DE1500326C2 - Klauenkupplung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Klauenkupplung mit einem ersten verzahnten Glied, dessen quer zur Axialrichtung der Kupplung verlaufende Zahnflankenkanten scharfkantig ausgebildet sind, und mit einem zweiten verzahnten Glied, dessen Zahnflanken mit in Axialrichtung rampenförmig ansteigenden Ausnehmungen versehen sind und bei der eines der beiden verzahnten Glieder zur Übertragung eines Drehmomentes aus einer entkuppelten Stellung in eine gekuppelte Stellung axial verschiebbar ist, wobei während der Ausrückbewegung jeweils zwischen einer scharfen Zahnflankenkante des ersten Gliedes und einem rampenförmig ausgebildeten Abschnitt einer Ausnehmung in einer Zahnflanke des zweiten Gliedes eine der Ausrückbewegung entgegenwirkende Kraft erzeugt wird.

Es ist bekannt, daß zwei miteinander im Eingriff stehende verzahnte Glieder einer Klauenkupplung in bestimmten Betriebszuständen während der Übertragung eines Drehmomentes außer Eingriff kommen können. Eine solche Tendenz ist beispielsweise bei Kraftfahrzeuggetrieben zu beobachten. Dabei können aber nicht nur betriebliche Schwierigkeiten auftreten, eine solche ungewollte Entkupplung kann darüber hinaus außerordentlich große Gefahren entstehen lassen. Dieses ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein Motorfahrzeug auf einer Straße mit starkem Gefälle gefahren wird, wobei der Motor bekanntlich mit zur Bremsung herangezogen wird.

Es sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, um ein ungewolltes Entkuppeln derartiger Klauenkupplungen zu verhindern. So ist aus der deutschen Patentschrift 744 949 eine axial ausrückbare Zahnkupplung bekanntgeworden, bei welcher die Zähne des ersten verzahnten Gliedes an ihrem freien kopfseitigen Endabschnitt mit Vorsprüngen versehen sind und bei der die Zahnflanken des zweiten Gliedes im Bereich der Vorsprünge der Zähne des ersten Gliedes mit Ausnehmungen versehen sind. Die Vorsprünge weisen quer zur Axialrichtung der Kupplung verlaufende scharfe Kanten auf, während die Ausnehmungen im axialen Querschnitt kreisbogenförmig gekrümmt ausgebildet sind. Während der Drehmomentübertragung stehen die Vorsprünge der Zähne des ersten verzahnten Gliedes im Abstand zu der jeweiligen Außenfläche einer zugeordneten Ausnehmung, da die Übertragung des Drehmomentes nicht im Bereich der Vorspränge bzw. Ausnehmungen, sondern im Bereich der nicht mit Vorsprüngen bzw. Ausnehmungen versehenen Abschnitte der Zahnflanken in gegenseitiger flächiger Anlage erfolgt. Kommt es bei dieser bekannten Klauenkupplung zu einer relativen axialen Ausrückbewegung, so kommt jeweils eine quer zur Axialrichtung der Kupplung verlaufende Kante eines Vorsprungs im Verlaufe der Ausrückbewegung in Berührung mit der Außenseite einer Ausnehmung, so daß die unbeabsichtigte Ausrückbewegung durch die dabei erzeugte, der Ausrückbewegung entgegenwirkende Kraft verhindert wird.

Bei dieser bekannten Klauenkupplung bedarf es einer Axialverschiebung zwischen den beiden verzahnten Gliedern, bevor eine der Ausrückbewegung entgegenwirkende Kraft erzeugt wird und wirksam werden kann. Aus diesem Grunde kann es bei dieser bekannten Klauenkupplung bei verhältnismäßig schneller axialer Relativbewegung zu Stoßen kommen, die tunlichst vermieden werden sollten.

