DE102023102913B3

DE102023102913B3 - Switchable clutch with several switching elements for changing between freewheel position and torque transmission position

Info

Publication number: DE102023102913B3
Application number: DE102023102913.4A
Authority: DE
Inventors: Johann Oswald; Daniel Mahler; Johannes Doll; Stefan Rieß; Johann Sontheim
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2023-02-07
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2043-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Kupplung (1) zum Schalten zwischen einer Freilaufstellung und einer Drehmomentübertragungsstellung, in der eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen einer Drehmomenteingangswelle (2) mit einer dazu koaxial angeordneten Drehmomentausgangswelle (3), mittels wenigstens einem in einer Drehmomentübertragungsstellung formschlüssig wirkenden Übertragungselement (4) vorhanden ist, wobei das wenigstens eine Übertragungselement (4) in einer radialen Ausnehmung (5) einer der beiden Wellen gelagert ist, wobei ein erstes Schaltelement (6) vorhanden ist, das vorgesehen ist, um das wenigstens eine Übertragungselement (4) in die Drehmomentübertragungsstellung zu verbringen, wobei ein zweites Schaltelement (7) vorhanden ist, das vorgesehen ist, um das wenigstens eine Übertragungselement (4) in die Freilaufstellung zu verbringen. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrische Maschine mit einer Sicherheitskupplung, die als besagte schaltbare Kupplung ausgebildet ist, um die elektrische Maschine von einem Antriebsstrang zu lösen oder mit diesem zu verbinden.

The invention relates to a switchable clutch (1) for switching between a freewheeling position and a torque transmission position, in which a torque-transmitting connection is provided between a torque input shaft (2) and a torque output shaft (3) arranged coaxially thereto, by means of at least one transmission element (4) acting in a form-fitting manner in a torque transmission position, wherein the at least one transmission element (4) is mounted in a radial recess (5) of one of the two shafts, wherein a first switching element (6) is provided to bring the at least one transmission element (4) into the torque transmission position, wherein a second switching element (7) is provided to bring the at least one transmission element (4) into the freewheeling position. The invention also relates to an electric machine with a safety clutch, which is designed as said switchable clutch, in order to detach the electric machine from a drive train or to connect it to it.

Description

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Kupplung, zum Schalten zwischen einer Freilaufstellung und einer Drehmomentübertragungsstellung, in der eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen einer Drehmomenteingangswelle mit einer dazu koaxial angeordneten Drehmomentausgangswelle mittels wenigstens einem, in einer Drehmomentübertragungsstellung formschlüssig wirkenden Übertragungselement gewählt/vorhanden ist, wobei das wenigstens eine Übertragungselement in einer radialen Ausnehmung einer inneren der beiden Wellen gelagert ist, wobei ein erstes Schaltelement vorhanden ist, das vorgesehen ist, um das wenigstens eine Übertragungselement in Drehmomentübertragungsstellung zu verbringen.The invention relates to a switchable clutch for switching between a freewheel position and a torque transmission position, in which a torque-transmitting connection between a torque input shaft and a torque output shaft arranged coaxially thereto is selected/present by means of at least one transmission element acting in a form-fitting manner in a torque transmission position, wherein the at least one transmission element is mounted in a radial recess of an inner one of the two shafts, wherein a first switching element is present which is provided in order to bring the at least one transmission element into the torque transmission position.

Zum Verbinden und Trennen von Lastflüssen, insbesondere in Antriebssträngen, werden in der Technik Kraft und/oder formschlüssige Kupplungen eingesetzt. Kraftschlüssige Kupplungen wie zum Beispiel Lamellen-Reibkupplungen weisen dabei den Nachteil auf, dass zur Betätigung in der Regel zum Aufbringen der benötigten Reibung hohe Kräfte zur Betätigung benötigt werden, was diese Systeme aufwändig, schwer und teuer macht. Formschlüssige Kupplungen wie zum Beispiel Klauenkupplungen sind zwar einfach im Aufbau, allerdings sind die benötigten verzahnten Bauteile relativ teuer in der Herstellung, und funktional weisen Klauenkupplungen den Nachteil auf, dass diese in der Regel nicht unter Last entkuppelbar sind. Letzteres steht einem Einsatz als Sicherheitskupplung, wo Lastflüsse auch unter vollem Drehmoment getrennt werden müssen, entgegen.Force and/or positive couplings are used in technology to connect and disconnect load flows, particularly in drive trains. Force-locking couplings such as multi-disk friction clutches have the disadvantage that high forces are usually required to actuate them in order to generate the required friction, which makes these systems complex, heavy and expensive. Positive couplings such as claw clutches are simple in design, but the required toothed components are relatively expensive to manufacture, and functionally, claw clutches have the disadvantage that they cannot usually be uncoupled under load. The latter is not suitable for use as a safety clutch, where load flows must be separated even under full torque.

Speziell bei den formschlüssigen Kupplungen werden zum reversiblen Verbinden und Trennen von Lastflüssen zum Beispiel Schaltklauen oder verschiebbare Verzahnungen eingesetzt, welche je nach Bedarf in oder außer Eingriff gebracht werden. Hierfür wiederum wird, je, nach Anwendung, entweder ein elektrischer, hydraulischer, pneumatischer oder anderweitiger Aktuator oder aber auch eine manuelle Betätigung verwendet.Especially with positive couplings, switching claws or movable gears are used for the reversible connection and separation of load flows, which are brought into or out of engagement as required. For this, depending on the application, either an electric, hydraulic, pneumatic or other actuator or manual operation is used.

