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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Kupplungsanordnung gemäß Patentanspruch 7.
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Kupplungsvorrichtungen sowie diese aufweisende Kupplungsanordnungen bestehen in der Regel aus einem ersten Kupplungsabschnitt, der einer Last oder einer damit zu verbindenden Vorrichtung zugeordnet ist, und einem zweiten Kupplungsabschnitt, der dem anderen der beiden vorstehend erwähnten Objekte zugeordnet ist.
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Als Beispiel sei in der Folge der Bereich der Kraftfahrzeuge betrachtet, wobei Kupplungsvorrichtungen aber auch beispielsweise zum Fixieren eines Gegenstands in einer erwünschten Position in vielen verschiedenen anderen Bereichen Verwendung finden.
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Beispielsweise weist eine PKW-Anhängerkupplung einen ballförmigen ersten Kupplungsabschnitt auf, der in der Regel am PKW angeordnet ist, während einem Anhänger ein dazu korrespondierender zweiter Kupplungsabschnitt zugeordnet ist, der Teile des ballförmigen ersten Kupplungsabschnitts umfasst.
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Bei Lastkraftwagen finden oftmals sog. Maulkupplungen Verwendung, bei denen ein Bolzen in eine entsprechende Aussparung einer Zugöse eines Anhängers verbracht wird.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Kupplungsvorrichtungen bedürfen allesamt einer manuellen Bedienung durch entsprechendes Personal. Insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeuge führt dies oftmals zu Unannehmlichkeiten durch verschmutzte und/oder mit Schmiermitteln behaftete Teile der Kupplung, so dass neben der Notwendigkeit der manuellen Bedienung auch Schutz- und/oder Reinigungsmaßnahmen ergriffen werden müssen.
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Demnach ist es ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupplungsvorrichtung zum lösbaren Verbinden eines zu kuppelnden Objekts mit derselben, sowie eine Kupplungsanordnung anzugeben, welche eine berührungslose Bedienung ermöglichen und somit entsprechende Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Kupplungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und eine Kupplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Die eine Kupplungsvorrichtung betreffende Aufgabenlösung erfolgt demnach durch eine Kupplungsvorrichtung, insbesondere Kupplungsvorrichtung zum lösbaren Verbinden eines zu kuppelnden Objekts mit der Kupplungsvorrichtung, aufweisend:
- - ein magnetisches Kupplungselement, insbesondere einen Kupplungsbolzen,
- - einen ersten Kupplungsabschnitt und
- - einen vom ersten Kupplungsabschnitt beabstandet angeordneten oder anordenbaren zweiten Kupplungsabschnitt,
- - wobei
- - der erste Kupplungsabschnitt einen ein- und ausschaltbaren und in seiner Polung umschaltbaren Elektromagneten zur Erzeugung eines ersten magnetischen Feldes und zur Erzeugung eines dem ersten magnetischen Feld entgegengerichteten zweiten magnetischen Feldes aufweist, welcher eine Spule mit einem in der Spule angeordneten, sich in axialer Richtung der Spule erstreckenden ersten Aufnahmeraum zur wenigstens teilweisen Aufnahme des Kupplungselements aufweist,
- - der zweite Kupplungsabschnitt eine Kupplungselementaufnahmevorrichtung mit einem zweiten Aufnahmeraum zur wenigstens teilweisen Aufnahme des Kupplungselements aufweist,
- - das Kupplungselement, der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum eine gemeinsame Mittelachse aufweisen,
- - das Kupplungselement relativ zu dem ersten Aufnahmeraum und zu dem zweiten Aufnahmeraum entlang der gemeinsamen Mittelachse beweglich angeordnet ist,
wobei der Elektromagnet und das Kupplungselement derart angeordnet sind, dass das Kupplungselement bei einer Erzeugung des ersten magnetischen Felds in Richtung des zweiten Aufnahmeraums gedrängt wird, während es bei einer Erzeugung des zweiten magnetischen Felds in Richtung des ersten Aufnahmeraums gezogen wird.
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Dadurch ist eine berührungslose zuverlässige Kupplung eines zu kuppelnden Objekts mit der Kupplungsvorrichtung und somit auch einer beispielsweise an der Kupplungsvorrichtung befestigten Last oder einer an der Kupplungsvorrichtung befestigten Zug- bzw. Bewegungsvorrichtung möglich.
