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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung mit einem ersten Kupplungsteil und einem zweiten Kupplungsteil, die jeweils um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind und die im eingekuppelten Zustand mittels einer Schiebemuffe formschlüssig miteinander gekoppelt sind.
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Eine derartige Kupplungsvorrichtung ist beispielsweise als Klauenkupplung ausgestaltet. Eine Klauenkupplung kann hydraulisch oder elektromotorisch betätigt werden. Bei einer hydraulischen Betätigung werden eine Pumpe zur Erzeugung des Hydraulikdrucks sowie schaltbare Ventile und Kolben zur Verschiebung der Klaue in beide Richtungen, also in den eingekuppelten und in den ausgekuppelten Zustand, benötigt. Bei einer elektromotorischen Betätigung sind zwar keine Hydraulikkomponenten, wie Verrohrungen und Hydraulikabdichtungen, erforderlich. Dafür werden aber ein Elektromotor sowie weitere mechanische Übertragungsglieder benötigt, um beispielsweise die Drehbewegung des Elektromotors in eine Linearbewegung zur Verschiebung der Kupplungsklaue in beide Richtungen zu überführen. Sowohl bei der hydraulischen als auch bei der elektromotorischen Betätigung wird zum Betrieb der Hydraulikpumpe bzw. des Elektromotors beträchtliche Energie benötigt, die gesondert zur Verfügung zu stellen ist. Außerdem haben die Komponenten bei den beschriebenen beiden Betätigungskonzepten ein beträchtliches Gewicht und einen ebenso nicht zu vernachlässigenden Platzbedarf. Letzterer beeinflusst die Ausgestaltung des Gehäuses, in dem die Kupplung untergebracht ist. Weiterer Aufwand ist für die Ansteuerung der Hydraulikpumpe bzw. des Elektromotors erforderlich.
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Aus der
DE 10 2009 054 942 A1 ist eine Schalteinrichtung für ein Zahnräderwechselgetriebe bekannt, welches eine auf einer Getriebewelle drehfest und axial verschiebbar angeordnete Schiebemuffe zur lösbaren Kopplung der Getriebewelle mit einem Losrad umfasst. Die Schiebemuffe hat einen Außenumfang, der mit mehreren Schaltnuten versehen ist. In die Schaltnuten können Schaltstifte von elektromagnetisch betätigbaren Stellmitteln eingreifen, um die Schiebemuffe in die Kopplungsposition oder in die Entkopplungsposition zu verschieben. Die eigentliche Kraft zur Verschiebung der Schiebemuffe wird dabei der Drehbewegung der Getriebewelle entnommen. Für das Verschieben in die Kopplungsposition und in die Entkopplungsposition sind jeweils zwei Schaltnuten sowie jeweils zwei zugehörige Stellmittel vorgesehen. Insgesamt hat die Schiebemuffe also vier Schaltnuten. Dementsprechend sind auch vier zugehörige Stellmittel vorhanden. Insbesondere letztere erhöhen das Gewicht und den Platzbedarf der Gesamtanordnung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Kupplungsvorrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei der die zur Betätigung zusätzlich zuzuführende Energie niedrig ist, und die außerdem ein geringes Gewicht sowie einen geringen Platzbedarf aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kupplungsvorrichtung entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei der Kupplungsvorrichtung mit einem ersten Kupplungsteil und einem zweiten Kupplungsteil, die jeweils um eine gemeinsame Drehachse gelagert sind und die im eingekuppelten Zustand mittels einer Schiebemuffe formschlüssig, insbesondere lösbar, miteinander gekoppelt, insbesondere verbunden, sind, handelt es sich um eine Einheit, bei der die Schiebemuffe drehfest und axial verschiebbar am ersten Kupplungsteil angebracht ist. Weiterhin ist eine Umfangsfläche der Schiebemuffe mit mindestens einer ersten Stufe versehen, die eine erste Stufenflanke hat und sich mit einem ersten Stufenverlauf an der Umfangsfläche der Schiebemuffe erstreckt, wobei der erste Stufenverlauf zumindest abschnittsweise zumindest auch eine axiale Richtungskomponente in Richtung der Drehachse aufweist. Außerdem ist ein radial zwischen einer Stellmittel-Kopplungsposition und einer ersten Stellmittel-Entkopplungsposition hin und her verschiebbares und ansonsten ortsfestes Stellmittel vorgesehen, wobei das Stellmittel während des Vorgangs zur Entkopplung der beiden Kupplungsteile in seiner ersten Stellmittel-Entkopplungsposition an der ersten Stufenflanke anliegt, so dass sich die Schiebemuffe bei einer Rotation des ersten Kupplungsteils axial vom zweiten Kupplungsteil weg in eine Muffen-Entkopplungsposition bewegt, in der das erste und das zweite Kupplungsteil mechanisch voneinander entkoppelt sind. Die Schiebemuffe ist weiterhin mittels einer axial wirkenden Feder abgestützt, so dass eine Federkraft der Feder die Schiebemuffe in einer das erste und das zweite Kupplungsteil mechanisch miteinander koppelnden Muffen-Kopplungsposition hält oder in diese Muffen-Kopplungsposition schiebt, wenn sich das Stellmittel in seiner Stellmittel-Kopplungsposition befindet.
