DE102015211751A1

DE102015211751A1 - Kupplungseinrichtung für eine Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102015211751A1
Application number: DE102015211751.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Strobel
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2016-12-29
Also published as: WO2016207044A1

Abstract

Eine Kupplungseinrichtung (1) für eine Antriebsvorrichtung (3) eines Fahrzeugs (4) umfasst eine Antriebswelle (111), eine Abtriebswelle (131), ein mit der Antriebswelle (111) verbundenes, erstes Kupplungselement (11, 12) und ein mit der Abtriebswelle (131) verbundenes, zweites Kupplungselement (13, 14), das in einem Kupplungszustand zum gemeinsamen Verdrehen der Abtriebswelle (131) mit der Antriebswelle (111) mit dem ersten Kupplungselement (11, 12) gekuppelt ist. Dabei ist vorgesehen, dass das erste Kupplungselement (11, 12) ein erstes Permanentmagnetelement (12) und das zweite Kupplungselement (13, 14) ein zweites Permanentmagnetelement (14) aufweisen, wobei das erste Permanentmagnetelement (12) und das zweite Permanentmagnetelement (14) jeweils mindestens ein Paar von ungleichnamigen Magnetpolen (N, S) aufweisen und sich die Magnetpole (N, S) des ersten Permanentmagnetelements (12) und des zweiten Permanentmagnetelements (14) in dem Kupplungszustand magnetisch anziehend gegenüberstehen. Auf diese Weise wird eine Kupplungseinrichtung für eine Antriebsvorrichtung eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, die in einfacher, zuverlässiger Weise die Gefahr einer Bauteilbeschädigung bei einer Überlast an einer Antriebsvorrichtung reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung für eine Antriebsvorrichtung eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Kupplungseinrichtung umfasst eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle, ein mit der Antriebswelle verbundenes, erstes Kupplungselement und ein mit der Abtriebswelle verbundenes, zweites Kupplungselement. Das erste Kupplungselement und das zweite Kupplungselement sind in einem Kupplungszustand derart miteinander gekuppelt, dass ein Drehmoment von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragen werden kann und die Abtriebswelle somit gemeinsam mit der Antriebswelle verdreht wird.
Eine solche Kupplungseinrichtung kann beispielsweise bei einer Antriebsvorrichtung im Rahmen einer Verstelleinrichtung eines Fahrzeugs, beispielsweise bei einem Heckklappenantrieb zum Verstellen einer Heckklappe eines Fahrzeugs, zum Einsatz kommen. Die Kupplungseinrichtung stellt in diesem Fall in ihrem kuppelnden Zustand eine Verbindung beispielsweise zwischen einer Antriebswelle eines elektromotorischen Antriebs und einem abtriebsseitigen Getriebe her, so dass in dem kuppelnden Zustand das Getriebe durch den elektromotorischen Antrieb antreibbar ist.
Grundsätzlich kann die Kupplungseinrichtung aber auch bei ganz anderen Verstelleinrichtungen zum Einsatz kommen, beispielsweise Verstelleinrichtungen für unterschiedliche Arten von Klappen in einem Fahrzeug, z.B. Seitentüren, Heckdeckel, Motorhauben, Laderaumklappen, Verdeckteile, Ladeklappen, Tankklappen.
Bei einer elektromotorisch verstellbaren Heckklappe kann vorkommen, dass ein Nutzer manuell an der Heckklappe angreift und versucht, die Heckklappe manuell zu verstellen. Ist die elektromotorische Antriebsvorrichtung beispielsweise selbsthemmend ausgestaltet, so kann ein Verstellen der Heckklappe jedoch durch die Antriebsvorrichtung verhindert sein, so dass das Einleiten manueller Kräfte – insbesondere auch aufgrund der bei einer Heckklappe wirkenden Hebelverhältnisse – zu einer Belastung der Antriebsvorrichtung und der Gefahr einer Beschädigung von Bauteilen der Antriebsvorrichtung führt.
Eine aus der DE 10 2005 005 648 A1 bekannte Kupplungseinrichtung verwendet einen Elektromotor zum Schalten der Kupplungseinrichtung zwischen unterschiedlichen Schaltzuständen. So kann durch Bestromung des Elektromotors ein Permanentmagnete aufweisender Anker mit einer Kupplungsfläche in Anlage mit einer Kupplungsfläche eines Rotors gebracht werden, so dass eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Kupplungsflächen des Ankers einerseits und des Rotors andererseits hergestellt wird. Erfolgt eine Bestromung des Elektromagneten mit geringerer Stromstärke, so wird die reibschlüssige Kupplung aufgehoben, so dass eine Klappe eines Fahrzeugs manuell bewegt werden kann. Wird der Elektromagnet demgegenüber nicht bestromt, so wird eine Kupplung zwischen anderen Kupplungsflächen hergestellt, so dass ein Festhalten der Klappe in einer gerade eingenommenen Position bewirkt wird.
