DE2546009A1

DE2546009A1 - Mechanische drehkupplung

Info

Publication number: DE2546009A1
Application number: DE19752546009
Authority: DE
Inventors: Rudi Helmut Braune
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-10-14
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1976-04-22
Also published as: JPS5191451A; GB1518675A

Description

HOFFMANN & EITjLj3 · PATENTANWÄLTE ^

D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 {STERNHAUS] · TELEFON (089) 91WS7 · TELEX 05-29619 (PATHE)

Rudi Helmut Braune , Griffin Hill, Thrupp, Stroud/Gloucestershire, England

Mechanische Drehkupplung

Die Erfindung bezieht sich auf Drehantriebe unter Verwendung von mechanischen Kupplungen und insbesondere solchen Kupplungen, bei denen die Eingriffnahme durch einen axialen Druck zwischen zwei relativ drehbaren Elementen erfolgt.

Konventionelle Kupplungen der nicht zwangsmässigen Bauart, beispielsweise Reibungskupplungen,' beruhen häufig auf der Verwendung von wechselseitig in Eingriff bringbaren reibenden Oberflächen zur Drehmomentübertragung. Sofern hohe Drehmomente übertragen werden sollen, kann die berührende Reibfläche gross sein. Das Wesen solcher Reibkupplungen erfordert die Verwendung eines separates Getriebes mit veränderlicher Ge-'schwindigkeit,um eine Geschwindigkeitssteuerung vorzunehmen.

Ziel der Erfindung ist es, eine mechanische Drehkupplung zu schaffen, die durch axialen Druck einrückbar ist und bei

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der ein höherer Geschwindigkeitssteuerbereich als herkömmlich erzielbar ist, ohne dass ein Hilfsgetriebe zur Geschwindigkeitsveränderung notwendig ist.

Dabei wurde festgestellt, dass sich steuerbare Drehmomente durch einen Axialdruck übertragen lassen, der durch ein sich drehendes antreibendes Element aufgebracht wird, das in Linienberührung mit einer Anzahl von rollenden Berührungselementen steht, die selbst in Linien- oder Punktberührung mit einem getriebenen Element stehen.

Erfindungsgemäss wird dieses Ziel gelöst durch Vorsehen eines treibenden Elementes und eines koaxial dazu liegenden angetriebenen Elementes, wobei, die Elemente über ein Berührungselement miteinander verbunden sind, das eine Lagerfläche hat, die gegen die gegenüberliegenden Flächen von treibendem und getriebenem Element anstösst, und durch eine Einrichtung zum Anlegen eines variablen Axialdruckes zwischen dem treibenden und dem getriebenen Element, um das zwischen den Elementen übertragene. Drehmoment zu verändern.

Gemäss einem Merkmal der Erfindung umfasst die mechanische Drehkupplung zwei koaxial relativ zueinander drehbare Elemente, die nachfolgend auch als Druckplatten bezeichnet werden. Des weiteren ist eine Einrichtung vorgesehen, um einen Axialdruck anzulegen, so dass zwischen betreffenden Sätzen von gegenüberliegenden Berührungselementen, die von den koaxialen Drehelementen getragen werden, eine flächenmässig begrenzte Ein-

