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Die
Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung für ein Lenksystem eines Fahrzeugs
mit einer Eingangswelle, die zur Verbindung mit einem Lenkrad des
Lenksystems dient und mit wenigstens einem Kupplungsstück drehfest
verbunden ist, mit einer Ausgangswelle, die zur Verbindung mit einem
Lenkgetriebe des Lenksystems dient und mit wenigstens einem Kupplungsgegenstück drehfest
verbunden ist, wobei die Kupplungsvorrichtung zwischen einer Schließstellung,
in der das wenigstens eine Kupplungsstück und das wenigstens eine
Kupplungsgegenstück
drehfest miteinander gekoppelt sind und einer Offenstellung, in
der das wenigstens eine Kupplungsstück und das wenigstens eine
Kupplungsgegenstück
relativ zueinander verdrehbar sind, umschaltbar ist.
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Derartige
Kupplungsvorrichtungen sind bekannt, vgl. z. B. Dubbel, „Taschenbuch
für den
Maschinenbau", 21.
Auflage, Abschnitt G73, Kapitel 3.5 „Fremdgeschaltete Kupplungen". Solche schaltbaren Kupplungen
können
als kraftschlüssige
oder formschlüssige
Kupplungen realisiert werden.
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Die
Verwendung einer solchen Kupplungsvorrichtung für ein Lenksystem eines Fahrzeugs muss
den hohen Sicherheitsanforderungen dieses Einsatzes entsprechen.
Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen
werden, eine Kupplungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart
weiterzubilden, dass auch bei der Verwendung in einem Lenksystem eines
Fahrzeugs eine ausreichend hohe Betriebssicherheit gewährleistet werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kupplungsvorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst.
Es ist ein erstes Kupplungsstück
mit einer ersten Axialverzahnung und ein zweites Kupplungsstück mit einer
zweiten Axialverzahnung vorgesehen, wobei zwischen den beiden Kupplungsstücken ein
zentrales Kupplungsgegenstück
angeordnet ist, das auf der der ersten Axialverzahnung zugewandten
Axialseite eine erste Gegenverzahnung und auf der der zweiten Axialverzahnung
zugewandten Axialseite eine zweite Gegenverzahnung aufweist und
wobei in der Schließstellung
der Kupplungsvorrichtung die erste Axialverzahnung mit der ersten
Gegenverzahnung und die zweite Axialverzahnung mit der zweiten Gegenverzahnung
in Eingriff stehen. Bei dieser konstruktiven Ausgestaltung ist sichergestellt, dass
zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle in der Schließstellung
der Kupplungsvorrichtung eine drehfeste Verbindung herrscht. Hierfür sind zwei
Kupplungsstücke
mit jeweils einer Axialverzahnung vorhanden, die von entgegengesetzten
Axialseiten her mit jeweils einer Gegenverzahnung des Kupplungsgegenstücks zur
Herstellung der drehfesten Verbindung zusammenwirken. Dabei entsteht eine
drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle
auch dann, wenn lediglich eine der Axialverzahnungen mit der jeweils
zugeordneten Gegenverzahnung in Eingriff steht, so dass die Kupplungsvorrichtung
in dieser Hinsicht eine Redundanz aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung ergeben
sich aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Vorteilhafterweise
sind die beiden Kupplungsstücke
durch eine Federkraft in eine jeweilige Eingriffsstellung vorgespannt, in
der die Kupplungsvorrichtung die Schließstellung einnimmt. Die Kupplungsstücke können dabei
durch die Federkraft zum Kupplungsgegenstück hin gedrückt bzw. gezogen werden, so
dass die Axialverzahnungen mit der jeweils zugeordneten Gegenverzahnung
in Eingriff stehen. Somit ist die Schließstellung der Kupplungsvorrichtung
die Ausgangsstellung, die die Kupplungsvorrichtung einnimmt, wenn
keine Fremdkraft von außen auf
die Kupplungsvorrichtung bzw. deren Bestandteile einwirkt.
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Zum
Umschalten der Kupplungsvorrichtung in ihre Offenstellung können die
beiden Kupplungsstücke
fluidisch und insbesondere pneumatisch gegen die Federkraft aus
ihrer jeweiligen Eingriffsstellung in eine jeweilige Freigabestellung
bewegt werden, in der die Axialverzahnungen der Kupplungsstücke außer Eingriff
stehen mit der jeweils zugeordneten Gegenverzahnung des Kupplungsgegenstücks. Die
Kupplungsvorrichtung kann dadurch sehr einfach durch das Erzeugen
einer fluidischen Fremdkraft von der Schließstellung in die Offenstellung
umgeschaltet werden.
