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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen eine bidirektionale Kupplung,
und genauer eine bidirektionale Kupplung mit gestaffelten Rollenelementen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
US-Patentschrift Nr. 6,409,001 (Kerr), die
hiermit durch Nennung so zur Gänze aufgenommen wird, als
ob sie hierin vollständig dargelegt würde, offenbart
eine multidirektionale Kupplung, die ein röhrenförmiges
Gleitelement, ein röhrenförmiges Element, einen
Laufring, und Rollenelemente, die in Kanälen angeordnet
sind, welche durch das röhrenförmige Gleitelement
und das röhrenförmige Element definiert sind,
umfasst. Ein Drehmoment, das auf das Element ausgeübt wird,
zwingt die Rollen, die Seitenwände der Kanaltaschen (oder
Vertiefungen) hoch zu rollen, was das Gleitelement zwingt, sich
radial auszudehnen, wodurch die auf das Gleitelement ausgeübte
radiale Kraft gegen den Laufring erhöht wird. Wenn mehr
Drehmoment auf das Element ausgeübt wird, werden das Gleitelement
und der Laufring an das Element drehgesperrt.
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Kerr
ist insofern beschränkt, als das röhrenförmige
Gleitelement und das röhrenförmige Element jeweils
eine Tasche für jede Rolle aufweisen. Taschen werden typischerweise
durch komplexes Formen oder Bearbeiten hergestellt, was beides teure Prozesse
sind. Daher besteht ein lange empfundener Bedarf an einer multidirektionalen
Kupplung mit weniger Taschen und gestaffelten Rollenelementen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Beispielhafte
Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung umfassen allgemein eine
Kupplung mit zumindest zwei konzentrischen Ringen, die jeweils eine
Umfangsfläche und eine Vertiefung aufweisen, und zumindest
zwei Rollenelementen. Die Rollenelemente sind jeweils in einem Kanal
angeordnet, der durch die Umfangsfläche eines der Ringe und
die Vertiefung eines anderen der Ringe gebildet ist. In einigen
beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung umfasst
die Kupplung ein Kupplungselement mit einer Lagerfläche,
umfasst zumindest einer der Ringe einen darin gebildeten Spalt,
und wird der Spaltring gegen die Lagerfläche gedrängt,
wenn eine relative Drehung zwischen den Ringen vorhanden ist. Das
Kupplungselement kann eine Welle oder ein Zahnrad sein.
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In
einigen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
weisen die Rollenelemente jeweilige Umfangsflächen auf,
die einander kontaktieren, wenn eine relative Drehung zwischen den
Ringen vorhanden ist. In einigen beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung reguliert eine relative Drehung der Ringe eine radiale
Position zumindest eines der Rollenelemente. Zum Beispiel kann ein
erstes der Rollenelemente radial einwärts reguliert werden,
und kann ein zweites der Rollenelemente radial auswärts reguliert
werden.
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Andere
beispielhafte Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung umfassen
allgemein eine Kupplung mit zumindest zwei konzentrischen Ringen und
zumindest zwei Rollen, die in einem radialen Raum zwischen den Ringen
angeordnet sind. Die Rollen sind auf einem ersten Drehmomentverlauf
angeordnet, der an einem ersten der Ringe beginnt, sich durch eine
erste der Rollen und eine zweite der Rollen erstreckt, und an einem
anderen der Ringe endet, wenn eine relative Drehung zwischen den
Ringen entlang einer ersten Richtung vorhanden ist. In einigen beispielhaften
Ausführungsformen weisen die Rollen jeweilige Umfangsflächen
auf, die miteinander in Kontakt stehen, wenn eine relative Drehung zwischen
den Ringen vorhanden ist.
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In
einigen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
ist eine dritte der Rollen auf einem zweiten Drehmomentverlauf angeordnet,
der am ersten Ring beginnt, sich durch die erste Rolle und die dritte
Rolle erstreckt, und am anderen Ring endet, wenn eine relative Drehung
zwischen den Ringen entlang einer zweiten, zur ersten Richtung entgegengesetzten
Richtung vorhanden ist.
