DE19547316A1 - Umschaltkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umschaltkupplung, insbesondere eine Kupp­ lung des Typs, in der ein Abtriebselement zwischen automatischem An­ trieb und manuellem Antrieb umgeschaltet werden kann.

Solche Kupplungen finden zum Beispiel in der Luftfahrttechnik Verwen­ dung, weil es dort im Falle eines Ausfalls der automatischen Flugsteuer­ ung oder der Steuerungselektronik von entscheidender Bedeutung ist, daß der Pilot die Steuerung manuell übernehmen kann. Dabei muß die manuelle Pilotensteuerung von elektrischen Energiequellen unabhängig sein, weshalb sie üblicherweise mechanisch ausgebildet ist. Die vom Piloten zu kontrollierenden Steuerglieder können z. B. die Taumelscheibe der Rotorblätter eines Helikopters oder die Leitwerke eines Flugzeugs sein. Die Steuerglieder können durch hydraulisch betätigte Stellzylinder in ihre gewünschte Neigungsposition gebracht werden. Der Hydraulik­ ölzufluß zu den Stellzylindern wird dabei über ein Hydraulikventil ge­ steuert. Hierzu wird der Steuerkolben des Hydraulikventils mittels eines Elektromotors oder manuell durch den Piloten bewegt. Dieser Steuerkol­ ben bildet das Abtriebselement, das mit der Umschaltkupplung des oben genannten Typs verbunden ist. Die Umschaltkupplung gewährleistet, daß der Pilot im Bedarfsfall, z. B. im Falle eines Stromausfalls oder des Blockierens des Elektromotors, in die Flugsteuerung eingreifen kann, indem der Pilot direkten Zugriff auf das Abtriebselement bekommt.

Aufgrund der hohen Sicherheitsbedürfnisse in der Luftfahrt werden an eine Umschaltkupplung dieses Typs zahlreiche Anforderungen gestellt.

Solange das Abtriebselement z. B. elektromotorisch angetrieben wird, soll der manuelle Antrieb fixiert und von dem Abtriebselement getrennt sein, während das Abtriebselement selbst frei beweglich sein muß, damit es elektrisch betätigt werden kann. In der manuellen Steuerung dagegen soll das Abtriebselement mit dem manuellen Antrieb fest verbunden sein, so daß das Abtriebselement z. B. über das Steuerhorn eines Piloten mechanisch betätigt werden kann. Wesentlich ist hier, daß die Reibungs­ kräfte bei der manuellen Steuerung möglichst gering sein sollen und näherungsweise kein Spiel zwischen den Kupplungsteilen auftreten soll, so daß die mechanische Betätigung leichtgängig und exakt ist.

Aufgrund dieser Anforderungen, sind die bisher bekannten Umschalt­ kupplungen dieses Typs sehr aufwendig, voluminös und teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Umschaltkupp­ lung zur Verfügung zu steilen, mit der ein Abtriebselement zwischen zwei Antrieben umgeschaltet werden kann, wobei die Umschaltkupplung eine geringe Baugröße aufweist und die oben genannten Anforderungen erfüllt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Umschaltkupplung ge­ löst, bestehend aus:

• - einer Abtriebswelle mit ein oder mehreren auf ihrem Umfang ver­ teilten Rastnuten zur Aufnahme innerer Rastelemente,
• - einem auf der Abtriebswelle angeordneten inneren Drehring mit ein oder mehreren radialen inneren Durchgangslöchern, in denen die inneren Rastelemente radial verschieblich gelagert sind,
• - einem auf dem inneren Drehring angeordneten, zwischen einer ersten und einer zweiten Winkelposition verstellbaren Schaltring mit ein oder mehreren auf seiner Innenfläche verteilten inneren Rastnu­ ten zur Aufnahme der inneren Rastelemente in der ersten Position und ein oder mehreren auf seiner Außenfläche verteilten äußeren Rastnuten zur Aufnahme äußerer Rastelemente in der zweiten Posi­ tion,
• - einem auf dem Schaltring angeordneten äußeren Drehring, der mit dem inneren Drehring fest verbunden ist und ein oder mehrere radiale äußere Durchgangslöcher besitzt, in denen die äußeren Rast­ elemente radial verschieblich gelagert sind, und
• - einer ortsfesten Zentrierhülse zur Aufnahme des äußeren Drehrings mit ein oder mehreren auf ihrer Innenfläche verteilten inneren Rast­ nuten zur Aufnahme der äußeren Rastelemente in der ersten Position.

Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Abtriebselement als rotatorisch bewegliche Abtriebswelle ausgebildet ist, zu der die zu kuppelnden Teile konzentrisch angeordnet sind und beim Umschalten von dem einen auf den anderen Antrieb rotatorisch bewegt werden, wobei die Verbindungen zwischen den zu kuppelnden Teilen durch Rastelemente bewirkt werden, die sich beim Umschaltvorgang radial verschieben. Während die Abtriebswelle in der ersten Position z. B. elektromotorisch angetrieben werden kann, kann der Antrieb in der zweiten Position über den inneren bzw. äußeren Drehring erfolgen, der mechanisch z. B. mit einer manuellen Pilotensteuerung verbunden sein kann.