Eine besondere Bauart einer formschlüssigen Kupplung findet im sogenannten Ziehkeilgetriebe Anwendung, welches zum Beispiel in der DE 32 43 375 A1 beschrieben wird. Ein sogenannter Ziehkeil, der in einer geschlitzten Welle hin- und hergeschoben werden kann, greift in entsprechende Ausnehmungen von Zahnrädern ein, welche um die geschlitzte Welle herum angeordnet sind.A special type of positive coupling is used in the so-called draw-key transmission, which is used, for example, in EN 32 43 375 A1 A so-called draw key, which can be pushed back and forth in a slotted shaft, engages in corresponding recesses of gears which are arranged around the slotted shaft.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Ziehkeilgetriebes bzw. von Ziehkeilkupplungen wird in der DE 10 31 158 B beschrieben. Bei dieser Ausgestaltungsform werden zur Kraftübertragung Kugeln verwendet. Anstelle der geschlitzten Welle tritt eine Welle mit Bohrungen, in welchen die genannten Kugeln platziert werden. Der Ziehkeil wird dabei ein einfaches Drehteil mit abgestuften Durchmessern und einer Rampe, um die Kugeln radial zu bewegen. Die Kugeln werden nun von dem Ziehkeil, je nach dessen Position, aus den Löchern herausgedrückt oder können wieder in die Löcher zurückgedrückt werden. In der äußeren Position greifen die Kugeln in entsprechende Taschen des die Welle umgebenden Abtriebs, im Falle eines Getriebes der die Welle umgebenden Zahnräder und stellen den Kraftfluss her.A particularly advantageous design of a draw-key transmission or draw-key coupling is described in the DE 10 31 158 B described. In this design, balls are used to transmit power. Instead of the slotted shaft, there is a shaft with holes in which the balls are placed. The draw wedge is a simple rotating part with graduated diameters and a ramp to move the balls radially. The balls are then pressed out of the holes by the draw wedge, depending on its position, or can be pressed back into the holes. In the outer position, the balls engage in corresponding pockets of the output surrounding the shaft, in the case of a gearbox, the gears surrounding the shaft, and establish the flow of power.

Großer Vorteil derartig gestalteter formschlüssiger Kupplungen bzw. von Getrieben, welche diese Kupplungen verwenden, ist, dass diese geometrisch sehr einfach sind und mit einfachen Fertigungsmitteln kostengünstig hergestellt werden können im Gegensatz zu zum Beispiel Klauenkupplungen, für deren Herstellung hochspezialisierte Maschinen benötigt werden. Die Kupplung ist außerdem mechanisch sehr robust und kann zum Beispiel auch unter voller Last entkuppelt werden ohne Schaden zu nehmen, da die Kugeln in diesem Fall in die Löcher zurückrollen bzw. gedrückt werden und den Abtrieb bzw. im Falle eines Getriebes das Zahnrad dabei sanft freigeben. Ein weiterer Vorteil ist, dass die benötigten Kräfte zum Betätigen der Kupplung relativ klein sind, da nur die Kugeln als Kraft vermittelndes Bauteil bewegt oder freigegeben werden müssen und nicht, wie bei anderen Bauarten, ganze Getriebewellen oder Schaltklauen.The big advantage of such positive-locking couplings or of gearboxes that use these couplings is that they are geometrically very simple and can be manufactured inexpensively using simple manufacturing resources, in contrast to claw couplings, for example, which require highly specialized machines to manufacture. The coupling is also mechanically very robust and can, for example, be uncoupled under full load without being damaged, as the balls then roll or are pressed back into the holes and gently release the output or, in the case of a gearbox, the gear. A further advantage is that the forces required to operate the clutch are relatively small, as only the balls as the force-transmitting component need to be moved or released, and not, as with other designs, entire gearbox shafts or shift claws.

Beim Einsatz einer derartigen Kupplung für die beschriebene Anwendung hat sich allerdings ein gravierender Nachteil dieser Konstruktion gezeigt. Grundsätzlich entsteht durch das übertragene Drehmoment zwischen antreibendem und abtreibendem Element eine Kraft auf die Kugel, welche radial nach innen wirkt und üblicherweise durch den Ziehkeil abgestützt wird. Diese Kraft auf die Kugeln führt auch dazu, dass die Ziehkeil-Kugelkupplung beim Entfernen des Ziehkeils sofort öffnet, indem die Kugeln durch eben diese Kraft aus den Ausnehmungen des Abtriebs zurück in ihre Grundposition gedrückt werden, wodurch der Formschluss unterbrochen wird.When using such a coupling for the described application, however, a serious disadvantage of this design has become apparent. Basically, the torque transmitted between the driving and driven elements creates a force on the ball, which acts radially inwards and is usually supported by the pull wedge. This force on the balls also means that the pull wedge ball coupling opens immediately when the pull wedge is removed, as the balls are pushed out of the recesses of the output and back into their basic position by this very force, which interrupts the form fit.

Allerdings wirken je nach Rotationgeschwindigkeit der Kupplung auf die Kugeln Fliehkräfte, welche diese nach außen in das abtreibende Element drücken. Das heißt, dass bei zum Beispiel niedrigem Drehmoment und daraus resultierender niedriger nach innen wirkender Radialkraft auf die Kugeln und gleichzeitig erhöhter Drehzahl und daraus resultierender hoher nach außen wirkender Fliehkraft auf die Kugeln die Kupplung auch bei vollständigem Entfernen des Ziehkeils nicht mehr öffnet, sondern so lange geschlossen bleibt, bis das Drehmoment so weit steigt, dass die resultierende Radialkraft nach innen größer wird als die wirkende Fliehkraft und die Kugeln dadurch zurück in die Welle gedrückt werden können oder bis die Drehzahl soweit sinkt, bis ein äquivalentes Gleichgewicht hergestellt ist. Mathematisch kann aus dieser Erkenntnis also ein Betriebskennfeld (Drehmoment über Drehzahl) der Ziehkeil-Kugelkupplung errechnet werden, in welchem es dann Bereiche gibt, in welchem die Kombination aus (in der Regel hohem) Drehmoment und (in der Regel niedriger) Drehzahl ein vollständiges Öffnen der Kupplung ermöglicht und Bereiche, in welche dies nicht möglich ist bzw. in welchen die Kupplung dann nicht mehr sicher öffnet. Dies ist für sicherheitskritische Anwendungen in den meisten Fällen nicht akzeptabel.However, depending on the rotation speed of the clutch, centrifugal forces act on the balls, which push them outwards into the output element. This means that, for example, if the torque is low and the resulting low radial force acting inwards on the balls and at the same time the speed is increased and the resulting high centrifugal force acting outwards on the balls, the clutch will no longer open even if the draw key is completely removed, but will remain closed until the torque is so so much that the resulting radial force inwards becomes greater than the centrifugal force acting and the balls can be pushed back into the shaft or until the speed drops so far that an equivalent equilibrium is established. Mathematically, this knowledge can be used to calculate an operating characteristic (torque over speed) of the draw wedge ball coupling, in which there are then areas in which the combination of (usually high) torque and (usually low) speed enables the coupling to open completely and areas in which this is not possible or in which the coupling no longer opens safely. In most cases, this is not acceptable for safety-critical applications.

