DE19600545A1 - Formschlüssig arbeitende Überlastkupplung mit magnetischer innerer Haltekraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine formschlüssig arbeitende Überlastkupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

In der Antriebstechnik sind bisher form-, reib- oder kraftschlüssig arbeitende Überlastkupplungen zur Absicherung von Drehbewegungen bekannt, die nach Erreichen eines vorgegebenen Drehmoments den Kraftfluß im Antriebsstrang unterbrechen.

Insbesondere im Bereich der formschlüssigen Überlastkupplungen kann folgendermaßen systematisch untergliedert werden:

• - Mit oder ohne Fremdenergie betriebene Kupplungen,
• - Rastende oder freischaltende Kupplungen,
• - Art der Erzeugung der zur Momentübertragung nötigen Hilfskraft,
• - Art der Erzeugung der zum Ausrasten erforderlichen Kraft,
• - Art der Erzeugung der zum Wiedereinrasten nötigen Kraft.

Speziell für Anwendungsfälle, bei denen im Kupplungsumfeld weder Fremdenergie noch die zur Überwachung einer möglichen Ausrastung der Überlastkupplung geeignete Sensorik zur Verfügung stehen, müßte die Kupplung ideal folgende Wirkungsmerkmale aufweisen:

• - Kupplung, die ohne Fremdenergie oder manuelle Eingriffe ihre Funktion erfüllt,
• - Freischaltende Kupplung, die lange Auslaufzeiten als Folge der fehlenden Erkennung des Überlastzustandes verkraftet,
• - Kupplung, die allein durch Reduzierung der Relativdrehzahl der beiden Kupplungshälften zwischen An- und Abtriebsseite wieder einrastet und ihre Betriebsbereitschaft wiedererlangt.

Die Erfindungsaufgabe wird also darin gesehen, eine Überlastkupplung zu schaffen, die ohne äußere Einwirkung arbeitend lange Auslaufzeiten verkraftet und nur durch Reduzierung der Relativdrehzahl wieder einkuppelt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
Die Überlastkupplung kann ohne Fremdenergie und/oder Sensorik auskommen. Die Kupplung eignet sich wegen der speziellen Funktion und des niedrigen Restdrehmomentes für hohe Relativdrehzahlen und lange Auslaufzeiten. Nach erfolgtem Ansprechen bei Erreichen des vorgegebenen Drehmoments (Entkuppeln) kann sie ausschließlich durch eine Verringerung der Relativdrehzahl zwischen An- und Abtriebsseite wieder eingekuppelt und damit betriebsbereit gemacht werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung sieht eine formschlüssig arbeitende Überlastkupplung mit Freischaltfunktion und automatischer Wiedereinrastung durch Reduzierung der Relativdrehzahl zwischen An- und Abtrieb vor, bei der die zur Drehmomentübertragung zwischen der treibenden und der angetriebenen Kupplungshälfte erforderliche kupplungsinterne Haltekraft allein durch in Axialrichtung wirksame Magnete, vorzugsweise Permanentmagnete oder durch Kombination derselben mit einem Federmechanismus erreicht wird. Im eingerasteten Zustand der Kupplung, d. h. wenn die beiden Kupplungshälften sich nicht zueinander verdrehen, wird die Anziehung zwischen verschiedenartigen Magnetpolen bzw. die Anziehung zwischen Magnetpolen und Teilen aus ferromagnetischen Werkstoffen genutzt. Nach dem Freischalten, also nach der Überwindung der axial wirkenden magnetischen Haltekraft zwischen den beiden Kupplungshälften und dem Beginn der Rotation derselben gegeneinander, hält die Abstoßung zwischen den an einander in Umfangsrichtung vorbeilaufenden gleichartigen Magnetpolen die axiale Trennung zwischen An- und Abtriebsseite aufrecht. Weil im freigeschalteten Zustand der Kupplung beim ständigen Wechsel zwischen Anziehung und Abstoßung im Bereich der Magnete ein leichtes Übergewicht zugunsten der Abstoßung vorgesehen wird, kann das Schaltteil dem bei hoher Relativdrehzahl zwischen An- und Abtrieb (d. h. den beiden Kupplungshälften) schnellen Wechsel zwischen Anziehung und Abstoßung wegen seiner Massenträgheit nicht folgen und verbleibt somit im Freischaltzustand, bis die Relativdrehzahl zwischen An- und Abtrieb (d. h. den beiden Kupplungshälften) so weit abnimmt, daß die axiale Bewegung des Schaltteiles dem Kraftverlauf der Magnetanordnung folgt und die Kupplung wieder einrastet.