Bei dieser bekannten Kupplung ist außerdem die Belastung der Zähne ständig oder zumindest über eine sehr lange' Betriebsdauer· ungleichmäßig, wenn nicht mit sehr engen Herstellungstoleranzen gearbeitet wird, was jedoch mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Dieses ungleichmäßige Tragen ergibt sich auf Grund des oben beschriebenen Fläche-zu-Fläche-Kontaktes zwischen jeweils zwei einander zugeordneten Zähnen der beiden verzahnten Glieder. Erhebt sich nämlich beispielsweise die Zahnflanke eines Zahnes auf Grund ungenauer Bearbeitung beachtlich mehr über die Symmetrieachse des Zahnes als es bei den anderen Zähnen der Fall ist, so kommt es möglicherweise lediglich zum Eingriff und damit zum Tragen zwischen diesem betreffenden Zahn und dem ihm zugeordneten Zahn des anderen Gliedes, während die übrigen Zähne praktisch außer Eingriff sind. Infolge der Fläche-zu-Fläche-Berührung wird dieser ungünstige Betriebszustand erst nach längerer Betriebszeit auf Grund auftretenden Verschleißes abgebaut, was zwangsläufig zu einer Übertragungsunwucht führt. In besonders ungünstigen Fällen kann es dabei zu einer Beschädigung des betreffenden Zahnes und sogar zu dessen Bruch kommen, da die auf den Zahn einwirkenden Kräfte so groß werden können, daß die zulässige Beanspruchung, beispielsweise die Biegebeanspruchung im Zahnfuß, überschritten wird, bevor überhaupt weitere Zähne bzw. Zahnpaare in gegenseitigen Eingriff gelangen.

Ähnliche Verhältnisse liegen bei der aus der fran-

zösischen Patentschrift 1 036 472 bekannten Klauenkupplung vor. Auch hier findet im Falle einer unbeabsichtigten oder beabsichtigten Ausrückbewegung zunächst eine relative Axialverschiebung zwischen den beiden miteinander im Eingriff stehenden, drehmomentübertragenden Gliedern statt, bevor eine entgegenwirkende Kraft erzeugt wird, wenn man von der Reibungskraft absieht, die zwischen den in gegenseitiger Flächenberührung stehenden Zahnflankenabschnitten wirkt, jedoch oft für die Verhinderung einer unbeabsichtigten Außereingriffbewegung nicht ausreicht, wie die Erfahrung gezeigt hat. Auch bei dieser bekannten Klauenkupplung kann es zu ungleichmäßigem Tragen der Zähne zumindest während einer langen Einlaufzeit kommen.

Aus der USA.-Patentschrift 2070 140 ist des weiteren eine Klauenkupplung bekanntgeworden, bei welcher eine,einer relativen Ausrückbewegung der gekuppelten Glieder entgegenwirkende Kraft nicht erst nach Zurücklegung eines bestimmten Verschiebeweges erzeugt wird, vielmehr bereits bei Beginn einer relativen Ausrückbewegung vorhanden ist. Doch weist auch diese bekannte Klauenkupplung Nachteile auf. Ein Nachteil dieser Kupplung besteht beispielsweise darin, daß infolge der komplizierten Ausbildung der Zähne bzw. Zahnflanken die Herstellung außerordentlich teuer ist, ohne daß ein annähernd gleichmäßiges Tragen gewährleistet ist. Dies liegt unter anderem daran, daß auch bei dieser bekannten Kupplung ein Fläche-zu-Fläche-Kontakt zwischen den Zahnflanken vorgesehen ist, bei dem die weiter oben beschriebenen Mängel grundsätzlich nicht zu verhindern sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Klauenkupplungen zu verbessern, d. h. insbesondere eine Klauenkupplung zu schaffen, die eine noch weiter verbesserte Sicherung gegen ungewollte Ausrückbewegungen der eingekuppelten Kupplungsteile gewährleistet, ohne daß es zu stoßartigen Beanspruchungen kommt, und die selbst bei relativ großen Herstellungstoleranzen infolge schnell erreichbarer gleichmäßiger Belastung der Zähne die erstrebte günstige gleichmäßige Übertragung des Drehmomentes ermöglicht, wobei die angestrebten Effekte mit fortschreitender betrieblicher Abnutzung der Arbeitsflächen zusammenwirkender Zähne keine Einbuße erleiden, sondern sogar noch verstärkt werden sollen.

Als Lösung dieser Aufgabe ist nach der Erfindung vorgesehen, daß in drehmomentübertragender Eingriffsstellung nur die Zahnflankenkanten der Zähne des ersten Gliedes jeweils mit den rampenförmig ansteigenden Abschnitten der Ausnehmung in einer Flanke der entsprechenden Zähne des zweiten Gliedes zusammenwirken.

Die einer relativen Ausrückbewegung der gekuppelten Glieder entgegenwirkende Kraft ist also zwangläufig stets wirksam, wenn während der drehmomentübertragenden Anlage der miteinander im Eingriff stehenden Glieder ungewollte äußere Kräfte auftreten, die beispielsweise die Schaltmuffe der Klauenkupplung in Axialrichtung auszurücken suchen. Da das gesamte Drehmoment zumindest bei einer neuen Kupplung linienförmig über die quer zur Axialrichtung der Kupplung verlaufenden Zahnflankenkanten der Zähne des ersten Gliedes erfolgt, sind die solchen ungewollten Ausrückkräften entgegengerichteten Kraftkomponenten bei der erfindungsgemäßen Klauenkupplung besonders groß. Infolgedessen ergibt sich an den linienförmigen Übertragungsstellen eine besonders schnelle gegenseitige Abnutzung und Ausbildung von Einarbeitungsstellen. Mit zunehmender Abnutzung, d. h. stärker werdender Ausarbeitung, wird der einer Ausrückbewegung entgegenwirkende Rampenflächenabschnitt zum Ausnehmungsende hin steiler, so daß der erstrebte Effekt noch verstärkt wird.

