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Die Erfindung betrifft eine schaltbare Kupplung zur Drehmomentübertragung, umfassend eine drehbar angetriebene Eingangswelle, eine koaxial dazu angeordnete Abtriebswelle und einen zwischen beiden Wellen agierenden Kupplungsmechanismus.
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Derartige Kupplungen sind in vielfachen Ausführungsformen bekannt und beispielsweise durch sogenannte Klauenkupplungen seit Langem verwirklicht. Als Stand der Technik dazu ist beispielsweise die
GB 814 170 A zu nennen, bei der der Kupplungsmechanismus durch eine vielteilige Klauenkupplung mit einem Antriebselement auf der Eingangswelle versehen ist, das in Axialrichtung verschiebbar und mit einem die Abtriebswelle bildenden Zahnrad über eine Stirnverzahnung in und außer Eingriff bringbar ist.
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Die Steuerung des Eingriffes durch axiale Verschiebung des Antriebselementes auf der Antriebswelle erfolgt durch eine so bezeichnete Steuertasse, die auf einem Flansch des Antriebselementes frei axial verschiebbar ist. Diese Steuertasse wirkt über eine entsprechende Verzahnung mit einem Steuerring auf der Abtriebswelle zusammen, wobei durch ein gesteuertes Blockieren der Steuertasse über diese Verzahnung letztere axial verschoben und so die Verzahnung zwischen dem Antriebselement und der Abtriebswelle außer Eingriff gebracht wird. Durch eine Aufhebung der Blockierung kann die Steuertasse unter dem Einfluss einer axialen Feder auf der Antriebswelle wieder verschoben und somit der Eingriff zwischen Antriebselement und Abtriebswelle wieder hergestellt werden.
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Bei der bekannten Kupplung ist von Nachteil, dass diese eine Vielzahl von Einzelteilen aufweist, die relativ aufwändig ineinander zu montieren sind. Darüber hinaus ist der Blockiermechanismus für die Steuertasse durch einen relativ groß bauenden Ratschenmechanismus gebildet, wodurch diese Kupplung einen relativ voluminösen Montageraum benötigt.
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Aus der
DE 37 35 823 A1 ist eine schaltbare Kupplung der gattungsgemäßen Art bekannt, bei der ein Drehglied mit einer der beiden Wellen gekuppelt wird, um dazwischen zwei unterschiedliche Kupplungszustände zu schaffen. In einem ersten Zustand ist das Drehglied frei drehbar und die Drehung zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle wird übertragen. Im zweiten Zustand kann sich die Eingangswelle relativ zur Ausgangswelle drehen. Die Kraftübertragung ist entsprechend unterbrochen. Das Drehglied und die eine Welle werden zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung in den beiden genannten Zuständen relativ zueinander um einen Winkel gedreht, um dadurch Kupplungskugeln in einer der Wellen in und außer Eingriff mit der zweiten Welle zu bringen. Das Drehglied wird im kraftunterbrochenen Zustand der Kupplung durch eine Scheibenbremse angehalten.
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Auch diese vorbekannte Kupplung ist konstruktiv relativ aufwändig gebaut, wobei die Kraftübertragung lediglich durch die die Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangswelle herstellende Kugeln gewährleistet ist. Insoweit macht diese Kupplung einen wenig robusten Eindruck, wozu auch die filigranen Federn zwischen dem Drehglied und der Ausgangswelle zur Relativverschiebung dieser beiden Komponenten und der entsprechenden Verschiebung der Kugeln beitragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schaltbare Kupplung zu schaffen, die sich durch einen einfachen, robusten Aufbau mit einer geringen Teilezahl und flexible Ansteuerbarkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 angegebenen, folgenden Merkmale gelöst:
- – eine auf der Eingangswelle drehfest, jedoch axial verschiebbar gelagerte Kupplungsmuffe, die mit Formschlusselementen zur drehfesten Kopplung mit der Abtriebswelle, mit mindestens einem Rampenelement zur axialen Verschiebung der Kupplungsmuffe sowie mit einem in axialer Richtung wirkenden Beaufschlagungselement zur Beaufschlagung der Kupplungsmuffe in Richtung des Axialeingriffes ihrer Formschlusselemente mit der Abtriebswelle versehen ist,
- – eine relativ zur Abtriebswelle frei drehbar gelagerte, jedoch axial festgelegte Steuermuffe mit mindestens einem Steuerelement, das in Eingriff mit dem mindestens einen Rampenelement der Kupplungsmuffe steht und durch eine relative Drehverschiebung von Steuermuffe und Kupplungsmuffe zueinander eine axiale Bewegung der Kupplungsmuffe entgegen dem Beaufschlagungselement zur Steuerung des Eingriffs zwischen der Kupplungsmuffe und der Abtriebswelle hervorruft, sowie
- – eine auf die Steuermuffe wirkende, in ihrer Bremskraft steuerbare Bremseinrichtung zur Erzeugung der relativen Drehverschiebung von Steuermuffe und Kupplungsmuffe.
