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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Freilauf-Einwegkupplung, wie beispielsweise eine Bremse oder Kupplung, deren Ein- und Ausrückzustände selektiv gesteuert werden können.
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Automatische Getriebe setzen hydraulisch betätigte Kupplungen und Bremsen ein, um den Kraftfluss zu steuern und den Betriebsgang festzulegen. Eine Einwegkupplung überträgt Drehmoment in einer Richtung, während sie in der entgegengesetzten Richtung frei läuft. Eine Einwegkupplung mit wählbarem Freilauf kann in beiden Richtungen frei laufen, und sie kann so gesteuert werden, dass sie im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn oder in beiden Richtungen sperrt. Elektromagnetische Kupplungen verwenden Elektromagnetismus zum Betätigen des Sperrelements oder Druckfingers, im Gegensatz zu hydraulischem Druck, einer mechanischen Verbindung oder Zentrifugalkraft.
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Einwegkupplungen umfassen typischerweise zwei Laufringe und ein Sperrelement, manchmal auch Druckfinger oder Kipphebel genannt. Bei dem Sperrelement oder Druckfinger handelt es sich um eine bewegliche Komponente, die sich zwischen den Laufringen verkeilt und Drehmoment in einer Richtung überträgt. Wenn das Drehmoment umgekehrt wird, „zieht“ oder dreht sich das Sperrelement aus der Sperrposition. Ein Laufring (die Taschenplatte) nimmt das Sperrelement auf und kann entweder drehbar oder unbeweglich sein. Der andere Laufring (die Nockenplatte) enthält Merkmale, um mit dem Sperrelement zu interagieren und Drehmoment zu übertragen. Dieser Laufring kann ebenfalls entweder drehbar oder unbeweglich sein.
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Bei einer elektromagnetischen Einwegkupplung wird das Sperrelement durch die Verwendung von Elektromagnetismus gesteuert. Wenn Strom an einen Spulenleiter angelegt wird, wird ein Elektromagnet erregt, um das Sperrelement entweder ein- oder auszurücken.
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Um korrekt zu funktionieren, erfordern elektromagnetische Einwegkupplungen einen Spalt zwischen dem Sperrelement und den Magnetpolen, um eine Kraft zu erzeugen, die notwendig ist, um das Sperrelement oder den Kipphebel zu betätigen. Wenn die Spule erregt wird, muss sich der Kipphebel eine bestimmte Distanz drehen, um den Eingriffszustand zu ändern. Diese Drehung schließt den Spalt zwischen dem Kipphebel und den Polen der Spule. Folglich ist der Spalt zwischen den Polen und dem Kipphebel vor der Erregung am größten. Um die Größe der Spule zu minimieren, ist es vorteilhaft, diesen Spalt zu steuern.
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Es wird häufig magnetisch undurchlässiges Material verwendet, um Magnetflussstreuung zu verhindern, aber wenn sich zu viel magnetischer Fluss durch den Laufring streut, statt den Spalt zum Kipphebel zu überspringen, reicht die Größe der erzeugten Kraft möglicherweise nicht aus, um den Kipphebel zu verschieben.
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Es ist wünschenswert, die Spule einer elektromagnetischen Kupplung so nah wie möglich am Sperrelement anzuordnen. Dadurch wird die Spule jedoch in den Bereich des Laufrings versetzt, der die meiste Kraft und Biegung aufnimmt, wodurch Beschädigung der Spule riskiert wird. Ein Verlegen der Spule an eine sicherere Stelle gefährdet jedoch die Magnetflusserzeugung.
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Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Kupplungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine Einwegkupplung umfasst eine Nockenplatte mit Nocken, eine Taschenplatte mit Taschen, Druckfinger, die sich in einer der Taschen befinden, und einen Elektromagneten, um einen der Druckfinger mit einem der Nocken in Eingriff zu bringen, umfassend eine Spule, einen Kern und Pole, die sich von der Spule zum Druckfinger erstrecken, wobei ein Spalt zwischen den Polen und der Taschenplatte größer als ein Spalt zwischen den Polen und dem Druckfinger ist.