Aus der DE 10 2017 222 758 A1 ist eine passive Trennkupplungseinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt. Aus der DE 1 859 444 U und der DE 1 754 742 U sind Kupplungen mit Kugelsperren bekannt. Aus der DE 1 257 612 A ist eine Schaltkupplung mit Ziehkeil für Motorräder und Motorroller bekannt. Aus der WO 2021/183965 A1 ist ein kugelbasierter Stabilisator für eine Fahrzeugaufhängung bekannt, um die Wankbewegungen des Fahrzeugs u.a. bei Kurvenfahrten zu verringern.From the EN 10 2017 222 758 A1 A passive separating clutch unit for a motor vehicle is known. DE 1 859 444 U and the EN 1 754 742 U couplings with ball locks are known. From the DE 1 257 612 A is a clutch with pull key for motorcycles and scooters. From the WO 2021/183965 A1 is a ball-based stabilizer for a vehicle suspension to reduce the rolling movements of the vehicle, for example when cornering.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die angesprochenen Nachteile zu beseitigen oder zumindest (teilweise) zu lindern.The object of the present invention is to eliminate the mentioned disadvantages or at least to (partially) alleviate them.

Dies wird bei einer gattungsgemäßen Kupplung dadurch gelöst, dass ein zweites Schaltelement vorhanden ist, das vorgesehen ist, um das wenigstens eine Übertragungselement in die Freilaufstellung zu verbringen. Vorteilhaft ist, dass bei hohen Drehzahlen und/oder Lasten mit niedriger Betätigungskraft entkuppelt werden kann. Derartige Kupplungen werden insbesondere zum Trennen von Lastflüssen in Notfallsituationen benötigt. Eine besondere Anwendung ist vor allem die Verwendung einer derartigen Kupplung zum Abtrennen einer elektrischen Maschine von einem Antriebsstrang im Falle eines elektrischen Fehlers, um gravierende Folgeschäden zu vermeiden.This is solved in a generic clutch by having a second switching element that is provided to move the at least one transmission element into the freewheel position. It is advantageous that at high speeds and/or loads, decoupling can be carried out with low actuation force. Such clutches are required in particular for separating load flows in emergency situations. One particular application is the use of such a clutch to separate an electrical machine from a drive train in the event of an electrical fault in order to avoid serious consequential damage.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.Advantageous embodiments are claimed in the subclaims and are explained in more detail below.

Außerdem kann eine Vielzahl von vorzugsweise über den Umfang gleich verteilter Übertragungselemente vorhanden sein, die vorzugsweise als Wälzkörper, insbesondere zum Beispiel als Gleichteile ausgebildete Kugeln ausgebildet sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Übertragungselemente Kugeln, die aus geschliffenem Stahl oder Edelstahl hergestellt sind. Dies ist vor allem preisgünstig.In addition, there can be a large number of transmission elements, preferably evenly distributed over the circumference, which are preferably designed as rolling elements, in particular, for example, balls designed as identical parts. In a further advantageous embodiment, the transmission elements are balls made of ground steel or stainless steel. This is above all inexpensive.

Weiterhin von Vorteil ist, wenn die Übertragungselemente aus einem Werkstoff gefertigt werden, dessen Dichte geringer als die von Stahl ist. Dies führt zu einer Reduzierung der Fliehkräfte auf die Übertragungselemente. Vor allem nichtmetallische keramische Werkstoffe haben sich dort bewährt, weil diese neben dem geringen Gewicht auch aufgrund besseren tribologischen Eigenschaften den Verschleiß reduzieren, insbesondere bei Bedingungen mit mangelhafter Schmierung. Speziell Siliziumnitrid Si₃N₄ hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt.It is also advantageous if the transmission elements are made of a material whose density is lower than that of steel. This leads to a reduction in the centrifugal forces on the transmission elements. Non-metallic ceramic materials in particular have proven to be effective here because, in addition to their low weight, they also reduce wear due to their better tribological properties, especially in conditions with inadequate lubrication. Silicon nitride Si ₃ N ₄ in particular has proven to be advantageous in this regard.

Von Vorteil ist, wenn die beiden Schaltelemente nur/ hauptsächlich in Axialrichtung bewegbar sind und so auf die Übertragungselemente abgestimmt sind, dass diese beim Überführen zwischen der Freistellung und der Drehmomentübertragungsstellung eine Bewegung nur/ hauptsächlich in Radialrichtung zwangsbewegt durchführen. damit kann unter Nutzung von wenig Bauraum die Funktionsfähigkeit der Kupplung umgesetzt werden.It is advantageous if the two switching elements can only/mainly be moved in the axial direction and are coordinated with the transmission elements in such a way that they are forced to move only/mainly in the radial direction when transferring between the release position and the torque transmission position. This means that the functionality of the clutch can be implemented using little installation space.

