DE102022107914A1 - Pawl clutch of a switching device and method for dimensioning - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klinkenkupplung einer Schaltvorrichtung, bei der eine Klinke (1) mit einem Sperrhebel (3) und einem Steuerhebel (4) auf einem Schwenkzapfen (2) an einer Antriebsachse (6) schwenkbar gelagert ist und jeweils, wenn der Steuerhebel (4) in ein Nockental (NT) eines Nockenkörpers (5) hineingeschwenkt ist, ein Arm des Sperrhebels (3) mit einer Stirnfläche (SF) in eine Innenverzahnung (ZI) eines Getrieberades auf einer Kuppelfläche (KF) lastabhängig kraftschlüssig kuppelnd eingreift und jeweils, wenn durch eine Verstellung des Nockenkörpers (5) der Steuerhebel (4) auf eine Nocke (N) aufläuft der Sperrhebel (3) gegen eine lastabhängige Reibkraft FKaus der Innenverzahnung (ZI) löst. Die Stirnfläche (SF) sowie die Kuppelfläche (KF) ist in einem Winkel (β) zu einer Senkrechten von einem von der Klinkenschwenkachse (8) radial ausgehenden, auf den Mittelpunkt der Stirnfläche (SF) führenden Vektor geneigt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Dimensionierung einer Klinkenkupplung.The present invention relates to a pawl clutch of a switching device, in which a pawl (1) with a locking lever (3) and a control lever (4) is pivotally mounted on a pivot pin (2) on a drive axle (6) and in each case when the control lever ( 4) is pivoted into a cam valley (NT) of a cam body (5), an arm of the locking lever (3) with an end face (SF) engages in a load-dependent, force-fitting manner in an internal toothing (ZI) of a gear wheel on a coupling surface (KF) and in each case, When the control lever (4) comes into contact with a cam (N) by adjusting the cam body (5), the locking lever (3) releases against a load-dependent friction force FK from the internal toothing (ZI). The end face (SF) and the dome surface (KF) are inclined at an angle (β) to a perpendicular to a vector emanating radially from the pawl pivot axis (8) and leading to the center of the end face (SF). The present invention further relates to a method for dimensioning a pawl clutch.
Description
1. Technisches Gebiet1. Technical area
Die Erfindung betrifft eine Klinkenkupplung einer Schaltvorrichtung insbesondere eines Planetengetriebes oder eines Stirnradgetriebes in einer pedal angetriebenen Fahrradnabe oder in der Nabe eines motorisch angetriebenen E-bikes.The invention relates to a pawl clutch of a switching device, in particular a planetary gear or a spur gear in a pedal-driven bicycle hub or in the hub of a motor-driven e-bike.
2. Stand der Technik2. State of the art
Aus der
Weiterhin ist aus der
Die Schaltmittel können also maximal vier Gangeinstellungen bei einer Umdrehung unterbringen, weshalb weitere Steuermittel bei höheren Gangzahlen vorgesehen sind.The switching means can accommodate a maximum of four gear settings per revolution, which is why additional control means are provided for higher gear numbers.
Das Entkkuppeln ist bei dieser vorbekannten Klinkenausgestaltung gemäß
3. Aufgabenstellung3. Task
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Klinkenkupplung zu schaffen, die das Schalten unter Last erheblich vereinfacht und wobei die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.It is the object of the invention to create a pawl clutch that considerably simplifies shifting under load and overcomes the disadvantages of the prior art.
4. Zusammenfassung der Erfindung4. Summary of the invention
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Klinkenkupplung einer Schaltvorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner ist ein Verfahren zur Dimensionierung für die Klinkengestaltung zu einem lastunabhängigen Schalten mit abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by a pawl clutch according to the invention of a switching device according to the features of
Die Lösung besteht darin, dass die Stirnfläche eines Armes eines Sperrhebels sowie die korrespondierende Kupplungsfläche einer Innenverzahnung in einem einheitlichen Winkel derart mit der Senkrechten zur Richtung der Sperrkraft geneigt sind, dass kein Entgegenwirken oder Verhaken, sondern dass im Gegenteil beim Aktivieren einer Entkupplung eine resultierende Kraftkomponente in der Trennrichtung entsteht, welche die bei einem Schalten unter Last auftretenden Reibkräfte weitgehend kompensiert und dadurch den Schaltvorgang unterstützt.The solution is that the end face of an arm of a locking lever and the corresponding coupling surface of an internal toothing are inclined at a uniform angle with the perpendicular to the direction of the locking force so that there is no counteracting or catching, but on the contrary, a resulting force component when activating a decoupling in the separation direction, which largely compensates for the frictional forces that occur when shifting under load and thereby supports the shifting process.
