DE102009008879A1

DE102009008879A1 - Zweiwegekupplung ohne Rollenelemente

Info

Publication number: DE102009008879A1
Application number: DE102009008879A
Authority: DE
Inventors: Brian Lee; Tomas Dr. Smetana
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-05-27
Also published as: US8202170B2; US20100126817A1

Abstract

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen allgemein mindestens zwei konzentrische Ringe mit komplementären Rampenflächen auf, wobei mindestens einer der Ringe bezüglich eines anderen der Ringe so drehbar ist, dass an den Rampenflächen ein Kontakt entsteht. Die komplementären Rampenflächen bilden jeweilige Umfänge der Ringe. Mindestens eine der Rampenflächen kann ein sinusförmiges Profil oder ein Profil haben, das mindestens eine gerade, konkave oder konvexe Linie oder mehrere davon bildet. In manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein erster der Ringe ein Kupplungsbauteil, und ein zweiter der Ringe ist ein rohrförmiges Gleitstück mit einer Reibfläche radial entgegengesetzt zur Rampenfläche. Das rohrförmige Gleitstück ist eingerichtet, um sich bei Kontakt mit dem Kupplungsbauteil radial auszudehnen oder zusammenzuziehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zweiwegekupplung, und spezifischer auf eine Zweiwege-Schaltkupplung ohne Rollenelemente.
Hintergrund der Erfindung
Das US Patent 6,409,001 (Kerr), auf das hiermit in seiner Gesamtheit Bezug genommen wird, als ob es hier ganz dargelegt wäre, offenbart eine Mehrwegekupplung, die ein rohrförmiges Gleitstück, ein rohrförmiges Bauteil, einen Laufring und Rollenelemente aufweist, die in einem Kanal angeordnet sind, der von dem rohrförmigen Gleitstück und dem rohrförmigen Bauteil gebildet wird. Ein an das Bauteil angewendetes Drehmoment zwingt die Rollen, an den Seitenwänden der Kanäle hoch zu rollen, was das Gleitstück zwingt, sich radial auszudehnen, wodurch die auf das Gleitstück gegen den Laufring ausgeübte radiale Kraft erhöht wird. Wenn mehr Drehmoment auf das Bauteil angewendet wird, werden das Gleitstück und der Laufring in Drehung am Bauteil verriegelt.
Kerr ist insofern begrenzt, als es Rollen aufweist. Rollen nehmen einen wertvollen radialen Raum in der Kupplung ein. Außerdem führen Rollen zu höheren Kosten. Daher gibt es seit langem einen Bedarf für eine Mehrwegekupplung ohne Rollenelemente.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung enthalten allgemein mindestens zwei konzentrische Ringe mit komplementäre Rampenflächen, wobei mindestens einer der Ringe bezüglich eines anderen der Ringe so drehbar ist, dass ein Kontakt an den Rampenflächen erfolgt. Die komplementären Rampenflächen erstrecken sich ausgehend von den jeweiligen Umfängen der Ringe. Mindestens eine der komplementären Rampenflächen kann ein sinusförmiges Profil, oder ein geradliniges, konkaves oder konvexes Profil haben.
In manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein erster der Ringe ein Kupplungsbauteil, und ein zweiter der Ringe ist ein rohrförmiges Gleitstück mit einer Reibungsfläche radial entgegengesetzt zur Rampenfläche. Das rohrförmige Gleitstück ist eingerichtet, um sich bei Kontakt mit dem Kupplungsbauteil radial auszudehnen oder zusammenzuziehen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert das Profil einen optimalen Stützwinkel, um die Kupplung zu verriegeln. In manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung enthält das rohrförmige Gleitstück mindestens einen axialen Schlitz, wobei der Schlitz variable Gleitstückdurchmesser ermöglicht.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung enthalten allgemein mindestens einen ersten Gleitring mit einem ersten Rampenprofil und mindestens einen zweiten Gleitring mit einem zweiten Rampenprofil. Das mindestens eine zweite Rampenprofil ist komplementär zum ersten Rampenprofil und eingerichtet, um mit diesem ineinanderzugreifen. Ein Umfang des ersten Gleitrings ist unterbrochen. In manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung bilden mindestens das erste Rampenprofil oder das zweite Rampenprofil oder beide mindestens eine Evolvente, einen Bogen oder eine Winkelneigung oder mehrere davon. In manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung justiert die relative Drehung zwischen dem ersten Gleitring und dem zweiten Gleitring den Umfang des ersten Gleitrings.