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Insbesondere
können
die beiden Kupplungsstücke
dabei jeweils eine mit Fluiddruck beaufschlagbare erste Schaltfläche aufweisen,
wobei die beiden Kupplungsstücke
durch die mit Fluiddruck beaufschlagten ersten Schaltflächen entgegen
der Federkraft in ihre jeweilige Freigabestellung bewegt werden.
Die beiden ersten Schaltflächen
können
jeweils an eine erste Druckkammer angrenzen, wobei die beiden ersten
Druckkammern in Axialrichtung benachbart zu den beiden Seiten des
Kupplungsgegenstücks
angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsvariante
befinden sich die beiden ersten Schaltflächen bzw. die beiden ersten
Druckkammern im Bereich der jeweils zugeordneten Axialverzahnung
bzw. Gegenverzahnung, wodurch ein kompakter und einfacher Aufbau
der Kupplungsvorrichtung ermöglicht
wird.
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Es
ist des Weiteren von Vorteil, wenn die beiden Kupplungsstücke zusätzlich zu
den ersten Schaltflächen
jeweils eine mit Fluiddruck beaufschlagbare zweite Schaltfläche aufweisen,
wobei die ersten und zweiten Schaltflächen zum Bewegen der Kupplungsstücke in ihre
jeweilige Freigabestellung gleichzeitig mit Fluiddruck beaufschlagbar
sind. Bei dieser Ausgestaltung kann der Bauraumbedarf in Radialrichtung,
quer zur Axialrichtung der Kupplungsvorrichtung, reduziert werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass sich die mit Fluiddruck beaufschlagbare Gesamtfläche durch
die Summe der ersten und der zweiten Schaltfläche ergibt, so dass jede der
beiden Schaltflächen
eines Kupplungsstücks
in Radialrichtung entsprechend kleiner dimensioniert sein kann verglichen
mit einer einzigen Schaltfläche
derselben Gesamtgröße. Dabei
besteht auch die Möglichkeit, noch
weitere Schaltflächen
vorzusehen, wenn der Bauraumbedarf der Kupplungsvorrichtung in Radialrichtung
weiter verringert werden soll.
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Bei
dieser Ausgestaltung können
die beiden zweiten Schaltflächen
jeweils an eine zweite Druckkammer angrenzen, wobei die beiden zweiten
Druckkammern in Axialrichtung beabstandet zu den beiden ersten Druckkammern
angeordnet sind. Insbesondere ist die eine zweite Druckkammer im
ersten Kupplungsstück
und die andere zweite Druckkammer im zweiten Kupplungsstück vorgesehen,
wodurch sich eine konstruktiv einfache Kupplungsvorrichtung ergibt.
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Dadurch,
dass in der Ausgangswelle ein Fluidkanal zur Zufuhr und/oder Abfuhr
von Fluid, insbesondere Druckluft, vorhanden ist, kann die Zufuhr und/oder
Abfuhr von Fluid mit wenig Aufwand realisiert werden.
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Ferner
besteht die Möglichkeit,
die beiden Kupplungsstücke über ein
Kupplungsgehäuse
drehfest mit der Eingangswelle zu verbinden. Die drehfeste Verbindung
zwischen der Eingangswelle und den beiden Kupplungsstücken erfolgt
somit mittelbar über das
Kupplungsgehäuse.
Insbesondere ist es dabei auf einfache Weise möglich, die beiden Kupplungsstücke drehfest
mit dem Kupplungsgehäuse
zu verbinden und gleichzeitig in Axialrichtung verschiebbar zu lagern.
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Die
Kupplungsvorrichtung kann vorteilhaft in einem Lenksystem für ein Fahrzeug
eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich ein so genanntes „Steer-by-Wire"-System mit einer
mechanischen Rückfallebene.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Lenksystems
mit Kupplungsvorrichtung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische, blockschaltbildähnliche
Darstellung eines Lenksystems mit Kupplungsvorrichtung,
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2 eine
erste Ausführungsform
einer Kupplungsvorrichtung für
ein Lenksystem in schematischer, teilgeschnittener Seitenansicht
und
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer Kupplungsvorrichtung für
ein Lenksystem in schematischer, teilgeschnittener Seitenansicht.