Eine Klinkenkupplung einer Schaltvorrichtung besteht aus einer mit einem Schwenkzapfen an einer Antriebsachse gelagerten Klinke, deren Stirnfläche im gekuppelten Zustand in eine Verzahnung, insbesondere Innenverzahnung, eines Getrieberades sperrend eingreift, wozu sie gewöhnlich von einer Federkraft beaufschlagt ist. Zu einer Entkupplung ist eine durch Stellmittel verschwenkbare Nocke so an der Klinke angeordnet, dass sie verschwenkt sowohl ggf. einer Federkraft entgegenwirkt als auch Reibkräfte, die in dem Klinkenlager sowie zwischen der Klinkenstirnfläche und der Verzahnung, insbesondere bei einer Belastung durch ein durch die Klinke zu übertragendes Drehmoment auftreten, überwindet.A pawl clutch of a switching device consists of a pawl mounted on a drive axle with a pivot pin, the end face of which, in the coupled state, engages in a locking manner in a toothing, in particular internal toothing, of a gear wheel, for which purpose it is usually influenced by a spring force is applied. For decoupling, a cam that can be pivoted by adjusting means is arranged on the pawl in such a way that it pivots, if necessary, counteracting a spring force as well as frictional forces that occur in the pawl bearing and between the pawl end face and the teeth, in particular when there is a load caused by a through the pawl transmitted torque occurs, overcomes.
Die erfindungsgemäße Klinkenkupplung einer Schaltvorrichtung umfasst eine Klinke mit einem Sperrhebel und einem Steuerhebel, die auf einem Schwenkzapfen an einer Antriebsachse schwenkbar gelagert ist und bei der jeweils, wenn der Steuerhebel in ein Nockental eines Nockenkörpers hineingeschwenkt ist, ein Arm des Sperrhebels mit einer Stirnfläche in eine Verzahnung eines Getrieberades auf einer Kuppelfläche lastabhängig kraftschlüssig kuppelnd eingreift und jeweils, wenn durch eine Verstellung des Nockenkörpers der Steuerhebel auf eine Nocke aufläuft der Sperrhebel gegen eine lastabhängige Reibkraft aus der Innenverzahnung am Getrieberad löst, wobei die Stirnfläche sowie die Kuppelfläche in einem Winkel β zu einer Senkrechten von einem von der Klinkenschwenkachse radial ausgehenden, auf den Mittelpunkt der Stirnfläche führenden Vektor geneigt ist, wobei der Winkel β derart geneigt ist, dass der Radius rK1 von der Klinkenschwenkachse zur auf der zur Innenverzahnung orientierten Kante der Stirnfläche kleiner ist als der Radius rK2 von der Klinkenschwenkachse zur auf der zum Nockenkörper orientierten Kante der Stirnfläche, wodurch eine ebenfalls lastabhängige entkuppelnde Kraftkomponente gegen die Reibkraft auftritt.The pawl clutch of a switching device according to the invention comprises a pawl with a locking lever and a control lever, which is pivotally mounted on a pivot pin on a drive axle and in which, when the control lever is pivoted into a cam valley of a cam body, an arm of the locking lever with an end face in one The toothing of a gear wheel on a dome surface engages in a force-fitting manner depending on the load and whenever the control lever comes into contact with a cam due to an adjustment of the cam body, the locking lever releases against a load-dependent frictional force from the internal toothing on the gear wheel, the end face and the dome surface being at an angle β to one Vertical is inclined by a vector extending radially from the pawl pivot axis and leading to the center of the end face, the angle β being inclined such that the radius r K1 from the pawl pivot axis to the edge of the end face oriented towards the internal toothing is smaller than the radius r K2 from the pawl pivot axis to the edge of the end face oriented towards the cam body, whereby a load-dependent decoupling force component also occurs against the frictional force.
Erfindungsgemäß werden die lastabhängigen Reibkräfte durch eine derartige Schräglage der Klinkenstirnflächen zur Senkrechten zur radialen Sperrkraft kompensiert, indem der Kraftvektor, der die Reibkräfte gemäß den jeweiligen Reibungskoeffizienten der Materialpaarungen der Reibflächen verursacht, so aufgeteilt wird, dass außer einer kuppelnden Kraftkomponente auch demgemäß eine Kraftkomponente in der Trennrichtung der Kupplung entsteht. Dadurch sind vorteilhaft die Anforderungen an die Steuermittel zur Kupplungsbetätigung weitgehend unabhängig von der jeweils zu schaltenden Last. Es wird damit ein einfacher und weitgehend lastunabhängiger Schaltvorgang unter Last ermöglicht. Dieser Vorteil betrifft sowohl pedal - als auch und insbesondere motorisch angetriebene Fahrradgetriebe: Der Antrieb muss im Schaltvorgang nicht eigens ausgesetzt werden, um ein Entkuppeln zu ermöglichen.According to the invention, the load-dependent frictional forces are compensated for by such an inclination of the pawl end faces to the perpendicular to the radial locking force by dividing the force vector that causes the frictional forces according to the respective friction coefficients of the material pairings of the friction surfaces in such a way that, in addition to a coupling force component, there is also a force component in the Separating direction of the coupling arises. As a result, the requirements for the control means for clutch actuation are advantageously largely independent of the load to be switched. This enables a simple and largely load-independent switching process under load. This advantage applies to both pedal and, in particular, motor-driven bicycle transmissions: the drive does not have to be specifically suspended during the switching process in order to enable decoupling.