Von Vorteil ist, wenn das erste Schaltelement als Ziehkeil ausgebildet ist und das zweite Schaltelement als Gegenziehkeil ausgebildet ist. Kupplungen mit Ziehkeilen haben den großen Vorteil, dass diese mit einfachen Fertigungsmitteln kostengünstig hergestellt werden können und auch unter Lasten entkuppelt werden können, wobei die dafür benötigte Kraft relativ klein ist. Diese Eigenschaften prädestinieren die Kupplung mit Ziehkeilen für den Einsatz als kostengünstige Sicherheitskupplung, um einen Lastfluss im Notfall oder aus anderen Gründen schnell trennen zu können. Die Ausführung der Schaltelemente als Keilform bietet den Vorteil, dass diese Schaltelemente spezielle Fliehkräfte, die auf die Kugeln wirken, überwinden können.It is advantageous if the first switching element is designed as a pull wedge and the second switching element is designed as a counter pull wedge. Couplings with pull wedges have the great advantage that they can be manufactured inexpensively using simple manufacturing equipment and can also be uncoupled under loads, whereby the force required for this is relatively small. These properties make the coupling with pull wedges ideal for use as a cost-effective safety coupling in order to be able to quickly separate a load flow in an emergency or for other reasons. The wedge-shaped design of the switching elements offers the advantage that these switching elements can overcome special centrifugal forces that act on the balls.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das als Ziehkeil ausgebildete erste Schaltelement eine Rampe auf, um das Übertragungselement radial nach außen zu bewegen. Bevorzugt ist diese Rampe direkt am Ziehkeil ausgeformt, wodurch die Konstruktion und Montage der Schaltelemente vereinfacht ist, indem möglichst integrale Bauteile verwendet werden und Bauraum einsparbar ist.In a preferred embodiment, the first switching element, which is designed as a pull wedge, has a ramp to move the transmission element radially outwards. This ramp is preferably formed directly on the pull wedge, which simplifies the design and assembly of the switching elements by using components that are as integral as possible and saving installation space.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das als Gegenziehkeil ausgebildete zweite Schaltelement einen Keil auf, um das Übertragungselement radial nach innen zu bewegen. Bevorzugt ist dieser Keil direkt am Gegenziehkeil ausgeformt, wodurch die Konstruktion und Montage der Schaltelemente vereinfacht ist, indem möglichst integrale Bauteile verwendet werden und Bauraum einsparbar ist.In a further preferred embodiment, the second switching element designed as a counter-pull wedge has a wedge in order to move the transmission element radially inwards. This wedge is preferably formed directly on the counter-pull wedge, which simplifies the construction and assembly of the switching elements by using components that are as integral as possible and saving installation space.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement über ein Lager oder Kugellager drehbar miteinander zu verbinden. Damit ist auf geringem Bauraum eine Kopplung der Bewegungen der Schaltelemente umsetzbar.It has proven particularly advantageous to have the first switching element and the second Switching elements are connected to one another via a bearing or ball bearing. This makes it possible to couple the movements of the switching elements in a small installation space.

Des Weiteren kann der Ziehkeil zum Verlagern des wenigstens einen Übertragungselementes in einer ersten Axialrichtung vorgesehen sein, wobei der Gegenziehkeil zum Rückverlagern des wenigstens einen Übertragungselementes in jener der ersten Axialrichtung entgegengesetzten zweiten Axialrichtung vorgesehen sein. Damit ist die Schaltbewegung über die Schaltelemente selbst auf nur zwei Richtungen limitiert, der Bewegung in Axialrichtung, wodurch eine einfache und weniger komplexe Bauform der Kupplung sichergestellt ist.Furthermore, the pull wedge can be provided for displacing the at least one transmission element in a first axial direction, with the counter pull wedge being provided for displacing the at least one transmission element back in the second axial direction opposite to the first axial direction. The switching movement via the switching elements themselves is thus limited to only two directions, the movement in the axial direction, which ensures a simple and less complex design of the clutch.

Außerdem wirkt der Gegenziehkeil analog zum Ziehkeil radial auf die Übertragungselemente der schaltbaren Kupplung, wobei der Gegenziehkeil in entgegengesetzter Richtung wie der Ziehkeil auf die Übertragungselemente wirkt, üblicherweise also in radialer Richtung nach innen. Das heißt, es wird damit die Möglichkeit geschaffen, die Übertragungselemente unabhängig von Drehzahl und Drehmoment entweder in die radiale äußere oder aber auch wieder zurück in die radial innere Position zu bewegen, um damit den Lastfluss vom Antrieb zum Abtrieb zu trennen. Damit ist die Bewegung der Übertragungselemente auf eine Richtung, der Radialrichtung, beschränkt, wodurch eine einfache und weniger komplexe Bauform der Kupplung sichergestellt ist.In addition, the counter-pull wedge acts radially on the transmission elements of the switchable clutch in the same way as the pull wedge, whereby the counter-pull wedge acts in the opposite direction to the pull wedge on the transmission elements, usually in a radially inward direction. This means that it is possible to move the transmission elements either to the radially outer position or back to the radially inner position, regardless of the speed and torque, in order to separate the load flow from the drive to the output. This limits the movement of the transmission elements to one direction, the radial direction, which ensures a simple and less complex design of the clutch.

Außerdem können die beiden Schaltelemente unter Zwischenschaltung wenigstens eines Rotationswälzlagers in Axialrichtung zueinander unverschieblich miteinander verbunden sein.In addition, the two switching elements can be connected to one another in an immovable manner in the axial direction by interposing at least one rotary rolling bearing.

So ist es von Vorteil, wenn die äußere Welle auf der radialen Innenseite wenigstens eine Tasche besitzt, die zur formschlüssigen Aufnahme des wenigstens einen Übertragungselementes in der Drehmomentübertragungsstellung vorbereitet ist. Mit den Taschen ist ein bauraumarme Gestaltung zur Drehmomentübertragung zwischen Drehmomenteingangswelle und Drehmomentausgangswelle sichergestellt, da mittels der Formschluss des Übertragungselementes in der Tasche der wenige Bauraum optimal genutzt ist.It is therefore advantageous if the outer shaft has at least one pocket on the radial inside, which is prepared for the positive-locking reception of at least one transmission element in the torque transmission position. The pockets ensure a space-saving design for torque transmission between the torque input shaft and the torque output shaft, since the small amount of installation space is used optimally by means of the positive locking of the transmission element in the pocket.