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Die Schiebemuffe ist insbesondere zumindest bezüglich des zweiten Kupplungsteils, vorzugsweise aber bezüglich beider Kupplungsteile, axial verschiebbar. „Axial” bedeutet in diesem Zusammenhang eine Orientierung längs oder in Richtung der Drehachse. Dementsprechend bedeutet „radial” eine zur Drehachse senkrechte Orientierung und „tangential” eine Orientierung in Umfangsrichtung bezogen auf die Drehachse. Des Weiteren ist die Schiebmuffe bevorzugt koaxial zu, insbesondere auf, den Kupplungsteilen angeordnet. Somit bildet die gemeinsame Drehachse der Kupplungsteile auch die Drehachse der Schiebemuffe, wodurch ein sehr kompakter Aufbau der Kupplungsvorrichtung realisierbar ist.
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Der sich insbesondere zwischen einem Kopplungspunkt und einem Entkopplungspunkt erstreckende erste Stufenverlauf, der an der Umfangsfläche, insbesondere an der Außenumfangsfläche, der Schiebemuffe vorgesehen ist, hat neben der axialen Richtungskomponente insbesondere auch eine tangentiale Richtungskomponente. Dann wird bei einem Anliegen des Stellmittels an der ersten Stufenflanke eine Drehbewegung des ersten Kupplungsteils und der damit drehfest verbundenen Schiebemuffe gemäß einer gegebenen Schraubwirkung in eine Längsbewegung der Schiebemuffe umgesetzt. Die Energie für diese Schiebebewegung stammt dabei im Wesentlichen aus der Drehbewegung der beiden Kupplungsteile. Die Schiebemuffe wird dann axial vom zweiten Kupplungsteil abgezogen und in eine Muffen-Entkopplungsposition bewegt, in der die Kupplungsvorrichtung sich in ihrem ausgekuppelten Zustand befindet.
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Das Stellmittel ist insbesondere radial bezüglich der Drehachse verschiebbar und sowohl in axialer Richtung, als auch in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse ortsfest ausgeführt. D. h. das Stellmittel ist beispielsweise radial auf die Drehachse zu ausfahrbar, um seine Stellmittel-Entkopplungsposition einzunehmen und radial von der Drehachse weg einfahrbar, um seine Stellmittel-Kopplungsposition einzunehmen. Die Stellmittel-Kopplungsposition und Stellmittel-Entkopplungsposition liegen somit auf einer Linie, welche im Wesentlichen normal (orthogonal) zu der Drehachse verläuft.
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Die Entkopplungsbewegung der Schiebemuffe erfolgt insbesondere gegen die Kraftwirkung der Feder, mittels derer die Schiebemuffe axial insbesondere am ersten Kupplungsteil abgestützt ist. Die Schiebemuffe wird in der Muffen-Entkopplungsposition gehalten, so lange das Stellmittel an der ersten Stufenflanke anliegt. Wird das Stellmittel von der Stufenflanke wegbewegt und in seine Stellmittel-Kopplungsposition gebracht, wird die Schiebemuffe aufgrund der vorgespannten Feder axial zurück, d. h. auf das zweite Kupplungsteil zu, in die Muffen-Kopplungsposition bewegt, in der sich die Kupplungsvorrichtung dann wieder in ihrem eingekoppelten Zustand befindet.
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Für das Überführen der Schiebemuffe in den Kopplungszustand ist also vorteilhafterweise kein weiteres Stellmittel erforderlich. Die Rückführung in die Muffen-Kopplungsposition erfolgt ausschließlich über die Federkraftwirkung. Dadurch wird der für die Betätigung der Kupplungsvorrichtung erforderliche Komponenten- und Ansteuerungsaufwand reduziert. Gleichfalls sinkt der Platzbedarf, so dass die Kupplungsvorrichtung einfacher in das Kupplungsgehäuse eingebaut werden kann, oder sogar ein kleineres Kupplungsgehäuse verwendet werden kann. Damit kann die Kupplungsvorrichtung, bei der die Rückstellung der Schiebemuffe mittels Federkraft bewirkt wird, sehr kostengünstig hergestellt werden. Die Rückführung in den eingekuppelten Zustand ist praktisch immer möglich. So können die beiden Kupplungsteile dabei z. B. auch stillstehen, sich rückwärts und/oder sehr schnell drehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kupplungsvorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der die erste Stufe Teil einer ersten Nut ist, und die erste Stufenflanke eine erste Nutseitenwand der ersten Nut ist. Eine derartige Nut lässt sich sehr einfach in die Umfangsfläche der Schiebemuffe einbringen. Der Fertigungsaufwand hierfür ist niedrig.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat die Umfangsfläche der Schiebemuffe eine zweite Stufe mit einer zweiten Stufenflanke und mit einem zweiten Stufenverlauf, wobei der zweite Stufenverlauf im Wesentlichen nur eine tangentiale Richtungskomponente aufweist. Weiterhin mündet die erste Stufe in die zweite Stufe, insbesondere geht die erste Stufenflanke in die zweite Stufenflanke über. Außerdem liegt das Stellmittel im ausgekuppelten Zustand beider Kupplungsteile an der zweiten Stufenflanke an. Die erste Stufenflanke dient demnach also insbesondere dem eigentlichen Auskopplungsvorgang, wohingegen die zweite Stufenflanke vorzugsweise dazu vorgesehen ist, die Kupplungsvorrichtung in dem ausgekuppelten Zustand zu halten, so lange das Stellmittel an der zweiten Stufenflanke anliegt. Aufgrund der Trennung dieser beiden Funktionen können die beiden Stufenverläufe im Hinblick auf die jeweilige Aufgabenstellung optimiert werden. Grundsätzlich ist aber auch eine alternative Ausgestaltung möglich, bei der sowohl für den Auskopplungsvorgang als auch für das Halten im ausgekuppelten Zustand nur der erste Stufenverlauf vorgesehen ist.