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Die
Erfindung betrifft eine Kupplung zur schaltbaren Verbindung eines
Primärteiles
mit einem Sekundärteil,
die eine aus einer ersten und einer zweiten Kupplungshälfte bestehende
Klauenkupplung umfasst.
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Derartige
formschlüssige
Kupplungen finden im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen Verwendung, zum
Zuschalten von Antriebsachsen oder zur Sperrung von Differentialgetrieben.
Das Ein- beziehungsweise Auskuppeln erfolgt durch axiales Verschieben eines
der Kupplungsteile, wobei die an deren Stirnflächen vorgesehenen Klauen oder
Zähne in
Eingriff oder ausser Eingriff gebracht werden. So ist bei minimalem
Einbauraum ein sehr hohes Drehmoment formschlüssig übertragbar. Das Verschieben
des einen Kupplungsteiles kann durch einen in beiden Richtungen
wirkenden Aktuator erfolgen, oder wie in der DE-C-41 13 128 beschrieben,
durch einen nur in einer Richtung wirkenden Aktuator. Das erfordert Zähne oder
Klauen mit hinterschnittenen Flanken und einer im Öffnungssinne
wirkenden Feder zwischen den beiden Kupplungshälften, sodass die Kupplung
bei Wegfall des Drehmomentes selbsttätig öffnet.
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Unter
hinterschnittenen 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 abgewandt sind.
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Beim
Aus- und Einrücken
wirken zwischen den Flanken der Kupplungsklauen Reibungskräfte, die
das Ausrücken
verzögern
und die vom Aktuator zu überwinden
sind. Wenn die Kupplung so ausgelegt ist, dass sie bei Wegfall des
Drehmomentes von selbst ausrückt,
dann bedeutet das auch, dass sie unter Last nicht ausgerückt werden
kann. Beides muss vermieden werden, wenn ein schnelles Öffnen der
Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges gefordert ist,
etwa für
das Zusammenwirken mit einem elektronischen Eingriff in das Bremssystem (z.B.
ABS).
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein schnelles Öffnen einer gattungsgemäßen Kupplung
auch unter Last sicherzustellen. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht,
dass zwischen dem Primärteil
und dem Sekundärteil
ein Zwischenteil vorgesehen ist, der auf seiner den Klauen zugewandten
Seite die Gegenklauen hat, und der auf seiner von den Klauen abgewandten
Seite über
in radialer Richtung verschiebbare Elemente (Gleitsteine oder Gleitstücke) formschlüssig mit
dem Sekundärteil
drehfest verbindbar ist, wobei deren Stellung von der Stellung einer Schaltmuffe
bestimmt ist.
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So
wird der Stirnklauenkupplung eine weitere formschlüssige Kupplung
in Serie nachgeschaltet. Der Zwischenteil gehört mit einer Seite zu der einen und
mit der anderen Seite zu der weiteren formschlüssigen Kupplung. Die kraftübertragenden
Zähne sind
bei letzterer allerdings nicht radial, sondern axial ausgerichtet.
So können
große
Umfangskräfte übertragen
werden, ohne dass dabei eine Axialkraftkomponente entsteht. Die
Reaktionskräfte
der über den
Umfang der Kupplung gleichmäßig verteilten Gleitstücke wirken
ja radial und heben sich daher auf. Daher kann die abweisende Kuppelverzahnung
mit einem sehr großen
Abweiswinkel ausgeführt
sein, was zunächst
ein schnelles Lösen
der weiteren Kupplung fördert
und in der Folge ein schnelles Öffnen
der Klauenkupplung sicherstellt. Ausserdem kann so auch die Fliehkraft
in die Wirkungsweise einbezogen beziehungsweise berücksichtigt
werden. Dem gemäß erfolgt
das Ein- und das Auskuppeln jeweils in zwei Phasen.
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Je
nach Erfordernissen und Einbausituation sind verschiedene Ausführungsformen
zu bevorzugen. In einer ersten Ausführungsform sind die in radialer
Richtung verschiebbaren Gleitstücke
im Zwischenteil geführt
und über
eine abweisende Kuppelverzahnung mit einer auf dem Sekundärteil verschiebbaren
Hülse drehfest
verbindbar (Anspruch 2). Zur Betätigung
hat die Schaltmuffe eine mit den Gleitstücken zusammenwirkende konische
Innenfläche, welche
diese einwärts
auf die abweisende Kuppelverzahnung hält (Anspruch 3).
