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Die
Erfindung betrifft eine Kupplung zum Verbinden bzw. Trennen zweier
rotierender Körper,
insbesondere zweier Wellen, gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Kupplungen,
wie sie beispielsweise in heutigen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden,
sind üblicherweise
als Reib-Kupplungen realisiert und dienen dazu, den Kraftfluss zwischen
einer angetriebenen und einer abgetriebenen Welle herzustellen bzw.
zu unterbrechen. Solche Kupplungen umfassen in der Regel zwei Kupplungsscheiben,
die mittels eines Aktuators aufeinander zu bzw. voneinander weg
bewegt werden können.
Die Betätigung
durch den Aktuator erfolgt dabei immer in Normalrichtung.
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Es
ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupplung mit
einer anderen Art von Betätigungsmechanismus
zu schaffen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Kupplung zum
Verbinden bzw. Trennen zweier rotierbarer Körper zu schaffen, die eine Planetenrad-Anordnung
umfasst, die einen der rotierbaren Körper mit einem drehbaren Teil
verbindet, das in Umfangsrichtung, relativ zum rotierbaren Körper drehbar
ist. Das drehbare Teil ist vorzugsweise koaxial zum Körper angeordnet.
Zum Betätigen
der Kupplung wird die Phase zwischen dem drehbaren Teil und dem
zugehörigen
rotierbaren Körper
verstellt. Diese Relativbewegung wird erfindungsgemäß dazu genutzt,
den Kraftfluss auf den anderen rotierbaren Körper zu übertragen bzw. zu unterbrechen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Kupplung einen Keilmechanismus mit wenigstens
einem Keilelement. Der Keilmechanismus ist vorzugsweise zwischen
einem Teil des Körpers,
z. B. einem drehfest an einer Welle montierten Zahnrad, und dem
drehbaren Teil angeordnet. In diesem Fall wird der Keilmechanismus
durch eine Relativbewegung zwischen Körper und drehbarem Teil betätigt und
dadurch eine Reibverbindung zwischen den Wellen hergestellt bzw.
gelöst.
Die Relativbewegung in Umfangsrichtung wird dabei mittels des Keilmechanismus
in eine Axialbewegung umgelenkt. Das drehbare Teil ist in diesem
Fall in Axialrichtung bewegbar.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Kupplung eine Bandbremse. In diesem Fall
wird die Relativbewegung zwischen Körper und drehbarem Teil dazu
genutzt, das Band der Bandbremse zu spannen oder zu lösen. Das Bremsband
wirkt vorzugsweise mit einem Reibzylinder zusammen, der Bestandteil
des anderen Körpers ist.
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Die
Planetenrad-Anordnung umfasst vorzugsweise ein erstes Planetenrad,
das mit dem Körper
kämmt,
und ein zweites Planetenrad, das mit dem drehbaren Teil kämmt. Die
beiden Planetenräder
sind vorzugsweise parallel und koaxial zueinander angeordnet und über eine
Achse miteinander verbunden. Die Planetenräder sind drehbar gelagert,
so dass sie sich auch relativ zueinander verdrehen können. Die
beiden Planetenräder
sind außerdem
vorzugsweise gleich groß.
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Die
Kupplung umfasst einen Aktuator, der vorzugsweise auf das drehbare
Teil wirkt und in der Lage ist, dieses zu verdrehen. Der Aktuator
ist vorzugsweise ortsfest angeordnet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
der Aktuator ein Ritzel, das am Außenumfang einer drehbar gelagerten
Hohlwelle angreift. Die Hohlwelle kämmt an ihrem Innenumfang mit
einem der Planetenräder,
das wiederum am drehbaren Teil der Kupplung angreift.
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Bei
einer Kupplung mit Keilmechanismus umfasst diese vorzugsweise ein
mit einer Welle drehfest verbundenes Zahnrad (Welle und Zahnrad
bilden dabei einen der rotierbaren Körper), an dem ein erstes Element
des Keilmechanismus befestigt ist, sowie ein gegenüberliegendes,
drehbares Zahnrad, an dem ein zweites Element des Keilmechanismus
befestigt ist. Die beiden Zahnräder
sind über
die Planetenrad-Anordnung miteinander verbunden und können sich
relativ zueinander in Umfangsrichtung verdrehen. Die beiden Zahnräder sind
vorzugsweise gleich groß,
so dass sie sich im Normalfall synchron mit der Welle mitdrehen.
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Bei
einer Kupplung mit Bandbremse umfasst diese vorzugsweise einen mit
einer Welle drehfest verbundenen Reibzylinder, um den ein Bremsband gewickelt
ist. Das drehbare Teil ist vorzugsweise mit einem Bandende des Bremsbandes
verbunden. Das andere Bandende ist vorzugsweise mit dem zughörigen rotierbaren
Körper
verbunden. Durch eine Relativbewegung in Umfangsrichtung kann das
Bremsband gelöst
oder gespannt werden.