Manche Ausführungsbeispiele der Erfindung enthalten einen Reibring. In einem Ausführungsbeispiel führt die Justierung des Umfangs zum Eingreifen des ersten Gleitrings in den Reibring durch Vergrößerung des Umfangs, um den ersten Gleitring gegen einen Innendurchmesser des Reibrings auszudehnen. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung verringert die Justierung des Umfangs den Umfang, um den ersten Gleitring gegen einen Außendurchmesser des Reibrings zusammenzuziehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Beschaffenheit und die Betriebsweise der vorliegenden Erfindung wird nun in der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kupplungsaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Kupplungsaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3A ist eine Detailansicht des eingekreisten Bereichs 3 in 2, wobei aus Gründen der Klarheit ein radialer Zwischenraum zwischen den Ringen gezeigt ist.
3B ist eine Detailansicht des eingekreisten Bereichs 3 in 2 mit der Kupplung in einem Freilaufzustand.
3C ist eine Detailansicht des eingekreisten Bereichs 3 in 2 mit der Kupplung in einem verriegelten Zustand.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Kupplungsaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der innerhalb eines weiteren äußeren Ringe angeordnet ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Zu Beginn sollte verstanden werden, dass gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Zeichnungen verwendet werden, gleiche oder funktionell ähnliche Strukturelemente bezeichnen. Außerdem ist es klar, dass diese Erfindung nicht nur auf die besonderen Ausführungsformen, Methodik, Werkstoffe und Abänderungen beschränkt ist, die hier beschrieben sind und als solche natürlich variieren können. Es ist auch klar, dass die hier verwendete Terminologie nur der Beschreibung bestimmter Aspekte dient und nicht den Rahmen der vorliegenden Erfindung begrenzen soll, die nur durch die beiliegenden Ansprüche eingeschränkt wird.
Wenn nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie einem Durchschnittsfachmann des Gebiets der Erfindung allgemein geläufig sind. Obwohl alle Verfahren, Vorrichtungen oder Werkstoffe, die den hier beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, bei der Anwendung oder beim Testen der Erfindung verwendet werden können, werden nun die folgenden beispielhaften Verfahren, Vorrichtungen und Werkstoffe beschrieben.
Die folgende Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf 1. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kupplungsaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kupplung (auch als ”Slipperkupplung” bezeichnet) 10 enthält Ringe 12 und 14. Die Kupplung 10 kann auch optional einen Haltering 16 enthalten, obwohl dies in anderen Ausführungen nicht erforderlich ist. Nachdem der Ring 12 axial mit dem Ring 14 fluchtend ausgerichtet wurde, kann der Haltering 16 auf den Ring 12 aufgesetzt werden, um eine axiale Verschiebung des Rings 12 bezüglich des Rings 14 entlang der Achse 18 zu verhindern. Nach dem Einbau sind die Ringe 12 und 14 konzentrisch. Das heißt, die Ringe 12 und 14 haben eine gemeinsame Achse 18.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die 1 und 2. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Kupplungsaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ringe 12 und 14 enthalten Rampenflächen 20 bzw. 22, wobei die Fläche 20 eine Außenfläche des Rings 12 und die Fläche 22 eine Innenfläche des Rings 14 bildet, die eine vom Ring 14 geformte innere Bohrung auskleidet. Die Flächen 20 und 22 sind komplementär. Das heißt, die Rampenfläche 20 auf dem Ring 12 entspricht der Rampenfläche 22 auf dem Ring 14. Die Rampenfläche 20 kommt mit der Rampenfläche 22 in Kontakt, wenn der Ring 14 bezüglich des Rings 12 um die Achse 18 gedreht wird (oder umgekehrt). Das heißt, dass die Rampenflächen 20 und 22 miteinander in Kontakt kommen, wenn der Ring 14 bezüglich des Rings 12 gedreht wird (oder umgekehrt). In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erstrecken sich die Rampenflächen 20 und 22 um die Umfangsfläche der Ringe 12 bzw. 14.