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griffnähme erfolgt. Die Einrichtung zum Anlegen des Axialdruckes kann frcntseitig wirkende Mitnehmerelemente aufweisen, die gegen eine Hilfsdruckplatte wirken. Die Hilfsdruckplatte wiederum enthält eine Kugellager- oder Rollenlagerlaufbahn, sofern es sich bei den Berührungselementen um Kugeln oder Rollen handelt. Der Begriff f lächenmässig begrenzte Eingriffnahme bedeutet, dass die Zone gegenseitiger gemeinsamer Berührung von den einander gegenüberliegenden Berührungselementen, durch die das Drehmoment übertragen wird, sehr klein gegenüber der gesamten Fläche der koaxialen Drehelemente ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht ein Satz aus Berührungselementen, der wenigstens von einer der koaxialen Druckplatten getragen wird,aus Kugeln oder Rollen, die in einer Lagerlaufbahn relativ zur Druckplatte drehbar sind. Bei der Lagerlaufbahn kann es sich beispielsweise um eine kreisförmige Ausnehmung in der Seitenfläche der Platte handeln. Der gegenüberliegende Satz Berührungselemente in der anderen Druckplatte ist vorzugsweise so, dass mit dem ersten Satz nur eine linien- oder punktmässige Berührung vorliegt. Diese druckübertragenden Berührungselemente können wiederum Kugeln oder Rollen sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Berührungselemente ebene oder gekrümmte Oberflächen, die verschieden von sphärischen oder zylindrischen Flächen sind, sein. Die sehr kleine Zone gegenseitiger Berührung kann selbst zwischen sehr niedrigen Friktionflächen . zur Drehmoment- und Geschwindigkeitssteuerung bei speziellen Bauarten von radbewegten Fahrzeugen und bei gewissen anderen Anwendungsfällen, bei denen ein zwangsmässiger Antrieb unnötig oder unerwünscht ist, adäquat / sein.

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Das erfindungsgemässe Prinzip kann beispielsweise
ausgedehnt werden, um ein Differentialgetriebe zu
bilden, .indem die Anordnung symmetrisch zu einem zentralen Zahn- oder Kronenrad, das mit einer Eingangsantriebswelle verbunden ist, verdoppelt wird. Dieses zentrale treibende Rad wird durch entsprechende Paare von axialen Druckplatten flankiert. Bei einer solchen Anordnung können die Paare von Druckplatten Einrichtungen aufweisen, um selektiv einen Axialdruck einzeln durch Mitnehmerelemente an dem einen oder anderen Paar oder gleichzeitig an beide Paare anzulegen. Bei einem mit Rädern versehenen Fahrzeug kann eine solche gezielte Steuerung des Axialdruckes verwandt werden, um die Lenkung vorzunehmen oder zu unterstützen,und bei einem Maschinenantrieb kann die gezielte Steuerung dazu dienen, die eine von zwei Ausgangswellen relativ zur anderen zurückzuhalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform eines Differentialgetriebes unter Verwendung der erfindungsgemässen Kupplungen zum Antrieb eines Paares Laufräder, wobei die Kupplung in der eingerückten Stellung gezeigt ist,

Fig. 2 einen vereinfachten Schnitt längs der Schnittlinie II-II nach Fig. 1, wobei jedoch die Kupplungskugeln in der ausgerückten Stellung liegen,

Fig. J einen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform für einen Drehtrieb mit einer einzelnen Ausgangswelle,und

Fig. 4 einen Detailschnitt in der Ebene IV-IV nach Fig. J5.

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Die nachfolgend anhand von Figuren 1 und 2 beschriebene Anordnung umfasst eine Haupteingangswelle 1 mit einem Ritzel 2, das ein Differentialkronenrad 3 antreibt. Das Kronenrad 3 wird an gegenüberliegenden Seiten von einem Paar ähnlicher Kupplungen flankiert, die mit den allgemeinen Bezugszeichen A und B angedeutet sind. Die Transmission und die Kupplungen befinden sich in einem fixierten umhüllenden Getriebegehäuse 4 und treiben die rechts- bzw. linksseitigen Laufräder an, von denen nur das rechtsseitige Rad 5 hier gezeigt ist. Da die Funktion beider Kupplungen A und B identisch ist, braucht nur die rechtsseitige Kupplung A und die damit verbundenen Bauteile beschrieben zu werden.

