DE19514349B4

DE19514349B4 - Klauenkupplung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen und Verteilergetriebe oder Achsausgleichsgetriebe mit einer solchen

Info

Publication number: DE19514349B4
Application number: DE19514349A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Ing. Erlebach; Josef Dipl.-Ing. Leitner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2015-04-19
Also published as: US5524738A; SE9501961D0; AT401091B; SE9501961L; ATA111694A; DE19514349A1; SE512273C2

Abstract

Klauenkupplung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, bei der ein erster Kupplungsteil (1) mit einem ersten Radantriebsstrang (45, 52) und ein zweiter Kupplungsteil (2) mit einem Hauptantriebsstrang (43, 50) und einem zweiten Radantriebsstrang (46, 53) in Verbindung steht, wobei einer der beiden Kupplungsteile (2) axial verschiebbar ist und beide Kupplungsteile (1, 2) jeweils axial vorstehende gleichmäßig über den Umfang verteilte Stirnklauen (6, 7, 31) mit Abrundungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Klauen (6, 7, 31) an beiden Kupplungsteilen (1, 2) im Umfangsschnitt abgerundete Übergangszonen (16) zwischen ebener Stirnfläche (10) und Flankenflächen (11, 12) aufweisen, deren Rundungsradius 5 bis 16 Prozent und deren Erstreckung in Umfangsrichtung 3 bis 10 Prozent des mittleren Klauenradius (25) betragen und daß die Übergänge zu den Flanken (11, 12) scharfe Kanten (17) bilden.

Description

Die Erfindung handelt von Klauenkupplungen für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, bei denen ein erster Kupplungsteil mit einem ersten Radstrang und ein zweiter Kupplungsteil mit einem Hauptantriebsstrang und einem zweiten Radantriebsstrang in Verbindung steht, wobei einer der beiden Kupplungsteile axial verschiebbar ist und beide Kupplungsteile jeweils axial vorstehende gleichmäßig über den Umfang verteilte Stirnklauen mit Rundungen aufweisen.

Derartige Klauenkupplungen finden in Verteilergetrieben oder Ausgleichsgetrieben Verwendung, wie sie in der EP 0 510 457 A1 beschrieben sind. Auf deren gesamten Inhalt wird hiermit Bezug genommen. Die Verteilergetriebe können entweder mit Zentraldifferential oder ohne Zentraldifferential sein. Im ersten Fall dienen die gegenständlichen Kupplungen als Differentialsperre, im zweiten Fall der Zuschaltung des Vorderachsantriebes. Unter Ausgleichsgetrieben sind insbesondere Achsausgleichsgetriebe oder Zwischenachsausgleichsgetriebe in Fahrzeugen mit Tandemachsen zu verstehen, bei diesen dienen die gegenständlichen Kupplungen als Quersperre.

Bei diesen Anwendungen treten bei guten Straßenverhältnissen, wenn weder Sperren ein- oder Vorderachsantriebe zugeschaltet sind, nur geringe Drehzahldifferenzen zwischen den Kupplungshälften auf. Bei Verschlechterung der Bodenhaftung steigt die Drehzahldifferenz, was zu Zuschaltung oder Sperrung führt. Bei rechtzeitiger Betätigung (egal, ob von Hand oder automatisch), solange die Drehzahldifferenz bestimmte Grenzwerte nicht überschreitet, kann man die Klauenkupplung ohne Synchronisierung schalten. Bei Getrieben nach der EP 0 510 457 A wird das Schließen der Kupplung von einer automatischen Steuerung besorgt und es besteht die Möglichkeit, das Ausrücken der Kupplung bei Unterschreiten eines bestimmten übertragenen Momentes einer Feder zu überlassen.

Es ist wünschenswert, daß der Bereich der Drehzahldifferenz, in dem die Klauenkupplung eingerückt werden kann, ausreichend groß ist und das Einrücken auch dann noch möglichst rasch und reibungslos erfolgen kann. Letzteres spart Zeit, in der das Fahrzeug sonst an Schwung verlieren oder ganz zum Stillstand kommen würde.