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf 3A. 3A ist eine Detailansicht des eingekreisten Bereichs 3 in 2, in der aus Gründen der Klarheit der radiale Zwischenraum 23 zwischen den Ringen gezeigt ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Rampenflächen 20 und 22 je ein sinusförmiges Profil. Obwohl sinusförmige Profile gezeigt sind, können die Profile 20 und 22 einen Scheitel bildende gerade Linien, Linien mit einer Winkelneigung, konkave und konvexe Bögen, Evolventen oder jede andere Bogenform sein, eine andere geeignete Form mit einem variierenden Radius haben oder eine beliebige Kombination von diesen sein. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Ring 12 ein Kupplungsbauteil, und der Ring 14 ist ein rohrförmiges Gleitstück mit einer äußeren Reibfläche 24 radial entgegengesetzt zur Rampenfläche 22.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die 3A–3C. 3B ist eine Detailansicht des eingekreisten Bereichs 3 in 2, mit der Kupplung 10 im Freilaufzustand gezeigt. 3C ist eine Detailansicht des eingekreisten Bereichs 3 in 2, mit der Kupplung 10 im verriegelten Zustand gezeigt. Das rohrförmige Gleitstück 14 ist eingerichtet, um sich beim Kontakt mit dem Kupplungsbauteil 12 radial auszudehnen. Zum Beispiel stellt 3B die Kupplung 10 im Freilaufzustand dar. Die Profile der Flächen 22 und 24, wie in 3B gezeigt, sind in Umfangsrichtung fluchtend angeordnet, so dass der Scheitel 25 des Profils 22 in der Mulde 27 des Profils 20 ruht. Anders gesagt, sind im Freilaufzustand die konkaven und konvexen Abschnitte des Profils der Fläche 20 bzw. die konvexen und konkaven Abschnitte des Profils der Fläche 22 fluchtend ausgerichtet, so dass der Außendurchmesser des Gleitstücks 14 (der von der Fläche 24 gebildet wird) sich in einem nicht in Eingriff stehenden oder zusammengezogenen (minimierten) Zustand befindet. In manchen Ausführungsformen der Erfindung (nicht dargestellt) verhindert ein Stift oder ein anderes Merkmal die relative Drehung des Gleitstücks 14 bezüglich des Bauteils 12, wodurch der Eingriff der Kupplung 10 verhindert wird.
3C stellt die Kupplung 10 in einem verriegelten Zustand dar. Der Ring 14 wird in Richtung des Pfeils 26 gedreht. Der Scheitel 25 der Rampenfläche 22 nähert sich dem Scheitel 29 der Rampenfläche 20, wodurch eine radiale Ausdehnung des Gleitstücks 14 verursacht wird, was zur Vergrößerung (Ausdehnung) des Durchmessers der Reibfläche 24 führt. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (nicht dargestellt) ist das rohrförmige Gleitstück 14 innerhalb des Kupplungsbauteils 12 angeordnet und eingerichtet, um sich beim Kontakt mit dem Kupplungsbauteil 12 radial zusammenzuziehen. Wenn der Ring 14 zum Beispiel in Richtung des Pfeils 26 dreht, nähert sich der Scheitel der Rampenfläche 22 dem Scheitel 29 der Rampenfläche 20, wodurch das Gleitstück 14 radial nach innen gezwungen wird, was zur Verringerung (zum Zusammenziehen) des Durchmessers einer inneren Reibfläche des Rings 14 führt.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf 4. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Kupplungsaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der sich innerhalb eines weiteren äußeren Rings 28 befindet. Die Kupplung 10 ist innerhalb des weiteren äußeren Rings 28 angeordnet, und eine relative Drehung des Rings 14 bezüglich des Rings 12 und die daraus entstehende Durchmesservergrößerung der Fläche 24 reibungsverriegelt die Kupplung 10 mit dem weiteren äußeren Ring 28.