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Anders als beim Stand der Technik ist der Kupplungsmechanismus nur durch drei Grundkomponenten, nämlich der Kupplungsmuffe, der Steuermuffe und der Bremseinrichtung gebildet. Da die Kupplungsmuffe sowohl mit Formschlusselementen zur drehfesten Kopplung mit der Abtriebswelle als auch mit entsprechenden Rampenelementen zur Steuerung der Axialverschiebung versehen ist, erfüllt ein und dasselbe Bauteil mehrfache Funktionen, die beim Stand der Technik durch unterschiedliche Bauteile realisiert sind.
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Die Ansteuerung der Kupplungsmuffe erfolgt dabei in funktional einfacher Weise durch die Steuermuffe, die mit entsprechenden Steuerelementen auf die Rampenelemente der Kupplungsmuffe einwirkt und dementsprechend eine Axialverschiebung zum Ein- und Ausrücken der Kupplung hervorruft. Angesteuert wird diese Axialverschiebung durch die Bremseinrichtung, die durch die steuerbare Bremskraft eine gezielte Verschiebebewegung zum Ein- und Ausrücken der Kupplung erzeugen kann.
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Die abhängigen Ansprüche kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes. So kann eine drehfeste, aber axial verschiebbare Kopplung zwischen Kupplungsmuffe und Eingangswelle mittels einer dazwischen angeordneten, axial gerichteten Schiebeverzahnung ausgeführt sein. Diese ist zwar konstruktiv einfach, jedoch äußerst robust und in der Lage, hohe Drehmomente zu übertragen.
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Die Formschlusselemente zwischen der Kupplungsmuffe und der Abtriebswelle sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch eine dazwischen angeordnete Stoßverzahnung gebildet. Damit ist der Kupplungsmechanismus in der Lage, unmittelbar durch eine axiale Verschiebung der Kupplungsmuffe die Drehmomentübertragung zwischen Eingangswelle und Abtriebswelle herzustellen beziehungsweise zu unterbrechen.
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Zur Bereitstellung von zwei Abschalt- beziehungsweise Zuschaltrichtungen für den Kupplungsmechanismus kann gemäß bevorzugter Weiterbildungen zum einen die Kupplungsmuffe mit mindestens zwei, jeweils in zueinander unterschiedlichen Drehrichtungen weisenden Rampenelementen versehen sein. Analog dazu kann die Steuermuffe mit mindestens zwei, jeweils in zueinander unterschiedlichen Drehrichtungen weisenden Steuerelementen zum Eingriff mit den Rampenelementen der Kupplungsmuffe versehen sein. Damit ist die erfindungsgemäße Kupplung in beiden Antriebs- und Abtriebsdrehrichtungen zu- und abschaltbar.
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Durch die bevorzugtermaßen vorgesehene Anordnung eines Anschlagnockens mit Abstand nach dem mindestens einen Rampen- und/oder Steuerelement einer Kupplungs- und/oder Steuermuffe kann der offene Zustand der Kupplung definiert angesteuert und gehalten werden.
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Sofern dieser Anschlagnocken gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine parallel zur Axialrichtung verlaufende Anschlagfläche aufweist, wirkt der Anschlagnocken als Sperre, wodurch der Kupplungsmechanismus auf eine Abschalt- und eine Zuschaltrichtung begrenzt wird.
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Die Bremseinrichtung ist vorzugsweise durch eine elektromagnetisch betätigbare Bremse mit einer drehfest auf der Steuermuffe angeordneten Bremsscheibe gebildet. Eine solche „Magnetbremse“ ist sehr effizient, da die Bremskrafterzeugung ohne Luftspalt erfolgen kann. Die elektrische Betätigungsenergie kann dabei noch durch das in axialer Richtung wirkende Beaufschlagungselement für die Kupplungsmuffe, das vorzugsweise durch eine vorgespannte, auf der Eingangswelle sitzende Schraubendruckfeder gebildet ist, minimiert werden, da dadurch mechanische Fremdenergie in die Bremseinrichtung einbezogen werden kann.
