-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektromechanische
Kupplung. Insbesondere, aber nicht ausschließlich betrifft die vorliegende
Erfindung eine elektromechanische Kugelkupplung zur Verwendung in
einem motorbetriebenen System, zum Beispiel bei einer motorisierten
Heckklappe bzw. Hecktür
für ein
Fahrzeug.
-
Bei
motorbetriebenen Systemen ist es notwendig, einen manuellen Sicherungsmodus
bereitzustellen, wenn zum Beispiel die Batterie ausfällt. Ein solcher
manueller Sicherungsmodus sollte ähnlich wie ein normales manuelles
System funktionieren. Es ist notwendig, die Antriebseinheit während des manuellen
Sicherungsmodus auszurücken,
auch wenn ein Benutzer das System manuell betreiben will. Eine Möglichkeit,
das Ausrücken
der Antriebseinheit zu erlauben, besteht darin, eine elektromagnetische
Kupplung zwischen den mechanischen Elementen bereitzustellen, vorzugsweise
zwischen dem Elektromotor und einer Reduktionseinheit, die verwendet
wird, um von einem durch die Kupplung zu übertragenden niedrigeren Drehmoment
zu profitieren.
-
Bei
bekannten Systemen wird gekuppelt, indem zwei Metallplatten mit
der durch eine elektromagnetische Spule erzeugten magnetischen Kraft
zusammengehalten werden. Das übertragene
Drehmoment ist abhängig
von der Zugkraft der Spule und von dem Durchmesser der Kupplung,
d.h. je größer das erforderliche
Drehmoment, umso größer muss
die Kupplung sein. Um daher eine Kupplung zu haben, die ein großes Drehmoment überträgt, müssen Packaging
und Gewicht der Kupplung erhöht
werden, was unpraktisch und kostspielig ist. Um den Energiebedarf
der elektromagnetischen Spule zu verringern, kann in der Kupplung
zusätzlich
noch ein Permanentmagnet vorgesehen sein, der in Verbindung mit
dem Elektromagnet arbeitet. Das permanente Magnetfeld dieses Magneten
wird dann einen permanenten Widerstand in dem System erzeugen. Wenn
dieses System zum Beispiel bei einer Heckklappe verwendet wird,
kann dieser Widerstand verwendet werden, um die Heckklappe in einer
mittleren Stellung zu halten, ohne dass die Stromzufuhr zum Betreiben
der Spule aufrechterhalten werden muss. Der durch den Permanentmagneten
verursachte Widerstand ist jedoch sehr unangenehm für einen
Benutzer, der eine Heckklappe bei einem Stromausfall von Hand betätigt, weil
das Vorhandensein eines Widerstands bedeutet, dass sich die Heckklappe
sehr schwer öffnen und
schließen
lässt.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde im Bewusstsein der vorstehenden Probleme
entwickelt.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt somit eine Kupplung bereit, die ein
Eingangsritzel und ein Ausgangsritzel umfasst, das zu einem drehbaren
Verriegelungsteil mit einer zu der Drehachse geneigten Oberfläche gehört, wobei
die Oberfläche
mit einem Eingriffsteil zusammenwirkt und das Verriegelungsteil
bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, in der die Oberfläche eine
Ausnehmung zur Aufnahme des Eingriffsteils bildet, und einer zweiten
Stellung, in der die Oberfläche
einen Vorsprung bildet, um das Eingriffsteil in Anschlag mit dem
Eingangsritzel zu drücken,
um eine antreibbare Verbindung zwischen dem Eingangsritzel und dem
Ausgangsritzel herzustellen. Die geneigte Oberfläche erlaubt eine Verstärkung der
Kraft, die auf das Eingriffsteil wirkt, was dazu führt, dass
ein höheres
Drehmoment in einem kleinen Kupplungspaket übertragen werden kann.
-
Wenn
das Verriegelungsteil von der ersten Stellung in die zweite Stellung
gleitet, stellt es eine Ausnehmung für das Eingriffsteil bereit,
die sich in einer sanften Bewegung zu einem Vorsprung entwickelt.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Verriegelungsteil kegelstumpfförmig oder
im Wesentlichen konisch geformt ist, wobei sich die Seiten nach innen
zu dem von dem Ausgangsritzel am weitesten entfernten Ende verjüngen.
