DE102005006232B3

DE102005006232B3 - Sperrkupplung mit Steuerung durch magnetorheologisches Fluid

Info

Publication number: DE102005006232B3
Application number: DE200510006232
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Krude (FH); Georg Kwoka; Artur Dipl.-Ing. Grunwald (FH); Theodor Dipl.-Ing. Gaßmann
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2025-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sperrkupplung zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils 3 mit einem zweiten Kupplungsteil 4 im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Die Sperrkupplung umfaßt: DOLLAR A mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten 9 zum Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten Kupplungsteil 3 und dem zweiten Kupplungsteil 4, wobei die Zylinder 10 der Kolben-Zylinder-Einheiten 9 gemeinsam mit dem einen der beiden Kupplungsteile 3, 4 um eine Drehachse A umlaufen und zumindest teilweise mit magnetorheologischem Fluid gefüllt sind und untereinander verbunden sind, wobei die Kolben 12 der Kolben-Zylinder-Einheiten 9 in Form von Kugeln gestaltet sind, die in den Zylindern 10 verschiebbar einsitzen und gegen eine Wellenfläche 17 des anderen der beiden Kupplungsteile 3, 4 federnd beaufschlagt sind; sowie DOLLAR A eine steuerbare Magnetspule 25, die einen magnetischen Fluß über die Zylinder 10 der Kolben-Zylinder-Einheiten 9 erzeugen kann, wobei die Viskosität des magnetorheologischen Fluids verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Sperrkupplung, insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Derartige Sperrkupplungen dienen zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils mit einem relativ hierzu drehbaren zweiten Kupplungsteil. Dabei kann die Sperrkupplung verwendet werden, um zwei Achsen eines mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugs miteinander zu koppeln. Weiterhin kann die Sperrkupplung auch zwischen zwei Seitenwellen einer Achse angeordnet sein und zum Sperren eines Achsdifferentials dienen.

In mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugen sind Sperrkupplungen häufig im Antriebsstrang zu einer nur bedarfsweise angetriebenen Antriebsachse im Einsatz. Zur Betätigung solcher Sperrkupplungen sind unterschiedlichste Lösungen vorgeschlagen worden. Ein Beispiel einer Sperrkupplung mit einem elektromotorisch angetriebenen Rampenscheibenpaar findet sich in der DE 38 15 225 C2 .

Aus der DE 103 35 322 B3 ist bereits eine hydrostatische Sperrkupplung zum Koppeln eines Rotors mit einem Gehäuse im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Sperrkupplung umfaßt eine Mehrzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten, die ein magnetorheologisches Fluid enthalten. Der Rotor ist stirnseitig als Nockenscheibe ausgeführt, die auf die Kolben einwirkt. Die Zylinder sind paarweise miteinander über Verbindungskanäle verbunden. Zum Koppeln des Rotors mit dem Gehäuse können die Zylinderräume bzw. die Verbindungskanäle von einem regelbaren Magnetfeld beaufschlagt werden. Hierdurch ändert sich die Viskosität des magnetorheologischen Fluids.

Die US 2,511,518 zeigt eine hydraulische Wellenkupplung mit Kolben-Zylinder-Einheiten, die paarweise untereinander hydraulisch verbunden sind. Die Sperrwirkung wird hier mittels eines Kugelventils, das bei hohen Drehzahlen der Antriebswelle eine Sperrstellung einnimmt, selbsttätig in Anhängigkeit von der Differenzdrehzahl zwischen den beiden Kupplungsteilen erreicht.

Die DE 43 27 892 C1 offenbart eine hydraulische Kupplung zur differenzdrehzahlabhängigen Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei Kupplungsteilen. Die Kupplung ist als Trochoidenpumpe gestaltet, die ein mit Hydaulikflüssigkeit befülltes Kammersystem umfaßt. Als Mittel zur Drosselung sind Drosselbohrungen vorgesehen, durch die die Flüssigkeit bei Relativdrehung der beiden Kupplungsteile zueinander gedrückt wird. Als Hydraulikflüssigkeit wird die Verwendung von elektrorheologischer Flüssigkeiten in Betracht gezogen.

Die DE 198 47 405 C1 zeigt eine Schaltkupplung mit zwei Kupplungselementen, die zum formschlüssigen Eingriff mit aneinander angepaßten Stirnverzahnungen versehen sind. Das Schließen der Kupplung erfolgt durch Magnetisieren eines magnetorheologischen Fluids, das sich in einem mit dem einen Kupplungsteil wirkverbundenen Hohlraumsystem befindet. Durch Betätigen eines Elektromagneten wird das Fluid verfestigt, so daß die beiden Kupplungsteile zueinander axial festgesetzt werden, wobei deren Stirnverzahnungen ineinandergreifen. Durch Abschalten des Elektromagneten wird das magnetorheologische Fluid wieder verflüssigt, so daß die Kupplungselemente ausrücken.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Sperrkupplung zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils mit einem relativ hierzu drehbaren zweiten Kupplungsteil vorzuschlagen, die einfach aufgebaut ist, eine kurze Aktivierungszeit hat und genau ansteuerbar ist.