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Da die Taschenplatte statisch ist und sich ein Elektromagnet auf der Taschenplatte befindet und direkt auf den Druckfinger wirkt, (i) werden Dynamikprobleme in Verbindung mit dem Aufweisen eines Druckfingers und einer Feder, die lose in einer Tasche enthalten ist, die mit hoher Geschwindigkeit eine Mittellinie umkreist, beseitigt, was zu einer bedeutenden Verbesserung der Zuverlässigkeit der OWC führt; (ii) kann das Sperrelement entweder in die Einrück- oder Ausrückposition gesteuert werden, wobei, wenn der Elektromagnet auf dem mit Nocken versehenen Laufring wäre, der Druckfinger nur zum Einrücken gesteuert werden könnte; und (iii) können, statt eine Spule mit großem Durchmesser zu haben, sehr kleine Spulen gewickelt werden, wodurch bedeutende Einsparungen an Kosten, Material, Gewicht und Packungsraum erreicht werden sowie eine Verbesserung der Zuverlässigkeit bereitgestellt wird. Wenn nur eine Spule verwendet und diese ausfallen würde, würde die Baueinheit nicht funktionieren. Wenn mehrere kleine Spulen verwendet würden und eine ausfallen würde, ergäbe sich eine eingeschränkte Funktionsfähigkeit.
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Der Anwendungsbereich der bevorzugten Ausführungsform ist aus der folgenden ausführlichen Beschreibung sowie den Ansprüchen und Zeichnungen ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele lediglich Veranschaulichungszwecken dienen, auch wenn sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Für Fachleute sind verschiedene Änderungen und Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen zu erkennen.
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Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
- 1 eine Vorderansicht einer OWC mit wählbarem Freilauf ist, wobei die Ringe axial ausgerichtet sind;
- 2 eine perspektivische Seitenansicht der OWC mit wählbarem Freilauf von 1 ist;
- 3 eine perspektivische Ansicht der Elektromagneten, der zweiten Druckfinger und der zweiten Taschenplatte der OWC mit wählbarem Freilauf von 1 ist;
- 4 eine Seitenansicht ist, welche die zweiten Druckfinger und Spulen in die zweite Taschenplatte eingebaut darstellt;
- 5 eine Seitenansicht ist, die einen ausgerückten Druckfinger und sein Hebelverhältnis darstellt;
- 6 eine perspektivische Ansicht ist, welche die Pole darstellt, die sich radial innenliegend von der Spule zu einem ausgerückten Druckfinger erstrecken;
- 7 eine Seitenansicht ist, die einen ausgerückten Druckfinger darstellt, der infolge der Kraft einer Feder seinen Anschlag berührt; und
- 8 eine perspektivische Ansicht ist, welche den Magnetflussverlauf von einem der Pole durch das Sperrelement und zum gegenüberliegenden Pol darstellt.
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Die OWB mit wählbarem Freilauf 10, die in 1, 2 und 3 dargestellt ist, umfasst eine radiale äußere erste Nockenplatte 12; eine erste Taschenplatte 14; eine radiale innere zweite Nockenplatte 16 und eine radiale innere zweite Taschenplatte 18. Ein Leitungsrahmen 20 ist entfernt, um drei Spulen 24 von Elektromagneten und drei zweiten Druckfingern 26 zu zeigen. Die Platten 12, 14, 16, 18 sind mit einer Achse 22 ausgerichtet.
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Die radiale Außenfläche der ersten Nockenplatte 12 ist mit Keilzähnen 28 ausgebildet, durch welche die Nockenplatte 12 gegen Drehung an einer unbeweglichen Komponente einer Getriebebaugruppe, vorzugsweise an einem Getriebegehäuse, gesichert wird. Ähnlich ist die radiale Innenfläche der ersten Taschenplatte 14 mit Keilzähnen 30 ausgebildet, durch welche die Taschenplatte 14 an einem Reaktionsträger eines Getrieberadsatzes gesichert wird. Der Reaktionsträger überträgt Drehmoment auf die OWB 10, was bewirkt, dass sich die Unterbaugruppe der ersten Taschenplatte 14 und der zweiten Nockenplatte 16 dreht.
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Die erste Taschenplatte 14 trägt Druckfinger 32, wobei jeder Druckfinger durch eine jeweilige Feder 34 gezwungen wird, sich radial nach außen in Eingriff mit einem der Nocken 36 auf der ersten Nockenplatte 12 zu drehen, um dadurch die erste Taschenplatte 14 und die erste Nockenplatte 12 antriebsmäßig zu verbinden und die Nockenplatte 12 gegen Drehung festzuhalten. Eine Rückhalteplatte 21, die sich zwischen einer axialen Fläche der Taschenplatte 14 und einer axialen Fläche der zweiten Nockenplatte 16 befindet, verhindert eine Behinderung der Druckfinger 32. Zentrifugalkraft, die an jedem der Druckfinger 32 erzeugt wird, überwindet die Kraft an der Feder verringert wird. Die erste Nockenplatte 12 muss ein vollständiger Kreis sein, da die erste Taschenplatte 14 in jeder Winkelposition zu drehen aufhören kann.