Außerdem kann das erste Schaltelement einen Absatz / zylindrischen Abschnitt aufweisen, mit dem das Übertragungselement in der Drehmomentübertragungsstellung haltbar ist. Der Absatz / zylindrische Abschnitt des als Ziehkeil ausgebildeten ersten Schaltelements kann auch konisch, also ähnlich wie die Rampe nur mit deutlich flacherem Winkel ausgeführt werden kann, um zum Beispiel das Öffnen der Kupplung durch die dann wirkenden Kräfte an der schiefen Ebene zu erleichtern oder um grundsätzlich den benötigten Kraftverlauf beim Ein- und Auskuppeln zu beeinflussen.In addition, the first switching element can have a shoulder/cylindrical section with which the transmission element can be held in the torque transmission position. The shoulder/cylindrical section of the first switching element, which is designed as a draw wedge, can also be conical, i.e. similar to the ramp but with a much flatter angle, for example to make it easier to open the clutch using the forces then acting on the inclined plane or to generally influence the required force curve when engaging and disengaging the clutch.

Von Vorteil ist, wenn die schaltbare Kupplung als eine Sicherheitskupplung ausgebildet ist. Für den Einsatz als Sicherheitskupplung hat es sich gezeigt, dass es von besonderem Vorteil ist, wenn in der Freilaufstellung über eine Feder sichergestellt wird, welche auch genügend Kraft aufbringen kann, um das Übertragungselement mittels dem zweiten Schaltelement als Gegenziehkeil in jedwedem Betriebszustand aus den Taschen zu drücken, um den Formschluss zu unterbinden.It is advantageous if the switchable clutch is designed as a safety clutch. For use as a safety clutch, it has been shown that it is particularly advantageous if the freewheel position is secured by a spring, which can also apply sufficient force to press the transmission element out of the pockets using the second switching element as a counter-pull wedge in any operating state in order to prevent the positive locking.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass vorstehend die Drehmomenteingangswelle als innere Welle und die Drehmomentausgangswelle als äußere Welle bezeichnet wurden. Grundsätzlich ist aber auch ein Vertauschen von Drehmomenteingang und Drehmomentausgang möglich, ohne dass dies einen Einfluss auf die Funktion der Kupplung hat.At this point it should be mentioned that the torque input shaft was referred to as the inner shaft and the torque output shaft as the outer shaft. In principle, however, it is also possible to swap the torque input and torque output without this having an impact on the function of the clutch.

Auch betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Sicherheitskupplung, die als zuvor besagte schaltbare Kupplung ausgebildet ist, um die elektrische Maschine von einem Antriebsstrang zu lösen oder mit ihr zu verbinden.The invention also relates to an electric machine with a safety clutch, which is designed as the aforementioned switchable clutch in order to detach the electric machine from a drive train or to connect it to it.

In anderen Worten betrifft die Erfindung eine schaltbare Kupplung zum formschlüssigen Verbinden von zwei koaxialen Wellen mit einer Drehmomenteingangswelle / inneren Welle, welche radiale Ausnehmungen / Bohrungen zum Aufnehmen von Übertragungselementen aufweist, einer Drehmomentausgangswelle / äußeren Welle, welche Taschen zum reversiblen Aufnehmen der Übertragungselemente aufweist, eines ersten Schaltelements, welche die Übertragungselemente zum Zwecke der Herstellung eines Formschlusses radial bewegt, wobei ein zweites Schaltelement existiert, welches die Übertragungselemente in die entgegengesetzte radiale Richtung bewegt wie das erste Schaltelement.In other words, the invention relates to a switchable coupling for the positive connection of two coaxial shafts with a torque input shaft / inner shaft which has radial recesses / bores for receiving transmission elements, a torque output shaft / outer shaft which has pockets for reversibly receiving the transmission elements, a first switching element which moves the transmission elements radially for the purpose of producing a positive connection, wherein a second switching element exists which moves the transmission elements in the opposite radial direction to the first switching element.

Vorteilhaft ist es, wenn es sich bei den Übertragungselementen um Kugeln handelt.It is advantageous if the transmission elements are balls.

Außerdem können das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement mit einer oder mehreren keilförmigen Rampen ausgeführt sein.In addition, the first switching element and the second switching element can be designed with one or more wedge-shaped ramps.

Des Weiteren können das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement gegeneinander drehbar miteinander verbunden sein.Furthermore, the first switching element and the second switching element can be connected to one another so that they can rotate relative to one another.

Es ist zweckmäßig, wenn das Schaltelement aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht.It is advisable if the switching element is made of a non-metallic material.

Vorteilhaft ist, wenn es sich bei dem nichtmetallischen Werkstoff um Keramik auf Basis Si3N4 handelt.It is advantageous if the non-metallic material is ceramic based on Si3N4.

Außerdem kann es sich um eine Kupplung zur Übertragung eines Drehmomentes handeln.It can also be a clutch for transmitting torque.

Vorzugsweise wird die Kupplung durch eine Pneumatik mit Federrückstellung betätigt, welche im Ruhezustand geöffnet ist.Preferably, the clutch is operated by a pneumatic system with spring return, which is open in the resting state.

Des Weiteren kann es sich um eine Sicherheitskupplung zum Abtrennen einer elektrischen Maschine von einem Antriebsstrang handeln.Furthermore, it can be a safety coupling for separating an electrical machine from a drive train.

Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung mit Figuren näher erläutert.Various advantageous embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing with figures.

Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer schaltbaren Kupplung in einer vereinfachten Darstellung,
2 die erfindungsgemäße schaltbare Kupplung in einer konkreten Ausgestaltung in Freilaufstellung,
3 die erfindungsgemäße schaltbare Kupplung nach 2 in Übergangsstellung im Wechsel zwischen Freilaufstellung und Drehmomentübertragungsstellung,
4 die schaltbare Kupplung nach 2 in Drehmomentübertragungsstellung,
5 eine schematische Darstellung zur Trennung der schaltbaren Kupplung nach 2 bis 4.

Show it:

1 a schematic view of a switchable clutch in a simplified representation,
2 the switchable clutch according to the invention in a concrete embodiment in freewheel position,
3 the switchable clutch according to the invention 2 in transition position alternating between freewheel position and torque transmission position,
4 the switchable clutch after 2 in torque transmission position,
5 a schematic representation of the separation of the switchable clutch according to 2 to 4 .