Ebenfalls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Profile der Flächen 20 und 22 konfiguriert, um einen optimalen Stützwinkel zur Verriegelung der Kupplung zu liefern. Zum Beispiel kann ein sinusförmiges und/oder Rampenprofil gewählt werden, um eine von der Reibfläche 24 auf den Reibring 28 ausgeübte, radial nach außen gerichtete Kraft zu maximieren, während eine das Ausrücken der Kupplung 10 verhindernde Tendenz der Ringe 12 und 14, reibverriegelt zu werden, minimiert wird. Der Kontaktwinkel (oder Stützwinkel) zwischen den Flächen 20 und 22 der Ringe 12 bzw. 14 steuert die Drehkraftmenge, die in eine radiale Kraft umgelenkt wird, wenn die Ringe zueinander gedreht werden. Eine Reibung zwischen den Eingriffsflächen 20 und 22 kann dem Ausrücken der Kupplung 10 entgegenwirken, wenn die Reibungskraft zwischen den Eingriffsflächen höher ist als die Reibungskraft zwischen der Reibfläche 24 und einer Gegenumfangsfläche, zum Beispiel der Fläche 32 des Rings 28. Daher muss der Kontaktwinkel so gewählt werden, dass er flach genug ist, damit die Reibung von einer leichten Presspassung zwischen dem Reibring 28 und der Fläche 24 des Rings 14 ausreicht, um den Eingriff der Kupplung 10 zu beginnen, aber steil genug ist, um die Reibverriegelung der Flächen 20 und 22 zu verhindern, die das Ausrücken der Kupplung 10 verhindert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält das rohrförmige Gleitstück 14 einen axialen Schlitz 30, der variierende Gleitstückdurchmesser erlaubt. Die Slipperkupplung 10 enthält den Gleitring 14 mit der Rampenfläche 22. Die Schaltkupplung 10 weist weiter den Ring 12 mit der Rampenfläche 20 auf. Das Profil der Fläche 20 ist komplementär zu und in Eingriff mit der Rampenfläche 22. Der Umfang des Rings 14 ist zum Beispiel am Schlitz 30 (2) unter brochen. Eines der oder beide dieser Profile kann oder können eine Evolvente, ein Bogen oder eine Winkelneigung sein.
Im Betrieb justiert die Drehung des Gleitrings 14 bezüglich des Rings 12 (oder umgekehrt) den Umfang der Fläche 24 des Gleitrings 14. Die Slipperkupplung 10 kann auch optional den Reibring 28 enthalten, dessen innere Umfangsfläche 32 der Fläche 24 benachbart angeordnet ist. Wenn der Reibring 28 vorhanden ist, führt die Justierung der Fläche 24 in der obigen Weise zum Eingriff des Gleitrings 14 mit dem Reibring 28. Das heißt, die Justierung vergrößert den Umfang der Fläche 24, um den Gleitring 14 gegen die innere Umfangsfläche 32 des Reibrings 28 auszudehnen. In einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) der Erfindung ist der Reibring 28 innerhalb des Gleitrings 14 angeordnet, und die Justierung verringert den Umfang, um den Gleitring 14 gegen eine äußere Umfangsfläche des Reibrings 28 zusammenzuziehen.
Obwohl die obige Beschreibung den Gleitring 14 radial um den Ring 12 angeordnet beschrieben hat, ist der Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur auf diese Konfiguration beschränkt, und allgemein ausgelegt kann sie auch den Ring 14 radial innerhalb des Rings 12 angeordnet umfassen. In diesem Fall kann der Ring 14 sich radial zusammenziehen, um eine innere Umfangsfläche des Ring 14 am Reibring 28 zu verriegeln..