-
Vorzugsweise
umfasst das Eingangsritzel eine Kerbe zur Aufnahme des Eingriffsteils,
so dass dann, wenn das Verriegelungsteil sich in die zweite Stellung
bewegt und das Eingriffsteil in Eingriff mit dem Eingangsritzel
schiebt, das Eingriffsteil in die Kerbe eingreift. Durch die Kerben
kann die Kupplung ein höheres
Drehmoment bei viel kleineren Abmessungen übertragen.
-
Das
Verriegelungsteil und die Eingriffsteile sollten idealerweise ferromagnetisch
sein. Das Verriegelungsteil sollte vorzugsweise durch Verändern eines
Magnetfelds betätigt
werden, um sich zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung
zu bewegen. Das Magnetfeld kann durch eine elektromagnetische Spule
bereitgestellt werden. Das Eingriffsteil kann eine Kugel oder eine
Walze sein.
-
Vorzugsweise
ist das Verriegelungsteil durch eine Feder in die erste Stellung
vorgespannt, wobei die Feder zusammengedrückt wird, wenn sich das Verriegelungsteil
von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt.
-
Vorzugsweise
umfasst die Kupplung ferner einen Permanentmagneten, der dazu beiträgt, das Verriegelungsteil
in der zweiten Stellung zu halten. In der zweiten Stellung, die
auch als die geschlossene Stellung bezeichnet wird, gibt es nur
einen kleinen Luftspalt zwischen dem Verriegelungsteil und dem Magneten,
so dass der Magnet das Verriegelungsteil mit einer relativ hohen
Kraft in die zweite Stellung zieht bzw. vorspannt. Dadurch kann
ein hohes Drehmoment übertragen
werden. In der ersten Stellung, die auch als die offene Stellung
bezeichnet wird, hat der Magnet nicht genügend Feldstärke, um eine Kraft bereitzustellen,
die das Verriegelungsteil gegen die Federkraft ziehen kann. Dies
ist auf den großen Luftspalt
zwischen dem Verriegelungsteil und dem Magneten zurückzuführen. Der
Magnet hat jedoch genügend
Feldstärke,
um die Eingriffsteile in Kontakt mit dem Verriegelungsteil und dadurch
weg von dem Eingangsritzel zu halten, wenn sich das Verriegelungsteil
in der ersten Stellung befindet. Wenn also zusätzlich ein Permanentmagnet
und eine Feder vorgesehen sind, erhält die Kupplung in der offenen
und der geschlossenen Stellung zwei stabile Positionen. Wenn ferner
der Ausgang der Kupplung so manövriert
wird, dass der Mechanismus umgekehrt wird, wird er aufgrund der
permanenten Magnetkraft einem gewissen Betrag an Drehmoment widerstehen, und
weil das Verriegelungsteil mit dem Ausgang verbunden ist, werden
die von beiden Eingriffsteilen auf das Verriegelungsteil ausgeübte Kraft
und die Federkompressionskraft die Kraft des Magneten überwinden,
und das Verriegelungsteil wird in die erste, offene Stellung zurückkehren.
Um die Kupplung wieder zu schließen, ist es notwendig, Strom
durch die elektromagnetische Spule in eine Richtung fließen zu lassen,
die ein Magnetfeld erzeugen wird, das, wenn es zu dem von dem Permanentmagnet
stammenden Magnetfeld hinzukommt, eine Kraft erzeugt, die ausreicht,
um die Feder zusammenzudrücken,
so dass sich das Verriegelungsteil in die zweite Stellung bewegt
und das Eingriffsteil in Anschlag mit dem Eingangsritzel gedrückt wird.
-
Um
die Kupplung elektrisch zu öffnen,
wird Strom in der entgegengesetzten Richtung durch die Spule geschickt.
Durch die Spule wird dann eine abstoßende Kraft erzeugt, die die
Kraft des Permanentmagneten aufhebt oder ihr entgegenwirkt, und
die Feder schiebt das Verriegelungsteil wieder zurück in die
erste Stellung.
