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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltkupplung der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Bei bekannten Schaltkupplungen dieser Art, bei denen die Kupplungsteile
in axialer Richtung aufeinander ausgerichtet sind, verlaufen die Taschen in axialer
Richtung von Öffnung zu Öffnung mit gleichbleibender Breite. Dadurch ist den in
den Taschen gehaltenen Mitnehmerkugeln ein axiales Bewegungsspiel möglich. Solange
die Schaltkupplung ein Drehmoment überträgt, wird jede Kugel sauber zwischen den
Seitenwänden der Tasche gehalten. Beim Auskuppeln laufen die Kugeln an den Nockenflächen
auf und drücken die Kupplungsteile in axialer Richtung auseinander, wobei jede Kugel
in axialer Richtung ein Stück aus der Öffnung der Tasche austritt, so daß zwischen
der Öffnungskante der Tasche und dem Kugelumfang ein Zwischenraum entsteht. Wenn
dann im Moment des Entkuppelns jede Kugel über eine Erhöhung der Nockenflächen springt,
wird sie durch den treibenden Kupplungsteil um das Maß des Spaltes in radialer Richtung
versetzt. Unter der Kraft der Federeinrichtung werden die beiden Kupplungsteile
jedoch unmittelbar danach wieder in Richtung aufeinander zu bewegt, so daß die Kugel
schlagartig wieder in die Tasche hineingeschoben werden muß und sich dabei zwischen
der Nockenfläche und der Öffnungskante verklemmt. Sowohl die Nockenflächen als auch
die Öffnungsränder schlagen sich dabei in zunehmendem Maße aus, bis schließlich
die Schaltkupplung funktionsunfähig wird. Die ordnugnsgemäß funktionierende Schaltkupplung
besitzt allerdings den Vorteil, daß trotz der Verwendung eines elektrischen Antriebs
mit verhältnismäßig hoher Leistung eine außerordentlich genaue Abschltung bei einem
vorbestimmten Drehmoment erreicht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkupplung der
eingangs genannten Art zu schaffen, die weitgehend verschleißfrei arbeitet und über
lange Standzeiten gleichbleibend funktionstüchtig ist.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Infolge dieser Ausbildung wird die Mitnehmerkugel an einem teilweisen
Austreten aus der Tasche gehindert, so daß sich zwischen der Umfangsfläche der Kugel
und den Öffnungsrändern der Tasche kein Spalt bilden kann, der beim Rollen der Mitnehmerkugel
über eine Erhöung der Nockenfläche zu der nachteiligen Versetzbewegung führen könnte.
Vielmehr wird die Mitnehmerkugel formschlüssig so in der Tasche festgehalten, daß
sie die Relativbewegung, die sie beim Auseinanderdrücken der Kupplungsteile relativ
zum feststehenden Kupplungsteil ausführt, auf den Käfigkörper überträgt und diesen
mitnimmt. Ein Verkanten am Öffnungsrand ist dadurch ausgeschlossen, so daß das Ausschlagen
sowohl des Öffnungsrandes als auch der Nockenflächen unterbleibt. Die Mitnehmerkugeln
werden durch diese Führung zum Rollen gezwungen, so daß jegliche schädliche Gleitreibung
an den Nockenflächen unterbleibt.
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Herstellungstechnisch einfach und vorteilhaft sind Ausführungsvarianten,
wie sie aus Anspruch 2 hervorgehen.
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Bei hohlkehlenartig ausgerundeten Seitenwänden läßt sich eine flächige
Auflage der Mitnehmerkugel in der Tasche erreichen, was für eine einwandfreie Kraftübertragung
zweckmäßig ist. Aber auch V-förmig ausgebildete Seitenwände hindern die Mitnehmerkugel
an dem unerwünschten, teilweisen Austreten aus der Tasche und sorgen für die gewünschte
Rollbewegung.
