DE19541843C2 - Formschlüssige Kupplung mit selbstsperrender Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine formschlüssige Kupplung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Schaltkupplungen finden in vielerlei Getrieben Ver­ wendung, auch in groben Transmissionen mit Längentoleranzen und Achsialspielen der zu kuppelnden Wellen, wobei letztere bei langer Betriebszeit größer werden. Dabei verschlechtert sich das Tragbild der drehmomentübertragenden Zähne und es be­ steht die Gefahr ungewollten Ausrückens.

Derartige Schaltkupplungen finden auch Verwendung in Schaltge­ trieben von Kraftfahrzeugen mit oder ohne Synchronisierung zur Herstellung der Antriebsverbindung zwischen einem Losrad und einer dieses tragenden Welle oder einer Welle mit einer ande­ ren konzentrischen Welle, oder beides, mit einer Kupplung, die wahlweise zwei verschiedene Verbindungen herstellt. Ein beson­ deres Anwendungsbeispiel wäre der Antrieb der Zapfwelle eines Ackerschleppers mit wahlweise 540 und 1000 Umdrehungen pro Mi­ nute.

Weiters sollen sich formschlüssige Kupplungen im Betrieb nicht öffnen, andererseits im Stillstand lösen lassen, auch wenn der Antriebsstrang, dem sie angehören, stationär belastet, also verspannt ist. Wenn bei verspannten Kupplungsteilen die Rei­ bung zwischen diesen zu groß ist, können sie entweder nicht getrennt werden oder die Betätigungsvorrichtung bricht bzw. wird, im Falle einer elektrohydraulischen Betätigung, beschä­ digt. Die Reparatur ist in jedem Fall teuer.

So ist etwa aus der EP 300.776 A2 eine Stirnklauenkupplung mit einer Verriegelungsvorrichtung bekannt, die die Kupplungsmuffe gegenüber dem Primärteil selbst verriegelt. In groben Trans­ missionen mit Längentoleranzen und Achsialspielen zwischen Primär- und Sekundärteil kann eine derartige Verriegelung nicht sicher verhindern, daß Primärteil und Sekundärteil außer Eingriff geraten. Unfälle können die Folge sein, etwa beim An­ trieb einer Seilwinde.

Die aus der EP 300.776 A2 bekannte Klauenkupplung besitzt wei­ ters Abweisflanken. Die durch diese bei Übertragung eines Drehmomentes erzeugten auseinanderstrebenden Axialkräfte müs­ sen an beiden Kupplungsteilen von der Wellenlagerung aufgenom­ men werden, um die Kupplung in Eingriff zu halten. Erhöhte Reibungsverluste und Lagerverschleiß sind die Folge.

Aus der EP 204.664 A1 ist eine Zahnkupplung be­ kannt, deren verschiebbare Kupplungsmuffe von einer federbela­ steten Kugel in der ausgekuppelten Stellung gehalten wird. Größere Axialkräfte könnten diese nur federbelasteten Kugeln nicht aufnehmen.

