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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung, umfassend mindestens einen Innenring und mindestens einen Außenring sowie mindestens eine radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Kupplungsscheibe.
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Beispielsweise geht aus der
DE 10 2016 210 104 B3 eine Kupplungsvorrichtung hervor, umfassend einen Innenring und einen Außenring sowie mindestens eine radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Kupplungsscheibe. Die Kupplungsscheibe ist aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter sowie durch einen Käfig elastisch miteinander verbundener Segmente ausgebildet, wobei die Segmente in einem unbetätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung lediglich an dem Außenring zur Anlage kommen, und wobei die Segmente in einem betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung auch an dem Innenring zur Anlage kommen, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Innenring und dem Außenring zu generieren. Der Außenring weist an einer Innenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen auf, die mit korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen an einer jeweiligen Außenumfangsfläche des jeweiligen Segments zusammenwirken. An einer Außenumfangsfläche des Innenrings ist eine im Querschnitt trapezförmige Nut zur radialen Aufnahme der Kupplungsscheibe ausgebildet, wobei die Kupplungsscheibe an dieser umlaufenden Aufnahmestelle im Wesentlichen keilförmig und komplementär zur Nut ausgebildet ist. Somit ist die Kupplungsscheibe passend zur Nut angeschrägt wodurch sich die Anlagefläche zwischen dem jeweiligen Segment und dem Innenring erhöht. Mithin vergrößert sich durch die derart ausgebildete Nut die Normalkraft und somit auch das Reibmoment zwischen dem jeweiligen Segment und dem Innenring.
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Ferner ist aus der
DE 10 2016 222 443 B3 eine Freilaufvorrichtung bekannt, umfassend einen Innenring und einen Außenring sowie mehrere in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnete Keilelemente, die radial zwischen dem Innenring und dem Außenring vorgesehen sind. Eine Innenumfangsfläche des Außenrings ist zylindrisch ausgebildet. Der Innenring weist an einer Außenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen auf, wobei die jeweilige Rampe am Innenring mit einer jeweiligen korrespondierend dazu ausgebildeten Rampe an dem jeweiligen Keilelement zusammenwirkt, um bei einer ersten Rotation des Innenrings eine Freilauffunktion zwischen dem Innenring und dem Außenring zu ermöglichen und bei einer zweiten Rotation des Innenrings, die entgegengesetzt zur ersten Rotation ist, eine Sperrfunktion zwischen dem Innenring und dem Außenring zu ermöglichen. Die Keilelemente sind in einer umlaufenden Nut am Außenring geführt. Der Nutgrund ist insbesondere keilförmig ausgebildet und verjüngt sich somit zunehmend nach außen hin. Die Keilelemente sind korrespondierend zur Nut ausgebildet.
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In Abhängigkeit der Fertigungstoleranzen können sich bei der Paarung einer keilförmigen Nut mit einer zumindest teilweise in der Nut zur Anlage kommenden Kupplungsscheibe, die eine korrespondierend zur Nut ausgebildete Geometrie aufweist, ungünstige Kontaktstellen, insbesondere Kantenkontakte statt Flächenkontakte und hohe Spannungen insbesondere im Nutgrund ergeben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kupplungsvorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass Fertigungstoleranzen nicht zu ungünstigen Kontaktstellen und hohen Spannungen führen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 4. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung, die das zuvor beschriebene Problem löst, umfasst mindestens einen Innenring und mindestens einen Außenring sowie mindestens eine radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Kupplungsscheibe, wobei der Außenring an einer Innenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen aufweist, die mit korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen an einer Außenumfangsfläche der Kupplungsscheibe zusammenwirken, wobei der Innenring an einer Außenumfangsfläche eine im Querschnitt trapezförmige Nut zur radialen Aufnahme der Kupplungsscheibe aufweist, wobei die Kupplungsscheibe einen umlaufenden radial inneren Abschnitt aufweist, der im Wesentlichen keilförmig ausgebildet ist, und wobei die Kupplungsscheibe in einem unbetätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung lediglich an dem Außenring zur Anlage kommt, wobei die Kupplungsscheibe in einem betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung auch in der Nut am Innenring zur Anlage kommt, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Innenring und dem Außenring zu generieren, wobei der radial innere Abschnitt der Kupplungsscheibe im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist und zwei ballige Schenkel zum Anschmiegen des radial inneren Abschnitts der Kupplungsscheibe an die Nut und Reduzieren einer Spannung im Nutgrund aufweist.