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Eine weitere, zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung, bei der
die Kupplungsteile axial aufeinander ausgerichtet sind und der Käfigkörper ringförmige
Gestalt mit in radialer Richtung verlaufenden, innen offenen Taschen besitzt, läßt
sich aus Anspruch 3 entnehmen. Beim Zusammenbau der Schaltkupplung werden die Mitnehmerkugeln
radial von innen in die Taschen eingeführt, in denen sie dann festgehalten sind,
sobald in den Käfigkörper ein weiteres Teilleingeschoben ist. Dadurch wird auch
die Montage vereinfacht, da die Mitnehmerkugeln dann nicht mehr herausfallen können,
bis die beiden Kupplungsteile ordnungsgemäß einjustiert sind.
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Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform geht aus Anspruch 4 hervor.
Beim Arbeiten der Schaltkupplung wird hier jede Mitnehmerkugel nicht nur im Bereich
der Seitenwände gesichert, sondern sie liegt mit einem Teil ihrer Oberfläche so
in der Vertiefung, daß sie sich zwar ungehindert drehen, aber keinesfalls weiter
über die Öffnungen der Tasche hinausbewegen kann, als dies für die Zusammenarbeit
mit den Nockenflächen erforderlich ist. Bei dieser Art der Halterung der Mitnehmerkugel
werden die von ihr auf den Käfigkörper übertragenen Kräfte auf sehr große Flächenbereiche
übertragen.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Maßnahmen von Anspruch 5 verwirklicht
sind.
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Weichtig sind auch die Merkmale von Anspruch 6, damit eine Kerbbeanspruchung
der Oberfläche der Mitnehmerkugel vermieden wird. Falls die Krümmung der Seitenwände
geringfügig schwächer ist als die Krümmung der Oberfläche der Mitnehmerkugel, wird
ihr eine beschränkte Beweglichkeit in der Tasche gestattet, die aber keinesfalls
zu einer so schädlichen Wirkung führt, wie dies bei den bekannten Schaltkupplungen
der Fall ist.
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Schließlich ist auch eine Ausführungsform denkbar, wie sie in Anspruch
7 angedeutet ist. Bei dieser Schaltkupplung wird der zweite Kupplungsteil beim Trennen
radial vom ersten Kupplungsteil wegbewegt. Dazu kann der zweite Kupplungsteil nach
Art eines federnden Ringes ausgebildet werden. Die Taschen im Käfigkörper sind dann
wiederum so ausgelegt, daß den Mitnehmerkugeln die schädliche Bewegung, die zu dem
Ausschlagen der Nockenflächen und der Ränder der Öffnungen führen könnte, verwehrt
bleibt.
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Anhand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der Erfindung nachstehend
erläutert. Dazu zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Spindel
eines Drehwerkzeuges, in der Ebene I-I von Fig.4, Fig. 2 einen Teil der Schaltkupplung
von Fig. 1, in einer Hälfte in einer Vorderansicht und in der anderen Hälfte im
Schnitt, Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene III-III in Fig. 2, Fig. 4 eine Ansicht
eines weiteren Teils der Schaltkupplung in Blickrichtung IV-IV in Fig. 1, und Fig.
5 eine Schnittdarstellung des Teils von Fig. 4 in der Ebene V-V.