Eine erste Lösung besteht in einer Sperrkupplung zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils mit einem zweiten Kupplungsteil im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten zum Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil, die gemeinsam mit dem einen der beiden Kupplungsteile um eine Drehachse umlaufen und zumindest teilweise mit magnetorheologischem Fluid gefüllt sind und untereinander hydraulisch verbunden sind, wobei die Kolben der Kolben-Zylinder-Einheiten Kugeln sind, die in den Zylindern verschiebbar geführt sind und federnd beaufschlagt sind und sich an einer Wellenfläche des anderen der beiden Kupplungsteile abstützen; sowie eine steuerbare Magnetspule, die einen magnetischen Fluß über die Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheiten erzeugen kann, wobei die Stärke des Magnetfelds variabel einstellbar ist, womit die Viskosität des magnetorheologischen Fluids verändert wird.

Der Vorteil dieser Sperrkupplung besteht darin, daß sie einfach aufgebaut ist und eine hohe Leistungsdichte aufweist. Die Magnetspule wird elektrisch angesteuert, so daß die Stärke des Magnetfeldes durch entsprechende Wahl der Stromstärke bzw. der Spannung beliebig eingestellt werden kann. Hierdurch ergibt sich eine hohe Steuerungsgenauigkeit und kurze Aktivierungszeiten, so daß schnell auf sich ändernde Fahrzustände reagiert werden kann. Die Magnetspule ist mit einer elektronischen Regeleinheit zur Regelung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs verbunden und wird von dieser gesteuert. Die Konfiguration von Magnetspule und der Kolben-Zylinder-Einheiten ist so aufeinander abgestimmt, daß bei Erregung der Magnetspule ein möglichst gleichförmiges Magnetfeld im Bereich der Zylinder erzeugt wird, so daß eine gleichmäßige Viskosität des Fluids eingestellt werden kann. Je größer die Stärke des Magnetfeldes ist, desto größer die Viskosität des magnetorheologischen Fluids und desto größer die Sperrwirkung der Sperrkupplung. Die Verwendung von Wälzkörpern als Kolben hat den Vorteil, daß diese beim Abwälzen auf der Wellenfläche des zweiten Kupplungsteils nur geringe Reibkräfte erzeugen. So werden bei Relativdrehung zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil unerwünschte Schleppmomente gering gehalten.

Nach einer ersten Ausführungsform sind die Kolben-Zylinder-Einheiten umfangsverteilt radial angeordnet, wobei die Kolben – in Bezug auf die Drehachse (A) – in radialen Zylindern verschiebbar gehalten sind. Dies ist vorteilhaft, wenn die Einbauverhältnisse eine geringe axiale Baulänge erfordern. Nach einer hierzu alternativen zweiten Ausführungsform sind die Kolben-Zylinder-Einheiten umfangsverteilt axial angeordnet sind, wobei die Kolben – in Bezug auf die Drehachse (A) – in axialen Zylindern verschiebbar gehalten sind. Diese Ausführungsform hat eine geringe radiale Baugröße.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kolben in den Zylindern mittels Federmitteln in Richtung der Wellenfläche des anderen der Kupplungsteile beaufschlagt. Die Federmittel gewährleisten, daß die Kolben auch bei auftretenden Fliehkräften in einer definierten Position gehalten werden und nicht unkontrolliert in den Zylinderräumen hin- und herwandern. Je Zylinderraum kann ein Federmittel, insbesondere in Form einer Tellerfeder vorgesehen sein. Alternativ hierzu können die Kolben zweier benachbarter Zylinderräume auch mittels gemeinsamer Federmittel, insbesondere mittels einer Wippenfeder beaufschlagt sein. Dabei sind zwei benachbarte Kolben so angeordnet, daß sie gegenläufig oszillieren.