Aus der US 3 550 738 sind bereits Kupplungsklauen bekannt, deren Stirnflächen zu eben diesem Zweck im Umfangsschnitt gerundet sind. Die Abrundungen überspannen allerdings die gesamte Stirnfläche der Klauen und sollen beim Einrücken mit Drehzahldifferenz der beiden Kupplungshälften unter Reibung aneinander vorbeirumpeln und so die Drehzahldifferenz vermindern. Diese Reibung bedeutet Verschleiß, Lärm und Zeitverlust. Zudem sind bei Verwendung einer Klauenkupplung im Antriebsstrang eines Fahrzeuges, in dem ja keiner der Kupplungsteile frei umläuft (beide sind über die Fahrbahn mehr oder minder starr miteinander gekoppelt), die Momente so groß, daß eine Synchronisierung durch dererlei Reibung nicht möglich ist.

Aus der DE 41 38 917 A1 ist eine Klauenkupplung mit einem aus Kreisbögen bestehenden Profil bekannt. Bei dieser Kupplung werden die Klauen von einer Feder, die die Kupplung im Schließsinn belastet, ständig in Eingriff gehalten und sind unter voller Last ausrückbar. Durch das kreisbogenförmige Profil soll erreicht werden, daß während des Ausrückens keine Kantenpressung auftritt.

Hinterschnittene Klauen sind aus der DE 37 30 889 A1 bei zwangsläufig in beiden richtungen geschalteten Kupplungen bekannt.

Die US 2,654,456 offenbart eine Klauenkupplung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen mit einem ersten und zweiten Kupplungsteil, wobei einer der beiden Kupplungsteile axial verschiebbar ist und beide Kupplungsteile jeweils axial vorstehende, gleichmäßig über den Umfang verteilte Stirnklauen mit Abrundungen aufweisen. Weiterhin ist vorgesehen, daß die Klauen an beiden Kupplungsteilen im Umfangsschnitt abgerundete Übergangszonen zwischen ebener Stirnfläche und Flankenflächen aufweisen, und daß die Übergänge zu den Flanken scharte Kanten aufweisen.

Somit ist es Ziel der Erfindung, eine Klauenkupplung so auszugestalten, daß sie in einem ausreichend großen Drehzahldifferenzbereich möglichst schnell, zuverlässig und verschleißarm einrückbar ist.

Dazu weisen erfindungsgemäß die Klauen an beiden Kupplungsteilen im Umfangsschnitt abgerundete Übergangszonen zwischen Stirnflache und Flankenflächen auf, deren Rundungsradius 5 bis 16 % und deren Erstreckung in Umfangsrichtung 3 bis 10 % des mittleren Klauenradius (das ist der mittlere Abstand der Klauen von der Drehachse) betragen; ferner bilden die Übergänge zu den Flanken scharte Kanten. Durch diese Verhältnisse wird das Einrü- cken in dem erwünschten Differenzdrehzahlbereich möglich und gleichzeitig die Voraussetzung für eine lange Lebensdauer geschaffen. Durch die erfindungsgemäßen Maße und die scharten Kanten finden die Klauen unter der Wirkung der Einrückkraft auch bei unterschiedlichen Drehzahlen in kürzester Zeit ineinander, mit anderen Worten, die Abrundung und deren Erstreckung in Umfangsrichtung sind so gewählt, daß die Klauen des im Einrücksinn, also in axialer Richtung, beschleunigten Kupplungsteiles möglichst reibungslos an den Klauen des anderen Kupplungsteiles vorbeischlüpfen. Durch die erfindungsgemäßen Maße bilden Stirnfläche und Flanken eine Kante mit ausreichend stumpfem Winkel, wodurch einem Abschlagen der Kanten entgegengewirkt ist.

Durch Versuche wurde ermittelt, dass besonders gute Resultate erzielt werden, wenn der Rundungsradius zwischen 9 und 11 Prozent und die Erstreckung in Umfangsrichtung 5 bis 7 Prozent des mittleren Klauenradius betragen.