Der Fachmann erkennt, dass das Getrieberad je nach Einsatzfall entweder das Sonnenrad mit einer Innenverzahnung eines Planetengetriebes oder ein Zahnrad mit einer Innenverzahnung eines Stirnradgetriebes bildet. Die Klinkenkupplung einer Schaltvorrichtung und das Dimensionierungsverfahren sind damit für unterschiedliche Einsatzfälle hinsichtlich der Übersetzung, des erforderlichen Drehmoments und hinsichtlich der Abmessungen eines Getriebes am Fahrrad oder E-Bike für das Schalten unter Last einsetzbar.The person skilled in the art will recognize that, depending on the application, the gear wheel forms either the sun gear with internal teeth of a planetary gear or a gear with internal teeth of a spur gear. The pawl clutch of a switching device and the dimensioning method can therefore be used for different applications with regard to the gear ratio, the required torque and the dimensions of a gearbox on a bicycle or e-bike for shifting under load.
In der Folge wird vorzugsweise der Einsatzfall des Getrieberades als Sonnenrad mit einer Innenverzahnung eines Planetengetriebes beschrieben. Dabei wird das Sonnenrad von wenigstens drei Planetenzahnrädern umlaufen. Planetengetriebe ermöglichen eine vorteilhaft kompakte und gewichtssparende Realisierung einer Übersetzung von Drehmomenten in der Antriebsnabe eines Fahrrads oder eines E-bikes.In the following, the application of the gear wheel as a sun gear with internal teeth of a planetary gear is preferably described. The sun gear is rotated by at least three planetary gears. Planetary gears enable an advantageously compact and weight-saving implementation of torque transmission in the drive hub of a bicycle or e-bike.
Im Einsatzfall eines Zahnrads mit einer Innenverzahnung eines Stirnradgetriebes greift das Zahnrad in ein weiteres Zahnrad ein. In Anwendungsfällen, wo ein Stirnradgetriebe aus technischen Gründen vorgezogen wird, sind die erfindungsgemäßen Vorteile des Schaltens unter Last ohne weiteres übertragbar.When using a gear with internal teeth of a spur gear, the gear engages with another gear. In applications where a spur gear is preferred for technical reasons, the advantages of shifting under load according to the invention are easily transferable.
Es ist von Vorteil, wenn die so entstehende entkuppelnde Kraftkomponente mindestens der Kupplungs-Reibkraft in engen Toleranzen entspricht.It is advantageous if the resulting decoupling force component corresponds at least to the clutch friction force within narrow tolerances.
Bevorzugter Weise ist der Winkel β derart ausgebildet, dass der so entstehende Kraftvektor mit dem mittleren Abstand der Stirnfläche von der Schwenkachse ein auskoppelndes Moment bildet, das der Summe der Momente aus einer Reibkraft FK mit dem Abstand rK und einer Lagerreibung der Klinke am Schwenkzapfen (mit dem Lagerradius) mit engen Toleranzen entspricht.Preferably, the angle β is designed such that the resulting force vector with the average distance of the end face from the pivot axis forms a coupling-out moment, which is the sum of the moments from a frictional force F K with the distance r K and a bearing friction of the pawl on the pivot pin (with the bearing radius) with tight tolerances.
Im gekuppelten Zustand kann ein Überwiegen des entkuppelnden Momentes über die Reibungsmomente durch eine in kuppelnder Richtung wirkende, passend dimensionierte Federkraft einer Feder übertroffen werden.In the coupled state, the predominance of the uncoupling moment over the frictional moments can be exceeded by a suitably dimensioned spring force of a spring acting in the coupling direction.
Bevorzugter Weise trägt der Sperrhebel mindestens eine Sperrnocke, die eine Nockenbahn tangiert, aus der jeweils eine Nocke/Gleitbahn herausragt, der in einer kuppelnden Drehstellung des Nockenkörpers den Sperrhebel mit dessen Sperrfläche gegen die Kuppelfläche verbringt, wobei der Steuerhebel von der Nocke in ein Nockental abgleitet.Preferably, the locking lever carries at least one locking cam, which touches a cam track, from which a cam/slide track protrudes, which, in a coupling rotational position of the cam body, moves the locking lever with its locking surface against the dome surface, the control lever sliding off the cam into a cam valley .
Vorteilhafter Weise können an dem Sperrhebel zwei Sperrnocken parallel zueinander, beidseitig mit Spiel neben der Nocke positioniert, angeformt sein.Advantageously, two locking cams can be formed on the locking lever parallel to one another, positioned on both sides with play next to the cam.
Ferner ist von Vorteil, dass die Stirnfläche und die Kupplungsfläche jeweils bogenförmig um die Schwenkachse ausgebildet sind.It is also advantageous that the end face and the coupling surface are each designed in an arc shape around the pivot axis.