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Eine alternative erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung, die das zuvor beschriebene Problem löst, umfasst mindestens einen Innenring und mindestens einen Außenring sowie mindestens eine radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Kupplungsscheibe, wobei der Innenring an einer Außenumfangsfläche eine Vielzahl von Rampen aufweist, die mit korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen an einer Innenumfangsfläche der Kupplungsscheibe zusammenwirken, wobei der Außenring an einer Innenumfangsfläche eine im Querschnitt trapezförmige Nut zur radialen Aufnahme der Kupplungsscheibe aufweist, wobei die Kupplungsscheibe einen umlaufenden radial äußeren Abschnitt aufweist, der im Wesentlichen keilförmig ausgebildet ist, und wobei die Kupplungsscheibe in einem unbetätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung lediglich an dem Innenring zur Anlage kommt, wobei die Kupplungsscheibe in einem betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung auch in der Nut am Außenring zur Anlage kommt, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Innenring und dem Außenring zu generieren, wobei der radial äußere Abschnitt der Kupplungsscheibe im Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist und zwei ballige Schenkel zum Anschmiegen des radial äußeren Abschnitts der Kupplungsscheibe an die Nut und Reduzieren einer Spannung im Nutgrund aufweist.
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Mit anderen Worten ist die Kupplungsscheibe als Klemmmittel zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgesehen und ermöglichen im betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung eine drehfeste Verbindung zwischen dem Außenring und dem Innenring. Bei Betätigung der Kupplungsvorrichtung kommt die Kupplungsscheibe in der jeweiligen Nut am Innenring oder Außenring zur Anlage. Zur Lösung des Problems ist es völlig unerheblich ob die Nut am Innenring oder Außenring ausgebildet ist. Wesentlich ist, dass der jeweilige Abschnitt der Kupplungsscheibe, der in der Nut zur Anlage kommt, im Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist und zwei ballige Schenkel zum Anschmiegen an die Nut aufweist. Aufgrund der balligen Ausbildung der angeschrägten Flächen an der Kupplungsscheibe wird der Kontakt zwischen der Kupplungsscheibe und den Flanken der trapezförmigen Nut am Innenring oder Außenring nur unwesentlich von den Fertigungstoleranzen der Nut und der Kupplungsscheibe beeinflusst. Die ballige Ausbildung der angeschrägten Flächen an der Kupplungsscheibe ermöglicht das Anschmiegen der Kupplungsscheibe an die Nut und somit stets die Ausbildung eines Flächenkontakts zwischen Kupplungsscheibe und Nut, wobei ein Kantenkontakt zwischen Kupplungsscheibe und Nut sicher vermieden wird. Durch den Flächenkontakt zwischen Kupplungsscheibe und Nut werden insbesondere Spannungen im Nutgrund gesenkt und dadurch der Verschleiß gemindert sowie die Lebensdauer der Kupplungsvorrichtung erhöht. Ferner werden durch den Flächenkontakt zwischen Kupplungsscheibe und Nut Spannungsspitzen an Kanten vermieden.
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Unter einem „im Querschnitt balligen Schenkel“ ist eine konvexe Ausbildung des Schenkels nach außen zu verstehen. Somit ist die jeweilige angeschrägte Seitenfläche an der Kupplungsscheibe, die dazu vorgesehen ist, an der jeweiligen angeschrägten Seitenfläche in der Nut zur Anlage zu kommen ballig bzw. konvex oder bogenförmig nach außen ausgebildet.
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Unter dem „Anschmiegen des jeweiligen Abschnitts der Kupplungsscheibe an die Nut“ ist zu verstehen, dass ein Flächenkontakt zwischen dem jeweiligen Abschnitt der Kupplungsscheibe und der Nut erzeugbar ist, unabhängig von dem jeweiligen Schrägungswinkel und somit unabhängig von Fertigungstoleranzen der Nut. Die Kupplungsscheibe passt sich aufgrund der balligen Ausbildung derart der Nut an, dass zwischen den im Querschnitt balligen Schenkeln und der Nut ein Flächenkontakt realisiert ist und ein Kantenkontakt vermieden wird.