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsformen lassen sich untereinander austauschen und alternativ / kumulativ einsetzen.The figures are merely schematic in nature and serve exclusively to understand the invention. The same elements are provided with the same reference numerals. Features of the individual embodiments can be interchanged and used alternatively/cumulatively.

Die 1 zeigt die erfindungsgemäße schaltbare Kupplung 1 in einer schematischen Ansicht, zum Schalten zwischen einer Freilaufstellung (dargestellt in 2) und einer Drehmomentübertragungsstellung (dargestellt in 4), in der eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen einer Drehmomenteingangswelle 2 mit einer dazu koaxial angeordneten Drehmomentausgangswelle 3, mittels wenigstens einem in einer Drehmomentübertragungsstellung formschlüssig wirkenden Übertragungselement 4 vorhanden ist, wobei das wenigstens eine Übertragungselement 4 in einer radialen Ausnehmung 5 einer inneren der beiden Wellen 2, 3 gelagert ist, wobei ein erstes Schaltelement 6 vorhanden ist, das vorgesehen ist, um das wenigstens eine Übertragungselement 4 in die Drehmomentübertragungsstellung zu verbringen. Hervorzuheben ist, dass ein zweites Schaltelement 7 vorgesehen ist, dass das wenigstens eine Übertragungselement 4 in die Freilaufstellung verbringen kann.The 1 shows the switchable clutch 1 according to the invention in a schematic view, for switching between a freewheel position (shown in 2 ) and a torque transmission position (shown in 4 ), in which a torque-transmitting connection is provided between a torque input shaft 2 and a torque output shaft 3 arranged coaxially thereto, by means of at least one transmission element 4 which acts in a form-fitting manner in a torque transmission position, wherein the at least one transmission element 4 is mounted in a radial recess 5 of an inner one of the two shafts 2, 3, wherein a first switching element 6 is provided which is provided in order to bring the at least one transmission element 4 into the torque transmission position. It should be emphasized that a second switching element 7 is provided which can bring the at least one transmission element 4 into the freewheel position.

Zur besseren Verständlichkeit der nachfolgenden Beschreibung ist eine Axialrichtung 8 und eine Radialrichtung 9 definiert.To better understand the following description, an axial direction 8 and a radial direction 9 are defined.

In der in 1 vereinfachten Darstellungsform der schaltbaren Kupplung 1 ist die Drehmomenteingangswelle 2 zumindest über einen Abschnitt hohl ausgebildet, wobei das erste Schaltelement 6 axial innerhalb dieses hohlen Abschnitts positioniert ist. Die Drehmomentausgangswelle 3 ist in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls zumindest über einen Abschnitt hohl ausgebildet und koaxial zur Drehmomenteingangswelle 2 angeordnet. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist in der Drehmomenteingangswelle 2 zumindest eine radiale Ausnehmung 5 vorhanden, in der das Übertragungselement 4 positioniert ist.In the 1 In the simplified representation of the switchable clutch 1, the torque input shaft 2 is hollow over at least one section, with the first switching element 6 being positioned axially within this hollow section. The torque output shaft 3 is also hollow over at least one section in the embodiment shown and is arranged coaxially to the torque input shaft 2. In the embodiment shown in 1 In the embodiment shown, there is at least one radial recess 5 in the torque input shaft 2, in which the transmission element 4 is positioned.

In der gezeigten schematischen Darstellung nach 1 und in der konkret ausgestalteten Ausführungsform nach 2 bis 4 sind mehrere, in Umfangsrichtung verteilte radiale Ausnehmungen 5 vorhanden, die bevorzugt in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander beabstandet sind. Jede dieser radialen Ausnehmung 5 weist ein Übertragungselement 4 auf, das in dieser Ausnehmung 5 positionier ist, somit entspricht bevorzugt die Anzahl an Übertragungselementen 4.der Anzahl an radialen Ausnehmungen 5.In the schematic representation shown according to 1 and in the concrete embodiment according to 2 to 4 There are several radial recesses 5 distributed in the circumferential direction, which are preferably evenly spaced from one another in the circumferential direction. Each of these radial recesses 5 has a transmission element 4 that is positioned in this recess 5, thus the number of transmission elements 4 preferably corresponds to the number of radial recesses 5.

Wird nun das erste Schaltelement 6 in Axialrichtung 8 in Richtung zu den Übertragungselementen 4, in einer ersten Axialrichtung 28, wobei die in der gezeigten Ausführungsform Übertragungselemente 4 als Kugeln ausgebildet sind, bewegt, so drückt das erste Schaltelement 6 mit einer Rampe 10 die Übertragungselemente 4 in Radialrichtung 9 nach radial außen, also von dem ersten Schaltelement 6 weg. Dadurch, dass das erste Schaltelement 6 und das zweite Schaltelement 7 miteinander wirkverbunden sind, bewegt sich das zweite Schaltelement 7 ebenfalls in Axialrichtung in gleiche Richtung wie das erste Schaltelement 6, damit die Übertragungselemente 4 in eine äußere Tasche 11 in der Drehmomentausgangswelle 3 haltbar sind. Zur Lösung der Drehmomentübertragung, also zum Bewegen der Übertragungselemente 4 in die ursprüngliche vorherige Position, in der keine Drehmomentübertragung stattfindet und eine Freistellung vorhanden ist, wird das zweite Schaltelement 7 in die axiale Gegenrichtung gezogen, einer zweiten Axialrichtung 29. So drückt das zweite Schaltelement 7 das Übertragungselement 4 mit einem Keil 16 aus der Tasche 11 und das Übertragungselement 4 bewegt sich radial nach innen zurück.If the first switching element 6 is now moved in the axial direction 8 in the direction of the transmission elements 4, in a first axial direction 28, whereby the transmission elements 4 in the embodiment shown are designed as balls, the first switching element 6 presses the transmission elements 4 in the radial direction 9 radially outwards, i.e. away from the first switching element 6, with a ramp 10. Because the first switching element 6 and the second switching element 7 are operatively connected to one another, the second switching element 7 also moves in the axial direction in the same direction as the first switching element 6, so that the transmission elements 4 can be held in an outer pocket 11 in the torque output shaft 3. To release the torque transmission, i.e. to move the transmission elements 4 to the original previous position in which no torque transmission takes place and a release is present, the second switching element 7 is pulled in the axial opposite direction, a second axial direction 29. The second switching element 7 thus presses the transmission element 4 with a wedge 16 out of the pocket 11 and the transmission element 4 moves radially inward.