Bei einer aus der DE 10 2006 042 023 A1 bekannte Kupplungseinrichtung kann über ein Kupplungsteil eine reibschlüssige Kupplung zum Antreiben einer Gewindespindel hergestellt werden. Die Kupplung kann geöffnet werden, um beispielsweise ein manuelles Verstellen einer Klappe eines Fahrzeugs zu ermöglichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kupplungseinrichtung für eine Antriebsvorrichtung eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, die in einfacher, zuverlässiger Weise die Gefahr einer Bauteilbeschädigung bei einer Überlast an einer Antriebsvorrichtung reduziert.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach weist das erste Kupplungselement ein erstes Permanentmagnetelement und das zweite Kupplungselement ein zweites Permanentmagnetelement auf. Das erste Permanentmagnetelement und das zweite Permanentmagnetelement weisen jeweils mindestens ein Paar von ungleichnamigen Magnetpolen auf. Die Magnetpole des ersten Permanentmagnetelements und des zweiten Permanentmagnetelements stehen sich in dem Kupplungszustand magnetisch anziehend gegenüber.
Durch Verwenden der Permanentmagnetelemente am ersten Kupplungselement und am zweiten Kupplungselement wird eine Kupplung zwischen den Kupplungselementen auf magnetische Weise hergestellt. Jedes Permanentmagnetelement ist hierbei mehrpolig. In dem Kupplungszustand stehen sich die Magnetpole der Permanentmagnetelemente magnetisch anziehend gegenüber, so dass Rotationskräfte von dem einen Permanentmagnetelement auf das andere Permanentmagnetelement übertragen werden können und somit eine magnetische Kupplung zwischen den Kupplungselementen der Kupplungseinrichtung hergestellt ist.
Durch Verwenden der Permanentmagnetelemente kann die Kupplungseinrichtung sehr einfach aufgebaut sein und erfordert insbesondere keine aufwendige Steuerung. So kann die Kupplungseinrichtung insbesondere passiv ausgelegt sein derart, dass kein Schalten zwischen unterschiedlichen Kupplungszuständen vorgesehen ist. Die Permanentmagnetelemente der Kupplungselemente stehen sich aufgrund ihrer Permanentmagnetkräfte stets magnetisch wechselwirkend gegenüber, so dass in gewöhnlichen Betriebszuständen beispielsweise bei Antreiben einer Verstelleinrichtung über einen dafür vorgesehenen elektromotorischen Antrieb die Kupplung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle hergestellt ist und somit Antriebskräfte auf die Abtriebswelle übertragen werden können.
Die Kupplungseinrichtung stellt vorzugsweise, bei geeigneter Dimensionierung der Permanentmagnetelemente, eine Überlastkupplung bereit, die in einem Überlastzustand eine Relativbewegung zwischen den Kupplungselementen zulässt und somit ein Entkuppeln der Antriebswelle von der Abtriebswelle ermöglicht. Übersteigt in einem Überlastzustand ein zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle wirkendes Drehmoment ein vorbestimmtes, durch Dimensionierung der Permanentmagnetelemente eingestelltes Grenzdrehmoment, so können die Kupplungselemente relativ zueinander verdreht werden, so dass die Abtriebswelle und die Antriebswelle unabhängig voneinander bewegt werden können.
Das Grenzdrehmoment wird bestimmt durch die Dimensionierung der Permanentmagnetelemente der Kupplungselemente und ist insbesondere bestimmt durch die magnetische Anziehungskraft zwischen den Permanentmagnetelementen. Übersteigt ein zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle wirkendes Drehmoment das aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte wirkende Haltemoment, so ist eine Relativbewegung zwischen den Kupplungselementen möglich, so dass die Kupplung durchrutschen kann, bis das zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle wirkende Drehmoment nachlässt und kleiner wird als das durch die magnetische Anziehung bewirkte Haltemoment, so dass die Kupplungseinrichtung somit wieder in ihren Kupplungszustand übergeht.
Die Antriebswelle und die Abtriebswelle können insbesondere um eine gemeinsame Längsachse drehbar beispielsweise an einem Gehäuse der Kupplungseinrichtung gelagert sein. Die Antriebswelle und die Abtriebswelle sind somit koaxial.
Das erste Permanentmagnetelement und das zweite Permanentmagnetelement sind beispielsweise scheibenförmig ausgebildet und erstrecken sich jeweils quer zur Längsachse. Das erste Permanentmagnetelement und das zweite Permanentmagnetelement stehen sich hierbei gegenüber und erstrecken sich somit parallel zueinander derart, dass die Magnetpole des ersten Permanentmagnetelements und die Magnetpole des zweiten Permanentmagnetelements sich in dem Kupplungszustand gegenseitig magnetisch anziehen und somit eine Kupplung zwischen den Kupplungselementen, deren Bestandteil die Permanentmagnetelemente sind, bewirken.
Um eine zur Übertragung hinreichend großer Drehmomente geeignete Kupplung zwischen den Kupplungselementen durch magnetische Anziehung der Magnetpole der Permanentmagnetelemente zu bewirken, sind die Magnetpole eines jedes Permanentmagnetelements vorteilhafterweise umfänglich um die Längsachse zueinander versetzt. Insbesondere können die Magnetpole, betrachtet in Umfangsrichtung um die Längsachse, periodisch angeordnet sein derart, dass auf einen Nordpol ein Südpol und auf den Südpol wiederum ein Nordpol folgt. Es ergibt sich somit eine alternierende Reihe von Magnetpolen an jedem Permanentmagnetelement, wobei vorzugsweise die Anordnung der Magnetpole an dem ersten Permanentmagnetelement kongruent ist zu der Anordnung der Magnetpole an dem zweiten Permanentmagnetelement.
