausführungsform zu Nutze, dass beim Betrieb eines Verbrennungsmotors die sich proportional zur Kurbelwelle drehende Nockenwelle Schwingungen um ihre Rotationsachse aufweist, die über das Zugmittel von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen werden. Diese Schwingungen können genutzt werden, um die Nockenwelle um einen definierten Winkel relativ zu der Kurbelwelle zu verdrehen, wenn die Drehmomentübertragung zwischen den Kupplungsteilen ähnlich wie bei einem Freilauf nur eine Halbwelle der Momentenschwingung für den Verstellvorgang ausnutzt. Dies kann in entsprechender Weise auch für andere Systeme verwendet werden, die eine Hauptwelle und mindestens eine sich proportional zur Hauptwelle drehende Nebenwelle aufweisen, um Haupt- und Nebenwelle relativ zueinander zu verdrehen.
Vorteilhaft ist, wenn in dem magnetischen Kreis mindestens ein Permanentmagnet zur Erzeugung eines magnetischen Flusses angeordnet ist, und wenn der Elektromagnet zur Schwächung und/oder Verstärkung des von dem mindestens einen Permanentmagnet in dem magnetischen Kreis erzeugten magnetischen Fluss ausgebildet ist. Bei Anwendungen, bei denen die Reibkupplung nur kurz gelöst wird, wie z. B. beim Verdrehen einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors relativ zu einer Kurbelwelle, kann durch diese Maßnahme die Stromaufnahme der Spule des Elektromagneten reduziert werden, d. h. die Spule braucht im Wesentlichen nur in der ausgerückten Position der Kupplungsteile bestromt zu werden, während bei eingerückten Kupplungsteilen der magnetische Fluss im Magnetkreis von dem (den) Permanentmagnet(en) aufgebracht wird.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Querschnitt des magnetischen Flusses in dem Permanentmagnet mindestens sechs-, gegebenenfalls sieben-, insbesondere acht- und bevorzugt zehnmal so groß ist wie der kleinste Flussquerschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff. Der Permanentmagnet kann vorteilhaft als dünne kunststoffgebundene Schicht aufgebaut sein und dann in einem Arbeitspunkt betrieben werden, in dem sein Energieprodukt relativ groß ist und insbesondere dem maximalen Energieprodukt des Permanentmagneten entspricht.
Zweckmäßigerweise ist der mindestens eine Permanentmagnet zwischen dem weichmagnetischen Werkstoff und wenigstens einem Luftspalt angeordnet, derart, dass er mit seinem einen Magnetpol dem Luftspalt und mit seinem anderen Magnetpol dem weichmagnetischen Werkstoff zugewandt ist. Dadurch ergibt sich ein kompakt aufgebauter Magnetkreis. Der Magnetpol kann zwischen dem weichmagnetischen Werkstoff und dem Luftspalt als Beschichtung aufgebracht sein.
Ein Geberelement kann derart mit den Kupplungsteilen verbunden sein, dass es bei einem Verdrehen der Kupplungsteile relativ zueinander relativ zu beiden Kupplungsteilen bewegt wird, und dass zur indirekten Messung des Verdrehwinkels zwischen den Kupplungsteilen ein Sensor zur Lageerfassung des Geberelements vorgesehen ist. In vorteilhafter Weise wird dadurch auch dann, wenn sich beide Kupplungsteile in Rotationsbewegung befinden, auf einfache Weise und mit großer Präzision eine Messung des Verdrehwinkels ermöglicht. Dabei kann der Sensor sogar ortsfest angeordnet sein. Somit kann eine umständliche und aufwendige Bestimmung des Verdrehwinkels durch Erfassung der Drehzahl oder der Winkelgeschwindigkeit der beiden Kupplungsteile und Integration der entsprechenden Messsignale umgangen werden. Die aus dem Geberelement und dem Sensor gebildete Messvorrichtung und eine verstellbare Stromquelle zum Bestromen der Spule des Elektromagneten können Teil eines Regelkreises zur Einstellung eines vorgegebenen oder vorgebbaren Verdrehwinkels zwischen den Kupplungsteilen sein. Bei einer in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eingesetzten Reibkupplung ist es sogar möglich, dass der Regelkreis mit einer Motorsteuerung des Verbrennungsmotors gekoppelt ist.