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Die schaltbare Kupplung kann ferner ein bistabiles Schaltverhalten aufweisen, indem durch die elektromagnetisch betätigbare Bremse unterschiedliche Bremsmomente etwa durch Ansteuerung der Magnetbremse mit zwei unterschiedlichen Stromniveaus erzeugt werden.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer schaltbaren Kupplung in geschlossenem Schaltzustand,
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2A und 2B schematische Schnittdarstellungen der Rampen- und Steuerelemente der Kupplungs- und Steuermuffe in geschlossenem und getrenntem Zustand der Kupplung gemäß 1,
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3A und 3A Schnittdarstellungen analog 2A und 2A einer ersten alternativen Ausführungsform der Rampen- und Kupplungselemente, sowie
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4A und 4B eine Schnittdarstellung analog 2A und 2B in einer zweiten alternativen Ausführungsform der Rampen- und Steuerelemente.
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Die in 1 in ihrer Gesamtheit dargestellte schaltbare Kupplung zur Übertragung eines Drehmomentes M(t) weist eine drehbar mit einer Drehgeschwindigkeit ω angetriebene Eingangswelle 1 und eine koaxial dazu angeordnete Abtriebswelle 2. Zwischen den beiden Wellen 1, 2 ist der als Ganzes mit 3 bezeichnete Kupplungsmechanismus angeordnet, mit dessen Hilfe der Kraftschluss zwischen Eingangs- und Abtriebswelle 1, 2 unterbrochen und geschlossen werden kann.
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Der Kupplungsmechanismus 3 weist als Hauptkomponenten eine auf der Eingangswelle 1 drehfest, jedoch axial verschiebbare Kupplungsmuffe 4, eine relativ zur Abtriebswelle 2 frei darauf drehbar gelagerte, jedoch axial festgelegte Steuermuffe 5 sowie eine auf letztere wirkende, in ihrer Bremskraft steuerbare Bremseinrichtung 6 auf.
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Die Kupplungsmuffe 4 ist mittels einer zwischen ihr und der Umfangsfläche der Eingangswelle 1 angeordnete Schiebeverzahnung 7 in der erwähnten Weise drehfest und axial verschiebbar auf der Eingangswelle 1 gelagert, wobei ein Beaufschlagungselement in Form einer vorgespannten Schraubendruckfeder 8 vorgesehen ist. Letztere ist zwischen der Rückseite 9 der Kupplungsmuffe 4 und einem axial auf der Eingangswelle 1 festgelegten Sprengring 11 vorgespannt eingesetzt und beaufschlagt damit die Kupplungsmuffe 4 in noch näher zu erörternder Weise bei ihrer Schließbewegung in Axialrichtung A des Kupplungsmechanismus 3.
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Für die Drehmomentübertragung in geschlossenem Zustand des Kupplungsmechanismus 3 sind in der Kupplungsmuffe 4 an der in Axialrichtung A weisenden Zwischenwand 11 in der Innenöffnung der Kupplungsmuffe 4 und der entgegengesetzt dazu weisenden Stirnwand 12 der Abtriebswelle 2 eine nach Art einer Klauenkupplung wirkenden Stoßverzahnung 13 vorgesehen. In der in 1 gezeigten geschlossenen Stellung des Kupplungsmechanismus 3 greift diese Stoßverzahnung 13 zwischen Kupplungsmuffe 4 und Abtriebswelle 2 ineinander, so dass das Drehmoment der Eingangswelle 1 über die drehfest damit gekoppelte Kupplungsmuffe 4 und die Stoßverzahnung 13, deren ineinandergreifende Zähne als Formschlusselemente zwischen diesen beiden Elementen dienen, auf die Abtriebswelle 2 übertragen wird.
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Zur Steuerung des Kupplungsmechanismus zwischen der in 1 gezeigten geschlossenen Stellung und der geöffneten Stellung dient die Steuermuffe 5 zusammen mit der Bremseinrichtung 6. Die Kupplungsmuffe 4 weist in diesem Zusammenhang in Umfangsrichtung ansteigende Rampenelemente 14 auf, die mit entsprechenden, rampenförmigen Steuerelementen 15 an der Steuermuffe 5 kooperieren. Rampen- und Steuerelemente 14, 15 gehen in eine quer zur Axialrichtung A der Anordnung verlaufende Plattform 16, 17 über, an die sich jeweils ein Anschlagnocken 18, 19 anschließt. Der Steigungswinkel SA der Anschlagnocken 18, 19 bezogen auf eine Richtung quer zur Axialrichtung A ist größer als der Steigungswinkel SR der Rampen- und Steuerelemente 14, 15. Der Zweck dieser konstruktiven Maßnahme wird im Folgenden noch näher erörtert.
