-
Die Erfindung betrifft eine Reibungskupplung oder
-bremse mit Selbstverstärkung
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
Die selbstverstärkende Eigenschaft beruht auf
einem Kraftverstärkungsmechanismus,
der infolge eines zwischen den Kupplungshälften übertragenen Drehmoments eine
Axialkraft auf Reibelemente, welche an der Drehmomentübertragung
beteiligt sind, verstärkt.
Infolge der so erhöhten
Axialkraft erhöht
sich wiederum das übertragbare
Drehmoment.
-
Derartige Reibungskupplungen oder
-bremsen werden überall
dort eingesetzt, wo mit geringen Betätigungskräften große Drehmomente zu übertragen
sind.
-
Der Kraftverstärkungsmechanismus vieler bekannter
Reibungskupplungen oder -bremsen beinhaltet eine Kombination von
Kugeln, die in tangential geneigten Rampen geführt sind, welche ein Drehmoment
in eine Axialkraft zwischen der ersten Kupplungshälfte und
einem Übertragungsmittel übersetzen.
Bei einer Verdrehung des Übertragungsmittels gegenüber der
ersten Kupplungshälfte
wird das Übertragungsmittel
gegenüber
der ersten Kupplungshälfte
durch den Rampenmechanismus zwangsweise axial ausgelenkt und damit
eine Axialkraft auf Reibflächen
ausgeübt,
welche mit dem Übertragungsmittel
verbunden und in Kontakt mit Reibflächen der zweiten Kupplungshälfte sind.
-
Die
US
5,713,445 zeigt eine Reibungsbremse mit Selbstverstärkung, bei
der jede der Rampen nur eine Flanke auf weist. Die Selbstverstärkung stellt sich
demzufolge nur bezüglich
einer Drehmomentenrichtung ein.
-
Die
EP 0 669 480 B1 und die
US 5,505,285 zeigen Kupplungen, bei
denen der Kraftverstärkungsmechanismus
sowohl bei Drehmomenten, die im Uhrzeigersinn wirken, als auch bei
Drehmomenten, welche entgegen dem Uhrzeigersinn wirken, funktioniert.
Derartige Kupplungen sind geeignet, in Antriebssträngen von
Fahrzeugen verwendet zu werden, da sie sowohl im Zug- als auch im
Schubbetrieb Drehmomente übertragen.
Beim Übergang
von der einen in die andere Drehmomentenrichtung findet jedoch eine
Verdrehung der beiden Kupplungshälften statt,
so lange, bis die Kugeln an den für die neue Momentenrichtung
wirksamen Rampen anliegen. Dieser Effekt tritt, wenn auch in geringerem
Maß, auch
bei der nicht vorveröffentlichten
DE 102 04 947 der Anmelderin
auf, bei der die Kugeln in konischen Vertiefungen aufgenommen sind
und, je nach Drehmomentenrichtung, auf der einen oder der anderen
Seite in der konischen Vertiefung anliegen.
-
Es gibt Anwendungsfälle, bei
denen dieses Drehspiel unerwünschte
Lastwechselstöße hervorruft,
welche hör-
und/oder spürbar
sind und bei der Anwendung in Fahrzeugen zu Komforteinbußen führen könnten.
