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Die Erfindung betrifft eine Schaltkupplung für eine formschlüssige Drehmomentübertragung, welche unter einer beliebigen Drehstellung der beiden Kupplungsseiten zueinander das entsprechende Drehmoment hydraulisch oder pneumatisch betätigt überträgt.
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Aus dem Stand der Technik sind Schaltkupplungen in vielfältiger Form und Ausführung bekannt, die auf reibschlüssiger Basis ein Drehmoment übertragen und elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden.
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Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt die Druckschrift
DE 103 00 491 A1 „Sicherheitsgurt-Arretiervorrichtung”, die eine formschlüssige Übertragung von Momenten wie hierin eines Sperrmoments beschreibt.
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Reibschlüssige Kupplungsverbindungen basieren auf einem Anpressdruck auf die Reibelemente oder Lamellen, deren maßgebliche kritische Auslegungsgröße die zulässige Flächenpressung der Reibelemente darstellt.
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Um hierzu eine Alternative insbesondere im Maschinenbau jedoch ebenso für den Einsatz in der Fahrzeugtechnik zur Verfügung zu haben, wird erfindungsgemäß als Lösung eine Schaltkupplung vorgeschlagen, die auf formschlüssiger Basis das Drehmoment überträgt.
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Diese erfindungsgemäße Lösung einer derartigen Schaltkupplung beruht im Kern auf der Anwendung eines speziellen Verzahnungssystems zur Kopplung von Momenten nach Patentschrift
DE 103 00 491 bzw. Druckschrift
DE 103 00 491 A1 .
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Die zunächst folgende Beschreibung bezieht sich auf den Aufbau einer solchen Schaltkupplung, welcher insoweit das zugrunde liegende spezielle Verzahnungssystem nach Patentschrift
DE 103 00 491 (
DE 103 00 491 A1 ) integriert.
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Die Beschreibung der identisch übernommenen speziellen Verzahnungsverhältnisse nach Patentschrift
DE 103 00 491 (
DE 103 00 491 A1 ) erfolgt anhand der zugehörigen Zeichnungen weiter anschließend.
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Die Zeichnungen 3 und 4 zeigen den Aufbau der formschlüssigen Schaltkupplung mit den folgenden bezeichneten Teilen:
1 Welle; 2 Innenring; 3 Kopplungs-Segment; 4 Verzahnung; 5 Segmentschaft; 6 Formringaufnahme; 7 Druckfeder; 8 Antriebsflansch; 9 Segmentaufsatz; 10 Kugelrollelement; 11 Hubscheibe; 12 Ringzylinder; 13 Ringkolben; 14 Lagerring; 15 Gegenring; 16 Dichtungselement; 17 Fixierungsflansch; 18 Verdrehsicherung; 19 Wälzlagerung.
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3 zeigt die Kupplung im eingeschalteten bzw. eingerückten Zustand und das Kopplungssegment 3 befindet sich im Eingriff mit der Verzahnung 4, welche konzentrisch mit dem Innenring 2 verbunden ist.
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Das zugrunde liegende spezielle Verzahnungssystem bedingt jedoch, wie ergänzend aus dem Schnittverlauf -C- der 4 hervorgeht, den gleichzeitigen Eingriff von stets zwei nebeneinander liegenden Kopplungssegmenten 3 als Segmentepaar, die somit gemeinsam sich im Eingriff mit der Verzahnung 4 befinden und das Drehmoment übertragen, jeweils eines in der betreffenden Drehrichtung.
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Eine Formringaufnahme 6 nimmt in ihre am Umfang entsprechend angeordneten Aufnahmebohrungen die entsprechende Anzahl der Segmentschäfte 5 auf, in deren Ausdrehungen wiederum die Druckfedern 7 geführt aufgenommen werden.
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Die Druckfedern 7 sind rückseitig gegen den Antriebsflansch 8 abgestützt und befinden sich somit unter einem für die Funktion erforderlichen, je nach Baugröße abgestimmten Vorspannungs-Andruck von im Beispiel etwa 50 N. Unter diesem Andruck befindet sich mithin ebenso jedes Kopplungs-Segment 3 im Eingriff mit der Verzahnung 4.
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Die Kopplungs-Segmente 3 werden für eine präzise Führung, insbesondere zur seitlichen Abstützung der aus der Drehmomentübertragung resultierenden Kräfte, speziell in der Formringaufnahme 6 aufgenommen.