Vorzugsweise sind die Zylinder mit dem zugehörigen Kupplungsteil fest verbunden. Im Hinblick auf eine geringe Teilezahl ist es besonders günstig, wenn die Zylinder einstückig mit dem ersten Kupplungsteil gestaltet sind. Hierfür können die Zylinder beispielsweise in Form von axialen oder radialen Bohrungen im ersten Kupplungsteil gestaltet sein. Durch die geringe Teilezahl ergibt sich auch ein niedriger Montageaufwand.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind mehrere Gruppen, insbesondere zwei Gruppen von Kolben-Zylinder-Einheiten jeweils in einzelnen axial benachbarten Radialebenen angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine höhere Leistungsdichte und eine geringeres Pulsieren bei Relativdrehung der beiden Kupplungsteile zueinander. Es ist – bei radialer Ausrichtung der Kolben-Zylinder-Einheiten – besonders günstig, wenn die Zylinder einer ersten Gruppe zu den Kolben-Zylinder-Einheiten gegenüber den Zylindern einer zweiten Gruppe von Kolben-Zylinder-Einheiten in Umfangrichtung versetzt angeordnet sind, wobei die Wellenfläche, gegen die die Kolben der ersten Gruppe beaufschlagt sind, und die Wellenfläche, gegen die die Kolben der zweiten Gruppe beaufschlagt sind, sich decken. So werden Drehschwingungen zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil gering gehalten und es wird ein gleichförmiger Drehmomentverlauf zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil erreicht. Alternativ hierzu können auch die Wellenflächen des ersten und zweiten Kupplungsteils in Umfangsrichtung phasenversetzt zueinander angeordnet sein, um eine gegenläufige Bewegung zweier benachbarter Kolben zu erreichen. Dabei liegen zwei axial benachbarte Kolben-Zylinder-Einheiten jeweils in einer gemeinsamen Längsebene. Bei Verwendung von mehr als zwei Gruppen von Kolben-Zylinder-Einheiten erhöht sich die Leistungsdichte und bei Relativdrehung zwischen den beiden Kupplungsteilen wird eine kontinuierlichere Drehmornentübertragung erreicht. Allerdings steigt das durch Reibung resultierende unerwünschte Schleppmoment.

Eine zweite Lösung der obengenannten Aufgabe besteht in einer Sperrkupplung zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils mit einem zweiten Kupplungsteil im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend
zwei jeweils in axial einzelnen benachbarten Radialebenen angeordnete Gruppen von Kolben-Zylinder-Einheiten zum Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil;
wobei die Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheiten in einem gemeinsamen Trägerelement gebildet sind, zumindest teilweise mit magnetorheologischem Fluid gefüllt und untereinander hydraulisch verbunden sind, wobei die Zylinder der ersten Gruppe sich zu den Zylindern der zweiten Gruppe in entgegengesetzte Richtung öffnen;
wobei die Kolben Kugeln sind, die in den Zylindern verschiebbar geführt und federnd beaufschlagt sind, wobei die Kolben der ersten Gruppe sich gegen eine Wellenfläche des ersten Kupplungsteils abstützen und die Kolben der zweiten Gruppe sich gegen eine Wellenfläche des zweiten Kupplungsteils abstützen;
eine steuerbare Magnetspule, die einen magnetischen Fluß über die Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheiten erzeugen kann, wobei die Stärke des Magnetfelds variabel einstellbar ist, womit die Viskosität des magnetorheologischen Fluids verändert wird.

Diese zweite Lösung hat die gleiche Funktionsweise und bietet dieselben Vorteile, wie die erste Lösung, auf deren Beschreibung somit Bezug genommen wird. Bei in axiale Richtung ausgerichteten Kolben sind die Wellenflächen des ersten und zweiten Kupplungsteils vorzugsweise zueinander spiegelsymmetrisch ausgerichtet, d. h. zwei in einer Längsebene axial benachbarte Kugeln führen jeweils gegenläufige Be wegungen aus. Die Kolben-Zylinder-Einheiten der ersten Gruppe können mit den Kolben-Zylinder-Einheiten der zweiten Gruppe in Umfangsrichtung überdeckend angeordnet sein. Alternativ hierzu können die Kolben-Zylinder-Einheiten der ersten und zweiten Gruppe auch umfangsversetzt gegeneinander angeordnet sein, um bei Relativdrehung der beiden Kupplungsteile eine möglichst gleichförmige Drehmomentübertragung zu gewährleisten. In Konkretisierung ist das Trägerelement in dem Deckelteil axial schwimmend gehalten und gegenüber dem ersten Kupplungsteil und/oder dem zweiten Kupplungsteil drehbar gelagert.

Vorzugsweise sind bei beiden Lösungen alle Zylinder zum Volumenausgleich untereinander verbunden. Dies kann beispielsweise mittels einer umlaufenden Ringnut erfolgen, die mit jedem der Zylinderräume verbunden ist. So kann bei Relativdrehung zwischen den beiden Kupplungsteilen das magnetorheologische Fluid zwischen zwei sich gegenläufig bewegenden Kolben frei zirkulieren. Durch Aktivieren der Magnetspule wird auch das in den Verbindungskanälen befindliche magnetorheologische Fluid verfestigt, so daß es nicht mehr zwischen den sich vergrößernden und sich verkleinernden Zylinderräumen zirkulieren kann. Dadurch werden die Kugeln gegen die schiefen Ebenen der Wellenflächen beaufschlagt, so daß das erste Kupplungsteil mit dem zweiten Kupplungsteil verspannt wird und eine Drehmomentübertragung zwischen den beiden Kupplungsteilen erfolgt. Dabei wird das magnetorheologische Fluid im Pump- bzw. im Quetschmodus betrieben.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein volumenveränderliches Reservoir vorgesehen, mit dem die Zylinder über Kanäle verbunden sind. Das Reservoir dient zum Ausgleich einer durch Temperaturänderung resultierenden Volumenänderungen des magnetorheologischen Fluids. Das Reservoir ist von einem Kolben begrenzt, der über Federmittel beaufschlagt ist. Der Kolben und die Federmittel sind vorzugsweise in einem rohrförmigen Abschnitt des ersten Kupplungsteils angeordnet und gegen einen Boden abgestützt.