-
Auch für weitere Anwendungsfälle, wie
z. B. festbremsbare Servomotoren, welche für Positionierzwecke geeignet
sind, ist ein Drehspiel im festgebremsten Zustand unerwünscht, weshalb
hier bisher vorzugsweise Bremsen ohne einen Selbstverstärkungsmechanismus
eingesetzt werden.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Reibungskupplung oder -bremse mit Selbstverstärkung an zugeben,
welche bezüglich
beiden Drehmomentenrichtungen wirkt und bei der im festgebremsten
bzw. gekuppelten Zustand kein Drehspiel zwischen den beiden Kupplungshälften vorhanden
ist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine, auch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs aufweisende
Reibungskupplung oder -bremse gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
-
Erfindungsgemäß weist also das Übertragungsmittel,
welches zwischen den beiden Kupplungshälften angeordnet ist und das
mittels eines Kraftverstärkungsmechanismus
mit der ersten Kupplungshälfte
verbunden ist und das Reibflächen
aufweist, welche mit Reibflächen
auf der zweiten Kupplungshälfte
reibschlüssig
zusammenwirken können, ein
erstes und ein zweites Überragungselement
auf, welche relativ zueinander verdrehbar sind und unabhängig voneinander
eine die zwischen den Reibflächen
wirkende Anpreßkraft
verstärkende
Axialkraft erzeugen. Dabei wird vom ersten Übertragungselement eine die
Anpreßkraft
verstärkende
Axialkraft infolge eines im Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments
und vom zweiten Übertragungselement
eine die Anpreßkraft
verstärkende
Axialkraft infolge eines gegen den Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments erzeugt.
Darüber
hinaus sind Vorspannmittel vorgesehen, welche dem ersten Übertragungselement
ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment aufprägen und dem zweiten Übertragungselement
ein gegen dem Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment aufprägen oder
umgekehrt. Sofern die beiden Übertragungselemente
nicht von einem Betätigungsmittel, wie
z. B. einem Elektromagneten, gelüftet,
d. h. axial von der Reibfläche
der zweiten Kupplungshälfte
wegbewegt sind, sind sowohl die Reibflächen des ersten Übertragungselements
als auch die Reibflächen
des zweiten Übertragungselements
in Kontakt mit einer oder mehreren zugeordneten Reibflächen der
zweiten Kupplungshälfte.
Bezüglich
jeder Drehmomentenrichtung wirkt jeweils eines der beiden Übertragungselemente
kraftverstärkend.
Die Vorspannmittel bewirken, dass der Kraftverstärkungsmechanismus des jeweils
anderen Übertragungselements
in einem Zustand ist, aus dem heraus bei einer Drehmomentenrichtungsänderung
unmittelbar ohne die Überwindung
eines Drehspiels ein Drehmoment übertragen wird,
wobei dann der Kraftverstärkungsmechanismus des
zweiten Übertragungselements
wirkt.
-
Der Drehwinkel, um den die beiden Übertragungselemente
relativ zueinander verdrehbar sind, muß lediglich so groß sein,
dass das vom Vorspannmittel zwischen den beiden Übertragungselementen wirkende
Drehmoment sich auf den jeweiligen Kraftverstärkungsmechanismen abstützt. Hierfür können bereits
wenige Winkelgrade ausreichend sein. Auch die axiale Beweglichkeit
der beiden Übertragungsmittel
relativ zueinander muß nur
so groß sein,
dass sowohl das erste als auch das zweite Übertragungsmittel unabhängig voneinander
eine Axialkraft auf die zugeordneten Reibflächen der zweiten Kupplungshälfte ausüben können.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung umfaßt
das Vorspannmittel mindestens ein Federelement, welches zwischen
den beiden Übertragungselementen
angeordnet ist. Alternativ hierzu können auch zwischen jedem Übertragungselement und
der ersten Kupplungshälfte
Federelemente vorgesehen sein. Anstelle von Federelementen können auch andere
Vorspannmittel, welche beispielsweise auf magnetischer oder pneumatischer
Wirkung beruhen, verwendet werden.