Das Kronenrad 3 ist frei drehbar auf einer Haupttransmissionswelle 6 angeordnet und besitzt ein Paar ringförmige Hauptlaufbahnen 7 und 8 für Kugeln, die an gegenüberliegenden Seitenflächen des Kronenrades 3 eingearbeitet sind. Was die Kugellaufbahn 7 betrifft, so ist eine Anzahl von Kugeln 9 in gleichmässigem Abstand voneinander durch einen Laufring 10, der sich ebenfalls frei drehbar um die. Welle 6 erstreckt, in Abstand gehalten. Ein innerer Druckkäfig 11 besitzt eine Anzahl Taschen 12, die eine Anzahl von frei drehbaren Kugeln 13 tragen, die gleich den gegenüberliegenden Kugeln 9 in der Laufbahn 7 und auf dem gleichen Durchmesser um die Achse der Welle 6 angeordnet sind.

Die Kugeln 1J5 werden an der dem Kronenrad 3 abgewandten Seite durch eine äussere Druckplatte 14 getragen, die frei drehbar um die Nabe I5 des Druckkäfigs 11 angeordnet ist und an ihrer inneren Oberfläche eine ringförmige Kugellaufbahn 16 aufweist.

Die Nabe I5 des Druckkäfigs 11 wird frei drehbar mittels einer Lagerbüchse I7 gehalten und. steht zwangsmässig durch

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eine Klauenkupplung 18 mit der Radnabe 19 des Laufrades 5 in Verbindung. Das Laufrad 5 ist ebenfalls drehbar mittels einer Lagerbüchse 20 auf der Welle 6 angeordnet.

Zwischen der Radnabe I9 und dem äusseren Drucklager 14 befindet sich ein Paar axial wirkende ebene Mitnehmerelemente 21, 22, wobei das Mitnehmerelement 21 durch Setzschrauben 23 fixiert und das Mitnehmerelement 22 beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Bowdenzüge, der bei 24 befestigt wird, drehbar ist. In Axialrichtung nachgiebige federnde Unterlegscheiben 25 beaufschlagen das äussere Drucklager 14 mit einem Leerlauf-Nichtlastdruck, wenn sich die Mitnehmerelemente 21, 22 in der "Null-Stellung", d.h. im unausdehnten Zustand befinden.

Die Anordnung der Kupplung B an der linken Seite ist funktionsmässig äquivalent, wobei die äquivalenten Teile mit gleichen, jedoch indizierten Bezugszeichen versehen sind. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der innere Druckkäfig II'¹ bei 26 mit der Welle 6 verkeilt ist und das äussere Drucklager l4^f drehbar auf der Welle 6 mittels. einer Büchse 27 und einer Lagerbüchse 28 angeordnet ist. Das linksseitige, nicht gezeigte Laufrad ist starr mit dem linken Ende der Welle 6 verbunden. Dadurch kann die gesamte Anordnung durch die endseitige Feststellmutter JO stabilisiert werden, die über federnde Unterlegschexben jU einen Leerlaufdruck zwischen der Hauptlaufbahn 7 und dem inneren Druckkäfig 11 anlegt.

Im Nichtlastzustand gemäss Fig. 2 sind die Sätze von Kugeln 9 und Ij5 längs des Umfanges an gleichen Durchmessern in Abstand voneinander angeordnet, so dass ein sehr kleiner Leerlaufspielraum vorliegt, der es ermöglicht, dass das Kronenrad 3 sich mit irgendeiner beliebigen Geschwindigkeit drehen kann, ohne dass ein Drehmoment mit Ausnahme desjenigen übertragen wird, welches die Reibung zwischen der Laufbahn 7 und