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Die
Gleitstücke
können
auch in einer mit dem Sekundärteil
drehfest verbundenen Hülse
geführt und über eine
abweisende Kuppelverzahnung mit dem Zwischenteil drehfest verbindbar
sein (Anspruch 4). In einer weiteren Ausführungsform hat die Schaltmuffe
eine mit den Gleitstücken
zusammenwirkende konische Aussenfläche, welche diese auswärts auf die
abweisende Kuppelverzahnung bewegt und hält und ist die Hülse verschiebbar
(Anspruch 5). In einer noch weiteren Ausführungsform hat die Schaltmuffe eine
mit den Gleitstücken
zusammenwirkende konische Innenfläche, welche diese einwärts auf
die abweisende Kuppelverzahnung bewegt und hält (Anspruch 6).
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In
weiteren Ausführungsformen
haben die Gleitstücke
an ihrer der Drehachse näheren
Seite eine abweisende Kuppelverzahnung und wirken an ihrer der Drehachse
ferneren Seite mit einer konischen Innenfläche einer Schaltmuffe zusammen
(Anspruch 7). So sorgt bei höheren
Drehzahlen die Fliehkraft für
besonders schnelles Öffnen
der weiteren formschlüssigen
Kupplung.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind die Gleitstücke zwischen parallelen, radialen
Flächen
geführte
Gleitsteine (Anspruch 8), die mit einem Zahn oder mit mehreren Zähnen in
die Gegenverzahnung eingreifen, und sind die Gleitstücke von
einer gemeinsamen Feder umschlungen (Anspruch 9).
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung haben
die Klauen und Gegenklauern hinterschnittene Flanken und ist zwischen dem
Primärteil
und dem Zwischenteil eine Feder vorgesehen, die diese auseinander
zu schieben trachtet (Anspruch 10). Dadurch öffnet die Kupplung bei Wegfall
des Drehmomentes selbsttätig,
ohne dass ein Aktuator aktiviert werden muss, und daher praktisch
verzögerungsfrei.
Auch beim Auskuppeln unter Last öffnet
die Kupplung augenblicklich, sobald die weitere Kupplung geöffnet ist.
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Schließlich betrifft
die Erfindung auch ein Differentialgetriebe mit einer Klauenkupplung
nach einem der Ansprüche
1 bis 4 als Differentialsperre, bei der der Primärteil der Klauenkupplung mit
dem Differentialkorb und der Sekundärteil eine der Abtriebswellen
ist (Anspruch 11). So ist bei kleinstem Einbauraum eine alle Anforderungen
an eine Differentialsperre genügende
Anordnung geschaffen. Dabei kann es sich sowohl um ein Achsdifferential
als auch um ein Längsdifferential
handeln.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen verschiedener
Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
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1:
Einen Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
in einer ersten Stellung,
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2:
wie 1, in einer zweiten Stellung,
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3:
eine Stirnansicht nach III in 1,
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4:
wie 1, in einer dritten Stellung,
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5:
eine Stirnansicht nach V in 4,
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6:
einen Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsform
in einer ersten Stellung,
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7:
wie 6, in einer zweiten Stellung,
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8:
Stirnansicht nach VIII in 7,
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9:
wie 6, in einer dritten Stellung,
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10:
eine Stirnansicht nach X in 9,
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11:
einen Längsschnitt
durch eine dritte Ausführungsform,
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12:
einen Schnitt nach XII in 11.
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In 1 ist
das Gehäuse
eines Differentialgetriebes nur teilweise strichliert angedeutet
und mit 1 bezeichnet. In ihm ist in Wälzlagern 2 (nur eines
ist zu sehen) ein allgemein mit 3 bezeichnetes Differentialgetriebe
gelagert. Es besteht aus dem drehbar gelagerten Differentialkorb 4,
einer Welle 5 für
die Ausgleichskegelräder 6 und
Abtriebskegelrädern 7,
wovon nur das eine über
eine erste Keilverzahnung 9 mit einer Abtriebswelle 8 verbundene
zu sehen ist. Das Differentialgetriebe 3 ist mittels einer
allgemein mit 10 bezeichneten Kupplungseinheit sperrbar.
In gesperrten Zustand ist der Differentialkorb 4 drehfest mit
der Abtriebswelle 8 verbunden.
