DE102008049994A1

DE102008049994A1 - Schaltbare bidirektionale Klemmrollenkupplung

Info

Publication number: DE102008049994A1
Application number: DE200810049994
Authority: DE
Inventors: Tomas Dr. Smetana
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2010-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schaltbare bidirektionale Klemmrollenkupplung, umfassend einen Innenring (2), einen geschlitzten, aufspreizbaren, in einer Nabe angeordneten Außenring (4) und zwischen Innenring (2) und Außenring (4) angeordnete Klemmrollen (6), die in zwischen Innenring und Außenring ausgebildeten Doppel-Klemmrampen geführt sind, sowie mit Mitteln, um ein Aufspreizen des Außenringes (4) zu steuern.
Um ein aktives, kontrolliertes Vorsynchronisieren und Kuppeln zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Außenring (4) durch elastische Spannmittel (8) in eine nicht aufgespreizte, nicht an der Nabe anliegende Form vorgespannt ist und dass mittels eines steuerbaren Stellantriebes betätigbare Mittel (Kugeln 18, 20) zum gesteuerten Aufspreizen des Außenringes (4) vorgesehen sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine schaltbare bidirektionale Klemmrollenkupplung, umfassend einen Innenring, einen geschlitzten, aufspreizbaren, in einer Nabe angeordneten Außenring, und zwischen Innenring und Außenring angeordnete Klemmrollen, die in zwischen Innenring und Außenring ausgebildeten Doppel-Klemmrampen geführt sind, sowie mit Mitteln, um ein Aufspreizen des Außenringes zu steuern.
Hintergrund der Erfindung
Bei bekannten Klemmrollenkupplungen der oben beschrieben Art ist der geschlitzte Außenring mit einer geringen Vorspannung in die Nabe eingefügt. Wenn es unter Belastung zu einer relativen Verdrehung der Nabe gegenüber dem Innenring kommt, wird der Außenring von der Nabe mitgenommen und gegenüber dem Innenring verdreht, so dass sich die Klemmrollen verklemmen und den Außenring zunehmend an die Nabe andrücken, bis eine schlupffreie, reibschlüssige Verbindung zwischen Außenring und Nabe hergestellt ist.
Klemmrollenkupplungen mit aufspreizbarem Außenring werden insbesondere dann eingesetzt, wenn dem Kupplungsvorgang eine Synchronisierung von Antriebsdrehzahl und Abtriebsdrehzahl vorangehen soll.
Schaltbare, bidirektionale Klemmrollenkupplungen ermöglichen unterschiedliche Betriebsweisen, nämlich beispielsweise Antriebsbetrieb in beiden Drehrichtungen, Freilaufbetrieb in beiden Drehrichtungen oder Antriebsbetrieb in der einen und Freilaufbetrieb in der anderen Drehrichtung. Die Funktionsweise beruht auf dem Prinzip, nach welchem ein Aufspreizen des Außenringes und damit eine Drehmomentübertragung auf die Nabe durch geeignete konstruktive Mittel wahlweise zugelassen oder verhindert wird.
Aus der DE 698 16 118 T2 ist eine Klemmrollenkupplung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt, bei der eine relative Drehung des mit einer leichten Vorspannung an der Nabe anliegenden Außenringes gegenüber dem Innenring und damit ein Verkeilen der Klemmrollen und ein weiteres Aufspreizen des Außenringes in der einen Drehrichtung, der anderen Drehrichtung oder in beiden Drehrichtungen wahlweise blockiert oder freigegeben werden kann. Dazu ist beispielsweise am Außenumfang des Innenringes eine mit dem Schlitz des Außenringes fluchtende, axial verlaufende Nut vorgesehen. Ein in die durch diese Nut und den Schlitz gebildete Öffnung einführbarer Zapfen ist in seinem radial äußeren Bereich so profiliert, dass er abhängig davon, wie weit er in diese Öffnung eingeführt wird, eine Verdrehung des Außenringes in der oben beschriebenen Weise zulässt oder blockiert. Die Betriebsweise hängt demnach allein von der gewählten Position dieses Zapfens ab. Der Betriebsablauf beim Einkuppeln verläuft ”passiv”, d. h. der Außenring wird infolge einer Mitnahme durch die Nabe zunehmend verdreht und aufgespreizt. Es baut sich zunächst eine Vorspannung auf, die den Außenring mit der Nabe drehzahlbezogen synchronisiert, bis eine feste, reibschlüssige Verbindung zwischen Außenring und Nabe gegeben ist. Wenn die relative Verdrehung des Außenringes gegenüber dem Innenring durch den Zapfen verhindert wird, dann gleitet die Nabe auf dem Außenring, was einem Freilaufbetrieb entspricht.