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Aus Fig. 1 ist das vordere Ende einer Arbeitsspindel 1 eines nicht
näher gezeigten Drehwerkzeugs, z.B. eines Schraubendrehwerkzeuges, in einer Stellung
seiner Komponenten gezeigt, in der eine Arbeitsdrehbewegung über eine Schaltkupplung
2 übertragen wird. Die Schaltkupplung 2 ist so ausgelegt, daß sie bei einem vorbestimmten
Drehmomentwert einen treibenden Kupplungsteil 3 von einem getriebenen Mundstück
4 trennt, in dem in einer Bohrung 23
ein Werkzeugeinsatz (nicht
dargestellt) befestigt sein kann. Das getriebene Mundstück 4 ist teleskopartig in
den als Rohr ausgebildeten Kupplungsteil 3 eingesteckt und wird durch über den Umfang
verteilte Kugeln 7, die in Nuten 5 und 6 liegen, drehbar aber axial unverschieblich
festgelegt; Die Kugeln 7 sind durch einen eingepreßten Stift 8 gegen ein Herausfallen
gesichert. Der treibende Kupplungsteil 3 ist über eine Längskeilverzahnung mit einem
klauenbewehrten Antriebselement gekuppelt, das durch eine Axialverschiebung gegen
Federkraft mit einem Antrieb kuppelbar ist (nicht dargestellt).
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Am treibenden Kupplungsteil 3 bzw. dessen vorderen Stirnende, ist
ein ringförmig umlaufendern Ansatz 9 angeformt, der eine Nockenfläche 10 mit mehreren
in Umfangsrichtung verteilten scharfen Kämmen 38 und dazwischenliegenden Mulden
37 (Fig. 4 und 5) aufweist. Auf der Nockenfläche 10 liegen über den Umfang verteilt
mehrere, z.B. drei, Mitnehmerkugeln 28, die sowohl zur Übertragung des Drehmomentes
als auch zum Trennen der Schaltkupplung vorgesehen sind. Die Mitnehmerkugeln 28
werden in Taschen 33 eines Käfigkörpers 32 von ringförmiger Gestalt (Fig. 2 und
3) drehbar gehalten.
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Jede Mitnehmerkugel 28 liegt mit ihrem der Nockenfläche 10 in axialer
Richtung gegenüberliegenden Oberflächenbereich an einer entsprechend ausgebildeten
Nockenfläche 12 an, die an einem ebenfalls ringförmig umlaufenden Ansatz 13 eines
zweiten Kupplungsteils 14 vorgesehen ist. Der zweite Kupplungsteil 14 besitzt innenseitig
radiale Ausnehmungen 15 und überragt mit seinem Stirnende 16 einen radialen Flansch
17 des Mundstücks 4, mit dem er axial verschieblich aber unverdrehbar (z.B. über
eine Verzahnung) gekuppelt ist. Am vorderen Ende des Mundstücks 4 ist auf einem
Außengewindeabschnitt 20 eine Druckscheibe 19 aufgeschraubt, die über Kugeln 21
eine Ringscheibe 22
drehbar abstützt. Zwischen der Ringscheibe
22 und dem Stirnende 16 des zweiten Kupplungsteils 14 ist eine Federeinrichtung
18, z.B. in Form mehrerer Ringscheibenfedern, eingeordnet.
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Im Inneren des Mundstücks 4 ist ein topfförmiger Kolben 24 gehalten,
an dem sich eine Feder 25 abstützt.
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Die Feder 25 beaufschlagt einen weiteren, topfförmigen Kolben 26.
Die Spitze des Kolbens 26 ist bei 27 kegelförmig gestaltet und belastet in über
den Umfang verteilt angeordneten Radialbohrungen 41 Kugeln 11 derart, daß diese
unter der Kraft der Feder 25 das Bestreben haben, radial nach außen zu gleiten.
In der gezeichneten Stellung stehen die Kugeln 11 radial so weit außen, daß die
äußeren Kugeln an einer schrägen Fläche 42 des Kupplungsteils 14 anstehen. Die inneren
Kugeln 11 hindern einen weiteren und im Mundstück 4 verschiebbaren Kolben 27, auf
dem die Kraft der im Bereich des nicht gezeigten Antriebs angeordneten Feder lastet,
gegen eine weitere Verschiebung in Richtung zum Kolben 24. Diese nicht gezeigte
Feder ist stärker als die Feder 25. Wenn bei einer axialen Bewegung des zweiten
Kupplungsteiles 14 die Kugeln 11 durch die Schrägfläche 42 radial nach einwärts
verschoben werden, wobei die inneren Kugeln den Kolben 26 zum Kolben 24 hin verschieben,
ergibt sich eine Lage, in der der Kolben 29 zum Kolben 24 hin verfährt. Der Zweck
dieser Bewegung wird später erläutert.
