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Die vorliegende Offenbarung betrifft mechanische Kupplungen, die Reibung vermindernde Grenzflächen aufweisen, und insbesondere mechanische Kupplungen, wie Klauenkupplungen, die Kugel- oder Rollengrenzflächen aufweisen, die die Kupplungsausrückung, insbesondere unter Last, verbessern.
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Mechanische Kupplungen, wie etwa Klauenkupplungen, sind in verschiedenen mechanischen Kraftübertragungsvorrichtungen übliche Komponenten. Während Reibungskupplungen in Anwendungen benutzt werden, die die Fähigkeit erfordern, zwei rotierende Elemente, die häufig eine anfängliche Drehzahldifferenz aufweisen, zu synchronisieren und zu koppeln, werden Klauenkupplungen in Anwendungen eingesetzt, bei denen es vor der Einrückung in der Regel keine oder nur eine geringe Drehzahldifferenz gibt. Allgemein weisen Klauenkupplungen ein erstes rotierendes Element auf, das gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandete Vorsprünge aufweist, und ein zweites koaxiales Element, das komplementär angeordnete Ausnehmungen aufweist. Die Vorsprünge und Ausnehmungen können derart bemessen und angeordnet sein, dass die beiden Elemente identisch sind. Zusätzlich können bestimmte Kanten der Vorsprünge und Ausnehmungen schräg sein, so dass das übertragene Drehmoment dazu neigt, eine vollständige Einrückung der Kupplungselemente zu erreichen und zu halten.
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Wie viele technische Kompromisse kann die Einarbeitung von schrägen Kanten an den Vorsprüngen und Ausnehmungen, obgleich sie die Möglichkeit einer spontanen Ausrückung während der Kraftübertragung minimiert, es außerdem erschweren, die Kupplung absichtlich unter Last auszurücken. In der Tat können auch Klauenkupplungen mit Eingriffskanten, die flach sind, d.h. parallel zu radialen Ebenen, möglicherweise schwer auszurücken sein, wenn sie relativ beträchtliche Drehmomentlasten, transportieren, es sei denn dass, und bis die Drehmomentlast über den Vorsprüngen und Ausnehmungen vermindert oder beendet wird.
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Während also Klauenkupplungen eine einfache wählbare Verbindung zwischen Getriebekomponenten bieten, die keine oder nur geringe Kraft von außen erfordern, um die Einrückung aufrecht zu erhalten, erfordert die Schwierigkeit der Ausrückung unter Last, dass entweder die Kupplungsbetätigungseinrichtung außerordentlich robust ist oder die Last reduziert oder von der Kupplung weggenommen wird, bevor sie ausgerückt wird. Die vorliegende Erfindung bietet eine dritte Option.
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US 4 624 356 A offenbart eine mechanische Kupplung, die ein erstes Kupplungselement, das auf einer Achse angeordnet ist und eine Mehrzahl von gerade geschnittenen Zähnen aufweist, und ein zweites Kupplungselement, das auf der Achse angeordnet ist und die Mehrzahl von gerade geschnittenen Zähnen aufweist, umfasst. An dem ersten Kupplungselement sind Kugeln gelagert, die in bestimmten Drehlagen der Kupplungselemente zueinander in an dem zweiten Kupplungselement angeordnete Ausnehmungen eintreten können. Dadurch wird ein versehentliches Einrücken der Kupplung verhindert. Die Kugeln übertragen im eingerückten Zustand der Kupplung kein Drehmoment.
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Aus der
DE 195 04 950 A1 ist eine mechanische Kupplung bekannt, die ein erstes Kupplungselement, das auf einer Achse angeordnet ist und eine Mehrzahl von Senkungen aufweist, und ein zweites Kupplungselement, das auf der Achse angeordnet ist und die Mehrzahl Senkungen aufweist, umfasst. An einem Träger, der auf der Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungselement angeordnet ist, sind Kugeln gelagert, die bei Einrückung der Kupplung in die Senkungen der beiden Kupplungselemente eintreten, wenn die Kupplungselemente sich aufeinander zu bewegen und die Senkungen in den beiden Kupplungselementen in Übereinstimmung gelangen.
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US 2 291 151 A lehrt eine mechanische Kupplung, die ein erstes Kupplungselement umfasst, das auf einer Achse angeordnet ist und eine Mehrzahl von an seinem Außenumfang angeordneten, axial verlaufenden, gerundeten Kerben aufweist, und ein zweites Kupplungselement umfasst, das das erste Kupplungselement übergreift, auf der Achse angeordnet ist und eine entsprechende Mehrzahl an seinem Innenumfang angeordnete, axial verlaufende, gerundete Kerben aufweist. In einem Freiraum zwischen den Kupplungselementen ist ein Kugelkranz angeordnet, dessen Kugeln sich im ausgerückten Zustand der Kupplung nicht in den Kerben des ersten Kupplungselements befinden, aber beim Einrücken der Kupplung in diese eintreten und damit Drehmoment zwischen den Kupplungselementen übertragen.
