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Die Erfindung betrifft eine Klauenkupplung bestehend aus einem Primärteil und einem Sekundärteil, wobei die im eingerückten Zustand ineinandergreifenden Klauen und Gegenklauen Stirnklauen mit abweisenden Flanken sind und der Primärteil auf einer Primärwelle in axialer Richtung verschiebbar und in eingerückter Stellung verriegelbar ist.
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Unter abweisenden Flanken ist zu verstehen, dass die Klauen der Kupplung im Umfangsschnitt im Wesentlichen die Form eines Trapezes haben, dessen kürzere der beiden parallelen Seiten den Gegenklauen zugewandt sind. Dadurch kann die Kupplung schnell aus- und eingerückt werden. Ersteres, weil dadurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Klauen der beiden Kupplungsteile Kopf gegen Kopf stehen geringer ist, und zweiteres, weil dadurch die bei Übertragen eines Drehmomentes entstehenden und dem Aus- und Einrücken entgegenwirkenden Reibungskräfte kleiner sind. Allerdings wirken die durch die abweisenden Flanken entstehenden Axialkräfte auf die beiden Kupplungsteile und damit auf deren Wellen. Für die Aufnahme dieser Achsialkräfte muss die Lagerung der Wellen dimensioniert sein, was sie schwer und sperrig macht. Trotz der Neigung der Flanken wirken beim Aus- und Einrücken zwischen ihnen aber immer noch Reibungskräfte, die das Ausrücken – vor allem das Ausrücken unter Last – verzögern und die jedenfalls vom Aktuator zu überwinden sind.
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Aus der
DE 68909581T2 ist ein Differenzialgetriebe bekannt, bei dem eine Sperrkupplung zwischen 2 Stirnzahnrädern symmetrisch innerhalb des Differenzialgehäuses angeordnet ist. Die Sperrkupplung setzt sich aus einer Nockenkupplung zusammen, die Differenzialbegrenzungs- und Sperrkraft oder Belastung im Hinblick auf beide Stirnzahnräder ausbalancieren und die Differenzialfunktion im Zusammenwirken mit einer Vielfachscheibenkupplung zu sperren. Die Sperrkupplung weist beidseitig konvexe Bereiche, Vorsprünge auf, mit denen sie mit entsprechenden Aufnahmen der Stirnräder Verbindung herstellen kann. Da die Sperrkupplung zwischen weiteren Kupplungen eingebaut ist, müssen die Nocken nicht gegen eine ungewollte Trennung gesichert sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung auch diese Reibung und die Belastung der Wellenlager durch Axialkräfte zu minimieren. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass zwischen Primärteil und einem Sekundärteil ein Zwischenteil vorgesehen ist, der auf seiner den Klauen zugewandten Seite die Gegenklauen hat, und dass auf seiner von den Klauen abgewandten Seite mit dem Sekundärteil oder dem Primärteil eine drehfeste Verbindung mit Totgang vorgesehen ist, wobei der Zwischenteil bezüglich der Primärwelle beziehungsweise des Primärteiles in axialer Richtung festgelegt ist. Der Totgang der drehfesten Verbindung mit dem Sekundärteil gibt den Klauen des Zwischenteiles die Freiheit, unbelastet von einem Drehmoment und daher mit minimaler Reibung in die Primärklauen zu gleiten.
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In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind die Klauen am Zwischenteil und die Gegenklauen am Sekundärteil vorgesehen, ist der Zwischenteil auf dem axial verschiebbaren Primärteil in axialer Richtung festgelegt, und hat mit dem Primärteil die drehfeste Verbindung mit Totgang (Anspruch 2).