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Im Mundstück 4 ist in einer Durchgangsbohrung 31 ein Querzapfen 30
vorgesehen, der den möglichen Hubweg des inneren Kolbens 29 begrenzt.
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Der Käfigkörper 32 besteht (Fig. 2 und 3) aus einer Ringscheibe 34
und einem in axialer Richtung demgegenüber verlängerten Außenflansch 40. Jede Tasche
33 ist in
einer Draufsicht auf den Käfigkörper 32 U-förmig und
(Fig. 2) innen offen. Sie besitzt annähernd parallel zueinander verlaufende Seitenwände
35, die hohlkehlenartig gerundet sind (Fig. 3) und zudem mit einer leichten Rundung
im Bereich 35a (Fig. 2) übergangslos in eine schüsselförmige Vertiefung 36 übergeführt
sind, die im Bereich des umlaufenden Randflansches 40 liegt. Die Vertiefung 36 hat
(Fig. 3) einen Durchmesser D1, der kleiner ist als der Durchmesser D K der Mitnehmerkugel
28, die in der Tasche 33 drehbar gehalten ist. Die Vertiefung 36 hat die Form einer
Kugelkalotte. Ihre Krümmung entspricht entweder der Krümmung der Oberfläche der
Mitnehmerkugel 28 oder ist geringfügig schwächer. Die Seitenwände 35 besitzen ebenfalls
eine Krümmung, die annähernd der Krümmung der Oberfläche der Mitnehmerkugel 28 entspricht
oder schwächer ist. Durch diese Ausbildung der Seitenwände 35 wird erreicht, daß
die Breite B der den beiden Nockenflächen 10 und 12 zugewandten Öffnungen der Tasche
33 kleiner wird als der Außendurchmesser DK der Mitnehmerkugel 28. Das innenliegende
und mit 39 bezeichnete Ende jeder Tasche 33 läßt das radiale Einführen der Mitnehmerkugel
28 zu.
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Aus den Fig. 4 und 5 geht schließlich die Ausbildung der Nockenfläche
10 am treibenden Kupplungsteil 3 hervor.
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Die entsprechende Nockenfläche 12 am zweiten Kupplungsteil 14 ist
entweder gleich ausgebildet oder unterscheidet sich durch die Tiefe und den Verlauf
der Mulden 37 von der Nockenfläche 10. Zwischen jeweils zwei benachbarten Mulden
37, die in einem Querschnitt (Fig. 5) ebenfalls hohlkehlenartig gekrümmt sind (z.B.
mit dem Krümmungsradius RK, der dem halben Außendurchmesser der Mitnehmerkugel 28
entspricht) liegt ein schneidenartiger Kamm 38 vor, der ebenfalls konkav gekrümmt
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind im Käfigkörper 32 in
Umfangsrichtung
in gleichen Winkelabständen drei Mitnehmerkugeln 28 vorgesehen. Die Nockenflächen
10 und 12 besitzen hingegen über den Umfang verteilt sechs Mulden 37 mit sechs dazwischenliegenden
Kämmen 38. Die Nockenflächen 10 und 12 sind auch nach Art von Stirnverzahnungen
mit dachförmigen Zähnen und dazwischenliegenden, in Umfangsrichtung verlaufenden
Zwischenflächen ausgebildet denkbar.