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Die erste Nockenplatte 12, die erste Taschenplatte 14 und die Druckfinger 32 umfassen eine erste Antriebskupplung, in diesem Falle eine Einwegbremse, welche sperrt oder einrückt, wenn sich die erste Taschenplatte in Bezug auf die erste Nockenplatte im Uhrzeigersinn dreht (wenn betrachtet, wie in 1 dargestellt), und frei läuft, wenn sich die erste Taschenplatte in Bezug auf die erste Nockenplatte gegen den Uhrzeigersinn dreht (wenn betrachtet, wie in 1 dargestellt).
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Die Innenfläche der zweiten Nockenplatte 16 ist mit inneren Keilzähnen 38 ausgebildet, die mit äußeren Keilzähnen 39 auf der Außenfläche der ersten Taschenplatte 14 in Eingriff stehen.
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Die zweite Taschenplatte 18 ist an die erste Nockenplatte 12 geschraubt, welche gegen Drehung fixiert ist. Eine Rückhalteplatte 40 verbindet die gegenüberliegenden Enden der zweiten Taschenplatte 18. Jeder der zweiten Druckfinger 26 wird drehbar auf der zweiten Taschenplatte 18 getragen. Eine Feder 42, vorzugsweise eine Schraubenfeder, an jeder Taschenstelle zwingt den jeweiligen Druckfinger 26, sich radial nach außen von den Nocken 44 auf der zweiten Nockenplatte 16 weg zu drehen, um dadurch eine Antriebsverbindung zwischen der zweiten Nockenplatte 16 und der zweiten Taschenplatte 18 zu öffnen.
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Die zweite Nockenplatte 16, die zweite Taschenplatte 18 und die Druckfinger 26 umfassen eine zweite Antriebskupplung, ebenfalls eine Einwegbremse, welche sperrt oder einrückt, wenn sich die erste Taschenplatte 14 in Bezug auf die erste Nockenplatte gegen den Uhrzeigersinn dreht (wenn betrachtet, wie in 1 dargestellt) und den Spulen 24 elektrischer Strom zugeführt wird, und frei läuft, wenn sich die erste Taschenplatte in Bezug auf die erste Taschenplatte 14 im Uhrzeigersinn dreht (wenn betrachtet, wie in 1 dargestellt).
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Wenn in Betrieb jeder Spule 24 der Elektromagneten elektrischer Strom zugeführt wird, bewirkt das Magnetfeld, das durch den jeweiligen Druckfinger 26 übertragen wird, dass sich der Druckfinger radial nach innen zu den Nocken 44 dreht, um dadurch eine Antriebsverbindung zwischen der zweiten Nockenplatte 16 und der zweiten Taschenplatte 18 zu schließen. Wenn mindestens einer der Druckfinger 26 in einen der Nocken 44 eingreift, wird die zweite Nockenplatte durch die Druckfinger 26, die zweite Taschenplatte 18 und die erste Nockenplatte 12 gegen Drehung fixiert.
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Wenn die Spulen entregt werden und die Federn 42 die zweiten Druckfinger 26 aus dem Eingriff mit den Nocken 44 drehen, berührt jeder zweite Druckfinger einen Abstandsbolzen oder Anschlag 46, der auf einer radialen Fläche der zweiten Taschenplatte 18 getragen wird. Vorzugsweise ist der Anschlag aus einem Kunststoff oder einem anderen Material mit verhältnismäßig geringer magnetischer Durchlässigkeit.
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Da die Spulen 24, welche Elektromagneten erzeugen, mit elektrischem Strom versorgt werden, müssen sie in der zweiten Taschenplatte 18 sein, welche ein statischer Laufring ist. Da Magnetfluss die Druckfinger 26 in Eingriff mit der zweiten Taschenplatte 18, d.h. dem statischen Laufring, zwingt, ist Unwucht kein Problem, und die Taschenplatte 18 kann eine Form aufweisen, die kein vollständiger Kreis ist.