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In
einigen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
weisen die Ringe Vertiefungen und Umfangsflächen auf, und
sind die Rollen in Kanälen angeordnet, die durch die Vertiefungen
und die Umfangsflächen gebildet sind. In einigen beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung weist zumindest einer der Ringe einen darin gebildeten
Spalt und eine Reibfläche auf und reguliert eine relative
Drehung der Ringe einen Radius der Reibfläche. Einige beispielhafte
Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Kupplungselement
mit einer Lagerfläche, wobei eine Regulierung des Radius
die Reibfläche und die Lagerfläche in Eingriff
bringt. Das Kupplungselement kann eine Welle oder ein Zahnrad sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung,
die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungsdarstellungen vorgenommen
wird, werden nun das Wesen und die Betriebsweise der vorliegenden
Erfindung ausführlicher beschrieben werden.
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1 ist
eine Detailschnittansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung, die ohne Rollen gezeigt ist.
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2 ist
eine Detailschnittansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung, die Rollen zeigt.
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3 ist
eine teilweise isometrische Ansicht der in 2 gezeigten
Kupplung.
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4 ist
eine Detailschnittansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung, die in einem ungesperrten Zustand gezeigt
ist.
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5 ist
eine Detailschnittansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung, die in einem gesperrten Zustand gezeigt
ist.
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6 ist
eine Detailschnittansicht des eingekreisten Bereichs 6 von 5.
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7 ist
eine isometrische Ansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eingangs
sollte verstanden werden, dass gleiche Zeichnungsnummern, die in
unterschiedlichen Zeichnungsansichten auftreten, identische oder funktional
gleiche bauliche Element identifizieren. Darüber hinaus
versteht sich, dass diese Erfindung nicht nur auf die bestimmten
Ausführungsformen, die bestimmte Methodologie, die bestimmten
Materialien und die bestimmten Abwandlungen, die hierin beschrieben
sind, beschränkt ist, und somit natürlich abweichen
kann. Es versteht sich auch, dass die hierin verwendete Terminologie
nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Gesichtspunkte dient und den
Umfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken soll.
Die Erfindung ist nur durch die beiliegenden Ansprüche
beschränkt.
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Sofern
nicht anders definiert weisen alle hierin verwendeten technischen
und wissenschaftlichen Ausdrücke die gleiche Bedeutung
auf, wie sie allgemein von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet,
zu dem diese Erfindung gehört, verstanden wird. Obwohl
bei der Ausführung oder Prüfung der Erfindung
alle beliebigen Verfahren, Vorrichtungen oder Materialien, die den
hierin beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, verwendet
werden können, werden nun die folgenden beispielhaften
Verfahren, Vorrichtungen und Materialien beschrieben.
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Die
folgende Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 vorgenommen. 1 ist
eine Detailschnittansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung, die ohne Rollen gezeigt ist. 2 ist
eine Detailansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften Gesichtspunkt
der Erfindung, die Rollen zeigt. 3 ist eine teilweise
isometrische Ansicht der in 2 gezeigten Kupplung.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Kupplung 10 Ringe 12 und 14. Die
Ringe 12 und 14 sind konzentrisch. Das heißt,
der Ring 12 und der Ring 14 umgeben jeweils eine
gemeinsame Mitte (nicht gezeigt). Der Ring 12 umfasst eine
Umfangsfläche 16 und eine Vertiefung 18.
Der Ring 14 umfasst eine Umfangsfläche 20 und eine
Vertiefung 22. Die Vertiefungen 18 und 22 können
zum Beispiel eine bogenförmige oder eingerollte Form aufweisen,
obwohl auch andere geeignete Formen eingesetzt werden können.
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Die
Kupplung 10 umfasst Rollen 24 und 26 (obwohl
diese in 1 zur Klarheit nicht gezeigt sind).
Die Rolle 24 ist in einem Kanal 28 angeordnet, der
durch die Umfangsfläche 16 des Rings 12 und
die Vertiefung 22 des Rings 14 gebildet ist. Die
Rolle 26 ist in einem Kanal 30 angeordnet, der
durch die Vertiefung 18 des Rings 12 und die Umfangsfläche 20 des
Rings 14 gebildet ist. Die Kanäle 28 und 30 erstrecken
sich parallel zu Mittelachsen (nicht gezeigt) der Rollen 24 bzw. 26 (3).