Die Abmessungen der inneren und äußeren Rastelemente in radialer Richtung ist deshalb jeweils so gewählt, daß sie größer als die radialen Dicken des inneren bzw. äußeren Drehrings sind, und die Rastnuten und Durchgangslöcher liegen in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Achse der Abtriebswelle. Außerdem liegen in der ersten Position die inneren Rastnuten des Schaltrings über den Durchgangslöchern des inneren Drehrings, so daß die inneren Rastelemente in die inneren Rast­ nuten des Schaltrings ausweichen können und die Abtriebswelle zum inneren Drehring frei drehbar ist, während die äußeren Rastelemente zwischen dem Schaltring und den inneren Rastnuten der Zentrierhülse so eingerastet sind, daß der äußere Drehring mit der Zentrierhülse drehfest verbunden ist. In der zweiten Position dagegen liegen die äußeren Rast­ nuten des Schaltrings unter den Durchgangslöchern des äußeren Dreh­ rings, so daß die äußeren Rastelemente in die äußeren Rastnuten des Schaltrings ausweichen können und der äußere Drehring zur Zentrier­ hülse frei drehbar ist, während die inneren Rastelemente zwischen der Abtriebswelle und dem inneren Drehring in den Rastnuten der Abtriebs­ welle so eingerastet sind, daß der innere Drehring mit der Abtriebswelle drehfest verbunden ist.

Wird die Umschaltkupplung, wie oben beschrieben, z. B. in der Luft­ fahrttechnik zur Umschaltung eines Hydraulikventils zwischen elektro­ motorischer und mechanischer Betätigung eingesetzt, so können wegen der hohen Sicherheitsbedürfnisse in der Luftfahrt weitere Anforderungen erfüllt werden:

• - In der Phase des Umschaltens von der einen Steuerung, in der die Abtriebswelle z. B. elektromotorisch per Autopilot betätigt wird, auf die andere Steuerung, in der die Abtriebswelle z. B. manuell durch den Piloten selbst betätigt wird, soll die aktuelle Neigung der Steuerglieder beibehalten werden, das heißt, die Abtriebsweile des Hydraulikventils muß zunächst in ihre Neutralstellung bewegt und dort blockiert werden, um ein weiteres Verstellen der Hydraulik­ zylinder zu verhindern.
• - Außerdem soll die Phase des Umschaltens, in der die Abtriebswelle in ihrer Neutralstellung blockiert ist, eine definierte Zeit in An­ spruch nehmen, um anderen Steuersystemen des Flugkörpers aus­ reichend Zeit zu geben, sich ebenfalls in eine Neutralstellung zu bewegen, bevor die Steuerung vollständig auf mechanische Steuerung umschaltet.
• - Im Notfall soll der Pilot die Möglichkeit haben, durch erhöhten Kraftaufwand mit dem Steuerhorn in die Flugsteuerung manuell einzugreifen, um die elektromotorische Steuerung zu "übersteuern".
• - Die maximale Steuerwinkelauslenkung der Abtriebswelle soll in allen Betriebsarten, also sowohl im elektromotorischen als auch im normalen und übersteuerten mechanischen Betrieb, auf einen vorbe­ stimmten Bereich begrenzt sein, der ausreicht, um den Hydraulik­ zylinder mit den Ölversorgungsleitungen zu verbinden.
• - Die Kupplung soll wartungsfrei sein.

Diese Anforderungen werden durch vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erfüllt, deren Merkmale in den Unteransprüchen angegeben sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme der anhängenden Zeichnungen anhand der Steuerung eines Hydraulikventils beispielhaft beschrieben. Darin bedeuten:

Fig. 1a zeigt einen Radialschnitt durch die erfindungsgemäße Um­ schaltkupplung in einer ersten Position;

Fig. 1b zeigt einen Radialschnitt durch die erfindungsgemäße Um­ schaltkupplung in einer Übergangsposition von der ersten in eine zweite Position;

Fig. 1c zeigt einen Radialschnitt durch die erfindungsgemäße Um­ schaltkupplung in der zweiten Position;

Fig. 2a und b zeigen verschiedene Phasen einer Schalteinrichtung beim Umschalten des Schaltrings der erfindungsgemäßen Um­ schaltkupplung von der ersten in die zweite Position;

Fig. 3 zeigt den Rastmechanismus eines als Überlastring ausge­ bildeten Zentrierrings der erfindungsgemäßen Umschalt­ kupplung.

In Fig. 1a ist ein Radialschnitt durch die Umschaltkupplung in ihrer ersten Position dargestellt. Man erkennt, daß innere Rastelemente 1, die in inneren Durchgangslöchern 21 eines inneren Drehrings 20 auf­ genommenen sind und die bevorzugt als Wälzkörper und insbesondere als Rollen ausgebildet sind, in dieser ersten Position in radialer Richtung frei beweglich sind. Dadurch ist die Abtriebswelle 10 frei drehbar, denn die inneren Rastelemente 1 können jederzeit aus den Rastnuten 11 der Abtriebswelle 10 heraus radial nach außen in innere Rastnuten 31 eines Rings 30 ausweichen, der als Schaltring bezeichnet wird. Die übrigen Teile der Umschaltkupplung sind in dieser ersten Position von der Ab­ triebswelle 10 abgekoppelt, so daß eine Kraftübertragung über die Um­ schaltkupplung auf die Abtriebswelle 10 nicht erfolgen kann.