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Die
erfindungsgemäße Kupplung
umfasst vorzugsweise eine Elektronik, mittels derer das Kupplungsmoment
gesteuert oder geregelt werden kann. Im Falle einer Regelung wird
vorzugsweise eine Positionsregelung durchgeführt, bei der z. B. die axiale
Position (erste Ausführungsform)
oder die Umfangsposition (zweite Ausführungsform) des beweglichen
Teils geregelt wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Kupplung mit einem Keilmechanismus gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung; und
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2 eine
Kupplung mit einer Bandbremse gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Reibkupplung zum Verbinden bzw. Trennen zweier Wellen 4, 5,
die nach dem Normalkraftprinzip arbeitet. Die Kupplung umfasst zwei
gegenüberliegende
Kupplungsscheiben 14, 15, die in der dargestellten
Position voneinander beabstandet sind. An einer der Kupplungsscheiben 14 ist ein
Reibbelag 6 vorgesehen, der gegen eine Reibfläche der
gegenüberliegenden
Kupplungsscheibe 15 gedrückt bzw. davon weg bewegt werden
kann. Die Bewegungsrichtung der Scheibe 14 ist mit einem Pfeil
B gekennzeichnet.
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Die
Kupplung wird mittels eines Mechanismus betätigt, der ein drehfest mit
der Welle 5 verbundenes Zahnrad 13 und die Kupplungsscheibe 14 umfasst,
die im Unterschied zum Zahnrad 13 drehbar an der Welle 5 gelagert
ist. Scheibe 14 und Zahnrad 13 können daher
relativ zueinander in Umfangsrichtung A verdreht werden.
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Zwischen
Kupplungsscheibe 14 und Zahnrad 13 befindet sich
ein Keilmechanismus 25, der bei einer Relativ-Drehung der
Kupplungsscheibe 14 (relativ zur Welle 5), die
Drehbewegung in eine Axialbewegung umlenkt. Dadurch bewegt sich
die Kupplungsscheibe 14 mit dem Reibbelag 6 auf
die gegenüberliegende
Kupplungsscheibe 15 zu bzw. davon weg.
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Der
Keilmechanismus 25 umfasst zwei Keilelemente 3, 18,
die an gegenüberliegenden
Seitenflächen
des Zahnrades 13 und der Kupplungsscheibe 14 angeordnet
sind. Die Keilflächen
der Keilelemente 3, 18 sind in Umfangsrichtung
geneigt; sie sind daher aus der dargestellten Perspektive nicht
erkennbar. Zwischen den beiden Keilelementen 3, 18 ist
ein Wälzkörper 27 angeordnet,
der im Wesentlichen zur Verringerung der Reibung dient. Entlang des
Umfangs der Elemente 13, 14 können mehrere solcher Keilmechanismen
vorgesehen sein.
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Das
Zahnrad 13 und die Kupplungsscheibe 14 sind über eine
Planetenrad-Anordnung 26 miteinander verbunden. Diese umfasst
ein erstes Planetenrad 10, das mit dem Zahnrad 13,
und ein zweites Planetenrad 9, das mit der Kupplungsscheibe 14 kämmt.
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Die
Kupplungsscheibe 14 ist ebenfalls als Zahnrad ausgebildet.
Die beiden Planetenräder 9, 10 sind
parallel und koaxial zueinander angeordnet. Außerdem sind sie über eine
Achse 19 miteinander verbunden und an dieser Achse drehbar
gelagert. Um ein Kippen der Achse 19 in Umfangsrichtung
zu verhindern, kann ein Lager 12, wie z.B. ein Käfig, vorgesehen
sein, das die Achse 19 in Position (Axialrichtung B) hält.
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Das
Planetenrad 10 rollt auf einem kreisförmigen Innenumfang eines fest
angeordneten Körpers 11 ab.
Das andere Planetenrad 9 rollt auf dem Innenumfang einer
drehbar gelagerten Hohlwelle 8 ab. Ein Aktuator 1,
vorzugsweise ein Elektromotor, greift mittels eines Ritzels 7 am
Außenumfang
der Hohlwelle 8 an.
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Zur
Beschreibung eines Einkuppelvorgangs wird im Folgenden angenommen,
dass die Welle 5 rotierend angetrieben wird und die Welle 4 still
steht. (Die Kupplung funktioniert in umgekehrter Richtung jedoch
genauso.) Wenn die Welle 5 in Umfangsrichtung A rotiert,
bewegt sich auch das Zahnrad 13 mit gleicher Drehzahl.
Diese Bewegung wird auf das erste Planetenrad 10 übertragen,
das am feststehenden Körper 11 in
Umfangsrichtung abrollt. Die Umfangsbewegung des ersten Planetenrades 10 wird über die Achse 19 auf
das zweite Planetenrad 9 übertragen, das sich dann synchron
zum ersten Planetenrad 10 bewegt. Die Bewegung des zweiten
Planetenrades 9 wird wiederum auf die Kupplungsscheibe 14 übertragen.