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In 1 ist
schematisch ein Lenksystem 5 eines Fahrzeugs, insbesondere
eines nicht spurgebundenen Kraftfahrzeugs, dargestellt. Das Lenksystem 5 weist
ein Lenkrad 6 auf, das über
eine Lenksäule 7 mit
dem Lenkgetriebeeingang 8 eines Lenkgetriebes 9 verbunden
ist. Über
die Lenksäule 7 kann eine
Drehbewegung des Lenkrads 6 an den Lenkgetriebeeingang 8 übermit telt
werden. Die am Lenkgetriebeeingang 8 anliegende Drehbewegung
wird vom Lenkgetriebe 9 in eine entsprechende Auslenkung der
lenkbaren Fahrzeugräder 10 umgesetzt.
Der Lenkwinkel an den lenkbaren Fahrzeugrädern 10 kann demnach
entsprechend der am Lenkgetriebeeingang 8 anliegenden Drehbewegung
eingestellt werden.
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Eine
Kupplungsvorrichtung 11 trennt die Lenksäule 7 in
einen lenkradseitigen Abschnitt 12 und einen lenkgetriebeseitigen
Abschnitt 13 auf. Befindet sich die Kupplungsvorrichtung 11 in
ihrer Offenstellung, besteht zwischen dem lenkradseitigen Abschnitt 12 und
dem lenkgetriebeseitigen Abschnitt 13 der Lenksäule 7 keine
drehfeste Verbindung, so dass sich der lenkradseitige Abschnitt 12 und
der lenkgetriebeseitige Abschnitt 13 der Lenksäule 7 gegeneinander
verdrehen können.
Befindet sich die Kupplungsvorrichtung 11 hingegen in der
Schließstellung,
so sind der lenkradseitige Abschnitt 12 und der lenkgetriebeseitige
Abschnitt 13 der Lenksäule 7 drehfest
miteinander gekoppelt. Die Kupplungsvorrichtung 11 kann
mit Hilfe einer Umschalteinrichtung 15 zwischen der Offenstellung
und der Schließstellung
umgeschaltet werden. Die Umschalteinrichtung 15 wird durch
eine Steuereinheit 16 angesteuert. Ein Zustandssensor 17 erfasst
den Schaltzustand der Kupplungsvorrichtung 11 und übermittelt
diesen an die Steuereinheit 16.
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Zur
Einstellung des Lenkwinkels an den lenkbaren Fahrzeugrädern 10 bei
in Offenstellung befindlicher Kupplungsvorrichtung 11 ist
eine Stelleinrichtung 20 vorgesehen, die beispielsgemäß das Lenkgetriebe 9 über einen
Stelleingang 21 zur Einstellung des Lenkwinkels beaufschlagt.
Die Stelleinrichtung 20 wird von der Steuereinheit 16 angesteuert.
Auf diese Weise kann an den lenkbaren Fahrzeugrädern 10 unabhängig von
der am Lenkgetriebeeingang 8 anliegenden Drehbewegung ein
Lenkwinkel eingestellt werden. Alternativ zur dargestellten Ausführungsform
kann die Stelleinrichtung 20 auch auf den lenkgetriebeseitigen
Abschnitt 13 der Lenksäule 7 einwirken,
wobei der Stelleingang 21 am Lenkgetriebe 9 entfallen
kann.
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Ein
Lenkradsensor 23 ermittelt die Drehbewegung und/oder Drehstellung
des Lenkrades 6 und übermittelt
diese an die Steuereinheit 16. Über einen Lenkwinkelsensor 22 wird
eine den Lenkwinkel an den lenkbaren Fahrzeugrädern 10 beschreibende Lenkwinkelgröße erfasst
und an die Steuereinheit 16 weitergeleitet. Auf diese Weise
kann durch die Steuereinheit 16 eine Regelung des Lenkwinkels
an den lenkbaren Fahrzeugrädern
abhängig
von der Drehstellung und/oder Drehbewegung des Lenkrades 6 realisiert
werden. Als Lenkwinkelgröße kann
beispielsweise die Position einer nicht näher dargestellten Zahnstange
des Lenkgetriebes 9 erfasst werden oder aber der Lenkwinkel
an den lenkbaren Fahrzeugrädern 10 direkt
gemessen werden. Er kann insbesondere als Elektromotor ausgeführt sein.