Die DE-OS 29 32 661 zeigt eine Überlastkupplung mit zwei relativ zueinander verschiebbaren und verdrehbaren Kupplungshälften mit der Form eines Topfes, wobei in der Stirnseite der Umfangswand des einen Topfes feststehende Mitnehmer als Drehmoment-Übertragungskörper und auf der Stirnseite der Umfangswand des anderen Topfes entsprechende Ausnehmungen angeordnet sind, in die die Mitnehmer eingreifen. Im Boden des einen Topfes sind ein ringförmiges ferromagnetisches Rückschlußelement und vier Permanentmagnete von kreisringsegmentartiger Form angelegt, wobei die Segmente sich an den Seitenkanten berühren. Die andere topfförmige Kupplungshälfte ist ebenfalls ferromagnetisch.

Aus der DE-OS 37 43 138 ist eine schleifringlose, elektromagnetische Überlastkupplung bekannt, die Drehmoment-Übertragungskörper besitzt. Eine Ankerscheibe, die durch einen Elektromagneten angezogen werden kann, ist mit einem Schaltteil verbunden.

Nach der DE-OS kann bei einer spielfreien mechanischen Überlastkupplung einer Ankerscheibe entweder durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten angezogen werden. Bei Verwendung eines Permanentmagneten kann in dessen Nähe ein Elektromagnet angeordnet sein, der zum Wiedereinrasten der Kupplung entgegengesetzt zum Permanentmagneten magnetisiert wird.

Der US-PS 35 59 784 ist eine Überlastkupplung zu entnehmen, mit Kugeln als Drehmoment-Übertragungskörpern, die in Ausnehmungen einer Ankerscheibe eingreifen, die von einer Elektro-Magnetspule angezogen werden kann.

Der Magnetkörper nach der DE-AS 12 33 673 für eine magnetisch betätigte Scheibenreibungskupplung oder -bremse hat einen zum Einrücken dienenden Dauermagneten und einen zum Ausrücken dienenden Elektromagneten, der dem Dauermagneten entgegenwirkt. Die Dauermagnete sind auf einem konzentrischen Kreis angeordnet und haben entweder die Form von quadratischen oder ringartigen Körpern, sie sind in Kunstharz eingebettet.

Die Kupplung nach der FR-PS 14 87 492 arbeitet mit Übertragung des Drehmomentes ausschließlich durch die von Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder. Dazu sind in erheblichem axialem Abstand zwei gleichachsige flache Kupplungsscheiben vorgesehen, in deren einander zugewandten Stirnflächen Permanentmagnete eingelassen sind, die auf einander gegenüberliegenden Kreisen gleichen Durchmessers angeordnet und abwechselnd gepolt sind. Die Permanentmagnete haben eine zylindrische, halbzylindrische, kubische oder parallelpipedische Form. Die Permanentmagnete können auf zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sein.

In der nachfolgenden Beschreibung sind an Hand der Zeichnungen Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt, oben in der gekuppelten, unten in der entkuppelten Stellung,

Fig. 1A einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 1B einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 2, 2A und 2B ein zweites Ausführungsbeispiel in der Darstellung wie Fig. 1 bis 1B,

Fig. 3, 3A und 3B ein drittes Ausführungsbeispiel in der Darstellung wie Fig. 1 bis 1B und 2 bis 2B.