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den Kugeln 9 zu überwinden vermag. Während dieser Zeit können die Kugeln 9 umfangsmässig zwischen den Kugeln oszillieren, wobei jedoch der axiale Druck nicht ausreicht, um den Widerstand zu überwinden, der durch die eingreifende Berührung zwischen den Kugeln dargeboten wird. Wird der Mitnehmerring 22 betätigt, so schafft er einen steuerbaren Druck zwischen der Laufbahn 7 und dem äusseren Drucklager 14. Der Druck kann entsprechend dem Anwachsen und dem winke!massigen Ausschwenken des Ringes bestimmt werden. Dadurch treten die Kugeln 9 und 13 miteinander in Eingriff, wobei der Gleitwiderstand ausreicht, um auf das Rad 5 ein Drehmoment zu übertragen. Daraus geht hervor, dass gleichzeitige gleiche, durch die Mitnehmerelemente 22 und 22¹ aufgebrachte Drücke beide Laufräder in Geradeausbewegung antreiben. Ein Differentialdruck an den Mitnehmerelementen 22 und 22' führt dazu, dass ein Laufrad in bezug auf das andere zurückgehalten wird. Sofern es sich um eine drehende Maschinenanordnung handelt, können die Kupplungen differentiell die beiden Ausgangswellen steuern.

Das Prinzip kann mit geeigneten Modifikationen beibehalten werden. So können beispielsweise ein oder mehrere Laufbahnen anstelle von Kugeln Rollen tragen,oder die inneren Druckkäfige 11 und 11* können nicht drehbare, nicht gezeigte Berührungselemente mit ebenen oder gekrümmten Kontaktflächen anstelle der drehbaren Kugeln 13, 13* oder Rollen aufweisen. Die Eingriffsberührung wird jedoch als Linien- oder Punktberührung verbleiben, wenn die Kupplungen in Eingriff stehen. Der Druck zwischen dem Drucklager 14 und den Rollelementen wird jedoch stets durch Linienberührung übertragen. Eine solche Berührung kann durch entsprechende Auswahl der Anzahl und Abmessungen der Elemente maximiert werden. Der

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Der axiale Druck lässt sich auf andere Weise als durch die Mitnehmerelemente,beispielsweise durch Hülsen mit Schraubgewinde, steuern.

Fig. 3 und 4 zeigen einen Axialschnitt bzw. einen Detailschnitt längs der Ebene IV-IV durch einen erfindungsgemässen Drehantrieb mit einer einzelnen Ausgangswelle.

Ein Getriebekasten 4o mit einem Deckel 4l enthält eine motorangetriebene Eingangswelle 42, die ein Ritzel 4j5 trägt, das mit einem Zahnrad 44 kämmt. Das Zahnrad 44 ist frei drehbar auf einer Ausgangswelle 45 über ein Radiallager 46 angeordnet. Ein Satz Kugel 47 liegt normalerweise frei laufend in gegenüberliegenden Kugellaufbahnausnehmungen, wobei eine Ausnehmung in der Seitenfläche des Zahnrades und die andere an einer Seite einer.Druckplatte 48 ausgebildet ist. Dies Wird nachfolgend auch als Klemmlaufbahn bezeichnet.

Die Druckplatte 48 wird normalerweise leicht gegen die Kugeln 47 durch eine Tellerfeder 49 belastet/ Die Tellerfeder 49 stützt sich dabei gegen eine Abstützplatte 50 ab, die bei 5I an der Welle 45 angeschweisst ist. Die Platte 50 trägt eine Anzahl Stifte 52, die in Fassungen gehalten sind, welche in gleichem Abstand voneinander auf einen Kreisbogen liegen, der sich konzentrisch zu den Kugellaufbahnen für die Kugel 47 erstreckt. Die Stifte haben Köpfe 53 mit teilsphärischer oder andersartiger Krümmung,die in eine ähnliche Anzahl axial ausgerichteter Fassungen 54 in der Rückseite der Druckplatte 48 hineinragen. Die Fassungen 54· durchdringen die Kugellaufbahnausnehmung in der Vorderseite der Druckplatte 48, doch stehen im Leerlaufzustand die Stifte 52 mit einem geringen freien Spiel in Abstand von den Kugeln 47. Bei dieser Anordnung ist die Platte 48 starr mit der Abstützplatte 50 zur Drehung verbunden, jedoch lässt sie sich relativ dazu axial innerhalb kleiner Grenzen infolge der Feder 49 verschieben.