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Wenn
sich die Kupplungsvorrichtung 11 in Offenstellung befindet,
ist die Lenksäule 7 aufgetrennt,
so dass das Lenkrad 6 nicht mit den lenkbaren Fahrzeugrädern 10 verbunden
ist und der Fahrer am Lenkrad 6 keine über die lenkbaren Fahrzeugräder 10 eingeleiteten
Kräfte
oder Momente am Lenkrad 6 spürt. Um dem Fahrer dennoch ein
gutes Lenkgefühl zu
vermitteln, ist ein Handmomentensteller 25 vorgesehen,
der auf den lenkradseitigen Abschnitt 12 der Lenksäule 7 einwirkt
und mithin am Lenkrad 6 ein der Fahrsituation entsprechendes,
gewünschtes
Handmoment erzeugen kann. Der Handmomentensteller 25 wird über die
Steuereinheit 16 angesteuert.
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Der
Handmomentensteller 25 kann zusätzlich auch dazu verwendet
werden, am Lenkrad 6 eine haptische Rückmeldung zu erzeugen und den
Fahrer dadurch auf besondere Fahrzustände oder Verkehrssituationen
aufmerksam zu machen. Beispielsweise kann der Handmomentensteller 25 am
Lenkrad 6 Handmomentenimpulse oder Vibrationen generieren,
um den Fahrer zu warnen.
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Im
Folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise der Kupplungsvorrichtung 11 des
Lenksystems 5 anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Einzelnen
erläutert.
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Eine
erste Ausführungsform 11a der
Kupplungsvorrichtung 11 ist in 2 gezeigt.
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Die
erste Kupplungsvorrichtung 11a weist eine in ihrer Gebrauchslage
mit dem lenkradseitigen Abschnitt 12 der Lenksäule 7 drehfest
verbundene Eingangswelle 30 auf. Die Eingangswelle 30 ist
wiederum drehfest an einem Kupplungsgehäuse 31 befestigt.
Das Kupplungsgehäuse 31 ist
beispielsgemäß zylindrisch
konturiert. Die Längsachse
des Kupplungsgehäuses 31 fällt mit
der Drehachse 32 der Eingangswelle 30 zusammen.
Auf der der Eingangswelle 30 in Axialrichtung 33 der
Kupplungsvorrichtung 11 entgegengesetzten Axialseite ist
eine Ausgangswelle 35 vorgesehen, die dieselbe Drehachse 32 aufweist
wie die Eingangswelle 30. Die Ausgangswelle 35 durchsetzt
eine axiale Stirnwand 36 des Kupplungsgehäuses 31,
so dass sich der innere Endabschnitt 37 der Ausgangswelle 35 innerhalb
des Kupplungsgehäuses 31 befindet.
Die Ausgangswelle 35 ist im Einbauzustand der ersten Kupplungsvorrichtung 11a in
das Lenksystem 5 mit dem lenkgetriebeseitigen Abschnitt 13 der
Lenksäule 7 drehfest
verbunden.
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Die
Eingangswelle 30 kann Bestandteil des lenkradseitigen Abschnitts 12 der
Lenksäule 7 sein. Ebenso
kann die Ausgangswelle 35 Bestandteil des lenkgetriebeseitigen
Abschnitts 13 der Lenksäule 7 sein.
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Die
erste Kupplungsvorrichtung 11a verfügt über ein erstes Kupplungsstück 40 und
ein zweites Kupplungsstück 41.
Die beiden Kupplungsstücke 40, 41 weisen
beim bevorzugten Ausführungsbeispiel eine
scheibenähnliche,
zylindrische Gestalt auf. Der Durchmesser der beiden Kupplungsstücke 40, 41 entspricht
im Wesentlichen dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Kupplungsgehäuses 31,
so dass die beiden Kupplungsstücke 40, 41 mit
ihren Außenmantelflächen dicht
an der Innenmantelfläche des
Kupplungsgehäuses 31 anliegen.
In den Außenmantelflächen der
Kupplungsstücke 40, 41 sind
jeweils mehrere, insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete
Führungsausnehmungen 45 eingebracht.
Jeder der Führungsausnehmungen 45 ist
jeweils ein an der Innenmantelfläche
des Kupplungsgehäuses 31 radial
nach innen vorstehender Führungsvorsprung 46 zugeordnet,
der in die betreffende Führungsausnehmung 45 des
jeweiligen Kupplungsstücks 40 bzw. 41 eingreift.
