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Die Erfindung betrifft eine Formschlusskupplung für eine Wellenverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Formschlusskupplung nach dem Oberbegriff des Anspruches 9.
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Bei einer gattungsgemäßen Formschlusskupplung können die an- oder abtreibenden Wellenteile unabhängig voneinander angetrieben und oder entlastet werden. Abhängig von der jeweils gewünschten Antriebssituation kann beispielsweise die Vorderachse nicht angetrieben sein und alleinig der (Elektro-)Antrieb der Hinterachse antreibend sein, so dass das bspw. das Fahrzeug insgesamt nur mit der Hinterachse angetrieben wird. Eine solche Antriebsart ist energiesparend und bei insbesondere guten Straßenverhältnissen zu bevorzugen. Hierfür ist es entscheidend, dass keine ungenutzten Wellenteile oder Wellenanbauten gedreht werden, um Reibungsverluste zu vermeiden. Bedarfsweise kann auch eine Kraftübertragung der Welle auf Vorder- und Hinterachse gewünscht sein, für einen Allradantrieb, so dass hierzu eine kraftleitende Kupplungsverbindung hergestellt werden muss. Ein Problem sind hierbei die sehr hohen Drehmomente, die auf kleinstem Bauraum übertragen werden müssen, sicheres An- und Abkoppeln muss unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet sein und es muss die Sicherheit gegen unbeabsichtigtes Aus- und Einkoppeln gegeben sein.
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Die im Stand der Technik bekannten Lösungen sind konstruktiv sehr aufwändig und benötigen zum Teil sehr viel Bauraum. Somit besteht die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beheben und eine kompakte Formschlusskupplung mit zugehöriger Antriebsvorrichtung bereitzustellen.
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Um eine möglichst einfache und sehr belastungsfähige Schalteinheit in einem Antriebsstrang zu integrieren, und um den Kraftfluss zweier Wellenteile schalten zu können, wird erfindungsgemäß eine Formschlusskupplung vorgeschlagen, für eine um eine Drehachse rotierbare Antriebswelle einer Maschine, insbesondere eines Fahrzeuges. Die Maschine, das Fahrzeug und auch die Art des Antriebes soll hier in keiner Weise einschränkend verstanden werden, und kann beispielsweise für einen Wechsel von einem Einachantrieb auf einen Zweiachsantrieb eines Fahrzeuges oder zum Trennen vor Antriebsräder zum sogenannten „Segeln“ vorgesehen werden. Ebenso meint ein „Fahrzeug“ jegliche Art von mittels Welle kraftübertragend angetriebenem Fahrzeug.
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Die Formschlusskupplung weist einen ersten und einen zweiten Kupplungskopf auf, welche an den jeweiligen freien und sich gegenüber liegenden Enden eine Mehrzahl von Rastzähnen aufweisen. Mindestens einer der Kupplungsköpfe ist als Schiebemuffe ausgebildet, der auf einer Steckverzahnung eines ersten Abschnitts der Antriebswelle drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordnet ist. Hier meint Steckverzahnung jegliche axiale Führung, die quer dazu die Übertragung einer Drehkraft erlaubt. Insgesamt könnten beide Kupplungsköpfe axial verschieblich sein oder eine Schiebemuffe aufweisen, was aber zur sprachlichen Vereinfachung nicht fortgeführt wird, aber entsprechend verstanden werden soll. Der erste Kupplungskopf kann mittels einer, von einem Stellantrieb generierten Stellkraft zwischen einem geöffneten Kupplungszustand, in dem die Rastzähne außer Formschlussverbindung mit den gegenüberliegenden Rastzähnen des zweiten Kupplungskopfes sind, in einen geschlossenem Kupplungszustand verschoben werden. Weiterhin ist auf Höhe des ersten, axial verschieblichen Kupplungskopf eine koaxiale, nicht bewegbare Lagerung vorgesehen die an geeigneten Tragteilen des Fahrzeuges befestigt ist oder ein Teil des tragenden Kupplungskörpers sein kann,.