Vorteilhaft ist, wenn das Geberelement jeweils über eine Schiebeführung verschiebbar mit den einzelnen Kupplungsteilen verbunden ist, wenn die Schiebrichtungen der Schiebeführungen derart schräg zueinander verlaufen, dass sich das Geberelement auf die Kupplungsteile zu- oder von diesen wegbewegt„ wenn die Kupplungsteile relativ zueinander verdreht werden, und wenn der Sensor zur Messung des Verschiebewegs des Geberelements vorzugsweise als Abstandssensor ausgebildet ist. Dabei kann der Sensor insbesondere ein kostengünstiger induktiver Axialwegsensor sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Schiebeführung derart ausgebildet, dass ihr Verschiebeweg entlang einer wendelförmigen, zur Rotationsachse wenigstens eines der Kupplungsteile koaxialen Bahnkurve verläuft, und dass die an dem anderen Kupplungsteil angeordnete Schiebeführung vorzugsweise als Linearführung ausgebildet ist, deren Verschiebeweg in Erstreckungsrichtung der Rotationsachse verläuft. Die Schiebeführung mit dem wendelförmigen Verschiebeweg kann dann kostengünstig durch mindestens einen an einem ersten Führungsteil vorgesehenen Vorsprung realisiert sein, der in eine wendelförmige Nut eines zweiten Führungsteils eingreift. Dabei kann eines dieser Führungsteile mit einem Kupplungsteil und das andere mit dem Geberelement verbunden sein.
Zweckmäßigerweise ist der Positionsgeber als Ringelement ausgebildet, das etwa konzentrisch zu einer Rotationsachse wenigstens eines Kupplungsteils angeordnet ist. Die aus dem Positionsgeber und dem Sensor gebildete Messanordnung ermöglicht dann während der Rotationsbewegung der Kupplungsteile eine kontinuierliche Erfassung des Verdrehwinkels zwischen den Kupplungsteilen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine elektromagnetische Reibkupplung mit zwei relativ zu einander verdrehbaren Kupplungsteilen, die von einem magnetischen Fluss durchsetzt werden, der in den Kupplungsteilen in einem weichmagnetischen Werkstoff geführt ist,
2 einen Querschnitt durch eine elektromagnetische Reibkupplung, bei welcher der weichmagnetische Werkstoff geblecht ausgebildet ist, wobei die Reibkupplung einen Sensor zur Erfassung eines Verdrehwinkels, um den die Kupplungsteilen relativ zueinander verdreht sind, aufweist,
3 eine Aufsicht auf ein scheibenförmig ausgebildetes Kupplungsteil einer elektromagnetischen Reibkupplung und
4 ein Geberelement des Winkelsensors, das eine Nut aufweist, in die ein Vorsprung eines Kupplungsteils eingreift, wobei das Kupplungsteil nur im Bereich des Vorsprungs dargestellt ist.
Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete elektromagnetische Reibkupplung weist ein erstes Kupplungsteil 2 und ein relativ dazu verdrehbar gelagertes zweites Kupplungsteil 3 auf, die auf einer Welle 4 angeordnet sind, die beispielsweise die Nockenwelle eines Verbrennungsmotors sein kann. In 1 und 2 ist erkennbar, dass das zweite Kupplungsteil 3 über eine Konushülse 5 drehfest mit der Welle 4 verbunden ist. Die Konushülse 5 ist mittels einer Zentralschraube 6, die mit einer stirnseitig in der Welle 4 angeordneten Gewindebohrung verschraubt ist, mit seiner Innenkonusfläche gegen eine Außenkonusfläche der Welle 4 verspannt. In 2 ist erkennbar, dass zwischen der Zentralschraube 6 und der Stirnseite der Konushülse eine Unterlegscheibe 7 angeordnet ist. Das erste Kupplungsteil 2 ist über ein am Außenumfang der Konushülse 5 angeordnetes, Nadelrollen aufweisendes erstes Wälzlager 8 um die Achse der Welle 4 verdrehbar mit dieser verbunden. Axial beidseits des Wälzlagers 8 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 Anlaufscheiben 9 angeordnet.