Die Führungsvorsprünge 46 bzw.
die Führungsausnehmungen 45 können auch
eine in Umfangsrichtung vollständig umlaufende
Verzahnung bilden. Auf diese Weise sind die beiden Kupplungsstücke 40, 41 drehfest
am Kupplungsgehäuse 31 gelagert
und dabei gleichzeitig in Axialrichtung 33 entlang der
Führungsvorsprünge 46 verschiebbar
angeordnet.
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Beide
Kupplungsstücke 40, 41 umschließen den
inneren Endabschnitt 37 der Ausgangswelle 35 koaxial.
Die Kupplungsstücke 40, 41 weisen
jeweils eine zum inneren Endabschnitt 37 der Ausgangswelle 35 hin
offene innere Nut 50 und eine zur Innenmantelfläche des
Kupplungsgehäuses 31 hin
offene äußere Nut 51 auf.
Die äußere Nut 51 ist
axial beabstandet zu den jeweiligen Führungsausnehmungen 45 in
die Außenmantelfläche des
ersten Kupplungsstücks 40 bzw.
des zweiten Kupplungsstücks 41 eingebracht.
Sowohl in der inneren Nut 50 als auch in der äußeren Nut 51 ist
jeweils ein Dichtring 52 vorgesehen, so dass die beiden
Kupplungsstücke 40, 41 fluidisch
dicht am inneren Endabschnitt 37 der Ausgangswelle 35 und
an der Innenmantelfläche
des Kupplungsgehäuses 31 anliegen.
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In
Axialrichtung 33 zwischen dem ersten Kupplungsstück 40 und
dem zweiten Kupplungsstück 41 ist
ein zentrales Kupplungsgegenstück 55 angeordnet,
das drehfest auf dem inneren Endabschnitt 37 der Ausgangswelle 35 sitzt.
Das Kupplungsgegenstück 55 weist
eine zylindrische Gestalt auf, wobei der Durchmesser des Kupplungsgegenstücks 55 im
Wesentlichen dem Durchmesser der beiden Kupplungsstücke 40, 41 entspricht.
In der Außenmantelfläche des
Kupplungsgegenstücks 55 ist wie
auch bei den Kupplungsstücken 40, 41 eine äußere Nut 51 vorgesehen,
in der ein Dichtungsring 52 angeordnet ist, so dass auch
das Kupplungsgegenstück 55 fluidisch
dicht an der Innenmantelfläche
des Kupplungsgehäuses 31 anliegt.
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Konzentrisch
zur Drehachse 32 verläuft
in der Ausgangswelle 35 ein Fluidkanal 56, dessen
eines Ende in einen oder mehrere, in Radialrichtung 57 verlaufende
Verteilerkanäle 58 mündet. Die
Verteilerkanäle 58 sind
im zentralen Kupplungsgegenstück 55 vorgesehen
und münden
wiederum in Axialbohrungen 59, die das Kupplungsgegenstück 55 in
Axialrichtung 33 vollständig
durchsetzen. Die Axialbohrungen 59 bilden dabei auf der
dem ersten Kupplungsstück 40 zugewandten
ersten Axialseite 60 des Kupplungsgegenstücks 55 jeweils
eine erste Fluidaustrittsöffnung 61.
Auf der dem zweiten Kupplungsstück 41 zugewandten
zweiten Axialseite 62 des Kupplungsgegenstücks 55 bilden
die Axialbohrungen 59 jeweils eine zweite Fluidaustrittsöffnung 63.
Somit sind sowohl die ersten Fluidaustrittsöffnungen 61 im Bereich
der ersten Axialseite 60 als auch die zweiten Fluidaustrittsöffnungen 63 im
Bereich der zweiten Axialseite 62 des Kupplungsgegenstücks 55 fluidisch
mit dem Fluidkanal 56 in der Ausgangswelle 35 verbunden.
Mit Hilfe der Umschalteinrichtung 15 kann über den
Fluidkanal 56 in der Ausgangs welle 35 unter Druck
stehendes Fluid zugeführt
und auch wieder abgeführt
werden. Beispielsgemäß wird als
Fluid Druckluft verwendet, so dass der Fluidkanal 56 über die
Umschalteinrichtung 15 belüftet und entlüftet werden
kann.
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Die
der ersten Axialseite 60 des Kupplungsgegenstücks 55 zugewandte
Axialfläche
des ersten Kupplungsstücks 40 bildet
eine erste Schaltfläche 75 am
ersten Kupplungsstück 40.