-
Die
Kupplung wird vorteilhafterweise in einem Mechanismus verwendet,
der ein Verschlußteil, zum
Beispiel eine Heckklappe, einen Kofferraumdeckel, eine Heck- oder
Schiebetür
bewegt. Wenn sich der Mechanismus in einem normalen Automatikmodus
befindet, wird er durch einen Elektromotor angetrieben, und das
Motordrehmoment wird durch die Kupplung übertragen. Wenn der Motor angehalten wird,
zum Beispiel bei einem Stromausfall oder wenn der Benutzer will,
dass das Verschlußteil
in einer Mittelstellung gehalten wird, dann kann die elektromagnetische
Spule deaktiviert werden. Der Permanentmagnet wird genügend Kraft
in der Kupplung erzeugen, um das Verschlußteil in der Stellung zu halten, in
der sie war, als die Stromzufuhr unterbrochen wurde. In dieser Stellung
kann das Verschlußteil
elektrisch oder manuell bewegt werden. Wenn sie manuell bewegt wird,
kann ein Sensor in dem System vorgesehen sein, der ein Steuersystem über eine
manuelle Bewegung informiert. Sobald die Bewegung während einer
definierten Zeit endet, kann das Steuersystem die elektromagnetische
Spule wieder aktivieren, so dass das Verriegelungsteil wieder in
die zweite Stellung gebracht wird und die Kupplung geschlossen wird.
Bei einem Ausfall der Batterie, sogar wenn die Kupplung mitten während eines
Automatikmanövers
eingerückt
wird, wird daher das manuelle Manöver das System automatisch
entkuppeln und eine Bewegung ohne Widerstand auf der Kupplung erlauben.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus den beigefügten Zeichnungen;
darin zeigen:
-
1a eine linksseitige Ansicht eines Querschnitts
einer Kupplung in einer offenen Stellung gemäß der Erfindung;
-
1b eine rechtsseitige Ansicht eines Querschnitts
einer Kupplung in einer geschlossenen Stellung gemäß der Erfindung;
-
2a eine linksseitige Draufsicht einer Kupplung
in einer offenen Stellung gemäß der Erfindung;
und
-
2b eine rechtsseitige Draufsicht einer Kupplung
in einer geschlossenen Stellung gemäß der Erfindung.
-
Mit
Bezug auf 1 und 2 hat
eine Kupplung 10 nun ein Eingangsritzel 11, das
mit einem Antriebsmittel (nicht dargestellt), zum Beispiel einem
Elektromotor, verbunden ist, der es in Drehung versetzt, und ein
Ausgangsritzel 12, das mit einem Bewegungsmechanismus (nicht
dargestellt) verbunden ist, um zum Beispiel eine Heckklappe zu bewegen.
Das Ausgangsritzel 12 ist um eine mittige Drehachse A drehbar
und frei drehbar auf einer mittigen Welle angeordnet. Das Eingangsritzel 11 ist
mit Kerben 19 versehen.
-
Zu
dem Ausgangsritzel 12 gehört ein kegelstumpfförmiges Verriegelungsteil 14,
das eine geneigte Oberfläche
hat. Das Verriegelungsteil ist ebenfalls um die mittige Drehachse
A drehbar und ist drehbar auf der mittigen Welle angeordnet, so
dass es sich synchron mit dem Ausgangsritzel 12 drehen kann.
Die geneigte Oberfläche
des Verriegelungsteils 14 verjüngt sich nach innen zu dem
von dem Ausgangsritzel 12 am weitesten entfernten Ende
des Verriegelungsteils 14. Zwischen der Innenseite des Eingangsritzels 11,
die die Kerben 19 aufweist, und der konischen Oberfläche des
Verriegelungsteils 14 sind mehrere Eingriffsteile 13 angeordnet.
Hier sind die Eingriffsteile als Kugeln ausgebildet. Um die Kugeln
aufzunehmen, hat das Ausgangsritzel 12 gabelartige Strukturen
oder Öffnungen,
so dass die Kugeln mitgedreht werden, wenn das Ausgangsritzel gedreht
wird.
-
Das
Verriegelungsteil 14 ist auf der Welle in einer Richtung,
die zur Achse A axial ist, zwischen einer ersten Stellung, die in 1a dargestellt ist und als die offene
Stellung bezeichnet wird, und einer zweiten Stellung, die in 1 b dargestellt ist und als die geschlossene
Stellung bezeichnet wird, verschiebbar.