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Zwischen der vorsehbaren Lagerung und dem hinteren Abschnitt des ersten Kupplungskopfes ist eine mittels des Stellantriebes um die Drehachse schwenkbare und an der Lagerung gelagerte Antriebshülse vorgesehen. Diese Antriebshülse weist zur Kraftübertragung in axiale Richtung mindestens eine Steuerkurve auf, in der mindestens ein Kulissenkörper angeordnet und geführt ist, weiterhin ist auf oder an dem verschieblichen Kupplungskopf ein umlaufendes Führungselement angeordnet, an oder in welchem der mindestens eine Kulissenkörper auf Seiten des Kupplungskopfes geführt ist. Durch diese beidseitige Führung kann die Bewegung des ersten Kupplungskopfes in Achsrichtung veranlasst werden.
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Es ist unmittelbar ersichtlich, dass auf diese Weise eine sehr kompakte und konstruktiv einfache Antriebslösung für eine Formschlusskupplung bereitgestellt wird.
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Bei einer verbesserten Ausführungsform ist die Lagerung umfasst und insbesondere als Lagerhülse ausgebildet.
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Ein weitere, verbesserte Ausführungsform weist die Antriebshülse mindestens eine Steuerkurve auf, die mindestens zwei Kurvenabschnitten aufweist, nämlich einen steilen Antriebsabschnitt mit einer starken Neigung relativ zur Drehachse beziehungsweise zwischen den beiden Enden der Antriebshülse. Als weiterer Kurvenabschnitt ist mindestens ein Endabschnitt mit geringer oder keiner Neigung zur Drehachse vorgesehen, wobei idealerweise zwei derartige Endabschnitte vorgesehen sind, die im Wesentlichen in Umfangrichtung ausgerichtet sind. Diese haben den Vorteil, dass durch den flachen Verlauf in Umfangsrichtung eine gewisse mechanische Selbsthemmung erfolgt, die aus Sicherheitsaspekten vorteilhaft ist und gegen ungewolltes Kuppeln schützt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuerkurve als Öffnung oder Durchbruch in der Antriebshülse ausgebildet oder als einseitig zur Drehachse hin geöffneter Kanal oder Rinne ausgebildet. Bei der Ausprägung als Kanal oder Rinne sollte die Antriebshülse als idealerweise als Kunststoffring oder -kranz ausgebildet sein, der keinen Schmiermitteleinsatz erfordert.
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Bei einer weiteren, verbesserten Ausführungsform weist die Antriebshülse auf mindestens einer umlaufenden Außenkante eine Verzahnung auf, wobei der Stellantrieb als Welle mit einer Antriebsschnecke ausgebildet ist oder eine Antriebsschnecke antreiben kann, die mit der Verzahnung derart im Eingriff steht, dass die Antriebshülse um die Drehachse rotierbar ist. Idealerweise ist eine die Antriebsschnecke selbst an oder in der Lagerung oder Lagerbuchse rotierbar gelagert, um eine sehr kompakte Ausführungsform zu ermöglichen.
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Eine weitere, verbesserte Ausführungsform sieht vor, dass auf der Lagerung radial innen, das heißt auf der zur Antriebswelle weisenden Innenseite, mindestens eine parallel zur Drehachse verlaufende Führungsnut aufweist, in welcher das mindestens eine Kulissenelement auf der Seite der Lagerung in axialer Richtung geführt wird. Zu weiteren Verbesserung und maximalen Bestimmung der Bewegung und der Kulissenelemente, ist das umlaufende Führungselement auf dem verschieblichen Kupplungskopf ebenfalls eine Rinne oder eine Nut.