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Klauen am Primärteil und die Gegenklauen am Zwischenteil vorgesehen, ist der Zwischenteil auf der Primärwelle in achsialer Richtung festgelegt, und hat mit dem Sekundärteil die drehfeste Verbindung mit Totgang (Anspruch 3). So sind der Kupplungsteil mit den Klauen, und der Kupplungsteil mit den Gegenklauen – beide mit den abweisend geneigten Flanken – auf derselben Welle und die Kraftlinien schließen sich über die Welle auf kürzestem Weg. Das bedeutet, dass auf die Lager keine Achsialkräfte wirken.
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Als sowohl fertigungstechnisch als auch funktionell vorteilhaft haben sich die Hilfsklauen erwiesen, deren Lückenweite um den Totgang größer als deren Umfangsbreite ist. Damit die Hilfsklauen keine Achsialkräfte erzeugen, dürfen sie keine abweisende Neigung haben. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Hilfsklauen leicht bis stark hinterschnittene Flanken haben.
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In Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens und in Anwendung eines mit hinterschnittenen Flanken besonders zuverlässig erzielbaren Effektes kann der Primärwellenteil mit einer Primärwelle drehfest, aber in axialer Richtung verschiebbar verbunden sein, wobei die hinterschnittenen Flanken bei Übertragung eines Drehmomentes den Primärteil gegen die Kraft einer Druckfeder im eingerückten Zustand halten (Anspruch 4). Der Effekt besteht darin, dass bei Übertragen eines Drehmomentes die Flanken aneinandergepresst werden. Sollen die Klauen zum Ausrücken gegeneinander in achsialer Richtung verschoben werden, so entsteht eine dem entgegenwirkende Reibungskraft, die die Druckfeder nicht überwinden kann.
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Von diesem Effekt wird zum Beispiel in Sperrdifferentialen Gebrauch gemacht, die in der
DE 41 13 128 A1 beschrieben sind. Die Anwendung dieses Effektes bewirkt, dass bei Wegfall des Drehmomentes der Primärwellenteil auf der Primärwelle von der Druckfeder ausser Eingriff geschoben wird. In Kombination mit dem Grundgedanken der Erfindung – der besonderen Anordnung zweier formschlüssiger Kupplungen in Serie – ist so eine Kupplung geschaffen, die sowohl selbsttätig (ohne Befehl von aussen) ausrückt, als auch mit geringen Betätigungskräften auch unter Last sehr schnell gesteuert geöffnet werden kann und in beiden Zuständen praktisch ohne Reibungsverluste arbeitet. Dank ersterem erübrigt sich eine Drehmomentmessung als Lösekriterium. Insgesamt ist so eine einfache, kompakte und robuste Konstruktion geschaffen.
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Eine erfindungsgemäß ausgebildete Klauenkupplung ist in allen denkbaren Varianten besonders geeignet als Differentialsperre, weil da die beschriebenen Vorteile besonders zur Geltung kommen. Schnelles Schalten ist nötig, insbesondere wenn das damit ausgestattete Fahrzeug mit einem elektronisch beeinflussten Bremseingriff (ABS, ESB) ausgestattet ist. Ganz besonders sogar, wenn die Primärwelle die Radantriebswelle und der Sekundärteil mit dem Differentialkorb drehfest verbunden ist (Anspruch 5). Die Kupplung verbindet dann im eingerückten Zustand die Radantriebswelle mit dem Differential, dessen Lager so nicht größer als bei einem nicht sperrbaren Differential dimensioniert zu sein brauchen. Auch wird dadurch der Zusammenbau der ganzen Achse, deren Teil das Differential ist, erleichtert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
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1: ein Differentialgetriebe mit einer formschlüssigen Klauensperre, die erfindungsgemäß ausgeführt sein kann,
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2: die erfindungsgemäße Kupplung in einer ersten Ausführungsform, im Achsialschnitt und geöffnet,
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3: einen Umfangsschnitt zu 2,
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4: die Kupplung der 2, geschlossen,
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5: einen Umfangsschnitt zu 4,
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6: eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,
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7: die erfindungsgemäße Kupplung in einer Weiterbildung in einer ersten Stellung,
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8: wie 8 in einer zweiten Stellung,
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9: wie 8 in einer dritten Stellung,
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10: einen Umfangsschnitt nach X-X in 9,
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11: die erfindungsgemäße Kupplung in einer Weiterbildung in einer vierten Stellung.