In den 2 bis 4 ist eine ausgestaltete Ausführungsform der schaltbaren Kupplung dargestellt und es wird der Kupplungsvorgang in drei verschiedenen Stellungen, in der Freilaufstellung, in einer Übergangsstellung und in der Drehmomentübertragungsstellung dargestellt.In the 2 to 4 a designed embodiment of the switchable clutch is shown and the clutch process is shown in three different positions, in the freewheel position, in a transition position and in the torque transmission position.

Die 2 zeigt die schaltbare Kupplung 1 in der Freilaufstellung. Die Drehmomenteingangswelle 2 ist in der konkreten Ausführungsform mittels eines Lagers 12 drehbar gelagert. Das erste Schaltelement 6 ist in der hier dargestellten Ausführungsform als Ziehkeil ausgebildet. Das erste Schaltelement 6 ist in der hier dargestellten Ausführungsform hohl ausgeführt, um eine Wirkverbindung mit dem zweiten Schaltelement 7 herzustellen. Dies erfolgt mit einer Betätigungsstange 13, die in dem hohlen Abschnitt des ersten Schaltelements in Axialrichtung 8 positioniert ist. Das erste Schaltelement 6 ist mit der Betätigungsstange 13 über ein Lager 14 drehbar gelagert.The 2 shows the switchable clutch 1 in the freewheel position. In the specific embodiment, the torque input shaft 2 is rotatably mounted by means of a bearing 12. In the embodiment shown here, the first switching element 6 is designed as a pull wedge. In the embodiment shown here, the first switching element 6 is hollow in order to establish an operative connection with the second switching element 7. This is done with an actuating rod 13, which is positioned in the hollow section of the first switching element in the axial direction 8. The first switching element 6 is rotatably mounted with the actuating rod 13 via a bearing 14.

Das zweite Schaltelement 7 ist in der hier dargestellten Ausführungsform als Gegenziehkeil ausgeformt. Das zweite Schaltelement 7 ist ebenfalls mit einem Lager 15 auf der Betätigungsstange 13 drehbar gelagert. Die Bewegung der Betätigungsstange 13 ist mittels einer Bewegungsrichtung 18 definiert. Das zweite Schaltelement 7 weist den Keil 16 auf, der in der hier gezeigten Freilaufstellung der Kupplung 1 die radialen Ausnehmungen 5 radial verschließt, und die Übertragungselemente 4 in ihrer Position in den radialen Ausnehmungen 5 verbleiben.The second switching element 7 is formed as a counter-pull wedge in the embodiment shown here. The second switching element 7 is also rotatably mounted on the actuating rod 13 with a bearing 15. The movement of the actuating rod 13 is defined by means of a direction of movement 18. The second switching element 7 has the wedge 16, which radially closes the radial recesses 5 in the freewheeling position of the clutch 1 shown here, and the transmission elements 4 remain in their position in the radial recesses 5.

Der Keil 16 des zweiten Schaltelements 7 und somit das zweite Schaltelement 7 ist axial verschiebbar, so dass die Übertragungselemente 4 für eine radiale Bewegung nach außen freigebar sind. Die Tasche 11 ist in einer radialen Innenseite 27 der Drehmomentausgangswelle 3 geformt. In der Freilaufstellung sind die Übertragungselemente 4 formschlüssig in den radialen Ausnehmungen 5 positioniert und es besteht kein Formschluss zwischen der Drehmomenteingangswelle 2 und der Drehmomentausgangswelle 3.The wedge 16 of the second switching element 7 and thus the second switching element 7 is axially displaceable so that the transmission elements 4 can be released for radial movement outwards. The pocket 11 is formed in a radial inner side 27 of the torque output shaft 3. In the freewheeling position, the transmission elements 4 are positioned in a form-fitting manner in the radial recesses 5 and there is no form-fitting connection between the torque input shaft 2 and the torque output shaft 3.

Wird nun die Betätigungsstange 13 gemäß ihrer Bewegungsrichtung 18 in Axialrichtung 8 in die erste Axialrichtung 28 bewegt, so ergibt sich die Stellung der schaltbaren Kupplung 1 nach 3. Der Keil 16 des zweiten Schaltelements 7 öffnet nun die zuvor verschlossene radiale Ausnehmung 5, in der das Übertragungselement 4 positioniert ist, da das zweite Schaltelement 7 der Bewegung der Betätigungsstange 13 folgt. Die Übertragungselemente 4 bewegen sich radial nach außen, indem sie mittels der Rampe 10 des ersten Schaltelements 6 nach radial außen gedrückt werden.If the actuating rod 13 is now moved in the first axial direction 28 according to its direction of movement 18 in the axial direction 8, the position of the switchable clutch 1 results in 3 The wedge 16 of the second switching element 7 now opens the previously closed radial recess 5 in which the transmission element 4 is positioned, since the second switching element 7 follows the movement of the actuating rod 13. The transmission elements 4 move radially outwards by being pressed radially outwards by means of the ramp 10 of the first switching element 6.