-
In
der ersten Stellung stehen die Kugeln 13 in Kontakt mit
einem Abschnitt der geneigten Oberfläche, der einen kleinen Durchmesser
hat. Dieser Abschnitt wirkt wie eine Ausnehmung, die die Kugeln eine
Stellung einnehmen lässt,
die nahe bei der Achse A liegt und von der Innenseite des Eingangsritzels 11 beabstandet
ist. In der zweiten Stellung stehen die Kugeln 13 in Kontakt
mit einem Abschnitt der geneigten Oberfläche, der einen großen Durchmesser
hat. Dieser Abschnitt wirkt wie ein Vorsprung, der die Kugeln radial
nach außen
und gegen die Innenseite des Eingangsritzels 11 drückt.
-
Eine
Feder 16 ist unter dem Verriegelungsteil 14 positioniert,
um das Verriegelungsteil in die erste Stellung vorzuspannen. Ferner
ist eine elektromagnetische Spule 15 neben der Feder 16 vorgesehen, und
ein Permanentmagnet 17 ist unter der Feder 16 und
der Spule 15 angeordnet. Da die Eingriffsteile 13 und
das Verriegelungsteil 14 aus einem ferromagnetischen Material
bestehen, werden die Kugeln 13 im Abstand von den Kerben 19 des
Ausgangsritzels 12 und in Kontakt mit der geneigten Oberfläche gehalten,
wenn sich das Verriegelungsteil 14 in der ersten, offenen
Stellung befindet.
-
Wenn
der Bewegungsmechanismus nicht arbeitet, befindet sich die Kupplung 10 in
der offenen Stellung, wie in 1a und 2a dargestellt. Das Verriegelungsteil 14 wird
durch die Feder 16 vorgespannt, so dass es sich in einer
erhöhten
Stellung befindet. Dadurch stoßen
die Eingriffsteile 13 gegen das Verriegelungsteil 14,
um mit dem unteren Teil des Verriegelungsteils 14 in Richtung
zur Spitze der geneigten Oberfläche
in Kontakt zu stehen. Die durch das Gehäuse, die Eingriffsteile und
das Verriegelungsteil verlaufende Magnetschleife stellt sicher, dass
die Eingriffsteile mit dem unteren Teil des Verriegelungsteils 14 in
Kontakt bleiben. Man kann sehen, dass der untere Teil der Oberfläche des
Verriegelungsteils 14 eine Ausnehmung bereitstellt, in
die die Eingriffsteile 13 passen. Wenn sich das Verriegelungsteil 14 also
in der erhöhten
Stellung befindet, werden die Eingriffsteile 13 weg von
und außer
Kontakt mit dem Eingangsritzel 11 gehalten, und das Eingangsritzel 11 kann
sich ungehindert drehen.
-
Wenn
es erforderlich ist, den Bewegungsmechanismus in Betrieb zu setzen
und die Kupplung 10 zu schließen, wie in 1b und 2b dargestellt, wird die Spule 15 mit
einem elektrischen Strom beaufschlagt. Das durch die Spule 15 erzeugte
elektromagnetische Feld wirkt dann auf das Verriegelungsteil 14,
das in einer Richtung parallel zur mittigen Drehachse A der Kupplung 10 nach
unten gleitet und dadurch die Feder 16 zusammendrückt. Wenn
sich das Verriegelungsteil 14 nach unten bewegt, rutscht
es gegen die Eingriffsteile 13 und schiebt sie nach außen. Das
Verriegelungsteil 14 drückt
so die Eingriffsteile 13 in Richtung zu dem Eingangsritzel 11,
weil die Oberfläche
des Verriegelungsteils 14 nach außen in Richtung zur Oberseite
des Verriegelungsteils 14 geneigt ist, um einen Keil zu
bilden. Die Oberfläche
des Verriegelungsteils 14 ändert sich somit von der Form einer
Ausnehmung in die Form eines Vorsprungs. Bei maximaler Kompression
der Feder 16 befindet sich das Verriegelungsteil 14 an
seinem tiefsten Punkt in Bezug zur Achse A und ragt gegenüber den
Eingriffsteilen 13 maximal hervor. An diesem Punkt drückt die Oberfläche des
Verriegelungsteils 14 die Eingriffsteile 13 in
Kontakt mit dem Eingangsritzel 11 und dann in die am Umfang
des Eingangsritzels vorgesehenen Kerben 19.
-
Wenn
sich das Eingangsritzel 11 dreht, werden die Kugeln 13 somit
in eine Drehbewegung mitgenommen, da sie in die Kerben 19 eingreifen.