Es ist bevorzugt, dass das Nockental und ebenso die Zahnbereiche der Innenverzahnung sich jeweils über 30° bis 45° des Nockenkörperumfangs bzw. des Getrieberadinneren erstrecken.It is preferred that the cam valley and also the tooth areas of the internal toothing each extend over 30° to 45° of the cam body circumference or the gear wheel interior.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Verzahnung seitlich an einem Getrieberad ausgebildet sein und die Klinke und der Nockenkörper seitlich davon angeordnet sein, wobei der Schwenkzapfen an einem angetriebenen Getrieberad eines parallel zum erstgenannten Getrieberad angeordnet ist, so dass jeweils gekuppelt beide Getrieberäder gemeinsam rotieren.In a preferred embodiment, the toothing can be formed laterally on a gear wheel and the pawl and the cam body can be arranged laterally therefrom, the pivot pin being arranged on a driven gear wheel parallel to the first-mentioned gear wheel, so that both gear wheels rotate together when coupled.
Ferner löst die vorliegende Erfindung die Aufgabe mittels eines Verfahrens zur Dimensionierung einer erfindungsgemäßen Klinkenkupplung mit folgenden Schritten:
- - Bestimmung des Reibungskoeffizienten zwischen einer Stirnfläche und einer komplementären Kupplungsfläche durch Messung am Objekt und/oder aus einer Tabelle mit Materialeigenschaften,
- - Bestimmung eines Reibungskoeffizienten und eines Radius eines Schwenkzapfens durch Messung am Objekt und/oder aus einer Tabelle mit Materialeigenschaften,
- - Bestimmung eines Abstands der Stirnfläche und der komplementären Kupplungsfläche zur Schwenkachse,
- - Bestimmung eines Winkels β, wobei für die Stirnfläche eines Sperrhebels einer Klinke der Winkel β des stumpfen Winkels 90°+β, der sich gekuppelt formschlüssig in der komplementär ausgebildeten Verzahnung befindet, nur aus solchen Konstruktionsdaten bestimmt wird, die lastunabhängig sind, nämlich dem Reibungskoeffizienten zwischen der Stirnfläche und der komplementären Kupplungsfläche und deren Abstand zur Schwenkachse sowie dem Reibungskoeffizienten und dem Radius des Schwenkzapfens, wodurch sich der Winkel β = arctan((µK*rK + µS*rS) / (rK - µS*µK*rS)) als optimal ergibt.
- - Determination of the coefficient of friction between an end face and a complementary coupling surface by measuring the object and/or from a table with material properties,
- - Determination of a coefficient of friction and a radius of a pivot pin by measuring the object and/or from a table with material properties,
- - Determination of a distance between the end face and the complementary coupling surface to the pivot axis,
- - Determination of an angle β, whereby for the end face of a locking lever of a pawl, the angle β of the obtuse angle 90°+β, which is coupled in a form-fitting manner in the complementary toothing, is determined only from those design data that are load-independent, namely the coefficient of friction between the end face and the complementary coupling surface and their distance to the pivot axis as well as the coefficient of friction and the radius of the pivot pin, whereby the angle β = arctan((µ K *r K + µ S *r S ) / (r K - µ S * µ K *r S )) results as optimal.
Es kann eine Näherung zur Dimensionierung genutzt werden, indem der Term (- µS*µK*rS) im Divisor vernachlässigt wird, wodurch sich die vereinfachte Berechnung als einen Näherungswert einen Winkel genähert β∼ entsprechend β∼ = arctan (µK + µS*RS/rK) ergibt.An approximation for dimensioning can be used by neglecting the term (- µ S *µ K *r S ) in the divisor, whereby the simplified calculation approximates an angle β∼ corresponding to β∼ = arctan (µK + µS *RS/rK) results.
Die Dimensionierung des Winkels β der Schräglage der Klinkenstirnfläche ist sowohl von den Abmessungen der Klinke als auch von den Reibungskoeffizienten der Materialpaarungen der sich reibenden Flächen abhängig am Objekt. Es gibt Tabellen mit praktischen Erfahrungswerten der Reibungskoeffizienten, die jedoch eine breite Streuung der Koeffizienten zeigen. Zudem ist der Einsatz von Schmiermitteln von Bedeutung. Deshalb ist es im Einzelfall ratsam, die Reibungskoeffizienten nach einer üblichen Methode am Objekt zu ermitteln.The dimensioning of the angle β of the inclined position of the pawl end face depends on both the dimensions of the pawl and the friction coefficients of the material pairings of the rubbing surfaces on the object. There are tables with practical empirical values of the coefficients of friction, but they show a wide spread of the coefficients. The use of lubricants is also important. It is therefore advisable in individual cases to determine the coefficients of friction on the object using a standard method.
Zu den nachfolgenden Beispielen werden als Materialpaarungen jeweils Stahl auf Stahl, geschmiert, angenommen und die Reibungskoeffizienten einem üblich verwendeten Mittelwert entsprechend, auf 0,12 festgelegt. Bei den vergleichsweisen Abmessungen, die einem Produkt gemäß der
Der Winkel β liegt je nach Materialpaarung und gegebenenfalls Schmierung vorzugsweise in einem Bereich von 3° bis 30°, vorteilhafter Weise zwischen 5° und 20°, bevorzugter Weise zwischen 6° und 12°.Depending on the material pairing and, if necessary, lubrication, the angle β is preferably in a range from 3° to 30°, advantageously between 5° and 20°, preferably between 6° and 12°.