Die Kupplung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel besteht zunächst wie üblich aus zwei Kupplungshälften, nämlich der Nabe 3 und dem Druckflansch 7, deren einander zugewandte, ebene Stirnflächen zwischen sich einen vorzugsweise einstellbaren Luftspalt L aufweisen. Zum Zwecke der Drehmomentübertragung sind in einem Flansch der Nabe 3 auf einem Kreis axiale Bohrungen 4 angeordnet, in denen sich in Achsrichtung verschiebliche Drehmoment-Übertragungskörper, hier Kugeln 5, befinden. Diese Körper greifen im eingekuppelten Zustand in vorzugsweise kegelige Vertiefungen 6 im Druckflansch 7 ein. Im Schaltteil 8 sind Gewindestifte 9 vorgesehen, durch die die Kugeln 5 gegen die Vertiefungen 6 gedrückt werden und durch die der Luftspalt L eingestellt werden kann. Zur Herstellung der kupplungsinternen Haltekraft sind vorzugsweise in beiderseits gleicher Anzahl in den Stirnflächen der Kupplungshälftend 3, 7 Permanentmagnete 1 eingebettet. Diese sind auf Kreisen gleichen Durchmessers mit gleicher Polarität angeordnet.

Im eingekuppelten Zustand muß die Anziehungskraft der axial gegenüberstehenden Permanentmagnete 1 und der Flächen aus magnetischem Werkstoff 2 der beiden Kupplungshälften so aufeinander abgestimmt sein, daß eine genügende Anziehung stattfindet, um die im Kraftfluß (entlang des strichpunktierten Pfeils X-Y) durch die Kupplung liegenden Drehmoment- Übertragungsskörper bis zum vorbestimmten Grenzdrehmoment in ihrer das Drehmoment übertragenden Stellung zu halten.

Bei Auftreten eines Überlastfalles findet eine relative Verdrehung zwischen der Nabe 3 und dem Druckflansch 7 statt, d. h. die Kugeln 5 werden entgegen der kupplungsinternen magnetischen Haltekraft aus ihren zugehörigen Vertiefungen 6 herausgehoben und -geschoben, die beiden Kupplungshälften 3, 7 werden entkupppelt. Das bewirkt eine Vergrößerung des Luftspaltes L über das Schaltteil 8. Infolge der relativen Verdrehung der beiden Kupplungshälften 3, 7 stehen sich im Umlauf abwechselnd Permanentmagnete 1 mit gleicher Polung oder abwechselnd gleichgerichtete Permanentmagnete 1 und magnetischer Werkstoff 2 gegenüber. Also tritt zwischen der Nabe 3 und dem Druckflansch 7 abwechselnd Anziehung und Abstoßung auf. Durch geeignete Bemessung der Flächen der Permanentmagnete 1 bzw. derselben und der Flächen des magnetischen Werkstoffs 2 wird erreicht, daß die mittlere Kraft leicht negativ, d. h. abstoßend wird und die Kupplung somit entkuppelt bleibt.

Da das Schaltteil 8 infolge seiner Trägheit der raschen Aufeinanderfolge der Anziehungs- und Abstoßungskräfte nicht folgen kann, bleibt es bei einer ausreichend hohen Relativdrehzahl zwischen den beiden Kupplungshälften beim entkuppelten, d. h. "freigeschalteten" Zustand. Das Schaltteil 8 liegt rückwärts an einem Sprengring 10 an, der seine Bewegung begrenzt.

Bei einer ausreichenden Verringerung der relativen Drehzahl von Nabe 3 und Druckflansch 7 kann das axial bewegliche Schaltteil 8 dem Verlauf der axial wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte schließlich doch folgen, d. h. unterhalb einer bestimmte Relativdrehzahl zwischen den beiden Kupplungs­ hälften rastet die Kupplung wieder ein, indem die Kugeln 5 der magnetisch erzeugten kupplungsinternen Haltekraft folgend in ihre zugehörigen Ver­ tiefungen 6 eintreten, so daß die Drehmomentübertragung im Sinne des Pfeils X-Y wieder aufgenommen wird.

Bei der Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 bis 2B sind die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Einzelteile mit größtenteils um den Betrag 10 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.