Die erste Schaltfläche 75 des
ersten Kupplungsstücks 40 liegt
den ersten Fluidaustrittsöffnungen 61 des
Kupplungsgegenstücks 55 gegenüber. Im
Bereich dieser ersten Fluidaustrittsöffnungen 61 ist zwischen
dem Kupplungsgegenstück 55 und
dem ersten Kupplungsstück 40 eine
erste Druckkammer 76 gebildet.
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In
gleicher Weise weist das zweite Kupplungsstück 41 auf der der
zweiten Axialseite 62 des Kupplungsgegenstücks 55 gegenüber liegenden
Seite eine erste Schaltfläche 75 auf.
Die erste Schaltfläche 75 des
zweiten Kupplungsstücks 41 begrenzt eine
weitere erste Druckkammer 76, die zwischen dem Kupplungsgegenstück 55 und
dem zweiten Kupplungsstück 41 gebildet
ist und in die die zweiten Fluidaustrittsöffnungen 63 einmünden. Wenn über die
Umschalteinrichtung 15 und den Fluidkanal 56 ein
ausreichend großer
Fluiddruck angelegt wird, werden die beiden ersten Druckkammern
gleichzeitig befüllt
und sowohl das erste Kupplungsstück 40 als auch
das zweite Kupplungsstück 41 in
Axialrichtung 33 vom zentralen Kupplungsgegenstück 55 weg
in entgegengesetzte Richtungen gedrückt.
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Das
erste Kupplungsstück 40 weist
auf seiner der ersten Axialseite 60 des Kupplungsgegenstücks 55 zugewandten
Axialseite eine ringsum laufende, koaxial zur Drehachse 32 angeordnete
erste Axialverzahnung 67 auf. Das Kupplungsgegenstück 55 verfügt an seiner
ersten Axialseite 60 über
eine zur ersten Axialverzahnung 67 entsprechend komplementär ausgestaltete
erste Gegenverzahnung 68. Analog hierzu ist an der der
zweiten Axialseite 62 des Kupplungsgegenstücks 55 zugewandten
Axialseite des zweiten Kupplungsstücks 41 eine ringsum
laufende, koaxial zur Drehachse 32 angeordnete zweite Axialverzahnung 69 vorgesehen.
An der zweiten Axialseite 62 des Kupplungsgegenstücks 55 ist
eine zur zweiten Axialverzahnung 69 entsprechend komplementär ausgebildete
zweite Gegenverzahnung 70 angeordnet. In der Schließstellung
der ersten Kupplungsvorrichtung 11a befinden sich die erste
Axialverzahnung 67 und die erste Gegenverzahnung 68, wie
auch die zweite Axialverzahnung 69 und die zweite Gegenverzahnung 70 in
Eingriff. Umgekehrt stehen die erste Axialverzahnung 67 und
die erste Gegenverzahnung 68 einerseits und die zweite
Axialverzahnung 69 und die zweite Gegenverzahnung 70 andererseits
in der Offenstellung der ersten Kupplungsvorrichtung 11a außer Eingriff.
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Die
erste Kupplungsvorrichtung 11a weist eine erste Schraubenfeder 73 auf,
die sich einerseits am Kupplungsgehäuse 31 und andererseits
auf der dem Kupplungsgegenstück 55 in
Axialrichtung 33 entgegengesetzten Seite am ersten Kupplungsstück 40 abstützt. Durch
die Federkraft der ersten Schraubenfeder 73 wird das in
Axialrichtung 33 relativ zum Kupplungsgehäuse 31 verschiebbare
erste Kupplungsstück 40 gegen
das Kupplungsgegenstück 45 gedrückt, bis
sich die erste Axialverzahnung 67 und die erste Gegenverzahnung 68 vollständig im
Eingriff befinden. Entsprechend hierzu ist eine zweite Schraubenfeder 74 vorhanden,
die sich einerseits am Kupplungsgehäuse 31 und andererseits
auf der dem Kupplungsgegenstück 55 entgegengesetzten Seite
des zweiten Kupplungsstücks 41 abstützt. Durch
die Federkraft der zweiten Schraubenfeder 74 wird das relativ
zum Kupplungsgehäuse 31 in
Axialrichtung 33 verschiebbare zweite Kupplungsstück 41 gegen
das Kupplungsgegenstück 55 gedrückt, bis die
zweite Axialverzahnung 69 vollständig in die zweite Gegenverzahnung 70 eingreift.
Die erste Kupplungsvorrichtung 11a ist somit durch die
beiden Schraubenfedern 73, 74 mechanisch in ihre
Schließstellung
vorgespannt.