Das erste Kupplungsteil 2 hat zwei axial zur Welle 4 aufeinander zu- und voneinander wegbewegbare Klemmbacken 10a, 10b. Eine äußere Klemmbacke 10a ist ringförmig ausgebildet und weist in einer durch die Rotationsachse 11 der Welle 4 und einer Normalen auf diese Welle aufgespannten Durchmesserebene, die beispielsweise die Zeichenebene in 1 und 2 sein kann, einen etwa U-förmigem Ringquerschnitt auf. Ein innerer U-Schenkel der äußeren Klemmbacke 10a ist gegen das Wälzlager 8 derart abgestützt, dass die äußere Klemmbacke 10a in axialer Richtung auf der Welle 4 fixiert ist. An seinem Außenumfang hat die äußere Klemmbacke 10a eine Angriffsstelle für ein in der Zeichnung nicht näher dargestelltes Zugmittel, das beispielsweise ein von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetriebener Zahnriemen sein kann, der mit einer am Außenumfang der Klemmbacke 10a vorgesehenen Verzahnung in Eingriff steht.
Zwischen den U-Schenkeln der äußeren Klemmbacke 10a ist eine innere Klemmbacke 10b angeordnet, die ebenfalls ringförmig ausgebildet und etwa konzentrisch zur Klemmbacke 10a angeordnet ist. Die innere Klemmbacke 10b weist in der Zeichenebene einen etwa U-förmigen Ringquerschnitt auf und ist derart in der äußeren Klemmbacke 10a angeordnet, dass die U-Schenkel der inneren Klemmbacke 10b mit ihren freien Enden in die selbe Richtung weisen wie die U-Schenkel der äußeren Klemmbacke 10a. Die innere Klemmbacke 10b ist über ein zweites, als Kugellager ausgebildetes Wälzlager mit einem feststehenden weichmagnetischen Kern 12 eines Elektromagneten um die Rotationsachse 11 verdrehbar und in Richtung der Rotationsachse 11 auf den weichmagnetischen Kern 12 zu- und von diesem wegbewegbar verbunden. Der stationäre Kern 12 wird von einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Halterung getragen, die beispielsweise am Motorblock eines Verbrennungsmotors befestigt sein kann.
Wie in 2 erkennbar ist, sind die Klemmbacken durch an ihren äußeren Schenkelteilen vorgesehene, miteinander in Eingriff stehende Verzahnungen 13 drehfest miteinander verbunden, derart, dass die innere Klemmbacke 10b in axialer Richtung etwas auf der Weile 4 verschiebbar und dadurch auf die äußere Klemmbacke 10a zu- und von dieser wegbewegbar ist. In einer eingerückten Position der inneren Klemmbacke 10b ist das zweite Kupplungsteil 3 zwischen dieser und der äußern Klemmbacke 10a durch eine Klemmkraft festgeklemmt, die von einem die Kupplungsteile 2, 3 durchsetzenden magnetischen Fluss bewirkt wird. Die Klemmkraft ist derart bemessen, dass die Klemmbacken 10a, 10b schlupffrei miteinander in Reibungseingriff stehen. In einer ausgerückten Position sind die Kupplungsteile 2, 3 gegeneinander verdrehbar.