Vorzugsweise weisen das erste Permanentmagnetelement und das zweite Permanentmagnetelement jeweils eine Kupplungsfläche auf, die einander zugewandt sind. An der ersten Kupplungsfläche des ersten Permanentmagnetelements sind hierbei die Magnetpole des ersten Permanentmagnetelements angeordnet, während an der zweiten Kupplungsfläche des zweiten Permanentmagnetelements die Magnetpole des zweiten Permanentmagnetelements angeordnet sind. Die Kupplungsflächen stehen sich, aufgrund der magnetischen Anziehung zwischen den Magnetpolen der unterschiedlichen Permanentmagnetelemente, somit anziehend gegenüber und bewirken dadurch eine Kupplung zwischen den Kupplungselementen zur Übertragung von Drehmomenten von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle.
Angemerkt sei an dieser Stelle, dass die Kupplungselemente in dem Kupplungszustand nicht zwingend in Kontakt miteinander stehen und somit nicht notwendigerweise ein Reibschluss zwischen den Kupplungselementen besteht. Die Kupplung kann auch – ohne unmittelbaren Kontakt der Kupplungselemente miteinander – allein aufgrund der magnetischen Anziehung zwischen den Magnetpolen der Permanentmagnetelemente bewirkt werden. Sind die Magnetpole eines jeden Permanentmagnetelements periodisch an der zugeordneten Kupplungsfläche angeordnet, so steht in dem Kupplungszustand ein Nordpol des ersten Permanentmagnetelements gerade einem Südpol des anderen, zweiten Permanentmagnetelements gegenüber und umgekehrt. Aufgrund der periodischen Anordnung der Magnetpole an den Permanentmagnetelementen werden die Permanentmagnetelemente rotatorisch in Position zueinander gehalten. Erfolgt bei Belastung eine (geringfügige) Auslenkung des ersten Kupplungselements und des zweiten Kupplungselements zueinander, so wirkt eine rückstellende Kraft zwischen den Kupplungselementen aufgrund der magnetischen Anziehungskraft zwischen den Magnetpolen, die – bei normaler Belastung – ein Mitdrehen des abtriebsseitigen, zweiten Kupplungselement mit dem antriebsseitigen, ersten Kupplungselement bewirkt. Erst wenn – in einem Überlastfall – ein zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle wirkendes Drehmoment ein Grenzmoment überschreitet (weil das wirkende Drehmoment größer ist als das maximale durch die magnetische Anziehungskraft bereitgestellte Haltemoment), so werden die Kupplungselemente relativ zueinander verstellt und die Kupplung dreht somit durch. Übermäßige Drehmomente können somit nicht zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle übertragen werden, was die Gefahr einer Bauteilbeschädigung an antriebsseitig oder abtriebsseitig mit der Kupplungseinrichtung gekoppelten Bauteilen zumindest reduziert.
Weil die Magnetpole an den Permanentmagnetelementen insbesondere periodisch angeordnet sein können, kommt es im Überlastfall zu einem Durchrutschen der Kupplung nach Art eines Rastens. Weil der Verlauf des aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte bereitgestellten Haltemoments sinusförmig ist, variiert das Haltemoment bei Relativbewegung zwischen den Kupplungselementen periodisch.
Das erste Permanentmagnetelement des ersten Kupplungselements und das zweite Permanentmagnetelement des zweiten Kupplungselements können, in einer Ausgestaltung der Kupplungseinrichtung, beispielsweise über ein Zwischenelement zueinander beabstandet sein. Das Zwischenelement kann beispielsweise als dünne Folie aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sein und ist somit nicht magnetisch. Das folienartige Zwischenelement kann beispielsweise eine Dicke von unter einem Millimeter, beispielsweise unter einem halben Millimeter, beispielsweise zwischen einem Hundertstel Millimeter und 10 Hundertstel Millimeter aufweisen. Das Zwischenelement dient dazu, eine Zwischenlage zwischen den Permanentmagnetelementen bereitzustellen, die insbesondere ein Zusammenrosten der Permanentmagnetelemente verhindern soll. Kommt es über einen langen Zeitraum nicht zu einem Durchrutschen der Kupplung, so kann eine Korrosion an den Kupplungselementen insbesondere bei Verwendung der Kupplungseinrichtung in einem Fahrzeug nicht ausgeschlossen werden.
Die Permanentmagnetelemente sind beispielsweise durch Neodym-Magnete, beispielsweise als gesinterte Neodym-Magnetelemente gefertigt.