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Vorzugsweise ist ein Aktuator zur Betätigung der Kupplungsvorrichtung vorgesehen. Der Aktuator ist dazu ausgebildet, die Kupplungsvorrichtung zwischen einer Freilauffunktion und einer Sperrfunktion zu schalten. Beispielsweise kann der Aktuator dazu vorgesehen sein die Kupplungsscheibe oder zumindest Teile der Kupplungsscheibe oder weitere Bauteile der Kupplungsvorrichtung zu betätigen, um einen Kontakt zwischen der Kupplungsscheibe und dem Außen- und Innenring zu realisieren.
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Bevorzugt ist die Kupplungsscheibe aus mehreren in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter Keilelemente ausgebildet, wobei an jedem Keilelement eine Rampe ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Kupplungsscheibe in eine Vielzahl von Keilelementen segmentiert, die an ihrer zum Innenring oder zum Außenring gerichteten Anlagefläche jeweils eine Rampe aufweisen und an ihrer zum Außenring oder zum Innenring gerichteten Anlagefläche keine Rampe, sondern eine in der Summe aller Keilelemente zylindrisch ausgebildete Form aufweisen. Vorzugsweise sind die Keilelemente aus einem Metallblech herausgetrennt. Insbesondere sind die Keilelemente aus einem verschleißbeständigen Werkstoff hergestellt. Beispielsweise wird das jeweilige Keilelement durch Sintern hergestellt. Alternativ kann das jeweilige Keilelement entweder aus dem Metallblech ausgestanzt werden oder bei besonders hochfesten Werkstoffen mittels Laser getrennt werden. Bevorzugt werden die Keilelemente zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit einer Wärmebehandlung unterzogen. Insbesondere werden die Keilelemente gehärtet, vorzugsweise durchgehärtet oder carbonitriert.
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Ferner bevorzugt weist jedes Keilelement eine radial nach innen ausgebildete Haltenase auf, die dazu vorgesehen ist, in Umfangsrichtung mit der Rampe am Innenring zusammenzuwirken. In Freilaufrichtung kommt die jeweilige Haltenase des jeweiligen Keilelements tangential an der jeweiligen Rampe am Innenring zur Anlage und erlaubt dadurch ein Mitschleppen der Keilelemente und eine damit verbundene relative Verdrehung zwischen Innenring und Außenring.
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Insbesondere wirkt jede Rampe am Innenring mit der jeweiligen Rampe an der Innenumfangsfläche der Kupplungsscheibe zusammen, um bei einer ersten Rotation des Innenrings eine Freilauffunktion zwischen dem Innenring und dem Außenring zu ermöglichen und bei einer zweiten Rotation des Innenrings, die entgegengesetzt zur ersten Rotation ist, eine Sperrfunktion zwischen dem Innenring und dem Außenring zu ermöglichen. Mithin wird die Kupplungsvorrichtung in Abhängigkeit der Rotation des Innenrings geschaltet. Ein zusätzlicher Aktuator zur Betätigung der Kupplungsvorrichtung wird nicht benötigt.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1a-1c eine jeweilige vereinfachte schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der Auswirkung von Fertigungstoleranzen auf eine Kontaktzone zwischen einer Kupplungsscheibe und einer Nut, die aus dem Stand der Technik bekannt sind,
- 2a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung einer Kontaktzone zwischen einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibe und einer Nut einer Kupplungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2b eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung einer Kontaktzone zwischen einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibe und einer Nut einer Kupplungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3a eine vereinfachte schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Kupplungsvorrichtung gemäß 2a, und
- 3b eine vereinfachte schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Kupplungsvorrichtung gemäß 2b.