Die Magnetspule ist bei beiden Lösungen vorzugsweise radial außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheiten ringförmig angeordnet. Dabei liegen die Kolben-Zylinder-Einheiten innerhalb der Längserstreckung der Magnetspule, damit die mit magnetorheologischem Fluid gefüllten Räume von dem Magnetfeld erfaßt werden. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind das erste und das zweite Kupplungsteil in einem Gehäuse um die Drehachse drehbar gelagert. Die Magnetspule sitzt vorzugsweise in einem Ringraum ein, der zwischen dem Gehäuse und dem ersten Kupplungsteil gebildet ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung mit einer Gruppe von axialen Kolben-Zylinder-Einheiten im Längsschnitt;
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung mit einer Gruppe von radialen Kolben-Zylinder-Einheiten

a) im Längsschnitt;
b) im Querschnitt gemäß Schnittlinie A-A aus 2a);
c) das erste Kupplungsteil aus 2a) in Seitenansicht;
d) den Deckel für das erste Kupplungsteil im Längsschnitt;

3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung mit zwei Gruppen von radialen Kolben-Zylinder-Einheiten

a) im Längsschnitt;
b) im Querschnitt gemäß Schnittlinie A-A aus 3a);

4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung mit zwei Gruppen von radialen Kolben-Zylinder-Einheiten im Längsschnitt;
5 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung mit zwei Gruppen von axialen Kolben-Zylindereinheiten in einem Trägerelement im Längsschnitt;
1 zeigt eine Sperrkupplung 2 zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils 3 mit einem relativ hierzu drehbaren zweiten Kupplungsteil 4 zum Einsatz in einem hier nicht dargestellten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Die Sperrkupplung 2 dient dabei zum Zuschalten einer zweiten Antriebsachse des Kraftfahrzeugs. Das erste Kupplungsteil 3 ist mit einer ersten Welle, insbesondere einer Eingangswelle, drehfest verbindbar. Das zweite Kupplungsteil 4 ist mit einer zweiten Welle, insbesondere einer Ausgangswelle, mittels einer Längsverzahnung 5 drehfest verbindbar. Das erste Kupplungsteil 3 ist mittels eines Wälzlagers 6 in einem stehenden Gehäuse 7 um eine Längsachse A drehbar gelagert und mittels eines Sicherungsrings 8 axial abgestützt. In eine Axialbohrung des zweiten Kupplungsteils 4 ist ein Deckel 11 eingesetzt, der den Verzahnungsbereich abschließt.
Zum Ankoppeln des zweiten Kupplungsteils 4 an das erste Kupplungsteil 3 sind mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten 9 vorgesehen, die jeweils einen Zylinder 10 und einen in dem Zylinder 10 axial verschieblich einsitzenden Kolben 12 in Form einer Kugel aufweisen. Die Zylinder 10 sind als Bohrungen in dem ersten Kupplungsteil 3 gestaltet, die sich von einer Stirnfläche 13 des ersten Kupplungsteils 3 in axiale Richtung erstrecken und regelmäßig umfangsverteilt sind. Die von den Zylindern 10 eingeschlossenen Zylinderräume 14 sind vollständig mit einem magnetorheologischen Fluid gefüllt und über Verbindungskanäle 15 untereinander hydraulisch verbunden. Die Verbindungskanäle 15 sind in Form einer umlaufenden Ringnut im ersten Kupplungsteil 3 gestaltet, die alle Zylinderräume 14 miteinander verbindet. Die Kolben 12 werden von Federmitteln 16, die in den Zylindern 10 einsitzen, in Richtung zum zweiten Kupplungsteil 4 beaufschlagt. So sind die Kugeln 12 mit einer Wellenfläche 17 an einer Stirnseite des ersten Kupplungsteils 4 in Kontakt und können auf dieser abwälzen. Die Wellenfläche 17 hat in der Abwicklung betrachtet ein Wellenprofil mit peri odisch abwechselnden Erhebungen und Senkungen. Die entgegengesetzt gerichtete Rückseite 18 des zweiten Kupplungsteils 4 ist als radial ebene Fläche ausgebildet und stützt sich über ein Axiallager 19 an einer Gegenfläche 20 eines Deckelteils 22 ab. Das Deckelteil 22 ist mit dem ersten Kupplungsteil 3 fest verbunden und gegenüber dem zweiten Kupplungsteil 4 mittels eines Dichtrings 23 abgedichtet.