Die Auslenkung der Abtriebswelle 10 in eine gewünschte Winkellage kann in dieser ersten Position z. B. elektromechanisch erfolgen, indem ein Teil eines Rotor-Stator-Systems direkt auf der Abtriebswelle 10 und der andere Teil ortsfest in einem Gehäuse angeordnet wird. So kann die Abtriebswelle 10 z. B. in einem Hydraulikventil verwendet werden, bei dem die Abtriebswelle 10 nur innerhalb eines bestimmten Stellwinkel­ bereichs um eine neutrale Lage ausgelenkt zu werden braucht, um Hy­ draulikölströme zwischen verschiedenen Leitungen zu steuern. Es ist aber durchaus ebenso denkbar, daß die Abtriebswelle in anderem Zu­ sammenhang umlaufend betrieben wird.

In der ersten Position gemäß Fig. 1a ist der innere Drehring 20 mechanisch von der Abtriebswelle entkoppelt. Der innere Drehring 20 ist ständig fest mit einem äußeren Drehring 40 verbunden, so daß beide Drehringe eine feste Einheit bilden. Über den inneren bzw. äußeren Drehring 20, 40 kann die Krafteinleitung des zweiten Antriebs erfolgen. In den Radialschnitten aus Fig. 1a-c sind allerdings weder die feste Verbindung der beiden Drehringe 20, 40 noch der Krafteinleitungspunkt für den zweiten Antrieb zu sehen, die sich jeweils in anderen radialen Schnittebenen befinden. Eine Kraftübertragung von dem zweiten Antrieb über den inneren Drehring 20 auf die Abtriebswelle 10 kann in dieser ersten Position des Umschaltgetriebes nicht erfolgen, da der innere Drehring 20, wie oben erläutert, von der Abtriebswelle 10 entkoppelt ist. Der äußere Drehring 40 ist in dieser ersten Position drehfest fixiert. Die drehfeste Fixierung erfolgt durch äußere Rastelemente 2, die im äußeren Drehring 40 gelagert sind und in innere Rastnuten 52 einer Zentrierhülse 50 eingreifen. Die äußeren Rastelemente 2 sind auf diese Weise zwischen dem Schaltring 30 und den inneren Rastnuten 52 der Zentrierhülse 50 arretiert. Die Zentrierhülse 50 selbst ist ortsfest in einem Gehäuse 60 aufgenommen. Da der äußere Drehring 40 mit dem inneren Drehring 20 eine feste Einheit bildet, ist durch diese Kon­ figuration gewährleistet, daß die Abtriebswelle 10 in der ersten Position des Umschaltgetriebes durch einen ersten Antrieb betätigt werden kann, während der zweite Antrieb, der an dem inneren bzw. äußeren Drehring angreift, blockiert ist.

Die Umschaltung der Kupplung von dem ersten auf den zweiten An­ trieb, d. h. zwischen der ersten und einer zweiten Position erfolgt durch Drehen des Schaltrings 30 in Pfeilrichtung. Es stellt sich zunächst eine Übergangsposition ein, die in Fig. 1b dargestellt ist. Wenn sich der Schaltring 30 entweder durch aktives Schalten oder z. B. bei Ausfall der Stromversorgung selbsttätig durch eine automatisch aktivierte Schaltein­ richtung in die in Fig. 1c gezeigte zweite Position dreht, dann werden zunächst die inneren Rastelemente 1 aus den inneren Rastnuten 31 des Schaltrings 30 radial nach innen in die Rastnuten 11 der Abtriebswelle 10 hinein gedrückt (Fig. 1b), so daß die Abtriebswelle 10 mit dem inneren Drehring 20 über die Rastelemente 1, die nunmehr zwischen dem Schaltring 30 und den Rastnuten 11 der Abtriebswelle 10 arretiert sind drehfest verbunden ist. Da die äußeren Rastelemente 2 nach wie vor fest in den inneren Rastnuten 52 der Zentrierhülse 50 eingerastet sind und ein Drehen des mit dem inneren Drehring 20 fest verbundenen äußeren Drehrings 40 verhindern, ist die Abtriebswelle 10 in dieser Übergangsposition vollständig blockiert. Sie kann also weder von dem ersten noch von dem zweiten Antrieb ausgelenkt werden.

Die Umschaltung der Kupplung zwischen den beiden Antrieben kann selbst bei ausgelenkter Abtriebswelle 10 erfolgen, vorausgesetzt, daß sich die Rastelemente 1 noch im Einlaufbereich der Rastnuten 11 befinden. Im Falle einer umlaufenden Abtriebswelle bedeutet das, daß die Welle, anders als es die in den Fig. 1a-c als Abtriebswelle eines Hydraulikzylinders ausgebildete Welle zeigt, über ihrem gesamten Um­ fang Rastnuten 11 besitzen muß, so daß die inneren Rastelemente 1 in jeder Winkelstellung der Abtriebswelle 10 in die Rastnuten 11 der Weile 10 eingreifen können.