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Die 1a, 1b und 1c zeigen jeweilige aus dem Stand der Technik bekannte Kontaktzonen zwischen einer Kupplungsscheibe 20 und einer Nut 21 einer hier nur teilweise dargestellten Kupplungsvorrichtung. In 1a ist in idealer Kontakt zwischen der angeschrägten Kupplungsscheibe 20 und der angeschrägten Nut 21 dargestellt, wobei die Kupplungsscheibe 20 mit ihren keilförmig angeschrägten Seitenflächen 22a, 22b flächig an den keilförmig angeschrägten Seitenflächen 23a, 23b der Nut 21 zur Anlage kommt. Die jeweilige Nut 21 gemäß den 1a-1c ist im Querschnitt trapezförmig ausgebildet. Ferner ist die jeweilige Kupplungsscheibe 20 in einem radial beschränkten Bereich im Querschnitt ebenfalls trapezförmig ausgebildet.
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Die in den 1 b und 1c dargestellte jeweilige Kupplungsscheibe 20 und jeweilige Nut 21 weisen fertigungsbedingt unterschiedliche Schrägungswinkel an den angeschrägten Seitenflächen 22a, 22b, 23a, 23b auf. Durch die unterschiedlichen Schrägungswinkel kommt es zu einem Kantenkontakt zwischen der jeweiligen Kupplungsscheibe 20 und Nut 21, wobei zum einen hohe Kantenpressungen, die mit einem erhöhten Verschleiß einhergehen, und zum anderen hohe Spannungen im Nutgrund generiert werden. Dies senkt insbesondere die Lebensdauer der gesamten Kupplungsvorrichtung und beeinträchtigt unter Umständen auch ihre Funktionsfähigkeit.
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Gemäß 2a wird zur erfindungsgemäßen Lösung des zuvor erläuterten Problems vorgeschlagen, einen radial äußere Abschnitt 12 einer Kupplungsscheibe 3 einer in 3a dargestellten Kupplungsvorrichtung im Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig auszubilden, wobei zwei angeschrägte Seitenflächen 15a, 15b zum Anschmiegen des radial äußeren Abschnitts 12 der Kupplungsscheibe 3 an die trapezförmige Nut 14 ballig beziehungsweise konvex ausgebildet sind. Die Nut 14 ist an einer Innenumfangsfläche eines Außenrings 2 trapezförmig ausgebildet und zur radialen Aufnahme der Kupplungsscheibe 3 vorgesehen. Die Kupplungsscheibe 3 kommt im vorliegend dargestellten betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung sowohl in der Nut 14 am Außenring 2 als auch an einer Rampe 10 an einem Innenring 1 der Kupplungsvorrichtung zur Anlage.
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Gemäß 2b wird zur alternativen erfindungsgemäßen Lösung des zuvor erläuterten Problems vorgeschlagen, einen radial inneren Abschnitt 7 einer Kupplungsscheibe 3 einer in 3b dargestellten Kupplungsvorrichtung im Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig auszubilden, wobei die beiden angeschrägten Seitenflächen 15a, 15b zum Anschmiegen des radial inneren Abschnitts 7 der Kupplungsscheibe 3 an die trapezförmige Nut 6 ballig ausgebildet sind. Die Nut 6 ist an einer Außenumfangsfläche des Innenrings 1 trapezförmig ausgebildet und zur radialen Aufnahme der Kupplungsscheibe 3 vorgesehen. Die Kupplungsscheibe 3 kommt im vorliegend dargestellten betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung sowohl in der Nut 6 am Innenring 1 als auch an einer Rampe 4 an einem Außenring 2 der Kupplungsvorrichtung zur Anlage.
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In 3a ist die Kupplungsvorrichtung, umfassend den Innenring 1 und den Außenring 2 sowie die radial zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 angeordnete Kupplungsscheibe 3 dargestellt. Die Kupplungsscheibe 3 ist aus mehreren in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter Segmente 9 ausgebildet, wobei an jedem Segment 9 eine Rampe 11 ausgebildet ist. Der Innenring 1 weist an seiner Außenumfangsfläche mehrere Rampen 10 auf, die mit den korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen 11 an der Innenumfangsfläche der Kupplungsscheibe 3 zusammenwirken. Ferner weist jedes Segment 9 eine radial nach innen ausgebildete Haltenase 13 auf, die dazu vorgesehen ist, in Umfangsrichtung mit der jeweiligen Rampe 10 am Innenring 1 zusammenzuwirken. Jede Rampe 10 am Innenring 1 wirkt mit der jeweiligen Rampe 11 an der Innenumfangsfläche der Kupplungsscheibe 3 zusammen, um bei einer ersten Rotation des Innenrings 1 eine Freilauffunktion zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 zu ermöglichen und bei einer zweiten Rotation des Innenrings 1, die entgegengesetzt zur ersten Rotation ist, eine Sperrfunktion zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 zu ermöglichen.