Das erste Permanentmagnetelement kann beispielsweise mit einem aus einem ferromagnetischen Material gefertigten, ersten Trägerelement und das zweite Permanentmagnetelement mit einem aus einem ferromagnetischen Material gefertigten, zweiten Trägerelement drehfest verbunden sein. Die Antriebswelle kann in diesem Fall beispielsweise einstückig mit dem ersten Trägerelement ausgestaltet sein, während die Abtriebswelle einstückig mit dem zweiten Trägerelement ausgestaltet sein kann. Die Permanentmagnetelemente können beispielsweise formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem jeweils zugeordneten Trägerelement verbunden sein. Beispielsweise können die Permanentmagnetelemente durch einen geeigneten Nut-Feder-Eingriff formschlüssig an dem jeweils zugeordneten Trägerelement festgelegt sein. Zusätzlich oder alternativ können die Permanentmagnetelemente kraftschlüssig mit dem jeweils zugeordneten Trägerelement verpresst und/oder stoffschlüssig mit dem jeweils zugeordneten Trägerelement verklebt sein. In jedem Fall sind die Permanentmagnetelemente drehfest mit dem jeweils zugeordneten Trägerelement verbunden, so dass Permanentmagnetelement und Trägerelement im Betrieb als Einheit zusammenbewegt werden.
Dadurch, dass das einem Permanentmagnetelement zugeordnete Trägerelement aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, stellt es einen magnetischen Rückschluss für die Magnetpole des Permanentmagnetelements dar. Das Trägerelement kann insbesondere aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise einem Stahlmaterial, gefertigt sein.
Das erste Kupplungselement und das zweite Kupplungselement sind vorzugsweise in einem zylindrischen Gehäuse der Kupplungseinrichtung drehbar gelagert. Das beispielsweise aus Kunststoff gefertigte, zylindrische Gehäuse weist einen zylindrischen Innenraum auf, in dem die Kupplungselemente eingefasst und drehbar beweglich sind. Die Kupplungseinrichtung stellt somit eine Einheit dar, die modular beispielsweise einer Antriebseinrichtung einerseits und einem Getriebe andererseits zwischengeschaltet sein kann.
Eine Kupplungseinrichtung der hier beschriebenen Art kann beispielsweise bei einer Antriebsvorrichtung zum Verstellen eines Fahrzeugteils, beispielsweise einer Heckklappe eines Fahrzeugs, verwendet werden. Eine solche Antriebsvorrichtung kann beispielsweise als Spindelantrieb ausgestaltet sein, bei dem eine Spindel in eine Drehbewegung versetzt wird und eine Spindelmutter, die mit der Spindel in Gewindeeingriff steht, aufgrund der Drehbewegung der Spindel in Längsrichtung entlang der Spindel bewegt wird. Die Kupplungseinrichtung kann hierbei beispielsweise dazu dienen, ein manuelles Verstellen des Fahrzeugteils, beispielsweise der Heckklappe, ohne aktives Entkoppeln eines Elektromotors von dem Spindelgetriebe zu ermöglichen. Greift ein Nutzer manuell an dem Fahrzeugteil, beispielsweise der Heckklappe an und leitet eine Kraft in das Fahrzeugteil ein, die zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle ein das Grenzmoment überschreitendes Drehmoment bewirkt, so rutscht die Kupplungseinrichtung durch, so dass das Fahrzeugteil unabhängig von einem Elektromotor verstellt werden kann. Die Gefahr einer Bauteilbeschädigung an der Antriebsvorrichtung ist damit erheblich reduziert.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Explosionsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kupplungseinrichtung;
2 eine schematische Ansicht der Kupplungseinrichtung gemäß 1;
3 schematische Ansichten zweier Permanentmagnetelemente der Kupplungseinrichtung, mit daran angeordneten Magnetpolen;
4A eine abgerollte Darstellung der Permanentmagnetelemente, in einem Kupplungszustand bei sich gegenüberliegenden, magnetisch anziehenden Magnetpolen;
4B eine Ansicht der Permanentmagnetelemente bei (geringfügiger) Auslenkung im Betrieb;
4C eine Ansicht der Permanentmagnetelemente bei Relativbewegung der Permanentmagnetelemente um eine Periodenweite der periodisch angeordneten Magnetpole;
4D eine grafische Darstellung des aufgrund magnetischer Anziehung zwischen den Permanentmagnetelementen wirkenden Haltemoments über dem Winkel;
5A eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Antriebsvorrichtung in Form eines Spindelantriebs, in ausgefahrener Stellung einer Schubstange;
5B eine schematische Ansicht der Antriebsvorrichtung bei eingefahrener Schubstange; und
6 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einer Antriebsvorrichtung zum Verstellen einer Heckklappe.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Kupplungseinrichtung 1, wie sie beispielsweise bei einem Heckklappenantrieb eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen kann. Die Kupplungseinrichtung 1 weist ein Gehäuse 10 auf, das aus zwei Gehäuseteilen 100, 101 zusammengesetzt ist und einen Innenraum 104 begrenzt, in dem die Bauteile der Kupplungseinrichtung 1 drehbeweglich angeordnet sind.
Insbesondere sind in dem Innenraum 104 ein erstes Trägerelement 11, ein erstes Permanentmagnetelement 12, ein zweites Trägerelement 13, ein zweites Permanentelement 14 und ein Zwischenelement 15 eingefasst, die im Betrieb der Kupplungseinrichtung 1 kuppelnd zusammenwirken, wie nachfolgend beschrieben werden soll.