Ein Reibungskoeffizient hängt von der Materialpaarung, der Wärmebehandlung wie dem Härten, der Schmierung, der Kontaktdauer etc., ab. Das heißt, dass eine erhebliche Streuung der Reibungskoeffizienten bei der Bestimmung des Winkels β berücksichtigt wird.A coefficient of friction depends on the material pairing, the heat treatment such as hardening, lubrication, the contact time, etc. This means that a significant spread in the coefficients of friction is taken into account when determining the angle β.
Als Materialpaarungen werden vorzugsweise Stahl und Stahl oder Stahl und Aluminium eingesetzt. Es kommen aber auch andere Materialien in Kombination mit Stahl oder in Kombination miteinander, wie beispielsweise Aluminiumbronze, Bronze, Berylliumkupfer, Messing, Teflon, Industriekeramik oder massive oder oberflächenbeschichtete Komponenten mit einer reibungsarmen aber tribologisch widerstandsfähigen Oberfläche, beispielsweise aus Carbon oder Carbonfasern in Betracht, um so einen Winkel β realisieren zu können, bei dem auch unter hoher Last und starken Erschütterungen von außen eine sichere Kupplung und Entkupplung zu gewährleisten ist. Der Reibungskoeffizient der einzelnen Materialkombinationen wird durch Messung am Objekt ermittelt und/oder aus einer Tabelle mit Materialeigenschaften ermittelt.The preferred material pairings used are steel and steel or steel and aluminum. But there are also other materials in combination with steel or in combination with each other, such as aluminum bronze, bronze, beryllium copper, brass, Teflon, industrial ceramics or solid or Surface-coated components with a low-friction but tribologically resistant surface, for example made of carbon or carbon fibers, are considered in order to be able to realize an angle β at which safe coupling and uncoupling can be guaranteed even under high loads and strong external vibrations. The coefficient of friction of the individual material combinations is determined by measuring the object and/or from a table with material properties.
Die Bestimmung der technisch sich unterscheidenden Reibungskoeffizienten der jeweiligen Materialpaarung und derer Reibungsparameter ist integraler Bestandteil des Verfahrens zur Dimensionierung und bestimmt den jeweils erfindungsgemäß resultierenden Winkel β.The determination of the technically different friction coefficients of the respective material pairing and their friction parameters is an integral part of the dimensioning process and determines the angle β resulting in each case according to the invention.
Damit wird eine Lösung angeboten, bei welcher der Winkel β einerseits den Schaltvorgang des Entkuppelns unterstützt und dabei andererseits das sichere Halten der Kupplung ermöglicht, statt wie bisher üblich einem Vorgang der Entkupplung entgegenzuwirken, um ein Halten der Kuppelung zu erreichen.This offers a solution in which the angle β, on the one hand, supports the switching process of decoupling and, on the other hand, enables the clutch to be held securely, instead of, as was previously the case, counteracting a process of decoupling in order to achieve holding the clutch.
5. Kurze Beschreibung der Zeichnungen5. Brief description of the drawings
Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Diese Figuren zeigen:
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1 - Stand der Technik ausEP 0 915 800 B1 -
2 - Stand der Technik ausDE 10 2013 112 788 B4 -
3 - Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassend einen Sperrhebel einer Klinke. -
4 - Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einer Klinkenschaltung. -
5 - Einen Ausschnitt mit formschlüssig gesteuerter Klinke. -
6 - Eine formschlüssige Klinkenanordnung in perspektivischer Ansicht. -
7 - Einen Schwenkzapfen mit Sperrhebel und Steuerhebel und einen Nockenkörper in perspektivischer Ansicht.
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1 - State of the artEP 0 915 800 B1 -
2 - State of the artDE 10 2013 112 788 B4 -
3 - A preferred embodiment of the present invention comprising a locking lever of a pawl. -
4 - A preferred embodiment of the present invention of a jack circuit. -
5 - A cutout with a positively controlled latch. -
6 - A positive latch arrangement in perspective view. -
7 - A pivot pin with locking lever and control lever and a cam body in a perspective view.
6. Detaillierte Beschreibung6. Detailed description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend nur beispielhaft beschrieben. Diese Beispiele stellen die besten Wege dar, die Erfindung in der Praxis umzusetzen, welche dem Anmelder derzeit bekannt sind, obwohl dies natürlich nicht die einzigen Wege sind, auf welchen dies erreicht werden könnte. Die Beschreibung legt die Funktionen des Beispiels und die Abfolge der Schritte für das Gestalten und den Betrieb des Beispiels dar. Jedoch können dieselben oder äquivalente Funktionen und Abfolgen von anderen Beispielen erzielt werden.Embodiments of the present invention are described below only as examples. These examples represent the best ways of putting the invention into practice currently known to the applicant, although of course these are not the only ways in which this could be accomplished. The description sets forth the functions of the example and the sequence of steps for designing and operating the example. However, the same or equivalent functions and sequences may be achieved from other examples.
Gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf.The same components have the same reference numbers.