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Wie aus 2a besonders gut hervorgeht, ist die Kupplungsscheibe 3 an einem umlaufenden radial äußeren Abschnitt 12 keilförmig ausgebildet. In einem - hier nicht dargestellten - unbetätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung kommt die Kupplungsscheibe 3 lediglich an dem Innenring 1 zur Anlage. In dem vorliegend dargestellten betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung kommt die Kupplungsscheibe 3 auch in der Nut 14 am Außenring 2 zur Anlage, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 zu generieren. Aufgrund der balligen beziehungsweise konvexen Ausbildung der beiden angeschrägten Seitenflächen 15a, 15b der Kupplungsscheibe 3 ist der Kontakt zwischen der Kupplungsscheibe 3 und der Nut 14 stets flächig.
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In 3b ist die Kupplungsvorrichtung, umfassend den Innenring 1 und den Außenring 2 sowie die radial zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 angeordnete Kupplungsscheibe 3 dargestellt. Die Kupplungsscheibe 3 ist aus mehreren in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter Segmente 9 ausgebildet, wobei an jedem Segment 9 eine Rampe 5 ausgebildet ist. Der Außenring 2 weist an seiner Innenumfangsfläche mehrere Rampen 4 auf, die mit den korrespondierend dazu ausgebildeten Rampen 5 an der Außenumfangsfläche der Kupplungsscheibe 3 zusammenwirken. Ein - hier nicht dargestellter - Aktuator ist zur Betätigung der Kupplungsvorrichtung vorgesehen. Mithin ist der Aktuator dazu ausgebildet, die Kupplungsvorrichtung zwischen der Freilauffunktion und der Sperrfunktion zu schalten, wobei dazu in Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei Segmenten 9 angeordnete Stellelemente 16 axial betätigt werden um die Segmente 9 in Umfangsrichtung entlang der Rampen 4 am Außenring 2 zu bewegen.
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Wie aus 2b besonders gut hervorgeht, ist die Kupplungsscheibe 3 an einem umlaufenden radial inneren Abschnitt 7 keilförmig ausgebildet. In einem - hier nicht dargestellten - unbetätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung kommt die Kupplungsscheibe 3 lediglich an dem Außenring 2 zur Anlage. In dem vorliegend dargestellten betätigten Zustand der Kupplungsvorrichtung kommt die Kupplungsscheibe 3 auch in der Nut 6 am Innenring 1 zur Anlage, um ein Reibmoment zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 zu generieren. Aufgrund der balligen beziehungsweise konvexen Ausbildung der beiden angeschrägten Seitenflächen 15a, 15b der Kupplungsscheibe 3 ist der Kontakt zwischen der Kupplungsscheibe 3 und der Nut 6 stets flächig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenring
- 2
- Außenring
- 3
- Kupplungsscheibe
- 4
- Rampe am Außenring
- 5
- Rampe an der Kupplungsscheibe
- 6
- Nut am Innenring
- 7
- radial innerer Abschnitt der Kupplungsscheibe
- 8a, 8b
- balliger Schenkel
- 9
- Segment
- 10
- Rampe am Innenring
- 11
- Rampe an der Kupplungsscheibe
- 12
- radial äußerer Abschnitt der Kupplungsscheibe
- 13
- Haltenase
- 14
- Nut am Außenring
- 15a, 15b
- angeschrägte Seitenfläche der Kupplungsscheibe
- 16
- Stellelement
- 20
- Kupplungsscheibe
- 21
- Nut
- 22a, 22b
- angeschrägte Seitenfläche der Kupplungsscheibe
- 23a, 23b
- angeschrägte Seitenfläche der Nut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016210104 B3 [0002]
- DE 102016222443 B3 [0003]