In 4 ist nun die schaltbare Kupplung 1 in der Drehmomentübertragungsstellung dargestellt. Dabei ist die Betätigungsstange 13 in Axialrichtung 8 weiter in der ersten Axialrichtung 28 bewegt worden, sodass das zweite Schaltelement 7 nun in seiner Endposition angelangt ist und die Übertragungselemente 4 mittels des ersten Schaltelements 6 und dessen Rampe 10 radial nach außen soweit gedrückt sind, so dass diese in die Taschen 11 der Drehmomentübertragungswelle 3 eingreifen. Damit sich die Übertragungselemente 4 nicht ungezwungen zurück nach radial innen bewegen, weist das erste Schaltelement 6 einem Absatz 17 auf, der das Übertragungselement 4 in der Position hält. Es wird nun ein Drehmoment von der Drehmomenteingangswelle 2 auf die Drehmomentausganswelle 3 übertragen. Um zurück in die Freilaufstellung nach 2 zu gelangen, wird die Betätigungsstange 13 gemäß der zweiten Axialrichtung 29 bewegt und das zweite Schaltelement 7 sorgt für eine Rückbewegung der Übertragungselemente 4.In 4 the switchable clutch 1 is now shown in the torque transmission position. The actuating rod 13 has been moved further in the axial direction 8 in the first axial direction 28, so that the second switching element 7 has now reached its end position and the transmission elements 4 are pressed radially outwards by means of the first switching element 6 and its ramp 10 so that they engage in the pockets 11 of the torque transmission shaft 3. So that the transmission elements 4 do not move freely back radially inwards, the first switching element 6 has a shoulder 17 which holds the transmission element 4 in position. A torque is now transmitted from the torque input shaft 2 to the torque output shaft 3. In order to return to the freewheel position after 2 , the actuating rod 13 is moved according to the second axial direction 29 and the second switching element 7 ensures a return movement of the transmission elements 4.

Die 5 zeigt exemplarisch das Konzept eines ausgeführten pneumatischen Aktors 19, welcher die Kupplung 1 bei jedem denkbaren Fehlerfall zuverlässig trennen kann. Wird eine Versorgungsspannung 20 angeschlossen, schließt ein Ventil 21 und ein Verdichter 22 läuft an. Dadurch wird ein Zylinder 23 mit Luft befüllt und die Kolbenstange 24, welche mit der Betätigungsstange 8 aus den 2 bis 4 verbunden ist, bewegt sich gegen die Kraft einer Rückstellfeder 25 nach rechts. Eine verbundene Kupplung würde schließen. Der Verdichter 22 läuft so lange, bis ein Druckschalter 26 einen voreingestellten Druck erreicht und den Verdichter 22 abschaltet. Die Kupplung ist geschlossen. Wird nun die Versorgungsspannung 20 abgeschaltet, so wird das Ventil 21 stromlos und entlüftet den Zylinder 23. Die Rückstellfeder 25 bewegt den Zylinder 23 zurück in die Ausgangsposition.The 5 shows the concept of an exemplary pneumatic actuator 19, which can reliably separate the clutch 1 in any conceivable fault situation. If a supply voltage 20 is connected, a valve 21 closes and a compressor 22 starts. This fills a cylinder 23 with air and the piston rod 24, which is connected to the actuating rod 8 from the 2 to 4 is connected, moves to the right against the force of a return spring 25. A connected clutch would close. The compressor 22 runs until a pressure switch 26 reaches a preset pressure and switches off the compressor 22. The clutch is closed. If the supply voltage 20 is now switched off, the valve 21 is de-energized and vents the cylinder 23. The return spring 25 moves the cylinder 23 back to the starting position.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: schaltbare Kupplungswitchable clutch
22: DrehmomenteingangswelleTorque input shaft
33: DrehmomentausgangswelleTorque output shaft
44: ÜbertragungselementTransmission element
55: radiale Ausnehmungradial recess
66: erstes Schaltelementfirst switching element
77: zweites Schaltelementsecond switching element
88th: AxialrichtungAxial direction
99: RadialrichtungRadial direction
1010: Ramperamp
1111: TascheBag
1212: Lagercamp
1313: BetätigungsstangeOperating rod
1414: Lagercamp
1515: Lagercamp
1616: Keilwedge
1717: AbsatzParagraph
1818: Bewegungsrichtung der BetätigungsstangeDirection of movement of the operating rod
1919: AktorActuator
2020: VersorgungsspannungSupply voltage
2121: VentilValve
2222: Verdichtercompressor
2323: Zylindercylinder
2424: KolbenstangePiston rod
2525: RückstellfederReturn spring
2626: DruckschalterPressure switch
2727: radiale Innenseiteradial inside
2828: erste Axialrichtungfirst axial direction
2929: zweite Axialrichtungsecond axial direction

Claims

Switchable clutch (1) for switching between a freewheeling position and a torque transmission position, in which a torque-transmitting connection is provided between a torque input shaft (2) and a torque output shaft (3) arranged coaxially therewith, by means of at least one transmission element (4) which acts in a form-fitting manner in a torque transmission position, wherein the at least one transmission element (4) is mounted in a radial recess (5) of one of the two shafts, wherein a first switching element (6) is provided which is intended to bring the at least one transmission element (4) into the torque transmission position, characterized in that a second switching element (7) is provided which is intended to bring the at least one transmission element (4) into the freewheeling position.

Switchable clutch (1) after Claim 1 , characterized in that a plurality of transmission elements (4) are present.

Switchable clutch (1) after Claim 2 , characterized in that the two switching elements (6, 7) are movable in the axial direction (8) and are coordinated with the transmission elements (4) in such a way that they are forced to move in the radial direction (9) when transferred between the release position and the torque transmission position.

Switchable clutch (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the first switching element (6) is designed as a pulling wedge and the second switching element is designed as a counter-pulling wedge.

Switchable clutch (1) after Claim 4 , characterized in that the drawing wedge for displacing the at least one transmission element (4) is to be displaced in a first axial direction, wherein the counter-drawing wedge is provided for displacing the at least one transmission element (4) in the second axial direction opposite to the first axial direction.

Switchable clutch (1) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the two switching elements are connected to one another immovably in the axial direction (8) with the interposition of at least one rotary bearing (14, 15).

Switchable clutch (1) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the first switching element (6) has a ramp (10) to move the at least one transmission element (4) radially outward.

Switchable clutch (1) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the first switching element (6) has a shoulder (17) with which the at least one transmission element (4) can be held in the torque transmission position.

Switchable clutch (1) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the outer shaft has at least one pocket (11) on a radial inner side (27) which is prepared to receive the at least one transmission element (4) in the torque transmission position.

Electric machine with a safety clutch, which is designed as a switchable clutch according to one of the preceding claims, in order to detach the electric machine from a drive train or to connect it to it.