Der magnetische Fluss wird durch einen Permanentmagneten 14 erzeugt, der in einem Magnetkreis angeordnet ist, welcher die beiden Klemmbacken 10a, 10b des ersten Kupplungsteils 2, das zweite Kupplungsteil 3, den stationären Kern 12 und zwei zwischen dem stationären Kern 12 und dem zweiten Kupplungsteil 3 angeordnete Luftspalte 15 durchsetzt. Der stationäre Kern 12 und die den magnetischen Fluss führenden Bereiche der Kupplungsteile 2, 3 bestehen aus einem weichmagnetischen Werkstoff. In der oberen Hälfte von 1 sind der magnetische Fluss durch eine Flusslinie 16 und die Flussrichtung durch Pfeile angedeutet.
Der zum Ein- und Ausrücken der Reibkupplung 1 vorgesehene Elektromagnet weist an dem weichmagnetischen Kern 12 eine Spule 17 auf, die in Umfangsrichtung in mehreren Windungen um die Rotationsachse 11 umläuft. Die Spule 17 ist über in der Zeichnung nicht näher dargestellte elektrischen Anschlussleitungen derart bestrombar, dass sie ein zu dem Magnetfeld des Permanentmagneten 14 entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, das den magnetischen Fluss in dem Magnetkreis zumindest soweit abschwächt, dass die durch den Fluss bewirkte Kraft, welche die Klemmbacken 10a, 10b gegen das zweite Kupplungsteil 3 drückt, derart reduziert ist, dass zwischen den Kupplungsteilen 2, 3 Schlupf auftritt. Der magnetische Fluss des Permanentmagneten 14 ist so dimensioniert, dass bei unbestromter Spule 17 die Kupplungsteile 2, 3 die angreifenden Drehmomente aufeinander übertragen.
Der magnetische Fluss ist den Kupplungsteilen 2, 3 derart geführt, dass er bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 an zwölf und bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 an zwanzig in Flussrichtung hintereinander angeordneten Flussübergangsstellen zwischen den Kupplungsteilen 2, 3 wechselt. Dabei verläuft der magnetisch Fluss jeweils mehrmals hintereinander von der einen Klemmbacke 10a durch das zweite Kupplungsteil 3 zu der anderen Klemmbacke 10b und danach von dieser zurück durch das zweite Kupplungsteil 3 zu der zuerst genannten Klemmbacke 10a. Für das Aufbringen der Klemmkraft an den Klemmbacken 10a, 10b wird deshalb nur eine relativ kleine magnetische Energie in dem Magnetkreis benötigt.
In 1 und 2 ist erkennbar, dass die Klemmbacken des ersten Kupplungsteils 2 jeweils einen Träger 25a, 25b aufweisen, der aus einem nicht ferromagnetischen Material, wie z. B. Aluminium besteht, an dem mehrere voneinander beabstandete weichmagnetische Flussleitkörper 18a, 18b, 18c angeordnet sind, von denen die Flussleitkörper 18a jeweils einen der Luftspalte 15 mit einer Flussübergangsstelle und die Flussleitkörper 18b, 18c jeweils zwei radial zur Rotationsachse 11 nebeneinander angeordnete, voneinander beabstandete Flussübergangsstellen etwa U-förmig miteinander verbinden. Deutlich ist erkennbar, dass die Flussleitkörper 18b, 18c mit den freien Enden ihrer U-Schenkel jeweils dem zweiten Kupplungsteil 3 zugewandt sind. Die Flussleitkörper 18b, 18c sind ringförmig ausgebildet und laufen etwa konzentrisch zur Rotationsachse 11 in mehreren quer zur Rotationsachse 11 voneinander beabstandeten Reihen um die Rotationsachse 11 um. Insgesamt ergibt sich dadurch ein Magnetflussverlauf, der in Flussrichtung einander abwechselnde Rechts- und Linkskrümmungen aufweist, wobei die nach rechts gekrümmten Flussleitkörper 18c jeweils in der einen Klemmbacke 10b und die nach links gekrümmten Flussleitkörper 18b jeweils in der anderen Klemmbacke 10a angeordnet sind. Auch die Flussleitkörper 18a sind ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Rotationsachse 11 angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist erkennbar, dass die Flussleitkörper 18b, 18c jeweils in das nicht ferromagnetische Trägermaterial 25a, 25b der Klemmbacken 10a, 10b eingelassen oder eingebettet sind. Zwischen den U-Schenkeln der einzelnen Flussleitkörper sind Zwischenräume vorgesehen, die mit einem nicht ferromagnetischen Reibbelag befüllt sind.