Dadurch wird eine Klinkenkupplung einer Schaltvorrichtung realisiert, bei der die Klinke 1 mit dem Sperrhebel 3 und dem Steuerhebel 4 auf dem Schwenkzapfen 2 an der Antriebsachse 6 schwenkbar gelagert ist und jeweils, wenn der Steuerhebel 4 in ein Nockental NT des Nockenkörpers 5 hineingeschwenkt ist, ein Arm des Sperrhebels 3 mit der Stirnfläche SF in eine Innenverzahnung ZI des Getrieberades auf der Kuppelfläche KF lastabhängig kraftschlüssig kuppelnd eingreift und jeweils, wenn durch eine Verstellung des Nockenkörpers 5 der Steuerhebel 4 auf eine Nocke N aufläuft der Sperrhebel 3 gegen eine lastabhängige Reibkraft FK aus der Innenverzahnung ZI löst, wobei die Stirnfläche SF sowie die Kuppelfläche KF in dem Winkel β zu einer Senkrechten von einem von der Klinkenschwenkachse 8 radial ausgehenden, auf den Mittelpunkt der Stirnfläche SF führenden Vektor geneigt ist, wobei der Winkel β derart geneigt ist, dass der Radius rK1 von der Klinkenschwenkachse 8 zur auf der zur Innenverzahnung ZI orientierten Kante 31 der Stirnfläche SF ist kleiner als der Radius rK2 von der Klinkenschwenkachse 8 zur auf der zum Nockenkörper 5 orientierten Kante 32 der Stirnfläche SF, wodurch eine ebenfalls lastabhängige entkuppelnde Kraftkomponente gegen die Reibkraft FK auftritt.This creates a pawl clutch of a switching device, in which the pawl 1 with the locking lever 3 and the control lever 4 is pivotally mounted on the pivot pin 2 on the drive axle 6 and each time the control lever 4 is pivoted into a cam valley NT of the cam body 5 Arm of the locking lever 3 with the end face SF engages in an internal toothing ZI of the gear wheel on the coupling surface KF in a load-dependent, non-positively coupling manner and whenever the control lever 4 comes into contact with a cam N due to an adjustment of the cam body 5, the locking lever 3 acts against a load-dependent frictional force F K the internal toothing ZI solves, the end face SF and the dome surface KF being inclined at the angle β to a perpendicular to a vector emanating radially from the pawl pivot axis 8 and leading to the center of the end face SF, the angle β being inclined such that the Radius r K1 from the pawl pivot axis 8 to the edge 31 of the end face SF, which is oriented towards the internal toothing ZI, is smaller than the radius r K2 from the pawl pivot axis 8 to the edge 32 of the end face SF, which is oriented towards the cam body 5, whereby a likewise load-dependent decoupling force component is counteracted the friction force F K occurs.
Der Winkel β einer gerundeten Stirnfläche SFR des Sperrhebels wird bezüglich der Verbindungslinie der Eckpunkte der Rundung bestimmt. Durch die Rundung ergibt sich eine Gleichverteilung der Sperrkraft auf das Reibflächenpaar, wodurch beim Entkuppeln definierte Reibungsverhältnisse bestehen. Um eine möglichst ausgewogene Kompensation der lastabhängigen Kräfte herzustellen, wird ein neuartiges Verfahren genutzt, dessen mathematische Herleitung im Einzelnen dargestellt ist. Die angegebenen Gleichungen sind zwischen Schrägstrichen nummeriert. Das Verfahren basiert auf der Zielvorgabe, dass sich die auf die Klinke wirkenden lastabhängigen Kräfte, die beim Entkkuppeln auftreten, weitgehend kompensieren sollen, d.h. ihr Gesamtmoment MGES ist im Wesentlichen null. Das führt zur Gleichung /5/. Die Reibkräfte sind jeweils proportional zum zugehörigen Reibungskoeffizienten µK bzw. µS. Die Reibkraft FK an der Kupplungsfläche SF bzw. SFR ergibt sich aus der Normalkraft NK, vgl. /2/. Die in dem Momenten-Gleichungen angegebenen Längen der jeweiligen Kraftarme sind der Radius rs vom Schwenkzapfen 2 bzw. der radiale Abstand rK der Kupplungsfläche KF oder KFR von der Klinkenschwenkachse 8. Löst man die Gleichung /5/ des Gesamtmomentes MGES gemäß der Forderung nach Gleichung /6/ auf, so ergibt sich ein optimierter Winkel β aus Gleichung /14/. Durch eine Vernachlässigung eines im praktischen Ergebnis relativ kleinen Terms ergibt sich daraus die Gleichung /15/, die einen Zusammenhang des angenäherten Winkels β∼ aus den beiden genannten Reibungskoeffizienten und dem Verhältnis der Radien der Reibflächen zur Schwenkachse 8 herstellt.The angle β of a rounded end face SFR of the locking lever is determined with respect to the connecting line of the corner points of the rounding. The rounding results in an even distribution of the locking force across the pair of friction surfaces, which means that defined friction conditions exist when decoupling. In order to create the most balanced compensation possible for the load-dependent forces, a new method is used, the mathematical derivation of which is presented in detail. The equations given are numbered between slashes. The method is based on the objective that the load-dependent forces acting on the pawl that occur during uncoupling should largely compensate for each other, that is, their total moment M GES is essentially zero. This leads to equation /5/. The friction forces are each per proportional to the associated friction coefficient µ K or µ S. The friction force F K on the coupling surface SF or SFR results from the normal force N K , see /2/. The lengths of the respective force arms specified in the moment equations are the radius rs from the