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Beim
bevorzugten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der erste Kupplungsvorrichtung 11a um
eine fluidisch und beispielsgemäß pneumatisch schaltbare
Kupplung. Die Funktionsweise ist wie folgt:
Es sei zunächst angenommen,
dass sich die erste Kupplungsvorrichtung 11a in ihrem unbetätigten, fremdkraftfreien
Ausgangszustand befindet. In diesem Ausgangszustand wird durch die
Umschalteinrichtung 15 an Fluidkanal 56 kein oder
nur ein geringer Fluiddruck unterhalb einer Schaltschwelle angelegt,
der die beiden Kupplungsstücke 40, 41 nicht
gegen die Federkraft der Schraubenfedern 73, 74 verschieben
kann. Durch die Federkraft der beiden Schraubenfedern 73, 74 sind
beide Kupplungsstücke 40, 41 zum
zentralen Kupplungsgegenstück 55 hin gedrückt, wobei
sich die erste Axialverzahnung 67 und die erste Gegenverzahnung 68 und
auch die zweite Axialverzahnung 69 und die zweite Gegenverzahnung 70 im
Eingriff befinden. Die beiden Kupplungsstücke 40, 41 sind
somit drehfest mit dem Kupplungsgegenstück 55 gekoppelt. Über diese
drehfeste Verbindung zwischen Kupplungsgegenstück 55 und den beiden
Kupplungsstücken 40, 41 ist
auch die Ausgangswelle 35 drehfest mit der Eingangswelle 30 verbunden.
Die erste Kupplungsvorrichtung 11a befindet sich in ihrer
Schließstellung.
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Zum
Umschalten der ersten Kupplungsvorrichtung 11a von der
Schließstellung
in die Offenstellung wird durch die Umschalteinrichtung 15 in
den Fluidkanal 56 unter Druck stehendes Fluid, beispielsgemäß Druckluft,
eingeleitet, wobei der Druck zumindest der Schaltschwelle entspricht
und somit ausreichend groß ist,
um die beiden Kupplungsstücke 40, 41 entgegen
der jeweiligen Federkraft vom Kupplungsgegenstück 55 weg zu bewe gen.
Die Druckluft tritt an den ersten Fluidaustrittsöffnungen 61 und an den
zweiten Fluidaustrittsöffnungen 63 aus
und befüllt
die beiden ersten Druckkammern 76. Der in den ersten Druckkammern 76 herrschende
pneumatische Druck wirkt auf die beiden ersten Schaltflächen 75 am
ersten Kupplungsstücks 40 bzw.
am zweiten Kupplungsstücks 41 und
drückt
die beiden Kupplungsstücke 40, 41 in
Axialrichtung 33 entgegen der jeweiligen Federkraft vom
Kupplungsgegenstück 55 weg.
Die Axialverzahnungen 67, 69 und die zugeordneten
Gegenverzahnungen 68, 70 werden dadurch außer Eingriff
gebracht. Die Offenstellung der Kupplungsvorrichtung 11 ist
in 2 dargestellt. Das Kupplungsgegenstück 55 und
die mit dem Kupplungsgegenstück 55 drehfest
verbundene Ausgangswelle 35 können relativ zu den beiden
Kupplungsstücken 40, 41 um
die Drehachse 32 rotieren. Es besteht daher keine drehfeste
Verbindung zwischen der Ausgangswelle 35 und der Eingangswelle 30.
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Wird
der durch die Umschalteinrichtung 15 angelegte Luftdruck
im Fluidkanal 56 wieder unter die Schaltschwelle abgesenkt,
so dass die auf die Kupplungsstücke 40, 41 ausgeübte pneumatische
Kraft kleiner ist als die betreffenden Federkräfte, schaltet erste Kupplungsvorrichtung 11a wieder
in die Schließstellung
um.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
der Kupplungsvorrichtung 11 dargestellt, die im Folgenden
als zweite Kupplungsvorrichtung 11b bezeichnet ist. Auch
bei der zweiten Kupplungsvorrichtung 11b handelt es sich
um eine pneumatisch umschaltbare Kupplungsvorrichtung, die mechanisch
in ihre Schließstellung
vorgespannt ist. Der prinzipielle Aufbau der zweiten Kupplungsvorrichtung 11b entspricht dem
der ersten Kupplungsvorrichtung 11a gemäß 2, so dass
insoweit auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird.