Das erste Trägerelement 11 und das erste Permanentmagnetelement 12 bilden gemeinsam ein erstes Kupplungselement aus und sind fest, insbesondere drehfest miteinander verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das erste Trägerelement 11 einen Achsstummel 112 auf, der, wie schematisch in 2 dargestellt, in eine Öffnung 120 des ersten Permanentmagnetelements 12 eingreift. Zusätzlich kann das erste Permanentmagnetelement 12 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem ersten Trägerelement 11 verbunden sein, indem das erste Permanentmagnetelement 12 beispielsweise über eine geeignete Nut-Feder-Verbindung rotatorisch formschlüssig an dem ersten Trägerelement 11 festgelegt ist, mit dem Achsstummel 112 verpresst ist oder durch Verkleben stoffschlüssig mit dem ersten Trägerelement 11 verbunden ist.
Von einer von dem ersten Permanentmagnetelement 12 abgewandten Seite des Trägerelements 11 steht eine Welle 111 vor, die eine Öffnung 102 in dem Gehäuseteil 100 durchgreift und beispielsweise mit einer Antriebswelle einer Antriebsvorrichtung verbunden ist und somit eine antriebsseitige Welle für die Kupplungseinrichtung 1 darstellt.
Ganz analog bilden das zweite Trägerelement 13 und das zweite Permanentmagnetelement 14 ein einheitliches zweites Kupplungselement aus, indem das zweite Permanentmagnetelement 14 mit einer Öffnung 140 auf einem Achsstummel 132 des zweiten Trägerelements 13 angeordnet und zudem formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem zweiten Trägerelement 13 verbunden ist. Von dem zweiten Permanentmagnetelement 14 abgewandt steht eine Welle 131 von dem Trägerelement 13 vor, die eine Öffnung 103 in dem Gehäuseteil 101 durchgreift und beispielsweise mit einer Abtriebswelle eines abtriebsseitigen Getriebes verbunden sein kann.
Das durch das erste Trägerelement 11 und das erste Permanentmagnetelement 12 gebildete erste Kupplungselement und das durch das zweite Trägerelement 13 und das zweite Permanentmagnetelement 14 gebildete zweite Kupplungselement sind jeweils um eine gemeinsame Längsachse L drehbar in dem Gehäuse 10 gelagert und sind mit ihren Wellen 111 und 131 koaxial fluchtend angeordnet.
Zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14 ist ein Zwischenelement 15 in Form einer dünnen Kunststofffolie angeordnet, das insbesondere verhindern soll, dass die Kupplungselemente mit ihren Permanentmagnetelementen 12, 14 durch Korrosion eine Verbindung miteinander eingehen. Das Zwischenelement 15 kann – betrachtet in axialer Richtung entlang der Längsachse L – beispielsweise eine Dicke zwischen 1 Hundertstel Millimeter und 10 Hundertstel Millimeter, beispielsweise 5 Hundertstel Millimeter aufweisen.
Die Permanentmagnetelemente 12, 14 dienen dazu, durch magnetische Anziehung eine Kupplung zwischen den Kupplungselementen 11, 12 bzw. 13, 14 herzustellen. Die Permanentmagnetelemente 12, 14 sind hierzu jeweils mehrpolig ausgestaltet und weisen, wie schematisch in 3 dargestellt, periodisch angeordnete Magnetpole N, S auf, die betrachtet in Umfangsrichtung um die Längsachse L derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass auf einen Nordpol N ein Südpol S und auf den Südpol S wiederum ein Nordpol N folgt. Die Anordnung der Magnetpole N, S an den Permanentmagnetelementen 12, 14 ist hierbei kongruent zueinander. Insbesondere weisen die Permanentmagnetelemente 12, 14 die gleiche Anzahl von Magnetpolpaaren auf (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Magnetpolpaare, wobei auch andere Anzahlen von Magnetpolpaaren, beispielsweise fünf, sechs, sieben oder acht Magnetpolpaare, möglich sind).
In einem Kupplungszustand stehen sich die Magnetpole N, S der Permanentmagnetelemente 12, 14, wie schematisch in 4A dargestellt, magnetisch anziehend gegenüber. In 4A (und genauso in den nachstehend noch erläuterten 4B und 4C) sind die Permanentmagnetelemente 12, 14 in abgerollter Weise dargestellt, indem die an sich kreisförmigen Permanentmagnetelemente 12, 14 auf eine Linie projiziert sind (entsprechend einem Aufschneiden an einem Umfangsort und einem Abwickeln auf eine Linie).
In dem Kupplungszustand gemäß 4A steht ein Nordpol eines Permanentmagnetelements 12, 14 gerade einem Südpol S des anderen Permanentmagnetelements 14, 12 gegenüber. Dies entspricht einem nicht belasteten Zustand. Wird im Betrieb eine Last bewirkt, die ein zwischen den Wellen 111, 131 wirkendes Drehmoment zur Folge hat, so können die Permanentmagnetelemente 12, 14 (geringfügig) um einen Winkel β zueinander ausgelenkt werden, wie dies in 4B veranschaulicht ist. Weil somit Nordpole N und Südpole S der Permanentmagnetelemente 12, 14 paarweise voneinander entfernt werden, wirkt eine rückstellende magnetische Kraft zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14, die eine rotatorische Kupplung zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14 bewirkt und ein Mitdrehen des abtriebsseitigen Permanentmagnetelements 14 mit dem antriebsseitigen Permanentmagnetelement 12 zur Folge hat. In einem normalen Betriebszustand bei normalen Lasten drehen sich die Permanentmagnetelemente 12, 14 aufgrund der magnetischen Kupplung somit gemeinsam, so dass ein Drehmoment vom Antrieb auf den Abtrieb übertragen werden kann.