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In einer möglichen Ausführungsform weist der erste Kupplungsabschnitt ein im ersten Aufnahmeraum oder an einer Stirnseite des ersten Aufnahmeraums angeordnetes erstes elastisches Element auf. Dieses beschränkt den möglichen Weg, den das Kupplungselement bei einem Einschalten oder Umschalten des magnetischen Felds in den ersten Aufnahmeraum hinein zurücklegen kann und/oder dämpft einen Aufprall des Kupplungselements im ersten Aufnahmeraum.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu weist der zweite Kupplungsabschnitt ein im zweiten Aufnahmeraum oder an einer ersten Stirnseite des zweiten Aufnahmeraums angeordnetes zweites elastisches Element auf, das dieselben Zwecke erfüllt.
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Optional weist der erste Kupplungsabschnitt einen ersten Magneten, insbesondere einen ersten Dauermagneten auf, der an einer ersten Stirnseite des ersten Aufnahmeraums oder im ersten Aufnahmeraum angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu weist der zweite Kupplungsabschnitt einen zweiten Magneten, insbesondere einen zweiten Dauermagneten auf, der an einer zweiten Stirnseite des zweiten Aufnahmeraums oder im zweiten Aufnahmeraum angeordnet ist. Der jeweilige Magnet dient einer sicheren Halterung des Kupplungselements in seiner jeweiligen Position (entweder einer Kupplung-Offen-Position des Kupplungselements oder einer Kupplung-Geschlossen-Position des Kupplungselements) auch und gerade wenn der Elektromagnet abgeschaltet ist. Diese Konstruktion sorgt demnach für eine sichere Positionsbewahrung des Kupplungselements bei einer Minimierung der notwendigen Elektromagnet-Betriebszeit. Der Elektromagner wird in der Regel nur zum Kupplungsvorgang (also Verbringen des Kupplungselements von der Kupplung-Offen-Position in die Kupplung-Geschlossen-Position oder umgekehrt) betrieben (bestromt).
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Die Kupplungsvorrichtung kann eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des Kupplungselements in Bezug auf den ersten Kupplungsabschnitt und/oder den zweiten Kupplungsabschnitt aufweisen, insbesondere einen optischen Sensor oder eine Induktivitätsmessvorrichtung zur Messung der Induktivität des Elektromagneten, wobei bei der letzteren Methode induktiv bestimmt wird, in welchem Ausmaß das Kupplungselement im ersten Aufnahmeraum befindlich ist. Da der erste Aufnahmeraum im Elektromagneten angeordnet ist, kann anhand der Induktivität des Elektromagneten bestimmt werden, ob der erste Aufnahmeraum mit Luft gefüllt ist oder teilweise oder vollständig mit dem (magnetischen) Kupplungselement.
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Der eine Kupplungsanordnung betreffende Aspekt der Aufgabenstellung wird durch eine Kupplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst, d.h. durch eine Kupplungsanordnung, aufweisend:
- - eine Kupplungsvorrichtung, wie sie vorstehend erläutert ist, und
- - ein mit der Kupplungsvorrichtung zu kuppelndes Objekt.
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Das zu kuppelnde Objekt weist in einer möglichen Ausführungsform eine Aussparung zum Eingriff des Kupplungselements auf. Optional ist das zu kuppelnde Objekt als Zahnstange ausgebildet.
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Das zu kuppelnde Objekt oder die Kupplungsvorrichtung weisen optional eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung zur Bestimmung der Position des zu kuppelnden Objekts in Bezug auf die Kupplungsvorrichtung auf, insbesondere einen optischen Sensor oder einen Hallsensor. Dies ermöglicht eine Positionsbestimmung des zu kuppelnden Objekts relativ zu der Kupplungsvorrichtung auf eine einfache Art und Weise.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beiliegende Figur anhand einer möglichen Ausführungsform als Beispiel beschrieben. Die beigefügte Zeichnung zeigt, benannt als
- 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung, welche eine ebenfalls erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung 10 weist, wie in 1 dargestellt ist, eine Kupplungsvorrichtung 12 auf, die zum lösbaren Verbinden mit einem zu kuppelnden Objekt 13 (in der hier beschriebenen Ausführungsform eine Zahnstange 14 aufweisend) ausgebildet ist.
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Die Kupplungsvorrichtung 12 weist zum Kuppeln derselben mit dem zu kuppelnden Objekt 13 (aufweisend die Zahnstange 14) ein Kupplungselement in Form eines Kupplungsbolzens 16 auf. Der Kupplungsbolzen 16 ist aus einem magnetischen, vorzugsweise ferro- oder ferrimagnetischen Material gefertigt. Der Kupplungsbolzen 16 ist relativ zu der Zahnstange 14 beweglich angeordnet.