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung mündet die erste Stufe an ihren beiden Enden in die zweite Stufe. Es sind dann insbesondere zwei Einmündungsstellen der ersten Stufenflanke in die zweite Stufenflanke vorgesehen. Damit lassen sich die beiden Kupplungsteile unabhängig von der Drehrichtung voneinander entkoppeln.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die zweite Stufe Teil einer zweiten Nut und die zweite Stufenflanke ist eine zweite Nutseitenwand der zweiten Nut. Hier ergeben sich die gleichen Fertigungsvorteile, wie sie vorstehend bereits für die erste Nut beschrieben worden sind.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat die zweite Nut eine größere Nuttiefe als die erste Nut. Außerdem hat das Stellmittel eine insbesondere gegenüber der ersten Stellmittel-Entkopplungsposition weiter ausgefahrene zweite Stellmittel-Entkopplungsposition. Das Stellmittel befindet sich im ausgekuppelten Zustand beider Kupplungsteile in seiner zweiten Stellmittel-Entkopplungsposition und liegt an der die zweite Stufenflanke bildenden zweiten Nutseitenwand der tieferen zweiten Nut an. Aufgrund der unterschiedlichen Tiefe und den beiden Stellmittel-Entkopplungspositionen des Stellmittels können die zwei Stufenflanken gezielt entkoppelt werden. Insbesondere kann so verhindert werden, dass das Stellmittel nach Durchführung des Entkopplungsvorgangs wieder in eine Position an der ersten Stufenflanke zurückrutscht, die keiner vollständigen Entkopplung beider Kupplungsteile entspricht. Vielmehr erfolgt quasi ein „Einrasten” des Stellmittels an der zweiten Stufenflanke, sobald der ausgekuppelte Zustand erreicht ist. Die unterschiedlichen Nuttiefen sind aber nicht zwingend. Bei einer alternativen Ausgestaltung können beide Nuten auch die gleiche Tiefe aufweisen.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat die Umfangsfläche der Schiebemuffe zwischen der ersten Stufenflanke und der zweiten Stufenflanke eine einheitliche Umfangskontur. Insbesondere ist also das Material der Schiebemuffe in diesem Zwischenbereich vollflächig abgetragen. Es gibt dann in diesem Zwischenbereich, anders als bei einer Nutgeometrie, keine zusätzlichen Erhöhungen und Vertiefungen. Dadurch ist ein sehr sicheres Ansetzen des Stellmittels an der ersten Stufenflanke möglich. Außerdem wird ein Verklemmen des Stellmittels an weiteren Erhöhungen bzw. Vertiefungen vermieden. Gleiches gilt für Reibungsverluste, die ansonsten an weiteren Erhöhungen bzw. Vertiefungen auftreten könnten.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die zweite Stufe der Übergang von der Umfangsfläche zu einer axialen Stirnseite der Schiebemuffe. Die zweite Stufenflanke ist dann die axiale Stirnseite. Das Stellmittel liegt im ausgekuppelten Zustand an der axialen Stirnseite an, wodurch ein besonders sicheres Halten der Schiebemuffe in der Muffen-Entkopplungsposition gegeben ist. Die Umfangsfläche der Schiebemuffe zwischen der ersten Stufenflanke und der Kante zu der axialen Stirnseite kann dabei mit (Nutgeometrie für erste Stufenflanke) oder ohne (einheitliche Umfangskontur mit vollflächig abgetragenem Material) zusätzlicher Erhöhung ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat das Stellmittel wieder eine insbesondere gegenüber der ersten Stellmittel-Entkopplungsposition weiter ausgefahrene, zweite Stellmittel-Entkopplungsposition. Im ausgekuppelten Zustand beider Kupplungsteile liegt das Stellmittel dann mit seiner zweiten Stellmittel-Entkopplungsposition an der axialen Stirnseite der Schiebemuffe an. Es resultiert also ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung mit unterschiedlichen Nuttiefen das günstige „Einrasten” des Stellmittels an der axialen Stirnseite, wenn sich die Schiebemuffe in ihrer Muffen-Entkopplungsposition befindet. Grundsätzlich ist aber auch eine Ausgestaltung möglich, bei der die erste Stufenflanke Teil einer einzigen Nut ist, die in die axiale Stirnseite mündet. Bei dieser Ausgestaltung kann zwar ebenfalls eine weiter ausgefahrene zweite Stellmittel-Entkopplungsposition vorgesehen sein, um ein Anliegen an der axialen Stirnseite sicherzustellen. Dies ist dann aber nur optional. Ebenso gut kann das Stellmittel nur eine einzige Stellmittel-Entkopplungsposition haben, die dann sowohl beim Anliegen an der ersten Stufenflanke innerhalb der Nut als auch beim Anliegen an der axialen Stirnseite vorgesehen ist.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung ist die Feder am ersten Kupplungsteil abgestützt. Dadurch resultiert ein sehr kompakter Aufbau.