Die Wellenfläche 17 bewirkt die gezeigte axiale Gegenbewegung zweier diametral gegenüberliegender Kugeln 12. Aufgrund dieser axialen Gegenbewegung wird das hydraulische Medium ständig von einer Kolben-Zylinder-Einheit 9 in die in Umfangsrichtung hierzu benachbarte Kolben-Zylinder-Einheit 9 umgeschoben. Aus diesem Grund ist stets eine gerade Anzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten 9 zu wählen, wobei die Kolben 12 der einen Hälfte von Kolben-Zylinder-Einheiten 9 sich gegenläufig zu den Kolben 12 der anderen Hälfte bewegt. Zwischen einer äußeren Mantelfläche des Deckelteils 22 und dem Gehäuse 7 ist ein Ringraum 24 gebildet, in dem eine steuerbare Magnetspule 25 in einem Trägerteil 26 einsitzt.
Die Magnetspule 25 ist derart angeordnet, daß sie einen magnetischen Fluß über die Verbindungskanäle 15 und die Zylinder 10 der Kolben-Zylinder-Einheiten 9 erzeugen kann, wobei die Viskosität des magnetorheologischen Fluids verändert wird. Hierfür ist die Magnetspule 25 radial außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheiten 9 ringförmig angeordnet. Dabei liegen die Kolben-Zylinder-Einheiten 9 innerhalb der Längserstreckung der Magnetspule 25, d. h. die Magnetspule 25 überdeckt die Kolben-Zylinder-Einheit in axiale Richtung. Die Magnetspule wird von einer Regeleinheit zur Regelung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs elektrisch gesteuert, so daß die Stärke des Magnetfeldes durch entsprechende Wahl der Stromstärke bzw. der Spannung beliebig eingestellt werden kann. Je größer die Stärke des Magnetfeldes ist, desto größer die Viskosität des magnetorheologischen Fluids und desto größer die Sperrwirkung der Sperrkupplung 2. Wird die Magnetspule 25 aktiviert, wird das in den Verbindungskanälen 15 und das in den Zylinderräumen 14 befindliche magnetorheologische Fluid verfestigt, so daß die Kugeln 12 an einer Axialbewegung gehindert werden. So werden die beiden Kupplungsteile 3, 4 miteinander verspannt und eine Relativdrehung wird unterbunden. Die Konfiguration von Magnetspule 25 und der Kolben-Zylinder-Einheiten 9 ist so aufeinander abgestimmt, daß bei Erregung der Magnetspule 25 ein möglichst gleichförmiges Magnetfeld im Bereich der Zylinder 10 erzeugt wird, so daß eine gleichmäßige Viskosität des Fluids eingestellt werden kann.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung 2, deren Aufbau und Funktionsweise weitestgehend derjenigen aus 1 entspricht. Auf die obige Beschreibung wird insofern Bezug genommen, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern und abgewandelte Bauteile mit um die Ziffer 2 tiefergestellten Bezugszeichen versehen sind. Die Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich dadurch, daß die Kolben-Zylinder-Einheiten 9₂ radial angeordnet sind. Dabei sind die Zylinder 10 durch umfangsverteilte Radialbohrungen im ersten Kupplungsteil 3₂ gebildet. In diesen sitzen die Kugeln 12 radial beweglich ein. Die Radialbohrungen gehen von einer Innenumfangsfläche aus und erstrecken sich nach radial außen. Das Deckelteil 22₂ ist auf das erste Kupplungsteil 3₂ aufgeschoben und bildet somit einen Boden 27 für die Bohrungen. In den Bohrungen sind die Federmittel 16 in Form von Tellerfedern eingesetzt, die sich gegen den Boden 27 abstützen und die Kugeln 12 nach radial innen beaufschlagen. Die Federmittel 16 gewährleisten, daß die Kugeln 12 auch bei auftretenden Fliehkräften in einer definierten Position radial innen gehalten werden und nicht unkontrolliert in den Zylinderräumen hin- und herwandern. Die Kugeln 12 sind mit der Wellenfläche 17 in Kontakt, die an einer Umfangsfläche des zweiten Kupplungsteils 4₂ gebildet ist. Dabei ist das Wellenprofil 17₂ derart gestaltet, daß zwei sich diametral gegenüberliegende Kugeln 12 eine gleichförmige Bewegung ausführen; zwei in Umfangsrichtung benachbarte Kugeln 12 führen gegenläufige Bewegungen nach radial innen bzw. nach radial außen aus.