Wegen der hier gewählten
symmetrischen Konstruktion der beiden Zahnräder 13, 14 und
Planetenräder 9, 10 rotieren
die Planetenräder 9, 10 und
die Zahnräder 13, 14 jeweils
mit identischer Drehzahl. Die Hohlwelle 8 und das Ritzel 7 bleiben
in diesem Zustand im Stillstand. Zwischen dem Zahnrad 13 und der
Kupplungsscheibe 14 erfolgt keine Relativbewegung in Umfangsrichtung
A. Die beiden Kupplungsscheiben 14, 15 bleiben
daher in der gleichen Position.
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Um
die Kupplungsscheiben 14, 15 zusammen zu bringen,
wird der Aktuator 1 angesteuert und das Ritzel 7 um
einen vorgegebenen Winkel gedreht. Diese Drehung wird über die
Hohlwelle 8 auf das Planetenrad 9 und die Kupplungsscheibe 14 übertragen. Dadurch ändert sich
die Phase zwischen Zahnrad 13 und Kupplungsscheibe 14.
Der Wälzkörper 27 läuft die
Keilflächen 28 des
Keilmechanismus 25 hinauf und drückt die Kupplungsscheibe 14 gegen
die Scheibe 15 der Welle 4. Sobald der Reibbelag 6 an der
abgetriebenen Welle 4 anliegt, wird das Zahnrad 14 zusätzlich gebremst,
so dass sich die Bremswirkung automatisch verstärkt (Selbstverstärkungseffekt).
Dadurch kann mittels eines sehr geringen Kraftaufwands eine relativ
hohe Normalkraft zwischen den Bremsscheiben 13, 14 und
somit eine starke Kupplung erzeugt werden.
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Die
Wellen 4, 5 sind an Lagern 16, 17 gelagert.
Die Lager 16, 17 können in diesem Fall sowohl die
an der Kupplung wirkenden Axialkräfte als auch Kräfte quer
zur Axialrichtung B aufnehmen. Wahlweise könnte natürlich auch ein separates Lager
vorgesehen sein, das die Axialkräfte
aufnimmt.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Kupplung mit einer Bandbremse. Der Kupplungsmechanismus umfasst
in diesem Fall ein Bremsband 22, das in mehreren Windungen
um einen Reibzylinder 15 herum gewickelt ist. Die beiden
Enden 23, 21 des Bremsbandes 22 sind – ähnlich wie
vorstehend die beiden Zahnräder 13, 14 – in Umfangsrichtung
A relativ zueinander beweglich. Wenn das Bremsband 22 locker
ist, können
die beiden Wellen 4, 5 unabhängig voneinander rotieren.
Durch eine Relativbewegung in Umfangrichtung kann das Bremsband 22 gespannt und
somit eine Kupplung zwischen den beiden Wellen 4, 5 hergestellt
werden.
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Die
Kupplung funktioniert im Prinzip genauso, wie vorstehend bezüglich 1 beschrieben wurde.
Die Kupplung umfasst wiederum ein Teil 13, z. B. ein Zahnrad,
das drehfest mit einer der Wellen (hier 5) verbunden ist,
und ein drehbares Teil 20, das relativ zur Welle 5 bzw.
dem Zahnrad 13 in Umfangsrichtung A bewegbar ist. Zahnrad 13 und
drehbares Teil 20 sind über
eine Planetenrad-Anordnung 26 miteinander verbunden.
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Wenn
die Welle 5 die angetriebene Welle ist, wird die Rotation
der Welle 5 über
die Planetenrad-Anordnung 26 auf das Teil 20 übertragen.
Im Normalfall rotieren beide Elemente 13, 20 synchron,
d. h. mit identischer Drehzahl. Durch Betätigung des Elektromotors 1 kann
wiederum die Phase zwischen den beiden Planetenrädern 9, 10 und
damit die relative Position der Bandenden 23, 21 in
Umfangsrichtung A verändert
werden. Das Band 22 kann somit gespannt oder gelöst und damit
die beiden Wellen 4,5 miteinander verbunden bzw.
voneinander getrennt werden.
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Das
Planetengetriebe sind ist identisch aufgebaut wie in 1,
so dass auf die entsprechenden Passagen in der Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Reibzylinder
- 3
- Keilelement
- 4
- Welle
- 5
- Welle
- 6
- Reibbelag
- 7
- Ritzel
- 8
- Hohlwelle
- 9
- 1.
Planetenrad
- 10
- 2.
Planetenrad
- 11
- Lager
- 12
- Käfig
- 13
- Zahnrad
- 14
- Drehbares
Teil
- 15
- Kupplungsscheibe
- 16
- Lager
- 17
- Lager
- 18
- Keilelement
- 19
- Achse
- 20
- Drehbares
Teil
- 21
- Bandende
- 22
- Bremsband
- 23
- Bandende
- 24
- –
- 25
- Keilmechanismus
- 26
- Planetenrad-Anordnung
- 27
- Wälzkörper
- 28
- Keilfläche
- A
- Umfangsrichtung
- B
- Axialrichtung