In 3 ist erkennbar, dass das zweite Kupplungsteil 3 als dünne Scheibe ausgebildet ist, die in dem weichmagnetischen Werkstoff Schlitze 19 aufweist, die in mehreren Reihen nebeneinander angeordnet sind und entlang von Kreisbahnen verlaufen, die etwa konzentrisch zur Rotationsachse 11 angeordnet sind. Zwischen den Schlitzen 19 sind weichmagnetische Stege gebildet, die um die Rotationsachse 11 umlaufen und in radialer Richtung voneinander beabstandet sind. Weiter ist erkennbar, dass die Schlitze 19 Unterbrechungen aufweisen, an denen die Stege durch weichmagnetische, etwa radial zur Rotationsachse 11 verlaufende Querstege miteinander verbunden sind. Die Schlitze 19 sind mit einem Reibbelag befüllt, der in Schließstellung der Reibkupplung 1 mit den Reibbelägen der Klemmbacken 10a, 10b zusammenwirken.
Die Luftspalte 15 zwischen dem stationären Kern 12 und den Flussleitkörpern 18a laufen in Umfangsrichtung konzentrisch um die Rotationsachse 11 um. Wie in 1 besonders gut erkennbar ist, werden die Luftspalte radial vom magnetischen Fluss durchsetzt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Querschnitt des magnetischen Flusses in beiden Luftspalten 15 jeweils mindestens fünfmal so groß ist wie der kleinste Flussquerschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff des Magnetkreises. In den Luftspalten ist dadurch auch bei unbestromter Spule 17 nur eine geringe magnetische Energie gespeichert. Somit ergibt sich eine entsprechend große Verstelldynamik der Rutschkupplung 1. Der Permanentmagnet 14 ist am Luftspalt angeordnet. Der Querschnitt des magnetischen Flusses im Permanentmagnet beträgt mindestens ein Mehrfaches des kleinsten Flussquerschnitts in den Komponenten des Magnetkreises. Dadurch wird eine niedrige Flussdichte im Permanentmagneten erreicht und der Permanentmagnet kann nahe des maximalen Energieprodukts betrieben werden.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der weichmagnetische Werkstoff des Magnetkreises als Blechpaket mit quer zur Flussrichtung elektrisch gegeneinander isolierten Schichten ausgebildet. Deutlich ist erkennbar, dass an den Klemmbacken 10a, 10b die Querschnittsfläche der Flussleitkörper 18b, 18c in der Zeichenebene mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse 11 abnimmt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Anzahl der Schichten der Blechpakete der Flussleitkörper 18b, 18c in radialer Richtung von innen nach außen abnimmt. Durch diese Maßnahme ist in dem durch die Flussleitkörper 18b, 18c gebildeten Abschnitt des Magnetkreises die magnetische Flussdichte in etwa konstant, d. h. der nach außen hin abnehmende Querschnitt des weichmagnetischen Materials wird durch den nach außen hin zunehmenden Umfang der ringförmigen Flussleitkörper 18b, 18c hinsichtlich der Querschnittsfläche der Flussleitkörper 18b, 18c in etwa kompensiert.