Aus der DE 43 36 393 C1 ist eine gattungsgemäße formschlüssige Kupplung bekannt, bei der die Verriegelungsvorrichtung von einer um wenigstens eine halbe Zahnweite verdrehbaren Siche­ rungshülse gebildet wird, die stirnseitig Kupplungszähne auf­ weist, welche denselben Radius wie die Innenverzahnung der Kupplungsmuffe besitzen. Beim Einrücken der Kupplungsmuffe befindet sich die Sicherungshülse in einer ersten Drehstel­ lung, in der ihre Zähne mit den Zähnen der Kupplungsmuffe fluchten. Wenn der Einrückvorgang beendet ist, liegen die Zähne der Sicherungshülse hinter der Außenverzahnung des Sekun­ därteils. Zur Verriegelung wird die Sicherungshülse verdreht, so daß die Zähne der Sicherungshülse die Zähne des Sekundär­ teils hintergreifen. Aufgrund dieser Verriegelung mittels der Sicherungshülse ist eine Verriegelung bzw. eine Entriegelung der Kupplung nur im Stillstand möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln eine Kupplung zu schaffen, die sich auch bei großen Axialspielen und Laststößen nicht löst und sowohl unter Last als auch im Stillstand leicht ausrückbar ist, wobei eine axiale Belastung der Lager im eingerückten Betrieb vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch eine formschlüssige Kupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die radial beweglichen Verriegelungskörper, die im Einrückzu­ stand jeweils von außen in einen entsprechenden Zahn der Außenverzahnung des Sekundärteils eingreifen, sorgen auch bei Axialspiel und starkem Verschleiß für eine sichere Verbindung von Primär- und Sekundärteil und für ein sauberes Tragbild. Es können erhebliche und auch stoßweise Axialkräfte aufgenommen werden. Außerdem werden die Lager von Primär- und Sekundärteil von eventuell auftretenden Axialkräften vollständig freigehal­ ten. Die Kupplung ist darüber hinaus sowohl im Stand als auch unter Last lösbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Verriege­ lungseinrichtung einen Schaltring mit Führungsflächen, die Verriegelungskörper sind in der Kupplungsmuffe geführt und die Zähne des Sekundärteils weisen dem Primärteil abgewandte Abschrägungen auf, so daß die Verriegelungskörper beim Ein­ rücken der Kupplung durch Verschieben des Schaltrings relativ zur Kupplungsmuffe von deren Führungsflächen in die Abschrä­ gungen der Zähne des Sekundärteils gedrängt werden.

Die Form der Führungsflächen ergibt sich konstruktiv aus der Form der Verriegelungskörper und der Abschrägung der Zähne des Sekundärteils. Diese können in einem Arbeitsgang durch Aus­ drehen des Schaltrings hergestellt werden.

Weiters liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Zähne der Verzahnung des Sekundärteiles und des entsprechenden Teiles der Verzahnung der Kupplungsmuffe in Längsrichtung verjüngt sind, so daß ihre verjüngten Enden einander zugekehrt sind. Durch diese Ausbildung der Zähne wird die für das Ausrücken auch unter hoher Last erforderliche Abweiswir­ kung auf besonders einfache Weise erzeugt, die in den Sekun­ därteil eingreifende Verriegelungsvorrichtung hält die Kupp­ lungsteile auch gegen die Abweiswirkung sicher im Eingriff und hält die Lager der beiden drehenden Teile, egal ob Losrad oder Welle, von Axialkräften vollständig frei.

In einer verfeinerten Ausführungsform werden die Führungsflä­ chen, von einzelnen, jeweils einen Verriegelungskörper aufneh­ menden Taschen, gebildet. So wird eine weitgehend spielfreie und geräuschlose Führung der Verriegelungskörper erreicht und es erübrigt sich eine drehfeste Schiebeverbindung zwischen Schaltring und Schaltmuffe. Vorzugsweise sind die Verriegelungskörper Kugeln.

Die Eingriffs- und die Kraftverhältnisse sind optimal, wenn die Zähne der Verzahnung des Sekundärteiles und des entspre­ chenden Teiles der Verzahnung der Kupplungsmuffe in Längsrich­ tung um einen Winkel zur Längsrichtung verjüngt sind, der im wesentlichen gleich dem Reibungswinkel ist. Zur Feinabstimmung kann der Winkel je nach Betriebsumständen etwas kleiner oder etwas größer als der Reibungswinkel gewählt wer­ den.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Ab­ schrägung der Zähne des Sekundärteiles nach der dem Primärteil abgewandten Seite eine konkave Rotationsfläche entsprechend dem Radius der Kugeln. Die so erzielte Linienbe­ rührung zwischen den Kugeln und den Zähnen des Sekundärteiles erhöht deren Lebensdauer bzw. erlaubt kleinere Dimensionierung, was den Gesamtabmessungen der Kupplung zugute kommt.

