DE3315938C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltkupplung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei aus der Praxis bekannten Schaltkupplungen treten die Mitnehmerkugeln aus den sie seitlich fassenden Taschen des Käfigkörpers axial aus, wenn beim axialen Auseinanderdrücken der beiden Kupplungsteile die Mitnehmerkugeln über die Nockenflächenerhebungen rollen. Jede Tasche ist so ausgebildet, daß sie die Position der Mitnehmerkugel in Drehrichtung und begrenzt auch in radialer Richtung festlegt. In axialer Richtung, d. h., in der Richtung, in der die Kupplungsteile gegen die Kraft der Federeinrichtung voneinander weg und unter der Kraft der Federeinrichtung aufeinander zu bewegt werden, läßt jede Tasche des Käfigkörpers ihrer Mitnehmerkugel eine Axialbewegung ausführen, da ihre in Drehrichtung gesehene Breite geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Mitnehmerkugel. Befindet sich die Mitnehmerkugel in axialer Richtung gesehen in der Mitte der Tasche, so kann sie noch keine nennenswerte Bewegung in Drehrichtung relativ zur Tasche ausführen. Tritt die Kugel axial zur einen oder zur anderen Seite aus der Tasche aus, dann wird die Kugel unter der Abwälzbewegung aufgrund des Drehmomentes zwischen den beiden Kupplungsteilen ein kleines Stück in Drehrichtung relativ zur Tasche verlagert. Das Zentrum der Kugel fluchtet nicht mehr mit der axialen Mitte der Tasche. Erreicht im weiteren Bewegungablauf die Mitnehmerkugel ein Nockenflächental zwischen zwei Nockenflächenerhebungen so kehrt sie schlagartig axial in die Stellung zurück, die sie bei eingekuppelter Schaltkupplung hatte. Aufgrund der in Drehrichtung eingetretenen Verlagerung der Mitnehmerkugel relativ zur Tasche trifft sie bei der Rückbewegung auf den Öffnungsrand der Tasche, ehe sie in die Tasche zurückgezwängt wird. Der Aufschlag auf den Öffnungsrand ist so stark, daß nach relativ kurzer Standzeit der Schaltkupplung die Öffnungsränder ausgeschlagen und nach außen gebördelt werden, wodurch die Halterung der Mitnehmerkugel zunehmend verschlechtert und schließlich die Funktion der Schaltkupplung beeinträchtigt wird. Jede Kugel kann sich am Öffnungsrand ihrer Tasche verklemmen. Das Ausschlagen der Öffnungsränder der Tsche führt zu einem starken Grat, der sogar mit den Nockenflächenerhebungen der Kupplungsteile kollidiert. Bei der Kollision entstehen Späne, die im empfindlichen Mechanismus der Schaltkupplung schließlich zur vollständigen Funktionsunfähigkeit führen.

Eine andere Art einer solchen Schaltkupplung ist aus der DE-PS 7 23 834 bekannt, deren gegen die Kraft der Federeinrichtung wegdrückbarer Kupplungsteil ohne Nockenflächen ausgebildet ist. Der Käfigkörper, der die in Umfangsrichtung verteilten Mitnehmerkugeln dieser Schaltkupplung aufnimmt, nimmt an der axialen Verlagerung der Kugeln nicht teil. Aus der axialen Relativbewegung der Mitnehmerkugeln im Käfigkörper resultiert ein starker Verschleiß der Wandungen der Taschen des Käfigkörpers.

Der gleiche Nachteil ist bei einer Schaltkupplung gemäß der US-PS 32 77 670 gegeben, bei der der Käfigkörper starr mit der Antriebswelle verbunden ist. Der gegen die Kraft der Federeinrichtung wegdrückbare Kupplungsteil ist ein Axialdrucklager ohne Nockenflächen. Zur Drehmomentübertragung dienen tonnenförmige Wälzkörper, die in den Taschen des Käfigkörpers in axialer Richtung beweglich sein müssen. Aus dieser axialen Beweglichkeit resultiert ein starker Verschleiß der Wandungen der Taschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkupplung der eingangs genannten Art zu schaffen, die weitgehend verschleißfest arbeitet und über lange Standzeiten gleichbleibend funktionstüchtig ist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Da der Käfigkörper bei dieser Ausbildung mit der Mitnehmerkugel in axialer Richtung formschlüssig verbunden ist, muß der Käfigkörper den axialen Bewegungen der Mitnehmerkugel folgen. Die Mitnehmerkugel bleibt an den Wänden der Tasche in jeder Axialstellung der Mitnehmerkugel in gleicher Weise abgestützt. Ein Verkanten der Mitnehmerkugel an den Öffnungsrändern der Tasche ist damit ausgeschlossen. Es tritt keine lokale Verschleißkonzentration an den Öffnungsrändern der Tasche des Käfigkörpers mehr auf, was dazu führt, daß die Schaltkupplung über lange Standzeiten weitgehend verschleißfrei arbeitet und gleichbleibend funktionstüchtig bleibt.