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Klemmrollenkupplung besteht darin, dass die Synchronisations- bzw. Schaltzeiten sehr stark von der Vorspannung zwischen dem geschlitzten Außenring und der Nabenbohrung abhängig sind. Die Vorspannung ist ihrerseits von Fertigungstoleranzen der Nabenbohrung bzw. des Außenringes abhängig und damit im Betrieb nicht mehr kontrollierbar.
US 2007/0029152 A1 zeigt ebenfalls eine Klemmrollenkupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der am Innenring (inner race 4) einerseits und am Außenring (slipper 5) andererseits übereinander liegende Axialflansche vorgesehen sind, in denen sich überdeckende Steuerschlitze ausgebildet sind. Je nach der Position eines in den Steuerschlitzen verschiebbaren Steuerstiftes kann eine relative Verdrehung des Außenringes gegenüber dem Innenring in der weiter vorne beschriebenen Weise blockiert oder zugelassen werden. Das Funktionsprinzip entspricht damit dem der vorne beschriebenen Druckschrift, d. h. es handelt sich auch hier um eine ”passiv” schaltende Kupplung, deren Funktionsablauf beim Einkuppeln nicht beeinflusst werden kann.
In beiden Fällen bewirkt ein Steuerungseingriff, dass das Aufspreizen blockiert. Ohne Steuerungseingriff funktionieren die Kupplungen in der bekannten Weise, indem durch Reibungsmitnahme des Außenringes der Vorgang des Einkuppelns in Gang gesetzt wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klemmrollenkupplung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, die unabhängig von Fertigungstoleranzen schaltbar und damit unabhängig von Fertigungstoleranzen der Nabe und des Außenringes arbeitet.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben im Zusammenhang mit den bekannten Klemmrollenkupplungen beschriebenen Nachteile durch den nicht kontrollierbaren Reibschluss des mit einer Vorspannung in die Nabe eingefügten Außenringes verursacht werden.
Die Erfindung geht gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 daher aus von einer schaltbaren bidirektionalen Klemmrollenkupplung mit einem Innenring, einem geschlitzten, aufspreizbaren, in einer Nabe angeordneten Außenring und mit zwischen Innenring und Außenring angeordneten Klemmrollen, die in zwischen Innenring und Außenring ausgebildeten Doppel-Klemmrampen geführt sind, sowie mit Mitteln, um ein Aufspreizen des Außenringes zu steuern. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Außenring durch elastische Spannmittel in eine nicht aufgespreizte, nicht an der Nabe anliegende Form vorgespannt ist, und dass mittels eines steuerbaren Stellantriebes betätigbare Mittel zum gesteuerten Aufspreizen des Außenringes vorgesehen sind.
Im Ruhezustand bzw. im Freilaufbetrieb liegt demnach der Außenring nicht an der Nabe an, so dass auch keine Tendenz zur Drehmitnahme des Außenringes durch die radial außen angeordnete Nabe besteht, die – wie bei den vorne beschriebenen bekannten Klemmrollenkupplungen – durch besondere schlüsselartig profilierte Stifte oder dergleichen blockiert werden kann. Dieser Betriebszustand ermöglicht einen reibungsfreien Freilaufbetrieb in beiden Drehrichtungen.
Um die Kupplung einzuschalten wird der Außenring mittels des steuerbaren Stellantriebes aktiv und kontrolliert aufgespreizt, wobei ein Reibschluss zwischen Außenring und Nabe zunehmend verstärkt und eine Synchronisierung der Drehzahlen des Außenringes und der Nabe durchgeführt wird, bis über ein Verkeilen der Klemmrollen ein schlupffreier Reibschluss zwischen diesen beiden Bauteilen besteht und die Kupplung geschlossen ist. Da die Klemmrollen in Doppel-Klemmrampen geführt sind, funktioniert die Kupplung in beiden Drehrichtungen gleich. Durch den Steuerungseingriff wird demnach ein Aufspreizen bewirkt.