Obwohl zwei Ringe und eine bestimmte Anzahl an Rollen gezeigt sind,
ist der Umfang der Erfindung nicht nur auf diese Gestaltung beschränkt
und kann er, weit ausgelegt, alternativ unterschiedliche Zahlen
von Ringen und Rollen als die hier gezeigten und beschriebenen umfassen.
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Die
folgende Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 5 vorgenommen. 4 ist
eine Detailschnittansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung, die in einem ungesperrten Zustand gezeigt
ist. 5 ist eine Detailschnittansicht einer Kupplung
nach einem beispielhaften Gesichtspunkt der Erfindung, die in einem
gesperrten Zustand gezeigt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Kupplung 10 ferner ein Kupplungselement 32 wie etwa
eine Welle oder ein Zahnrad. Obwohl das Kupplungselement 32 radial
außerhalb der Ringe 12 und 14 angeordnet
gezeigt ist, ist der Umfang der Erfindung nicht nur auf diese Gestaltung
beschränkt und kann er, weit ausgelegt, alternativ ein
Element 32 umfassen, das radial innerhalb der Ringe 12 und 14 angeordnet
ist.
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Das
Element 32 umfasst eine Lagerfläche 34.
Der Ring 14 kann einen Spalt 36 (1)
umfassen. Das heißt, in einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist der Umfang 38 des Rings 14 am
Spalt 36 unterbrochen. Der Spalt 36 kann vollständig
durch den Ring 12 hindurch oder durch nur einen Teil davon
hindurch bereitgestellt sein. In einem ungesperrten Zustand (4)
sind die Rollen 24 und 26 in den Vertiefungen 22 bzw. 18 angeordnet.
Die Kanäle 28 und 30 stellen im ungesperrten Zustand
einen Zwischenraum zwischen den Ringen 12 und 14 und
den Rollen 24 und 26 bereit. Eine Fläche 40 des
Rings 12 ist mit der Lagerfläche 34 konzentrisch
und grenzt daran an. Die Flächen 34 und 40 stehen
in einem minimalen Reibkontakt, wenn die Rollen 24 und 26 in
den Vertiefungen 22 und 18 angeordnet sind, wodurch
eine relative Drehung des Rings 12 und des Elements 32 gestattet
wird. Wie nachstehend beschrieben wird die Fläche 40 in
einem gesperrten Zustand (5) gegen
die Fläche 34 gedrängt, wenn eine relative
Drehung zwischen den Ringen 12 und 14 vorhanden
ist (d. h., wenn zumindest ein Ring in Bezug auf den anderen gedreht wird).
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Die
folgende Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 7 vorgenommen. 6 ist
eine Detailschnittansicht des eingekreisten Bereichs 6 von 5. 7 ist
eine isometrische Ansicht einer Kupplung nach einem beispielhaften
Gesichtspunkt der Erfindung. Eine Drehung des Rings 12 in
die Richtung des Pfeils 42 reguliert die Rollen 24 und 26,
wodurch der Ring 12 und die Fläche 40 radial
verschoben werden. In einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung umfassen die Rollen 24 und 26 Umfangsflächen 44 bzw. 46,
und drängt eine Drehung des Rings 12 in die Richtung
des Pfeils 42 die Fläche 46 der Rolle 26 in
einen Kontakt mit der Fläche 44 der Rolle 24.
Eine Drehung des Rings 12 in die Richtung des Pfeils 42 drängt
die Rolle 26 in die Richtung des Pfeils 42, wenn
der Rand 48 der Vertiefung 18 mit der Umfangsfläche 46 der
Rolle 26 in Kontakt tritt. Die Fläche 46 tritt
wie oben beschrieben mit der Fläche 44 in Kontakt,
wodurch die Rolle 24 in die Richtung des Pfeils 42 gedrängt
wird, bis die Fläche 44 mit dem Rand 50 der
Vertiefung 22 in Kontakt tritt.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung bildet
jeweils eine der Rollen 24 und 26 ein Paar von
Rollen und umfasst die Kupplung 10 mehrere Rollenpaare.