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Ferner weist die Kupplungsvorrichtung 12 einen ersten Kupplungsabschnitt 18 und einen zweiten Kupplungsabschnitt 20 auf, wobei der zweite Kupplungsabschnitt 20 von dem ersten Kupplungsabschnitt 18 beabstandet angeordnet ist. Der erste Kupplungsabschnitt 18 weist einen Elektromagneten 22 auf, welcher in Spulenform ausgebildet ist. Die Spule weist einen zylinderförmigen Innenraum auf, welcher als Aussparung bzw. materialfrei ausgebildet ist und einen ersten Aufnahmeraum 23 zur wenigstens teilweisen Aufnahme des Kupplungsbolzens 16 bildet.
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Der Elektromagnet 22 ist mittels geeigneter Anschlüsse (nicht dargestellt) über Zuleitungen mit einer Stromquelle verbunden und dadurch zur Erzeugung eines magnetischen Feldes bestrombar. Der Elektromagnet 22 ist mittels eines Schalters ein- und ausschaltbar. Ferner ist der Elektromagnet 22 in seiner Polung umschaltbar, beispielsweise durch einen geeigneten Schalter, so dass er auch zur Erzeugung eines dem ersten magnetischen Felds entgegengesetzten zweiten magnetischen Felds geeignet ist.
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Der zweite Kupplungsabschnitt 20 weist eine Kupplungselementaufnahmevorrichtung 24 mit einem zweiten hohlzylindrisch ausgebildeten Aufnahmeraum 26 auf, der zur teilweisen Aufnahme des Kupplungsbolzens 16 ausgebildet ist. Die Kupplungsvorrichtung 12 ist derart angeordnet, dass der Kupplungsbolzen 16, der erste Aufnahmeraum 23 und der zweite Aufnahmeraum 26, welche beide hohlzylinderförmig ausgebildet sind, eine gemeinsame Mittelachse 28 aufweisen. Der erste Aufnahmeraum 23 und der zweite Aufnahmeraum 26 sind voneinander beabstandet angeordnet, wie bereits vorstehend erwähnt ist. Der erste Aufnahmeraum 23 und der zweite Aufnahmeraum 26 definieren bzw. begrenzen einen Aufnahmespalt zwischen sich, welcher zur Aufnahme von Teilen des zu kuppelnden Objekts 13, genauer gesagt von Teilen der Zahnstange 14 vorgesehen ist
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Der Kupplungsbolzen 16 ist relativ zu dem ersten Aufnahmeraum 23 und zu dem zweiten Aufnahmeraum 26 entlang der gemeinsamen Mittelachse 28 beweglich angeordnet. Der Elektromagnet 22 und der Kupplungsbolzen 16 sind ferner derart angeordnet, dass der Kupplungsbolzen 16 bei einer Erzeugung des ersten magnetischen Felds aufgrund seiner magnetischen Eigenschaft in Richtung des zweiten Aufnahmeraums 26 gedrängt wird. Bei einer Erzeugung des zweiten magnetischen Felds, welche beispielsweise durch eine Umpolung des das magnetische Feld erzeugenden Stromes in der Spule erzeugt wird, wird der Kupplungsbolzen 16 vom magnetischen Feld in Richtung des ersten Aufnahmeraums 23 gezogen.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, weisen sowohl der erste Aufnahmeraum 23 als auch der zweite Aufnahmeraum 26 eine hohlzylinderförmige Aussparung auf, in welche der zylinderförmig ausgebildete Kupplungsbolzen 16 eingreifen kann. Der erste, im Elektromagneten 22 angeordnete Aufnahmeraum 23 weist an seiner dem zweiten Kupplungsabschnitt 20 abgewandten Stirnseite 30 ein erstes elastisches Element 32 auf, welches den ersten Aufnahmeraum 23 abschließt bzw. verschließt. Dadurch wird einerseits sichergestellt, dass der Kupplungsbolzen 16 nicht über die dem ersten Kupplungsabschnitt 20 abgewandte Stirnseite 30 des ersten Aufnahmeraums 23 hinaus in den ersten Aufnahmeraum hineingezogen werden kann. Ferner werden durch ein Auftreffen des Kupplungsbolzens 16 entstehende Stöße absorbiert.
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Angrenzend an das elastische Element 30 ist auf selbigem wiederum an der dem zweiten Kupplungsabschnitt abgewandten Seite ein erster Magnet 34 angeordnet, welcher in der beschriebenen Ausführungsform als Dauermagnet ausgebildet ist. Dieser dient dazu, den Kupplungsbolzen 16 in einem zumindest teilweise im ersten Aufnahmeraum 23 angeordneten Zustand dort sicher zu halten, auch wenn der Elektromagnet 18 stromlos ist.