Die offenbarte Kupplung ist ohne Rollenelemente beschrieben. Rollen fügen Kosten hinzu und nehmen radialen Raum ein. Die Entfernung der Rollen reduziert die Herstellungs- und Einbaukosten und verbesserte die Lebensdauer der Bestandteile. Außerdem wird ein Kontaktradius zwischen dem Ring 12 und dem Gleitring 14 im Vergleich mit einem Kontaktradius zwischen einer Rolle und einem inneren Ring radial nach außen bewegt. Das heißt, für den gleichen Durchmesser der Fläche 24 des Gleitrings 14 muss ein Aufbau mit Rollen einen Kontaktradius zwischen dem Ring 14 und den Rollen radial nach innen bewegen, um Platz für den zusätzlichen radialen Raum zu schaffen, der vom Rollenkörper eingenommen wird. Da das Drehmoment eine Radiusfunktion ist, erlaubt der erfindungsgemäße Aufbau die gleiche Drehmomentübertragung mit geringeren Kräften.
Natürlich sind dem Durchschnittsfachmann Veränderungen und Abänderungen der obigen Beispiele der Erfindung, ohne den Rahmen der beanspruchten Erfindung zu verlassen, geläufig. Obwohl die Erfindung unter Bezug auf spezifische bevorzugte Ausführungen und/oder Ausführungsbeispiele beschrieben wird, ist es klar, dass Veränderungen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6409001 [0002]

Claims

Eine Kupplung, die aufweist: mindestens zwei konzentrische Ringe mit komplementären Rampenflächen, wobei mindestens einer der Ringe bezüglich eines anderen der Ringe drehbar ist, so dass an den Rampenflächen ein Kontakt entsteht.
Kupplung nach Anspruch 1, wobei die komplementären Rampenflächen jeweilige Umfänge der Ringe bilden.
Kupplung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Rampenflächen ein sinusförmiges Profil hat.
Kupplung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Rampenflächen ein Profil hat, das mindestens eine gerade, konkave oder konvexe Linie oder mehrere davon bildet.
Kupplung nach Anspruch 2, wobei ein erster der Ringe ein Kupplungsbauteil und ein zweiter der Ringe ein rohrförmiges Gleitstück mit einer Reibfläche radial entgegengesetzt zur Rampenfläche ist, wobei das rohrförmige Gleitstück eingerichtet ist, um sich beim Kontakt mit dem Kupplungsbauteil radial auszudehnen oder zusammenzuziehen.
Kupplung nach Anspruch 3, wobei das Profil einen optimalen Stützwinkel liefert, um die Kupplung zu verriegeln.
Kupplung nach Anspruch 5, wobei das rohrförmige Gleitstück mindestens einen axialen Schlitz aufweist, wobei der Schlitz variable Gleitstückdurchmesser ermöglicht.
Slipperkupplungsvorrichtung, die aufweist: mindestens einen ersten Gleitring, der ein erstes Rampenprofil aufweist; und mindestens einen zweiten Gleitring, der ein zweites Rampenprofil aufweist, wobei das zweite Rampenprofil komplementär zum ersten Rampenprofil und eingerichtet ist, um mit ihm in Eingriff zu kommen; wobei ein Umfang des ersten Gleitrings unterbrochen ist.
Slipperkupplungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei mindestens das erste Rampenprofil oder das zweite Rampenprofil oder beide mindestens eine Evolvente, einen Bogen oder eine Winkelneigung oder mehrere davon bildet.
Slipperkupplungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die relative Drehung zwischen dem ersten Gleitring und dem zweiten Gleitring den Umfang des ersten Gleitrings justiert.
Slipperkupplungsvorrichtung nach Anspruch 10, die weiter einen Reibring aufweist, wobei die Justierung des Umfangs den ersten Gleitring mit dem Reibring in Eingriff bringt.
Slipperkupplungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Justierung den Umfang vergrößert, um den ersten Gleitring gegen einen inneren Durchmesser des Reibrings auszudehnen.
Slippervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Justierung den Umfang verringert, um den ersten Gleitring gegen einen Außendurchmesser des Reibrings zusammenzuziehen.