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Bei der vorgeschlagenen Kupplungsvorrichtung handelt es sich bevorzugt um eine Kupplungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Land-Kraftfahrzeugs, wie eines Automobils oder eines Lastkraftwagens. Ein Antriebsstrang eines solchen Kraftfahrzeugs verfügt in der Regel zumindest über einen Antriebsmotor, beispielsweise einen Verbrennungs- und/oder Elektromotor, sowie ein Gangwechselgetriebe, d. h. einem Getriebe durch welches zwischen mehreren Gängen (und damit Übersetzungen) des Getriebes (und damit des Antriebsstrangs) umgeschaltet werden kann, sowie über ein Verteilergetriebe, d. h. einem Quer- oder Längsverteilergetriebe durch welches ein Antriebsdrehmoment des Antriebsmotors zwischen mehreren Antriebsrädern bzw. Antriebsachsen des Antriebsstranges verteilbar ist. In derartigen Antriebsstranggetrieben steht in der Regel lediglich ein stark beengter Bauraum zur Verfügung. Durch den geringen Bauraumbedarf der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kupplungsvorrichtung eignet sich diese daher besonders zum Einsatz in einem solchen Getriebe, d. h. bei der Kupplungsvorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Kupplungsvorrichtung eines solchen Kraftfahrzeug-Antriebsstranggetriebes. Bei Verwendung der Kupplungsvorrichtung in einem Gangwechselgetriebe dient diese bevorzugterweise zum Ein- bzw. Auslegen eines oder mehrerer Gänge des Getriebes, während die Kupplungsvorrichtung bei Verwendung in einem Verteilergetriebe bevorzugterweise zum antriebstechnischen Koppeln und Entkoppeln zumindest einer der Antriebsachsen bzw. einer der Antriebsräder des Antriebsstranges dient.
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Die Kupplungsvorrichtung ist allerdings für eine Vielzahl weiterer Anwendungen geeignet. So eignet sich die Kupplungsvorrichtung auch zum Koppeln und Entkoppeln eines Aggregats, beispielsweise einer Kühlmittelpumpe, Kältemittelpumpe, Hydraulikpumpe, eines Stromgenerators, Kompressors, einer Seilwinde, eines land- oder forstwirtschaftlichen Geräts etc., an bzw. von einem Maschinenantriebsstrang oder dem obig genannten Kraftfahrzeugantriebsstrang.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 und 2 ein Ausführungsbeispiel einer Kupplungsvorrichtung mit zwei Kupplungsteilen, die mittels einer axial verschiebbaren Schiebemuffe drehfest miteinander koppelbar sind, im ausgekuppelten Zustand sowie im eingekuppelten Zustand,
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3 eine Draufsicht auf die mit zwei Stufen versehene Außenumfangsfläche der Schiebemuffe der Kupplungsvorrichtung gemäß 1 und 2,
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4 bis 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kupplungsvorrichtung mit zwei Kupplungsteilen, die mittels einer axial verschiebbaren Schiebemuffe drehfest miteinander koppelbar sind, in Darstellungen verschiedener Kupplungszustände,
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10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kupplungsvorrichtung mit zwei Kupplungsteilen, die mittels einer axial verschiebbaren Schiebemuffe drehfest miteinander koppelbar und in beiden Drehrichtungen entkoppelbar sind, und
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11 bis 16 Ausführungsbeispiele verschiedener Schiebemuffen zur Verwendung in Kupplungsvorrichtungen gemäß 1 bis 10.
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Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 16 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
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In 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Kupplungsvorrichtung 1 mit einem ersten Kupplungsteil 2 und einem zweiten Kupplungsteil 3 in einer Längsschnittdarstellung gezeigt. Bei der Kupplungsvorrichtung 1 kann es sich insbesondere um eine Klauenkupplung handeln. Die beiden Kupplungsteile 2 und 3 sind jeweils drehbar um eine gemeinsame Drehachse 4 gelagert. Sie können mittels einer axial, d. h. in Richtung der Drehachse 4, hin und her verschiebbaren Schiebemuffe 5 formschlüssig miteinander gekoppelt werden. Die Schiebmuffe 5 ist hierbei koaxial zu den Kupplungsteilen 2, 3 angeordnet, d. h. die Drehachse 4 der Kupplungsteile 2, 3 bildet gleichzeitig die Drehachse der Schiebemuffe 5, wodurch sich ein sehr kompakter Aufbau der Kupplungsvorrichtung 1 ergibt.