-
Bestehen die Vorspannmittel aus Federelementen,
können
diese aus drei sich radial erstreckenden Blattfedern gebildet werden,
von denen jede an ihrem radial inneren Ende mit einem Übertragungselement
und an ihrem radial äußeren Ende
mit dem anderen Übertragungselement
verbunden sind. Die gleiche Funktion wird jedoch auch von einer
Spiralfeder erfüllt,
welche konzentrisch zwischen den beiden Übertragungselementen angeordnet
ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Federelemente sind am Umfang
verteilt mehrere, vorzugsweise drei, tangential ausgerichtete Zug-
oder Druckfedern vorgesehen, die sich mit ihrem einen Ende am ersten Übertragungselement
und mit ihrem anderen Ende am zweiten Übertragungselement abstützen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung besteht das erste Übertragungselement
aus einer ersten Scheibe und das zweite Übertragungselement aus einer
zweiten, benachbarten, koaxialen Scheibe, wobei die erste Scheibe
auf der Seite der ersten Kupplungshälfte und die zweite Scheibe
auf der Seite der zweiten Kupplungshälfte zwischen den beiden Kupplungshälften angeordnet
sind. Die erste Scheibe weist dabei Ausnehmungen auf, durch welche
Vorsprünge
der zweiten Scheibe zur ersten Kupplungshälfte hindurchgreifen, und die
zweite Scheibe weist Ausnehmungen auf, durch welche Vorsprünge der
ersten Scheibe zur zweiten Kupplungshälfte hindurchgreifen.
-
Bei einer alternativen Ausgestaltung
bestehen die beiden Übertragungselemente
aus einer ersten und einer zweiten koaxialen Ringscheibe, wobei die
erste Scheibe im selben axialen Bauraum radial innerhalb oder außerhalb
der zweiten Scheibe angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung der
Erfindung sind längere,
flach ansteigende Rampen möglich,
die für
hohe Kraftverstärkungsfaktoren
benötigt
werden.
-
Als Betätigungsmittel für die beiden Übertragungselemente
eignet sich insbesondere ein Elektromagnet, wenngleich die Erfindung
nicht auf elektromagnetisch betätigte
Reibungskupplungen oder -bremsen beschränkt ist. Bei einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist also ein Elektromagnet der ersten
Kupplungshälfte
zugeordnet, welcher dafür
vorgesehen ist, die beiden Übertragungselemente,
welche die beiden Ankerscheiben eines zweiteiligen Ankers sind,
zu lüften.
-
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung
sind zwischen der ersten Kupplungshälfte und jedem der beiden Übertragungselemente
mehrere Mitnahmeelemente in zugeordneten Aufnahmebereichen der ersten
Kupplungshälfte
und der beiden Übertragungselemente
angeordnet, wobei die Aufnahmebereiche und/oder die Mitnahmeelemente
tangential geneigte Kontaktflächen
aufweisen. Wenn für
jedes Übertragungselement
genau drei gleichmäßig am Umfang
verteilte Mitnahmeelemente vorgesehen sind, wird hierdurch eine
statisch bestimmte Abstützung
jedes Übertragungselements
auf der ersten Kupplungshälfte
erzielt und gewährleistet,
dass alle Übertragungselemente
an der Drehmomentübertragung
beteiligt sind.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ist für
die beiden Übertragungselemente
kein separates Lager vorgesehen. Die Übertragungselemente sind hierbei
von den Mitnahmeelementen auf der ersten Kupplungshälfte gesichert.
-
Eine besonders einfache Ausgestaltung
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mitnahmeelemente
als Kugeln ausgebildet sind, welche in zugeordneten, vorzugsweise
konisch zulaufenden Vertiefungen der ersten Kupplungshälfte und
der beiden Übertragungselemente
aufgenommen sind. Alternative Ausgestaltungen weisen radial ausgerichtete
Rollen oder auch Stifte mit konischen oder sphärischen Spitzen, auf, welche
mit axial gegenüberliegenden
Rampen zusammenwirken.
-
Bei einer Ausführung als Reibungsbremse ist
die erste oder die zweite Kupplungshälfte drehfest in einem Gehäuse angeordnet
und nur die andere Kupplungshälfte
drehantreibbar gelagert. Eine Ausführung als Reibungskupplung
zeichnet sich dadurch aus, dass beide Kupplungshälften drehbar in einem Gehäuse gelagert
sind.
-
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert.