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Bei einer Formschlusskupplung kann es bei Annäherung zur Vorkopfanlage der Rastzähne kommen, dem sogenannten Schlupf, bevor diese ineinandergreifen. Um diese Zwischenlage schadlos durchlaufen zu können, sieht eine verbesserte Variante vor, dass das umlaufende Führungselement mindestens mit einem Anteil in Achsrichtung verschieblich ist. Dies ist der Anteil, die Wand, die Flanke oder der Absatz, worauf beim Zusammenschieben und Verkuppeln die Kraft in axiale Richtung einwirkt. Weiterhin ist zwischen dem freien Ende des ersten Kupplungskopfes und dem vorgenannten verschieblichen Anteil des Führungselementes ein oder mehrere Federelemente vorgesehen, womit der verschiebliche Anteil axial vorgespannt werden kann. Alternativ kann auch ein Schubring als Vollkörper eingesetzt werden, auf dem das umlaufende Führungselement als Nut oder Rille eingebracht ist.
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Wird zufällig die Zwischen- oder Schlupfposition erreicht, kann der axiale Vortrieb fortgesetzt werden, weil Rastzähne bei fortschreitender Drehung ineinander springen, durch die Feder beschleunigt. Das Federelement ist idealerweise eine einzige, umlaufende Spring- oder Ringfeder oder einzelnen Spiralfederpakete, kann aber auch als ein ringförmiges Elastomer ausgebildet sein.
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Betreffend die Kulissenelemente ist bei einer verbesserten Ausführungsform vorgesehen, dass diese als (Kulissen-)Kugel ausgebildet sind, insbesondere als Metallkugeln aus einem gehärteten Metall. Kulissenelement und Kulissenkörper wird hierin synonym verwendet.
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Die Erfindung umfasst auch ein Betätigungsverfahren zum Kuppeln einer Formschlusskupplung für eine Maschine, insbesondere ein Fahrzeug, wobei eine Antriebswelle durch die Formschlusskupplung mittels zwei, eine Mehrzahl von Rastzähnen aufweisende Kupplungsköpfe verkuppelt oder entkuppelt wird, indem mindestens ein Kupplungskopf in Richtung der gemeinsamen Drehachse bewegt wird. Die oben genannten nicht limitierenden Definitionen finden auf für das Verfahren in analoge Weise Anwendung
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Hierbei werden zum Verkuppeln und Entkuppeln die folgenden Schritte durchlaufen:
- - eine an einer ortsfesten Lagerung rotierbare, ortsfeste Antriebshülse wird rotiert, und zwar um die Drehachse der Antriebswelle,
- - die relativ zur Antriebswelle ortsfeste Rotationsbewegung der Antriebshülse wird mittels mindestens einem in mindestens einer Steuerkurve der Antriebshülse geführten Kulissenelementen in eine axial wirkende Schubkraft auf den mindestens einen verschieblichen Kupplungskopf übertragen. Dabei wird vorteilhafterweise wird eine Formschlusskupplung vorgesehen, die nach einem der vorstehend genannten Ausführungsvarianten ausgebildet ist.
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Hierbei meint „ortsfest“ nur ortsfest relativ zur Antriebswelle oder Position entlang der Antriebswelle. Natürlich werden die hierin als ortsfest bezeichneten Bauteile gegebenenfalls mit einem Fahrzeug mitbewegt. Weiterhin meint „innen“ oder „Innenseite“ die zur Drehachse gewandte Richtung oder Seite. Analog meint „außen“ oder „Außenseite“ die von der Drehachse abgewandten Richtung oder Seite. Weiterhin meint „vorne“ die Seite oder den Ort, wo die Rastzähne der Kupplungsköpfe ineinandergreifen oder angeordnet sind und in analoger Weise „hinten“ die hiervon abgewandte Seite oder Richtung.
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Nachfolgend wird anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindung exemplarisch erläutert. Es zeigt.