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In 1 ist das Gehäuse eines Differentiales mit 1 bezeichnet. Es enthält einen Differentialkorb 2 mit einem von einem Triebling 4 getriebenen Tellerrad 3, Ausgleichskegelrädern 5 und Abtriebskegelrädern 6, wie bei einem gewöhnlichen Differential üblich. Das Abtriebskegelrad 6 ist drehfest mit einer Abtriebswelle 7 verbunden, die durch eine Klauenkupplung 8 hindurch zum nicht dargestellten Rad eines Fahrzeuges führt. Die Klauenkupplung 8 stellt die Verbindung zwischen der Abtriebswelle 7 und dem Differentialkorb 2 her, wenn sie von der nur angedeuteten Schaltgabel 9 eingerückt wird, und sperrt so das Differential.
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In 2 ist vergrößert das Detail II aus 1 zu sehen, sie zeigt die erfindungsgemäße Klauenkupplung. Sie besteht aus einem Primärteil 11, der mittels einer Kuppelverzahnung 13 drehfest, aber verschiebbar, mit einem Primärwellenteil 7 – der hier die Abtriebswelle selbst ist – verbunden ist, aus einem Sekundärteil 12, der drehfest mit dem Differentialkorb 2 verbunden ist, und aus einem Zwischenteil 14. Am Primärteil 11 sind Klauen 15 und am Zwischenteil 14 Gegenklauen 16 vorgesehen. Deren Form ist in 3 zu sehen. Die Klauen 15, 16 haben Abweisflanken 17, das sind Flanken, die geneigt sind, dass sie Primärteil 11 und Sekundärteil 12 auseinander zu drücken bestrebt sind. Zum leichteren Einkuppeln ist hier ein Umfangspiel zwischen den Klauen 15, 16 vorgesehen.
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Zwischen dem Zwischenteil 14 und dem Sekundärteil 12 ist eine allgemein mit 19 bezeichnete drehfeste Verbindung mit Totgang und eine Drehfeder 20 vorgesehen. Die drehfeste Verbindung besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Hilfsklauen 21, 22, erstere an der den Klauen 15 abgeneigten Seite des Zwischenteiles 14, zweitere am Sekundärteil 12. Da diese Klauen 21, 22 immer eingerückt bleiben, brauchen sie keine Abweisklauen zu sein, sie können sogar hinterschnitten sein. Jedenfalls aber herrscht zwischen den Hilfsklauen 21, 22 ein Umfangspiel 24, das den Totgang erlaubt. Dazu siehe 3. Um sicherzustellen, dass beim Einrücken der Totgang in beiden Richtungen zur Verfügung steht, ist die Drehfeder 20 vorgesehen, die in momentenfreiem Zustand die Klauen 12 in der Mitte zwischen den benachbarten Klauen 22 hält. Der Zwischenteil 14 ist bezüglich des Primärwellenteiles 7 mittels Federringen 25, 26 in beiden Axialrichtungen festgelegt, jedoch auf dem Primärwellenteil 7 frei drehbar. Zwischen dem Primärteil 11 und dem Zwischenteil 14 ist noch eine Druckfeder 27 vorgesehen.