Übersteigt die zwischen den Wellen 111, 131 wirkende Last jedoch ein vorbestimmtes Grenzdrehmoment, das durch die magnetische Anziehungskraft zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14 bestimmt ist, so kommt es zu einem Durchrutschen der Kupplung, weil das magnetische Haltemoment die wirkende (Über-)Last nicht auffangen kann. Das Durchrutschen erfolgt hierbei solange, bis das Lastmoment wiederum unter das Grenzdrehmoment fällt. Ist dies der Fall, nehmen die Permanentmagnetelemente 12, 14 wiederum eine Stellung zueinander ein, in der ein Nordpol N des einen Permanentmagnetelements 12, 14 einem Südpol S des anderen Permanentmagnetelements 14, 12 magnetisch anziehend gegenübersteht (und umgekehrt) und somit wiederum eine magnetische Kupplung zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14 hergestellt ist.
Der Verlauf des durch die magnetischen Anziehungskräfte bewirkten Moments M über dem Winkel β zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14 ist in 4D dargestellt. Das Moment M verläuft sinusförmig mit einer Periodenweite α, die der Periodenweite α der Magnetpole N, S an den Permanentmagnetelementen 12, 14 entspricht (siehe 3). Bei geringfügiger Auslenkung, wie in 4B dargestellt, steigt das Haltemoment zunächst, bis es einen Maximalwert Mmax erreicht. Danach fällt es ab und kreuzt die Nulllinie bei einem Winkel β, der einer Stellung der Permanentmagnetelemente 12, 14 zueinander entspricht, an der sich gerade gleichnamige Pole, also ein Nordpol N einem anderen Nordpol N und ein Südpol S einem anderen Südpol S, der Permanentmagnetelemente 12, 14 gegenüberstehen. Nach Kreuzen der Nulllinie wird das Haltemoment negativ, so dass die weitere Bewegung der Permanentmagnetelemente 12, 14 relativ zueinander magnetisch sogar unterstützt wird, bis wiederum eine kuppelnde Stellung, in der sich ungleichnamige Pole N, S magnetisch anziehend gegenüberstehen (siehe 4C), erreicht ist.
Das Grenzdrehmoment entspricht dem maximalen Haltemoment Mmax. Ist das zwischen den Wellen 111, 131 wirkende Lastmoment größer als dieses Grenzdrehmoment Mmax, so rutscht die Kupplung durch, weil die magnetischen Anziehungskräfte nicht ausreichen, um die Permanentmagnetelemente 12, 14 magnetisch in drehfester Weise zueinander zu halten.
Die Kupplungseinrichtung 1 wirkt hierbei beidseitig. So kann die Kupplungseinrichtung 1 in beide Drehrichtungen durchrutschen, wenn das Grenzdrehmoment Mmax in die eine oder andere Drehrichtung überschritten wird.
Die Kupplung zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14 kann rein magnetisch wirken, so dass sogar ein (geringfügiger) axialer Abstand zwischen den Permanentmagnetelementen 12, 14 vorgesehen sein kann. Zusätzlich können die Permanentmagnetelemente 12, 14 – unter Zwischenlage des Zwischenelements 15 – jedoch auch reibend miteinander in Anlage sein, so dass zusätzlich Reibkräfte wirken, die die magnetischen Anziehungskräfte überlagern.
Die Permanentmagnetelemente 12, 14 sind scheibenförmig mit im Wesentlichen kreisförmiger Gestalt ausgebildet. Die Permanentmagnetelemente 12, 14 können beispielsweise durch Sintern aus einem Neodym-Material hergestellt sein.
Die Trägerelemente 11, 13 sind vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Stahl, hergestellt und dienen zum einen zum Tragen der Permanentmagnetelemente 12, 14 und zum anderen auch als magnetischer Rückschluss zum Leiten des durch die Magnetpole N, S der Permanentmagnetelemente 12, 14 erzeugten magnetischen Flusses.
Die Kupplungseinrichtung 1 kann beispielsweise Bestandteil eines Spindelantriebs 3 sein, wie er in einem Ausführungsbeispiel schematisch in 5A und 5B dargestellt ist.
Bei dem in 5A und 5B dargestellten konkreten Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung 3 in Form eines Spindelantriebs weist die Antriebsvorrichtung 3 eine Spindel 32 auf, die sich entlang einer Längsachse L erstreckt, drehbar an einem Gehäuse 30 angeordnet ist und mit einem Elektromotor 34 in Verbindung steht.
Die Spindel 32 weist an ihrer äußeren Mantelfläche ein Außengewinde auf, das mit einem Innengewinde in einer Bohrung 313 einer Spindelmutter 310 in Eingriff steht. Die Spindelmutter 310 ist drehfest an einem (Innen-)Rohr einer Schubstange 31 gehalten, das über eine von der Spindelmutter 310 abgewandte Stirnseite 314 in einem Hüllrohr 312 gelagert ist. Das Hüllrohr 312 ist an dem Gehäuse 30 entlang der Längsachse L verschiebbar (aber drehfest) gelagert, so dass über das Hüllrohr 312 auch das Rohr 311 an dem Gehäuse 30 geführt ist.