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4 stellt einen der zweiten Druckfinger 26 in einer in der zweiten Taschenplatte 18 ausgebildeten Tasche 50 angeordnet dar, wobei der Druckfinger infolge der Wirkungen von Schwerkraft und der durch die Feder 42 erzeugten Kraft Fs aus den Nocken 44 der zweiten Nockenplatte 16 und dem Kontaktanschlag 46 ausgerückt ist. Die Drehung der Baugruppe 14 bis 16 in Freilaufrichtung für den Druckfinger 26 zwingt den Druckfinger 26 ebenfalls auszurücken. Jede Feder 42 befindet sich in einer zylindrischen Aussparung 52, die in der Platte 18 ausgebildet ist. Jede Tasche 50 ist mit einer konkaven zylindrischen Fläche 54 ausgebildet, auf welcher sich eine komplementäre konvexe Fläche der Druckfinger 26 dreht. Jede Tasche 50 ist außerdem mit einer konkaven zylindrischen Fläche 56 ausgebildet, welche Bewegung des Druckfingers 26 führt und seine radiale Bewegung begrenzt.
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Wenn der Spule 24 elektrischer Strom zugeführt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt, derart dass seine Magnetfluss- oder magnetischen Induktionslinien zwischen den gegenüberliegenden Polen 60, 61 und entlang der axialen Breite des Druckfingers 26 infolge seiner hohen magnetischen Durchlässigkeit verlaufen. Das Magnetfeld erzeugt eine verteilte Kraft Fm auf den Druckfinger 26 und induziert magnetisch ein Drehmoment auf den Druckfinger, welches bewirkt, dass sich der Druckfinger auf der Fläche 54 im Uhrzeigersinn und in Eingriff mit den Nocken 44 der zweiten Nockenplatte 16 dreht. 1 stellt einen der Druckfinger 26 in Eingriff mit einem der Nocken 44 und zwei Druckfinger aus den Nocken 44 und den Kontaktanschlägen 46 ausgerückt dar.
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Die Fläche 54 übt eine Kraft Fg auf den Druckfinger 26 am Drehpunkt aus, und die Fläche 56 übt eine Kraft Fp auf den Druckfinger aus.
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Eine Getriebesteuerung öffnet und schließt eine Verbindung zwischen einer elektrischen Stromquelle und den Spulen 24, da keine Zentrifugalkraft verwendet wird, um die Druckfinger 26 in Eingriff mit der zweiten Nockenplatte 16 zu drehen.
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Die zweite Taschenplatte 18 erstreckt sich entlang eines Kreisbogens von weniger als 360 Grad. Radiale Linien, die von der Achse 22 zu den Winkelendpunkten der zweiten Taschenplatte 18 gezogen sind, bilden einen eingeschlossenen Winkel, dessen Größe etwa 75 Grad beträgt. Die zweite Taschenplatte 18 ist groß genug, um die notwendige Anzahl von Druckfingern 26 zu enthalten, um dadurch die Kosten und das Gewicht des Laufrings zu reduzieren und den im Getriebe erforderlichen Raum zu minimieren.
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4 veranschaulicht Vektoren, welche Kräfte darstellen, die auf einen der zweiten Druckfinger 26 ausgeübt werden, wobei Fs die Kraft der Feder 42 ist, Fm die magnetische Kraft ist, die vorhanden ist, wenn der Elektromagnet erregt wird, Fc eine Kraft ist, die an der Kontaktfläche 56 ausgeübt wird, Fg Schwerkraft infolge der Masse des Druckfingers 26 ist, ps eine Kraft ist, die an der Drehfläche 54 ausgeübt wird, wenn der Elektromagnet entregt wird, und pm eine Kraft ist, die an der Drehfläche 54 ausgeübt wird, wenn der Elektromagnet erregt wird.
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Wie 5 bis 8 veranschaulichen, befindet sich das Sperrelement oder der Druckfinger 26 auf der unbeweglichen, zweiten Taschenplatte 18, um dadurch zu ermöglichen, dass ein Elektromagnet direkt auf das Sperrelement wirkt, statt den Elektromagneten auf der zweiten Nockenplatte 16 anzuordnen, wo jeder Nocken 44 als ein Pol fungiert, um die Sperrelemente 26 anzuziehen.