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Die Schiebemuffe 5 ist im Wesentlichen als hohlzylindrisches Bauteil ausgeführt, an dessen Innenumfangsfläche (in 1 und 2 zwecks einer übersichtlicheren Darstellung nicht gezeigte) Nuten und Stege vorgesehen sind, die einen Innenzahnkranz bilden, der mit hierzu korrespondierenden, in 1 und 2 ebenfalls nicht gezeigte Außenzahnkränzen an den beiden Kupplungsteilen 2 und 3 wechselwirkt. Die Nuten und Stege des Innenzahnkranzes der Schiebemuffe 5 greifen in die korrespondierenden Stege bzw. Nuten der Außenzahnkränze der beiden Kupplungsteile 2 und 3 ein, so dass eine formschlüssige drehfeste Verbindung zwischen der Schiebemuffe 5 und dem ersten bzw. zweiten Kupplungsteil 2 bzw. 3 gegeben ist. Die Verbindung ist aber zumindest in Bezug auf das zweite Kupplungsteil 3 lösbar. Insbesondere können die Nuten und Stege als Keil- oder Polygonprofile ausgeführt sein.
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Nicht dargestellt ist, dass zwischen der Schiebemuffe 5 und dem Kupplungsteil 3 bevorzugt auch Synchronisationsmittel, beispielsweise ein oder mehrere Synchronisationsringe, angeordnet sein können. Diese rufen beim Koppeln der Kupplungsteile 2, 3 zunächst einen drehzahlausgleichenden Reibschluss zwischen den Kupplungsteilen 2, 3 hervor, bevor die formschlüssige Verbindung zwischen diesen hergestellt wird.
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In dem in 1 dargestellten ent- oder ausgekoppelten Zustand kontaktiert die Schiebemuffe 5 nur das erste Kupplungsteil 2, wohingegen kein Kontakt zu dem zweiten Kupplungsteil 3 besteht. Die Schiebemuffe 5 befindet sich hier in ihrer Muffen-Entkopplungsposition. Demgegenüber kontaktiert die Schiebemuffe 5 bei dem in 2 dargestellten eingekuppelten Zustand beide Kupplungsteile 2 und 3, wodurch eine drehfeste Kopplung der beiden Kupplungsteile 2 und 3 resultiert. In diesem Zustand befindet sich die Schiebemuffe 5 in ihrer Muffen-Kopplungsposition.
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Die Schiebemuffe 5 ist mittels einer Feder 6 gegenüber einem an dem ersten Kupplungsteil 2 vorgesehenen Vorsprung 7 abgestützt. Im in 1 gezeigten ausgekuppelten Zustand ist die Feder 6 vorgespannt. Die Federkraft versucht die Schiebemuffe 5 axial in Richtung des zweiten Kupplungsteils 3 zurückzuschieben. D. h. die Federkraft der Feder 6 wirkt in Richtung des zweiten Kupplungsteils 3 auf die Schiebemuffe 5.
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Die axiale Verschiebung der Schiebemuffe 5 in die Muffen-Entkopplungsposition gemäß 1 erfolgt über ein Stellmittel 8, das im Ausführungsbeispiel als elektromagnetisch betätigbarer Aktuator mit einem in radialer Richtung zu der Schiebemuffe verschiebbaren Schaltstift 9 ausgebildet ist. Der Schaltstift 9 kann zwischen der in 1 gezeigten ausgefahrenen Stellmittel-Entkopplungsposition und der in 2 gezeigten eingefahrenen Stellmittel-Kopplungsposition hin und her bewegt werden. Andere Betätigungsarten des Schaltstiftes 9 sind jedoch möglich, insbesondere eine Federinduzierte, elektromotorische, hydraulische oder pneumatische Betätigung, d. h. Verschiebung des Schaltstiftes 9 in den ein- und/oder ausgefahrenen Zustand.
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Das Stellmittel 8 ist bevorzugt ortsfest an bzw. in einem hier nicht gezeigten Gehäuse angeordnet, innerhalb dessen die Kupplungsteile 2, 3 drehbar um die Drehachse 4 angeordnet sind. Bei dem Gehäuse kann es sich insbesondere um ein Getriebegehäuse handeln.
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In seiner Stellmittel-Entkopplungsposition greift der Schaltstift 9 in zwei Nuten 10 und 11 ein, die an einer Außenumfangsfläche 12 der Schiebemuffe 5 vorgesehen sind. Die Außenumfangsfläche 12 mit den beiden Nuten 10 und 11 ist in 3 in einer Draufsicht dargestellt. Jeweils eine Nutseitenwand der Nuten 10 und 11 bildet eine erste Stufe mit einer ersten Stufenflanke 13 bzw. eine zweite Stufe mit einer zweiten Stufenflanke 14. Der Schaltstift 9 liegt in seiner Stellmittel-Entkopplungsposition zunächst an der ersten Stufenflanke 13 und dann bei dem in 1 gezeigten vollständig ausgekuppelten Zustand an der zweiten Stufenflanke 14 an. Die erste Stufenflanke 13 hat einen Stufenverlauf mit einer axialen und einer tangentialen Richtungskomponente, wohingegen die zweite Stufenflanke 14 im Wesentlichen nur eine axiale Richtungskomponente aufweist. Die erste Stufenflanke 13 geht an einer Einmündungsstelle 15 in die zweite Stufenflanke 14 über.