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An dem Getriebekastendeckel 41 ist ein nicht drehbarer Druckring 56 befestigt, der durch ein Drucklager 57 vom Zahnrad 44 in Abstand gehalten wird. Der Druckring 56 weist bei 58 eine Passung mit Schraubengewinde auf, die einen Druckring 59 mit ähnlichem Schraubgewinde aufnimmt. Der Druckring 59 ist auf einer Büchse 55 drehbar und kann durch ein Element 60, beispielsweise ein Handhebel, betätigt werden. Vor dem Druckring 59 ist ein Kettenrad 6l mit der Ausgangswelle 45 verkeilt und von dem Element 59 durch ein Drucklager 62 in Abstand gehalten. Die gesamte Anordnung wird durch eine Mutter 63 und eine Unterlegscheibe 64 zusammengehalten. Die Mutter 63 wird so voreingestellt, dass ein geringer axialer Nichtlastdruck an die Anordnung zwischen der Mutter und der Feder 49 angelegt ist. Die Anordnung kann als variable Axialdruckkupplung und als endlos variable Transmission in der folgenden Weise wirken. Bei Betätigung der Eingangswelle 42, wobei sich der Hebel 60 in seiner Leerlaufstellung befindet, dreht sich das Zahnrad 44/ und die Kugeln 47,die in einem Leerlaufabstand von den Stiften 52 stehen, übertragen ein Drehmoment von Null. V/ird der Hebel 60 in die Antriebsstellung gestellt, so wird der erhöhte, auf den Druckring 56 angelegte Axialdruck als Kompressionskraft auf sämtliche Bauteile zwischen dem Druckring und der Abstützplatte 50 übertragen. Der freie Spalt zwischen den Kugeln 47 und den Stiften 52 schliesst sich daher,, so dass eine Drehmomentübertragung auf die Ausgangswelle 45 und das Kettenrad 61 beginnt. Bei einer weiteren Erhöhung des Axialdruckes steigt das übertragbare Drehmoment ebenfalls an. Sobald die Kupplung in Eingriff steht, kann die Geschwindigkeit nach Belieben verändert werden. Da das Drehmoment nur über die Eingriffsoberfläche zwischen den Kugeln 47 und den Stiften 52 übertragen wird, kommt das System ohne Beschädigung automatisch bei Überlastung zum Stillstand.

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Die Stifte 52 können in ihrer Form und Krümmung an den reibenden Flächen 53 modifiziert werden. Die Feder 49 kann ferner durch irgendein geeignetes äquivalentes Element oder durch einen Satz solcher Elemente ersetzt werden. Die Anzahl an Kugeln 47 kann gleich oder grosser als die Anzahl an Stiften 52 sein.

Bei dem zuvor beschriebenen Transmissiohstrieb ändert sich die Lage der Kugeln hinsichtlich des Durchmessers nicht, wobei die Lage durch die Kugellaufbahnausnehmungen bestimmt ist. Der Transmissionstrieb arbeitet daher stets in Linienberührung zwischen den Kugeln und der Druckfläche. Die in dem erforderlichen Geschwindigkeitsbereich übertragbare Leistung hängt von der Anzahl der verwendeten Kugeln und den gewählten Abmessungen der Systemkomponenten ab. Dies bietet einen praktischen Vorteil im Vergleich zu einigen schon vorgeschlagenen Kugeltransmissionstrieben, bei denen die Kugeln sich radial bewegen müssen oder anderweitig so angeordnet sind, dass nur eine Punktberührung mit einer druckaufgebenden Oberfläche vorliegt.