Bei Relativdrehung des ersten Kupplungsteils 3₂ zum zweiten Kupplungsteil 4₂ bewegen sich die Kugeln 12 in den Zylindern 10 radial nach innen und nach außen, wobei das in den Zylinderräumen 14 befindliche magnetorheologische Fluid durch die Kugeln 12 verdrängt wird. Durch diese Pumpwirkung wird das magnetorheologische Fluid durch die sich in einer anderen Schnittebene befindliche Verbindungskanäle zwischen den Saugräumen und den Druckräumen hin- und hergefördert. Hieraus resultiert ein geringes Schleppmoment, das zu einem gewissen Wärmeverlust führt. Um die hieraus resultierende Volumenvergrößerung des magnetorheologi schen Fluids zu kompensieren, ist im Deckelteil 22₂ ein Reservoir 28 vorgesehen, das in Form einer Ringkammer gestaltet ist. Axiale Durchbrüche 31 verbinden eine zwischen dem ersten und zweiten Kupplungsteil 3₂ , 4₂ gebildeten Ringspalt mit dem Reservoir 28. Das Reservoir 28 wird durch einen Ringkolben 29 begrenzt, der mittels Federmitteln 30 in Richtung Reservoir 28 axial beaufschlagt ist. Die Federmittel 30 sind mittels eines Sicherungsrings 32 gegenüber dem Deckelteil 22 abgestützt.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung 2₃ , deren Aufbau und Funktionsweise weitestgehend derjenigen aus 2 entspricht. Auf die obige Beschreibung wird insofern Bezug genommen, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern und abgewandelte Bauteile mit um die Ziffer 3 tiefergestellten Bezugszeichen versehen sind. Hier sind zwei Gruppen 33, 34 von Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 9' in axial benachbarten Radialebenen vorgesehen, wodurch die Sperrkupplung 2₃ eine größere axiale Baulänge aufweist. Es ist ersichtlich, daß das zweite Kupplungsteil 4₃ über seine gesamte Länge im Bereich der Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 9' ein gleichbleibendes Profil aufweist. Die Wellenfläche 17 für die erste Gruppe 33 von Kolben-Zylinder-Einheiten 9 entspricht somit der Wellenfläche für die zweiten Gruppe 34 von Kolben-Zylinder-Einheiten 9'. Damit die Drehmomentübertragung möglichst gleichmäßig erfolgt und Drehschwingungen minimiert werden, sind die Zylinder 10 der ersten Gruppe 33 gegenüber den Zylindern 10' der zweiten Gruppe derart umfangversetzt, daß jeweils ein Zylinder 10 der ersten Gruppe 33 in Umfangsrichtung zwischen zwei Zylindern 10' der zweiten Gruppe 34 liegt. Dies ist insbesondere in 3b) ersichtlich, in der die Kugeln 12 der ersten Gruppe 33 mit gestrichelten Linien und die Kugeln 12' der zweiten Gruppe 34 mit durchgehenden Linien dargestellt sind. Wie schon in der Ausführungsform nach 2 sind vorliegend axiale Durchbrüche 31 im Deckelteil 22₃ vorgesehen, so daß magnetorheologisches Fluid bei Volumenänderung aus dem Ringspalt zwischen den beiden Kupplungsteilen 3₃ , 4₃ in das Reservoir 28 gelangen kann.