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Analog hierzu weist der zweite Kupplungsabschnitt ein zweites elastisches Element 36, welches wie auch das erste elastische Element 32 in etwa scheibenförmig ausgebildet ist, auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist dieses zweite elastische Element 36 im zweiten Aufnahmeraum 26 aufgenommen. Alternativ hierzu ist auch eine Positionierung des zweiten elastischen Elements 36 an einer dem ersten Kupplungsabschnitt 18 abgewandten Stirnseite 38 des zweiten Kupplungsabschnitts 20 möglich. An der dem ersten Kupplungsabschnitt abgewandten Stirnseite 38 ist wiederum ein zweiter Magnet 40 angeordnet, der der einem sicheren Festhalten des Kupplungsbolzens 16 dient, wenn dieser teilweise im zweiten Aufnahmeraum 26 ist.
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Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass sowohl der erste Magnet 34 als auch der zweite Magnet 40 alternativ auch als Elektromagnet ausgebildet sein können. Das erste elastische Element 32 und das zweite elastische Element 36 sind in der beschriebenen Ausführungsform aus Gummi bzw. aus Kautschuk gefertigt. Eine Anfertigung derselben aus einem anderen elastischen Material oder auch eine Ausbildung des ersten elastischen Elements 32 und/oder des zweiten elastischen Elements 36 als Feder, insbesondere Schraubendruckfeder oder Tellerfeder, ist ebenso denkbar.
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Die Kupplungsvorrichtung 12 weist eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des Kupplungsbolzens in Bezug auf den ersten Kupplungsabschnitt 18 und den zweiten Kupplungsabschnitt 20 auf. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich dabei um ein Messgerät 42 zur Messung der Induktivität der Spule des Elektromagneten 22. Durch die Messung der Induktivität kann zweifelsfrei festgestellt werden, ob der Bolzen in den ersten Aufnahmeraum 23 eingreift und falls dies der Fall ist, wie tief sich der Kupplungsbolzen in den ersten Aufnahmeraum 23 hinein erstreckt. Dadurch kann unter Berücksichtigung der Länge des Kupplungsbolzens 16 und des Abstandes zwischen dem ersten Kupplungsabschnitt 18 und dem zweiten Kupplungsabschnitt 20 eine Aussage getroffen werden, ob sich der Kupplungsbolzen 16 in einer Schließstellung oder in einer Freigabestellung der Kupplung befindet. Alternativ zu der Induktionsmessung wäre auch ein optischer Sensor oder beispielsweise ein Ultraschallsensor denkbar.
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Wie vorstehend erwähnt weist die Kupplungsanordnung 10 neben der Kupplungsvorrichtung 12 ein mit der Kupplungsvorrichtung 12 zu kuppelndes Objekt 13 auf. Das zu kuppelnde Objekt weist in der beschriebenen Ausführungsform eine Zahnstange 14 auf, kann aber beispielsweise auch ausschließlich aus der Zahnstange 14 bestehen. Die Zahnstange 14 weist für den Eingriff des Kupplungsbolzens 16 eine entsprechende Aussparung 44 auf. Zur Positionsbestimmung der Zahnstange 14 weist die Kupplungsvorrichtung 12 eine Positionsbestimmungsvorrichtung 46 in Form eines HallSensors auf, welcher aufgrund der an der Zahnstange 14 vorhandenen Zahnung die Relativposition der Zahnstange 14 zu der Kupplungsvorrichtung 12 und insbesondere die Relativposition der Aussparung 44 relativ zu dem ersten Aufnahmeraum 23 und dem zweiten Aufnahmeraum 26 bestimmen kann. Alternativ hierzu ist wiederum eine andere Vorrichtung zur Positionsbestimmung, beispielsweise ein optischer Sensor oder auch ein anderweitiger, auf Basis von Schallwellen, Licht, magnetischem oder elektrischem Feld arbeitender Sensor denkbar. Dadurch kann das zu kuppelnde Objekt 13 auch eine andere Ausbildung als eine Zahnstange annehmen, beispielsweise eine Stangenform mit glatten Oberflächen oder eine beliebige andere Form.
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Es verbleibt, an dieser Stelle anzumerken, dass die Kupplungsvorrichtung 12 in der beschriebenen Ausführungsform an einem mit dem zu kuppelnden Objekt 13 zu kuppelnden Objekt 15 angebracht ist.
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Obwohl die Erfindung anhand einer Ausführungsform mit einer festen Merkmalskombination beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Merkmalskombinationen, wie sie insbesondere aber nicht erschöpfend durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldeunterlagen angegebenen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