In den meisten Anwendungsfällen wird die erfindungsgemäße formschlüssige Kupplung mit beiderseits des Primärteiles je einem Sekundärteil und einer gemeinsamen Schaltvorrichtung mit beiderseits Verriegelungskörpern und Führungsflächen ausgeführt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen be­ schrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt durch ein Zapfwellengetriebe, in dem die erfindungsgemäße Kupplung beispielsweise Verwendung findet;

Fig. 2 Detail II in Fig. 1, vergrößert und in ausgerückter Stellung;

Fig. 3 wie Fig. 2, in der einen eingekuppelten Stellung;

Fig. 4 Umfangsschnitt nach IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 wie Fig. 2, in der anderen eingekuppelten Stellung;

Fig. 6 eine einfache Variante der erfindungsgemäßen Kupp­ lung;

Fig. 7 einen Umfangsschnitt nach VII-VII in Fig. 6.

Das in Fig. 1 teilweise dargestellte Zapfwellengetriebe enthält in einem Gehäuse 1 eine Antriebswelle 2 mit einem der Lager 3 im Gehäuse 1, eine Abtriebswelle 4 (in diesem Fall auch die Zapfwelle) mit deren Lager 5 im Gehäuse und einem Nadellager 6 in der Antriebswelle 2, weiters eine Vorgelegewelle 7 und eine formschlüssige Kupplung 8. Auf der einen Seite der Kupplung 8 befindet sich ein erstes Zahnrad 10, auf der anderen ein zwei­ tes Zahnrad 11. Beide sind über die Vorgelegewelle 7 antriebs­ verbunden und je nach Stellung der Kupplung 8 erfolgt entweder direkter Durchtrieb von der Antriebswelle 2 zur Abtriebswelle 4 oder Antrieb der Abtriebswelle 4 mit verringerter Drehzahl über die Vorgelegewelle in der anderen Stellung der Kupplung 8.

Fig. 2 zeigt die Kupplung 8 im Detail. Mit 12 ist der Primär­ teil der Kupplung bezeichnet, der fest mit der Abtriebswelle 4 verbunden ist, etwa durch Aufschrumpfen oder durch eine nicht dargestellte Keilverzahnung. In der Abbildung links davon ist ein erster Sekundärteil 13 angeordnet, der ein Fortsatz des ersten Zahnrades 10 ist. Auf der anderen Seite kann sich ein zweiter Sekundärteil 14 befinden, der ein Fortsatz des zweiten Zahnrades 11 ist. Die dargestellte Kupplung ist somit eine Doppelkupplung.

Der Primärteil 12 weist eine gerade Umfangsverzahnung 15 auf, die wie bei derartigen Kupplungen üblich als Kurzverzahnung ausgebildet ist. In dieser Abbildung befindet sich die Kupp­ lung in Neutralstellung, also in gelöster Stellung. Der Pri­ märteil 12 ist in dieser Stellung von einer Kupplungsmuffe 16 mit einer Verzahnung 17 umgeben, die rundum mit der Verzahnung 15 des Primärteiles kämmt. Diese Verzahnung kann sich über die gesamte Breite der Kupplungsmuffe 16 erstrecken, ist im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel aber aus Fertigungsgründen unter­ brochen. Auf die Form dieser Verzahnung wird zurückgekommen. In der Kupplungsmuffe 16 sind eine Anzahl Öffnungen 18 für Verriegelungskörper 19 vorgesehen. Die Anzahl wird 2 oder 3 betragen, kann aber auch höher sein. Es ist nur zu beachten, daß deren Umfangsabstände der Zahnteilung folgen. Für eine einfache Kupplung, die nur die Verbindung zu einem Sekundär­ teil 13 herstellt, sind die jenseits der Symmetrieachse ange­ ordneten Kugeln 19′ wegzulassen.