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung 2₄ , deren Aufbau und Funktionsweise weitestgehend derjenigen aus 3 entspricht. Auf die obige Beschreibung wird insofern Bezug genommen, wobei gleiche Bauteile mit gleichen und abgewandelte mit um 4 tiefergestellten Bezugsziffern ver sehen sind. Anstelle des bei der Ausführungsform nach 3 im Deckelteil gebildeten Reservoirs ist vorliegend ein Reservoir 28₄ im zweiten Kupplungsteil 4₄ gebildet. Dieses ist in Form einer Bohrung im zweiten Kupplungsteil 4₄ gestaltet, in der ein zylindrischer Kolben 29₄ einsitzt und mittels Federmitteln 30₄ gegenüber dem Deckel 11 beaufschlagt ist. In einer Stirnfläche des zweiten Kupplungsteils 4₄ sind radial verlaufende Nuten 35 vorgesehen, die den Ringspalt zwischen den beiden Kupplungsteilen 3₄ , 4₄ mit dem Reservoir 28₄ verbinden. Durch diese kann magnetorheologisches Fluid bei Volumenänderung in das Reservoir 28₄ gelangen.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrkupplung 2₅ , deren Aufbau und Funktionsweise weitgehend derjenigen aus 4 bzw. 1 entspricht. Auf die obige Beschreibung wird insofern Bezug genommen, wobei gleiche Bauteile mit gleichen und abgewandelte mit um 5 tiefergestellten Bezugsziffern versehen sind. Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen 33, 34 von Kolben-Zylinder-Einheiten 9 in axial benachbarten Radialebenen angeordnet sind, wobei sich die Kugeln 12 bei Relativdrehung der beiden Kupplungsteile 3₅ , 4₅ in axiale Richtung hin- und herbewegen. Die Zylinder 10, 10' der beiden Gruppen 33, 34 von Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 9' sind in einem gemeinsamen Trägerelement 36 gebildet. Dabei öffnen sich die Zylinder 10 der ersten Gruppe 33 zu den Zylindern 10' der zweiten Gruppe 34 in axial entgegengesetzte Richtung. Die Kugeln 12 der ersten Gruppe 33 sind gegen eine Wellenfläche 17₅ des ersten Kupplungsteils 3₅ federnd beaufschlagt und die Kugeln 12' der zweiten Gruppe 34 sind gegen eine Wellenfläche 17₅' des zweiten Kupplungsteils 4₅ federnd beaufschlagt. Es ist ersichtlich, daß die Wellenflächen 17₅ , 17₅' zueinander spiegelsymmetrisch ausgerichtet sind, d. h. zwei in einer Längsebene axial benachbarte Kugeln 12, 12' führen jeweils gegenläufige Bewegungen aus. Das Trägerelement 36 ist in dem Deckelteil 22 axial schwimmend gehalten und radial auf einem hülsenförmigen Ansatz 37 des zweiten Kupplungsteils 4 und einer mit dem ersten Kupplungsteil 3 fest verbundenen Hülse 38 drehbar gelagert. In einer Außenumfangsfläche hat das Trägerelement 36 die einzelnen Zylinderräume miteinander verbindende Verbindungskanäle 15, die in Form einer umlaufenden Ringnut gestaltet sind und Durchbrüche 39 zu den Zylinderräumen 14, 14' aufweisen. Auf diese Weise kann das magnetorheologische Fluid zweier in Umfangrichtung benachbarter Zylinder 10₅ , 10₅' bei Relativdrehung der beiden Kupplungsteile 3₅ , 4₅ zwischen den zugehörigen Zylinderräumen 14, 14' hin- und her gefördert werden. Durch Aktivieren der Magnetspule 25 wird das in den Zylinderräumen 14, 14' befindliche magnetorheologische Fluid verfestigt, so daß die Kugeln 12, 12' an einer Axialbewegung aufeinander zu gehindert werden. So wird eine Relativdrehung der beiden Kupplungsteile 3₅ , 4₅ unterbunden, so daß die beiden Kupplungsteile 3₅ , 4₅ bei voll aktivierter Magnetspule 25 gemeinsam drehen. Durch geeignete Wahl der Stromstärke kann der Sperrgrad zwischen den beiden Kupplungsteilen 3₅ , 4₅ beliebig variiert und auf den Fahrzustand entsprechend angepaßt werden. Das Reservoir 28 ist in der vorliegenden Ausführungsform in der in eine Bohrung des ersten Kupplungsteils 3₅ eingesteckten Hülse 38 gebildet, wobei die Federmittel 30 gegen das erste Kupplungsteil 3₅ abgestützt sind und den Kolben 29 in Richtung zum zweiten Kupplungsteil 4₅ beaufschlagen. Zwischen dem Trägerelement 36 und dem hülsenförmigen Ansatz 37 sowie der Hülse 38 ist ein Radialspalt gebildet, durch den das magnetorheologische Fluid zum Reservoir 28 gelangen kann.