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Befindet sich die Kupplungsvorrichtung 1 in ihrem eingekuppelten Zustand (siehe 2), ist der Schaltstift 9 in seiner zurückgefahrenen Stellmittel-Entkopplungsposition. Die beiden Kupplungsteile 2 und 3 sind dann mittels der Schiebemuffe 5 gekoppelt und drehen sich gemeinsam um die Drehachse 4. Um die Kupplungsvorrichtung 1 in den ausgekuppelten Zustand (siehe 1) zu überführen, wird der Schaltstift 9 in seine ausgefahrene Stellmittel-Entkopplungsposition gebracht, wobei er zunächst in die erste Nut 10 eingreift und an der ersten Stufenflanke 13 anliegt. Aufgrund der Drehbewegung der beiden Kupplungsteile 2 und 3 sowie der darauf drehfest angebrachten Schiebemuffe 5 bewegt sich der Schaltstift 9 in der ersten Nut 10 längs der ersten Stufenflanke 13 auf die Einmündungsstelle 15 zu, wobei die Schiebemuffe 5 aufgrund der Schraubwirkung axial gegen die Kraft der Feder 6 verschoben und vom zweiten Kupplungsteil 3 abgezogen wird. Sobald der Schaltstift 9 die Einmündungsstelle 15 erreich hat, ist dieser Entkopplungsvorgang abgeschlossen. Die beiden Kupplungsteile 2 und 3 sind dann nicht mehr mechanisch miteinander gekoppelt. Der Schaltstift 9 bleibt in seiner ausgefahrenen Stellmittel-Entkopplungsposition und liegt dann in der zweiten Nut 11 an der zweiten Stufenflanke 14 an. Falls es sich bei dem ersten Kupplungsteil 2 nicht um ein angetriebenes Wellenteil handelt, kommt die Drehbewegung des ersten Kupplungsteils 2 zum Stillstand. Dann liegt auch keine Gleitreibung zwischen dem Schaltstift 9 und der zweiten Stufenflanke 14 mehr vor.
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Um die Kupplungsvorrichtung 1 wieder in den eingekuppelten Zustand zu überführen, wird bevorzugterweise das erste Kupplungsteil 2 über eine in 1 und 2 nicht mit dargestellte Antriebseinheit in eine Drehbewegung versetzt. Wenn die Drehgeschwindigkeit des ersten Kupplungsteils 2 bevorzugt im Wesentlichen gleich der Drehbewegung des zweiten Kupplungsteils 3 ist, wird der Schaltstift 9 in seine eingefahrene Stellmittel-Kopplungsposition zurückgefahren. Dann schiebt die vorgespannte Feder 6 die Schiebemuffe 5 axial über das zweite Kupplungsteil 3 in die Muffen-Kopplungsposition, wodurch die mechanische Formschlusskopplung der beiden Kupplungsteile 2 und 3 wieder gegeben ist.
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Die Kupplungsvorrichtung 1 kommt für den Ent- und den Einkupplungsvorgang mit sehr wenigen Komponenten aus. Insbesondere die Einkupplung erfolgt lediglich im Wesentlichen über die vorgespannte Feder 6. Dadurch sinkt der Realisierungsaufwand. Das Gewicht und der Platzbedarf der Kupplungsvorrichtung 1 sind ebenfalls niedrig, so dass sich die Kupplungsvorrichtung 1 einfacher in ein nicht dargestelltes Kupplungsgehäuse integrieren lässt. Bei Bedarf kann das Kupplungsgehäuse auch entsprechend kleiner ausgeführt werden.
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In 4 bis 9 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer ähnlich aufgebauten Kupplungsvorrichtung 16 dargestellt. Auch diese Kupplungsvorrichtung 16 umfasst die beiden lösbar mittels einer wiederum axial verschiebbaren Schiebemuffe 17 formschlüssig miteinander zu koppelnden Kupplungsteile 2 und 3. Die Außenumfangsfläche 12 der Schiebemuffe 17 ist etwas anders ausgestaltet als bei der Schiebemuffe 5. Sie enthält keine Nuten, sondern lediglich eine erste Stufe 18 mit der ersten Stufenflanke 19 (siehe insbesondere 6 und 7). Der Verlauf der ersten Stufenflanke 19 hat auch eine axiale und eine tangentiale Richtungskomponente. Die erste Stufenflanke 19 mündet an der Einmündungsstelle 20 (siehe 4) in eine axiale Stirnseite 21 der Schiebemuffe 17.