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Im
Unterschied zur ersten Kupplungsvorrichtung 11a weisen
die beiden Kupplungsstücke 40, 41 der
zweiten Kupplungsvorrichtung 11b jeweils eine zweite Druckkammer 80 auf,
die eine ringförmige
Gestalt haben und im inneren des betreffenden Kupplungsstücks 40 bzw. 41 ausgebildet
sind. Die beiden zweiten Druckkammern 80 sind axial von
den beiden ersten Druckkammern 76 beabstandet, wobei die beiden
ersten Druckkammern 76 in Axialrichtung 33 gesehen
zwischen den beiden zweiten Druckkammern 80 angeordnet
sind. In den beiden zweiten Druckkammern 80 ist jeweils
ein ringförmiges
Ringteil 81 vorgesehen, das drehfest mit dem inneren Endabschnitt 37 der
Ausgangswelle 35 verbunden ist. In den Ringteilen 81 sind
fluidische Zufuhrkanäle 82 vorgesehen,
die einerseits fluidisch mit dem Fluidkanal 56 verbunden
sind und andererseits dritte Fluidaustrittsöffnungen 83 aufweisen,
die auf der die jeweilige zweite Druckkammer 80 begrenzenden
Fläche
des jeweiligen Ringteils 81 vorgesehen sind. Die der Fläche mit
den dritten Fluidaustrittsöffnungen 83 gegenüberliegende
Fläche
des betreffenden Kupplungsstücks 40 bzw. 41 bildet
dabei jeweils eine zweite Schaltfläche 85 des ersten
Kupplungsstücks 40 bzw.
des zweiten Kupplungsstücks 41.
Zur fluidischen Abdichtung der ersten und zweiten Druckkammern 76, 80 ist
in den beiden Ringteilen jeweils eine äußere Nut 51 mit einem
Dichtring 52 vorgesehen. Die Kupplungsstücke 40, 41 weisen
in Axialrichtung 33 zu beiden Seiten der betreffenden zweiten
Druckkammer 80 jeweils eine innere Nut 50 mit
einem Dichtring 52 auf.
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Der
Vorteil der zweiten Kupplungsvorrichtung 11b besteht darin,
dass sich die erste Schaltfläche
und die zweite Schaltfläche
des ersten Kupplungsstücks 40 wie
auch die erste Schaltfläche 75 und
die zweite Schaltfläche 85 des
zweiten Kupplungsstücks 41 jeweils
zu einer Gesamtschaltfläche addieren
und dadurch die Fläche
jeder einzelnen Schaltfläche 75 bzw. 85 kleiner
dimensioniert werden kann. Auf diese Weise kann die Größe der zweiten Kupplungsvorrichtung 11b bzw.
die Größe des Kupplungsgehäuses 31 in
Radialrichtung 57 verringert werden.
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Auch
die Funktionsweise der zweiten Kupplungsvorrichtung 11b entspricht
der des ersten Ausführungsbeispiels
gemäß 2.
Wird Druckluft mit einem zumindest der Schaltschwelle entsprechenden
Druck über
den Fluidkanal 56 zugeführt,
so steht der entsprechende pneumatische Druck an den ersten Schaltflächen 75 im
Bereich der ersten Druckkammern 76 und auch an den zweiten
Schaltflächen 85 im
Bereich der zweiten Druckkammern 80 an. Die auf die Kupplungsstücke 40, 41 ausgeübte Fluidkraft ist
proportional zum pneumatischen Druck einerseits und zur Gesamtschaltfläche, die
sich für
jedes Kupplungsstück 40, 41 aus
der Summe der ersten Schaltfläche 75 und
der zweiten Schaltfläche 85 des
betreffenden Kupplungsstücks 40 bzw. 41 ergibt.
Die beiden Kupplungsstücke 40, 41 werden
in Axialrichtung 33 in entgegen gesetzte Richtungen vom
Kupplungsgegenstück 55 weg
gedrückt,
wodurch die zweite Kupplungsvorrichtung 11b in die Offenstellung
umgeschaltet wird.
-
Durch
Absenken des Fluiddrucks im Fluidkanal 56 bzw. in den Druckkammern 76, 80 werden
die Kupplungsstücke 40, 41 durch
die Federkräfte
wieder zum zentralen Kupplungsgegenstück 55 hin bewegt,
bis die beiden Axialverzahnungen 67, 69 mit der
jeweils zugeordneten Gegenverzahnung 68 bzw. 70 vollständig in
Eingriff stehen. Die zweite Kupplungsvorrichtung 11b befindet
sich dann wieder in ihrer Schließstellung.