In den folgenden mathematischen Formeln sind die erfindungsgemäßen Erkenntnisse über eine vorteilhafte Dimensionierung der Gestalt des Sperrhebels und von dessen komplementärer Kuppelfläche verdeutlicht:The following mathematical formulas illustrate the findings according to the invention regarding an advantageous dimensioning of the shape of the locking lever and its complementary coupling surface:
An der Stirnfläche SF der Klinke 1 zu einem virtuell festgesetzten Sonnenrad 7 wirkt die Normalkraft NK. Diese kann in eine Komponente RK radial zur Lagerung der Klinke NK*cos(ß) und eine Tangentialkomponente TK aufgeteilt werden. Es gilt:
An der Stirnfläche SF wirkt die Reibkraft FK, mit:
Diese hat ebenfalls eine radiale Komponente FK*sin(β). Insgesamt wirkt also die Radialkraft AK:
Die Normalkraft Ns am Schwenkzapfen 2 ist betragsmäßig gleich AK. Die Reibungskraft FS ergibt sich folglich durch:
Das gesamte Drehmoment MGES, das auf die Klinke 1 wirkt, hat drei Komponenten, erzeugt durch die Kräfte TK, FK und Fs, mit den zugehörigen Radien rK und rS:
Für den Fall, dass die Reibungskräfte genau auskompensiert sind, gilt MGES = 0, woraus sich β wie folgt bestimmen lässt:
Da rK praktisch beträchtlich größer ist als µS*µK*rS, kann letzteres vernachlässigt werden, um folgende Näherung zu erhalten:
Demnach kann eine Näherung zur Dimensionierung genutzt werden, indem ein definierter Teil des Terms, nämlich der Term (- µS*µK*rS) im Divisor vernachlässigt wird, wodurch die vereinfachte Berechnung als einen Näherungswert einen Winkel (β∼) entsprechend β∼ = arctan (µK + µS*RS/rK) ergibt.Accordingly, an approximation for dimensioning can be used by neglecting a defined part of the term, namely the term (- µ S *µ K *r S ) in the divisor, whereby the simplified calculation uses an angle (β∼) corresponding to β as an approximation ∼ = arctan (µ K + µ S *R S /r K ) results.
Wählt man als Beispielwerte für die Radien und Reibungskoeffizienten, die bekannte Objekte aufweisen, so führt das gezeigte Bemessungsverfahren exemplarisch zu folgendem Ergebnis:
Es zeigt sich, dass die Näherung nach Gleichung /15/ nur um weniger als 1% vom exakten Wert gemäß Gleichung /14/ abweicht. Die Toleranzen, die die Bestimmung der Reibungskoeffizienten und deren Langzeitverhalten aufweisen, liegen erheblich höher. Deshalb ist jeweils zu entscheiden, wie das Toleranzfeld zwischen einer Über- und einer Unterkompensation gelegt werden soll. Im Fall einer Überkompensation ist eine ausreichende Federkraftreserve vorzuhalten, welche die Kupplung sicher geschlossen hält.It turns out that the approximation according to equation /15/ only deviates by less than 1% from the exact value according to equation /14/. The tolerances for determining the coefficients of friction and their long-term behavior are considerably higher. Therefore, it must be decided in each case how the tolerance field should be set between over- and under-compensation. In the event of overcompensation, a sufficient spring force reserve must be provided to keep the clutch securely closed.
Die dargestellte Art der schaltbaren Kupplung eines Getrieberades mit einem Antriebselement durch eine nockengesteuerte Klinke, die beispielhaft wie im Stand der Technik üblich, im Inneren eines Sonnenrades angeordnet ist, lässt sich mit allen Neuerungen ohne weiteres auf einen seitlichen Versatz der Klinke mit dem Nockenkörper und dem Antriebselement übertragen, wenn das Getrieberad eine seitliche Kupplungsverzahnung trägt. Wenn mehrere Getriebe nebeneinander angeordnet sind [wie gewöhnlich im Stand der Technik], kann der Schwenkzapfen der Klinke auf einem benachbarten antreibenden Getrieberad montiert sein, wodurch die jeweils verkuppelten Getrieberäder gemeinsam umlaufen.The illustrated type of switchable clutch of a gear wheel with a drive element by means of a cam-controlled pawl, which is arranged inside a sun gear, for example, as is usual in the prior art, can be easily, with all the innovations, based on a lateral offset of the pawl with the cam body and the Transmit drive element if the gear wheel has lateral clutch teeth. If several gears are arranged side by side [as is usual in the prior art], the pivot pin of the pawl can be mounted on an adjacent driving gear, whereby the respective coupled gears rotate together.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Kuppelvorrichtung mit einer Klinke ist anhand der
Die formschlüssige Steuerung der Klinkenkupplung hat den weiteren Vorteil, dass Federn zur Klinkenbetätigung entfallen können und die die neuartige Steuerung bewirkenden Elemente, nämlich die Gleitbahnen mit ihren Erhöhungen und die Sperrnocken jeweils völlig integriert mit dem Nockenkörper bzw. dem Sperrhebel hergestellt werden.The positive control of the pawl clutch has the further advantage that springs for pawl actuation can be omitted and the elements that effect the new control, namely the sliding tracks with their elevations and the locking cams are each manufactured completely integrated with the cam body or the locking lever.