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Die Steuermuffe 5 ist auf der Abtriebswelle 2 mit Hilfe eines Axiallagers 20 und eines dieses fixierenden Sprengrings 21 auf der Abtriebswelle 2 frei drehbar, jedoch axial fixiert gelagert.
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Die Bremseinrichtung 6 weist eine elektromagnetisch betätigbare Bremse 22 mit einer drehfest auf der Steuermuffe 5 gelagerten Bremsscheibe 23 auf. Ferner ist ein topfförmiger Anker 24 vorgesehen, der konzentrisch zu den Wellen 1, 2 angeordnet und dessen Bodenöffnung 25 die Steuermuffe 5 umgibt. Im Anker 24 sitzt die Spule 26 mit dem Rückschlussring 27 der Bremse 22. Die Bremsscheibe läuft mit ihren ringförmigen Bremsbelägen 28 im Luftspalt 29 zwischen Anker 24 und Rückschlussring 27 mit Spule 26 der Bremse 22. Durch Bestromung der Spule 26 wird auf die Bremsscheibe 23 eine steuerbare Bremskraft übertragen, wodurch der Kupplungsmechanismus 3 wie folgt steuerbar ist:
Wird bei drehenden Wellen 1, 2 in der in 1 gezeigten geschlossenen Stellung der Kupplung eine Bremskraft auf die Bremsscheibe 23 und damit die Steuermuffe 5 aufgebracht, wird ein Gegendrehmoment G gegen das übertragene Drehmoment M erzeugt. Dieses Gegendrehmoment G führt dazu, dass über die Rampen- und Steuerelemente 14, 15 die Kupplungsmuffe 4 entgegen der Beaufschlagung durch die Schraubendruckfeder 8 in Öffnungsrichtung O verschoben wird, so dass schließlich die Stoßverzahnung 13 zwischen Kupplungsmuffe 4 und Abtriebswelle 2 außer Eingriff gelangt. Dieser Zustand wird spätestens erreicht, wenn die Kupplungsmuffe 4 und Steuermuffe 5 so weit relativ zueinander drehverschoben sind, bis sie mit den Plattformen 16, 17 aufeinander sitzen. Aufgrund des gegenüber dem Steigungswinkel SR der Rampen größeren Steigungswinkels SA der Anschlagnocken 18, 19 wird bei drehender Eingangswelle 1 dieser Zustand durch eine stationäre Bremskraft an der Bremsscheibe, erzeugt durch ein erstes stabiles Stromniveau, aufrechterhalten. Die Bremskraft ist nicht ausreichend, dass die steileren Anschlagnocken 18, 19 überwunden werden.
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Zum Schließen des Kupplungsmechanismus 3, das bei sich drehender Eingangswelle 1 stattfindet, wird die Bremskraft durch Ansteuerung der Bremse 22 mit einem zweiten, höheren Stromniveau gesteigert, so dass unter gegenseitiger Überwindung der Anschlagnocken 18, 19 die Kupplungsmuffe 4 in Axialrichtung A frei wird und unter Einfluss der Schraubendruckfeder 8 wieder in die in 1 gezeigte Schließstellung des Kupplungsmechanismus unter Eingriff der Stoßverzahnung 13 mit der Abtriebswelle 2 geschlossen wird.
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Wie in 2a und 2b verdeutlicht wird, weist die in 1, 2A und 2B gezeigte Ausführungsform eine Abschaltrichtung auf. Die Steuermuffe 5 muss aus der in 2A gezeigten Stellung „nach oben“ (bezogen auf die Darstellung) gegenüber der Kupplungsmuffe 4 verschoben werden. Zum Zuschalten der Kupplung stehen zwei Richtungen zur Verfügung, wie aus 2B deutlich wird. Die Steuermuffe 5 kann nämlich „nach oben“ unter Überwindung der beiderseitigen Anschlagnocken 18, 19 oder „nach unten“ relativ zur Kupplungsmuffe 4 verschoben werden, um den Kupplungseingriff herzustellen.