Der erste Sekundärteil 13, weist eine Umfangsverzahnung 20 auf, die nach der vom Primärteil 12 abgekehrten Seite eine Ab­ schrägung 21 aufweist. Diese kann auf der Drehbank gefertigt werden und entweder konisch oder vorteilhafterweise konkav ausgebildet sein. Mit 22 ist noch die Zahnfußlinie 22 bezeich­ net, auf die noch zurückgekommen wird.

Die Kupplungsmuffe 16 ist von einem Schaltring 23 umgeben, der mit einer Nut 24 für eine nicht dargestellte Schaltgabel ver­ sehen ist. Auf der der Kupplungsmuffe 16 zugekehrten Innen­ seite weist er im wesentlichen konische Führungsflächen auf, die an den Stellen, an denen Kugeln 19 angeordnet sind, Aus­ nehmungen für diese bilden.

Fig. 3 zeigt dieselbe Kupplung in der ersten eingekuppelten Stellung. Um von der Stellung der Fig. 2 in diese zu gelangen, wird der Schaltring mit der Kupplungsmuffe 16 um den Weg 30 nach links geschoben, bis die Kupplungsmuffe 16 den zum Ein­ kuppeln erforderlichen Weg zurückgelegt hat. Der in Schiebe­ richtung schmälere Schaltring 23 legt nun noch den Sperrweg 32, insgesamt also den Weg 31 zurück. Während dieses Sperrwe­ ges drücken die Führungsflächen 25 die Kugeln 19 in die Ab­ schrägungen 21 und halten sie dort fest. Dadurch ist die Kupp­ lungsmuffe gegenüber dem Sekundärteil axial festgelegt. Die Bedeutung dieser Festlegung ist im Zusammenhang mit der Form der Zähne von Bedeutung.

Fig. 4 zeigt diese im Umfangsschnitt. Die Zähne 17 der Kupp­ lungsmuffe 16 weisen verjüngte Flanken 35 auf, die ein ver­ jüngtes Ende 36 bilden. Der Winkel dieser verjüngten Flanke zur Axialrichtung ist mit 37 bezeichnet und entspricht unge­ fähr dem Reibwinkel, er könnte beispielsweise 7 Grad betragen. Auch die Zähne 20 des ersten Sekundärteiles 13 weisen ver­ jüngte Flanken 39 auf, die bei 40 ein verjüngtes Ende bilden. Beide verjüngten Enden können zusätzlich noch Abdachungen 41 zwecks Erleichterung des Einrückens aufweisen. Dabei sind die Verjüngungen der beiden Verzahnungen 17, 20 so gerichtet, daß sie bei Übertragung eines Drehmomentes eine Abweiswirkung aus­ üben, also die Kupplung auszurücken trachten. Die verjüngten Flanken 35, 39 sind einfach durch Stoßen herzustellen, wobei die Bewegungsrichtung des Werkzeuges nur zur Mittenachse der Kupplung geneigt eingestellt zu werden braucht, dementspre­ chend sind auch die Zahnfußlinien 22 gegenüber dieser Achse geneigt. Genauso verhält es sich bei der Verzahnung 17 der Kupplungsmuffe 16 in dem Bereich, der mit der Verzahnung 20 des ersten Sekundärteiles zusammenwirkt. Der daran anschlie­ ßende Teil der Verzahnung kann unverjüngt ausgebildet sein.

Fig. 5 zeigt die Kupplung schließlich in der anderen Schalt­ stellung. In dieser sind die Verhältnisse spiegelgleich. Nur sind es jetzt die Kugeln 19′ der anderen Reihe, die in die Ab­ schrägungen 21′ der Zähne 20′ eingreifen.