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Zum Ein- und Ausrücken der Kupplung ist der Primärteil 11 auf der Kuppelverzahnung 13 des Primärwellenteiles 7 in axialer Richtung verschiebbar und in eingerückter Stellung auch verriegelbar. Dazu ist auf dem Primärwellenteil 7 eine Schaltnabe 29 drehfest und axial fest angebracht. In der gezeigten Ausführungsform stützt sie sich auf einem weiteren Federring 28 ab. Auf dieser Schaltnabe 29 ist eine Schaltmuffe 30 mittels einer Schaltgabel 9 in axialer Richtung verschiebbar. In 2 wird der Primärteil 11 von der Druckfeder 27 in geöffneter Stellung gehalten. Eine Anzahl Kugeln 31 als Abstütz- und Verriegelungselemente ist zwischen konischen Schrägflächen 32, 33 vorgesehen. Anstelle der Kugeln könnten auch Ringsegmente (gegebenenfalls durch Zugfedern zusammengehalten), Gleitsteine oder Kippelemente eingesetzt sein.
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4 zeigt dieselbe Kupplung in eingerückter Stellung. Um in diese zu gelangen, wird die Schaltmuffe 30 im Einrücksinn (im Bild nach rechts) verschoben. Über die Kugeln 31 wird so auch der Primärteil 11 verschoben, bis die Kugeln 31 zwischen den konischen Schrägflächen 32, 33 nach innen in die in 4 gezeigte Stellung gelangen, in der sie den eingerückten Primärteil 11 verriegeln. So stützt sich die von den Klauen 15, 16 ausgeübte Axialkraft über die Kugeln 31 und die Schaltnabe 29 auf dem Federring 28 ab.
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In 5 ist die Stellung der Klauen 15, der Gegenklauen 16 und der Hilfsklauen 21, 22 zu sehen. Deren Totgang wurde beim Einrücken aufgebraucht, sodass die Hilfsklauen 21, 22 aneinander anliegen und der volle Totgang 24 zu erkennen ist. Der Pfeil 35 zeigt die Richtung des übertragenen Drehmomentes an. Die Adjektive „primär” und „sekundär” im gesamten Text sind vertauschbar.
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Die zweite Ausführungsform gemäß der 6 unterscheidet sich von der vorherigen dadurch, dass alles gewissermaßen auf den Kopf gestellt ist. Der Primärteil 41 ist wohl auf der Kuppelverzahnung 43 in axialer Richtung verschiebbar, der Zwischenteil 44 jedoch ist hier auf einen Nabenteil 50 des Primärteiles 41 aufgesetzt und wird von einem Federring 51 bezüglich des Primärteiles 41 festgelegt. Weiters der Zwischenteil 44 dem sekundären Teil 42 zugekehrt, seine Klauen 45 mit dem Abweisprofil. Sie wirken bei eingerückter Kupplung mit den Gegenklauen 46 zusammen, die am Sekundärteil 42 vorgesehen sind. Die drehfeste Verbindung mit Totgang 49 besteht hier zwischen dem Zwischenteil 44 und dem Primärteil 41.
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In der 7 und den folgenden Figuren werden für gleiche Teile die um 100 erhöhten vorangegangenen Bezugszeichen verwendet. Im wesentlichen unterscheidet sich diese Variante dadurch von den vorhergehenden, dass der Primärwellenteil 105 nicht selbst Primärwelle ist sondern über eine weitere Kuppelverzahnung 106 drehfest, aber axial verschiebbar auf einer Primärwelle 107 sitzt. Diese ist im Falle einer Differentialsperre die Radantriebsschwelle 102 wäre dann der Differentialkorb.
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Auf dem Primärwellenteil 105 ist ein Primärteil 111 auf einer Kuppelverzahnung 113 in axialer Richtung verschiebbar. Der Primärteil 111 wirkt über einen Zwischenteil 114 mit einem Sekundärteil 112 zusammen. Der Primärteil 111 hat erste Klauen 115, der Zwischenteil 114 erste Gegenklauen 116. Diese sind (siehe 10) so gestaltet, dass sie unter allen Umständen miteinander in Eingriff gebracht werden können, bei denen es also keine Kopf-gegen-Kopf-Stellung gibt, die ein Eingreifen behindern würde. Die Köpfe der Klauen 115 und Gegenklauen 116 haben deshalb dachförmig ausgebildete Abweisflanken 117.