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Bei der in 3A und 3B gezeigten Alternative sind Kupplungsmuffe 4 und Steuermuffe 5 mit jeweils zwei in zueinander unterschiedliche Drehrichtungen weisenden Rampenelementen 14 beziehungsweise Steuerelementen 15 versehen. Zwischen diesen einander abgewandten Rampen- beziehungsweise Steuerelementen sind jeweils beiderseits von Plattformen 16, 17 flankiert wieder die Anschlagnocken 18, 19 vorgesehen. Diese Konfiguration weit zwei Abschaltrichtungen auf, da – wie in 3A angedeutet ist – die Steuermuffe 5 sowohl „nach oben“ als auch „nach unten“ relativ zur Kupplungsmuffe 4 verschoben werden kann und dabei die Ausrückbewegung der Kupplungsmuffe 4 zum Öffnen des Kupplungsmechanismus 3 erzeugt wird.
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Die beiden Zuschaltrichtungen analog der Ausführungsform gemäß 2A und 2B werden in 3B deutlich. Die Steuermuffe 5 kann aus der in 3B gezeigten Position sowohl „nach oben“ als auch „nach unten“ – dann unter Überwindung der Anschlagnocken 18, 19 – verschoben werden, um die Kupplungsmuffe 4 in Axialrichtung A zum Einrücken des Kupplungsmechanismus freizugeben.
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Bei der in 4A und 4B gezeigten Konfiguration sind die Anschlagnocken mit einer parallel zur Axialrichtung A verlaufenden Anschlagfläche 30 versehen. Der Steigungswinkel SA dieser Nocken beträgt also 90°, so dass durch die Anschlagnocken keine Rampenfunktion mit erfüllt werden kann. Demzufolge weist die in 4A und 4B gezeigte alternative Ausführungsform lediglich eine Abschaltrichtung, nämlich durch eine Verdrehung der Steuermuffe 5 „nach oben“ aus der in 4A gezeigten Stellung, sowie eine Zuschaltrichtung, nämlich „nach unten“ aus der in 4B gezeigten Konfiguration relativ zur Kupplungsmuffe 4 auf. In der in 4B gezeigten Stellung kann bei einem Beaufschlagen der Steuermuffe 5 „nach oben“ ihr Anschlagnocken 19 aufgrund des 90°-Steigungswinkels SA den Anschlagnocken 18 nicht überwinden.
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Wie aus den Ausführungen im Zusammenhang mit den 2 bis 4 deutlich wird, weist die erörterte Kupplung durch Ansteuerung der Bremse 22 mit zwei Stromniveaus ein bistabiles Schaltverhalten auf. Die elektrische Betätigungsenergie ist dabei minimiert, da nach Art eines „mechanischen Transistors“ mechanische Fremdenergie aus der Schraubendruckfeder 8 zu Hilfe genommen wird.
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Ferner ist darauf hinzuweisen, dass über die Steigungswinkel SR der Rampen- und Steuerelemente 14, 15 die Höhe der von der Bremse aufzubringenden Bremskraft beeinflusst werden kann. Durch eine flache Steigung kann ein hohes Übersetzungsverhältnis realisiert werden. Dann sind kleine Bremsmomente und entsprechend geringe Betätigungsströme bei hohen erreichbaren Schaltkräften ausreichend. Alternativ zu der gezeigten elektromagnetisch betätigten Scheibenbremse können auch eine Bandbremse oder andere Bremskonzepte eingesetzt werden. Bei Weglassung der Anschlagnocken 18, 19 kann der geöffnete Schaltzustand des Kupplungsmechanismus 3 durch eine intelligente Ansteuerung der Bremse gehalten werden. Beispielsweise kann eine drehzahlabhängige Bestromungszeitsteuerung durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangswelle
- 2
- Abtriebswelle
- 3
- Kupplungsmechanismus
- 4
- Kupplungsmuffe
- 5
- Steuermuffe
- 6
- Bremseinrichtung
- 7
- Schiebeverzahnung
- 8
- Schraubendruckfeder
- 9
- Rückseite
- 10
- Sprengring
- 11
- Zwischenwand
- 12
- Stirnwand
- 13
- Stoßverzahnung
- 14
- Rampenelemente
- 15
- Steuerelemente
- 16
- Plattform
- 17
- Plattform
- 18
- Anschlagnocken
- 19
- Anschlagnocken
- 20
- Axiallager
- 21
- Sprengring
- 22
- EM-Bremse
- 23
- Bremsscheibe
- 24
- Anker
- 25
- Bodenöffnung
- 26
- Spule
- 27
- Rückschluss-Ring
- 28
- Bremsbelag
- 29
- Luftspalt
- 30
- Anschlagfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 814170 A [0002]
- DE 3735823 A1 [0005]