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Die Schaltkupplung arbeitet wie folgt: Die Federeinrichtung 18 drückt
den zweiten Kupplungsteil 14 in Richtung auf den ersten Kupplungsteil 3 hin, so
daß die Mitnehmerkugeln 28 jeweils auf den tiefsten Stellen der Mulden 37 der Nockenflächen
10 und 12 aufliegen. Die Kupplungsteile 3 und 14 sind in axialer Richtung maximal
einander angenähert. Zum Beispiel durch Ansetzen des Mundstücks 4 mit einem eingesetzten
Werkzeugeinsatz an ein Werkstück wird das gesamte vordere Ende (Fig. 1) des Drehwerkzeugs
gegen die Kraft der nicht gezeigten Feder zum Antrieb hin verschoben,bis das klauenbewehrte
Antriebsstück (nicht gezeigt mit dem Antrieb (nicht gezeigt) gekuppelt ist, und
den Kupplungsteil 3 dreht. Dank der Federeinrichtung 18 übertragen die Mitnehmerkugeln
28 das Drehmoment vom ersten Kupplungsteil 3 auf den zweiten Kupplungsteil 14, von
dem es an das Mundstück 4 weitergegeben wird, und zwar infolge der ansteigenden
Bereiche der Mulden 37 der Nockenflächen 10 und 12, die zunächst noch die relative
Verdrehung zwischen den beiden Kupplungsteilen verhindern.
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Wenn dann das Reaktionsdrehmoment vom Mundstück 4 bis zu einem vorbestimmten
Drehmomentwert ansteigt, beginnen die Mitnehmerkugeln 28 auf beiden Nockenflächen
10 und 12 in den Mulden 37 in Richtung zu den Kämmen 38 zu rollen, wobei sie den
Kupplungsteil 14 gegen die Kraft der Federeinrichtung 18 vom Kupplungsteil 3 wegdrücken,
bis sie schließlich über die Kämme 38 hinwegrollen, so daß die Schaltkupplung durchgeht
und der Kupplungsteil 14 kurz-
zeitig verzögert wird. Gleichzeitig
werden über die Schrägfläche 42 die Kugeln 11 radial@nach innen verschoben, so daß
die nicht gezeigte Feder das klauenbewehrte Antriebsstück ausrücken und es zusammen
mit dem Kolben 29 verschieben kann. Das Auskuppeln wird dadurch ermöglicht, daß
die über die Kämme 38 rollenden Mitnehmerkugeln 28 ein kurzzeitiges Nachdrehmoment
erzeugen, das für das Antriebsstück entlastend wirkt, so daß es leicht und rasch
vom Antrieb getrennt wird. Während der gesamten und in axialer Richtung erfolgenden
Relativbewegung der Mitnehmerkugeln 28 in Bezug auf den Kupplungsteil 3 haben die
Mitnehmerkugeln 28 den Käfigkörper 32 mitgenommen, da sie in dessen Taschen 33 formschlüssig
aber drehbar gehalten sind. Dem Käfigkörper wird die ruckweise Schnappbewegung der
Mitnehmerkugeln, die sich beim Überrollen der Kämme 38 einstellt, aufgezwungen,
allerdings über großflächige Berührungsbereiche zwischen den Mitnehmerkugeln 28
und den Taschen 33. Ein Ausschlagen der Nockenflächen oder der Taschen bzw. der
Ränder der Öffnungen wird vermieden, da die Mitnehmerkugeln 28 stets sauber geführt
werden und rollen.
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Daraufhin wird das Mundstück 4 vom Werkstück abgehoben oder zumindest
entlastet, worauf das gesamte vordere Ende des Drehwerkzeuges nach vorne gleitet,
wobei der Kolben 29 abgefangen wird und die Kugeln 11 wieder radial nach außen gleiten.
Zuvor hat die Federeinrichtung 18 die Mitnehmerkugeln 28 wieder in die tiefsten
Bereiche der Mulden 37 hinein verlagert, so daß die Kupplungsteile 14 und 3 maximal
angenähert sind und die Schrägfläche 42 die Kugeln 11 wieder in die in Fig. 1 gezeigte
Lage gleiten läßt. Das Drehwerkzeug ist wieder betriebsbereit.