Zum Unterschied vom ersten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmag­ nete 11 und 12 stets abwechselnd mit dem Nord- und Südpol nach vorne auf die gegenüberliegende Kupplungshälfte weisend angeordnet, und zwar in einem Kreisring, so daß die einzelnen Permanentmagnete 11, 12 die Form von Kreisringsegmenten haben, die praktisch ohne Zwischenraum dicht aneinander liegen. Die Breite der mit dem Nordpol nach vorne weisenden Permanentmagnete 11 ist dabei größer als die Breite der anderen Permanentmagnete 12, deren Südpol nach vorne weist. Hierdurch wird erreicht, daß wiederum bei Gegenüberstehen gleichartiger Magnetpole eine dem Betrage nach höhere Abstoßkraft erreicht wird als die Anziehungskraft bei Gegenüberstehen verschiedenartiger Magnetpole.

Der Schaltteil 18 ist mittels einer Verzahnung 111 axial auf der Nabe 13 axial verschiebbar. Eine Feder 115, vorzugsweise eine Tellerfeder, unterstützt die Magnetanordnung beim Halten des Schaltteiles 18 in der eingekuppelten Stellung.

Auch hier ist es möglich, durch eine geeignete Bemessung der Permanentmagnete 11, 12 und ggf. der Feder 115, eine ausreichende Anziehungskraft im eingekuppelten Zustand zu erreichen, ebenso eine ausreichende Abstoßungskraft, die die Kupplung im entkuppelten Zustand hält.

Im übrigen ist die Wirkungsweise dieser Kupplung gleich derjenigen nach dem ersten Ausführungsbeispiel.

Bei der Beschreibung des dritten Ausführungsbeispieles nach den Fig. 3 bis 3B sind die Bezugsziffern einander entsprechender Einzelteile größtenteils mit gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel um den Betrag 20 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.

Im übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem zweiten mit den folgenden Unterschieden:
Die Breite der Permanentmagnete 21, 22 ist gleich, weil bei Relativdrehung zwischen Nabe 23 und Druckflansch 27 die Anziehungskraft gegenüberstehender verschiedenartiger Magnetpole und die Abstoßkraft gegenüberstehender gleichartiger Magnetpole dem Betrage nach gleich sein sollen. Der Freischaltzustand der Kupplung bei Relativdrehung zwischen Nabe 23 und Druckflansch 27 wird durch Federn, vorzugsweise mittels einer Schraubenfeder 212 aufrechterhalten.

Die Drehmomentübertragungskörper 24 liegen einerseits in den Vertiefungen in einer radial offenen Verzahnung 213 der Nabe 23 und greifen andererseits in gegenüberliegend schräg nach innen gerichtete Vertiefungen 26 des Druckflansches 27 ein, die Feder 115 fällt weg, dafür ist eine Druckfeder 212, vorzugsweise Schraubendruckfeder, vorgesehen, die über einen Federring 216 die Drehmoment-Übertragungskörper 25 gegen einen Druckring 214 drückt. Diese Druckfeder 212 sorgt im entkuppelten, d. h. "freigeschalteten" Zustand dafür, daß zusätzlich die Drehmoment-Übertragungskörper 25 stets am Druckring 214 anliegen und nicht an den Vertiefungen 26 des Druckflansches 27 rattern, und daß bei Relativdrehung zwischen Nabe 23 und Druckflansch 27 die Abstoßungskraft leicht überwiegt und somit der Freischaltzustand aufrechterhalten bleibt.