In Weiterbildung der Erfindung können die Flankenflächen im Umfangsschnitt um etwa 10° hinterschnitten sein. Dadurch wird einerseits ein günstiges Tragbild erreicht und andererseits sichergestellt, daß die Kupplung auch sicher ganz eingerückt wird und daß die einmal eingerückten Klauen nicht mehr herausspringen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Es stellen dar:
1: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kupplung im Längsschnitt in ausgerücktem Zustand;
2: Stirnansicht II-II in 1;
3: Stirnansicht III-III in 1;
4: Umfangsschnitt IV-IV in 2, vergrößert;
5, 6, 7: Drei verschiedene Anwendungen der erfindungsgemäßen Kupplung im Antriebszug eines Kraftfahrzeuges.
In den 1, 2 und 3 ist der erste Kupplungsteil mit 1 und der zweite Kupplungsteil mit 2 bezeichnet. Beide sind beispielsweise mit Keilverzahnungen 3, 4 drehfest mit nicht dargestellten Wellen oder anderen Triebwerksteilen verbunden, der zweite Kupplungsteil 2 ist axial verschiebbar. Dazu ist er mit einer Umfangsnut 5 für den Eingriff einer nicht dargestellten Schaltgabel versehen. Der zweite Kupplungsteil 2 trägt eine Anzahl von Stirnklauen 6, der erste Kupplungsteil 1 dieselbe Anzahl von Stirnklauen 7. Die Lücken zwischen den Stirnklauen 6, 7 sind mit 8, 9 bezeichnet.
Die Profile der Stirnklauen 6, 7 im Umfangsschnitt in den 2 und 3 sind folgendermaßen gestaltet: Gemäß 4 weisen die Klauen 6, 7 in einer im wesentlichen achsnormalen Ebene (hier einer sehr stumpfen Kegelfläche) liegende Stirnflächen 10 und unter einem Winkel 18 gegen diese einwärts geneigte Flanken 11, 12 auf, die Flanken sind in diesem Ausführungsbeispiel also hinterschnitten. Der Winkel 18 könnte aber auch ein rechter sein. Die Stirnflächen 10 gehen beiderseits in einen Kreisbogen 16 über und bilden mit den Flanken 11, 12 Kanten 17. Zwischen den Flanken 11, 12 und der Lücke 8 ist zur Verminderung von Kerbspannungen jeweils eine weitere Rundung 13 vorgesehen.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe müssen bestimmte geometrische Verhältnisse herrschen: Der Kreisbogen 16 erstreckt sich von der Kante 17, die in axialer Richtung von der Stirnfläche um eine Rücknahme 14 zurückversetzt ist, über ein Umfangsmaß 15 und schneidet die Stirnfläche 10 dort unter einem Übergangswinkel 21. Der Radius des Kreisbogens 16 beträgt 5 bis 16 % des mittleren Klauenradius 25 (siehe 1,2), vorzugsweise 9 bis 11 %. Das Umfangsmaß 15 des Kreisbogens 16 beträgt 3 bis 10 %, vorzugsweise 5 bis 6 % des mittleren Klauenradius 25. Bei zu großem Radius des Kreisbogens besteht die Gefahr, daß die von den Flankenflächen 11, 12 mit der Stirnfläche 10 in den Kanten 17 gebildeten Winkel zu klein werden, wodurch die Kanten zum Ausbrechen neigen.
Dabei ist der Radius 19 des Kreisbogens 16 eine wesentliche Größe. Er läßt sich als Radius des Schmiegungskreises einer Parabel deuten, die ein Punkt des unter der Wirkung der Einrückkraft beschleunigten Kupplungsteiles 2 bei einer gewissen Umfangsgeschwindigkeitsdifferenz gegenüber dem anderen Kupplungsteil 2 beschreibt. Insoferne wäre eine Parabel dem Kreis vorzuziehen, doch ist aus Fertigungsgründen ein Kreis vorzuziehen. Diese Umfangsgeschwindigkeitsdifferenz enspricht der Drehzahldifferenz, bei der die Kupplung noch schaltbar sein soll, in der Praxis etwa 300 Umdrehungen in der Minute. Die axiale Rücknahme 14 ist willkürlich wählbar, doch wird man sie nicht allzu groß wählen, da sie auf Kosten der tragenden Fläche der Flanken 11, 12 geht. Mit dem Umfangsmaß 15, an dem der Kreisbogen unter einem Winkel 21 von etwa 5° die Stirnfläche 10 schneidet, ist die Lage des Kreismittelpunktes 20 bestimmt. Das Umfangsmaß 15 ist unabhängig von der Erstreckung der Klaue in Umfangsrichtung. Aus Festigkeitsgründen wird letztere aber immer wesentlich größer als ersteres sein, sodaß zwischen den Kreisbögen 16 auf beiden Seiten eine Stirnfläche erhalten bleibt.
Bei höheren Drehzahldifferenzen und geringen Einrückkräften besteht eine gewisse Gefahr, daß die Klauen sich in axialer Richtung nicht ganz in die Lücken schieben. Dann überdecken die Flanken einander nur wenig, was zur Zerstörung der Klauen führen könnte. Dem kann durch um einen Winkel 18 hinterschnittene Flanken und eine scharfe Kante 17 entgegengewirkt werden, soferne eine Vergrößerung des Umfangsspieles zwischen den Klauen der beiden Kupplungsteile nicht ausreicht.
In 5 besteht der Antriebszug eines Lastkraftwagens aus einem Motor mit Fahrkupplung 40, einem Schaltgetriebe 41 und einem Verteilergetriebe 42 mit der Eingangswelle 43. Diese bildet den Hauptantriebsstrang. Das Verteilergetriebe weist ein Längsdifferential 44 auf, von dem ein erster Radantriebsstrang 45 zur Vorderachse und ein zweiter Radantriebsstrang 46 zur Hinterachse führt. Zur Sperrung des Längsdifferentiales ist zwischen Differential und erstem oder (hier im Bild) zweitem Radantriebsstrang eine erfindungsgemäße Klauenkupplung 1, 2 angeordnet.
6 unterscheidet sich von 5 nur dadurch, daß das Verteilergetriebe kein Längsdifferential aufweist, sondern der erste Radantriebsstrang 45 mittels der erfindungsgemäßen Klauenkupplung 1, 2 zuschaltbar ist.
In 7 kann ein Verteilergetriebe 42 verwendet werden oder nicht. Die Antriebswelle 50 zu einer Achse, in diesem Fall der Hinterachse, bildet hier den Hauptantriebsstrang, der zu einem Achsdifferential 51 führt. 52 und 53 sind erster und zweiter Radantriebsstrang. Durch Verbinden eines der beiden Stränge 52, 53 mit dem Differential 51 mittels der erfindungsgemäßen Kupplung 1, 2 ist das Achsdifferential sperrbar.