ίο Infolge der auf Grund der linienförmigen Berührung und der mit dieser einhergehenden großen Flächenpressung auftretenden schnellen Abnutzung an den Zahnkanten, die infolge von Herstellungsungenauigkeiten über das Sollmaß hinausgehen, kommen bereits nach kürzester Betriebsdauer weitere Zähne zum Eingriff bzw. zum Tragen, wobei sich der Vorgang wiederholt, so daß bereits nach kurzer Betriebszeit eine gleichmäßig verteilte Drehmomentübertragung vorliegt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können die Ausnehmungen an den Zahnflanken des zweiten Gliedes durchgehend gekrümmt sein.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter

as erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise Seitenansicht einer eine Klauenkupplung aufweisenden Kraftübertragungseinrichtung für ein Motorfahrzeug mit teilweise aufgeschnittenem Gehäuse,

Fig.2 eine vergrößerte, geschnittene Teilansicht der Einrichtung nach Fig. 1 gemäß der gestrichelten Kreislinie 2, wobei die Klauenkupplung entkuppelt ist,

F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende Darstellung, wobei jedoch die Klauenkupplung eingekuppelt ist,

F i g. 4 eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform eines zweiten verzahnten Gliedes, dessen Zahnflanken mit in Axialrichtung rampenförmig ansteigenden Ausnehmungen versehen sind,

F i g. 5 eine vergrößerte schematische Teilschnittdarstellung einer eingekuppelten Klauenkupplung in selbstzentrierter Drehmomentübertragungsstellung,

F i g. 5 a einen Schnitt durch die Klauenkupplung gemäß F i g. 3 nach der Schnittlinie 5 a-5 a,

F i g. 6 eine vergrößerte Darstellung der Zahnelemente gemäß F i g. 5 nach Einlauf der Klauenkupplung und

Fig.7 einen Teilschnitt durch die Zahnelemente einer Variante der Klauenkupplung.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen eine in einem Gehäuse 10 angeordnete Kraftübertragungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer'Welle 11, auf der ein Zahnrad 12 drehfest angeordnet ist. Außerdem befindet sich auf der Welle 11 ein ebenfalls als Zahnrad ausgebildetes erstes verzahntes Glied 13. Das auf der Welle 11 befestigte Zahnrad 12 treibt ein axial verschiebbar angeordnetes zweites verzahntes Glied 20 an, so daß das Glied 20 nach erfolgter axialer Verschiebung durch innere Kupplungszähne 23 mit äußeren Kupplungszähnen 16 des dem Zahnrad 12 axial benachbarten ersten- Gliedes 13 in Eingriff zu bringen ist, welches drehbar auf der'Welle 11 sitzt. Die Verzahnung der beiden Glieder 13, 20 ist im wesentlichen gleich ausgebildet. Die Welle 11, das Zahnrad 12, das erste verzahnte Glied 13 und das zweite verzahnte Glied 20 sind koaxial angeordnet. Die betriebliche Verbindung des Zahnrades 12 mit; dem ersten verzahnten Glied 13 über das axial ver-

schiebbare zweite verzahnte Glied 20 wird weiter unten noch beschrieben.