Aufgrund der Tatsache, dass der Außenring durch elastische Spannmittel in eine nicht aufgespreizte Form vorgespannt ist, bewegt er sich nach Entlastung des Stellantriebes selbständig in seine nicht aufgespreizte, nicht an der Nabe anliegende Ausgangsposition zurück, d. h. die Kupplung wird in den Freilaufbetrieb geschaltet.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber den bekannten, oben beschriebenen Klemmrollenkupplungen wird darin gesehen, dass im Freilaufbetrieb keinerlei Reibung zwischen Außenring und Nabe gegeben ist, so dass der Freilaufbetrieb ohne Verlustleistung und ohne Verschleiß ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Außenring umfangsbezogen mehrfach axial geschlitzt ausgebildet ist, derart, dass er mehrere, beispielsweise drei gleiche Außenringsegmente bildet. Dadurch wird erreicht, dass sich der Außenring im Antriebsbetrieb sehr gleichmäßig über seinen Umfang an die Nabe anlegt.
Eine konstruktive Ausgestaltung der Klemmrollenkupplung sieht vor, dass die Spannmittel durch ein den Außenring umgebendes elastisches Ringelement, beispielsweise eine Drahtfeder gebildet sind, die in eine in der Außenumfangsfläche des Außenringes ausgebildete Ringnut eingebettet ist.
Die Mittel zum Aufspreizen des Außenringes umfassen gemäß einer ersten Ausgestaltungsform der Erfindung jeweils in die Schlitze des Außenringes eingreifende und in diese eindrückbare Spreizkörper. Diese Spreizkörper sind vorzugsweise seitlich axial an Abschrägungen der die Schlitze begrenzenden Endkanten des Außenringes bzw. der Außenringsegmente andruckbar, wie anhand von Ausführungsbeispielen näher dargelegt wird.
Die Spreizkörper sind beispielsweise Kugeln, die mittels eines mit dem Innenring drehverbundenen, axial verstellbaren Druckringes in den zugeordneten Schlitz gedrückt werden können. Wenn sich der Außenring infolge der Drehmitnahme durch die Nabe gegenüber dem Innenring verdreht, dienen die Kugeln gleichzeitig als Drehlager gegenüber dem mit dem Innenring drehverbundenen axial wirkenden Druckring.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klemmrollenkupplung ist vorgesehen, dass die Spreizkörper jeweils an einem gemeinsamen Betätigungsring angeordnete Keile sind, wobei der Betätigungsring mittels eines mit dem Innenring drehverbundenen, axial verstellbaren Druckringes in Richtung zu den zugeordneten Schlitzen hin gedrückt werden kann. Eine Relativdrehung des mit dem Außenring drehverbundenen Betätigungsringes gegenüber dem mit dem Innenring drehverbundenen Druckring wird dadurch erleichtert, dass für den Betätigungsring einerseits und den Druckring andererseits eine Materialpaarung mit einem möglichst niedrigen Reibungswert vorgesehen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
1 in einer perspektivischen Ansicht eine Explosionsdarstellung der Komponenten einer Klemmrollenkupplung, jedoch ohne eine radial außen angeordnete Nabe,
2 die Klemmrollenkupplung der 1 im zusammengebauten Zustand,
3 eine andere Ausgestaltung einer Klemmrollenkupplung in einer Ansicht entsprechend der 1, und
4 die Klemmrollenkupplung der 3 im zusammengebauten Zustand.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in den 1 und 2 dargestellte Klemmrollenkupplung umfasst einen Innenring 2, einen mehrfach geschlitzten, d. h. aus drei Außenringsegmenten 4a, 4b, 4c gebildeten Außenring 4 und eine Vielzahl von zwischen Innenring 2 und Außenring 4 angeordneten Klemmrollen 6. Die Klemmrollen 6 sind in an sich bekannter Weise jeweils in zugeordneten Doppel-Klemmrampen geführt, die durch eine entsprechende Profilierung 3 am Außenumfang des Innenringes 2 einerseits und durch eine Profilierung 5 am Innenumfang des Außenringes 4 andererseits gebildet sind. Die Doppel-Klemmrampen sind so ausgebildet, dass sich die Klemmrollen 6 bei einer relativen Verdrehung des Innenringes 2 gegenüber dem Außenring 4 in der einen oder der anderen Drehrichtung verkeilen und eine reibschlüssige Verbindung zwischen Innenring 2 und Außenring 4 herstellen.
Wie insbesondere die 2 erkennen lässt, wird der Außenring 4 im montierten Zustand durch elastische Spannmittel 8, im vorliegenden Fall eine Drahtfeder radial nach innen vorgespannt derart, dass der Außenring 4 die diesen umgebende, hier nicht dargestellte Nabe nicht berührt. Die Drahtfeder 8 ist in eine in der Außenumfangsfläche des Außenringes 4 ausgebildete Ringnut 10 bündig eingebettet.