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Eine vergleichbare Anordnung ist aus der
DE 32 34 456 A1 bekannt. Die Kugeln sind hier in einem Käfig gelagert, der sich am Außenumfang des ersten Kupplungselements befindet, und die Kugeln ragen radial nach außen vor. Kerben, in die die Kugeln eintreten können befinden sich nur am Innenumfang des zweiten Kupplungselements.
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Die
DE 37 01 898 C2 lehrt eine ähnliche Anordnung wie die
US 2 291 151 A , jedoch sind hier mehrere axial hintereinander beabstandet angeordnete, miteinander verbundene Kugelkränze vorgesehen, um das Schalten der Kupplung zuverlässiger zu gestalten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mechanische Kupplung bereitzustellen, bei der die Zahn-zu-Zahn-Reibung, vor allem unter Last reduziert ist, und die Kraft, die erforderlich ist, um die Kupplung auszurücken, stark reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine mechanische Kupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben:
- 1 ist eine schematische Ansicht einer mechanischen Kupplung und Betätigungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in einer Einrichtung, wie etwa einem Getriebe oder Verteilergetriebe, angeordnet sind;
- 2 ist ein Aufriss von vorne eines Antriebselements oder -rings einer mechanischen Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 ist eine schematische Seitenansicht einer vollständig eingerückten mechanischen Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4 ist eine schematische Seitenansicht einer teilweise ausgerückten mechanischen Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 5 ist eine Schnittansicht eines Kugelträgers und von Kupplungszähnen einer mechanischen Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 6 ist eine Schnittansicht eines Rollenträgers und von Kupplungszähnen einer mechanischen Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Nun unter Bezugnahme auf 1 ist eine mechanische Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung in ihrer Arbeitsumgebung dargestellt und allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Die mechanische Kupplung 10, die von einer Ausgestaltung ist, die im Allgemeinen als eine Klauenkupplung bezeichnet wird, ist auf einer Antriebswelle 12 angeordnet, die zur freien Drehung auf einem Lager, wie etwa einem Kugellager und einer Dichtungsbaugruppe 14, angeordnet ist, die in einem Gehäuse 16 gehalten und gesichert sind, welches ein Gehäuse für ein Getriebe, ein Verteilergetriebe, ein Differenzial oder eine andere Komponente eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs oder einer ähnlichen mechanischen Kraftübertragungseinrichtung oder -baugruppe sein kann. Beabstandet von und koaxial zu der Antriebswelle 12 ist eine Abtriebswelle 18, die mit einer Last L, wie etwa einem Zahnrad, einem Kettenrad, einer Planetengetriebe-Baugruppe oder einer anderen Kraftübertragungseinrichtung, gekoppelt ist und diese antreibt.
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Die mechanische Kupplung 10 umfasst ein erstes, Antriebselement, einen ersten, Antriebsring oder ein erstes, Antriebskupplungsbauteil 20, das an der Antriebswelle 12 befestigt ist, und ein zweites, Abtriebselement, einen zweiten, Abtriebsring oder ein zweites Abtriebskupplungsbauteil 40, das drehbar mit der Abtriebswelle 18 durch ineinandergreifende vorstehende und zurückspringende Kerbzähne 42 gekoppelt ist, um eine bidirektionale, axiale Bewegung entlang der Abtriebswelle 18 zuzulassen, während sie damit drehbar gekoppelt bleibt. Alternativ kann das erste, Antriebselement 20 mit der Antriebswelle durch ineinandergreifende männliche und weibliche Kerbzähne gekoppelt sein, und das zweite Abtriebselement 40 kann an der Abtriebswelle 18 befestigt sein. Als eine weitere Alternative können sowohl das erste als auch das zweite Element 20 und 40 an ihren jeweiligen Wellen 12 und 18 befestigt sein, und eine der Wellen 12 und 18 kann axial bidirektional verschiebbar sein.
