DE10204947A1

DE10204947A1 - Elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung oder -bremse

Info

Publication number: DE10204947A1
Application number: DE2002104947
Authority: DE
Inventors: Juergen Pescheck; Helmut Fronius
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2003-08-21
Also published as: EP1472469A1; WO2003067111A1

Abstract

Es wird eine nach dem Ruhestrom-Prinzip arbeitende, elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung oder -bremse vorgeschlagen, bei welcher bei abgeschaltetem Elektromagneten ein Drehmoment zwischen einer Ankerscheibe (2) und einem Abtriebsflansch (6) reibschlüssig übertragen wird. Erfindungsgemäß wird die von einem passiven Vorspannmittel (20) erzeugte, auf die Ankerscheibe (2) wirkende Axialkraft dadurch verstärkt, dass zwischen der Ankerscheibe (2) und einem Leitring (4) Mitnahmeelemente (30, 32) angeordnet sind, welche jeweils eine Kraft zwischen dem Leitring (4) und der Ankerscheibe (2) übertragen, deren Vektor eine tangentiale und eine davon abhängige axiale Komponente aufweist, welche die Ankerscheibe (2) zusätzlich zur Vorspannkraft gegen die Reibfläche des Abtriebsflansches (6) presst.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung oder -bremse nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einer solchen Reibungskupplung oder -bremse wird die Anpresskraft, mit der die axial bewegbare Ankerscheibe im geschlossenen Zustand der Reibungskuppung oder -bremse gegen eine Reibfläche des Abtriebsflansches gepresst wird, von einem passiven Vorspannmittel, wie z. B. von einem Permanentmagneten oder einem Federsystem, erzeugt. Der Elektromagnet dient zum Lüften der Reibungskupplung oder -bremse, d. h. zum Abheben der Ankerscheibe von dem Abtriebsflansch. Bei eingeschaltetem Elektromagneten wird die Ankerscheibe gegen einen Leitring des Elektromagneten gezogen, der im Falle der Kupplung drehantreibbar und im Falle der Bremse feststehend ist. Der Vorteil dieser Bauart liegt darin, dass die Bremse bzw. Kupplung bei Stromabschaltung oder -ausfall zuverlässig geschlossen wird. Zudem wird nur im gelüfteten Zustand elektrischer Strom verbraucht. Eine derartige Reibungskupplung oder -bremse ist in der DE 26 38 944 A1 offenbart.

Ein grundsätzliches Problem bei dieser Bauart ist, dass zum Lüften die Magnetkraft des Elektromagneten die passive Vorspannkraft, also die Federkraft oder die Kraft des Permanentmagneten, sowie interne Reibungskräfte überwinden muß. Die Höhe der passiven Vorspannkraft wird bestimmt durch das zwischen Ankerscheibe und Abtriebsflansch durch Reibung zu übertragende Drehmoment. Im geschlossenen Zustand der Bremse bzw. Kupplung ergibt sich ein axialer Luftspalt zwischen dem Leitring des Elektromagneten und der Ankerscheibe, welcher einen magnetischen Widerstand erzeugt, der um so größer ist, je größer der Luftspalt ist. Aus Gründen der Verschleißreserve und aufgrund von Toleranzen wird angestrebt, einen möglichst großen Luftspalt zuzulassen. Ein großer Luftspalt erfordert jedoch einen dementsprechend starken Elektromagneten, der zu einem hohen Gewicht und Bauvolumen der Kupplung bzw. Bremse führt.

Aus der DE 30 36 091 C2 ist eine nach dem Ruhestrom- Prinzip arbeitende elektromagnetisch lüftbare Bremse bekannt, bei der das Bremsmoment auf ein Rampensystem wirkt, welches die Anpresskraft der Bremse und damit das Bremsmoment verstärkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung oder -bremse anzugeben, die bei geringem Bauraum und Gewicht zur Übertragung hoher Drehmomente geeignet ist, wobei sie auch bei einem großen Luftspalt zuverlässig elektromagnetisch lüftbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine, auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs aufweisende elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung oder -bremse gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine Anwendung sind durch die Unteransprüche gegeben.