Da die Kugeln 13 in Löchern
oder gabelartigen Ausgestaltungen des Ausgangsritzels 12 aufgenommen sind,
wird die Drehung der Kugeln auf das Ausgangsritzel übertragen,
da das Verriegelungsteil verhindert, dass die Kugeln aus den Kerben
des Eingangsritzels herausfallen. Schließlich wird der Bewegungsmechanismus
angetrieben.
-
Dank
der in dem Eingangsritzel 11 vorgesehenen Kerben 19 kann
die Kupplung in einem viel kleineren Paket ein höheres Drehmoment übertragen.
Das von dem Eingangsritzel 11 auf das Ausgangsritzel 12 übertragene
Drehmoment ist abhängig
von dem durch die Spule 15 erzeugten Magnetfeld; d.h. von
der Zugkraft der Spule, dem Neigungswinkel der Oberfläche des
Verriegelungsteils 14 und dem Durchmesser der Eingriffsteile 13.
-
Der
Permanentmagnet 17 ist vorgesehen, um die erforderliche
Größe der Spule 15 zu
verringern und um die gekuppelte Stellung aufrechtzuerhalten, wenn
der Strom abgeschaltet ist und auf die Kupplung wirkende Kräfte unter
einer Grenze liegen, die aus dem Drehmoment plus der zum Entkuppeln neigenden
Federkraft besteht. Wenn die Kupplung 10 geschlossen ist,
zieht die durch den Magneten 17 bereitgestellte Kraft das
Verriegelungsteil 14 mit einer Kraft, die wegen des kleinen
Luftspalts 18b (etwa 0,2 mm) größer ist als die Kompressionskraft
der Feder 16, so dass sich das Magnetfeld durch den Verriegelungsmechanismus 14 erstrecken
kann. Wenn die Kupplung 10 offen ist, reicht die Feldstärke des Magneten 17 nicht
aus, um eine Kraft zu erzeugen, die groß genug ist, um das Verriegelungsteil 14 gegen
die Kraft der Feder 16 nach unten zu ziehen. Die Feldstärke des
Magneten 17 reicht jedoch aus, um durch die Eingriffsteile 13 zu
gelangen, um diese von dem Eingangsritzel 11 entfernt zu
halten.
-
Wenn
die Stromzufuhr zu der Spule 15 unterbrochen wird, oder
wenn der Mechanismus manuell betrieben werden muss, kann der mit
dem Ausgangsritzel 12 verbundene Mechanismus von Hand manövriert werden.
Dadurch wird das Ausgangsritzel 12 mit einem gewissen Drehmoment
beaufschlagt, während
das Eingangsritzel 11 durch den Elektromotor und das Getriebe
gebremst wird. Aufgrund der Neigung des Ausgangsritzels 12,
sich zu drehen, werden die Kugeln 13 aus den Kerben gedrückt, was
in einer Kraft resultiert, die in einer radialen Richtung auf die geneigte
Oberfläche
des Verriegelungsteils 14 wirkt. Aufgrund der Neigung der
geneigten Oberfläche stellt
die radial wirkende Kraft eine axiale Komponente bereit, die dazu
führen
kann, dass das Verriegelungsteil 14 die Haltekraft des
Permanentmagneten 17 überwindet.
Dadurch schiebt sich das Verriegelungsteil hoch in die erhöhte Stellung,
die Eingriffsteile 13 bewegen sich weg von dem Eingangsritzel 11 und
die Kupplung 10 öffnet
sich, so dass der Mechanismus nicht mehr mit dem Antriebsmittel
verbunden ist. Die Kupplung 10 kann auch elektrisch dazu
gebracht werden, sich zu öffnen,
indem in der entgegengesetzten Richtung, in der die Kupplung 10 zum Schließen gebracht
wird, Strom durch die Spule 15 geschickt wird. Dadurch
wird die Kraft des Permanentmagneten 17 aufgehoben, bzw.
es wird dieser Kraft entgegengewirkt, und die Feder 16 kann
dann das Verriegelungsteil 14 in die erhöhte Stellung schieben,
so dass die Eingriffsteile 13 außer Kontakt mit dem Eingangsritzel 11 gebracht
werden.
-
Wenngleich
die vorliegende Erfindung oben anhand spezieller Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und
dem Fachmann werden zweifellos Alternativen in den Sinn kommen,
die im Rahmen der hier beanspruchten Erfindung liegen.