Die Durchgangslöcher 21, 42 des inneren bzw. äußeren Drehrings 20, 40 sind zu den inneren und äußeren Rastnuten 31, 32 des Schaltrings 30 zumindest leicht versetzt angeordnet, so daß die äußeren Rastelemente 2 beim Drehen des Schaltrings 30 von der ersten Position in die Über­ gangsposition erst freigegeben werden, wenn die inneren Rastelemente 1 vollständig in die Rastnuten 11 der Abtriebswelle 10 eingerastet sind und eine drehfeste Verbindung zwischen dem inneren Drehring 20 und der Abtriebswelle 10 hergestellt haben. Dies ist erforderlich, um die Ab­ triebswelle 10 in einer definierten Stellung zu zentrieren bevor die Ab­ triebswelle 10 mit dem inneren Drehring 20 drehfest verbunden wird. Im Falle, daß die Kupplung in einem Hydraulikventil zur Steuerung eines Stellzylinders verwendet wird, hat dies zur Folge, daß der Stell­ zylinder in der gegenwärtigen Position gehalten wird, bevor die Um­ schaltung von dem einen auf den anderen Antrieb erfolgt.

Ist eine solche Zentrierung der Antriebswelle 10 nicht erforderlich, so können die Rastnuten 31, 32 des Schaltrings 30 und die Durchgangs­ löcher 21, 42 des inneren und äußeren Drehrings 20, 40 selbstverständlich auch so zueinander angeordnet sein, daß sich die Rastelemente 1, 2 beim Umschalten der Kupplung gleichzeitig aus ihren jeweils ersten Positionen in ihre Zwischenpositionen bewegen können. Dies kann insbesondere bei einer umlaufenden Abtriebswelle 10 sinnvoll sein, bei der es beim Um­ behalten nicht auf eine exakte Positionierung der Welle ankommt.

In jedem Fall ist es sinnvoll, die Rastnuten 11 wie auch die inneren Rastnuten 52 V-förmig oder konisch auszubilden, um ein verschleiß­ freies Einlaufen der bevorzugterweise als Rollen ausgebildeten Rast­ elemente 1, 2 zu gewährleisten. Wird die Umschaltkupplung, wie die in den Figuren gezeigte, in einem Hydraulikventil zur Steuerung eines Stellzylinders verwendet, bei dem die Abtriebswelle immer nur um einen maximalen Steuerwinkel von z. B. ± 9° ausgelenkt wird, dann muß das V-förmige oder konische Profil der Rastnuten 11 der Abtriebswelle 10 so ausgebildet sein, daß die inneren Rastelemente 1 beim Schalten von der ersten in die zweite Position selbst bei maximaler Auslenkung der Abtriebswelle 10 noch in die Rastnuten 11 der Abtriebswelle 10 ge­ drängt werden und die Abtriebswelle 10 in ihre Neutralstellung zurück­ drehen können. Ansonsten wäre ein Schalten bei ausgelenkter Abtriebs­ welle 10 unmöglich.

Bei einer stärker versetzten Anordnung der Rastnuten 31, 32 zu den Durchgangslöchern 21, 42 bleibt die Übergangsposition, in der die Ab­ triebswelle 10 durch die inneren Rastelemente 1 mit dem inneren Dreh­ ring 20 und der äußere Drehring 40 durch die äußeren Rastelemente 2 mit der Zentrierhülse 50 fest verbunden sind, für eine bestimmte Über­ gangsphase erhalten. Die Übergangsphase dauert an, bis sich der Schalt­ ring 30 soweit weitergedreht hat, daß die äußeren Rastelemente 2 aus den inneren Rastnuten 52 des Zentrierrings 50 heraus in die äußeren Rastnuten 32 des Schaltrings 30 ausweichen können. Die Dauer der Übergangsphase hängt ab einerseits von dem Versetzungsgrad der Rast­ fluten 31, 32 des Schaltrings 30 zu den Durchgangslöchern 21, 42 des inneren bzw. äußeren Drehrings 20, 40 und andererseits von der Ge­ schwindigkeit, mit der sich der Schaltring 30 von der ersten in die zwei­ te Position bewegt. Erforderlich ist diese Zwischenphase, in der die Abtriebswelle 10 in ihrer Neutrallage blockiert ist, um anderen Systemen ausreichend Zeit zu geben, ihrerseits eine Neutralstellung einzuneh­ men. Üblicherweise reicht eine Übergangsdauer von 500 ms aus.

In Fig. 1c ist die Umschaltkupplung in ihrer zweiten Position dargestellt. Wenn der Schaltring 30 von der in Fig. 1b gezeigten Übergangsposition in diese zweite Position weiterdreht, können die äußeren Rastelemente 2 aus den inneren Rastnuten 52 der Zentrierhülse 50 heraus in die äußeren Rastnuten 32 des Schaltrings 30 hinein ausweichen. Dadurch wird der äußere Drehring 40 entsperrt, so daß die Abtriebswelle 10 in dieser zweiten Position, in der die Steuerung z. B. manuell durch den Piloten erfolgen kann, über den drehfest mit der Abtriebswelle 10 verbundenen inneren Drehring 20 aus der Neutralstellung heraus in eine gewünschte Winkellage ausgelenkt werden kann.

Der Schaltring 30, der, wenn er sich in der ersten Position befindet, wie nachfolgend noch näher beschrieben werden wird, drehfest fixiert ist, kann sich in der zweiten Position frei drehen und mit dem inneren bzw. äußeren Drehring 20, 40 mitbewegen. Durch das Drehen des inneren bzw. äußeren Drehrings 20, 40 wird zwangsläufig auch der Schaltring 30 mitgedreht, sofern die äußeren Rastnuten 32 des Schaltrings 30 so ausgebildet sind, daß sich die Rastelemente 2 nicht relativ zu dem Schaltring bewegen können, sondern fest in den Rastnuten 32 einrasten.