Erfindungsgemäß erfolgt die Drehmomentübertragung zwischen dem Leitring und der Ankerscheibe also durch mehrere axial zwischen Ankerscheibe und Leitring in einem Radiusbereich angeordnete Mitnahmeelemente, die in zugeordneten Aufnahmebereichen der Ankerscheibe und des Leitrings angeordnet sind. Neben einer tangentialen Kraftkomponente überträgt jedes Mitnahmeelement über eine aus der Drehrichtung geneigte Schräge auch eine axiale Kraftkomponente vom Leitring auf die Ankerscheibe. Die Geometrie der Schräge bestimmt die Richtung der Wirkungslinie der Kraft und damit das Verhältnis der tangentialen zur axialen Kraftkomponente. Die axiale Kraftkomponente auf die Ankerscheibe hat dieselbe Richtung wie die vom passiven Vorspannmittel auf die Ankerscheibe ausgeübte Axialkraft, so dass eine Kraftverstärkung eintritt, welche das zwischen Ankerscheibe und Abtriebsflansch übertragbare Drehmoment erhöht.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Mitnahmeelemente als Stifte ausgebildet, welche fest mit dem Leitring verbunden sind und die jeweils eine abgeschrägte, vorzugsweise kegel- oder kegelstumpfförmige Spitze aufweisen, welche in vertiefte Aufnahmebereiche der Ankerscheibe eintauchen. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mitnahmeelemente Kugeln, welche zwischen vertieften Aufnahmebereichen der Ankerscheibe und des Leitrings mit einem gewissen Spiel beweglich gehalten sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verjüngen sich die vertieften Aufnahmebereiche von Ankerscheibe und/oder Leitring in axialer Richtung konisch. Zwischen den konischen Vertiefungen, welche z. B. konisch gebohrt oder auch durch Kaltumformung hergestellt sein können, und den rotationssymmetrischen Mitnahmeelementen sind dann nicht nur tangentiale und axiale, sondern auch radiale Kräfte zwischen Leitring und Ankerscheibe übertragbar. Hierdurch wird ermöglicht, die Ankerscheibe radial durch die Mitnahmeelemente auf dem Leitring zu sichern, so dass für die Ankerscheibe kein eigenes Lager vorgesehen werden muss. Unter Einwirkung eines Drehmoments führt dies zu einer Zentrierung der Ankerscheibe gegenüber dem Leitring. Der Wegfall des Ankerscheibenlagers bietet zunächst eine Bauraum-, Gewichts- und Kostenersparnis. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass auch kein Schleppmoment zwischen Abtriebsflansch und Ankerscheibe übertragen wird, was bei einigen Anwendungen unerwünscht ist.

Die Herstellung der vertieften Aufnahmebereiche durch Kaltumformung bietet den Vorteil, dass die Oberfläche der Ankerscheibe bzw. des Leitrings im Bereich der Mitnahmeelemente verfestigt ist und daher eine höhere Verschleißbeständigkeit aufweist. Auch durch Oberflächenhärten der Aufnahmebereiche kann die Standzeit bzw. Zahl der möglichen Schaltungen erhöht werden. Vorteilhafterweise können die Ankerscheibe und/oder der Leitring auch mit Buchsen versehen sein, welche die vertieften Aufnahmebereiche aufweisen.

Eine definierte Lastverteilung zwischen den einzelnen Mitnahmeelementen wird erzielt, wenn genau drei Mitnahmeelemente gleichmäßig verteilt vorgesehen sind.

Es ist weiterhin vorteilhaft, die Mitnahmeelemente radial innerhalb der Reibfläche anzuordnen. So stehen die äußeren Radiusbereiche für die Reibfläche zur Verfügung, so dass ein hohes Drehmoment übertragbar ist. Ferner ist die von den Mitnahmeelementen übertragene Tangentialkraft um so größer, je kleiner der Radiusbereich ist, in dem die Mitnahmeelemente angeordnet sind. Da die induzierte Axialkraft proportional zur Tangentialkraft ist, ist die Drehmomentverstärkung der Kupplung bzw. Bremse um so größer, je größer das Durchmesserverhältnis von Reibfläche und Radiusbereich der Mitnahmeelemente ist.

Das System läßt sich weiter dadurch optimieren, dass die Mitnahmeelemente aus unmagnetischem Werkstoff, z. B. Keramik, Kunststoff, rostfreier Edelstahl, hergestellt sind.