Um den Außenring 4 aufzuspreizen, so dass er sich an die Innenumfangsfläche der diesen umgebenden Nabe anlegt und dass in der weiter vorne beschriebenen Weise ein Kupplungsvorgang eingeleitet wird, sind besondere Mittel vorgesehen, die im folgenden näher beschrieben werden.
An den die Schlitze 12a, 12b, 12c zwischen den Außenringsegmenten begrenzenden Endkanten sind jeweils seitliche Abschrägungen, beispielsweise einer ersten Stirnseite des Außenringes 4 zugeordnete Abschrägungen 14 und der anderen Stirnseite zugeordnete Abschrägungen 16 vorgesehen, an die zugeordnete Kugeln 18 bzw. 20 angedrückt werden können, so dass die Außenringsegmente 4a, 4b, 4c radial nach außen zur Anlage an die den Außenring 4 umgebende Nabe gedrückt werden.
Wie insbesondere 2 erkennen lässt, sind die Kugeln 20 zwischen den zugeordneten Abschrägungen und einem ersten stirnseitigen Bord 22 des Innenringes 2 gehalten. Die Kugeln 18 sind zwischen den zugeordneten Abschrägungen 14, 16 und einem zweiten stirnseitigen Bord 24 des Innenringes 2 angeordnet, werden in ihrer Stellung jedoch durch Drucknasen 26 gehalten, die durch in dem Bord 24 ausgebildete Aussparungen 28 hindurchgreifen und an einem Druckring 30 angeordnet sind, welcher mittels eines nicht dargestellten Stellantriebes in Richtung des Pfeils 32 zustellbar ist. Dabei werden die Kugeln 18 aktiv an die Abschrägung 14 gedrückt, während die Kugeln 20 Gegenlager bilden.
Wenn der Stellantrieb entlastet ist, dann nimmt der Außenring 4 seine nicht aufgespreizte, nicht an der Nabe anliegende Form an, so dass die Kupplung im Freilaufbetrieb arbeitet. Um den Außenring 4 aufzuspreizen, wird der Druckring 30 durch den Stellantrieb gesteuert in Richtung des Pfeils 32 zugestellt, so dass die Kugeln 18, 20 an die zugeordneten Abschrägungen 14, 16 angedrückt und der Außenring 4 aufgespreizt wird. Dabei erfüllen die Kugeln 18, 20 gleichzeitig die Funktion eines Axiallagers, so dass eine reibungsarme Verdrehung des Außenringes 4 gegenüber dem mit dem Innenring 2 drehverbundenen Druckring 30 möglich ist.
Die 3 und 4 zeigen eine Klemmrollenkupplung, die in ihrem wesentlichen Aufbau und in ihrer Funktion der Klemmrollenkupplung der 1 und 2 entspricht, und die sich von dieser lediglich in den Mitteln zum Aufspreizen des Außenringes 4 unterscheidet. Mit den Bauteilen aus den 1 und 2 übereinstimmende Bauteile sind, soweit für die Beschreibung erforderlich, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Mittel zum Aufspreizen des Außenringes 4 umfassen Keile 34 bzw. 36, die die Funktion der Kugeln 18 bzw. 20 aus den 1 und 2 übernehmen. Die Keile 34 sind an einem gemeinsamen Betätigungsring 38 und die Keile 36 an einem axial gegenüber liegenden gemeinsamen Betätigungsring 40 angeordnet. Wie insbesondere aus 4 hervorgeht, sind die Betätigungsringe 38 bzw. 40 im montierten Zustand jeweils zwischen den Borden 24 bzw. 22 des Innenringes 2 und den zugeordneten Stirnseiten des Außenringes 4 so angeordnet, dass die Keile 34 bzw. 36 sich an die Abschrägungen 14 bzw. 16 des Außenringes 4 anlegen.
An dem Bord 24 des Innenringes 2 sind wie im Beispiel der 1 und 2 Aussparungen 28 ausgebildet, durch die hindurch an einem Druckring 30 angeordnete Drucknasen 26 hindurchgreifen, die auf den Betätigungsring 38 drücken. Der Druckring 30 ist durch einen nicht dargestellten Stellantrieb in Richtung des Pfeils 32 axial zustellbar.