In 2 und 4 ist erkennbar, dass die Reibkupplung 1 ein Geberelement 20 aufweist, das als konzentrisch zur Rotationsachse 11 angeordnetes Ringelement ausgebildet ist. Der Ringquerschnitt des Geberelements 20 ist in einer durch die Rotationsachse 11 und eine Normale auf die Rotationsachse 11 aufgespannten Ebene etwa L-förmig mit zwei Schenkelteilen ausgebildet, wobei das eine Schenkelteil etwa die Form einer zur Rotationsachse 11 konzentrischen Hülse 26 und das andere Schenkelteil als Ringflansch 27 ausgebildet ist, der mit seiner Flanschebene etwa rechtwinklig zur Rotationsachse 11 angeordnet ist. Das Geberelement 20 ist über eine erste, an der Hülse 26 angeordnete Schiebeführung in Richtung der Rotationsachse 11 verschiebbar mit der äußeren Klemmbacke 10a des ersten Kupplungsteils 2 und über eine zweite Schiebeführung 28 schräg zur Verschieberichtung der ersten Schiebeführung mit dem zweiten Kupplungsteil 3 verbunden, derart, dass sich bei einem Verdrehen der Kupplungsteile 2, 3 relativ zueinander das Geberelement 20 axial auf der Welle 4 verschiebt. Zur indirekten Messung des Verdrehwinkels zwischen den Kupplungsteile 2, 3 ist ein Sensor 21 zur Lageerfassung des Geberelements vorgesehen, der bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 als induktiver Abstandssensor ausgebildet ist.
Die erste Schiebeführung ist als Linearführung ausgebildet und weist an dem Geberelement 20 eine Verzahnung 29 auf, deren Zähne parallel zur Rotationsachse 11 verlaufen und mit einer dazu passenden, an dem zweiten Kupplungsteil 3 angeordneten Gegenverzahnung 22 in Eingriff steht. Mit Hilfe der ersten Schiebeführung ist das Geberelement 20 axial verschiebbar und drehfest mit dem zweiten Kupplungsteil 3 und somit auch der Welle 4 verbunden.
Wie in 4 besonders gut erkennbar ist, weist die zweite Schiebeführung an dem Geberelement 20 eine Nut 23 auf, die sich entlang einer wendelförmigen Bahnkurve erstreckt, die koaxial zur Rotationsachse 11 verläuft. An der inneren Klemmbacke 10b des ersten Kupplungsteils ist ein zu der Nut 23 passender Vorsprung 24 vorgesehen, der in der Nut 23 geführt und entlang der wendelförmigen Bahnkurve relativ zu dem Geberelement 20 verschiebbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnetische Kupplung
2: Erstes Kupplungsteil
3: Zweites Kupplungsteil
4: Welle
5: Konushülse
6: Zentralschraube
7: Unterlegscheibe
8: Erstes Wälzlager
9: Anlaufscheibe
10a: Äußere Klemmbacke
10b: Innere Klemmbacke
11: Rotationsachse
12: Weichmagnetischer (stationärer) Kern
13: Verzahnungen
14: Permanentmagnet
15: Luftspalt
16: Flusslinie
17: Spule
18a: Flussleitkörper
18b: Flussleitkörper
18c: Flussleitkörper
19: Schlitz
20: Geberelement
21: Sensor
22: Gegenverzahnung
23: Nut
24: Vorsprung
25a: Träger
25b: Träger
26: Konzentrische Hülse
27: Ringflansch
28: Schiebeführung
29: Verzahnung

Claims

Elektromagnetische Reibkupplung (1), die aufweist: relativ zueinander verdrehbar gelagerte Kupplungsteile (2, 3), die einen weichmagnetischen Werkstoff aufweisen, in dem ein Magnetkreis geführt ist, wobei die Kupplungsteile (2, 3) durch eine magnetische Kraft des Magnetkreises aneinander anpressbar sind, einen Elektromagnet, der zum Verändern eines magnetischen Flusses in den Kupplungsteilen (2, 3) in dem Magnetkreis angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis derart in den Kupplungsteilen (2, 3) geführt ist, dass der magnetische Fluss an mindestens fünf in einer Flussrichtung des magnetischen Flusses hintereinander angeordneten Flussübergangsstellen zwischen den Kupplungsteilen (2, 3) wechselt, und der weichmagnetische Werkstoff zumindest abschnittweise als ein Blechpaket mit quer zu der Flussrichtung des magnetischen Flusses elektrisch gegeneinander isolierten Schichten ausgebildet ist.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss an mindestens zehn in der Flussrichtung des magnetischen Flusses hintereinander angeordneten Flussübergangsstellen zwischen den Kupplungsteilen (2, 3) wechselt.