Eine erfindungsgemäße Reibungskupplung unterscheidet sich von einer erfindungsgemäßen Reibungsbremse dadurch, dass der Leitring drehbar gelagert und mit einem Antriebsglied verbunden ist, wohingegen er bei der Reibungsbremse feststehend ist. Eine erfindungsgemäße Reibungskupplung eignet sich insbesondere für den Antrieb einer Kühlwasserpumpe eines Verbrennungsmotors, da diese im gelüfteten Zustand kein Schleppmoment überträgt und ein unerwünschter Kühlmittelvolumenstrom unterbleibt.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert, wobei
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung einer Reibungskupplung,
Fig. 2 eine Explosionszeichnung der Reibungskupplung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine zweite Ausgestaltung einer Reibungskupplung,
Fig. 4 eine Explosionszeichnung der Reibungskupplung nach Fig. 3 und
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines zwischen Ankerscheibe und Leitring angeordneten Mitnahmeelements zeigen.
In Fig. 1 ist mit 2 die Ankerscheibe bezeichnet, welche um den Betrag des Spaltes s axial zwischen dem Leitring 4 und dem Abtriebsflansch 6 bewegbar ist. Die Magnetspule 8 ist zusammen mit dem Magnetkörper 10 feststehend im nicht vollständig gezeigten Gehäuse eingebaut. Der Leitring 4 ist durch das Lager 12 drehbar gelagert. Der Leitring weist einen äußeren zylindrischen Teil 14 und einen inneren zylindrischen Teil 16 auf, welche den Magnetkörper 10 innen und außen jeweils mi einem radialen Luftspalt 18, 20 umschließen. Der Leitring 4 weist an der der Ankerscheibe zugewandten Seite einen Ring 18 aus unmagnetischem Material auf. Radial innerhalb und außerhalb dieses Rings 18 bilden sich am Leitring magnetische Pole aus, welche die Ankerscheibe 2 anziehen, wenn die Magnetspule 8 stromdurchflossen ist. Bei eingeschalteter Magnetspule wird die Ankerscheibe 2 also gegen den Leitring 4 gezogen, so dass sich zwischen der Ankerscheibe 2 und dem Abtriebsflansch 6 ein axialer Luftspalt bildet und kein Drehmoment übertragen wird. Mehrere vorgespannte Schraubenfedern 20, von denen nur eine gezeigt ist, üben eine der Magnetkraft entgegengesetzte Axialkraft auf die Ankerscheibe aus, welche die Ankerscheibe bei abgeschaltetem Elektromagneten gegen den Abtriebsflansch 6 preßt, so dass zwischen den einander zugewandten Reibflächen 22, 24 (siehe Fig. 2) von Abtriebsscheibe und Ankerscheibe ein Drehmoment reibschlüssig übertragen wird. Die nicht gezeigte Anbindung von An- bzw. Abtrieb erfolgt einerseits durch einen Riemen, welcher auf dem äußeren Zylinder 14 des Leitrings anliegt und durch eine Welle, welche von der Nabe 26 des Abtriebs aufgenommen ist.
Der Leitring 4 weist gleichmäßig verteilt mehrere Bohrungen 28 auf, in denen jeweils ein Stift 30 fest sitzt. Der Stift 30 weist eine kegelstumpfförmige Spitze 32 auf, welche in eine konische Bohrung 34 (Fig. 2) der Ankerscheibe eintaucht. Die Stifte 30 dienen zur Drehmomentübertragung zwischen Leitring und Ankerscheibe sowie zur radialen Fixierung der Ankerscheibe auf dem Leitring, so dass kein separates Lager für die Ankerscheibe erforderlich ist. Wird ein Drehmoment zwischen dem Leitring 4 und der Ankerscheibe 2 übertragen, so bedingt das Zusammenwirken der kegelstumpfförmigen Spitze 32 mit der Bohrung 34, dass die Wirkungslinie der übertragenen Kraft eine tangentiale und eine davon abhängige axiale Komponente aufweist. Die axiale Komponente presst die Ankerscheibe 2 zusätzlich zur Axialkraft der Federn 20 gegen die Reibfläche 22 des Abtriebsflansches 6.