Die in Fig. 6 und 7 abgebildete Kupplung in der einfachsten Ausführungsform unterscheidet sich von der der Fig. 2 bis 5 dadurch, daß sie nur einen Sekundärteil aufweist und daß keine Abweiswirkung auftritt, und durch eine kleine Modifikation des Schaltringes 23. Die Verzahnung 57 der Kupplungsmuffe 16 und die Verzahnung 58 des Sekundärteiles 13 weisen, im Umfangs­ schnitt parallele Flanken auf. Der Schaltring 23 besitzt statt der einzelnen Ausnehmungen 26 für die Verriegelungskörper 19 eine rundum verlaufende Eindrehung 61. Die drehfeste Schiebe­ verbindung zwischen Kupplungsmuffe 16 und Schaltring 23 wird durch einen Mitnehmerstift 59 der Kupplungsmuffe 16 herge­ stellt, der in eine Nut 60 des Schaltringes 23 eingreift.

Claims (8)

1. Formschlüssige Kupplung mit

• - einem Primärteil (12) und mindestens einem Sekun­ därteil (13; 14) mit jeweils einer Außenver­ zahnung, und
• - einer Kupplungsmuffe (16), die eine Innenverzahnung (57; 17, 17′), die in jeder Schaltstellung der Kupplungsmuffe (16) mit der Außenverzahnung des Primärteils (12) und in einer Einrückstellung der Kupplungsmuffe (16) mit der Außenverzahnung des Se­ kundärteils (13; 14) in Eingriff steht, und eine Verriegelungsvorrichtung (19) umfaßt, die in der Einrückstellung die Kupplungsmuffe (16) relativ zu dem Sekundärteil (13; 14) axial festlegt, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Verriegelungsvorrichtung radial bewegliche Verriegelungskörper (19) umfaßt, die im Ein­ rückzustand jeweils von außen in einen entsprechen­ den Zahn (20) der Außenverzahnung des Sekundärteils (13; 14) eingreifen.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Verriegelungseinrichtung einen Schaltring (23) mit Führungsflächen (25) umfaßt,
• - die Verriegelungskörper (19) in der Kupplungsmuffe (16) geführt sind, und
• - die Zähne (58; 20) des Sekundärteils (13; 14) dem Primärteil (12) abgewandte Abschrägungen (21) auf­ weisen, so daß die Verriegelungskörper (19) beim Einrücken der Kupplung durch Verschieben des Schaltrings (23) relativ zur Kupplungsmuffe (16) von deren Führungsflächen (17) in die Abschrägungen (21) der Zähne (20) des Sekundärteils (13; 14) ge­ drängt werden.

3. Formschlüssige Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zähne der Verzahnung (20) des Sekundärteiles (13; 14) und des entsprechenden Teiles der Verzahnung (17) der Kupplungsmuffe (16) in Längsrichtung so verjüngt sind, daß ihre verjüngten Enden (36, 40) einander zugekehrt sind.

4. Formschlüssige Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Führungsflächen (25), von einzelnen, jeweils einen Verriegelungskörper (19) aufnehmenden Taschen (18) ge­ bildet werden.

5. Formschlüssige Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verriegelungskörper (19) Kugeln sind.

6. Formschlüssige Kupplung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zähne der Verzahnung (20) des Sekundärteiles (13; 14) und des entsprechenden Teiles der Verzahnung (17) der Kupplungsmuffe (16) in Längsrichtung um einen Winkel (37) zur Längsrichtung verjüngt sind, der im wesentlichen gleich dem Reibungswinkel ist.

7. Formschlüssige Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abschrägung (21) der Zähne (20) des Sekun­ därteiles (13; 14) nach der dem Primärteil (12) abgewandten Seite eine konkave Rotationsfläche entsprechend dem Radius der Kugeln (19) ist.

8. Formschlüssige Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit beiderseits des Primärteiles (12) je einem Sekundärteil (13, 14) und einer gemeinsamen Schaltvorrichtung (16, 23) mit beiderseits Verriegelungskörpern (19, 19′) und Führungsflächen (17, 17′).