-
Darin zeigen:
-
1 und 3 Explosionsdarstellungen
einer erfindungsgemäßen Bremse
in verschiedenen Ansichten;
-
2 eine
Zusammenbauansicht der erfindungsgemäßen Bremse nach 1 und 3;
-
4 schematisch
eine Prinzipskizze zur Erläuterung
der Funktion der Erfindung;
-
5 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bremse gemäß 1 bis 3;
-
6 und 7 Schnitt-Darstellungen einer
erfindungsgemäßen Bremse
nach 1 bis 3 und 5;
-
8 bis 11 verschiedene Ausgestaltungen von
Kraftverstärkungsmechanismen;
-
12 und 13 Darstellungen einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Bremse und
-
14 und 15 Darstellungen einer dritten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Bremse.
-
In 1 ist
mit 2 der feststehende Magnetkörper
einer elektromagnetischen Bremse 4 bezeichnet, der eine
kreisringförmige
Ausnehmung für
eine nicht dargestellte Spule eines Elektromagneten aufweist. Der
Magnetkörper 2 dient
als erste Kupplungshälfte.
Da der Magnetkörper 2 feststehend
ist, handelt es sich um eine elektromagnetische Bremse. Mit 6 ist
ein drehantreibbarer Flansch bezeichnet, der als zweite Kupplungshälfte dient
und koaxial zum Magnetkörper 2 angeordnet
ist. Zwischen dem Magnetkörper 2 und
dem Flansch 6 sind axial bewegbar eine erste Ankerscheibe 8 und
eine zweite Ankerscheibe 10 angeordnet. Jede der beiden
Ankerscheiben 8, 10 ist über jeweils drei Kugeln 12, 14 mit
dem Magnetkörper
in Wirkverbindung. Die Ankerscheiben 8, 10 weisen
auf der zum Flansch 6 hingewandten Seite Reibflächen 16, 18 auf,
welche dafür
vorgesehen sind, mit der Reibfläche 20 (3) des Flansches 6 zusammenzuwirken.
Damit beide Ankerscheiben 8, 10 sowohl mit dem
Magnetkörper
als auch mit dem Flansch 6 in direkten Kontakt kommen können, weist die
erste Ankerscheibe 8, welche auf der Seite des Magnetkörpers 2 angeordnet
ist, drei gleichmäßig am Umfang
der Nabe 22 verteilte Ausnehmungen 24 auf. Durch diese
Ausnehmungen 24 greifen Vorsprünge 26 der zweiten
Ankerscheibe 10 zum Magnetkörper 2 hindurch. Die
Ankerscheibe 10 weist an ihrem Umfang drei Ausnehmungen
aus, durch welche die Vorsprünge
der Ankerscheibe 8, welche die Reibflächen 16 tragen, hindurchgreifen,
so dass die Reibflächen 16 in
Kontakt mit der Reibfläche 20 des Flansches 6 treten
können.
Die beiden Ankerscheiben 8, 10 sind in gewissem
Maß unabhängig voneinander
axial zwischen dem Magnetkörper 2 und
dem Flansch 6 bewegbar und außerdem um einen Winkelbetrag
relativ zueinander verdrehbar. Zwischen den beiden Ankerscheiben 8, 10 sind
drei radial ausgerichtete Blattfedern 28 angeordnet, die
mit ihrem radial inneren Ende 30 in zugeordneten Schlitzen 32 in
der Nabe 22 sitzen und mit ihrem radial äußeren Ende 34 in
Schlitzen 36 sitzen, die in die zweite Ankerscheibe 10 eingearbeitet
sind. Die zweite Ankerscheibe 10 weist in den Bereichen
der Blattfedern 28 radiale Ausnehmungen 38 auf,
die den Blattfedern Raum zur Verformung bieten, wenn die beiden
Ankerscheiben 8, 10 gegeneinander verdreht werden. Der
Flansch 6 sitzt auf einer nicht dargestellten Welle, welche
im Magnetkörper 2 gelagert
ist und den Abstand zwischen dem Magnetkörper 2 und dem Flansch 6 konstant
hält. Die
Kugeln 12, 14 dienen als Mitnahmeelemente zwischen
jeder der beiden Ankerscheiben 8, 10 und dem Magnetkörper. Im
Magnetkörper 2 sind
konische Bohrungen 40, 42 vorgesehen, welche als
Aufnahmebereiche für
die Kugeln 12, 14 dienen. Die erste Ankerscheibe 8 weist
auf der dem Magnetkörper 2 zugewandten
Seite drei gleichmäßig am Umfang
der Nabe 22 angeordnete konische Bohrungen 44 (3) auf. Die drei Vorsprünge 26 der
zweiten Ankerscheibe 10 weisen ebenfalls konische Bohrungen 46 auf.