Die paarweise Anordnung der Gleitbahnen und der Sperrnocken beidseitig der umgekehrt wirkenden Nocke N vermeidet vorteilhaft das Entstehen von Torsionskräften am Sperrhebel 3 sowie von Biegekräften am Schwenkzapfen mit ggf. auftretender erhöhter Reibung und Abnutzung in dem Schwenklager.The pairwise arrangement of the slideways and the locking cams on both sides of the reverse-acting cam N advantageously avoids the creation of torsional forces on the locking
Alternativ sind zwei parallele Steuerhebel über damit fluchtenden parallelen Nocken vorgesehen, und nur eine Sperrnocke ist mit einer zugehörigen Gleitnocke zwischen den beiden anderen Nocken mit ausreichendem Spiel angeordnet.Alternatively, two parallel control levers are provided over aligned parallel cams, and only one locking cam is arranged with an associated sliding cam between the other two cams with sufficient play.
Der Schwenkzapfen 2 mit dem Steuerhebel 4 und dem Sperrhebel 3 ist um eine Klinkenschwenkachse 8 drehbar gelagert. Das Lager ist nicht dargestellt. Ausgehend von der Klinkenschwenkachse 8 ist der Radius rK1 hin zu der zur Innenverzahnung ZI (nicht dargestellt) orientierten Kante 31 der Stirnfläche SF am Sperrhebel 3 ausgebildet. Ausgehend von der Klinkenschwenkachse 8 ist der Radius rK2 hin zur zum Nockenkörper 5 orientierte Kante 32 der Stirnfläche SF am Sperrhebel 3 ausgebildet.The
Die Bezugszeichenliste bezieht sich auf die beigefügten Figuren und das Verfahren zur Dimensionierung.
- 1
- Klinke
- 2
- Schwenkzapfen
- RF
- Reibfläche an 2
- 3
- Sperrhebel
- 31
- zur Innenverzahnung ZI orientierte Kante
- 32
- zum Nockenkörper orientierte Kante
- SF
- Stirnfläche an 3
- SFR
- Stirnfläche gerundet
- S2, S3
- Sperrnocken an 3
- 4
- Steuerhebel
- 5
- Nockenkörper
- N
- Nocke
- NT
- Nockental in 5
- NP
- Nockenprofil
- G2, G3
- Gleitbahnen
- F
- Federkraft
- 6
- Antriebsachse
- 7
- Sonnenrad
- ZI
- Innenverzahnung
- KF
- Kupplungsfläche
- KFR
- Kupplungsfläche gerundet
- 8
- Klinkenschwenkachse
- NK
- Normalkraft an SF
- FK
- Reibkraft an SF
- RK
- Radialkomponente von NK
- TK
- Tangentialkomponente von NK
- µK
- Reibungskoeffizient der Kupplungsflächen SF zu KF
- AK
- Radialkraft in 1
- NS
- Normalkraft an RF
- FS
- Reibkraft an RF
- V
- Drehrichtung
- µS
- Reibungskoeffizient an RF
- MGES
- Gesamtmoment
- rS
Radius von 2- rK
Abstand KF von 8- α
- spitzer Winkel
- β
- Winkel
- β∼
- Winkel genähert
- 1
- pawl
- 2
- Pivot pin
- RF
- Friction surface on 2
- 3
- Locking lever
- 31
- Edge oriented towards the internal toothing ZI
- 32
- Edge oriented towards the cam body
- SF
- Face on 3
- SFR
- Rounded end face
- S2, S3
- Locking cam on 3
- 4
- Control lever
- 5
- cam body
- N
- cam
- NT
- Cam valley in 5
- NP
- Cam profile
- G2, G3
- Slideways
- F
- Spring force
- 6
- Drive axle
- 7
- sun gear
- ZI
- Internal gearing
- KF
- Coupling surface
- KFR
- Coupling surface rounded
- 8th
- Pawl pivot axis
- NK
- Normal force at SF
- FK
- Friction force on SF
- RK
- Radial component of N K
- TK
- Tangent component of N K
- µK
- Friction coefficient of the coupling surfaces SF to KF
- AK
- Radial force in 1
- NS
- Normal force at RF
- FS
- Friction force on RF
- v
- Direction of rotation
- µS
- Coefficient of friction at RF
- MGES
- Total moment
- RS
- Radius of 2
- rK
- Distance KF of 8
- α
- acute angle
- β
- angle
- β∼
- Angle approached
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102013112788 B4 [0003, 0005, 0026, 0032, 0037]DE 102013112788 B4 [0003, 0005, 0026, 0032, 0037]
- DE 102013112788 [0036]DE 102013112788 [0036]
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