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Der Bereich der Außenumfangsfläche 12 zwischen der ersten Stufenflanke 19 und der Kante zur axialen Stirnseite 21 hat eine einheitliche Umfangskontur. Er enthält insbesondere keine weiteren Erhöhungen und Vertiefungen, wie dies z. B. bei der Nutgeometrie gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schiebemuffe 5 der Fall ist.
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Im Folgenden wird die Wirkungsweise der Kopplungseinheit 16 anhand eines Zyklus mit einer Auskupplung und einer Einkupplung erläutert.
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Ausgehend von dem in 4 dargestellten eingekuppelten Zustand, bei dem sich der Schaltstift 9 des Stellmittels 8 in seiner zurückgefahrenen Stellmittel-Kopplungsposition befindet, wird der Schaltstift 9 zunächst in eine erste Stellmittel-Entkopplungsposition ausgefahren (siehe 5). Er kommt daraufhin an der ersten Stufenflanke 19 zur Anlage (siehe 6 und 7). Dies kann entweder sofort geschehen oder erst im Laufe der Drehbewegung der Schiebemuffe 17.
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Aufgrund der weiteren Drehbewegung der Schiebemuffe 17 bewegt sich der ausgefahrene Schaltstift 9 längs der ersten Stufenflanke 19, wobei die Schiebemuffe 17 axial in Richtung des in 7 mit eingetragenen Pfeils, d. h. von dem zweiten Kupplungsteil 3 weg, bewegt wird. Dies erfolgt wiederum gegen die Kraft der Feder 6 und setzt sich so lange fort, bis der Schaltstift 9 die Einmündungsstelle 20 und damit die axiale Stirnseite 21 erreicht hat. Der Schaltstift 9 bewegt sich dann in eine zweite Stellmittel-Entkopplungsposition, die gegenüber der ersten Stellmittel-Entkopplungsposition noch ein Stück weiter ausgefahren ist, und die in 8 dargestellt ist. In dieser zweiten Stellmittel-Entkopplungsposition liegt der Schaltstift 9 an der axialen Stirnseite 21 an, die folglich der zweiten Stufenflanke 14 der in 3 gezeigten Schiebemuffe 5 entspricht. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung 16 kann die Drehbewegung des ersten Kupplungsteils 2 in dem ausgekuppelten Zustand zum Stillstand kommen, wodurch keine Gleitreibung zwischen dem Schaltstift 9 und der axialen Stirnseite 21 mehr gegeben ist. Der Übergang des Schaltstifts 9 von seiner ersten Stellmittel-Entkopplungsposition in die weiter ausgefahrene zweite Stellmittel-Entkopplungsposition kann insbesondere mittels einer in den Figuren nicht näher gezeigten Feder erfolgen, die im Stellmittel 8 vorgesehen ist und den Schaltstift 9 nach aus dem Stellmittel 8 drückt, d. h. radial auf die Schiebemuffe 17 zu. Alternativ kann der Schaltstift auch elektromagnetisch, elektromotorisch, pneumatisch oder hydraulisch ein- und/oder ausgefahren werden.
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Zur Wiedereinkupplung der Kupplungsvorrichtung 16 erfolgt bevorzugt wiederum eine Beschleunigung des ersten Kupplungsteils 2 auf im Wesentlichen die Drehgeschwindigkeit des zweiten Kupplungsteils 3. Danach wird der Schaltstift 9 in seine zurückgefahrene Stellmittel-Kopplungsposition gebracht (siehe 9). Daraufhin wird die Schiebemuffe 17 durch die vorgespannte Feder 6 axial zurück auf das zweite Kupplungsteil 3 geschoben (siehe Pfeil in 9), so dass wieder der in 4 gezeigte eingekuppelte Zustand vorliegt.
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In 10 ist ein Ausführungsbeispiel einer weiteren Kupplungsvorrichtung 22 mit einer modifizierten Schiebemuffe 23 gezeigt. Letztere unterscheidet sich von der Schiebemuffe 17 durch die Ausgestaltung der ersten Stufenflanke 24, die an beiden Enden insbesondere stetig, d. h. stufenlos, in die axiale Stirnseite 21 mündet. Es gibt neben der Einmündungsstelle 20 also eine zweite Einmündungsstelle 25. Dadurch ist es möglich, die Kupplungsvorrichtung 22 in beiden Drehrichtungen zu betreiben, und vor allem ein- und auszukuppeln. Ansonsten unterscheidet sich die Wirkungsweise der Kupplungsvorrichtung 22 im Wesentlichen nicht von der derjenigen der vorher erläuterten Kupplungsvorrichtungen 1 und 16. Falls erforderlich können auch weitere der Einmündungsstellen vorgesehen sein, wodurch mittels der Kupplungsvorrichtung 22 mehrere Kuppel- und Entkuppelvorgänge innerhalb einer Umdrehung des Kupplungsteils 2 bzw. 3 möglich sind.
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In den 11 bis 16 sind in teilweiser Querschnittsdarstellung Ausführungsbeispiele verschiedener Schiebemuffen gezeigt, die jeweils bei den Kupplungsvorrichtungen 1, 16 und 22 zum Einsatz kommen können.