Wenn der Stellantrieb entlastet ist, wird kein Druck von den Keilen 34, 36 auf den Außenring 4 ausgeübt, so dass dieser durch die elastischen Spannmittel 8, d. h. die Drahtfeder in eine nicht aufgespreizte, nicht an der nicht dargestellten Nabe anliegende Form gespannt wird. In diesem Betriebszustand wirkt die Klemmrollenkupplung als Freilauf in beiden Drehrichtungen. Um die Klemmrollenkupplung zu kuppeln, wird der Druckring 30 in Richtung des Pfeils 32 axial zugestellt, die Keile 34, 36 werden an die Abschrägungen 14, 16 angedrückt und der Außenring 4 wird dadurch zunehmend aufgespreizt, so dass sich in der anhand der 1 und 2 beschriebenen Weise nach einer vorausgehenden Vorsynchronisierung eine Kupplungsverbindung zwischen Innenring und Nabe ergibt.
Die erfindungsgemäßen Kupplungen können demnach wahlweise in beiden Drehrichtungen im Freilaufbetrieb oder im Antriebsbetrieb arbeiten.

2: Innenring
3: Profilierung
4: Außenring
4a: Außenringsegment
4b: Außenringsegment
4c: Außenringsegment
5: Profilierung
6: Klemmrollen
8: Elastische Spannmittel
10: Ringnut
12: Schlitz
12a: Schlitz
12b: Schlitz
12c: Schlitz
14: Abschrägungen
16: Abschrägungen
18: Kugeln
20: Kugeln
22: Bord
24: Bord
26: Drucknasen
28: Aussparungen
30: Druckring
32: Pfeil
34: Keile
38: Betätigungsring
40: Betätigungsring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69816118 T2 [0005]
- US 2007/0029152 A1 [0007]

Claims

Schaltbare bidirektionale Klemmrollenkupplung, umfassend einen Innenring (2), einen geschlitzten, aufspreizbaren, in einer Nabe angeordneten Außenring (4), und zwischen Innenring und Außenring angeordnete Klemmrollen (6), die in zwischen Innenring und Außenring ausgebildeten Doppel-Klemmrampen geführt sind, sowie mit Mitteln, um ein Aufspreizen des Außenringes (4) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4) durch elastische Spannmittel (8) in eine nicht aufgespreizte, nicht an der Nabe anliegende Form vorgespannt ist, und dass mittels eines steuerbaren Stellantriebes betätigbare Mittel (Kugeln 18, 20; Keile 34, 36) zum gesteuerten Aufspreizen des Außenringes (4) vorgesehen sind.
Klemmrollenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4) mehrfach geschlitzt ist, derart, dass er mehrere gleiche Außenringsegmente (4a, 4b, 4c) bildet.
Klemmrollenkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (8) durch ein den Außenring (4) umgebendes elastisches Ringelement gebildet ist.
Klemmrollenkupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ringelement (8) durch eine Drahtfeder gebildet ist, die in eine in der Außenumfangsfläche des Außenringes (4) ausgebildete Ringnut (10) eingebettet ist.
Klemmrollenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufspreizen des Außenringes (4) jeweils in die Schlitze (12a, 12b, 12c) des Außenringes (4) eingreifende und in diese eindrückbare Spreizkörper (18, 20; 34, 36) umfassen.
Klemmrollenkupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizkörper (18, 20; 34, 36) seitlich axial an Abschrägungen (14, 16) der die Schlitze (12a, 12b, 12c) begrenzenden Endkanten des Außenringes (4) bzw. der Außenringsegmente (4a, 4b, 4c) andrückbar sind.
Klemmrollenkupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizkörper Kugeln (18) umfassen, die mittels eines mit dem Innenring (2) drehverbundenen, axial verstellbaren Druckringes (30) in den zugeordneten Schlitz (12a, 12b, 12c) drückbar sind.
Klemmrollenkupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizkörper jeweils an einem gemeinsamen Betätigungsring (38, 40) angeordnete Keile (34, 36) sind, wobei wenigstens einer der Betätigungsringe (38, 40) mittels eines mit dem Innenring (2) drehverbundenen, axial verstellbaren Druckringes (30) in Richtung zu den zugeordneten Schlitzen (12a, 12b, 12c) hin drückbar ist.
Klemmrollenkupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betätigungsring (38) einerseits und den Druckring (30) andererseits eine Materialpaarung mit einem niedrigen Reibungswert vorgesehen ist.