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Die
Kupplungseinheit 10 besteht aus einer ersten Kupplungshälfte 11 mit
Klauen 12, einer zweiten Kupplungshälfte 13 mit Gegenklauen 15,
aus einem Zwischenteil 14, Gleitstücken 17 und einer
mit der Abtriebswelle 8 drehfest verbundenen Hülse 18. Die
erste Kupplungshälfte 11 ist
am Differentialkorb 4 ausgebildet, die zweite Kupplungshälfte 13 an
dem Zwischenteil 14. Die Klauen 12 und die Gegenklauen 15 sind
Stirnklauen, liegen also ungefähr
in einer achsnormalen Ebene oder in der Mantelfläche eines sehr stumpfen Kegels,
und sind im gezeigten Ausführungsbeispiel
mit hinterschnittenen Flanken versehen. Das heißt, die ein Drehmoment übertragenden Flanken
der Klauen sind so geneigt, dass die Klauen im Umfangsschnitt trapezförmig sind
und bei Übertragung
eines Drehmomentes axiale Kraftkomponenten erzeugen, die die erste
Kupplungshälfte 11 und die
zweite Kupplungshälfte 13 einander
anzunähern trachten.
Im Rahmen der Erfindung können
die Klauen im Umfangsschnitt aber auch rechteckig sein. Somit besteht
der Primärteil
der Kupplungseinheit aus dem Differentialkorb und der ersten Kupplungshälfte 11 mit
den Klauen 12, und der Sekundärteil aus der Abtriebswelle 8.
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Der
Zwischenteil 14 hat an seiner der ersten Kupplungshälfte 11 zugewandten
Seite die Gegenklauen 15, an der der ersten Kupplungshälfte abgewandten
Seite eine Anzahl über
den Umfang gleichmäßig verteilter
radialer Führungen 16 mit
parallelen Wänden,
zwischen denen jeweils ein Gleitstück in radialer Richtung verschiebbar
geführt
ist. Die Hülse 18 ist
mit der Abtriebswelle 8 über eine zweite Keilverzahnung 19 drehfest
aber in Längsrichtung
verschiebbar verbunden. Die Drehmomentübertragung von dem Zwischenteil 14 auf
die Hülse 18 erfolgt über die
Gleitstücke 17 mit
einer konischen Fläche 17'. Diese werden
vom Zwischenteil 14 über
die Führungen 16 mitgenommen
und sind in eingerückter
Stellung mit der Hülse über eine
abweisende axial ausgerichtete Kuppelverzahnung verbunden. Dazu
hat die Hülse 18 eine
in der Art eines Zahnrades rundum verlaufende Kuppelverzahnung 20 und
die Gleitstücke 17 haben
nur einige Kuppelzähne 21,
in 3 sind es drei. Im Extremfall genügt ein einziger
Zahn.
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Die
Gesamtheit der über
den Umfang gleichmäßig verteilten
Gleitstücke 17 wird
von einer Schlingfeder 22, die ein geschlossener gebogener Ring
aus einem Federdraht ist, zusammengehalten und nach aussen gedrückt. Eine
Schaltmuffe 23 ist auf der Hülse 18 in Axialrichtung
verschiebbar. Dazu hat sie beispielsweise eine umlaufende Nut 24 für den Eingriff
einer nicht dargestellten Schaltgabel oder eines anderen Aktuators.
Die Schaltmuffe 23 hat einen glockenförmig auseinanderlaufenden Teil 26,
dessen Innenfläche 25 konisch
ausgebildet ist. Die Innenfläche 25 wirkt
mit den Gleitstücken 17 zusammen.
Zum Einrücken
der Gleitstücke 17 wird
die Schaltmuffe 23 in axialer Richtung so verschoben, dass
die konische Innenfläche 25 die
Gleitstücke 17 nach
innen schiebt, wodurch deren Zähne 21 in
die Kuppelverzahnung 20 der Hülse gedrückt werden.
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Zwischen
dem Abtriebskegelrad 7 und dem Zwischenteil 14 ist
eine Druckfeder 27 angeordnet, die den Zwischenteil 14 von
der ersten Kupplungshälfte 11 wegzuschieben
trachtet. Die Hülse 18 ist
in ihrer axialen Verschiebbarkeit durch eine Anschlagschulter 28 und
einen Anschlag 29 begrenzt.