Das axial verschiebbare zweite verzahnte Glied 20 ist mit einer Umfangsnut 21 versehen (Fig. 1), um das Zahnrad 12 mit dem ersten verzahnten Glied 13 kuppeln und entkuppeln zu können. Hierfür ist eine Verschiebegabel 22 vorgesehen, welche in die Umfangsnut 21 greift. Das zweite verzahnte Glied 20 ist ringförmig ausgebildet. Seine Innenverzahnung (Zähne 23) steht in ständigem Eingriff mit Außenzähnen 15 des Zahnrades 12, während die Innenverzahnung mit den Außenzähnen 16 des ersten verzahnten Gliedes 13 lediglich wahlweise in Eingriff oder außer Eingriff zu bringen ist. Dieser ständige bzw. wahlweise Eingriff ist aus den Fig. 2 und3 erkennbar. In der in F i g. 3 dargestellten Stellung ist das zweite verzahnte Glied 20 aus der in F i g. 2 dargestellten Außer-Eingriff-Stellung nach links in eine In-Eingriff-Stellung verschoben, wobei der linke Teil der Innenverzahnung des zweiten Gliedes 20 mit den Zähnen 16 des ersten verzahnten Gliedes 13 kämmt, ohne dabei außer Eingriff mit den äußeren Zähnen 15 des Zahnrades 12 zu kommen. In der in F i g. 3 gezeigten Stellung drehen sich mithin das Zahnrad 12, das erste Glied 13 und das zweite Glied 20 zusammen mit der Welle 11. Die einander gegenüberliegenden Endabschnitte der Zähne 16 des ersten Gliedes 13 sowie der Zähne 23 des zweiten Gliedes 20 sind an der Stelle 17 bzw. 18 (F i g. 2) konisch zugespitzt ausgebildet, um den Eingriff bzw, die Ver-Schiebung zu erleichtern. Ein zur Unterstützung einer ungehemmten Verschiebung in üblicher Weise benutzter bekannter Synchronisierungsring ist der besseren Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.

In den Zahnflanken der Zähne 23 sind Ausnehmungen 25 und 27 vorgesehen, wie aus den Fig.4 bis 6 erkennbar ist. Da alle Zähne 23 die gleiche geometrische Form aufweisen, sind sie im folgenden nur an einem Zahn beschrieben.

Die Ausnehmung 25 bzw. 27 erstreckt sich nur über einen Teil der Gesamtlänge eines Zahnes der Zähne 23 des zweiten verzahnten Gliedes 20 und ist jeweils langer als ein Zahn 16 des ersten Gliedes 13. Die Ausnehmung 25 bzw. 27 endet kurz vor dem zugespitzten Ende 18 des Zahnes 23, so daß von diesem Ende der Ausnehmung 25 bzw. 27 bis zu dem zugespitzten Ende 18 ein gerader Abschnitt verbleibt (s. F i g. 5 und 6). Statt dessen kann in anderer Ausbildung die Ausnehmung 25 jedoch auch bis an das zugespitzte Ende 18 des Zahnes 23 herangeführt sein und dort eine scharfe Eckkante bilden, wobei dann die Zahnquerschnittsdicke an der Stelle 26 auf die normale oder eine reduzierte Größe gebracht werden kann. Die Zähne 16 des ersten Gliedes 13 liegen bei der dargestellten Ausbildung mithin im Bereich der Ausnehmungen 25 bzw. 27, wenn das zweite verzahnte Glied 20 mit dem ersten verzahnten Glied im Eingriff ist, wobei die Berührflanke von der Drehrichtung des zweiten Gliedes 20 abhängt, so daß die Zähne 16 des ersten verzahnten Gliedes 13 entweder mit den Ausnehmungen 25 oder aber mit den Ausnehmungen 27 in den Zähnen 23 des zweiten verzahnten Gliedes 20 zusammenwirken. Bei der in F i g. 5 durch einen Pfeil eingezeichneten Drehrichtung liegt der Zahn 16 des ersten Gliedes 13 in der Ausnehmung 25, während zwischen der Ausnehmung 27 auf der anderen Seite des Zahnes 23 und dem nachfolgenden Zahn 16 ein Zwischenraum vorhanden ist. In der eingependelten Betriebsstellung (F i g. 5) ist auch zwischen dem freien Endabschnitt des Zahnes 23 des zweiten Gliedes 20 und der Körperwandung des ersten Gliedes 13 ein Zwischenraum vorhanden. Auf Grund der gegebenen Kräfteverhältnisse stellen sich die Zähne 23 im Verhältnis zu den Zähnen 16 in der in F i g. 5 dargestellten Weise mittig zu der Ausnehmung 25 ein, da die Kräfte, welche die Zähne 23 in die axiale Mittellage bewegen, grundsätzlich größer sind als die Kräfte, die das zweite verzahnte Glied 20 bzw. die Zähne 23 veranlassen, über die gezeichnete Mittellage hinauszuwandern.

Die Zähne 16 des ersten verzahnten Gliedes 13 weisen quer zur Axialrichtung der Kupplung verlaufende Zahnflankenkanten 30 und 31 auf, die so scharfkantig belassen werden, wie sie sich auf Grund ihrer maschinellen Herstellung ergeben-. Die scharfen Zahnflankenkanten 30, 31 stehen daher jeweils mit den in Axialrichtung rampenförmig ansteigenden Wandungen 25 a, 25 b des betreffenden Zahnes 23 im wesentlichen in linienförmiger Berührung. Wenn vorstehend oder nachfolgend von »im wesentlichen linienförmiger« Berührung die Rede ist, so soll dieses zum Ausdruck bringen, daß die geometrische Berührungsform bei fortschreitender gegenseitiger Abnutzung der miteinander im Eingriff stehenden gezahnten Glieder durch entsprechende Vergrößerung der Kontaktstellen nicht mehr exakt linienförmig verbleibt.