Claims

Klauenkupplung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, bei der ein erster Kupplungsteil (1) mit einem ersten Radantriebsstrang (45, 52) und ein zweiter Kupplungsteil (2) mit einem Hauptantriebsstrang (43, 50) und einem zweiten Radantriebsstrang (46, 53) in Verbindung steht, wobei einer der beiden Kupplungsteile (2) axial verschiebbar ist und beide Kupplungsteile (1, 2) jeweils axial vorstehende gleichmäßig über den Umfang verteilte Stirnklauen (6, 7, 31) mit Abrundungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Klauen (6, 7, 31) an beiden Kupplungsteilen (1, 2) im Umfangsschnitt abgerundete Übergangszonen (16) zwischen ebener Stirnfläche (10) und Flankenflächen (11, 12) aufweisen, deren Rundungsradius 5 bis 16 Prozent und deren Erstreckung in Umfangsrichtung 3 bis 10 Prozent des mittleren Klauenradius (25) betragen und daß die Übergänge zu den Flanken (11, 12) scharfe Kanten (17) bilden.
Klauenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rundungsradius zwischen 9 und 11 Prozent und die Erstreckung in Umfangsrichtung 5 bis 7 Prozent des mittleren Klauenradius (25) betragen.
Klauenkupplung nach Anspruch 1 oder 2, mit hinterschnittenen Flanken, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterschneidung der Flanken (11, 12) im Umfangsschnitt etwa 10° beträgt.
Verteilergetriebe für Kraftfahrzeuge mit einer Klauenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Achsausgleichsgetriebe für Kraftfahrzeuge mit einer Klauenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.