In einer besonderen Ausgestaltung ist der Schaltring 30 zur Verwendung mit einer Abtriebswelle 10 geeignet, die nur in einem begrenzten Steuer­ winkelbereich von z. B. ± 9° = 18° ausgelenkt werden kann. In dieser Ausführungsform sind die äußeren Rastnuten 32 als Langlöcher ausge­ bildet, deren Länge mindestens dem halben Steuerwinkelbereich der Ab­ triebswelle entspricht, also z. B. 9°. Ausgehend von Fig. 1c würde der Schaltring 30 demnach bei einer Bewegung des inneren bzw. äußeren Drehrings 40 in Pfeilrichtung zwangsläufig um bis zu 9° mitgedreht. Bei einer Bewegung entgegen der Pfeilrichtung kann es aber auch sein, daß der Schaltrings 30 nicht mitdreht, sondern statt dessen die äußeren Rast­ elemente 2, die in diesem Fall als Wälzkörper ausgebildet sein müssen, in den äußeren Rastnuten 32 entlangrollen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Schaltring 30 aus konstruktiven Gründen nur in Pfeil­ richtung mitdrehen kann und in Gegenrichtung blockiert ist, wie es z. B. bei Verwendung der in Fig. 2a, b dargestellten Schalteinrichtung der Fall ist. Wird der innere bzw. äußere Drehring 20, 40 aus der in Pfeil­ richtung ausgelenkten Extremstellung heraus über den gesamten Steuer­ winkelbereich von 18° in die andere Extremstellung gedreht, so werden über einen Steuerwinkelbereich von 9° die Wälzkörper in den äußeren Rastnuten 32 des Schaltrings 30 entlanglaufen, und über den übrigen Steuerwinkelbereich von ebenfalls 9° wird sich der Schaltring 30 mit dem inneren bzw. äußeren Drehring 20, 40 mitdrehen. Beide Vorgänge können sich überlagern, je nach den vorherrschenden Reibungsver­ hältnissen zwischen den gegeneinander bewegten Teilen. Ein Mitdrehen des Schaltrings 30 über mehr als 9° wird durch die spezielle Konstruktion der Schalteinrichtung verhindert.

In Fig. 2a, b ist die Schalteinrichtung dargestellt, die mit einer Abtriebs­ welle 10, die nur in einem begrenzten Steuerwinkelbereich von z. B. ± 9° = 18° ausgelenkt wird, verwendet werden kann. Mit dieser Schalteinrichtung kann der Schaltring 30 von der arretierten ersten Posi­ tion in die drehfreie zweite Position verstellt wird. Der Schaltring 30 besitzt dazu einen radialen Ansatz 35, der in der ersten, in Fig. 2a gezeigten Position zwischen einem ersten und einem zweiten Schubkör­ per 71, 72 eines Schaltschiebers 70 arretiert ist. Indem der Schaltschieber 70 den radialen Ansatz 35 des Schaltschiebers 30 aus der ersten Position in eine zweite gezeigte Position bewegt, wird der Schaltring 30 aus seiner ersten, in Fig. 1a gezeigten Position in seine zweite, in Fig. 1c gezeigte Position gedreht.

Um zu gewährleisten, daß der Schaltring 30 in der zweiten Position frei drehbar ist, wird der zweite Schubkörper 72 in Schaltrichtung weiterbe­ wegt, so daß zwischen den beiden Schubkörpern 71, 72 ein Freiraum gebildet wird, in dem sich der Ansatz 35 frei bewegen kann. Dieser Freiraum muß mindestens den Steuerwinkelbereich der Abtriebswelle 10 umfassen. Diese Bewegungsfreiheit ist erforderlich, weil der Schaltring 30 mit dem radialen Ansatz 35 gemäß Fig. 1c in der zweiten Position durch die äußeren Rastelemente 32 zumindest in Pfeilrichtung mit dem inneren bzw. äußeren Drehring 20, 40 mitbewegt wird. In Fig. 2b ist der Schaltring in der zweiten Position der Kupplung dargestellt und zwar um ± 9°, also dem vollen Steuerwinkelbereich in Pfeilrichtung ausgelenkt. Wäre die Bewegungsfreiheit des Ansatzes 35 in der zweiten Position nicht gegeben, dann wäre die Rotation des inneren bzw. äußeren Dreh­ rings 20, 40 zumindest in Pfeilrichtung blockiert. Entgegen der Pfeil­ richtung ist ein Verdrehen des Schaltrings 30 zwar durch den ersten Schubkörper 71 gesperrt (Fig. 2b), der innere bzw. äußere Drehring 20, 40 kann aber unabhängig vom Schaltring 30 dennoch in diese Richtung verdreht werden, da die äußeren Rastelemente 32, die die Verbindung zwischen äußerem Drehring 40 und Schaltring 30 bilden, in diesem Fall in den Langlöchern 32 des Schaltrings 30 entlanglaufen können, ohne den Schaltring 30 mitzunehmen (Fig. 1c).