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Wird die Kupplung ausgeschaltet und der Kopplungseingriff gelöst, so wird das Kopplungs-Segment 3 respektive das Segmentepaar, über den Hub -H- von mindestens dem Betrag des Zahneingriffs zuzüglich einem Freispiel, aus dem Eingriff mit der Verzahnung 4 gebracht.
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Dies wird ausgeführt mittels der Hubscheibe 11, befestigt am Ringkolben 13, welche somit gegen die Kugelrollelemente 10 anfährt und weiter alle Kopplungs-Segmente 3 bis zu einem internen Anschlag insgesamt zurückfährt.
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Alle Kopplungs-Segmente 3, die entgegen dem im Eingriff befindlichen Segmentepaar zuvor nicht in den Eingriff gekommen sind, gelangen nach dem vorliegenden systematischen Verzahnungssystem in eine Druckanlage bzw. Überdeckungsstellung an der Verzahnung 4.
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Wird die Kupplung wieder eingeschaltet, fährt die Hubscheibe 11 aus der vorgefahrenen Hubstellung wieder zurück. Die Summe der Vorspannungskraft aller Druckfedern 7, die somit entsprechenden Andruck auf die Hubscheibe 11 ausüben, bestimmt dabei in Verbindung mit der Beschleunigung des einfahrenden Ringkolbens 13 den beschleunigten Eingriff des betreffenden Kopplungs-Segmentes 3 bzw. des Segmentepaares.
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Die Kugelrollelemente 10, aufgenommen im Segmentaufsatz 9, werden im eingeschalteten Zustand infolge des Freispiels der Hubscheibe 11 nicht mit Andruck belastet und sind in dieser Stellung somit nicht mitdrehend. Ein Abrollvorgang auf der feststehenden Hubscheibe 11 liegt daher nur während der Hubausführung sowie in Ausschaltstellung vor; gegebenenfalls sodann nur so lange, wie diese ausgerückte Kupplungsseite sich auslaufend dreht.
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Alternativ können anstelle der Kugelrollelemente 10 auch entsprechend in Abrollrichtung ausgerichtete Abrolllager als Wälzlager eingesetzt werden, deren spezielle Laufflächen optimiert von der Mitte ausgehend zu beiden Seiten abfallend leicht abgerundet sind.
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Am Ringzylinder 12 befestigt befindet sich ein Fixierungsflansch 17, der beispielsweise Verbindung zu einem Chassis hat, welcher der Positionierung dieser hydraulischen oder pneumatischen Betätigungseinheit dient, die über ihre Wälzlagerung 19 auf der Welle 1 entsprechend gelagert bzw. angeordnet ist.
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Eine Aktivierung der Kupplung kann Prozessor-gesteuert ebenso im Lauf erfolgen, so dass in Abhängigkeit von der Relativdrehung der Kupplungsseiten, wie etwa während einer Hochlaufphase oder entsprechenden Drehzahländerung, ein Timing erfolgt für eine Aktivierung zu einem Zeitpunkt, wenn die Relativdrehung sich in den Grenzen dem Wert -0- nähert. Entsprechende digitale Drehzahlsensoren können zu diesem Zweck für die Signalbereitstellung jeweils an den Kupplungsseiten installiert werden.
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Weiter anschließend folgt die Beschreibung der systematischen Verzahnungsverhältnisse nach
DE 103 00 491 (A1) , die in Funktion und Aufbau identisch übernommen werden mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen:
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1 zeigt die unveränderte Schnittlage -A- aus der Abwicklung der systematischen Verzahnung. Diese Abwicklung wird unverändert dargestellt mit 2a–e. Die Bezeichnung für das Kopplungs-Segment 3 (Sperrsegment 3) sowie für die Verzahnung 4 (Verzahnungsring) werden somit beibehalten.
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Dieser systematischen Verzahnung nach Patentschrift
DE 103 00 491 liegt somit zu anfangs eine Aufteilung mit 7 Segmentpaaren (a = 7) und dementsprechend mit 14 Segmenten zugrunde, welche jedoch entsprechend variiert werden kann; beispielsweise mit 5 Segmentpaaren (a = 5) und somit 10 Segmenten, wie dieses anschließend zu den Vorteilen der Erfindung noch näher erläutert hervorgeht.