An der Stirnseite 314 der Schubstange 31 ist eine Koppelstelle 301 zum (schwenkbaren) Koppeln der Schubstange 31 mit der z.B. mit einer Heckklappe 20 (siehe z.B. 6) angeordnet. Demgegenüber weist das Gehäuse 30 an einem der Schubstange 31 abgewandten Ende eine Koppelstelle 300 auf, über das das Gehäuse 30 z.B. mit der Karosserie 21 (schwenkbar) gekoppelt ist.
Im Betrieb der Antriebsvorrichtung 3 versetzt der Elektromotor 34 die Spindel 32 in eine Drehbewegung um die Längsachse L. Aufgrund des Gewindeeingriffs der Spindelmutter 310 mit der Spindel 32 und der festen Verbindung der Spindelmutter 310 mit der Schubstange 31 rollt die Spindelmutter 310 an der Spindel 32 ab, so dass die Spindelmutter 310 entlang der Längsachse L relativ zu der Spindel 32 verstellt wird und zusammen mit der Spindelmutter 310 das Rohr 311 und das Hüllrohr 312 verfahren werden und somit die gesamte Schubstange 31 bewegt wird.
5A zeigt die Antriebsvorrichtung 3 in einer ausgefahrenen Stellung, bei der die Spindelmutter 310 an ein dem Getriebe 34 abgewandtes Ende der Spindel 32 verfahren ist. 5B hingegen zeigt die Antriebsvorrichtung 3 in einer eingefahrenen Stellung, bei der die Spindelmutter 310 dem dem Elektromotor 34 zugewandten Ende der Spindel 32 angenähert ist.
Die Schubstange 31 ist über eine Feder 33 in Form einer Druckfeder gegenüber dem Gehäuse 30 vorgespannt und dazu an einer Abstützung 36 an dem Gehäuse 30 abgestützt. Die Vorspannung erfolgt dabei – bei dem dargestellten Beispiel – in Richtung der ausgefahrenen Stellung (siehe 5A), so dass die Feder 33 bei einem Einfahren der Schubstange 31 entgegen der Verstellrichtung V auf Druck gespannt wird, wie dies in 5B dargestellt ist. Mittels der Feder 33 kann, insbesondere bei einer nicht selbsthemmenden Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung 3, ein Rückverstellen der Antriebsvorrichtung 3 in Richtung einer Ausgangsstellung bewirkt werden, so dass beispielsweise ein Schwenkflügel durch Wirkung der Feder 33 nach einem Verstellen automatisch in eine Ausgangsstellung, beispielsweise eine Schließstellung zurückverstellt wird. Ebenso ist möglich, mittels der Feder 33 auf die Heckklappe 20 wirkende Gewichtskräfte auszugleichen. Gegebenenfalls kann auf eine solche Feder 33 aber auch verzichtet werden.
Die Kupplungseinrichtung 1 dient in diesem Fall zur Kopplung des Elektromotors 34 mit der anzutreibenden Spindel 32. Beispielsweise kann die antriebsseitige Welle 111 des Trägerelements 11 mit einer Welle des Elektromotors 34 verbunden sein, während die Welle 131 des ausgangsseitigen Trägerelements 13 mit der Spindel 32 in Wirkverbindung steht. Über die Kupplungseinrichtung 1 können somit Kräfte vom Elektromotor 34 auf die Spindel 32 übertragen werden, um die Spindel 32 zum Verstellen der Spindelmutter 310 anzutreiben.
Durch Zwischenschalten der Kupplungseinrichtung 1 kann der Kraftfluss zwischen dem Elektromotor 34 und der Spindel 32 im Überlastfall unterbrochen werden. Ist beispielsweise eine weitere Bewegung der Schubstange 31 blockiert, so rutscht die Kupplungseinrichtung 1 bei Überschreiten des Grenzdrehmoments Mmax durch und entkoppelt somit die Spindel 32 vom Elektromotor 34. Eine Bauteilbeschädigung an der Antriebsvorrichtung kann somit vermieden werden.
Wie aus 6 ersichtlich kann eine Antriebsvorrichtung 3 dieser Art beispielsweise zum Verstellen einer Heckklappe 20 eines Fahrzeugs 2 dienen. Die Antriebsvorrichtung 3 wirkt in sich bekannter Weise zwischen der Heckklappe 20 und einer Karosserie 21 des Fahrzeugs 2.
Grundsätzlich kann eine Antriebsvorrichtung 3 der hier beschriebenen Art aber auch zum Verstellen gänzlich anders gearteter Fahrzeugteile Verwendung finden.
Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch in gänzlich anders geartete Ausführungsformen verwirklichen.