Im einzelnen ist dazu vorgesehen, daß der erste Schubkörper 71 des Schaltschiebers 70 in der ersten Position (Fig. 2a) gegen eine erste Feder 81 z. B. über einen elektrisch angesteuerten Hydraulikzylinder vorgespannt ist. Der Hydraulikdruck wirkt aber nicht direkt auf den ersten Schubkörper 71 sondern auf den zweiten Schubkörper 72, der sich wiederum über eine zweite Feder 82 gegen den ersten Schubkörper abstützt. Die erste und zweite Feder 81, 82 sind in der ersten Position also beide durch den Hydraulikdruck vorgespannt, und der radiale An­ satz 35 des Schaltschiebers 70 ist zwischen den beiden Schubkörpern 71, 72 eingeklemmt. Fällt nun der Hydraulikdruck aus, sei es aufgrund eines aktiven Schaltbefehls oder sei es aufgrund eines Ausfalls der elektrischen Hydraulikansteuerung, so bewegt sich der Schaltschieber 70 selbsttätig in die in Fig. 2b gezeigte zweite Position. Im einzelnen be­ wirkt die erste Feder 81, daß der erste Schubkörper 71 gegen einen Anschlag 85 verschoben wird, so daß sich der Ansatz 35 des Schaltrings 30 in der zweiten Position befindet, und die zweite Feder 82 bewirkt, daß der zweite Schubkörper 72 noch ein Stück weiter gegen einen zweiten Anschlag 86 geschoben wird, so daß zwischen den beiden Schubkörpern 71, 72 der oben beschriebene Freiraum entsteht, der dem Steuerwinkelbereich entspricht (Fig. 2b). Ein erneuter Hydraulikdruck­ aufbau würde die Rückstellung des Schaltschiebers (70) in seine Aus­ gangsposition bewirken (Fig. 2a).

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der der orts­ feste Zentrierring 50 als Überlastring ausgebildet ist. Der Überlastring kann über den inneren bzw. äußeren Drehring 20, 40 gegen eine vor­ bestimmte Kraft aus einer Nullage heraus ausgelenkt werden. Während der Zentrierring 50 bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen auch durch das Gehäuse 60 selbst gebildet sein konnte, ist der Zen­ trierring 50 in dieser Ausführungsform drehbar im Gehäuse 60 gelagert und besitzt äußere Rastnuten 55, die entweder radial oder, wie in Fig. 3 dargestellt, axial angeordnet sein können. In diese Rastnuten 55 greifen federbelastete Rastelemente 56 ein, die eine definierte Vorspannung erzeugen, die beim Drehen des Überlastrings 50 überwunden werden muß, bevor sich der Überlastring in Bewegung setzt. Der innere bzw. äußere Drehring 20, 40 kann nun unter erhöhtem Kraftaufwand zu­ sammen mit dem Überlastring 50 verdreht werden, wobei die federbe­ lasteten Rastelemente 56 gegen die Federkräfte aus den äußeren Rast­ fluten 55 des Überlastrings 50 heraus ins Gehäuse 60 hinein gedrückt werden. Im Falle, daß sich das Umschaltgetriebe in der ersten Position befindet (Fig. 1a), in der der innere bzw. äußere Drehring 20, 40 von der Abtriebswelle 10 abgekoppelt und mit dem Zentrierring 50 drehfest verbunden ist, werden gleichzeitig die inneren Rastelemente 1 aus den Rastnuten 31 des Schaltrings 30, der durch den Schaltschieber 70 nach wie vor örtlich fixiert ist (Fig. 2a), in die Rastnuten 11 der Abtriebs­ welle 10 hinein gedrängt. So entsteht eine drehfeste Verbindung zwischen dem inneren Drehring 20 und der Abtriebswelle 10, und die Abtriebswelle 10 wird entsprechend mitgenommen.

Genau wie im Falle der Rastnuten 11 der Abtriebswelle 10 ist es auch für die Rastnuten 55 des Überlastrings 50 vorteilhaft, wenn das Profil konkav oder V-förmig ausgebildet ist, um ein sauberes Einlaufen der bevorzugt als Kugeln ausgebildeten Rastelemente 56 zu ermöglichen. Außerdem müssen die äußeren Rastnuten 55 des Überlastrings 50 einen Winkelbereich überdecken, der so groß ist, daß die federbelasteten Rastelemente 56 selbst bei maximalem Steuerwinkel des inneren bzw. äußeren Drehrings 20, 40 noch in die äußeren Rastnuten 55 des Über­ lastrings eingreifen und dabei noch eine Rückstellkraft auf den Über­ lastring 50 ausüben können, so daß sich der Überlastring selbsttätig in die Nullage zurückbewegen kann.

Bei dieser Konstellation kann man über die Gestaltung des Profils der Rastnuten 11 eine bestimmte Wegübersetzung einstellen. So kann das Profil z. B. so ausgebildet sein, daß eine Verdrehung des äußeren Dreh­ rings 40 um 7° eine Verdrehung der Abtriebswelle 10 um 9° bewirkt.

Die gesamte Kupplung wird bevorzugt in einem abgeschlossenen, ölge­ füllten Gehäuse aufgenommen. Dadurch wird die geforderte Wartungs­ freiheit gewährleistet. Aufgrund der wenigen sich zueinander ver­ schiebenden Bauteile und wegen der geringen Baugröße sind die Reibungskräfte, die in der Umschaltkupplung auftreten, sehr gering. Durch die zusätzliche Gegenwart des Schmieröls ist die Umschalt­ kupplung deshalb sehr leicht gängig.