Jedes Paar von Rollen ist in einem Paar von Kanälen – einer
teilweise durch eine einzelne Vertiefung am Ring 12 und
der andere teilweise durch eine einzelne Vertiefung am Ring 14 gebildet – angeordnet.
Das heißt, das Paar von Rollen ist in einem Paar von Vertiefungen
angeordnet. Die Rollenpaare weisen eine radial äußere
Vertiefung und eine radial innere Vertiefung auf, und die Zusammenwirkung
zwischen den Rollen und den Ringen wie auch zwischen den einzelnen
Rollen im Paar leitet die Drehung der Ringe wie nachstehend beschrieben
in eine radiale Verschiebung jeder Rolle im Paar um.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung reguliert
eine fortgesetzte Drehung des Rings 12 in die Richtung
des Pfeils 42 die radialen Positionen der Rollen 24 und 26.
Die Rolle 26 wird durch den Rand 48 der Vertiefung 18 radial
einwärts gedrängt, und die Rolle 24 wird
durch den Rand 50 der Vertiefung 22 radial auswärts
gedrängt. Die radialen Positionen der Rollen 24 und 26 werden
reguliert, bis der Zwischenraum zwischen den Rollen 24 und 26 und
den Ringen 12 und 14 beseitigt ist. Der Zwischenraum
ist beseitigt, wenn die Rolle 24 mit der Umfangsfläche 16 des
Rings 12 in Kontakt steht und die Rolle 26 mit
der Umfangsfläche 20 des Rings 14 in
Kontakt steht. Der Spalt 36 im Ring 12 gestattet, dass
sich der Ring 12 vom Kontakt mit den Rollen radial verschiebt.
Daher erhöht eine weitere Drehung des Rings 12 die
Reibung zwischen den Flächen 34 und 40,
um die Kupplung zu sperren.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Kupplung 10 die konzentrischen Ringe 12 und 14 und
die Rollen 24 und 26. Die Rollen 24 und 26 sind
in Räumen 28 bzw. 30 angeordnet. Wie
in 5 gezeigt werden die Rollen 24 und 26 bei
einer Drehung des Rings 12 in die Richtung des Pfeils 42 auf
einem ersten Drehmomentverlauf angeordnet, der am Ring 12 beginnt,
sich durch die Rolle 26 und die Rolle 24 erstreckt,
und am Ring 14 endet.
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Die
Rollen 24 und 26 umfassen jeweilige Umfangsflächen 44 und 46,
und die Rollenflächen 44 und 46 stehen
miteinander in Kontakt, wenn die Ringe 12 und 14 in
Bezug zueinander gedreht werden. Die Kupplung 10 kann zumindest
eine zusätzliche Rolle 52 umfassen (5).
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird
die Rolle 52 bei einer Drehung des Rings 12 in
die Richtung des Pfeils 54 (5), die
zur Richtung des Pfeils 42 entgegengesetzt ist, auf einem
zweiten Drehmomentverlauf angeordnet, der am Ring 12 beginnt,
sich durch die Rolle 26 und die Rolle 52 erstreckt,
und am Ring 14 endet. Das heißt, wenn der Ring 12 in
die Richtung des Pfeils 54 gedreht wird, bilden die Rollen 26 und 52 ein
Paar von Rollen und gilt die obige Besprechung der Rollenpaare.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst
der Ring 12 eine Vertiefung 18 und Umfangsflächen 16 und 56,
und umfasst der Ring 14 eine Umfangsfläche 20 und
Vertiefungen 22 und 58 (1). Der
Kanal 28 ist zwischen der Vertiefung 22 und der
gegenüberliegenden Fläche 16 gebildet;
der Kanal 30 ist zwischen der Vertiefung 18 und
der gegenüberliegenden Fläche 20 gebildet;
und ein Kanal 60 ist zwischen der Vertiefung 58 und
der gegenüberliegenden Fläche 56 gebildet.