Im Ruhezustand der Kupplung drücken die Federn 20 also die Ankerscheibe 2 gegen den Abtriebsflansch 6. Das in den Leitring 4 eingeleitete Drehmoment wird über die Stifte 30 und die Ankerscheibe 2 zum Abtriebsflansch 6 geleitet. Zunächst wird ein Drehmoment erzeugt, das lediglich von der Federkraft und dem Reibungsbeiwert der Reibflächen 22, 24 von Abtriebsflansch und Ankerscheibe abhängt. Dieses Initialmoment stützt sich nun an den Stiften 30 ab. Mit der eingeleiteten Tangentialkraft geht eine Kraftkomponente in axialer Richtung einher. Diese Kraftkomponente hat die gleiche Richtung wie die Federkraft und verstärkt somit die Axialkraft, die die Ankerscheibe gegen den Abtriebsflansch drückt. Das nun übertragbare Drehmoment ist wesentlich höher als das Initialmoment.
In Fig. 3 und 4 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen, wie in Fig. 1 bzw. 2. Die axiale Vorspannkraft auf die Ankerscheibe 2 wird bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 bzw. 4 von einer einzigen zentralen Schraubenfeder 36 erzeugt. Als Mitnahmeelemente zwischen dem Leitring und der Ankerscheibe 2 dienen drei gleichmäßig verteilte Kugeln 38, welche weder mit dem Leitring 4 noch mit der Ankerscheibe 2 fest verbunden sind. Sowohl der Leitring 4 als auch die Ankerscheibe 2 weisen konische, vertiefte Aufnahmebereiche 40, 42 auf, zwischen denen die Kugeln 38 beweglich gehalten sind. Die konische Vertiefung 42 in der Ankerscheibe 2 ist durch Kaltumformen hergestellt, während im Leitring 4 eine Buchse 44 eingesetzt ist. Die Kugeln 38 haben sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen der Kupplung die Möglichkeit zur Eigenbewegung, wodurch sich günstige Reibverhältnisse und ein guter Wirkungsgrad ergeben. Die Funktionsweise ist ansonsten identisch der oben beschriebenen Anordnung.
In Fig. 3 ist darüber hinaus die Abtriebswelle 46 gezeigt, welche drehfest in der Nabe 26 des Abtriebs sitzt. Der mit dem Leitring 4 verbundene Deckel 48 schließt die Kupplung nach außen ab.
Fig. 5 zeigt vergrößert eine Kugel 38, die zwischen zwei konischen Vertiefungen des Leitrings 4 und der Ankerscheibe 2 sitzt. Es ist die bei abgeschaltetem Elektromagneten vorherrschende Situation dargestellt, bei der sich zwischen der Ankerscheibe 2 und dem Leitring ein axialer Luftspalt s einstellt. Die Ankerscheibe 2 liegt am nicht dargestellten Abtriebsflansch 6 an, so dass zwischen Ankerscheibe 2 und Abtriebsflansch 6 ein Drehmoment übertragen wird. Die zwischen der Ankerscheibe 2 und dem Leitring 4 übertragene Kraft ist durch den Vektor 40 dargestellt, der eine tangentiale Komponente 52 und eine davon abhängige axiale Komponente 54 aufweist. Während die tangentiale Komponente 52 direkt vom zwischen Ankerscheibe und Leitring übertragenen Drehmoment abhängt, bewirkt die davon abhängige axiale Komponente 54 eine Erhöhung der Anpresskraft zwischen Ankerscheibe 2 und Abtriebsflansch 6. Es hat sich gezeigt, dass eine gute Drehmomentverstärkung ohne die Gefahr des Verklemmens erzielt werden kann, wenn für die Konuswinkel α, β der Vertiefungen in der Ankerscheibe 2 und dem Leitring 4 Werte zwischen 45° und 120° gewählt werden. Aus Fig. 5 ist ferner ersichtlich, dass die Funktion auch dann gewährleistet ist, wenn für die Kugel ein härterer Werkstoff wie für die Kugelsitze verwendet wird und dadurch bei der Kraftübertragung eine plastische Verformung in den Kugelsitzen entsteht.
Ebenso ist die Funktion gewährleistet, wenn für die Kugeln ein weicherer Werkstoff wie für die Kugelsitze verwendet wird und die Kugeln sich bei der Kraftübertragung elastisch verformen. Bezugszeichen 2 Ankerscheibe
4 Leitring
6 Abtriebsflansch
8 Magnetspule
10 Magnetkörper
12 Lager
14 Zylinder
16 Zylinder
18 unmagnetischer Ring
20 Feder
22 Reibfläche
24 Reibfläche
26 Nabe
28 Bohrung
30 Stift
32 Spitze
34 Bohrung
36 Feder
38 Kugel
40 Aufnahmebereich
42 Aufnahmebereich?
44 Buchse
46 Welle
48 Deckel
50 Vektor
52 Kraftkomponente
α Konuswinkel
β Konuswinkel
s Luftspalt