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Die Verzahnung von Kopplungs-Segment 3 und die der Verzahnung 4 (Verzahnungsring) sind für ein systematisches Zusammenwirken so ausgelegt, dass in jeder möglichen Drehstellung zumindest sofort eines – in der Grenzstellung (2a) zwei – der Kopplungs-Segmente 3 bei Freigabe durch die Hubscheibe 11 (Einschaltung) zum Eingriff kommt und die Kopplung erfolgt. Die Übertragung des Drehmomentes wird daher zuverlässig auf formschlüssigem Wege und auf engstem Raum gewährleistet.
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Die Kopplungs-Segmente 3, die in einer Einschaltstellung nicht zum Eingriff kommen und eine Überdeckungsstellung (2a) an der Verzahnung 4 einnehmen, werden durch die Vorspannung der Druckfedern 7 zur Druckanlage gebracht; wie in der vorausgegangenen Beschreibung zu 3 und 4 bereits näher ausgeführt wurde.
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Der überdeckungsfrei Eingriff eines – oder in Grenzstellung zweier – Kopplungs-Segmente 3 wird ermöglicht, idem die entsprechende Anzahl dieser Segmente über den Umfang derart verteilt angeordnet ist, dass in der dargestellten „Grenzstellung” der beiden eingreifenden Kopplungs-Segmente 3 (2a) symmetrisch von dem einen sowie von dem anderen Segment ausgehend in beiden Drehrichtungen die weiteren Segmente um ein „Restspiel” -s- versetzt zueinander angeordnet sind.
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Dieses Spiel -s- ist für die entsprechende Funktion in beiden ablaufenden Richtungen mithin von entscheidender Bedeutung, wie aus der fortlaufenden Darstellung der gesamten Abwicklung aller hier im Beispiel vorliegender Kopplungs-Segmente 3 von 1 bis 14 ersichtlich und nachvollziehbar wird. (2a–e)
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Dieses erforderliche „Restspiel” bedingt eine entsprechende restliche Drehung, wenn nur ein Kopplungs-Segment 3 und nicht wie im „Grenzfall” ein Paar zum Eingriff kommt, deren Auswirkung jedoch nicht mehr als nur etwa ein Grad Restdrehung betragen muss; wie im vorliegenden Beispiel mit max. 0,7° angegeben, und ist für die Praxis nur von marginaler Bedeutung.
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Besonders hervorzuheben ist hierbei jedoch, dass in der Grenzstellung beide benachbarten Kopplungs-Segmente 3 als Segmentepaar sich unmittelbar im Eingriff befinden und es bleibt dabei kein Restspiel.
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Jegliche Weiterdrehung in die eine oder andere Richtung lässt entweder das eine entsprechende benachbarte Segment mit größerem Spielraum für einen Eingriff frei werden, oder eben entsprechend das andere benachbarte Segment bei der anderen Drehrichtung, wie dies aus der dargestellten Abwicklung ersichtlich und nachvollziehbar wird.
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Die sogenannte Grenzstellung zweier stets nebeneinander liegender Kopplungs-Segmente 3 als Segmentepaar bewegt bzw. dreht sich somit fortlaufend bei der entsprechenden Relativdrehung einer Kupplungsseite, wobei einer 360°-Sequenz der Umfangsweg einer Teilung -T- an der Verzahnung 4 entspricht.
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Anzumerken ist insbesondere, dass zwar immer sofort zumindest ein Kopplungs-Segment 3 in beliebiger Drehstellung für den Eingriff überdeckungsfrei bereitsteht, jedoch anschließend das zweite benachbarte, mehr oder weniger in Überdeckung stehende Segment, bei je nach Lage geringfügig möglicher Weiterdrehung (Restspiel -s-), ebenso in den Eingriff kommt und das Restspiel damit aufgehoben wird.
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Dies kann in der Wirkung noch eine Unterstützung erfahren, indem entsprechende Einführungsschrägen, wie andeutungsweise mit Winkel α dargestellt, an den Zahnflanken angearbeitet werden.
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Nähere Ausbildungen dieser Einführungsschrägen zeigen hierzu 2f und 2g, und zwar mit einer sinnvollen Fasenbreite, die dem Betrag von -s- entspricht, sowie in 2g mit ebenso möglicher Fasenbreite von 1,5 s und vorzugsweise im Winkel von α = 45° (30°).
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Die Auslegung lässt sich durch variierte Wahl des Restspiels -s-, der Segmentpaar-Anzahl -a-, im vorliegenden Beispiel a = 7, etc. in den Dimensionen unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit verändern sowie anpassen.