Herstellungstechnisch einfach und vorteilhaft sind Ausführungsvarianten, wie sie aus Anspruch 2 hervorgehen. 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 Seiten­ wände hindern die Mitnehmerkugel an dem unerwünschten, teilweisen Austreten aus der Tasche und sorgen für die gewünschte Rollbewegung.

Eine weitere, zweckmäßige Ausführungsform der Erfin­ dung, bei der die Kupplungsteile axial aufeinander ausge­ richtet sind und der Käfigkörper ringförmige Gestalt mit in radialer Richtung verlaufenden, innen offenen Taschen besitzt, läßt sich aus Anspruch 3 entnehmen. Beim Zusam­ menbau der Schaltkupplung werden die Mitnehmerkugeln ra­ dial von innen in die Taschen eingeführt, in denen sie dann festgehalten sind, sobald in den Käfigkörper ein wei­ teres Teil eingeschoben ist. Dadurch wird auch die Montage vereinfacht, da die Mitnehmerkugeln dann nicht mehr herausfallen können, bis die beiden Kupplungsteile ord­ nungsgemäß einjustiert sind.

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform geht aus An­ spruch 4 hervor. Beim Arbeiten der Schaltkupplung wird hier jede Mitnehmerkugel nicht nur im Bereich der Seiten­ wände gesichert, sondern sie liegt mit einem Teil ihrer Oberfläche so in der Vertiefung, daß sie sich zwar unge­ hindert drehen, aber keinesfalls weiter über die Öffnungen der Tasche hinausbewegen kann, als dies für die Zusammen­ arbeit 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.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Maßnahmen von An­ spruch 5 verwirklicht sind.

Wichtig sind auch die Merkmale von Anspruch 6, damit eine Kerbbeanspruchung der Oberfläche der Mitnehmerkugel vermieden wird. Falls die Krümmung der Seitenwände ge­ ringfügig schwächer ist als die Krümmung der Oberfläche der Mitnehmerkugel, wird ihr eine beschränkte Beweglich­ keit in der Tasche gestattet, die aber keinesfalls zu einer so schädlichen Wirkung führt, wie dies bei den be­ kannten Schaltkupplungen der Fall ist.

Schließlich ist auch eine Ausführungsform denkbar, wie sie in Anspruch 7 angedeutet ist. Bei dieser Schalt­ kupplung wird der zweite Kupplungsteil beim Trennen radial vom ersten Kupplungsteil wegbewegt. Dazu kann der zweite Kupplungsteil nach Art eines federnden Ringes ausgebil­ det werden. Die Taschen im Käfigkörper sind dann wiederum so ausgelegt, daß den Mitnehmerkugeln die schädliche Be­ wegung, die zu dem Ausschlagen der Nockenflächen und der Ränder der Öffnungen führen könnte, verwehrt bleibt.

Anhand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der Erfindung nachstehend erläutert. Dazu zeigt

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 Hälf­ te im Schnitt,

Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht eines weiteren Teils der Schalt­ kupplung in Blickrichtung IV-IV in Fig. 1, und

Fig. 5 eine Schnittdarstellung des Teils von Fig. 4 in der Ebene V-V.

Aus Fig. 1 ist das vordere Ende einer Arbeitsspindel 1 eines nicht näher gezeigten Drehwerkzeugs, z. B. eines Schraubendrehwerkzeuges, in einer Stellung seiner Kom­ ponenten gezeigt, in der eine Arbeitsdrehbewegung über eine Schaltkupplung 2 übertragen wird. Die Schaltkupplung 2 ist so ausgelegt, daß sie bei einem vorbestimmten Dreh­ momentwert einen treibenden Kupplungsteil 3 von einem ge­ triebenen 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 Nu­ ten 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 kup­ pelbar ist (nicht dargestellt).