Die Rollen 24, 26 und 52 (5)
sind in den Kanälen 28, 30 bzw. 60 (1)
angeordnet.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst
der Ring 12 den Spalt 36 und eine Reibfläche 38 (1),
und reguliert eine relative Drehung der Ringe 12 und 14 den
Radius 62 der Reibfläche 38. Die Kupplung 10 kann
ein Kupplungselement 32 mit einer Lagerfläche 34 (4)
umfassen, und eine Regulierung des Reibflächenradius 62 bringt
die Reibfläche 38 und die Lagerfläche 34 in
Eingriff. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung
ist das Kupplungselement 32 wie in 7 gezeigt
ein Zahnrad und umfasst die Regulierung des Reibflächenradius 62 das
Ausdehnen des Rings 12 und der Reibfläche 38 gegen
die Lagerfläche 34. In einer anderen beispielhaften
Ausführungsform der Erfindung (nicht gezeigt) umfasst der
Ring 14 den Spalt 36, ist das Kupplungselement 32 eine
Welle, die eine Lagerfläche 34 umfasst, welche
radial innerhalb des Rings 14 und der Reibfläche 38 angeordnet
ist, und umfasst die Regulierung des Radius 62 das Zusammenpressen
des Rings 14 und der Reibfläche 38 gegen
die Lagerfläche 34.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ermöglicht
die Kupplung 10 eine selektive Drehmomentübertragung
zwischen den Ringen 12 und 14 und dem Element 32.
Anwendungen für die Kupplung 10 umfassen Synchronisiereinrichtungen für
Fahrzeuggetriebe und Verteilergetriebe, und Zusatzantriebskupplungen
für Verbrennungsmotoren, doch ist der Umfang der Erfindung
nicht nur auf diese Anwendungen beschränkt und kann er,
weit ausgelegt, alternativ andere Anwendungen als die hierin gezeigten
und beschriebenen beinhalten.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird
durch einen reibenden Kontakt zwischen den Flächen 34 und 40,
wenn die Rollen in den Vertiefungen behalten werden (d. h., wenn
eine relative Drehung der Ringe beschränkt ist), ein minimales Drehmoment übertragen.
Das heißt, ein Drehmoment, welches über das minimale
Drehmoment, das durch den reibenden Kontakt übertragen
wird, hinausgeht, wird nicht zwischen den Ringen übertragen, sondern
verursacht statt dessen eine relative Drehung (oder einen Schlupf)
zwischen den Ringen 12 und 14 und dem Element 32.
Doch wenn sich die Rollen frei entlang der Vertiefungen bewegen
können (d. h., die relative Drehung der Ringe nicht beschränkt ist),
bringt die sich ergebende radiale Verschiebung die Flächen 34 und 40 fest
in Eingriff und wird das übermäßige Drehmoment
wie oben beschrieben vollständig durch die Rollen übertragen.
Daher kann die Kupplung als eine Kupplung wirken, um die Drehmomentübertragung
zwischen den Ringen 12 und 14 und dem Element 32 selektiv
in Eingriff zu bringen und zu lösen.
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Die
offenbarte Kupplung ist mit weniger Vertiefungen beschrieben, als
beim Stand der Technik vorhanden sind. Vertiefungen können
eine komplexe Formung oder Bearbeitung erfordern, um die Rampenaufbauten
zu erzeugen. Der Stand der Technik beschreibt zwei Vertiefungen
für jede Rolle, doch die hierin offenbarte erfinderische
Lösung setzt nur eine pro Rolle ein (obwohl mehr eingesetzt
werden können) und verringert die Menge der Vertiefungen
um zumindest die Hälfte, wodurch der Herstellungsprozess
vereinfacht wird.
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Natürlich
sollten Durchschnittsfachleuten leicht Veränderungen und
Abwandlungen an den obigen Beispielen der Erfindung klar werden,
ohne vom Geist oder Umfang der wie beanspruchten Erfindung abzuweichen.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte und/oder
beispielhafte Ausführungsformen beschrieben ist, ist klar, dass
Veränderungen vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang oder Geist der wie beanspruchten Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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