- 1 eine Schnittdarstellung der Formschlusskupplung im un-verkuppelten Zustand,
- 2 eine Schnittdarstellung der Formschlusskupplung im eingekuppelten Zustand,
- 3 eine Schnittdarstellung als Ausschnitt der Formschlusskupplung im rutschenden oder schleifenden Zustand mit axialer Vorspannung des Federelementes,
- 4 eine perspektivische Darstellung von Teilen einer weiteren Ausführungsform der Formschlusskupplung und
- 5.1, 5.2 weitere perspektivische Darstellungen von Teilen der Formschlusskupplung nach 1.
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Die in der 1 gezeigte Formschlusskupplung 1 ist im unverkuppeltem Zustand. Die beiden Kupplungsköpfe 2, 3 stehen sich mit geringem Abstand offen gegenüber, eine Kraftübertragung ist nicht möglich. Die beiden Teile 31, 32 der gestrichelt dargestellten Antriebswelle 30 und deren Drehachse 6 sind nur angedeutet. Nachfolgend wird ausschließlich die rechte Kupplungsseite des rechten Achsteils 31 und der dortige, axial verschiebliche Kupplungskopf 2 beschrieben, an welchem die Antriebshülse 8 angeordnet ist. Der linke Kupplungskopf 3 ist vorliegend axial nicht verschieblich und bildet den passiven, abtreibenden Teil der Antriebswelle 30. Wie vorstehen bereits ausgeführt, könnte auf der linke Kupplungskopf 3 in analoge Weise, analog wie hierin ausgeführt, axial angetrieben und verschieblich ausgebildet sein. Beide Kupplungskopfe weisen innere Steckverzahnungen 5 auf, mittels welcher sie mit der Antriebswelle 30 beziehungsweise den jeweiligen Achsteilen 31, 32 verbunden sind und eine Drehkraft von und zum jeweiligen Kupplungskopf 2, 3 aufnehmen beziehungsweise übertragen können. Lediglich der erste, rechte Kupplungskopf 2 ist in axialer Richtung verschieblich auf den Steckverzahnung 5 gelagert.
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Insgesamt wird ein Kupplungsvorgang umfassend elektronisch gesteuert und sensorisch auf unterschiedliche Weise überwacht, was vorliegend mit einer ein- oder mehrteiligen Überwachungs- und Steuereinheit 25 angedeutet wird, die aber nicht näher ausgeführt wird. Die oben beschriebenen Endstellungen tragen mechanisch zur Robustheitssteigerung der elektronischen Überwachung bei, zudem machen sie das System gegenüber einer ungewollten Betätigung aufgrund Schwingungen sowie elektronischen Spannungsschwankungen und dadurch erzeugten Mikrobewegungen weniger empfindlich.
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In der 1 befindet sich der erste Kupplungskopf 2 in der hinteren Endlage 27, welche die unverkuppelte Situation darstellt. Koaxial zum hinteren Ende des als Schiebehülse ausgebildeten ersten Kupplungskopfes 2, ist eine umschließende Lagerbuchse 7 ausgebildet, die an nicht näher dargestellten Tragelementen 29 des Fahrzeuges befestigt und somit ortsfest relativ zur Antriebswelle 30 festgelegt ist. An der umschließenden Lagerbuchse 7, im Zwischenraum zum Kupplungskopf 2, ist die Antriebsbuchse 8 angeordnet, die um die Drehachse 6 und damit auch der Antriebswelle 30 sowie insbesondere dem Kupplungskopf 2 rotierbar gelagert ist. In nicht dargestellter Weise kann bei allen Ausführungsformen die Funktion der Lagerbuchse 7 in das benachbarte Tragelement 29 als Lagerung integriert werden, welche dann in analoger Weise die jeweiligen Elemente der Lagerbuche 7 umfasst.