Am treibenden Kupplungsteil 3 bzw. dessen vorderen Stirnende, ist ein ringförmig umlaufender Ansatz 9 an­ geformt, der eine Nockenfläche 10 mit mehreren in Um­ fangsrichtung verteilten scharfen Kämmen 38 und dazwi­ schenliegenden 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 ringför­ miger Gestalt (Fig. 2 und 3) drehbar gehalten.

Jede Mitnehmerkugel 28 liegt mit ihrem der Nocken­ fläche 10 in axialer Richtung gegenüberliegenden Ober­ flächenbereich an einer entsprechend ausgebildeten Nocken­ fläche 12 an, die an einem ebenfalls ringförmig umlaufen­ den Ansatz 13 eines zweiten Kupplungsteils 14 vorgesehen ist. Der zweite Kupplungsteil 14 besitzt innenseitig ra­ diale 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 Ver­ zahnung) 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 Feder­ einrichtung 18, z. B. in Form mehrerer Ringscheibenfedern, eingeordnet.

Im Inneren des Mundstücks 4 ist ein topfförmiger Kolben 24 gehalten, an dem sich eine Feder 25 abstützt. Die Feder 25 beaufschlagt einen weiteren, topfförmigen Kolben 26. Die Spitze des Kolbens 26 ist bei 27 kegelför­ mig gestaltet und belastet in über den Umfang verteilt angeordneten Radialbohrungen 41 Kugeln 11 derart, daß die­ se unter der Kraft der Feder 25 das Bestreben haben, ra­ dial nach außen zu gleiten. In der gezeichneten Stellung stehen die Kugeln 11 radial so weit außen, daß die äuße­ ren 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 ange­ ordneten 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.

Im Mundstück 4 ist in einer Durchgangsbohrung 31 ein Querzapfen 30 vorgesehen, der den möglichen Hubweg des inneren Kolbens 29 begrenzt.

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 zu­ einander verlaufende Seitenwände 35, die hohlkehlenartig gerundet sind (Fig. 3) und zudem mit einer leichten Run­ dung im Bereich 35 a (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 D ₁, der kleiner ist als der Durchmesser D _K der Mitnehmerkugel 28, die in der Tasche 33 drehbar gehalten ist. Die Ver­ tiefung 36 hat die Form einer Kugelkalotte. Ihre Krüm­ mung entspricht entweder der Krümmung der Oberfläche der Mitnehmerkugel 28 oder ist geringfügig schwächer. Die Seitenwände 35 besitzen ebenfalls eine Krümmung, die an­ nähernd 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 D _K der Mitnehmerkugel 28. Das innenliegende und mit 39 bezeich­ nete Ende jeder Tasche 33 läßt das radiale Einführen der Mitnehmerkugel 28 zu.

Aus den Fig. 4 und 5 geht schließlich die Ausbildung der Nockenfläche 10 am treibenden Kupplungsteil 3 hervor. Die entsprechende Nockenfläche 12 am zweiten Kupplungs­ teil 14 ist entweder gleich ausgebildet oder unterschei­ det sich durch die Tiefe und den Verlauf der Mulden 37 von der Nockenfläche 10. Zwischen jeweils zwei benachbar­ ten Mulden 37, die in einem Querschnitt (Fig. 5) eben­ falls hohlkehlenartig gekrümmt sind (z. B. mit dem Krümmungsradius R _K , 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 Mitneh­ merkugeln 28 vorgesehen. Die Nockenflächen 10 und 12 be­ sitzen hingegen über den Umfang verteilt sechs Mulden 37 mit sechs dazwischenliegenden Kämmen 38. Die Nocken­ flächen 10 und 12 sind auch nach Art von Stirnverzahnun­ gen mit dachförmigen Zähnen und dazwischenliegenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Zwischenflächen ausgebildet denkbar.