1
2: Sperrkupplung
3: erstes Kupplungsteil
4: zweites Kupplungsteil
5: Längsverzahnung
6: Wälzlager
7: Gehäuse
8: Sicherungsring
9: Kolben-Zylinder-Einheit
10: Zylinder
11: Deckel
12: Kolben
13: Stirnfläche
14: Zylinderraum
15: Verbindungskanal
16: Federmittel
17: Wellenfläche
18: Rückseite
19: Axiallager
20: Gegenfläche
21: Mantelfläche
22: Deckelteil
23: Dichtring
24: Ringraum
25: Magnetspule
26: Trägerteil
27: Boden
28: Reservoir
29: Ringkolben
30: Federmittel
31: Durchbruch
32: Sicherungsring
33: erste Gruppe
34: zweite Gruppe
35: Nut
36: Trägerelement
37: Ansatz
38: Hülse
A: Drehachse

Claims

Sperrkupplung zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils (3) mit einem zweiten Kupplungsteil (4) im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten (9) zum Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten Kupplungsteil (3) und dem zweiten Kupplungsteil (4), die gemeinsam mit dem einen der beiden Kupplungsteile (3, 4) um eine Drehachse (A) umlaufen und zumindest teilweise mit magnetorheologischem Fluid gefüllt sind und untereinander hydraulisch verbunden sind, wobei die Kolben (12) der Kolben-Zylinder-Einheiten (9) Kugeln sind, die in den Zylindern (10) verschiebbar geführt sind und federnd beaufschlagt sind und sich an einer Wellenfläche (17) des anderen der beiden Kupplungsteile (3, 4) abstützen; sowie eine steuerbare Magnetspule (25), die einen magnetischen Fluß über die Zylinder (10) der Kolben-Zylinder-Einheiten (9) erzeugen kann, wobei die Stärke des Magnetfelds variabel einstellbar ist, womit die Viskosität des magnetorheologischen Fluids verändert wird.
Sperrkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheiten (9) umfangsverteilt achsparallel angeordnet sind, wobei die Kolben (12) – in Bezug auf die Drehachse (A) – in axialen Zy lindern (10) verschiebbar geführt sind und die Wellenfläche (17) an einer Stirnfläche des anderen Kupplungsteils (4) gebildet ist.
Sperrkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheiten (9) unfangsverteilt radial angeordnet sind, wobei die Kolben (12) – in Bezug auf die Drehachse (A) – in radialen Zylindern (10) verschiebbar geführt sind und die Wellenfläche (17) an einer Umfangsfläche des anderen Kupplungsteils (4) gebildet ist.
Sperrkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (12) mittels in den Zylindern (19) angeordneten Federmitteln (16) in Richtung der Wellenfläche (17) des anderen Kupplungsteils (4) beaufschlagt sind.
Sperrkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (10) mit dem ersten Kupplungsteil (3) fest verbunden sind.
Sperrkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gruppen (33, 34) von Kolben-Zylinder-Einheiten (9) jeweils in einzelnen axial benachbarten Radialebenen angeordnet sind.
Sperrkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß – bei radialer Ausrichtung der Kolben-Zylinder-Einheiten (9) – die Zylinder (10) einer ersten Gruppe (33) von Kolben-Zylinder-Einheiten (9) gegenüber den Zylindern einer zweiten Gruppe (34) von Kolben-Zylinder-Einheiten (9) in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind, wobei die Wellenfläche (17), gegen die die Kolben (12) der ersten Gruppe (33) beaufschlagt sind, und die Wellenfläche (17), gegen die die Kolben der zweiten Gruppe (34) beaufschlagt sind, deckungsgleich sind.
Sperrkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß – bei radialer Ausrichtung der Kolben-Zylinder-Einheiten (9) – die Zylinder (10) einer ersten Gruppe (33) von Kolben-Zylinder-Einheiten (9) und die Zylindern einer zweiten Gruppe (34) von Kolben-Zylinder-Einheiten (9) einander in Umfangsrichtung überdecken, wobei die Wellenfläche (17), gegen die die Kolben (12) der ersten Gruppe (33) beaufschlagt sind, und die Wellenfläche (17), gegen die die Kolben (12) der zweiten Gruppe (34) beaufschlagt sind, in Umfangsrichtung phasenversetzt zueinander angeordnet sind.
Sperrkupplung zum Koppeln eines ersten Kupplungsteils (3) mit einem zweiten Kupplungsteil (4) im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend zwei jeweils in axial einzelnen benachbarten Radialebenen angeordnete Gruppen (33, 34) von Kolben-Zylinder-Einheiten (9) zum Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten Kupplungsteil (3) und dem zweiten Kupplungsteil (4); wobei die Zylinder (10) der Kolben-Zylinder-Einheiten (9) in einem gemeinsamen Trägerelement (36) gebildet sind, zumindest teilweise mit magnetorheologischem Fluid gefüllt und untereinander hydraulisch verbunden sind, wobei die Zylinder (10) der ersten Gruppe (33) sich zu den Zylindern (10) der zweiten Gruppe (34) in entgegengesetzte Richtung öffnen; wobei die Kolben (12) Kugeln sind, die in den Zylindern (10) verschiebbar geführt und federnd beaufschlagt sind, wobei die Kolben (12) der ersten Gruppe (33) sich gegen eine Wellenfläche (17) des ersten Kupplungsteils (3) abstützen und die Kolben (12) der zweiten Gruppe (34) sich gegen eine Wellenfläche (17) des zweiten Kupplungsteils (4) abstützen; eine steuerbare Magnetspule (25), die einen magnetischen Fluß über die Zylinder (10) der Kolben-Zylinder-Einheiten (9) erzeugen kann, wobei die Stärke des Magnetfelds variabel einstellbar ist, womit die Viskosität des magnetorheologischen Fluids verändert wird.
Sperrkupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (36) axial schwimmend in einem Ringraum zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteil (3, 4) angeordnet ist.
Sperrkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zylinder (10) zum Volumenausgleich untereinander verbunden sind.
Sperrkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein volumenveränderliches Reservoir (28) vorgesehen ist, mit dem die Zylinder über Kanäle (15) verbunden sind.
Sperrkupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (28) durch einen Kolben (12) begrenzt wird, der in Richtung des Reservoirs (28) federnd beaufschlagt ist.
Sperrkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (25) radial außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheiten (9) ringförmig angeordnet ist.
Sperrkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Kupplungsteil (3, 4) in einem Gehäuse (7) um die Drehachse (A) drehbar gelagert sind, wobei zwischen dem Gehäuse (7) und dem ersten Kupplungsteil (3) ein Ringraum gebildet ist, in dem die Magnetspule einsitzt.