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Die im Schnitt erkennbare Antriebsschnecke 14 ist mit einem Abschnitt in der Lagerbuchse 7 gelagert und steht mit einer in der 1 nicht erkennbaren Außenverzahnung 13 auf der Außenkante 12 der Antriebshülse 8 im Eingriff. Das Kulissenelement 10 ist als (Kulissen- )Kugel ausgebildet und wird in einer als Ausschnitt oder Durchbruch ausgebildeten Steuerkurve 9 in der Antriebshülse 8 geführt. Der Antrieb für diese Rotation ähnelt dem Mechanismus eines Bajonettverschlusses, und wird insbesondere in der 4 und 5 im Detail erläutert. Zwischen dem vorderen Ende des Kupplungskopfes 2 und dem Kulissenelement 10, ist ein verschiebliches Führungselement 16 angeordnet, das mittels der Feder 18 gegen das Kulissenelement 10 und die nicht dargestellte Steuerkurve 9 vorgespannt ist. Das Führungselement 16 besteht im Wesentlichen aus einer gegenüber der Kugel als Kulissenelement 10 konkav geformten Führungsbahn. Nachfolgende wird Kulissenelement 10 und Lagerkugel synonym verwendet.
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Die 2 zeigt die zur 1 identischen Bauteile einer Formschlusskupplung 1, wobei die Rastzähne 4.1 4.2 der beiden Kupplungsköpfe 2, 3 verkuppelt sind, also kraftübertragend, formschlüssig ineinandergreifen. Der erste Kupplungskopf 2 ist aus der hinteren Endlage 27 in die vordere Endlage 28 verschoben worden. Die vorspannende Feder 18 übt eine geringfügige oder mittlere Kraft in axialer Richtung auf den Kupplungskopf 2 aus, indem die Kulissenkugeln 10 auf das verschiebliche Führungselement 16 gedrückt werden. In der 3 ist die schleifende oder rutschende Zwischenposition 26 der beiden Kupplungsköpfe 2, 3 dargestellt, bei welcher die Rastzähne 4.1, 4.2 stupf aufeinander stehen und aneinander abruschten oder abgleiten, während der ersten Kupplungskopf 2 in der Zwischenlage 26 zwischen den beiden Endlagen 27, 28 steht. In dieser Zwischenlage 26 übt die umlaufende Feder 18 eine Kraft analog zur Situation der 2 aus, wobei diese stärker gepresst wird, so dass eine maximale Federkraft anliegt. Finden die umlaufenden Rastzähne 4.1 die nächste Rastlücke zwischen den Rastzähnen 4.2, werden diese mit maximaler Geschwindigkeit ineinander geführt werden.
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Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich zu den vorherigen dadurch, dass ein geschlossener Schubring 24 vorgesehen ist, der das vorherige umlaufende Führungselement 16 und den Endring 20 integriert. Die in 4 nicht dargestellte Feder 18 wirkt von links auf die Stirnflächen des Schubrings 24, analog zu der vorstehend beschriebenen Wirkweise. Am Umfang der Antriebshülse 8 sind vier Steuerkurven 9 angeordnet, die jeweils einen steilen, mittleren Antriebsabschnitt 9.1 aufweisen und zwei in Umfangsrichtung orientierte, kurze Endabschnitte 9.2, in denen sich die jeweiligen Kulissenkugeln 10 in Ruhelage befinden. Die Antriebsschnecke 14 wird von dem Stellantrieb 11 angetrieben, der insbesondere ein frequenzgesteuerter Elektromotor oder ein Servomotor ist. Die Antriebsschnecke 14 steht mit der Verzahnung 13 in Wirkverbindung, die auf der Außenkante 12 auf dem nach außen wegstehenden vorderen Kranz 19.1 angebracht ist. Der vordere Kranz 19.1 und der hintere Kranz 19.2 dienen weiterhin zur Führung in der nicht dargestellten Lagerbuchse 7 (1). Es ist für den Fachmann unmittelbar ersichtlich, dass statt der Antriebsschnecke 14, die im Eingriff mit der Verzahnung 13 steht, ein alternatives Antriebskonzept vorgesehen werden kann, wie beispielsweise ein angetriebenes Zahnrad, das in die vorliegende Außenverzahnung 13 eingreift oder ein Zahnrad, welches in regelmäßige Aussparungen im vorderen Kranz 19.1 eingreift. Wie in 4 unterhalb der vollständig dargestellten Führungskurve 9 zu erkennen, ist die Kulissenkugel 10 in einer als Rinne oder Nut ausgebildeten umlaufenden Kulisse 22 geführt.