Eine Umschaltkupplung des beschriebenen Typs hat einen Durchmesser von 40 cm und eine Breite von 10 cm in Verbindung mit einer Abtriebs­ welle mit 20 mm Durchmesser und 80 mm Länge.

Es sei noch daraufhingewiesen, daß im Zusammenhang mit den Rast­ nuten 11, 31, 32, 52 und 55 jeweils von mehreren Rastnuten gesprochen wurde. Selbstverständlich kann für jeden Rastnutentyp auch nur eine einzige Rastnut vorgesehen sein. Allerdings ist es sinnvoll, jeweils mehrere Rastnuten gleichmäßig verteilt über die entsprechenden Um­ fangsflächen vorzusehen, da das Spiel zwischen den einzelnen Kupplungsteilen dadurch weiter verringert wird.

Claims (27)

1. Umschaltkupplung, bestehend aus

• - einer Abtriebswelle (10) mit ein oder mehreren auf ihrem Umfang verteilten Rastnuten (11) zur Aufnahme innerer Rastelemente (1),
• - einem auf der Abtriebswelle (10) angeordneten inneren Drehring (20) mit ein oder mehreren radialen inneren Durchgangslöchern (21), in denen die inneren Rastelemente (1) radial verschieblich gelagert sind,
• - einem auf dem inneren Drehring (20) angeordneten, zwischen einer ersten und einer zweiten Winkelposition verstellbaren Schaltring (30) mit ein oder mehreren auf seiner Innenfläche verteilten innere Rastnuten (31) zur Aufnahme der inneren Rastelemente (1) in der ersten Position und ein oder mehreren auf seiner Außenfläche ver­ teilten äußeren Rastnuten (32) zur Aufnahme äußerer Rastelemente (2) in der zweiten Position,
• - einem auf dem Schaltring (30) angeordneten äußeren Drehring (40), der mit dem inneren Drehring (20) fest verbunden ist und ein oder mehrere radiale äußere Durchgangslöcher (42) besitzt, in denen die äußeren Rastelemente (2) radial verschieblich gelagert sind, und
• - einer ortsfesten Zentrierhülse (50) zur Aufnahme des äußeren Dreh­ rings (40) mit ein oder mehreren auf ihrer Innenfläche verteilten inneren Rastnuten (52) zur Aufnahme der äußeren Rastelemente (2) in der ersten Position.

2. Umschaltkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der inneren und äußeren Rastelemente (1, 2) in radia­ ler Richtung jeweils größer als die radialen Dicken des inneren bzw. äußeren Drehrings (20, 40) sind.

3. Umschaltkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rastnuten (11, 31, 32, 52) und Durchgangslöcher (21, 41) in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Achse der Abtriebswelle (10) liegen.

4. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Position die inneren Rastnuten (31) des Schaltrings (30) über den Durchgangslöchern (21) des inneren Dreh­ rings (20) liegen, so daß die inneren Rastelemente (1) in die inneren Rastnuten (31) des Schaltrings (30) ausweichen können und die Ab­ triebswelle (10) zum inneren Drehring (20) frei drehbar ist, während die äußeren Rastelemente (2) zwischen dem Schaltring (30) und den inneren Rastnuten (52) der Zentrierhülse (50) so eingerastet sind, daß der äußere Drehring (40) mit der Zentrierhülse (50) drehfest verbunden ist.

5. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Position die äußeren Rastnuten (32) des Schaltrings (30) unter den Durchgangslöchern (42) des äußeren Drehrings (40) liegen, so daß die äußeren Rastelemente (2) in die äußeren Rastnuten (32) des Schaltrings (30) ausweichen können und der äußere Drehring (40) zur Zentrierhülse (50) frei drehbar ist, während die inneren Rastelemente (1) zwischen der Abtriebswelle (10) und dem inneren Drehring (20) in den Rastnuten (11) der Abtriebswelle (10) so eingerastet sind, daß der innere Drehring (20) mit der Abtriebswelle (10) fest verbunden ist.

6. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltring (30) in der ersten Position drehfest ist und sich in der zweiten Position mit dem inneren bzw. äußeren Dreh­ ring (20, 40) mitdrehen kann.

7. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Rastnuten (31) des Schaltrings (30) zu den äußeren Rastnuten (32) des Schaltrings (30) winkelmäßig so versetzt sind, daß in einer Zwischenwinkelposition, die der Schaltring (30) beim Übergang von der ersten Position in die zweite Position durchläuft, die inneren Rastelemente (1) zwischen der Abtriebswelle (10) und dem inneren Drehring (20) in den Rastnuten (11) der Abtriebswelle (10) so eingerastet sind, daß der innere Drehring (20) mit der Abtriebswelle (10) fest verbunden ist, und die äußeren Rastelemente (2) zwischen dem Schaltring (30) und der Zentrierhülse (50) in den inneren Rastnuten (52) der Zentrierhülse (50) so eingerastet sind, daß der äußere Drehring (40) mit der Zentrierhülse (50) fest verbunden ist.

8. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastelemente (1, 2) Wälzkörper sind.

9. Umschaltkupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper Zylinderrollen sind.

10. Umschaltkupplung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rastnuten (11) der Abtriebswelle (10) in Umfangsrich­ tung der Abtriebswelle (10) ein V-förmiges oder konkaves Profil auf­ weisen, das ein kontrolliertes Einlaufen der inneren Wälzkörper (1) in die Rastnuten (11) ermöglicht, wenn der Schaltring (30) von der ersten Position in die Zwischenwinkelposition gedreht wird.

11. Umschaltkupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abtriebswelle (10) mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, die eine Auslenkung der Abtriebswelle (10) nur innerhalb eines bestimmten Steuerwinkelbereichs zuläßt.

12. Umschaltkupplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß das Profil der Rastnuten (11) der Abtriebswelle (10) so ausge­ bildet ist, daß durch eine Drehung des Schaltrings (30) von der ersten Position in die Zwischenposition eine radiale Verschiebung der inneren Wälzkörper in die Rastnuten (11) der Abtriebswelle (10) hinein selbst bei maximaler Steuerwinkelauslenkung der Abtriebswelle (10) bewirkt werden kann, wobei sich die ausgelenkte Abtriebswelle (10) selbsttätig in eine zum inneren Drehring (20) drehfeste, durch die radial verschobenen Wälzkörper (1) vorbestimmte Neutralstellung dreht.

13. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaltring (30) einen radialen Ansatz (35) aufweist, der in einem Schaltschieber (70) so gelagert ist, daß der Schaltring (30) durch Bewegung des radialen Ansatzes (35) mit dem Schaltschieber (70) über einen vorbestimmten Schaltwinkel zwischen der ersten und zweiten Position hin- und herbewegt werden kann.

14. Umschaltkupplung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schaltschieber (70) einen ersten Schubkörper (71) und einen zweiten Schubkörper (72) aufweist, zwischen denen der Ansatz (35) gelagert ist, wobei eine erste Feder (81) in einer ersten Richtung so gegen den ersten Schubkörper (71) wirkt und ein Hydraulikzylinder (80) in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung so gegen den zweiten Schubkörper (72) wirkt, daß die beiden Schubkörper (71, 72) des Schaltschiebers (70) mit dem dazwischen gelagerten Ansatz (35) in der ersten Position durch den Hydraulikzylinderdruck gegen die erste Feder (81) vorgespannt sind.

15. Umschaltkupplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hydraulikzylinder (80) elektrisch angesteuert ist.

16. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaltschieber (70) im Falle eines Hy­ draulikdruckabfalls durch die vorgespannte erste Feder (81) über den vorbestimmten Schaltwinkel gegen einen ersten Anschlag (85) in die zweite Position gedrängt wird.

17. Umschaltkupplung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Schubkörper (72) des Schaltschiebers (70) durch eine zweite Feder (82) um einen zusätzlichen Weg so gegen einen zwei­ ten Anschlag (86) gedrängt wird, daß die beiden Schubkörper (71, 72) des Schaltschiebers (70) einen Steuerwinkelbereich für den inneren bzw. äußeren Drehring (20, 40) definieren, innerhalb welchem sich der Ansatz (35) des sich mit dem inneren bzw. äußeren Drehring (20, 40) mitdre­ henden Schaltrings (30) in der zweiten Position bewegen kann.

18. Umschaltkupplung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die äußeren Rastnuten (32) des Schaltrings (30) in Umfangs­ richtung des Schaltrings (30) länglich ausgebildet sind und einen Winkel­ bereich überspannen, der dem vorbestimmten Steuerwinkelbereich ent­ spricht.

19. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zentrierhülse (50) als Überlastring ausgebildet ist, der sich in der ersten Position zusammen mit dem äußeren Drehring (40) gegen eine Rücksteilkraft aus einer Nullage her­ aus verdrehen läßt.

20. Umschaltkupplung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß der Überlastring (50) ein oder mehrere äußere Rastnuten (55) aufweist.

21. Umschaltkupplung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die äußeren Rastnuten (55) des Überlastrings (50) an mindes­ tens einer Seitenfläche des Überlastrings (50) angeordnet sind.

22. Umschaltkupplung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußeren Rastnuten (55) des Überlastrings (50) ein V-förmiges oder konkaves Profil aufweisen.

23. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß in die äußeren Rastnuten (55) des Überlast­ rings (50) federbelastete Rastelemente (56) eingreifen, welche die Rück­ stellkraft erzeugen.

24. Umschaltkupplung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß die federbelasteten Rastelemente (56) Kugeln sind.

25. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die äußeren Rastnuten (55) des Überlast­ rings (50) so ausgebildet sind und der Steuerwinkelbereich des inneren bzw. äußeren Drehrings (20, 40) so bemessen ist, daß die federbeiasteten Rastelemente (56) selbst bei maximalem Steuerwinkel des inneren bzw. äußeren Drehrings (20, 40) noch in die äußeren Rastnuten (55) des Über­ lastrings (50) eingreifen und eine Rückstellkraft auf den Überlastring (50) in seine Nullage ausüben können.

26. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß sie in einem abgeschlossenen, mit Öl gefüll­ ten Gehäuse aufgenommen ist.

27. Umschaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, da­ durch gekennzeichnet, daß der äußere bzw. innere Drehring (20, 40) direkt mit einem manuell bedienbaren Steuersystem eines Flugzeugs oder Helikopters und die Abtriebswelle (10) mit Steuerzylindern der diversen Steuerglieder des Flugzeugs oder Helikopters verbunden sind, wobei die Abtriebswelle (10) in der ersten Position von Elektromotoren angetrie­ ben wird.