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Claims

Patentansprüche

1.) Mechanische Drehkupplung, gekennzeichnet, durch ein treibendes Element und ein koaxial dazu liegendes angetriebenes Element, wobei die Elemente über ein Berührungselement miteinander verbunden sind, das eine Lagerfläche hat, die gegen die gegenüberliegenden Flächen von treibendem und getriebenem Element anstösst, und durch eine Einrichtung zum Anlegen eines variablen Axialdruckes zwischen dem treibenden und dem getriebenen Element, um das zwischen den Elementen übertragene Drehmoment zu verändern.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berührungselement ein Kugellager mit Lagerelementen umfasst, deren Oberflächen die Lagerfläche bildet und die mit entsprechenden Laufbahnen in dem treibenden und angetriebenen Element in Eingriff stehen.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das treibende, angetriebene und Berührungselement auf einer gemeinsamen axialen Welle angeordnet sind»

4. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Berührungselement gegen eine äussere Fläche des angetriebenen Elementes anstösst und mit diesem drehbar in Eingriff bringbar ist.

5. Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass das weitere Berührungselement eine Kugellaufbahn an seiner einen inneren Fläche hat, wobei die Lagerelemente eine Kugellaufbahn auf der äusseren Fläche

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des angetriebenen Elements berühren, und dass die druckanlegende Einrichtung so angeordnet ist, dass ein Druck auf die äussere Fläche des weiteren Berührungselementes ausgeübt wird.

6. Kupplung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass die druckanlegende Einrichtung ein Paar zueinander bewegliche Mitnehmerelemente umfasst, wobei ein Mitnehmerelement mit dem weiteren Berührungselement in Eingriff bringbar ist,

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Mitnehmerelement starr mit dem angetriebenen Element verbunden ist.

8. Kupplung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, sofern abhängig von Anspruch ~3, dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Element starr mit der Welle verbunden ist, so dass es sich mit dieser dreht.

9. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - · zeichnet, dass das Berührungselement und das angetriebene Element an gegenüberliegenden Flächen Kugellaufbahnen besitzen, die miteinander durch drehbare Laufelemente in Eingriff stehen, und dass das angetriebene Element in federbelasteter Weise von dem Berührungselement in Abstand gehalten ist und Vorsprünge aufweist, welche mit einigen der Lagerelemente unter der Wirkung der druckanlegenden Einrichtung in Eingriff bringbar sind.

10. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kenn zei ohne t , dass das treibende Element ein Zahnrad ist, das durch eine mit Zähnen versehene Eingangswelle angetrieben ist.

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11. Mechanische Drehkupplung, gekennzeichnet durch ein ringförmiges treibendes Element, zwei ringförmige angetriebene Elemente, ein zwischen dem treibenden Element und den angetriebenen Elementen angeordnetes betreffendes ringförmiges Berührungselement, zwei weitere Berührungseiementen, die in entsprechender Weise jenseits der angetriebenen Elemente angeordnet sind, eine Welle, auf der die Elemente angeordnet sind, ein zugehöriges Kugellagersystem zwischen gegenüberliegenden Flächen der Elemente und eine Einrichtung zum Anlegen eines variablen Axialdruckes zwischen den Elementen, um wechselseitig oder differentiell eine Verdrehung der durch das treibende Element angetriebenen Elemente hervorzurufen.

12. Kupplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die druckanlegende Einrichtung Mittel umfasst, die unabhängig an jedem weiteren Berührungselement betätigbar sind, um die wechselseitige oder differentielle Verdrehung hervorzurufen.

13· Kupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede druckanlegende Einrichtung ein erstes, nicht drehbar angeordnetes und ein zweites,, zur gemeinsamen Drehung mit dem weiteren Berührungselement angeordnetes Mitnehmerelement umfasst, wobei die Mitnehmerelemente wechselseitig in Eingriff bringbare Mitnehmerflachen aufweisen und relativ zueinander zur Übertragung des axialen Druckes axial verschiebbar sind.

14. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, dass das angetriebene Element so angeordnet ist, dass es ein Laufrad von einem Fahrzeug antreibt. '

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