Die beiden Ankerscheiben 8, 10 werden durch den
Flansch 6 in geringem Abstand von dem Magnetkörper 2 gehalten,
so dass die Kugeln 12, 14 sowohl in die Bohrun gen 40, 42 als auch
in die Bohrungen 44, 46 eintauchen und eine triebliche
Anbindung der Ankerscheiben 8, 10 an den Magnetkörper 2 bewirken.
Jede Ankerscheibe 8, 10 ist also durch genau drei
Kugeln 12, 14 an den Magnetkörper 2 gekoppelt und
auf dem Magnetkörper 2 gesichert.
Solange die beiden Ankerscheiben 8, 10 nicht mit äußeren Drehmomenten
beaufschlagt werden, bewirken die Blattfedern 28 eine Verdrehung
der beiden Ankerscheiben 8, 10, welche durch den
Winkelsektor der Ausnehmungen 48 (2) begrenzt ist. Der sich dabei einstellende
Differenzwinkel zwischen den Bohrungen 44 und 46 ist
unterschiedlich gegenüber
dem Differenzwinkel zwischen den Bohrungen 40, 42.
Werden die beiden zusammengebauten Ankerscheiben 8, 10 dann
also axial gegen den Magnetkörper
gedrückt,
so liegen die Kugeln 12 zwischen einer Flanke der Bohrung 40 und
einer gegenüberliegenden
Flanke der Bohrung 44 und die Kugeln 14 spiegelbildlich
zwischen einer Flanke der Bohrung 42 und einer gegenüberliegenden
Flanke der Bohrung 26 an.
-
Dieser Zusammenhang läßt sich
am besten anhand der Prinzipskizze gemäß 4 erläutern. Der
nicht maßstäbliche Schnittverlauf
gemäß 4 ist in der 1 mit 50 bezeichnet
und ergibt sich durch Abschneiden eines Kreisringsegments der Reibungsbremse 4.
Die Kugeln 12, 14 tauchen also sowohl in die Bohrungen 40, 42 des
Magnetkörpers 2 als
auch in die Bohrungen 44 der ersten Ankerscheibe 8 und
in die Bohrungen 46 der zweiten Ankerscheibe 10 ein.
Die Funktion der Feder 52 wird durch die Blattfedern 28 erfüllt. Die
Feder 52 bewirkt ein Drehmoment zwischen den beiden Ankerscheiben 8, 10,
so dass der Abstand der Bohrungen 44, 46 kleiner
ist als der Abstand der beiden Bohrungen 40, 42.
Die Feder 52 bzw. die Blattfedern 28 bewirken, außer der
Funktion, die beiden Ankerscheiben 8, 10 gegeneinander
zu verdrehen, einen weiteren Effekt, nämlich in Zusammenwirkung mit
den Kugeln 12, 14 und den Bohrungen 40, 42 eine
auf den Flansch 6 hin gerichtete Axialkraft. Durch Einschalten
des nicht dargestellten Elektromagneten werden die beiden Ankerscheiben 8, 10 gelüftet, d.
h. von dem Flansch 6 wegbewegt. Bei abgeschaltetem Elektromagneten liegen
die beiden Ankerscheiben mit ihren Reibflächen 16, 18 infolge
der durch die Federn bewirkten Axialkraft an der Reibfläche 20 des
Flansches an. Je nach Drehmomentenrichtung wirkt dann die eine Ankerscheibe 8 oder
die andere Ankerscheibe 10 kraft- bzw. drehmomentverstärkend, da
infolge des Drehmoments die Kugeln 12, 14, die
an den tangential geneigten Seitenflanken der Bohrungen 40, 42, 44, 46 anliegen,
eine Axialkraft auf die Ankerscheiben 8, 10, welche
die zwischen den Reibflächen 16, 18, 20 wirkende
Anpreßkraft
verstärkt.