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Um die notwendige Drehverschiebung am Ende 66 der Sperrelemente 26, das in die Nocken 44 eingreift, bei gleichzeitiger Minimierung des Spalts 70 zu erreichen, ist das Sperrelement mit einem Hebelverhältnis konzipiert. Wenn, wie in 5 dargestellt, der Abstand B vom Drehmittelpunkt 62 der Fläche 54 auf den Sperrelementen 26 zum Mittelpunkt 64 der Fläche 56 eine Einheit ist, beträgt der Abstand C vom Mittelpunkt 64 zum Ende 66 vier Einheiten. Diese Hebelwirkung ermöglicht eine maximale Verschiebung am Ende 66 bei gleichzeitiger Minimierung des Spalts vor der Betätigung.
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Materialien, die magnetisch durchlässig sind, können zu übermäßiger Magnetflussstreuung führen, die zu Funktionsverlust führt. 6 zeigt, dass die Pole 60, 61 die Form eines Hufeisens mit Armen aufweisen, die sich von einem im Wesentlich vertikalen Kern, welcher durch die Spule 24 oder den elektrisch leitenden Draht verläuft, radial nach innen zum jeweiligen Druckfinger 26 erstrecken.
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Um übermäßige Magnetflussstreuung zu verhindern, wie in 7 und 8 am besten veranschaulicht, ist die zweite Taschenplatte 18 in der Nachbarschaft der Pole 60, 61 des Elektromagneten derart ausgebildet, dass Luftspalte 68, 69 zwischen den Polen 60, 61 und der zweiten Taschenplatte 18 größer als der Spalt 70 zwischen den Polen 60, 61 und dem Sperrelement 26 sind. Obwohl eine gewisse Magnetflussstreuung auftritt, ist der Spalt 70 zum Sperrelement 26 der Weg mit dem geringsten magnetischen Widerstand. Daher überspringt genügend magnetischer Fluss diesen Spalt 70, um ein Drehen des Sperrelements 26 zu den Nocken 44 auszulösen. Wenn sich das Sperrelement 26 dreht und sein Eingriff mit einem Nocken 44 stattfindet, reduziert sich der Spalt 70 und bewirkt eine Zunahme der Magnetflussdichte und der Größe der magnetisch induzierten Kraft auf den Druckfinger 26.
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Neben dem Anwenden eines Hebelverhältnisses auf das Sperrelement 26 und dem Steuern der Spalte 68, 69, 70 ist es notwendig, eine ausreichende Menge von magnetischem Fluss (dargestellt durch die Pfeile in 8) zum Sperrelement 26 zu leiten, um genügend Kraft zu erzeugen, um ein Drehen des Sperrelements 26 zu den Nocken 44 auszulösen.
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7 und 8 veranschaulichen, dass die angrenzende Außenlinie der jeweiligen Pole 60, 61 um einen Abschnitt der Außenlinie der jeweiligen Druckfingerfläche 72 verläuft und diesen umkreist. Diese Umkreisung kanalisiert mehr magnetischen Fluss in den kritischsten Bereich 74 des Druckfingers 26, als wenn die Pole 60, 61 einfach abschließen würden, ohne entlang der Fläche 72 zu verlaufen, wie bei herkömmlichen Elektromagneten.
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Wenn die Sperrelemente 26 in die Nocken 44 eingreifen und Drehmoment zwischen der zweiten Nockenplatte 16 und der zweiten Taschenplatte 18 übertragen wird, kann ein erhebliches Maß an Biegung in den Platten auftreten, insbesondere in der Nähe der Nocken 44, die durch die Druckfinger 26 in Eingriff gebracht sind. Folglich ist es wichtig, die Spule 24 von der Position mit der größten Biegung entfernt anzuordnen, andernfalls könnten die Spule und ihre Halterungen beschädigt werden. Die Position mit der größten Biegung ist jedoch üblicherweise die wünschenswerteste Stelle für die Spule 24 für angemessene Magnetflusserzeugung. Um beide Probleme zu bewältigen, ist jede Spule 24 an der radialen äußeren Fläche 78 der zweiten Taschenplatte 18 angeordnet. Nach der Erregung könnte das System Restmagnetismus enthalten, der zu unerwünschten Blockierungen führt. Dies wird durch Einführen eines Entmagnetisierungszyklus in regelmäßigen Intervallen gelöst.
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Wenn sich der Druckfinger 26 in die Eingriffsposition dreht, induziert Eisen oder Stahl, das durch das Magnetfeld verläuft, eine Sekundärspannung in der Spule 24. Durch Überwachen der Spulenspannung auf eine Spannungsspitze kann der Beobachter bestimmen, ob der Kipphebel eingerückt ist. Das Fehlen dieser Spannungsspitze weist darauf hin, dass kein Eingriff erfolgt ist.