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Zu Zwecken der Offenbarung und ohne Einschränkung wird angenommen, dass das erste, Antriebselement 20 mit der Antriebswelle 12 verbunden ist und das zweite, Abtriebselement 40 mit der Abtriebswelle 18 durch ineinandergreifende Kerbzähne 42 verbunden ist. Das zweite, Abtriebselement 40, das einen im Allgemeinen zylindrischen Körper 44 definiert, umfasst auch eine Umfangsnut oder einen Umfangskanal 46, die bzw. der ein Schaltgabeljoch 48 aufnimmt, das durch eine Zweistellungs-Betätigungseinrichtung oder einen Zweistellungs-Aktor 50 bidirektional verschoben wird. Die Betätigungseinrichtung oder der Aktor 50 kann einen hydraulisch verschobenen Kolben oder ein elektrisch betriebenes Solenoid oder einen Motor und ein Zahnradstrang 52 umfassen, und umfasst ein bidirektional verschobenes Ausgangsbauteil oder einen bidirektional verschobenen Ausgangsarm 54, der mit dem Schaltgabeljoch 48 verbunden ist und dieses verschiebt. In jedem Fall kann die Betätigungseinrichtung oder der Aktor 50 in beiden Richtungen angetrieben werden, oder sie bzw. er kann eine Feder 56 umfassen, gegen die der Kolben oder der Motor 52 das Ausgangsbauteil oder den Ausgangsarm 54, das Schaltgabeljoch 48 und das zweite, Abtriebskupplungselement 40 bewegt, wenn sie bzw. er aktiviert ist, und das Ausgangsbauteil oder den Ausgangsarm 54 und die zugehörigen Komponenten in eine Null-Position oder eine ausgerückte Position zurückführt, wenn sie bzw. er deaktiviert ist. Die Fähigkeit der mechanischen Kupplung 10 unter Last nur mit der durch eine Rückstellfeder 56 erzeugen Kraft auszurücken, ist ein wesentliches Merkmal und ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung.
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Nun unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 umfasst das erste, Antriebselement, der erste, Antriebsring oder das erste, Antriebskupplungsbauteil 20 auch einen zylindrischen Körper 22, der eine kreisförmige Fläche 24 aufweist, die eine Mehrzahl von geraden geschnittenen Vorsprüngen oder Zähnen 26 benachbart zu ihrem Außenrand aufweist. Der Ausdruck „gerade geschnitten“ bedeutet, dass die Seitenflächen 28 der Zähne 26 sich in Ebenen befinden oder im Wesentlichen befinden, die durch die Mittellinie der Antriebswelle 12 und das erste Antriebselement 20 verlaufen. Es ist zu beachten, dass die Bezugsebene „A“ in 2 und die Seitenflächen 28 der Zähne 26 in dieser liegen. Etwas anders ausgedrückt, sind die Seitenflächen 28 nicht winklig bzw. schräg geschnitten, wie sie es in bestimmten Anwendungen sein können, um die Kupplungszahneinrückung zu verbessern und aufrechtzuerhalten. Der Abstand zwischen gegenüberliegenden (zugewandten) Seitenflächen 28 von benachbarten Zähnen 26 ist relativ breit: wenn beispielsweise die Breite eines Zahns 26 eine Einheit beträgt, beträgt der Abstand zwischen gegenüberliegenden Seitenflächen 28 annähernd drei Einheiten. Der Grund für diese Ausgestaltung wird aus dem Folgenden deutlich werden. Die Anzahl der Zähne 26 wird von konstruktiven Überlegungen, wie etwa der Größe der Kupplung 10, der Drehmomentlast und Eingriffskriterien, um nur drei zu nennen, abhängen. Obwohl acht der Zähne 26 in 2 dargestellt sind, ist festzustellen, dass die Anzahl stark von in der Regel nicht weniger als drei oder vier bis zu zehn, zwölf und mehr variieren kann.
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Wendet man sich nun dem zweiten Abtriebselement 40 zu, wie erwähnt, umfasst es ebenfalls den zylindrischen Körper 44, der eine kreisförmige Fläche 62 definiert, die auch eine Mehrzahl von geraden geschnittenen Vorsprüngen oder Zähnen 64 benachbart zu seinem Außenrand definiert. Der Begriff „gerade geschnitten“ bedeutet auch hier, dass die Seitenflächen 66 der Zähne 64 sich in Ebenen befinden, oder im Wesentlichen befinden, die durch die Mittellinie der Abtriebswelle 18 und dem zweiten, Abtriebselement 40 verlaufen. Siehe 2, die das gleiche Merkmal in Bezug auf das erste Antriebselement 20 veranschaulicht. Wieder ist der Abstand zwischen gegenüberliegenden (zugewandten) Seitenflächen 66 der benachbarten Zähne 64 relativ breit: wenn beispielsweise die Breite eines Zahns 64 eine Einheit beträgt, beträgt der Abstand zwischen gegenüberliegenden Seitenflächen 66 annähernd drei Einheiten.