Dadurch, dass die Kugeln 12 genau spiegelverkehrt zu den
Kugeln 14 zwischen den entsprechenden Flanken der Bohrungen gehalten
sind bzw. an ihnen anliegen, wird von der ersten Ankerscheibe 8 eine
die Anpreßkraft
verstärkende
Axialkraft infolge eines im Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments
und die zweite Ankerscheibe 10 eine die Anpreßkraft verstärkende Axialkraft
infolge eines gegen den Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments erzeugt.
Dabei prägen
die Blattfedern 28 bzw. die Feder 52 der ersten
Ankerscheibe 8 ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment
auf und die der zweiten Ankerscheibe 10 ein gegen den Uhrzeigersinn
wirkendes Drehmoment.
-
In den 5 bis 7 sind gleiche Positionen
mit entsprechenden Bezugsziffern versehen, wie in den 1 bis 3.
-
6 zeigt
den Schnittverlauf, der durch eine Kugel 12 verläuft, die
zwischen dem Magnetkörper
und der ersten Ankerscheibe 8 sitzt. Im Magnetkörper 2 ist
die Spule des Elektromagneten 54 aufgenommen.
-
7 zeigt
eine entsprechende Darstellung durch die Kugel 14.
-
Aus den 6 und 7 ist
ersichtlich, dass die zweite Ankerscheibe 10 drehbar und
axial verschiebbar auf der Nabe 22 der ersten Ankerscheibe 8 angeordnet
ist.
-
Anstelle der vorbeschriebenen Kugeln,
welche in konischen Bohrungen aufgenommen sind, wie vorbeschrieben
und wie in 8 dargestellt,
kommen auch andere Ausgestaltungen für den Kraftverstärkungsmechanismus
in Frage.
-
9 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die erste Kupplungshälfte
Stifte mit sphärischen
Köpfen
bzw. Spitzen aufweist, welche in gegenüberliegende konische Bohrungen
eingreifen. Auch ein Hebelmechanismus, wie er in der
-
10 dargestellt
ist, kann zur Kraftverstärkung
verwendet werden.
-
Sind höhere Kraftverstärkungsfaktoren
gefordert, können
anstelle von konischen Bohrungen auch Rampen mit flachen Neigungswinkeln
in die Kupplungshälften
eingearbeitet sein, wie in der 11 dargestellt.
-
Anstelle von Blattfedern 28 können auch eine
Spiralfeder 56, die koaxial zwischen den beiden Ankerscheiben 8, 10,
wie in 12, 13 gezeigt, oder tangential
ausgerichtete Zug- oder Druckfedern 58 vorgesehen werden,
wie in 14, 15 gezeigt.
-
- 2
- Magnetkörper
- 4
- Bremse
- 6
- Flansch
- 8
- Ankerscheibe
- 10
- Ankerscheibe
- 12
- Kugeln
- 14
- Kugeln
- 16
- Reibflächen
- 18
- Reibflächen
- 20
- Reibfläche
- 22
- Nabe
- 24
- Ausnehmung
- 26
- Vorsprünge
- 28
- Blattfeder
- 30
- Ende
- 32
- Schlitz
- 34
- Ende
- 36
- Schlitz
- 38
- Ausnehmung
- 40
- konische
Bohrung
- 42
- konische
Bohrung
- 44
- konische
Bohrung
- 46
- konische
Bohrung
- 48
- Ausnehmung
- 50
- Schnittverlauf
- 52
- Feder
- 54
- Spule
- 56
- Spiralfeder
- 58
- Zug-
oder Druckfeder