Claims

1. Elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung oder -bremse mit einer axial bewegbaren Ankerscheibe (2), die zwischen einem Leitring (4) eines Elektromagneten (8, 10) und einem Abtriebsflansch (6) angeordnet ist und drehmomentschlüssig mit dem Leitring (4) verbunden ist und welche in einer ersten Schaltstellung von dem Elektromagneten gegen den Leitring (4) gezogen und gelüftet wird und in einer zweiten Schaltstellung - bei stromlosem Elektromagneten - von einem passiven Vorspannmittel (20) mit einer axialen Vorspannkraft gegen eine Reibfläche (22) des Abtriebsflansches (6) gepresst wird, so dass der Abtriebsflansch (6) und der Leitring (4) trieblich verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen der Ankerscheibe (2) und dem Leitring (4) in einem Radiusbereich verteilt mehrere Mitnahmeelemente (30, 32) in zugeordneten Aufnahmebereichen (28, 34) der Ankerscheibe (2) und des Leitrings (4) angeordnet sind, welche jeweils eine Kraft zwischen dem Leitring (4) und der Ankerscheibe (2) übertragen, deren Vektor (50) eine tangentiale (52) und eine davon abhängige axiale Komponente (54) aufweist, welche die Ankerscheibe (2) zusätzlich zur Vorspannkraft gegen die Reibfläche (22) des Abtriebsflansches (6) presst.

2. Reibungskupplung oder -bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmeelemente als Stifte (30) ausgebildet sind, welche fest mit dem Leitring (4) verbunden sind und die jeweils eine abgeschrägte, vorzugsweise kegel- oder kegelstumpfförmige Spitze (32) aufweisen, welche in vertiefte Aufnahmebereiche (34) der Ankerscheibe (2) eintauchen.

3. Reibungskupplung oder -bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmeelemente als Kugeln (38) ausgebildet sind, welche zwischen vertieften Aufnahmebereichen der Ankerscheibe (2) und des Leitring (4) beweglich gehalten sind.

4. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vertieften Aufnahmebereiche sich in axialer Richtung konisch verjüngen.

5. Reibungskupplung oder -bremse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen einen Konuswinkel (α, β) im Bereich zwischen 45° und 120° aufweisen.

6. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass genau drei Mitnahmeelemente (30, 32) vorgesehen sind.

7. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radiusbereich der Mitnahmeelemente (30, 32) radial innerhalb der Reibfläche (22, 24) liegt.

8. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ankerscheibe (2) kein Lager vorgesehen ist und die Ankerscheibe (2) radial von den Mitnahmeelementen (30, 32) auf dem Leitring (4) gesichert ist.

9. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmeelemente (38) aus unmagnetischem Werkstoff hergestellt sind.

10. Reibungskupplung oder -bremse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmeelemente (38) aus keramischem Material, Kunststoff oder rostfreiem Edelstahl bestehen.

11. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vertieften Aufnahmebereiche (42) durch Kaltumformung hergestellt sind.

12. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebereiche oberflächengehärtet sind.

13. Reibungskupplung oder -bremse nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ankerscheibe (2) und/oder im Leitring (4) Buchsen (44) vorgesehen sind, welche die vertieften Aufnahmebereiche aufweisen.

14. Elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Leitring (4) drehbar gelagert und mit einem Antriebsglied (46) verbunden ist.

15. Elektromagnetisch betätigbare Reibungsbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welcher der Leitring (4) feststehend ist.

16. Antrieb einer Kühlwasserpumpe eines Verbrennungsmotors mit einer elektromagnetisch betätigbaren Reibungskupplung nach Anspruch 14.