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Zum weiteren Unterschied von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist die zusätzliche weitere drehfeste Verbindung 119 nun aber durch Verschieben des ganzen Primärwellenteiles 105 auf der Primärwelle 107 außer Eingriff bringbar. Diese zusätzliche Kupplung hat (siehe wieder 10), zweite Klauen 121 und zweite Gegenklauen 122, beide mit leicht hinterschnittenen Flanken 123. Auch diese können ein Umfangsspiel 124 haben. Auf dem Primärwellenteil 105 sind erste Federringe 126, 128 angebracht und zwischen diesen der Zwischenteil 114, eine erste Druckfeder 127, der Primärteil 111, eine Schaltnabe 129, eine Schaltmuffe 130 und wieder die Kugeln 131 als Abstütz- und Verriegelungselemente. Anstelle der Kugeln 131 könnten auch Ringsegmente, Gleitsteine oder Kippelemente
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Der gesamte Primärwellenteil ist auf der Primärwelle 107 verschiebbar, wobei zur Begrenzung der Bewegung zweite Federringe 140, 141 vorgesehen sind. Eine Druckfeder 142 wirkt auf den Primärwellenteil in Öffnungsrichtung und stützt sich mit einem Ende auf einen zweiten Federring 140 ab. In der 7 ist die Kupplung in eingerücktem Zustand, in dem ein Drehmoment übertragen wird, dargestellt. Die beiden Federn 127, 142 sind gespannt.
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8 zeigt dieselbe Kupplung in einem ersten Stadium des Auskuppelns unter Last. Dieses wird eingeleitet durch Verschieben der Schaltgabel 109 und damit der Schaltmuffe 130, im Bild nach links. Damit wird die Verriegelung durch die Kugeln 131 gelöst und die zwischen den ersten Klauen 115, 116 wirkenden Axialkräfte können den Primärteil 111 so weit nach links verschieben, dass die ersten Klauen 115, 116 außer Eingriff kommen.
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9 zeigt das nächste Stadium fremdbestimmten Öffnens. Da die Verbindung zwischen den ersten Klauen 115, 116 gelöst ist, ist der auf dem Primärwellenteil 105 drehbar gelagerte Zwischenteil 114 momentenfrei und die zweite Druckfeder 142 drückt den gesamten Primärwellenteil 105 nach links. Dadurch gelangen auch die zweiten Klauen 121 und Gegenklauen 122 vorübergehend außer Eingriff. Vorübergehend, weil der Ausrückvorgang erst im nächsten Stadium beendet ist.
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11 zeigt die Stellung in diesem nächsten Stadium. Weil die zweite Druckfeder 142 wesentlich stärker als die erste Druckfeder 127 ist, ist der gesamte Primärwellenteil 102, 105 bis an den zweiten Federring 141 zurückgeschoben. Dabei nimmt der erste Federring 126 den Zwischenteil 114 nach links mit, bis die ersten Klauen 115, 116 wieder miteinander im Eingriff stehen. In gleichem Maße wie der erste Federring 126 geht auch der Federring 128 zurück, der den Weg der Schaltnabe 129 begrenzt. Dabei können die Kugeln 131 wieder in ihre verriegelte Stellung zurück. Das ist die komplett ausgerückte Endstellung, aus der die eingerückte Stellung direkt und ohne Zwischenstadien durch Verschieben des Primärwellenteiles 105 (im Bild nach rechts) erreicht wird.
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Wenn die Kupplung beim Wegfall bzw. starkem Absinken des übertragenen Drehmoment selbsttätig auskuppelt, so geht sie direkt von der in 7 dargestellten Stellung in die in 11 dargestellte über, ohne Zwischenstellungen. Es wird einfach der gesamte Primärwellenteil 105 mit allen auf ihm sitzenden Teilen von der zweiten Druckfeder 142 im Bild nach links geschoben.