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Nun unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 5 befindet sich im Allgemeinen zwischen und konzentrisch um das erste, Antriebselement 20 und das zweite, Abtriebselement 40 ein Kugelkranz 70. Der Kugelkranz 70 umfasst einen äußeren konzentrischen Ring oder ein äußeres konzentrisches Halteband 72, der bzw. das eine Mehrzahl von äußeren Öffnungen 74 aufweist, die eine gleiche Mehrzahl von Kugeln 76 unverlierbar halten. Der Kugelkranz 70 umfasst auch einen inneren konzentrischen Ring oder ein Halteband 78 an dem äußeren konzentrischen Ring oder Halteband 72, die eine gleiche Anzahl von Öffnungen 82 verbunden. Der Kugelkranz 70 kann durch eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Stützen, wie Blattfedern 88 oder ähnlichen Strukturen, die sich zwischen dem zylindrischen Körper 22 und dem konzentrischen Ring oder Halteband 72 erstrecken, elastisch in Position gehalten sein.
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Nun unter Bezugnahme auf 6 ist eine Alternative zu dem Kugelkranz 60 veranschaulicht. Hier umfasst ein Rollenkranz 90 einen äußeren konzentrischen Ring oder ein äußeres konzentrisches Halteband 92, der bzw. das eine Mehrzahl von äußeren Öffnungen 94 aufweist, die eine gleiche Mehrzahl von Kegelrollen 96 unverlierbar halten. Der Rollenkranz 90 umfasst auch einen inneren konzentrischen Ring oder ein inneres konzentrisches Halteband 98, der bzw. das mit dem äußeren konzentrischen Ring oder Halteband 92 verbunden ist, das eine gleiche Mehrzahl von Öffnungen 102 aufweist, die innere Enden der Rollen 96 aufnehmen. Der Rollenkranz 90 kann durch Strukturen in seiner Position gehalten sein, die ähnlich wie die in 1 dargestellten sind und im Wesentlichen in gleicher Weise wie der Kugelkranz 70 funktionieren.
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Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 wird nun die Arbeitsweise der mechanischen Kupplung 10, wie etwa einer Klauenkupplung, gemäß der vorliegenden Erfindung, die einfach ist, beschrieben. Eine Einrückung umfasst eine Betätigung des Aktors oder einer Betätigungseinrichtung 50, um das zweite, Abtriebselement, den zweiten, Abtriebsring oder das zweite, Abtriebskupplungsbauteil 40 nach links in 1 zu verschieben, wodurch bewirkt wird, dass die Zähne 64 des zweiten, Abtriebselements 40 sich in Eingriff mit den Zähnen 26 an dem ersten, Antriebselement 40 bewegen. Es ist anzumerken, dass jeder der Zähne 26 von jedem der Zähne 64 durch eine der Mehrzahl von Kugeln 76 getrennt ist. Es ist auch anzumerken, dass in 3 das erste, Antriebselement 20 derart rotiert, dass es sich nach oben bewegt, und dass somit nur abwechselnde Kugeln 76 (die unten und die eine an dritter Stelle von unten) Drehmoment übertragen.
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4 zeigt eine teilweise ausgerückte Kupplung 10. Hier hat der Aktor oder die Betätigungseinrichtung 50 einen Ausrückbefehl empfangen, und das zweite, Abtriebselement 40 hat sich nach rechts in 4 bewegt. Da beide Zähne 26 und 64 gerade geschnitten oder im Wesentlichen derart geschnitten sind und die Kugeln 76 rotieren und somit Gleitreibung zwischen dem, was sonst direkter Zahn-zu-Zahn-Kontakt sein würde, stark reduzieren, kann die Kupplung 10 selbst unter Last und auch mit einem relativ kleinen Aktor oder einer relativ kleinen Betätigungseinrichtung mit niedriger Leistung 50 oder einer Rückstellfeder 56 leicht außer Eingriff gebracht werden, wie oben erwähnt wurde. Es ist anzumerken, dass in 4 die mittlere Kugel 76, die in Kontakt mit der Seite 28 des Zahns 26 unter ihr und der Seite 66 des Zahns 64 über ihr steht, im Uhrzeigersinn rotieren wird, wenn die Kupplung 10 außer Eingriff gelangt. Diese Fähigkeit bietet einen Anstieg der effektiven Verstärkung für eine normal in Aus-Stellung befindliche Kupplung um eine Größenordnung. Weitere Vorteile umfassen wegen des reduzierten Energieverbrauchs eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und elektrische Reichweite in elektrifizierten (Hybrid-) Antriebssträngen.