Insbesondere kann eine Kupplungseinrichtung der hier beschriebenen Art beispielsweise auch bei einer anderen Verstelleinrichtung in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen. Die Verwendung einer solchen Kupplungseinrichtung ist hierbei auch nicht auf einem Spindelantrieb beschränkt, sondern kann ganz generell bei unterschiedlich gearteten Antriebsvorrichtungen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungseinrichtung
10: Gehäuse
100, 101: Gehäuseteil
102, 103: Öffnung
104: Innenraum
11: Trägerelement
111: Antriebswelle
112: Achsstummel
12: Permanentmagnetelement
120: Öffnung
121: Kupplungsfläche
13: Trägerelement
131: Abtriebswelle
132: Achsstummel
130: Öffnung
14: Permanentmagnetelement
140: Öffnung
141: Kupplungsfläche
15: Zwischenelement
151, 152: Seite
2: Fahrzeug
20: Heckklappe
21: Karosserie
3: Antriebsvorrichtung
30: Gehäuse
300: Koppelstelle
301: Koppelstelle
31: Schubstange
310: Spindelmutter
311: Rohr
312: Hüllrohr
313: Bohrung
314: Stirnseite
32: Spindel
33: Druckfeder
34: Motor
36: Abstützung
α, β: Winkel
D1, D1', D2, D2': Drehrichtung
L: Längsachse
M: Drehmoment
M_max: Maximales Drehmoment
V: Verstellrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005005648 A1 [0006]
DE 102006042023 A1 [0007]

Claims

Kupplungseinrichtung (1) für eine Antriebsvorrichtung (3) eines Fahrzeugs (4), mit – einer Antriebswelle (111), – einer Abtriebswelle (131), – einem mit der Antriebswelle (111) verbundenen, ersten Kupplungselement (11, 12), und – einem mit der Abtriebswelle (131) verbundenen, zweiten Kupplungselement (13, 14), das in einem Kupplungszustand zum gemeinsamen Verdrehen der Abtriebswelle (131) mit der Antriebswelle (111) mit dem ersten Kupplungselement (11, 12) gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kupplungselement (11, 12) ein erstes Permanentmagnetelement (12) und das zweite Kupplungselement (13, 14) ein zweites Permanentmagnetelement (14) aufweisen, wobei das erste Permanentmagnetelement (12) und das zweite Permanentmagnetelement (14) jeweils mindestens ein Paar von ungleichnamigen Magnetpolen (N, S) aufweisen und sich die Magnetpole (N, S) des ersten Permanentmagnetelements (12) und des zweiten Permanentmagnetelements (14) in dem Kupplungszustand magnetisch anziehend gegenüberstehen.
Kupplungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überlastzustand, wenn ein zwischen der Antriebswelle (111) und der Abtriebswelle (131) wirkendes Drehmoment ein vorbestimmtes Grenzdrehmoment (M_max) übersteigt, das erste Permanentmagnetelement (12) und das zweite Permanentmagnetelement (14) relativ zueinander verdrehbar sind.
Kupplungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (111) und die Abtriebswelle (131) um eine Längsachse (L) drehbar gelagert sind.
Kupplungseinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Permanentmagnetelement (12) und das zweite Permanentmagnetelement (14) jeweils scheibenförmig quer zur Längsachse (L) erstreckt sind.
Kupplungseinrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (N, S) des mindestens einen Paares von Magnetpolen (N, S) eines jeden Permanentmagnetelements (12, 14) umfänglich um die Längsachse (L) zueinander versetzt sind.
Kupplungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ungleichnamigen Magnetpole (N, S) des mindestens einen Paares von Magnetpolen (N, S) eines jeden Permanentmagnetelements (12, 14) umfänglich um die Längsachse (L) derart periodisch angeordnet sind, dass auf einen Nordpol (N) ein Südpol (S) und auf den Südpol (S) wiederum ein Nordpol (N) folgt.
Kupplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Permanentmagnetelement (12) eine erste Kupplungsfläche (121) und das zweite Permanentmagnetelement (14) eine zweite Kupplungsfläche (141) aufweisen, wobei die erste Kupplungsfläche (121) und die zweite Kupplungsfläche (141) einander zugewandt sind.
Kupplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Permanentmagnetelement (12) und dem zweiten Permanentmagnetelement (14) ein Zwischenelement (15) angeordnet ist, das eine erste Seite (151), an der das erste Permanentmagnetelement (111) anliegt, und eine der ersten Seite (151) abgewandte, zweite Seite (152), an der das zweite Permanentmagnetelement (14) anliegt, aufweist.
Kupplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Permanentmagnetelement (12) mit einem aus einem ferromagnetischen Material gefertigten, ersten Trägerelement (11) und das zweite Permanentmagnetelement (14) mit einem aus einem ferromagnetischen Material gefertigten, zweiten Trägerelement (13) drehfest verbunden sind.
Kupplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kupplungselement (11, 12) und das zweite Kupplungselement (13, 14) in einem zylindrischen Gehäuse (10) drehbar gelagert sind.
Antriebsvorrichtung (3) mit einer Kupplungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (3) als Spindelantrieb mit einem elektromotorischen Antrieb (34), einer durch den Antrieb (34) antreibbaren Spindel (32) und einer mit der Spindel (32) in Gewindeeingriff stehenden Spindelmutter (310) ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (2) einen Antrieb zum Verstellen einer Heckklappe (40) eines Fahrzeugs (4) ausbildet.