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet eine Spule (17) und einen weichmagnetischen Kern (12) aufweist, der Magnetkreis zwischen dem weichmagnetischen (12) Kern und einem der Kupplungsteile (2, 3) Luftspalte (15) aufweist, und ein den magnetischen Fluss führender Querschnitt in wenigstens einem der Luftspalte (15) mindestens fünfmal so groß wie ein kleinster den magnetischen Fluss führender Querschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff ist.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den magnetischen Fluss führende Querschnitt in den Luftspalten (15) mindestens sechsmal so groß wie der kleinste den magnetischen Fluss führende Querschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff ist.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kupplungsteil (2) der Kupplungsteile (2, 3) zwei aufeinander zu und voneinander wegbewegbare Klemmbacken (10a, 10b) aufweist, ein zweites Kupplungsteil der Kupplungsteile (2, 3) zwischen den zwei Klemmbacken (10a, 10b) angeordnet ist, und der weichmagnetische Werkstoff der Kupplungsteile (2, 3) derart angeordnet ist, dass der magnetische Fluss von einer der Klemmbacken (10a, 10b) durch das zweite Kupplungsteil (3) zu einer anderen der Klemmbacken (10a, 10b) wechselt.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kupplungsteile (2, 3) einen nicht ferromagnetischen Träger (25a, 25b) aufweist, und an dem Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) angeordnet sind, die aus dem weichmagnetischen Werkstoff gebildet sind, voneinander beabstandet sind und jeweils zwei Flussübergangsstellen miteinander verbinden.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) einen U-förmigen Querschnitt mit U-Schenkeln aufweisen, und freie Enden der U-Schenkel den Flussübergangsstellen zugewandt sind.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) entlang einer zu einer Rotationsachse (11) eines der Kupplungsteile (2, 3) konzentrischen Kreisbahn erstrecken.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) ringförmig um die Rotationsachse (11) umlaufen.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) auf zueinander konzentrischen Kreisbahnen in unterschiedlichen Abständen zu der Rotationsachse (11) angeordnet sind, und ein Querschnitt der Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) in einer durch die Rotationsachse (11) und eine Normale auf die Rotationsachse (11) aufgespannten Ebene mit einem zunehmenden Abstand von der Rotationsachse derart abnimmt, dass in einem durch die Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) gebildeten Abschnitt des Magnetkreises die magnetische Flussdichte konstant ist.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Schichten der Blechpakete der Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) in einer radialen Richtung von innen nach außen abnimmt.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsteile (2, 3) Reibbeläge aufweisen, und eine der Reibbeläge bei einem der Kupplungsteile (2, 3) zwischen den U-Schenkeln der Flussleitkörper (18a, 18b, 18c) angeordnet ist.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kupplungsteil (3) eine Schlitze (19) aufweisende dünne Scheibe ist, und in den Schlitzen (19) ein Reibbelag angeordnet ist.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem magnetischen Kreis ein Permanentmagnet (14) zum Erzeugen des magnetischen Flusses angeordnet ist, und der Elektromagnet zum Schwächen und/oder Verstärken des magnetischen Flusses ausgebildet ist.
Elektromagnetische Reibkupplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein den magnetischen Fluss führender Querschnitt in dem Permanentmagneten (14) mindestens sechsmal so groß wie ein kleinster einen magnetischen Fluss führender Querschnitt in dem weichmagnetischen Werkstoff ist.
Elektromagnetische Reibkupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geberelement (20) derart mit den Kupplungsteilen (2, 3) verbunden ist, dass das Geberelement (20) bei einem Verdrehen der Kupplungsteile (2, 3) relativ zueinander relativ zu den Kupplungsteilen (2, 3) bewegt wird, und zum indirekten Messen eines Verdrehwinkels zwischen den Kupplungsteilen (2, 3) ein Sensor (20) zum Erfassen einer Lage des Geberelements (20) vorgesehen ist.