Bezugszeichenliste

1 Permanentmagnete
2 Werkstoff
3 Nabe, Kupplungshälfte
4 Bohrungen
5 Kugeln, Drehmoment-Übertragungskörper
6 Vertiefungen
7 Druckflansch, Kupplungshälfte
8 Schaltteil
9 Gewindestifte
10 Sprengring
11 Permanentmagnet
12 Permanentmagnet
13 Nabe
14 Bohrungen
15 Kugeln
16 Vertiefungen
17 Druckflansch
18 Schaltteil
19 Gewindestifte
21 Permanentmagnet
22 Permanentmagnet
23 Nabe
24 Verzahnung
25 Drehmoment-Übertragungskörper
26 Vertiefungen
27 Druckflansch
28 Schaltteil
110 Sprengring
111 Verzahnung
115 Tellerfeder
210 Sprengring
212 Schrauben-Druckfeder
213 Verzahnung
214 Druckring
216 Federring
L Luftspalt

Claims (23)

1. Formschlüssig arbeitende Überlastkupplung mit zwei relativ zueinander verschiebbaren und verdrehbaren Kupplungshälften (3, 7; 13, 17; 23, 27), mit in gegenüberliegende Vertiefungen (6; 16; 26) eingreifenden Drehmoment-Übertragungskörpern (5; 15, 25), mit durch parallel zur Kupplungsachse magnetisierten Permanentmagneten (1; 11, 12; 21, 22) erzeugter kupplungsinterner Haltekraft für die Drehmoment- Übertragungskörper (5; 15; 25), gekennzeichnet durch in die beiden Kupplungshälften (3, 7, 13, 17; 23, 27) eingesetzte, aufeinander zu gerichtete Permanentmagnete (1; 11, 12; 21, 22).

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Permanentmagnete in beiden Kupplungshälften gleich ist.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Permanentmagnete (1; 11, 12; 21, 22) auf Kreisen gleicher Durchmesser angeordnet sind.

4. Kupplung nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (1) in einem Schnitt senkrecht zu ihrer Längserstreckung zylindrisch sind.

5. Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Permanentmagnete (1) gleichsinnig gepolt in die Kupplung eingesetzt sind.

6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Permanentmagneten (1) magnetischer Werkstoff (2) vorhanden ist.

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (1) und der magnetische Werkstoff (2) in den einander gegenüberstehenden Stirnflächen der Kupplungshälften so bemessen und angeordnet sind, daß im entkuppelten Zustand bis zur Unterschreitung einer vorbestimmten Relativdrehzahl zwischen den beiden Kupplungshälften (3, 7; 13, 17; 23, 27) die Abstoßungskraft überwiegt.

8. Kupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Kreis abwechselnd Permanentmagnete (1, 11, 12; 21, 22) verschiedener Polung angeordnet sind.

9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (1, 11, 12; 21, 22) so bemessen sind, daß im entkuppelten Zustand bis zur Unterschreitung einer vorbestimmten Relativdrehzahl zwischen den beiden Kupplungshälften (3, 7; 13, 17; 23, 27) die Abstoßungskraft überwiegt.

10. Kupplung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11, 12; 21, 22) in einem Kreisring angeordnet sind, die die Form von Kreisringsektoren aufweisen und eng aneinander liegen.

11. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) der einen Polung (11) breiter sind als die der anderen Polung (12).

12. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Abstoßkraft.

13. Kupplung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine in Abstoßrichtung wirkende Druckfeder (212).

14. Kupplung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder, vorzugsweise Schraubendruckfeder (212) über einen Druckring (214) in entkuppelnder Richtung auf die Drehmoment-Übertragungskörper (25) drückt.

15. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine das Schalttei (18) in Kupplungsrichtung drückende Feder (115), vorzugsweise eine Tellerfeder.

16. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmoment-Übertragungskörper (5, 15, 25) Kugeln sind.

17. Kupplung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (6, 16) kegelförmig sind.

18. Kupplung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (25) rückwärts an einem Federring (216) anliegen.

19. Kupplung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln in einem Teilkreis in einer radial offenen Verzahnung (24) der einen Kupplungshälfte (23) liegen und in schräg nach innen gerichtete Vertiefungen (26) einer kegelmantelförmigen Innenverzahnung der anderen Kupplungshälfte (27) eingreifen.

20. Kupplung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete auf mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet sind.

21. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch einen Luftspalt (L) zwischen den Kupplungshälften (3, 7; 13, 17; 23, 27).

22. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (L) einstellbar ist.

23. Kupplung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Gewindestift (9, 19) zur Einstellung des Luftspaltes (L).