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Zur
Arbeitsweise: In der Stellung der 1 ist die
Kupplung eingerückt,
das Differentialgetriebe 3 somit gesperrt. Die Gleitstücke 17 werden
von der chronischen Innenfläche 25 der
Schaltmuffe 23 in ihrer inneren Stellung gehalten, in der
die abweisende Kuppelverzahnung 21 der Gleitstücke mit
der Kuppelverzahnung 20 der Hülse 18 in Eingriff
steht. Die bei Übertragung
eines Drehmomentes entstehenden radial gerichteten Abweiskräfte werden
von dem glockenförmigen
Teil 26 der Schaltmuffe 23 aufgenommen. Die konische
Innenfläche 25 hat
sogar einen zylindrischen Absatz, an dem die Gleitstücke 17 anliegen,
um den Aktuator von axialen Haltekräften zu entlasten.
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Soll
die Kupplungsvorrichtung 10 ausgerückt werden, so führt ein
erster Schritt in die Stellung der 2 und 3.
Sie wird durch Verschieben der Schaltmuffe 23 nach links
erreicht, wodurch deren konische Innenfläche 25 einen größeren Durchmesser
freigibt und die Gleitstücke 17 durch
die Kraft der Schlingfeder 22, die von der abweisenden
Kuppelverzahnung 20, 21 ausgeübte radial auswärts wirkende
Kraft und ggf. auch durch die Fliehkraft nach außen gedrängt werden, sodass die Zähne 21 der Gleitstücke 17 mit
der abweisenden Kuppel verzahnung 20 der Hülse 18 außer Eingriff
gelangen. Dadurch wird der Zwischenteil 14 lastlos und
er kann durch weitere Bewegung der Schaltmuffe 23 nach links
mit seinen Gegenklauen 15 aus den Klauen 12 der
ersten Kupplungshälfte 11 herausgezogen
werden; oder die im gezeigten Ausführungsbeispiel vorhandene Druckfeder 27 schiebt
den Zwischenteil 14 aus dem Eingriff hinaus. Das führt in der
zu 4 und 5 abgebildeten Stellung.
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Die
Stellung der 4 wird in der zweiten Bewegungsphase
dadurch erreicht, dass die Feder 27 den Zwischenteil 14 mit
den Gleitstücken 17 und der
Hülse 18 nach
rechts schiebt. Da die Schaltmuffe 23 dabei nicht bewegt
wurde, gleiten die Gleitstücke 17 mit
ihren angefasten konischen Flächen 17' an der konischen
Innenfläche 25 der
Schaltmuffe 23 einwärts,
wodurch die abweisende Kuppelverzahnung 20, 21 wieder
in Eingriff gebracht wird. Aus dieser Stellung kann die Kupplung
durch Verschieben der Schaltmuffe 23 nach rechts wieder
in Eingriff gebracht werden.
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In
der Ausführungsform
der 6 tragen gleiche Teile dieselben Bezugszeichen,
analoge Teile um 100 erhöhte.
Sie unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform
dadurch, dass die Gleitstücke 117 nicht
im Zwischenteil 114, sondern in der Hülse 118 radial verschieblich
geführt
sind und dass die Gleitstücke 17 ihre
abweisende Kuppelverzahnung 121 außen haben, wo sie mit der abweisenden
Kuppelverzahnung 120 zusammen wirkt, wie hier als Innenverzahnung
am Zwischenteil 114 ausgebildet ist. Zur Betätigung haben
die Gleitstücke 117 an
ihrer Innenseite eine konische Fläche 117' die mit einer konischen Fläche 125 der
Schaltmuffe 123 zusammenwirkt. Die konische Fläche 125 ist
hier an der Außenseite
der Schaltmuffe 123. Die Bewegungsphasen beim Ein- bzw.
Ausrücken,
dargestellt in den 7, 8 und 9,10 unterscheiden
sich nicht von denen des vorhergehenden Ausführungsbeispieles.
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In
der Ausführungsform
der 11 sind die spezifischen Teile mit um 200 erhöhten Bezugszeichen
versehen. Diese unterscheidet sich von der der 1 dadurch,
dass die Hülse 218 nicht
nur drehfest sondern auch schiebefest mit der Abtriebswelle 8 verbunden
ist, dass die abweisende Kuppelverzahnung 221 des Zwischenteiles 214 um
soviel länger als
die der Gleitstücke 217 ist,
dass zwischen diesen eine axiale Verschiebung möglich ist. Die Schaltmuffe 223 kann
hier auch mit dem Zwischenteil 214 zusammenwirken. Ihr
Zusammenwirken mit den Gleitstücken 17 ist
wie in 1.