Die Schaltkupplung arbeitet wie folgt: Die Federein­ richtung 18 drückt den zweiten Kupplungsteil 14 in Rich­ tung auf den ersten Kupplungsteil 3 hin, so daß die Mitneh­ merkugeln 28 jeweils auf den tiefsten Stellen der Mulden 37 der Nockenflächen 10 und 12 aufliegen. Die Kupplungstei­ le 3 und 14 sind in axialer Richtung maximal einander an­ genähert. 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 ver­ schoben, bis das klauenbewehrte Antriebsstück (nicht gezeigt) mit dem Antrieb (nicht gezeigt) gekuppelt ist, und den Kupplungsteil 3 dreht. Dank der Federeinrichtung 18 über­ tragen 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. 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 Feder­ einrichtung 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 Schräg­ fläche 42 die Kugeln 11 radial nach innen verschoben, so daß die nicht gezeigte Feder das klauenbewehrte Antriebs­ stück ausrücken und es zusammen mit dem Kolben 29 ver­ schieben kann. Das Auskuppeln wird dadurch ermöglicht, daß die über die Kämme 38 rollenden Mitnehmerkugeln 28 ein kurzzeitiges Nachdrehmoment erzeugen, das für das An­ triebsstück entlastend wirkt, so daß es leicht und rasch vom Antrieb getrennt wird. Während der gesamten und in axialer Richtung erfolgenden Relativbewegung der Mitneh­ merkugeln 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 Be­ rührungsbereiche 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.

Daraufhin wird das Mundstück 4 vom Werkstück abge­ hoben oder zumindest entlastet, worauf das gesamte vor­ dere Ende des Drehwerkzeuges nach vorne gleitet, wobei der Kolben 29 abgefangen wird und die Kugeln 11 wieder radial nach außen gleiten. Zuvor hat die Federeinrich­ tung 18 die Mitnehmerkugeln 28 wieder in die tiefsten Bereiche der Mulden 37 hinein verlagert, so daß die Kupp­ lungsteile 14 und 3 maximal angenähert sind und die Schrägfläche 42 die Kugeln 11 wieder in die in Fig. 1 gezeigte Lager gleiten läßt. Das Drehwerkzeug ist wieder betriebsbereit.

Claims (7)

1. Schaltkupplung für ein Dreh-, insbesondere Schraubendrehwerkzeug, mit einem getriebenen ersten und einem zur Drehung antreibbaren und bei Erreichen eines vorbestimmten Drehmomentwertes entkuppelbaren zweiten Kupplungsteil, die durch wenigstens eine zwischen ihnen gelagerte Mitnehmerkugel gegen die Kraft einer Federeinrichtung axial voneinander weg bewegbar sind, wobei die Mitnehmerkugel an Nockenflächen beider Kupplungsteile abgestützt ist, und mit einem zwischen den Kupplungsteilen gelagerten Käfigkörper, in dem die Mitnehmerkugel in einer zu beiden Kupplungsteilen hin offenen Tasche drehbar gehalten ist, dadurch gekennnzeichnet, daß der Käfigkörper (32) in axialer Richtung formschlüssig an der Mitnehmerkugel (28) gehalten ist, derart, daß die Mitnehmerkugel (28) bei einer axialen Bewegung relativ zu den Kupplungsteilen (3, 14) den Käfigkörper (32) mitnimmt.

2. Schaltkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tasche (33) hohlkehlenartig gerundete oder im Querschnitt V-förmige Seitenwände (35) aufweist.

3. Schaltkupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die Kupplungsteile axial aufeinander ausgerichtet sind und wobei der Käfigskörper ringförmige Gestalt mit in radialer Richtung verlaufenden, innen offenen Taschen be­ sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmerkugel (28) vom radial inneren Ende (39) jeder Tasche (33) in diese einführbar ist.

4. Schaltkupplung nach wenigstens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Tasche (33) bis in eine radial außenliegende schüssel­ förmige Vertiefung (36), vorzugsweise in einem axial verbreiterten Randflansch (40) des Käfigkörpers (32), erstreckt, in der die an den Nockenflächen (10, 12) der Kupplungsteile (3, 14) abgestützte Mitnehmerkugel (28) mit einem Teil ihrer Umfangsfläche sitzt.

5. Schaltkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vertiefung (36) als Kugelkalotte mit einem annähernd dem Radius der Mitnehmerkugel (28) entsprechen­ den Krümmungsradius ausgebildet ist, und daß die Seiten­ wände (35) der Tasche (33) jeweils mit einer Krümmung (35 a) übergangslos in die Vertiefung (36) übergehen.

6. Schaltkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krümmung der hohlkehlenartig gerundeten Seitenwände (35) der Krümmung der Mitnehmerkugel-Ober­ fläche entspricht oder geringfügig schwächer ist.

7. Schaltkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nockenflächen des ersten Kupplungsteils radial innerhalb der Nockenflächen des zweiten Kupplungs­ teils angeordnet sind und daß die Taschen den Nockenflächen zugewandte, verengte Öffnungen aufweisen und sich in axialer Richtung erstrecken.