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In 11 ist ein Querschnitt durch die Schiebemuffe 5 gemäß 3 dargestellt. Die beiden Nuten 10 und 11 sind bei dieser Ausgestaltung gleich tief. Der Schaltstift 9 hat im Wechselspiel mit dieser Schiebemuffe 5 nur eine einzige Stellmittel-Entkopplungsposition.
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In dieser Hinsicht unterscheidet sich die in 12 gezeigte Schiebemuffe 26, deren Nuten 27 und 28 unterschiedlich tief sind. Der Schaltstift 9 liegt in der Nut 27 an der ersten Stufenflanke 29 und in der tieferen zweiten Nut 28 an der zweiten Stufenflanke 30 an. Bei dieser Ausgestaltung hat das Stellmittel 8 zwei Stellmittel-Entkopplungspositionen, um ein „Einrasten” des Schaltstifts 9 in der tieferen zweiten Nut 28 zu gewährleisten. Die Schiebemuffe 26 wird dann sicher in der Muffen-Entkopplungsposition gehalten.
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In 13 ist als Schiebemuffe 31 eine Variante der Schiebemuffe 26 dargestellt. Die Schiebemuffe 31 hat nur die zweite Nut 28. Dagegen ist der Bereich zwischen der ersten Stufenflanke 29 und der zweiten Stufenflanke 30 als einheitliche Umfangskontur 32 ausgestaltet, die anders als bei der Stufengeometrie gemäß 12 keine weitere Erhöhung, z. B. in Form der zweiten Nutseitenwand der ersten Nut 27, aufweist. Das Material ist im Gegensatz zur Ausführung nach 12 im Bereich der einheitlichen Umfangskontur 32 zwischen den beiden Stufenflanken 29 und 30 vollständig abgetragen.
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Gemäß einer weiteren in 14 abgebildeten Variante einer Schiebemuffe 33 ist auch der Bereich zwischen der zweiten Stufenflanke 30 und der axialen Stirnseite 21 als einheitliche Umfangskontur 34 mit vollständig abgetragenem Material ausgebildet.
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In 15 ist ein Querschnitt durch die Schiebemuffen 17 und 23 gemäß den 4 bis 9 bzw. 10 dargestellt.
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Eine Variante hierzu ist als Schiebemuffe 35 in 16 gezeigt. Sie enthält eine Nut 36, mit einer ersten Stufenflanke 37, die in die axiale Stirnseite 21 mündet. Bei den in den 15 und 16 im Querschnitt gezeigten Schiebemuffen 17, 23 und 35 bildet also die axiale Stirnseite 21 jeweils die zweite Stufenflanke, an der der Schaltstift 9 im vollständig ausgekoppelten Zustand der zugehörigen Kupplungsvorrichtung anliegt.
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Bei den in den vier vorangegangenen 11 bis 14 gezeigten Schiebemuffen 5, 26, 31 und 33 ist dagegen jeweils eine zweite Stufenflanke 14 bzw. 30 vorgesehen, an der der Schaltstift 9 im ausgekoppelten Zustand der jeweiligen Kupplungsvorrichtung anliegt.
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Grundsätzlich können die Stufenflanken eingängig oder mehrgängig auf dem Umfang der Schiebemuffe ausgeführt sein.
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Sämtliche vorstehend beschriebene Kupplungsvorrichtungen 1, 16 und 22 sowie Schiebemuffen 5, 17, 23, 26, 31, 33 und 35 lassen sich in Verbindung mit der vorteilhaften federkraftgestützten Rückführung in den eingekuppelten Zustand verwenden, so dass jeweils eine unter Gewichts-, Platzbedarfs- und Kosten-Gesichtspunkten äußerst günstige Lösung resultiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungsvorrichtung
- 2
- erstes Kupplungsteil
- 3
- zweites Kupplungsteil
- 4
- Drehachse
- 5
- Schiebemuffe
- 6
- Feder
- 7
- Vorsprung
- 8
- Stellmittel
- 9
- Schaltstift
- 10
- Nut
- 11
- Nut
- 12
- Außenumfangsfläche
- 13
- erste Stufenflanke
- 14
- zweite Stufenflanke
- 15
- Einmündungsstelle
- 16
- Kupplungsvorrichtung
- 17
- Schiebmuffe
- 18
- erste Stufe
- 19
- erste Stufenflanke
- 20
- Einmündungsstelle
- 21
- axiale Stirnseite
- 22
- Kupplungsvorrichtung
- 23
- Schiebemuffe
- 24
- erste Stufenflanke
- 25
- Einmündungsstelle
- 26
- Schiebemuffe
- 27
- erste Nut
- 28
- zweite Nut
- 29
- erste Stufenflanke
- 30
- zweite Stufenflanke
- 31
- Schiebemuffe
- 32
- einheitliche Umfangskontur
- 33
- Schiebemuffe
- 34
- einheitliche Umfangskontur
- 35
- Schiebemuffe
- 36
- Nut
- 37
- erste Stufenflanke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009054942 A1 [0003]