In der Zeichnung sind die Neigungswinkel der Ausnehmungen 25, 27 zur Zahnachse übertrieben groß dargestellt, um die Verhältnisse besser veranschaulichen zu können. Die tatsächliche Tiefe der Ausnehmungen 25, 27 beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur 0,26 bis 0,28 mm. Um die rampenförmig ausgebildeten Abschnitte der Ausnehmungen 25, 27 für die Zahnflankenkanten 30, 31 der Kupplungszähne 16 des ersten verzahnten Gliedes 13' zu schaffen, geht daher die Ausnehmung 25, 27 jeweils über die Zahnflankenkanten 30, 31 hinaus, wie dieses beispielsweise aus F i g. 5 erkennbar ist.

F i g. 6 Zeigt die Verhältnisse nach einer bestimmten Betriebszeit und entsprechender Abnutzung, wobei diese Darstellung selbstverständlich ebenfalls übertrieben dargestellt ist.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß im Falle einer kurvenförmig gekrümmten Ausnehmung (F i g. 5) die Krümmung so gewählt wird, daß die vorstehend beschriebene Haltewirkung gegen ein unbeabsichtigtes Ausrücken der gekuppelten Glieder 13, 20 gesichert ist, ohne daß die einer Ausrückbewegung entgegenwirkende Kraft so groß wird, daß sie sich bei gewollter Entkupplung ungünstig auf die Betätigung der Klauenkupplung auswirkt. Im Falle des Auftretens ungewollter Ausrückkräfte »klettern« die Zähne 16 des ersten verzahnten Gliedes 13 so weit an der Ausnehmung hoch, bis die progressiv ansteigende Widerstandskraft mit der ungewollt auftretenden Ausrückkraft im Gleichgewicht steht.

F i g. 7 zeigt eine Ausführung einer Klauenkupplung, bei welcher der den Zähnen 16 des ersten verzahnten Gliedes 13 entsprechende Zahn 39 an der Stelle 38 besonders stark abgeschrägt ist. Derartige Zähne 39 werden besonders gut in der Ausnehmung des Zahnes 23 zentriert und es ergibt sich eine entsprechend gute Haltewirkung der Zähne 39 in den Ausnehmungen der Zähne 23. Die Berührung zwi-

sehen dem Zahn 39 und dem Zahn 23 erfolgt jeweils an zwei Stellen 39 c, wobei zur Erzielung der Selbstzentrierung selbstverständlich eine Berührung mit einem anderen Körper verhindert werden muß, so daß ein hinreichend großer Zwischenraum zwischen

der Spitze 23 d und der Wandung des dem ersten Glied 13 (z.B. Fig.2,3) entsprechenden Glied 33 gewährleistet sein muß. Entsprechendes gilt selbstverständlich zur Erzielung einer »frei schwimmenden« Lagerung der Zähne 23 für die andere Seite.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309639/149

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Klauenkupplung mit einem ersten verzahnten Glied, dessen quer zur Axialrichtung der Kupplung verlaufende Zahnflankenkanten scharfkantig ausgebildet sind, und mit einem zweiten verzahnten Glied, dessen Zahnflanken mit in Axialrichtung rampenförmig ansteigenden Ausnehmungen versehen sind und bei der eines der beiden verzahnten Glieder zur Übertragung eines Drehmomentes aus einer entkuppelten Stellung in eine gekuppelte Stellung axial verschiebbar ist,· wobei während der relativen Ausrückbewegung jeweils zwischen einer scharfen Zahnflankenkante des ersten Gliedes und einem rampenförmig ausgebildeten Abschnitt einer Ausnehmung in einer Zahnflanke des zweiten Gliedes eine der Ausrückbewegung entgegenwirkende Kraft erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in drehmomentübertragender Eingriffsstellung (F i g. 3, 5) nur die Zahnflankenkanten (30, 31) des ersten Gliedes (13) jeweils mit den rampenförmig ansteigenden Abschnitten (25 a, 25 b) der Ausnehmung (25 bzw. 27) in einer Flanke der entsprechenden Zähne (23) des zweiten Gliedes (20) zusammenwirken.

2. Klauenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (25 bzw. 27) an den Zahnflanken des zweiten Gliedes (20) durchgehend gekrümmt sind.