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Dieser Aufbau ermöglicht eine variierte Auslegung, indem die Anzahl der Kopplungssegmente 3 sowie die Anzahl der an diesen vorgesehenen Zahneingriffe den Erfordernissen entsprechend angepasst werden kann.
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Vorteile der Erfindung und Erläuterung:
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Das dargestellte auf
DE 103 00 491 (A1) bezogene und übernommene Beispiel wurde für eine sehr geringe jedoch in der Praxis unbedeutende Restdrehung von nur etwa 0,7° (vor anschließender Grenzstellung mit stets 0°) ausgelegt.
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Weiter wurde hierzu ein Restspiel s = 0,40 mm bei a = 7 Segmentpaaren (Segment 1 und 2 als Segmentepaar im Eingriff) entsprechend 14 Segmenten mit dementsprechender Teilung T = 2,80 mm gewählt. (T = a·s)
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Die mit den Zeichnungen vorliegende systematische Abwicklung der Verzahnungsverhältnisse ermöglicht ein Auszählen aller Teilungen -T-, wie in diesem dargestellten Beispiel ermittelbar mit der Gesamtanzahl A = 86 (Z = 43), womit der Außenumfang (A·T) und daraus der Verzahnungsaußendurchmesser, im Beispiel mit Dz = 76,68 mm, bestimmbar wird sowie alle weiteren für eine Fertigung relevanten Abmessungen damit vorliegen.
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Eine daraus ableitbare Gleichung mit Dz = 4a2s(zS + 1/2a)/π ermöglicht die Vorausbestimmung des Außendurchmessers variierter Verzahnungen sowie die Bestimmung der weiteren Abmessungen vorzunehmen.
(-a- Anzahl-Kopplungssegmentpaare; -s- Spiel bzw. Restspiel; -zS- Zähnezahl/Segment)
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Ein voraussichtlich sinnvolles Restspiel bzw. ein damit verbundener Verzahnungsaußendurchmesser lässt sich z. B. vorteilhaft durch eine entsprechend variierte Auslegung wählen:
Beispielsweise mit einem Restspiel s = 0,70 mm (oder s = 0,90 mm; s = 1,00 mm) bei a = 5 Kopplungssegmentpaaren mit 10 Kopplungssegmenten, sowie mit der dementsprechenden Teilung T = 3,50 mm (T = 4,50 mm; T = 5,00 mm) und zS = 3 Zahneingriffe/Kopplungssegment. Hierzu ergibt der Verzahnungsaußendurchmesser Dz = 69,11 mm (Dz = 88,85 mm; Dz = 98,73 mm).
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Die mit Winkel -α- gekennzeichneten Einführungsschrägen können vorteilhaft mit einer Fasenbreite ausgeführt werden, die im Betrag dem Spiel (Restspiel) -s- oder auch 1,5 s entspricht, in einem Fasenwinkel von vorzugsweise α = 45°. (2g)
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In den meisten Fällen wird bei einer Aktivierung nicht sofort ein kompletter Eingriff eines Kopplungssegmentpaares in Grenzstellung vorliegen. Daher gelangen die betreffenden Kopplungssegmente, die sich neben dem bereits eingreifenden Kopplungssegment auf beiden Seiten befinden, auf den Fasenflächen sich abstützend mehr oder weniger in eine Überdeckungsstellung, wie im weiteren Verlauf aus 2g hervorgeht.
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Bei in der Praxis auftretender äußerst geringfügiger Drehung einer Kupplungshälfte gemäß dem Spiel -s-, werden diese Kopplungssegmente zwangsläufig auf den entsprechend geneigten Fasenflächen gleitend sich verschieben, auf der einen Seite nach innen und gleichzeitig auf der anderen gegenüberliegenden Seite nach außen gerichtet, bis eine Grenzstellung zweier Kopplungssegmente unter seitlicher Flankenanlage erreicht ist.
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Für die Anwendung ist es jedoch von ausschlaggebender Bedeutung, dass – bei dem zugrunde liegenden speziellen Verzahnungssystem, in beliebiger Drehstellung unmittelbar ein Kopplungssegment bereits in den tragenden Eingriff gelangt. Praktische Versuche können außerdem erst ergeben, inwieweit weitere wie auch noch größer gewählte Einführungswinkel für ein Gleiten in die Grenzstellung von Vorteil sein wird.