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In den 5.1, 5.2 sind weitere perspektivische Darstellungen von Teilen der Formschlusskupplung nach der 4 gezeigt. 5.1 zeigt die Lagerung als Lagerbuchse 7 mit der rotativ, gelagerten Antriebshülse 8. Von den vier Steuerkurven 9 ist eine dargestellt. Insbesondere in der 5.2 sind die zur Drehachse 6 parallelen Kulissen 21 erkennbar, in denen die Kulissenkugeln 10 von außen geführt sind. Die innere Führung der Kulissenkugeln 10 in der umlaufenden Kulisse 22, die auf dem nicht dargestellten Schubring angeordnet ist, ist als gestrichelte Doppellinie angedeutet. Die Rotation der ortsfesten Antriebshülse 8 führt die Kulissenkugel 10 aus dem Endabschnitt 9.2 der Steuerkurve 9 in den Antriebsabschnitt 9.1. Sobald dieser reicht wird, wird die jeweilige Kulissenkugel 10 in der äußeren, parallelen Kulisse 21 verschoben und zeitgleich wird eine Kraft auf eine Flanke der inneren, auf dem Schubring 24 (4) angeordneten Kulisse 22 ausgeübt. Bei dieser Ausführung wird im Unterschied zu der Ausführung nach den 1 bis 3, in beiden Schubrichtungen eine Kraft über die Kulissenkugel 10 auf eine Flanke ausgeübt.
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Für den Fachmann ist es unmittelbar ersichtlich, dass die Erfindung nicht begrenzt ist auf die Antriebsachse eines (E-)Fahrzeuges ist, sondern bei allen Antrieben eingesetzt werden kann, wo möglichst einfache und kompakte Trennkupplungen oder auch Schaltmechanismen gefordert sind. Dies umfasst auch das Trennen von Vorder- und Hinterachse bei Allrad angetriebenen Fahrzeugen, Rädern einer Achse, aber auch alle Arten von Transmissionen von (Werkzeug-)Maschinen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formschlusskupplung
- 2
- Kupplungskopf, erster
- 3
- Kupplungskopf, zweiter
- 4
- Rastzähne, auch 4.1, 4.2
- 5
- Steckverzahnung
- 6
- Drehachse
- 7
- Lagerung, Lagerbuchse
- 8
- Antriebshülse
- 9
- Steuerkurve (in Antriebshülse)
- 9.1
- Antriebsabschnitt
- 9.2
- Endabschnitt
- 10
- Kulissenelement
- 11
- Stellantrieb
- 12
- Außenkante
- 13
- Verzahnung
- 14
- Antriebsschnecke
- 15
- Führungsnut, axial erstreckt
- 16
- Führungselement, umlaufend
- 17
- Spannmutter
- 18
- Feder
- 19
- Kranz
- 19.1
- Kranz, vorderer
- 19.2
- Kranz, hinterer
- 20
- Endring...
- 21
- Kulisse, vertikal
- 22
- Kulisse, umlaufend
- 23
- Innenverzahnung
- 24
- Schubring
- 25
- Überwachungs- und Steuereinheit
- 26
- Zwischenlage
- 27
- Endlage, hintere
- 28
- Endlage, vordere
- 29
- Tragelement
- 30
- Antriebswelle
- 31
- Antriebswellenteil
- 32
- Antriebswellenteil
